Contoh Permasalahan Fisika Mekanika

Fisika Mekanika

Pernahkah Anda bermain ke taman bermain? Di sana mungkin Anda menemukan permainan semacam roller coaster. Pernahkah Anda menaikinya? Bagaimana rasanya? Pernahkah Anda berpikir bahwa roller coastermenerapkan konsep fisika?

Pada roller coaster, penumpang menaiki kendaraan yang tidak bermesin. Kendaraan ini dinaikkan ke puncak bukit pertama dengan menggunakan semacam ban berjalan(conveyor belt), seperti pegangan tangan pada tangga berjalan (eskalator). Lintasan naik ini dibuat tidak terlalu curam, karena makin curam lintasan, makin besar daya motor penggerak ban berjalannya (biaya yang dikeluarkan lebih mahal). Puncak bukit pertama dibuat lebih tinggi dari puncak bukit selanjutnya ataupun dari tinggi loop (lintasan berbentuk tetes air). Hal ini bertujuan agar kendaraan memiliki energi potensial yang cukup besar sehingga mampu melintasi seluruh lintasan dengan baik. Ketika meluncur dari bukit pertama, penumpang dilepas dan jatuh bebas dipercepat. Agar efek jatuh bebas ini dapat lebih dirasakan, lintasan luncuran dibuat berbentuk seperti sebuah parabola (lintasan benda di bawah medan gravitasi). Gerakan turun dipercepat ini membuat jantung dan alat-alat tubuh sedikit terangkat dari tempatnya semula (inersia). Efek inersia inilah yang memberikan efek- efek tertentu seperti rasanya mau terbang, rasa mual, dan jantung berdesir. Memasuki loop, penumpang dihadapkan pada loop yang seperti tetes cair. Loop tidak dibuat seperti lingkaran penuh karena pada titik terendah loop yang berbentuk lingkaran penumpang akan mengalami bobot 6 kali bobot semula. Bobot sebesar ini membahayakan penumpang karena darah tidak mampu mengalir ke otak, mata berkunang-kunang, dan pingsan. Di puncak loop, penumpang tidak akan jatuh karena gaya sentrifugal yang dirasakan mampu mengimbangi gaya berat akibat tarikan gravitasi bumi. Gaya sentrifugal juga dirasakan penumpang saat melintasi belokan belokan tajam yang dibuat sepanjang lintasan. Saat penumpang berbelok ke kanan, penumpang akan terlempar ke kiri. Sebaliknya, ketika roller coaster berbelok ke kiri, penumpang akan terlempar ke kanan. Penumpang akan terlempar lebih keras jika berpegang erat-erat pada batang pengaman. Oleh karena itu, penjaga taman hiburan biasanya menyarankan penumpang untuk membiarkan tangannya bebas sambil berteriak-teriak agar lebih nyaman.

(Dikutip seperlunya dari Fisika untuk Semua, Yohanes Surya, 2004)

Roller coaster adalah wahana permainan berupa kereta yang dipacu dengan kecepatan tinggi pada jalur rel khusus, biasanya terletak di atas tanah yang memiliki ketinggian yang berbeda-beda. Rel ini ditopang oleh rangka baja yang disusun sedemikian rupa. Wahana ini pertama kali ada di Disney Land Amerika Serikat. Dalam sebuah wahana roller coaster, tahukah sederet fakta ilmu fisika yang terlibat didalamnya? Berikut uniknya.com paparkan:

1. Energi Potensial (Ep)
Energi potensial, Ep, yakni energi yang “dikandung” roller coaster dikarenakan oleh posisinya, bernilai maksimum di posisi puncak lintasan. Energi potensial bernilai nol di posisi “lembah” (posisi terendah) lintasan. Energi potensial diubah menjadi energi kinetik, ketika roller coaster bergerak menurun.

2. Energi Kinetik (Ek)
Energi kinetik, Ek, yakni energi yang dihasilkan oleh roller coaster karena geraknya (dalam hal ini kecepatan), bernilai nol di posisi puncak lintasan. Jelaskan, mengapa? Energi kinetik bernilai maksimum di posisi “lembah’ (posisi terendah) lintasan. Mengapa? Energi kinetik diubah menjadi energi potensial, ketika roller coaster bergerak menaik.

3. Dinamika Roller Coster
Gerak Roller Coaster mengalami percepatan, yakni perubahan kecepatan terhadap waktu yakni kecepatan bertambah terhadap waktu, ketika bergerak menurun. Roller coaster mengalami perlambatan (percepatan negatif) yakni kecepatan berkurang terhadap waktu ketika bergerak menaik. Perubahan kecepatan juga terjadi saat roller coaster berubah arah!

4. Gaya Gravitasi (F)
Pada roller coaster, kamu tentu mengalami gaya gravitasi, yakni gaya (interaksi) yang disebabkan oleh tarikan massa bumi terhadap massa tubuhmu (karena massa bumi jauh lebih besar dibandingkan dengan massa tubuhmu!). Rasakan dan kemudian jelaskan, apa efek gaya gravitasi tersebut? gaya gravitasi tersebut diartikan: F= kurang lebih 10.000 N. tetapi dari hasil penelitian setiap roller coaster tergantung dengan berat, dan putarannya.

5. Kekekalan Energi
Dalam proses perubahan energi Ek menjadi Ep dan Ep menjadi Ek ini, sebagian energi diubah menjadi energi panas (kalor) karena adanya gesekan (friksi). Misal, roda roller coaster dengan rel lintasan. Energi total sistem tidak bertambah atau berkurang. Energi “hanya” berubah bentuk (misal: Ek, Ep, kalor).

Tambahan:

Gaya Sentripetal 
Gaya sentripetal adalah gaya yang “berusaha” menarik objek mengarah ke titik pusat (sumbu). Ketika roller coaster bergerak melalui lintasan memutar, gaya sentripental “mempertahankan” roller coaster agar tetap bergerak memutar.