Gerak Lurus Beraturan
Pada kegiatan sehari-hari kita mendapati banyak sekali benda bergerak, mulai dari diri kita yang berjalan, orang lain berjalan, mobil bergerak di jalan raya, hingga pesawat yang terbang tinggi di udara. Dalam ilmu fisika (khususnya cabang Kinematika), gerak benda didefinisikan sebagai perubahan posisi suatu benda. Perubahan posisi ini didefinisikan apabila terjadi perbedaan lokasi terhadap sebuah titik koordinat referensi atau titik acuan. Tanpa adanya titik acuan yang jelas, kita tidak bisa menentukan apakah suatu benda benar-benar bergerak atau sekadar diam relatif terhadap pengamatnya.
1. Konsep Benda Sebagai Partikel dan Lintasan Gerak
Benda dapat bergerak pada lintasan tertentu, seperti mobil bergerak pada jalan raya. Mobil tersebut dapat dipandang sebagai bendanya, sedangkan jalan raya dapat kita asumsikan sebagai lintasannya. Apabila ukuran benda jauh lebih kecil dibandingkan ukuran lintasannya, maka benda tersebut dapat kita pandang sebagai sebuah partikel.
Pada kasus mobil yang bergerak pada jalan raya, maka mobil ini dapat kita gantikan (dimodelkan) sebagai partikel titik yang bergerak pada sebuah lintasan. Hal ini disebabkan karena ukuran mobil jauh lebih kecil dibandingkan panjangnya jalan raya tempat ia melaju. Pada kasus makroskopis di ruang angkasa, dapat kita asumsikan bumi yang bergerak mengelilingi matahari sebagai sebuah partikel, karena ukuran bumi jauh lebih kecil dibandingkan panjang lintasan orbit bumi yang berevolusi terhadap matahari. Penyederhanaan benda menjadi "partikel" ini sangat membantu fisikawan dalam menghitung parameter gerak tanpa harus pusing memikirkan bentuk asli bendanya.
2. Jarak vs Perpindahan (Awas Terkecoh!)
Sebelum membahas lebih jauh tentang kecepatan, kita wajib memahami perbedaan antara Jarak (Skalar) dan Perpindahan (Vektor).
- Jarak (\(s\)): Panjang total lintasan sesungguhnya yang ditempuh oleh benda. Jarak tidak peduli dengan arah (hanya angka).
- Perpindahan (\(x\) atau \(\Delta x\)): Perubahan posisi akhir benda ditarik lurus dari posisi awalnya. Perpindahan wajib menyertakan arah.
Contoh simpel: Jika kamu berlari mengelilingi lapangan bola satu putaran penuh lalu kembali ke titik awal (start), maka jarak yang kamu tempuh adalah keliling lapangan tersebut (misal 400 meter). Namun, perpindahan kamu adalah NOL meter, karena posisi akhirmu sama persis dengan posisi awalmu!
3. Gerak Lurus Beraturan (GLB)
Mari kita lihat fakta bahwa lintasan gerak benda dapat memiliki bentuk yang berubah-ubah. Lintasan ini dapat berupa garis lurus, melengkung, atau bahkan berbentuk lingkaran. Pada kasus dimana benda bergerak pada lintasan yang lurus, maka kita sebut gerak benda ini sebagai gerak lurus. Secara konsep, berarti kita dapat definisikan gerak lurus sebagai gerak suatu partikel yang memiliki lintasan yang lurus. Pada Gambar 1 di bawah ini, kita dapat mengilustrasikan sebuah mobil yang bergerak lurus.
Gambar 1. Vektor perpindahan dan kecepatan pada gerak lurus.
Mobil pada gambar di atas dapat dipandang bergerak lurus karena lintasannya berupa garis lurus yang diwakili oleh vektor perpindahan \(x\). Mobil ini melaju dengan memiliki kecepatan \(v\).
Kecepatan benda dapat bernilai konstan ataupun berubah-ubah. Apabila benda bergerak dengan kecepatan konstan (tetap di setiap detiknya), gerak ini disebut Gerak Lurus Beraturan (GLB). Sebaliknya, apabila kecepatan benda berubah secara teratur (bisa dipercepat atau diperlambat), gerak ini disebut Gerak Lurus Berubah Beraturan (GLBB). Selain itu, kecepatan benda juga dapat berubah tanpa adanya pola tertentu yang dapat kita modelkan dengan fungsi matematika tertentu (gerak acak).
Karakteristik Utama GLB:
- Lintasannya berupa garis lurus.
- Kecepatannya konstan (\(v = \text{tetap}\)).
- Tidak ada percepatan sama sekali (\(a = 0\)).
Seperti pada pembahasan sebelumnya, kita mengenal gerak lurus beraturan sebagai gerak dengan kecepatan yang konstan. Pada kondisi ini, besarnya perpindahan (\(x\)) yang dialami benda dapat kita nyatakan dengan persamaan tunggal yang sangat populer:
Dimana, \(x\) adalah perpindahan dalam satuan meter (m), \(v\) adalah kecepatan benda dalam satuan meter per sekon (m/s), dan \(t\) adalah waktu tempuh dalam sekon (s).
Dafi mengendarai mobil dengan kecepatan \(30 \text{ m/s}\). Apabila dia berkendara selama \(2 \text{ menit}\) dengan kecepatan konstan, berapakah jarak yang ditempuh Dafi?
Diketahui:
\(v = 30 \text{ m/s}\)
Waktu yang ditempuh Dafi, \(t = 2 \text{ menit} = 2 \times 60 \text{ sekon} = 120 \text{ sekon}\).
Ditanya:
Karena geraknya pada garis lurus, jarak benda sama dengan perpindahannya. Maka \(x = \dots ?\)
Solusi:
\[ x = v \cdot t \] \[ x = 30 \times 120 = 3600 \text{ meter} \] Atau sama dengan \(3{,}6 \text{ km}\).
Sebuah kapal eksplorasi minyak menggunakan alat sonar untuk menentukan kedalaman lautan. Apabila waktu pantulan gelombang bunyi yang tertangkap sensor adalah \(4 \text{ detik}\), maka berapakah kedalaman lautan yang diprediksi? (Petunjuk: kecepatan rambat bunyi di air laut = \(1400 \text{ m/s}\)).
Diketahui:
\(v = 1400 \text{ m/s}\)
Pada kasus sonar (sistem pantul), waktu total \(4 \text{ detik}\) adalah waktu bolak-balik (turun ke dasar lalu naik lagi ke kapal). Maka, waktu yang dibutuhkan bunyi murni untuk mencapai dasar laut adalah setengah dari waktu pantulannya, sehingga \(t = 2 \text{ s}\).
Ditanya:
Kedalaman lautan (dalam hal ini sama dengan jarak atau perpindahan bunyi satu arah), maka \(x = \dots ?\)
Solusi:
\[ x = v \times t \] \[ x = 1400 \times 2 = 2800 \text{ meter} \] Atau kedalaman lautnya adalah \(2{,}8 \text{ km}\).
4. Grafik Jarak terhadap Waktu (\(x - t\)) pada GLB
Gerak benda juga dapat dijelaskan melalui grafik. Pada GLB, grafik Jarak vs Waktu (\(x-t\)) dapat disajikan untuk mendeskripsikan jarak yang ditempuh suatu benda setiap detiknya. Pada Gambar 2 di bawah ini, disajikan dua buah benda yang sama-sama bergerak dengan kecepatan konstan.
Gambar 2. Grafik Jarak vs Waktu (x-t). Semakin curam grafiknya, semakin cepat laju kendaraannya.
Pada grafik tersebut dapat dilihat mobil A dan B melaju dengan kecepatan konstan yang ditunjukkan dengan kemiringan (gradien kurva) yang berbentuk garis lurus tetap. Semakin besar gradien kurva (semakin curam miringnya), maka benda dideskripsikan memiliki kecepatan yang semakin besar. Pada kasus ini, mobil B bergerak dengan kecepatan yang lebih tinggi dibandingkan mobil A. Kurva mobil B memiliki gradien \(x\) terhadap \(t\) yang lebih curam.
Besarnya gradien grafik \(x\) terhadap \(t\) mutlak menunjukkan kecepatan suatu benda. Untuk memahaminya, lihatlah contoh penerapan matematis berikut ini:
Sebuah mobil yang bergerak GLB dideskripsikan pada grafik di bawah ini. Tentukan kecepatan benda berdasarkan grafik tersebut!
Untuk menentukan kecepatan benda melalui grafik jarak-waktu, kita dapat menentukan kemiringan atau gradien grafik. Persamaan garis lurus pada koordinat kartesian adalah: \[ y = m \cdot x + c \] Dengan \(m\) adalah gradien. Rumus umum gradien antara dua titik adalah: \[ m = \frac{y_1 - y_0}{x_1 - x_0} \] Melalui persamaan GLB, kita mendapatkan analogi sumbu \(Y\) sebagai perpindahan (\(x\)) dan sumbu \(X\) sebagai waktu (\(t\)): \[ x = v \cdot t \] Yang berarti kecepatan (\(v\)) tak lain adalah gradien grafik itu sendiri. Sehingga: \[ v = m = \frac{x_1 - x_0}{t_1 - t_0} \] Berdasarkan data di grafik (asumsi titik akhir di \(x = 16\) pada \(t = 6\), dan titik awal \((0,0)\)): \[ v = \frac{16 - 0}{6 - 0} = \frac{16}{6} = 2{,}67 \text{ m/s} \approx 2{,}7 \text{ m/s} \]
Pemahaman yang kuat mengenai perbedaan jarak dan perpindahan, serta penguasaan grafik lintasan lurus merupakan fondasi mutlak sebelum kamu melangkah ke materi dinamika Newton maupun gerak dua dimensi (parabola).
Sekian materi GLB kali ini, semoga bermanfaat! Jangan lupa simak materi kinematika menarik lainnya di Kinematika.