Percepatan gravitasi: apa itu, bagaimana mengukurnya dan latihan

Percepatan gravitasi didefinisikan sebagai intensitas medan gravitasi bumi. Artinya, gaya yang diberikannya pada benda apa pun, per satuan massa.

Ini dilambangkan dengan huruf g yang sekarang dikenal dan nilai perkiraannya di dekat permukaan bumi adalah 9,8 m / s 2 . Nilai ini mungkin mengalami variasi kecil dengan garis lintang geografis dan juga dengan ketinggian sehubungan dengan permukaan laut.

Astronot di spacewalk di permukaan bumi. Sumber: Pixabay

Percepatan gravitasi, selain memiliki besaran yang disebutkan di atas, memiliki arah dan rasa. Akibatnya, itu diarahkan secara vertikal menuju pusat bumi.

Medan gravitasi Bumi. Sumber: Sumber: Sjlegg [Domain publik]

Medan gravitasi Bumi dapat direpresentasikan sebagai serangkaian garis radial yang mengarah ke pusat, seperti yang ditunjukkan pada gambar sebelumnya.

Berapakah percepatan gravitasi?

Nilai percepatan gravitasi di Bumi atau di planet lain setara dengan intensitas medan gravitasi yang dihasilkannya, yang tidak bergantung pada benda-benda di sekitarnya, tetapi hanya pada massa dan jari-jarinya sendiri.

Percepatan gravitasi sering didefinisikan sebagai percepatan yang dialami oleh setiap benda yang jatuh bebas di sekitar permukaan bumi.

Dalam praktiknya, inilah yang hampir selalu terjadi, seperti yang akan kita lihat di bagian berikut, di mana Hukum Gravitasi Universal Newton akan digunakan.

Newton dikatakan telah menemukan hukum terkenal ini saat bermeditasi pada tubuh yang jatuh di bawah pohon. Saat merasakan pukulan apel di kepalanya, dia langsung tahu bahwa gaya yang membuat apel jatuh sama dengan yang menyebabkan Bulan mengorbit Bumi.

Hukum Gravitasi Universal

Benar atau tidaknya legenda apel, Newton menyadari bahwa besarnya gaya tarik gravitasi antara dua benda, misalnya antara Bumi dan Bulan, atau Bumi dan apel, harus bergantung pada massanya. :

Ciri-ciri gaya gravitasi

Gaya gravitasi selalu menarik; yaitu, dua benda yang dipengaruhinya saling tarik menarik. Kebalikannya tidak mungkin, karena orbit benda langit tertutup atau terbuka (komet, misalnya) dan gaya tolak tidak pernah dapat menghasilkan orbit tertutup. Jadi massa selalu menarik satu sama lain, apa pun yang terjadi.

Perkiraan yang cukup baik untuk bentuk sebenarnya dari Bumi (m 1 ) dan Bulan atau apel (m 2 ) adalah dengan mengasumsikan bahwa mereka berbentuk bola. Gambar berikut merupakan representasi dari fenomena tersebut.

Hukum Gravitasi Universal Newton. Sumber: Saya, Dennis Nilsson [CC BY 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0)]

Di sini baik gaya yang diberikan oleh m 1 pada m 2 dan gaya yang diberikan oleh m 2 pada m 1 diwakili , keduanya sama besarnya dan diarahkan sepanjang garis yang menghubungkan pusat-pusat. Mereka tidak dibatalkan, karena diterapkan ke objek yang berbeda.

Di semua bagian berikut diasumsikan bahwa benda-benda itu homogen dan bulat, oleh karena itu pusat gravitasinya bertepatan dengan pusat geometrisnya. Seluruh massa dapat diasumsikan terkonsentrasi di sana.

Bagaimana gravitasi diukur di planet yang berbeda?

Gravitasi dapat diukur dengan gravimeter, perangkat pengukuran gravitasi yang digunakan dalam survei gravimetri geofisika. Saat ini mereka jauh lebih canggih daripada aslinya, tetapi pada awalnya mereka didasarkan pada pendulum.

Bandul terdiri dari seutas tali tipis, ringan, dan tidak dapat diperpanjang dengan panjang L. Salah satu ujungnya diikat ke sebuah penyangga dan sebuah massa m digantungkan di ujung lainnya.

Ketika sistem berada dalam kesetimbangan, massa menggantung secara vertikal, tetapi ketika dipisahkan darinya, ia mulai berosilasi, melakukan gerakan bolak-balik. Gravitasi bertanggung jawab untuk itu. Untuk semua yang berikut, adalah sah untuk mengasumsikan bahwa gravitasi adalah satu-satunya gaya yang bekerja pada bandul.

Periode T osilasi bandul untuk osilasi kecil diberikan oleh persamaan berikut:

Percobaan untuk menentukan nilai g

bahan

– 1 bola logam.

– Tali dengan beberapa panjang yang berbeda, minimal 5.

– Pita pengukur.

– Pengangkut.

– Stopwatch.

– Dukungan untuk pendulum.

– Kertas grafik atau program komputer dengan spreadsheet.

Proses

  1. Pilih salah satu senar dan pasang pendulum. Ukur panjang tali + jari-jari bola. Ini akan menjadi panjang L.
  2. Lepaskan bandul dari posisi setimbang sekitar 5 derajat (ukur dengan busur derajat) dan biarkan berayun.
  3. Secara bersamaan mulai stopwatch dan ukur waktu 10 getaran. Tuliskan hasilnya.
  4. Ulangi prosedur di atas untuk panjang lainnya.
  5. Temukan waktu yang diperlukan T untuk ayunan bandul (bagi setiap hasil di atas dengan 10).
  6. Kuadratkan setiap nilai yang diperoleh, diperoleh T 2
  7. Pada kertas grafik, plot setiap nilai T 2 pada sumbu vertikal, terhadap masing-masing nilai L pada sumbu horizontal. Konsisten dengan satuan dan jangan lupa memperhitungkan kesalahan apresiasi alat yang digunakan: pita pengukur dan stopwatch.
  8. Gambarlah garis terbaik yang sesuai dengan titik-titik yang diplot.
  9. Temukan kemiringan m dari garis tersebut menggunakan dua titik yang termasuk di dalamnya (tidak harus titik eksperimental). Tambahkan kesalahan eksperimental.
  10. Langkah-langkah di atas dapat dicapai dengan spreadsheet dan opsi untuk membuat dan menyesuaikan garis lurus.
  11. Dari nilai kemiringan untuk menghapus nilai g dengan ketidakpastian eksperimental masing-masing.

Nilai standar g di Bumi, di Bulan, dan di Mars

Nilai standar gravitasi di Bumi adalah: 9,81 m / s 2 , pada 45ยบ lintang utara dan di permukaan laut. Karena Bumi bukanlah bola yang sempurna, nilai g sedikit berbeda, lebih tinggi di kutub dan lebih rendah di khatulistiwa.

Mereka yang ingin mengetahui nilai di wilayah mereka dapat menemukannya diperbarui di situs web Institut Metrologi Jerman PTB ( Physikalisch-Technische Bundesanstalt ), di bagian Sistem Informasi Gravitasi (GIS).

Gravitasi di bulan

Medan gravitasi Bulan telah ditentukan dengan menganalisis sinyal radio dari wahana antariksa yang mengorbit satelit. Nilainya di permukaan bulan adalah 1,62 m / s 2

Gravitasi di mars

Nilai g P untuk sebuah planet tergantung pada massanya M dan jari-jarinya R sebagai berikut:

Karena itu:

Untuk planet Mars , data berikut tersedia:

M = 6,4185 x 10 23 kg

R = 3390 km

G = 6,67 x 10 -11 Nm 2 / kg 2

Dengan data tersebut, kita tahu bahwa gravitasi Mars adalah 3,71 m / s 2 . Tentu persamaan yang sama dapat diterapkan dengan data Bulan atau planet lain dan dengan demikian memperkirakan nilai gravitasinya.

Latihan terpecahkan: apel yang jatuh

Misalkan Bumi dan sebuah apel berbentuk bulat. Massa Bumi adalah M = 5,98 x 10 24 kg dan jari-jarinya R = 6,37 x 10 6 m. Massa apel adalah m = 0,10 kg. Misalkan tidak ada gaya lain kecuali gravitasi. Dari Hukum Gravitasi Universal Newton temukan:

a) Gaya gravitasi yang diberikan bumi pada apel.

b) Percepatan yang dialami apel ketika dilepaskan dari ketinggian tertentu, menurut Hukum II Newton.

Penyelesaian

a) Apel (seharusnya bulat, seperti Bumi) memiliki jari-jari yang sangat kecil dibandingkan dengan jari-jari Bumi dan terbenam dalam medan gravitasinya. Gambar berikut ini jelas tidak untuk skala, tetapi ada diagram medan gravitasi g , dan gaya F yang diberikan oleh bumi pada apel:

Skema yang menunjukkan jatuhnya apel di sekitar Bumi. Baik ukuran apel dan tinggi jatuhnya dapat diabaikan. Sumber: buatan sendiri.

Dengan menerapkan Hukum Gravitasi Universal Newton, jarak antara pusat dapat dianggap kira-kira sama nilainya dengan jari-jari bumi (ketinggian dari mana apel jatuh juga dapat diabaikan dibandingkan dengan jari-jari bumi). Karena itu:

b) Menurut Hukum II Newton, besarnya gaya yang bekerja pada apel adalah:

F = ma = mg

Yang nilainya 0,983 N, menurut perhitungan sebelumnya. Menyamakan kedua nilai dan kemudian memecahkan besarnya percepatan, kita memperoleh:

mg = 0,983 N

g = 0,983 N / 0,10 kg = 9,83 m / s 2

Ini adalah perkiraan yang sangat baik untuk nilai standar gravitasi.

Referensi

  1. Giancoli, D. (2006). Fisika: Prinsip dengan kegunaan. Edisi keenam. Aula Prentice. 118-122.
  2. Hewitt, Paul. (2012). Ilmu Fisika Konseptual. Edisi Kelima. Pearson. 91-94.
  3. Rex, A. (2011). Dasar-dasar Fisika. Pearson. 213-221.

Fisika modern – apa yang dipelajari juga cabangnya
Tegangan normal: terdiri dari apa, bagaimana cara menghitungnya, contoh
Permitivitas listrik – apa itu, rumus, percobaan
Kalor sensibel: konsep, rumus, dan latihan yang diselesaikan