AMALI 1 DAYA DAN GERAKAN
Tajuk : Daya dan Pekali Geseran Statik.
Tujuan : 1. Mengukur pekali geseran statik antara dua permukaan bahan secara lerengan dan mengukur kecondongan. 2. Menentukan daya daya geseran statik antara permukaan permukaan dan objek berdasarkan pekali pekali geseran statik yang diukur.
Alat Radas dan Bahan : Penimbang, liputan lerengan, bongkah kayu, buku, batu, pembaris meter, kepingan aluminium dan minyak
Teori :
Daya ialah suatu mekanisme di mana sesuatu objek memecut atau mengalami perubahan dalam halaju. Geseran pula ialah daya yang menentang gerakan relatif satu permukaan yang bersentuhan dengan permukaan lain. Ringkasnya, daya geseran ialah daya yang terhasil oleh dua permukaan yang bersentuhan dan menggelongsor antara satu sama lain. Terdapat dua jenis geseran iaitu statik dan kinetik. Geseran statik ialah geseran yang terbentuk antara objek pegun dan permukaan yang tidak bergerak. Formula untuk nilai maksimum daya geseran statik ialah :
=
Di mana, ialah pekali geseran statik
N ialah daya normal.
Pekali geseran ialah nilai yang menunjukkan berapa banyak dua permukaan mencengkam antara satu sama lain. Daya normal pula ialah daya yang dikenakan oleh sesuatu permukaan untuk membolehkan objek pegun di atasnya. Pekali geseran adalah tidak berdimensi dan tidak mempunyai unit. Pekali geseran merupakan kuantiti skalar yang bermakna arah daya tidak menjejaskan kuantiti fizikal pekali geseran.
Sudut kecondongan lerengan ditakrifkan sebagai sudut di mana objek mula menggelongsor ke bawah liputan lerengan. Sudut tersebut ialah sudut di mana daya graviti mampu untuk mengatasi geseran gelongsor statik. Daya graviti ini adalah sama dengan daya rintangan yang mengekalkan objek itu kekal pegun dan dinamakan daya geseran statik. Sudut ini juga ditunjukkan apabila objek menggelongsor ke bawah liputan lerengan pada halaju malar, = tan . Sudut inilah yang akan menentukan pekali geseran statik. Pekali geseran statik mestilah hasil daripada dua permukaan seperti kayu dan kayu, kayu dan keluli, kayu dan batu dan sebagainya.
Gambar Rajah Susunan Radas :
Prosedur :
1. Semua alat radas disediakan di atas meja eksperimen.
2. Jisim bagi setiap objek iaitu bongkah kayu, batu dan buku ditimbang dengan menggunakan penimbang dan direkodkan.
3. Papan kayu yang digunakan sebagai liputan lerengan diletakan di atas meja selari dengan pembaris meter.
4. Bongkah kayu diletakkan pada hujung permulaan liputan lerengan.
5. Liputan lerengan diangkat dengan berhati-hati dan cermat. Liputan lerengan diberhentikan apabila objek mula menggelongsor.
6. Ketinggian liputan lerengan, h (opposite) diukur dengan menggunakan pembaris meter dan direkodkan.
7. Panjang liputan lerengan, l (adjacent ) turut diukur dengan menggunakan pembaris meter dan kemudian data direkodkan.
8. Langkah 5 hingga 8 diulangi dengan menukarkan objek kepada buku dan batu.
9. Kemudian, liputan lerengan dibalut dengan kepingan aluminium dan dilumur dengan minyak.
10. Langkah yang sama pada 5 hingga 8 diulangi dengan menggunakan objek bongkah kayu, buku dan batu.
11. Sudut kecondongan ( °) liputan lerengan dicari dengan menggunakan formula, =
− .
12. Sudut kecondongan (°) liputan lerengan digunakan untuk mencari pekali geseran statik objek-objek tersebut dengan menggunakan formula, =
= .
Langkah Berjaga-jaga
1. Pembaris meter haruslah diletakkan selari dengan liputan lerengan supaya tidak berlaku kesalahan ketika mengambil ukuran panjang. 2. Nilai ukuran panjang, l dan tinggi, h diambil sebanyak tiga kali dan kemudian bacaan purata dikira supaya data menjadi lebih tepat. 3. Objek tersebut haruslah diletakkan pada kedudukan yang sama di setiap eksperimen yang dijalankan supaya tinggi di mana objek mula bergerak dapat diukur dengan tepat. 4. Liputan lerengan diangkat dan diberhentikan sebaik sahaja objek-objek tersebut mula bergerak. 5. Kuantiti minyak yang dilumur di atas kepingan aluminium haruslah sama untuk setiap eksperimen untuk memastikan daya geserannya adalah sama.
Data dan Pemerhatian PANJANG, Ɩ (cm) OBJEK
Bongkah Kayu
Buku
Batu
JISIM (g)
90
640
460
TINGGI, h (cm)
=
LIPUTAN LERENGAN
1
2
3
Ave
1
2
3
Ave
Papan Kayu
83.0
80.0
81.0
81.3
48.8
49.0
51.0
49.6
31.38
0.61
Kepingan aluminium yang berminyak
79.1
78.9
78.8
78.9
20.2
21.2
17.4
19.6
13.95
0.25
Papan Kayu
75.0
75.3
74.9
75.0
33.5
33.2
34.7
33.8
24.26
0.45
Kepingan Aluminium yang berminyak
78.2
77.0
78.7
78.0
23.5
26.9
23.4
24.6
17.50
0.32
Papan Kayu
66.6
68.9
67.8
67.8
46.4
45.1
44.3
45.3
33.75
0.67
Kepingan Aluminium yang berminyak
71.1
72.3
71.9
71.8
40.8
37.8
38.7
39.1
28.57
0.54
−
(°)
=
Pekali Geseran Statik, Objek
Liputan lerengan papan kayu
Liputan lerengan kepingan aluminium yang berminyak
Bongkah Kayu
0.61
0.25
Buku
0.45
0.32
Batu
0.67
0.54
Daya Geseran Statik, Objek
Liputan lerengan papan kayu (N)
Bongkah Kayu
459.33
214.00
Buku
262.57
195.32
Batu
256.26
218.15
Analisis Data dan Pengiraan :
= Di mana,
Liputan lerengan kepingan aluminium yang berminyak (N)
ialah daya geseran statik
ialah pekali geseran statik
ialah daya normal
Apabila objek di atas lerengan, daya normal ialah,
= cos Di mana,
W ialah berat objek
ialah sudut kecondongan lerengan
cos ialah cosine untuk sudut
= Di mana,
m ialah jisim objek
g ialah pecutan disebabkan graviti
Oleh itu, formulanya ialah :
= cos Pengiraan :
1. Bongkah Kayu
a) Bongkah kayu di atas liputan lerengan papan kayu.
Sudut kecondongan lerengan : = − = −
ℎ 49.6 81.3
= 31.38 °
Pekali geseran statik : =
= tan
= 31.38° = .
Daya geseran statik : = cos = (0.61)(90)(9.8) cos 31.38° = .
(b) Bongkah kayu di atas liputan lerengan kepingan aluminium yang berminyak.
Sudut kecondongan lerengan : ℎ
= −
19.6
= −
78.9
= 13.95 °
Pekali geseran statik : =
= tan
= 13.95° = .
Daya geseran statik : = cos = (0.25)(90)(9.8) cos 13.95° = .
2. Buku a) Buku di atas liputan lerengan papan kayu.
Sudut kecondongan lerengan : = − = −
ℎ 33.8 75.0
= 24.26 °
Pekali geseran statik : =
= tan
= 24.26° = .
Daya geseran statik : = cos = (0.45)(640)(9.8) cos 24.26° = .
(b) Buku di atas liputan lerengan kepingan aluminium yang berminyak.
Sudut kecondongan lerengan : = − = −
ℎ 24.6 78.0
= 17.50 °
Pekali geseran statik : =
= tan
= 17.50° = .
Daya geseran statik : = cos = (0.32)(640)(9.8) cos 17.50° = .
3. Batu
a) Batu di atas liputan lerengan papan kayu.
Sudut kecondongan lerengan : = − = −
ℎ 45.3 67.8
= 33.75 °
Pekali geseran statik : =
= tan
= 33.75° = .
Daya geseran statik : = cos = (0.67)(460)(9.8) cos 33.75° = .
(b) Batu di atas liputan lerengan kepingan aluminium yang berminyak.
Sudut kecondongan lerengan : = − = −
ℎ 39.1 71.8
= 28.57 °
Pekali geseran statik : =
= tan
= 28.57° = .
Daya geseran statik : = cos = (0.54)(460)(9.8) cos 28.57° = .
Analisis Data dan Perbincangan :
Geseran
ialah
daya
yang
menyebabkan
kesukaran
untuk
dua
objek
menggelongsor antara satu sama lain. Dengan maksud ini, ramai yang menganggap geseran ialah sesuatu yang menyebabkan hidup bertambah susah dan pasti lebih mudah jika tiada geseran. Namun pada hakikatnya, tanpa geseran, manusia tidak dapat untuk berjalan. Sebagai contoh, proses berjalan menggunakan konsep geseran di mana geseran berlaku antara kasut dan lantai. Semasa melangkah ke hadapan, manusia perlu menekan kaki ke belakang di atas lantai. Dengan wujudnya geseran antara kasut dan lantai, maka daya geseran cenderung untuk bergerak dalam arah yang bertentangan ke belakang dan oleh itu lantai menolak ke hadapan pada kasut dan membolehkan manusia untuk berjalan ke hadapan. Selain itu, kereta juga menggunakan konsep geseran statik dan kinetik untuk membolehkannya bergerak dan berhenti walaupun masih lagi dalam pergerakan.
Dalam eksperimen ini, sudut kecondongan liputan lerengan, , digunakan untuk mencari pekali geseran statik dengan formula = tan . Pada mulanya, bongkah kayu diletakkan di atas papan kayu dan tiada pergerakan diperhatikan. Hal ini kerana adanya daya geseran ke kiri, yang menentang kecenderungan gerakan ke kanan. Apabila papan kayu diangkat, daya ke kanan meningkat ke nilai yang tertentu. Daya ke kanan itu adalah lebih besar daripada daya geseran dan menyebabkan objek itu mula bergerak. Apabila objek mula bergerak, maka daya geseran dapat dikira dengan formula, = . i.
Objek Bongkah Kayu
Bongkah kayu mempunyai jisim yang paling rendah iaitu 90 g. Sudut untuk bongkah kayu mula bergerak di atas papan kayu ialah 31.38 ° manakala sudut untuk bongkah kayu mula bergerak di atas kepingan aluminium berminyak hanyalah 13.95 °. Di atas kepingan aluminium berminyak, sudut di mana daya graviti mampu untuk mengatasi daya geseran statik tersebut adalah kecil. Hal ini disebabkan oleh kurangnya daya geseran di atas permukaan yang berminyak tersebut. Pekali geseran statik untuk permukaan kayu dengan kayu ialah 0.61 dan kayu dengan besi berminyak ialah 0.25. Oleh itu, pekali geseran statik antara permukaan kayu dan besi berminyak adalah lebih rendah berbanding kayu dengan kayu. Tambahan lagi, daya geseran antara permukaan kayu dengan besi berminyak adalah jauh lebih rendah berbanding permukaan kayu dengan kayu. Berdasarkan pengiraan, daya geseran statik antara bongkah kayu dan kepingan aluminium berminyak ialah 214 N dan daya geseran antara bongkah kayu dan papan kayu ialah 459.33 N.
ii.
Objek Buku
Buku mempunyai jisim yang paling berat iaitu 640 g. Disebabkan hal itu, sudut kecondongan untuk buku mula bergerak di atas liputan lerengan adalah rendah berbanding objek bongkah kayu dan batu. Berat buku mampu untuk mengatasi daya geseran yang bergerak ke kiri menyebabkannya mudah untuk menggelongsor ke bawah. Sudut untuk buku mula menggelongsor di atas papan kayu ialah 24.26 ° manakala sudut untuk buku mula menggelongsor di atas kepingan aluminium berminyak ialah 17.5 °. Pekali geseran statik untuk permukaan buku dengan papan kayu ialah 0.45 manakala untuk permukaan buku dan besi berminyak ialah 0.32. Walaupun buku mempunyai berat yang paling tinggi, namun berdasarkan pemerhatian, pekali geseran statik untuk permukaan buku dan besi berminyak iaitu 0.32 lebih tinggi berbanding permukaan bongkah kayu dan besi berminyak iaitu 0.25. Bacaan ini menunjukkan satu pola yang tidak sekata. Hal ini mungkin disebabkan oleh luas permukaan buku yang besar mengcengkam permukaan kepingan aluminium yang berminyak menyebabkan ianya sukar untuk melawan geseran dan mula bergerak, berbeza dengan permukaan bongkah kayu yang kecil. Daya geseran statik antara buku dan kepingan aluminium berminyak ialah 195.32 N iaitu rendah berbanding daya geseran antara buku dan papan kayu iaitu 262.57 N.
iii.
Objek Batu
Jisim batu ialah 460 g. Sudut kecondongan untuk batu mula bergerak di atas papan kayu ialah 33.75° dan sudut untuk batu mula bergerak di atas kepingan aluminium berminyak ialah 28.57°. Pekali geseran statik untuk permukaan batu dan kayu ialah 0.67 dan permukaan batu dan besi berminyak ialah 0.54. Berdasarkan jadual, dapat diperhatikan bahawa batu mempunyai pekali geseran statik yang paling tinggi berbanding objek bongkah kayu dan buku. Hal ini dipengaruhi oleh faktor permukaan batu yang kasar menyebabkan terdapat daya geseran yang tinggi apabila batu bergerak di atas sesuatu permukaan. Oleh itu, daya graviti yang cukup kuat diperlukan untuk mengatasi daya geseran antara permukaan batu dan papan kayu dan besi berminyak. Daya geseran antara batu dan papan kayu ialah 256.26 N dan daya geseran antara batu dan kepingan aluminium berminyak ialah 218.15 N.
Kesimpulan : Pekali geseran statik bergantung kepada keadaan permukaan dua objek yang bersentuhan dan menggelongsor antara satu sama lain.
Rujukan
Nor Sabirin Mohamed dan Zainal Abidin Sulaiman & Co. (2012). College Physics. Shah Alam, Selangor. Poh Liong Yong dan Lee Seng Hin. (2012). Physics for matriculation semester 1. Selangor Darul Ihsan. R. Nave. Static friction. Diperoleh pada 3 Mac 2017 daripada http://hyperphysics.phyastr.gsu.edu/hbase/frict2.html Ron Kurtus. (2016). Friction experiment: measure static sliding coefficient of friction with a ramp. Diperoleh pada 3 Mac 2017 daripada http://www.school-forchampions.com/experiments/friction_measure_coefficient_with_ramp.htm#.WLjjM2997I W Sang-Hoon Lee, Saul Harari, Hong Wong dan Vikram Kapila. (2005). Friction experiment . Diperoleh pada 3 Mac 2017 daripada https://www.nsf.gov/div/index.jsp?div=EEC Zahrah Ahmad dan Wan Haliza Wan Abd. Majid. (2008). Physics for matriculation 2 . Klang Lama, Kuala Lumpur.
