Gerak Jatuh Bebas: Pengertian, Ciri, Rumus, Grafik, Teladan Soal Dan Pembahasan
Perhatikan gambar di bawah ini. Pernahkah kalian melihat insiden “buah jatuh dari pohon” ibarat buah mangga, buah durian atau buah kelapa yang jatuh dari pohonnya sebab sudah masak? Fenomena buah jatuh dari pohonnya tersebut dalam fisika disebut dengan gerak jatuh bebas (GJB). Lalu tahukan kalian apa itu gerak jatuh bebas? Untuk menjawab pertanyaan ini silahkan kalian simak baik-baik klarifikasi berikut ini.
Pengertian Gerak Jatuh Bebas
Gerak jatuh bebas atau disingkat GJB merupakan salah satu bentuk gerak lurus berubah beraturan (GLBB) dalam arah vertikal. Konsep gerak jatuh bebas (GJB) ini hampir sama dengan konsep gerak vertikal ke bawah (GVB) yang membedakan adalah, kalau pada gerak vertikal ke bawah kecepatan awal tidak sama dengan nol (v0≠ 0) sedangkan pada gerak jatuh bebas kecepatan awalnya sama dengan nol (v0 = 0).
Karena GJB tidak mempunyai kecepatan awal maka gerak benda hanya dipengaruhi oleh percepatan gravitasi bumi. Sehingga sanggup disimpulkan bahwa:
Gerak Jatuh Bebas atau GJB yaitu gerak lurus berubah beraturan dalam arah vertikal (atas ke bawah) dengan kecepatan awal nol serta mengalami percepatan sebesar percepatan gravitasi bumi (a = g). |
Karena gerak jatuh bebas merupakan GLBB yang dipengaruhi gravitasi maka perubahan kecepatan yang dialami benda ketika jatuh bebas terjadi sebab efek gravitasi bumi. Benda yang jatuh akan bergerak semakin cepat dari kecepatan nol hingga kecepatan maksimum sesaat sebelum menyentuh bumi.
Perubahan kecepatan pada benda yang jatuh bebas tersebut merupakan bentuk penambahan kecepatan. Pertambahan kecepatan ini terjadi sebab gerak benda searah dengan gaya gravitasi bumi. Sehingga percepatan benda pada gerak jatuh bebas selalu bernilai positif (+a) yaitu sebesar percepatan gravitasi bumi (a = g = 9,8 m/s2) oleh sebab itu gerak jatuh bebas merupakan jenis gerak lurus berubah beraturan (GLBB) dipercepat.
Contoh penerapan gerak jatuh bebas dalam kehidupan sehari-hari yaitu buah yang jatuh dari pohonnya, seorang penerjun payung yang jatuh bebas di udara memakai parasut atau sebuah benda yang dijatuhkan secara vertikal dari suatu gedung dengan ketinggian tertentu tanpa diberi kecepatan awal.
Baca juga: Pengertian, Ciri, Rumus, Grafik, Contoh Soal dan Pembahasan Gerak Vertikal ke Atas (GVA).
Baca juga: Pengertian, Ciri, Rumus, Grafik, Contoh Soal dan Pembahasan Gerak Vertikal ke Atas (GVA).
Ciri-Ciri Gerak Jatuh Bebas
Suatu benda dikatakan mengalami gerak jatuh bebas (GJB) apabila memenuhi ciri-ciri atau karakteristik sebagai berikut:
1 | Benda bergerak dari atas ke bawah dengan permukaan tanah sebagai titik acauannya. |
2 | Lintasan gerak benda berupa garis lurus vertikal |
3 | Perpindahan benda terjadi pada sumbu Y (arah vertikal) |
4 | Kecepatan awal benda sama dengan nol (v0 = 0) |
5 | Percepatan benda sama dengan percepatan gravitasi bumi (a = g) |
Dari ciri-ciri gerak jatuh bebas nomor 3 di atas, perpindahan benda terjadi dalam arah vertikal sehingga besaran perpindahan dalam GJB ini lebih sering disebut dengan ketinggian yang disimbolkan dengan h. Ketinggian dalam gerak jatuh bebas dipakai untuk menyatakan perpindahan benda yang dihitung dari atas ke bawah bukan dari bawah ke atas meskipun titik acuannya yaitu tanah.
Dalam gerak jatuh bebas (GJB) sanggup berlaku Hukum Kekekalan Energi Mekanik dimana energi mekanik (energi potensial + energi kinetik) di titik tertinggi akan sama dengan energi mekanik benda di titik terendah. Prinsip kekekalan energi mekanik ini sanggup dipakai untuk menuntaskan soal-soal yang berafiliasi dengan kinematika gerak lurus serta perjuangan dan energi.
Rumus-Rumus Pada Gerak Jatuh Bebas
Untuk menurunkan rumus besaran-besaran pada gerak jatuh bebas (GJB) kita sanggup memakai rumus umum pada gerak lurus berubah beraturan. Rumus umum dalam GLBB tersebut yaitu sebagai berikut:
Rumus Umum GLBB
vt | = | v0 ± at | …………………………………pers. (1) |
s | = | s0 + v0t ± ½ at2 | …………………………………pers. (2) |
vt2 | = | v02 ± 2as | …………………………………pers. (3) |
Dalam gerak jatuh bebas (GJB) terdapat beberapa rumus umum yang sanggup dipakai untuk menuntaskan soal-soal fisika yang berafiliasi dengan gerak jatuh bebas. Rumus-rumus tersebut yaitu:
1. Rumus Kecepatan Awal Benda
Pada gambar di atas menawarkan perbedaan kecepatan awal pada gerak vertikal ke bawah (GVB) dengan kecepatan awal pada gerak jatuh bebas (GJB). Sebenarnya konsep gerak jatuh bebas itu sama dengan konsep gerak vertikal ke bawah hanya saja kecepatan awal pada GJB sama dengan nol. Makara sanggup dikatakan gerak jatuh bebas yaitu gerak vertikal ke bawah dengan kecepatan awal nol.
v0 | = | 0 | …………………………………pers. (4) |
2. Rumus Percepatan Benda
Pada GLBB, secara umum percepatan dilambangkan dengan a. pada gerak jatuh bebas (GJB), percepatan yang dialami benda yaitu percepatan gravitasi bumi sehingga percepatan pada GJB sanggup dilambangkan dengan g.Dari gambar di atas sanggup dilihat bahwa percepatan benda pada gerak jatuh bebas berharga positif, hal ini dikarenakan arah percepatan benda searah dengan percepatan gravitasi bumi yaitu ke bawah.
a | = | g | …………………………………pers. (5) |
Dengan: | |||
g | = | 9,8 m/s2 atau 10 m/s2 | |
Jika dalam soal nilai g tidak diketahui, maka kita gunakan nilai 10 m/s2 sebagai nilai percepatan gravitasi pada gerak jatuh bebas atau jenis gerak vertikal lainnya.
3. Rumus Perpindahan Benda
Dalam artikel perihal konsep jarak dan perpindahan telah dijelaskan bahwa perpindahan yaitu jarak terdekat dari posisi awal ke posisi akhir. Makara dalam gerak jatuh bebas yang lintasan bebentuk garis lurus, perpindahan sanggup diartikan sebagai selisih antara posisi final dan posisi awal. Karena pada gerak jatuh bebas posisi awalnya yaitu di atas maka perpindahan benda diukur dari atas.
Perpindahan dalam gerak lurus berubah beraturan biasanya disimbolkan dengan karakter s. Pada gerak jatuh bebas, sebab perpindahan benda terjadi dalam arah vertikal dan menyatakan perubahan ketinggian benda, maka perpindahan disimbolkan dengan h.
Namun penggunaan simbol h untuk menyatakan konsep perpindahan tidak sama dengan penggunaan simbol h untuk menyatakan konsep ketinggian, sebab perpindahan diukur dari atas ke bawah sedangkan ketinggian diukur dari bawah ke atas.
Dengan mensubtitusikan persamaan 4 dan 5 ke persamaan 2, maka besar perpindahan benda pada gerak jatuh bebas sanggup dihitung dengan rumus:
s | = | s0 + v0t ± ½ at2 | |
h | = | 0 + (0)t + ½ gt2 | |
h | = | ½ g.t2 | …………………………………pers. (6) |
Dengan: | |||
h | = | Perpindahan (m) | |
g | = | percepatan gravitasi bumi (m/s2) | |
t | = | waktu (s) | |
4. Rumus Kecepatan Setelah t Detik
Jika persamaan 4 dan 5 kita subtitusikan ke persamaan 1, maka kita akan mendapat rumus kecepatan benda sesudah t detik yaitu sebagai berikut:
vt | = | v0 ± at | |
vt | = | 0 + gt | |
vt | = | g.t | …………………………………pers. (7) |
Sementara kalau persamaan 4 dan 5 kita subtitusikan ke persamaan 3 maka kita peroleh rumus kecepatan sesudah t detik sebagai berikut:
vt2 | = | v02 ± 2as | |
vt2 | = | 02 + 2gh | |
vt2 | = | 2gh | |
vt | = | √(2gh) | …………………………………pers. (8) |
Keterangan: | |||
vt | = | kecepatan benda sesudah t detik (m/s) | |
g | = | percepatan gravitasi bumi (m/s2) | |
t | = | waktu (s) | |
h | = | perpindahan benda (m) | |
5. Rumus Ketinggian Benda
Ketinggian benda pada titik tersebut disimbolkan dengan h’. Dari gambar di atas terlihat terperinci relasi antara h0, s dan h’. Dengan memakai persamaan 6, maka ketinggian benda sesudah t detik pada gerak jatuh bebas sanggup dihitung dengan rumus sebagai berikut:
h' | = | h0 – h | |
h' | = | h0 – ½ g.t2 | …………………………………pers. (9) |
Dengan: | |||
h’ | = | ketinggian benda sesudah t detik (m) | |
h | = | perpindahan benda (m) | |
h0 | = | ketinggian mula-mula benda (m) | |
g | = | percepatan gravitasi bumi (m/s2) | |
t | = | waktu (s) | |
6. Rumus Waktu Mencapai Titik Terendah
Jika ketinggian benda mula-mula h0 sudah diketahui, maka dengan memakai persamaan 6, waktu yang diperlukan benda untuk hingga ke tanah sanggup ditentukan dengan memakai rumus berikut:
h0 | = | ½ g.t2 | ||
t2 | = | 2h0 | ||
g | ||||
t | = | √(2h0/g) | …………………………………pers. (10) | |
Keterangan: | ||||
h0 | = | ketinggian mula-mula benda (m) | ||
g | = | percepatan gravitasi bumi (m/s2) | ||
t | = | waktu mencapai tanah (s) | ||
Jika semua rumus-rumus diatas dikumpulkan jadi satu maka akan menjadi rumus umum dalam gerak jatuh bebas yang sanggup kalian pergunakan untuk menuntaskan duduk kasus yang berafiliasi dengan gerak jatuh bebas.
Rumus Umum Gerak Jatuh Bebas (GJB)
h | = | ½ g.t2 | → perpindahan sesudah t detik |
vt | = | g.t | → kecepatan sesudah t detik |
vt | = | √(2gh) | |
h' | = | h0 – ½ g.t2 | → ketinggian sesudah t detik |
t | = | √(2h0/g) | → waktu mencapai lantai |
Grafik Gerak Jatuh Bebas
Grafik pada gerak jatuh bebas (GJB) sama ibarat grafik pada gerak lurus beraturan (GLB) hanya saja pada GJB terdapat dua jenis grafik kedudukan yaitu grafik perpindahan dan ketinggian. Makara pada GJB terdapat 4 jenis grafik yaitu grafik relasi perpindahan terhadap waktu (grafik s – t), grafik relasi ketinggian terhadap waktu (grafik h – t), grafik relasi kecepatan terhadap waktu (grafik v– t) dan grafik relasi percepatan terhadap waktu (a – t).
1. Grafik Hubungan Perpindahan terhadap Waktu (Grafik s – t) pada GJB
2. Grafik Hubungan Ketinggian terhadap Waktu (Grafik h – t) pada GJB
Dalam gerak jatuh bebas, ketinggian merupakan kebalikan dari perpindahan. Ketinggian benda diukur dari bawah ke atas yaitu dari permukaan tanah menuju posisi ketinggian benda. Ketinggian merupakan besaran skalar sehingga nilainya selalu positif. Dari grafik h – t di atas terlihat bahwa semakin bertambahnya waktu ketinggian benda semakin berkurang sebab benda bergerak ke bawah. Dan pada titik final (di tanah) ketinggian benda yaitu nol.
3. Grafik Hubungan Kecepatan terhadap Waktu (Grafik v – t) pada GJB
Kecepatan merupakan besaran vektor jadi selain nilai, kecepatan juga mempunyai arah. Dalam fisika, besaran-besaran yang arahnya ke bawah (searah dengan percepatan atau gaya gravitasi bumi) bernilai negatif. Karena pada gerak jatuh bebas, arah kecepatan searah dengan percepatan gravitasi, maka kecepatan benda berharga negatif. Dari grafik di atas terlihat mula-mula kecepatan benda nol (v0 = 0) kemudian bertambah secara teratur seiring bertambahnya waktu.
4. Grafik Hubungan Percepatan terhadap Waktu (Grafik a – t) pada GJB
Untuk semua jenis gerak vertikal ibarat gerak jatuh bebas, gerak vertikal ke bawah dan gerak vertikal ke atas, semua percepatan gravitasi berharga negatif sebab arahnya ke bawah. Tidak hanya pada gerak vertikal saja, pada gerak parabola juga berlaku percepatan gravitasi tersebut. Pada grafik a – t di atas terlihat terperinci bahwa besar percepatan gravitasi konstan -9,8 m/s2.
Untuk lebih memahami klarifikasi perihal grafik gerak benda, silahkan kalian pelajari artikel perihal jenis-jenis grafik gerak benda dan cara membacanya.
Contoh Soal Tentang Gerak Jatuh Bebas Beserta Penyelesaiannya
Buah mangga (m = 0,3 kg) jatuh dari pohonnya dengan ketinggian 2 m. sedangkan buah kelapa (m = 0,3 kg) jatuh dari pohonnya berketinggian 8 m. tentukan:
a) perbandingan waktu jatuh buah mangga dan buah kelapa
b) perbandingan kecepatan jatuh buah mangga dan kelapa
Penyelesaian
h1 = 2 m (mangga)
h2 = 8 m (kelapa)
g = 10 m/s2 (tidak diketahui dalam soal)
a) waktu jatuh
waktu jatuh buah mangga memenuhi:
t1 = √(2h1/g)
t1 = √(2×2/10)
t1 = √(4/10)
t1 = (2/10) √10
t1 = (1/5) √10 detik
waktu jatuh buah kelapa memenuhi:
t2 = √(2h2/g)
t2 = √(2×8/10)
t2 = √(16/10)
t2 = 4/√10
t2 = (4/10) √10
t2 = (2/5) √10 detik
jadi perbandingan waktu jatuh buah mangga dengan kelapa adalah:
t1/t2 = [(1/5) √10]/[ (2/5) √10]
t1/t2 = 1/2
b) kecepatan jatuh
kecepatan jatuh buah mangga:
v1 = √(2gh1)
v1 = √(2×10×2)
v1 = √40
v1 = 2√10 m/s
kecepatan jatuh buah kelapa:
v2 = √(2gh2)
v2 = √(2×10×8)
v2 = √160
v2 = 4√10
jadi perbandingan kecepatan jatuh buah mangga dengan kelapa adalah:
v1/v2 = (2√10)/(4 √10)
v1/v2 = 1/2
Soal di atas sanggup diselesaikan dengan lebih cepat memakai konsep kesebandingan berikut ini. Coba kalian gunakan sendiri konsep ini untuk mengerjakan soal di atas. Jika hasil perhitungan sama berarti perhitungan kalian benar.
Konsep kesebandingan |
Waktu jatuh: t √h |
Berarti: t1/t2 = √h1/√h2 |
Kecepatan jatuh: v √h |
Berarti: v1/v2 = √h1/√h2 |
Demikianlah artikel perihal definisi gerak jatuh bebas (GJB), ciri-ciri, rumus serta contoh soal perihal gerak jatuh bebas dan pembahasannya. Semoga sanggup bermanfaat untuk Anda. Terimakasih atas kunjungannya dan hingga jumpa di artikel berikutnya.