Kinematika: Pengukuran, Gerak Lurus, dan Gerak Lengkung — Materi Fisika SMA

Beranda › Learning Hub › Fisika SMA › Kinematika

Kinematika menjelaskan bagaimana benda bergerak — posisi, kecepatan, dan percepatannya — tanpa membahas penyebabnya. Dalam Kurikulum Nasional terbaru, kinematika dipelajari di Fase E (kelas X) sebagai pendalaman pengukuran dalam kerja ilmiah, lalu menjadi pijakan materi hubungan gerak dan gaya di Fase F. Karena itu halaman ini diletakkan paling awal: TKA Fisika menguji pengukuran, gerak lurus, dan gerak lengkung pada elemen Kinematika.

📋Posisi dalam kurikulum

Panduan Mata Pelajaran Fisika 2025 mencatat bahwa materi kinematika yang sebelumnya berada di Fase F dipindahkan ke Fase E. Guru Fase F diminta memastikan apakah kinematika sudah dipelajari; jika belum, pembelajaran dimulai dengan kinematika, termasuk gerak dua dimensi, sebelum masuk ke hubungan gerak dan gaya.

🎯Yang perlu kamu kuasai

Membaca jangka sorong dan mikrometer sekrup, serta menuliskan hasil ukur dengan aturan angka penting.
Membedakan jarak dan perpindahan, kelajuan dan kecepatan.
Menganalisis gerak lurus beraturan (GLB) dan gerak lurus berubah beraturan (GLBB), termasuk gerak vertikal.
Membaca dan menafsirkan grafik posisi–waktu dan kecepatan–waktu.
Menganalisis gerak parabola sebagai perpaduan GLB mendatar dan GLBB vertikal.
Menghitung besaran gerak melingkar beraturan, termasuk hubungan roda-roda.

📚Materi

1. Pengukuran dan angka penting

Setiap hasil pengukuran memuat ketidakpastian yang ditentukan oleh ketelitian alat. Mistar memiliki ketelitian 1 mm, jangka sorong dengan nonius 10 skala 0,1 mm, dan mikrometer sekrup 0,01 mm.

Jangka sorong: hasil = skala utama (tepat di kiri angka nol nonius) + (garis nonius yang segaris) × 0,1 mm.
Mikrometer sekrup: hasil = skala utama (termasuk garis setengah milimeter yang tampak) + (skala putar yang segaris dengan garis acuan) × 0,01 mm.

Aturan angka penting yang paling sering diuji:

Semua angka bukan nol adalah angka penting; nol di antara angka bukan nol juga penting (2,05 → 3 angka penting).
Nol di depan hanya penunjuk letak koma dan tidak penting (0,0237 → 3 angka penting).
Nol di belakang koma desimal penting (4,20 → 3 angka penting).
Perkalian/pembagian: hasil mengikuti jumlah angka penting paling sedikit.
Penjumlahan/pengurangan: hasil mengikuti jumlah angka di belakang koma paling sedikit.

2. Besaran gerak

Jarak adalah panjang lintasan (skalar). Perpindahan adalah perubahan posisi dari awal ke akhir (vektor). Berlari satu putaran penuh lintasan 400 m: jarak 400 m, perpindahan 0.

Kelajuan rata-rata = jarak ÷ waktu. Kecepatan rata-rata = perpindahan ÷ waktu. Percepatan adalah laju perubahan kecepatan, \( a = \dfrac{\Delta v}{\Delta t} \).

3. Gerak lurus beraturan dan berubah beraturan

Pada GLB kecepatan tetap, sehingga \( s = vt \). Pada GLBB percepatan tetap, dan berlaku tiga persamaan:

\[ v_t = v_0 + at \]

\[ s = v_0 t + \tfrac12 a t^2 \]

\[ v_t^2 = v_0^2 + 2as \]

Pilih persamaan yang tidak memuat besaran yang tidak diketahui dan tidak ditanyakan. Misalnya jika waktu tidak diketahui dan tidak ditanyakan, pakai \( v_t^2 = v_0^2 + 2as \).

Grafik adalah alat paling ampuh dalam kinematika:

Kemiringan grafik posisi–waktu = kecepatan.
Kemiringan grafik kecepatan–waktu = percepatan.
Luas di bawah grafik kecepatan–waktu = perpindahan (luas di bawah sumbu waktu bernilai negatif).

Grafik kecepatan terhadap waktu berupa garis lurus naik dari 4 m/s pada t = 0 menjadi 16 m/s pada t = 6 s; daerah di bawah garis diarsir biru dan diberi label luas sama dengan jarak. — Grafik v–t GLBB: kemiringannya adalah percepatan (2 m/s²), luas daerah di bawahnya adalah jarak (60 m).

Gerak vertikal adalah GLBB dengan \( a = -g \) jika arah ke atas diambil positif (di TKA biasanya \( g = 10 \) m/s²). Di titik tertinggi kecepatan nol, waktu naik \( t = v_0/g \), dan tinggi maksimum \( h = v_0^2/(2g) \). Benda yang dilempar ke atas kembali ke titik lemparnya dengan kelajuan yang sama dengan kelajuan awalnya (jika hambatan udara diabaikan).

4. Gerak parabola

Benda yang dilempar miring dengan kecepatan awal \( v_0 \) dan sudut elevasi \( \theta \) bergerak dalam dua arah sekaligus, dan keduanya dianalisis terpisah:

Arah mendatar: GLB dengan \( v_x = v_0 \cos\theta \) (tetap sepanjang gerak).
Arah vertikal: GLBB dengan \( v_y = v_0 \sin\theta - gt \).

Lintasan parabola sebuah bola. Di titik awal, kecepatan v0 diuraikan menjadi komponen v0 cos theta mendatar dan v0 sin theta tegak. Di puncak lintasan hanya ada komponen mendatar vx, dan vy sama dengan nol. — Di puncak lintasan, komponen vertikal nol tetapi komponen mendatar tetap — kecepatan di puncak tidak nol.

\[ t_{\text{puncak}} = \frac{v_0 \sin\theta}{g} \]

\[ h_{\text{maks}} = \frac{v_0^2 \sin^2\theta}{2g} \]

\[ R = \frac{v_0^2 \sin 2\theta}{g} \]

Jangkauan maksimum terjadi pada \( \theta = 45^\circ \). Dua sudut yang jumlahnya 90° (misalnya 37° dan 53°) memberi jangkauan sama.

5. Gerak melingkar beraturan

Benda yang menempuh lingkaran dengan kelajuan tetap memiliki periode \( T \) (waktu satu putaran) dan frekuensi \( f = 1/T \).

\[ \omega = 2\pi f = \frac{2\pi}{T} \]

\[ v = \omega r \]

\[ a_s = \frac{v^2}{r} = \omega^2 r \]

Percepatan sentripetal \( a_s \) selalu menuju pusat lingkaran. Pada hubungan roda-roda:

Seporos (roda belakang sepeda dan gir belakang): kecepatan sudut sama, \( \omega_1 = \omega_2 \).
Bersinggungan atau dihubungkan rantai/sabuk: kecepatan linear tepi sama, \( v_1 = v_2 \), sehingga \( \omega_1 r_1 = \omega_2 r_2 \).

Penyelidikan sederhana

Gulirkan kelereng menuruni papan miring dan rekam dengan kamera ponsel di samping penggaris. Dengan aplikasi analisis video (misalnya Tracker), catat posisi tiap 0,1 s, buat grafik posisi–waktu, lalu periksa apakah grafiknya parabola dan apakah grafik kecepatan–waktunya lurus. Variabel bebas: sudut kemiringan papan; variabel terikat: percepatan; variabel kontrol: kelereng dan permukaan papan yang sama.

✏️Contoh soal

Sebuah mobil bergerak dari keadaan diam dengan percepatan tetap 2 m/s² selama 5 s, lalu bergerak dengan kecepatan tetap selama 10 s. (a) Berapa kecepatan maksimumnya? (b) Berapa jarak total yang ditempuh?

(a) Tahap GLBB:

\[ v = v_0 + at = 0 + 2(5) = 10\ \text{m/s} \]

(b) Jarak tahap pertama \( s_1 = \tfrac12 (2)(5)^2 = 25 \) m. Tahap kedua GLB: \( s_2 = 10 \times 10 = 100 \) m.

\[ s_{\text{total}} = 25 + 100 = 125\ \text{m} \]

Periksa. Gambar grafik v–t: segitiga (alas 5, tinggi 10) ditambah persegi panjang (10 × 10). Luasnya \( 25 + 100 = 125 \) m — sama.

Jebakan. Menghitung jarak total dengan \( s = vt = 10 \times 15 \). Itu menganggap mobil sudah 10 m/s sejak awal; pada tahap pertama kecepatannya masih bertambah.

📝Latihan

Kerjakan di kertas, lalu buka jawabannya.

1. Hasil pengukuran panjang 12,5 cm dan lebar 4,20 cm. Tuliskan luasnya sesuai aturan angka penting.

\( 12{,}5 \times 4{,}20 = 52{,}5 \) cm². Angka penting paling sedikit adalah tiga (dari 12,5), sehingga hasilnya ditulis 52,5 cm².

2. Bola dilempar vertikal ke atas dengan kecepatan 20 m/s (g = 10 m/s²). Tentukan tinggi maksimum dan lama bola di udara.

\( h = \dfrac{v_0^2}{2g} = \dfrac{400}{20} = 20 \) m. Waktu naik \( t = v_0/g = 2 \) s, sehingga lama di udara (naik dan turun) 4 s.

3. Sebuah motor mengerem dari 72 km/jam dan berhenti setelah 40 m. Berapa perlambatannya?

72 km/jam = 20 m/s. \( 0 = 20^2 - 2a(40) \Rightarrow a = 5 \) m/s².

4. Peluru ditembakkan dengan kecepatan 50 m/s pada sudut 37° (sin 37° = 0,6). Tentukan tinggi maksimum dan jangkauannya.

\( v_y = 30 \) m/s, \( v_x = 40 \) m/s. \( h = \dfrac{30^2}{20} = 45 \) m. Waktu terbang \( 2 \times 3 = 6 \) s, sehingga \( R = 40 \times 6 = 240 \) m.

5. Kipas berputar 300 putaran per menit dengan jari-jari baling-baling 20 cm. Hitung kelajuan linear ujungnya.

\( f = 5 \) Hz, \( \omega = 10\pi \) rad/s, \( v = \omega r = 10\pi \times 0{,}2 = 2\pi \approx 6{,}3 \) m/s.

6. Gir depan sepeda berjari-jari 10 cm dan gir belakang 4 cm, dihubungkan rantai. Gir depan berputar 2 putaran per sekon. Roda belakang berjari-jari 35 cm. Berapa kelajuan sepeda?

Rantai: \( \omega_d r_d = \omega_b r_b \Rightarrow 2 \times 10 = f_b \times 4 \Rightarrow f_b = 5 \) putaran/s. Roda belakang seporos dengan gir belakang: \( v = 2\pi f r = 2\pi (5)(0{,}35) = 3{,}5\pi \approx 11 \) m/s.

🎯Latihan TKA untuk topik ini

Soal-soal berikut dari latihan TKA Fisika SMA menguji materi di halaman ini. Kerjakan langsung di halaman soal, lalu buka pembahasannya.

Paket 1 · Soal 1 PGK MCMA — Menentukan hasil pembacaan jangka sorong dan menyatakannya sesuai aturan angka penting.
Paket 1 · Soal 2 PGK Kategori — Mengevaluasi pernyataan tentang waktu tempuh pada gerak relatif di atas travelator.
Paket 1 · Soal 3 PG — Menginterpretasikan grafik kecepatan terhadap waktu dari gerak kendaraan di jalan lurus.
Paket 1 · Soal 4 PG — Menentukan posisi saat satu kendaraan menyusul kendaraan lain berdasarkan grafik kecepatan terhadap waktu.
Paket 1 · Soal 5 PGK MCMA — Menganalisis besaran-besaran pada gerak vertikal ke atas dari ketinggian tertentu.
Paket 1 · Soal 6 PG — Menentukan kelajuan sepeda dari hubungan roda-roda yang dihubungkan rantai dan seporos.
Paket 1 · Soal 7 PGK Kategori — Menganalisis ketinggian maksimum, kecepatan di titik puncak, dan jangkauan pada gerak parabola.
Paket 2 · Soal 1 PG — Membaca hasil pengukuran mikrometer sekrup.
Paket 2 · Soal 2 PGK MCMA — Menerapkan aturan angka penting pada hasil perkalian dan penjumlahan hasil pengukuran.
Paket 2 · Soal 3 PG — Menentukan perlambatan kendaraan dari kecepatan awal dan jarak pengereman.
Paket 2 · Soal 4 PGK Kategori — Menganalisis grafik posisi terhadap waktu dua benda yang bergerak lurus beraturan untuk menentukan saat menyusul.
Paket 2 · Soal 5 PG — Menentukan kecepatan benda yang dilempar vertikal ke bawah saat mencapai permukaan.
Paket 2 · Soal 6 PG — Menentukan kelajuan linear ujung baling-baling dari frekuensi putaran.
Paket 2 · Soal 7 PGK MCMA — Menganalisis waktu ke puncak, tinggi maksimum, kecepatan di puncak dan jangkauan pada gerak parabola.