Sebagai tahap awal dalam mempelajari mekanika klasik, kita akan mendeskripsikan gerakan suatu objek sambil mengabaikan interaksi dengan objek eksternal yang mungkin memengaruhi atau merubah gerakannya. Bagian mekanika klasik ini disebut kinematika. Dalam artikel ini, kita hanya mempertimbangkan gerakan dalam satu dimensi, yaitu, gerakan suatu objek di sepanjang garis lurus.
Pada artikel ini juga kita akan mendefinisikan sejumlah besaran gerak. Besaran-besaran tersebut di antaranya adalah posisi, perpindahan, jarak tempuh, kecepatan, laju, percepatan, gaya, momentum linier, momentum sudut, torka, dan sebagainya. Besaran gerak tersebut ada yang berupa besaran vektor dan ada yang berupa besaran skalar. Pembahasan tentang gerak akan lebih lengkap kalau diungkapkan dengan metode vektor.
1. Posisi, Perpindahan, dan Jarak Tempuh
Dalam mejelaskan gerak benda secara jelas, kita perlu menggunakan sumbu koordinat, jumlah sumbu koordinat yang digunakan bergantung pada jenis gerak benda. Untuk gerak satu dimensi, kita hanya menggunakan 1 sumbu koordinat. Jika kita bahas gerak dua dimensi maka sumbu yang kita gunakan adalah sumbu x dan y yang saling tegak lurus. Jika kita bahas gerak umum atau gerak tiga dimensi maka sumbu koordinat yang kita gunakan adalah sumbu x, y, dan z dan juga saling tegak lurus.
Sekarang kita mulai mendefisikan besaran gerak. Pertama adalah posisi. Posisi adalah lokasi benda dalam sumbu koordinat. Jadi, sebelum menentukan posisi maka sumbu koordinat harus ditetapkan terlebih dahulu. Benda pada tempat yang sama memiliki posisi yang berbeda jika kita menggunakan sumbu koordinat yang berbeda.
Sebagai contoh sebuah mobil bergerak bolak-balik di sepanjang sumbu x seperti pada representasi gambar, representasi grafis, dan representasi tabel dari informasi mobil bergerak tersebut.
representasi gambar dan grafis mobil bergerak bolak-balik di sepanjang sumbu x Pada tabel 2.1, kita dapat dengan mudah menentukan perubahan posisi mobil untuk berbagai interval waktu.
Perpindahan suatu partikel ∆x didefinisikan sebagai perubahan posisi dalam beberapa interval waktu. Ketika partikel bergerak dari posisi awal xi ke posisi akhir xf, perpindahannya diberikan oleh
Tidak banyak fenomena fisis yang menarik jika benda diam di tempatnya atau posisi benda tetap. Manusia banyak memanfaatkan sifat gerak benda. Misalnya gerakan air terjun yang dimanfaatkan untuk menghasilkan tenaga listrik, gerakan alat-alat transportasi untuk memindahkan manusia dan barang, gerak planet mengitari matahari, gerak partikel udara yang menyebabkan suara dapat merambat, dan sebagainya. Jadi, adanya perubahan posisi benda merupakan fenomena yang penting bagi manusia.
Jarak tempuh adalah jarak sebenarnya yang ditempuh benda ketika bergerak dari satu titik ke titik lainnya. Menghitung jarak tempuh jauh lebih sulit daripada menghitung perpindahan karena panjang tiap potongan lintasan yang ditempuh benda harus diukur. Saat menghitung perpindahan kita tidak perlu mencatat tiap saat gerakan benda atau tidak mempedulikan posisi benda selama bergerak. Yang perlu dicatat hanya di mana posisi awal benda dan di mana posisi akhirnya. Sedangkan untuk menentukan jarak tempuh maka tiap saat posisi benda harus dicatat. Jarak pergerakan benda dalam tiap pertambahan waktu sekecil apapun harus diukur. Jarak temput adalah jumlah semua jarak pergerakan tersebut.
2. Kecepatan rata-rata dan Kecepatan Sesaat
Ada benda yang berpindah cepat dan ada yang berpindah lambat. Jika siput dan kodok disuruh berpindah sejauh 1 meter, yang mana yang duluan sampai? Pasti kodok bukan? Kita katakan bahwa kodok memiliki kecepatan berpindah yang lebih besar dari siput. Oleh karena itu kita perlu definisikan besaran kecepatan untuk mengukur berapa cepat sebuah benda berpindah. Kita mulai dari definisi kecepatan rata-rata. Kecepatan rata-rata didefinsikan sebagai perbandingan antara perpindahan dengan lama waktu melakukan perpindahan.
Kecepatan rata-rata tidak memberikan informasi gerak benda tiap saat. Apakah suatu saat kecepatan benda membesar, mengecil, atau bahkan berhenti tidak terkandung dalam kecepatan rata-rata. Padahal kebanyakan benda memiliki kecepatan yang berbeda pada saat yang berbeda. Sangat jarang benda memiliki kecepatan yang sama selama perjalanan, apabila dalam selang waktu yang lama.
Informasi tentang kecepatan benda pada berbagai waktu tertuang dalam besaran gerak yang bernama kecepatan sesaat. Kecepatan sesaat diperoleh dari kecepatan rata-rata dengan mengambil selang waktu yang sangat kecil, yaitu mendekati nol. Dapat pula dikatakan bahwa kecepatan sesaat merupakan kecepatan rata-rata pada selang waktu yang sangat kecil (mendekati nol). Jadi, definisi kecepatan sesaat adalah
3. Laju rata-rata dan Laju sesaat
Kecepatan rata-rata ditentukan berdasarkan perpindahan benda. Perpindahan benda adalah vektor pengubung posisi awal dengan posisi akhir sehingga selalu berupa garis lurus. Perpindahan benda tidak menyatakan lintasan yang ditempuh benda. Panjang lintasan yang ditempuh benda lebih besar atau sama dengan panjang perpindahan benda. Panjang lintasan dan besar perpindahan sama hanya jika benda bergerak dalam garis lurus. Laju rata-rata adalah rasio antara jarak tempuh dengan waktu tempuh. Karena jarak tempuh umumnya lebih besar daripada besar perpindahan maka laju rata-rata umumnya lebih besar daripada besar kecepatan rata-rata. Laju rata-rata didefinisikan sebagai
dengan s adalah jarak tempuh dan ∆t adalah waktu tenpuh.
Besar kecepatan sesaat adalah definisi laju sesaat. Tetapi hat-hati, besarnya kecepatan rata-rata tidak sama dengan laju rata-rata. Laju rata-rata umumnya lebih besar daripada besarnya kecepatan rata-rata. Ada dua cara mendapatkan laju sesaat. Pertama ditentukan berdasarkan jarak tempuh dalam waktu yang mendekati nol dan yang kedua adalah mengambil nilai skalar dari kecepatan sesaat. Cara pertama adalah
di mana ∆tdiambil mendekati nol. Cara kedua adalah
4. Percepatan rata-rata dan Percepatan sesaat
Selama gerakan kadang kecepatan benda berubah. Perubahan tersebut bisa berupa perubahan nilai saja, perubahan arah saja, atau perubahan nilai dan arah. Perubahan tersebut ada yang cepat dan ada yang lambat. Besaran yang mengukur berapa cepat kecepatan berubah dinamakan percepatan. Percepatan rata-rata didefinisikan sebagai perbandingan antara perubahan kecepatan benda dengan lama kecepatan tersebut berubah
- Perubahan kecepatan benda adalah ∆v
- Lama waktu kecepatan berubah adalah ∆t
Jika selang waktu yang kita ambil dalam menghitung percepatan rata-rata mendekati nol, maka percepatan rata-rata tersebut berubah menjadi percepatan sesaat. Jadi, percepatan sesaat didefinisikan sebagai
dengan ∆t diambil menuju nol. Juga definisi ini dapat ditulis dalam bentuk diferensial sebagai berikut
sumber pustaka