Contoh Soal HOTS Gerak Melingkar

Daftar Isi

Gimana kabarnya? Semoga kita semua selalu sehat, di materi ini saya akan memberikan beberapa contoh soal HOTS fisika tentang gerak melingkar dan jawabannya.

Contoh soal ini dibuat berdasarkan Taksonomi Bloom C1-C6:

• C1: mengingat
• C2: memahami
• C3: menerapkan
• C4: menganalisis
• C5: mengevaluasi
• C6: mencipta

Baiklah, berikut ini soalnya:

Contoh Soal HOTS Gerak Melingkar

Sebuah mobil balap sedang melaju di lintasan melingkar dengan jari-jari 50 meter. Mobil tersebut menyelesaikan satu putaran penuh dalam waktu 30 detik. Massa total mobil dan pengemudinya adalah 800 kg.

1. Identifikasi variabel-variabel yang terkait dengan gerak melingkar pada kasus ini! (C1)
2. Berapakah kecepatan sudut mobil tersebut dalam rad/s? (C2)
3. Hitunglah kecepatan linear mobil tersebut dalam m/s! (C3)
4. Jika lintasan balap tersebut memiliki kemiringan 30 derajat, analisislah gaya-gaya yang bekerja pada mobil saat bergerak melingkar! (C4)
5. Berdasarkan perhitungan dan analisis yang telah dilakukan, apakah mobil tersebut aman saat menikung pada kecepatan tersebut? Asumsikan koefisien gesek statis antara ban dan lintasan adalah 0,8. (C5)
6. Bagaimana lintasan balap dapat dimodifikasi untuk meningkatkan kecepatan maksimum mobil saat menikung tanpa mengurangi faktor keamanan? Jelaskan idemu berdasarkan konsep gerak melingkar! (C6)

Jawaban:

1. Variabel-variabel yang terkait dengan gerak melingkar pada kasus ini adalah:

• Jari-jari lintasan (r): 50 meter
• Waktu untuk satu putaran (T): 30 detik
• Massa mobil dan pengemudi (m): 800 kg
• Kemiringan lintasan: 30 derajat

2. Kecepatan sudut mobil tersebut dalam rad/s:

Kecepatan sudut (ω) dapat dihitung dengan rumus:

ω = 2π/T
ω = 2π/30 detik
ω = 0,21 rad/s

3. Kecepatan linier mobil:

Kecepatan linear (v) dapat dihitung dengan rumus:

v = ω . r
v = 0,21 rad/s . 50 meter
v = 10,5 m/s

4. Gaya-gaya yang bekerja pada mobil:

Gaya-gaya yang bekerja pada mobil saat bergerak melingkar pada lintasan miring adalah:

• Gaya berat (W): Arahnya tegak lurus ke bawah, besarnya W = m . g (g = percepatan gravitasi).
• Gaya normal (N): Arahnya tegak lurus terhadap permukaan lintasan.
• Gaya gesek (f): Arahnya sejajar dengan permukaan lintasan, menentang kecenderungan mobil untuk slip.
• Gaya sentripetal (Fs): Arahnya menuju pusat lingkaran, besarnya Fs = m . v² / r.

5. Keamanan saat menikung:

Pada lintasan miring, gaya normal dan gaya gesek memiliki komponen yang berkontribusi terhadap gaya sentripetal.

Untuk mengevaluasi keamanan mobil saat menikung, kita perlu membandingkan gaya gesek maksimum yang dapat dihasilkan ban dengan gaya sentripetal yang dibutuhkan.

• Gaya gesek maksimum (fmax) = μ_s . N, dengan μ_s adalah koefisien gesek statis.
• Gaya sentripetal (F_s) = m . v² / r

Kita perlu menghitung gaya normal (N) terlebih dahulu. Pada lintasan miring, komponen gaya berat yang tegak lurus lintasan sama dengan gaya normal: N = m . g . cos(30°).

Kemudian, kita bandingkan f_max dan F_s:

• f_max = 0,8 . 800 kg . 10 m/s² . cos(30°) = 5542,56 N
• Fs = 800 kg . (10,5 m/s)² / 50 meter = 1764 N

Karena f_max > F_s, maka mobil tersebut aman saat menikung pada kecepatan tersebut. Gaya gesek yang dihasilkan ban cukup untuk memberikan gaya sentripetal yang dibutuhkan agar mobil tidak slip.

5. Modifikasi lintasan balap:

Beberapa modifikasi lintasan balap yang dapat meningkatkan kecepatan maksimum mobil saat menikung tanpa mengurangi faktor keamanan:

• Meningkatkan kemiringan lintasan: Dengan meningkatkan kemiringan lintasan, komponen gaya normal yang berkontribusi terhadap gaya sentripetal akan meningkat, sehingga gaya gesek yang dibutuhkan untuk menjaga mobil tetap pada jalurnya akan berkurang. Hal ini memungkinkan mobil untuk menikung dengan kecepatan lebih tinggi.
• Menggunakan ban dengan koefisien gesek lebih tinggi: Ban dengan koefisien gesek lebih tinggi akan menghasilkan gaya gesek maksimum yang lebih besar, sehingga mobil dapat menikung dengan kecepatan lebih tinggi tanpa slip.
• Mengurangi jari-jari tikungan: Dengan mengurangi jari-jari tikungan, gaya sentripetal yang dibutuhkan akan berkurang (karena F_s berbanding terbalik dengan r). Hal ini memungkinkan mobil untuk menikung dengan kecepatan lebih tinggi.

Demikianlah contoh soal HOTS fisika tentang gerak melingkar, bagikan jika dirasa bermanfaat, terima kasih.