Belajar Fisika Roller Coaster Untuk Kelas 5-6
Event For : Everybody
Ringkasan
Siswa akan belajar tentang fisika yang diterapkan oleh para insinyur dalam mendesain roller coaster modern, termasuk energi potensial dan kinetik, gesekan, dan gravitasi. Pertama, mereka akan memahami bahwa semua roller coaster sejati sepenuhnya digerakkan oleh gaya gravitasi dan bahwa konversi antara energi potensial dan kinetik sangat penting untuk semua roller coaster. Kedua, mereka akan mempertimbangkan peran gesekan dalam memperlambat gerobak roller coaster. Terakhir, mereka akan mengamati percepatan gerobak roller coaster saat melaju di lintasan. Dalam kegiatan terkait, siswa akan mendesain, membangun, dan menganalisis model roller coaster menggunakan tabung busa dan kelereng (sebagai gerobak).
Kurikulum teknik ini selaras dengan Next Generation Science Standards (NGSS).
Saat gerobak turun, energi potensial yang disediakan oleh rantai pengangkat di sebelah kiri diubah menjadi energi kinetik.
Keterkaitan dengan Bidang Teknik
Siswa akan mempelajari prinsip-prinsip fisika paling dasar dari roller coaster, yang sangat penting untuk proses desain awal bagi para insinyur yang menciptakan roller coaster. Mereka akan belajar tentang kemungkinan dan batasan roller coaster dalam konteks konservasi energi, kehilangan akibat gesekan, dan prinsip-prinsip fisika lainnya. Setelah pelajaran ini, siswa diharapkan mampu menganalisis pergerakan roller coaster yang digerakkan gravitasi dan mendesain dasar-dasar model roller coaster mereka sendiri.
Tujuan Pembelajaran
Setelah kegiatan ini, siswa diharapkan mampu:
Menjelaskan mengapa penting bagi para insinyur untuk mengetahui cara kerja roller coaster.
Menjelaskan cara kerja roller coaster dalam istilah fisika.
Mendiskusikan efek gravitasi dan gesekan dalam konteks desain roller coaster mereka.
Menggunakan prinsip konservasi energi untuk menjelaskan tata letak roller coaster.
Mengidentifikasi titik-titik di lintasan roller coaster di mana gerobak memiliki energi kinetik maksimum dan energi potensial maksimum.
Mengidentifikasi titik-titik di lintasan roller coaster di mana gerobak mengalami gaya lebih dari 1 g atau kurang dari 1 g.
Mengidentifikasi titik-titik di lintasan roller coaster di mana gerobak mengalami percepatan dan perlambatan.
Standar Pendidikan
NGSS: Next Generation Science Standards - Sains
International Technology and Engineering Educators Association - Teknologi
Pengetahuan Prasyarat
Pemahaman tentang gaya, khususnya gravitasi dan gesekan, serta sedikit pengetahuan tentang energi kinetik dan potensial. Pemahaman tentang hukum kedua Newton tentang gerak dan konsep gerak dasar seperti posisi, kecepatan, dan percepatan.
Pendahuluan/Motivasi
Pelajaran hari ini adalah tentang roller coaster dan sains serta teknik di baliknya. Sebelum kita mulai berbicara tentang fisika, saya ingin kalian berbagi beberapa pengalaman kalian dengan roller coaster. (Dengarkan beberapa siswa mendeskripsikan roller coaster favorit mereka. Tunjukkan beberapa fitur unik dari setiap roller coaster, seperti bukit dan putaran, yang berhubungan dengan pelajaran.)
Apakah ada yang tahu cara kerja roller coaster? Kalian mungkin berpikir bahwa gerobak roller coaster memiliki mesin di dalamnya yang mendorongnya di sepanjang lintasan seperti mobil. Meskipun itu benar untuk beberapa roller coaster, sebagian besar menggunakan gravitasi untuk menggerakkan gerobak di sepanjang lintasan. Apakah kalian ingat pernah naik roller coaster yang dimulai dengan bukit besar? Jika kalian perhatikan baik-baik lintasan roller coaster (tempat gerobak bergerak), kalian akan melihat di tengah-tengah lintasan pada bukit pertama itu, sebuah rantai. Kalian bahkan mungkin merasakan rantai itu "mengait" ke gerobak. Rantai itu mengait ke bagian bawah gerobak dan menariknya ke puncak bukit pertama, yang selalu merupakan titik tertinggi pada roller coaster. Begitu gerobak berada di puncak bukit itu, ia dilepaskan dari rantai dan meluncur di sisa lintasan, dari situlah nama "roller coaster" berasal.
Menurut kalian, apa yang akan terjadi jika roller coaster memiliki bukit di tengah lintasan yang lebih tinggi dari bukit pertama? Apakah gerobak bisa naik ke bukit yang lebih besar ini hanya dengan menggunakan gravitasi? (Lakukan demonstrasi singkat untuk membuktikan poin ini. Ambil sepotong isolasi pipa busa yang dipotong menjadi dua memanjang dan bentuk menjadi roller coaster dengan menempelkannya ke benda-benda di kelas seperti meja dan buku teks, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. Kemudian, gunakan kelereng untuk mewakili gerobak, tunjukkan kepada siswa bahwa bukit pertama roller coaster harus menjadi titik tertinggi atau gerobak tidak akan mencapai ujung lintasan. Lihat kegiatan Membangun Roller Coaster untuk instruksi tambahan.)
(Selanjutnya, manfaatkan pengalaman roller coaster siswa lain untuk melanjutkan pelajaran, mencakup materi yang disediakan di bagian Latar Belakang Pelajaran dan Kosakata. Misalnya, bicarakan tentang titik di roller coaster di mana Anda melaju paling cepat, bagaimana gerobak melewati putaran dan corkscrew, dan apa yang menyebabkan penumpang merasa tanpa bobot atau sangat berat di titik-titik tertentu di roller coaster. Urutan pengajaran poin-poin ini, dan mungkin lebih banyak lagi, tidak penting untuk pelajaran. Juga, mungkin lebih menarik bagi siswa untuk mengajukan pertanyaan berdasarkan pengalaman mereka dengan roller coaster dan biarkan pertanyaan-pertanyaan itu mengarahkan pelajaran dari satu poin ke poin berikutnya. Semua poin ini dapat didemonstrasikan menggunakan tabung busa dan kelereng, jadi sering-seringlah menggunakannya untuk mengilustrasikan konsep-konsep pelajaran.)
Latar Belakang Pelajaran dan Konsep untuk Guru
Prinsip dasar dari semua roller coaster adalah hukum konservasi energi, yang menjelaskan bagaimana energi tidak dapat hilang atau diciptakan; energi hanya ditransfer dari satu bentuk ke bentuk lain. Dalam roller coaster, dua bentuk energi yang paling penting adalah energi potensial gravitasi dan energi kinetik. Energi potensial gravitasi adalah energi yang dimiliki suatu benda karena ketinggiannya dan sama dengan massa benda dikalikan dengan ketinggiannya dikalikan dengan konstanta gravitasi (). Energi potensial gravitasi paling besar di titik tertinggi roller coaster dan paling kecil di titik terendah. Energi kinetik adalah energi yang dimiliki suatu benda karena geraknya dan sama dengan setengah dikalikan dengan massa benda dikalikan dengan kuadrat kecepatannya (). Energi kinetik paling besar di titik terendah roller coaster dan paling kecil di titik tertinggi. Energi potensial dan kinetik dapat dipertukarkan satu sama lain, jadi pada titik-titik tertentu gerobak roller coaster mungkin hanya memiliki energi potensial (di puncak bukit pertama), hanya energi kinetik (di titik terendah), atau kombinasi energi kinetik dan potensial (di semua titik lainnya).
Bukit pertama roller coaster selalu merupakan titik tertinggi dari roller coaster karena gesekan dan hambatan segera mulai merampas energi gerobak. Di puncak bukit pertama, energi gerobak hampir seluruhnya energi potensial gravitasi (karena kecepatannya nol atau hampir nol). Ini adalah energi maksimum yang akan dimiliki gerobak selama perjalanan. Energi itu bisa menjadi energi kinetik (yang terjadi di dasar bukit ini ketika gerobak bergerak cepat) atau kombinasi energi potensial dan kinetik (seperti di puncak bukit yang lebih kecil), tetapi total energi gerobak tidak bisa lebih dari saat berada di puncak bukit pertama. Jika bukit yang lebih tinggi ditempatkan di tengah roller coaster, itu akan mewakili energi potensial gravitasi yang lebih besar daripada bukit pertama, sehingga gerobak tidak akan mampu naik ke puncak bukit yang lebih tinggi.
Gerobak di roller coaster selalu bergerak paling cepat di dasar bukit. Ini terkait dengan konsep pertama bahwa di dasar bukit semua energi potensial telah diubah menjadi energi kinetik, yang berarti lebih banyak kecepatan. Demikian juga, gerobak selalu bergerak paling lambat di titik tertingginya, yaitu puncak bukit pertama.
Simulasi berbasis web yang menunjukkan hubungan antara posisi vertikal dan kecepatan gerobak dalam roller coaster berbagai bentuk disediakan di MyPhysicsLab Roller Coaster Physics Simulation. Situs web ini menyediakan data numerik untuk simulasi roller coaster dari berbagai bentuk.
Gesekan ada di semua roller coaster, dan itu mengurangi energi yang berguna yang disediakan oleh roller coaster. Gesekan disebabkan di roller coaster oleh gesekan roda gerobak pada lintasan dan oleh gesekan udara (dan terkadang air!) terhadap gerobak. Gesekan mengubah energi roller coaster yang berguna (energi potensial gravitasi dan energi kinetik) menjadi energi panas, yang tidak memiliki tujuan yang terkait dengan mendorong gerobak di sepanjang lintasan. Gesekan adalah alasan mengapa roller coaster tidak bisa terus berjalan selamanya, jadi meminimalkan gesekan adalah salah satu tantangan terbesar bagi insinyur roller coaster. Gesekan juga merupakan alasan mengapa roller coaster tidak pernah bisa mendapatkan kembali ketinggian maksimumnya setelah bukit awal kecuali rantai pengangkat kedua dimasukkan di suatu tempat di lintasan.
Gerobak hanya bisa melewati putaran jika memiliki kecepatan yang cukup di puncak putaran. Kecepatan minimum ini disebut sebagai kecepatan kritis, dan sama dengan akar kuadrat dari jari-jari putaran dikalikan dengan konstanta gravitasi (). Meskipun perhitungan ini terlalu rumit untuk sebagian besar siswa kelas tujuh, mereka akan secara intuitif memahami bahwa jika gerobak tidak bergerak cukup cepat di puncak putaran, ia akan jatuh. Untuk keamanan, sebagian besar roller coaster memiliki roda di kedua sisi lintasan untuk mencegah gerobak jatuh.
Sebagian besar putaran roller coaster tidak berbentuk lingkaran sempurna, tetapi memiliki bentuk seperti tetesan air mata yang disebut clothoid. Desainer roller coaster menemukan bahwa jika sebuah putaran berbentuk lingkaran, pengendara mengalami gaya terbesar di dasar putaran ketika gerobak bergerak paling cepat. Setelah banyak pengendara mengalami cedera leher, roller coaster yang berputar ditinggalkan pada tahun 1901 dan dihidupkan kembali hanya pada tahun 1976 ketika Revolution di Six Flags Magic Mountain menjadi roller coaster berputar modern pertama menggunakan bentuk clothoid. Dalam clothoid, jari-jari kelengkungan putaran paling lebar di bagian bawah, mengurangi gaya pada pengendara ketika gerobak bergerak paling cepat, dan paling kecil di bagian atas ketika gerobak bergerak relatif lambat. Ini memungkinkan perjalanan yang lebih mulus dan lebih aman dan bentuk tetesan air mata sekarang digunakan di roller coaster di seluruh dunia.
Pengendara dapat mengalami keadaan tanpa bobot di puncak bukit (gaya g negatif) dan merasa berat di dasar bukit (gaya g positif). Perasaan ini disebabkan oleh perubahan arah roller coaster. Di puncak roller coaster, gerobak bergerak dari ke atas menjadi datar menjadi ke bawah. Perubahan arah ini dikenal sebagai percepatan dan percepatan membuat pengendara merasa seolah-olah sebuah gaya bekerja pada mereka, menarik mereka keluar dari kursi mereka. Demikian pula, di dasar bukit, pengendara bergerak dari ke bawah menjadi datar menjadi ke atas, dan dengan demikian merasa seolah-olah sebuah gaya mendorong mereka turun ke kursi mereka. Gaya-gaya ini dapat disebut dalam istilah gravitasi dan disebut gaya gravitasi, atau g-force. Satu "g" adalah gaya yang diberikan oleh gravitasi saat berdiri di Bumi di permukaan laut. Tubuh manusia terbiasa hidup di lingkungan 1 g. Jika percepatan roller coaster di dasar bukit sama dengan percepatan gravitasi (9.81m/s2), g-force lain dihasilkan dan, ketika ditambahkan ke 1 g standar, kita mendapatkan 2g. Jika percepatan di dasar bukit dua kali percepatan gravitasi, gaya keseluruhannya adalah 3 g. Jika percepatan ini bekerja di puncak bukit, ia dikurangi dari 1 g standar. Dengan cara ini, ia bisa kurang dari 1 g, dan bahkan bisa negatif. Jika percepatan di puncak bukit sama dengan percepatan gravitasi, gaya keseluruhannya akan menjadi nol g. Jika percepatan di puncak bukit dua kali percepatan gravitasi, gaya keseluruhan yang dihasilkan akan menjadi negatif 1 g. Pada nol g, pengendara merasa benar-benar tanpa bobot dan pada g negatif, mereka merasa seolah-olah sebuah gaya mengangkat mereka keluar dari kursi. Konsep ini mungkin terlalu maju untuk siswa, tetapi mereka harus memahami prinsip-prinsip dasar dan di mana g-force yang lebih besar atau kurang dari 1 g dapat terjadi, bahkan jika mereka tidak dapat sepenuhnya mengaitkannya dengan percepatan roller coaster.
Kegiatan Terkait
Membangun Roller Coaster - Siswa berperan sebagai insinyur dengan mendesain dan membangun model roller coaster mereka sendiri, menerapkan pemahaman mereka tentang banyak konsep fisika.
Kosakata/Definisi
Percepatan: Seberapa cepat suatu objek bertambah cepat, melambat, atau mengubah arah. Sama dengan perubahan kecepatan dibagi waktu.
Kecepatan kritis: Kecepatan yang dibutuhkan di puncak putaran agar gerobak bisa melewatinya tanpa jatuh dari lintasan.
Gaya: Setiap dorongan atau tarikan.
Gesekan: Gaya yang disebabkan oleh gerakan menggosok antara dua objek.
G-force: Singkatan dari gaya gravitasi. Gaya yang diberikan pada suatu objek oleh gravitasi Bumi di permukaan laut.
Konstanta gravitasi: Percepatan yang disebabkan oleh gravitasi Bumi di permukaan laut. Sama dengan 9.81m/detik2 (32.2ft/detik2).
Gravitasi: Gaya yang menarik dua objek satu sama lain.
Energi kinetik: Energi suatu objek yang bergerak, yang secara langsung berkaitan dengan kecepatan dan massanya.
Energi potensial: Energi yang disimpan oleh suatu objek yang siap digunakan. (Dalam pelajaran ini, kita menggunakan energi potensial gravitasi, yang secara langsung berkaitan dengan ketinggian suatu objek dan massanya.)
Kecepatan (speed): Seberapa cepat suatu objek bergerak. Jarak yang ditempuh objek dibagi waktu yang dibutuhkan.
Kecepatan (velocity): Kombinasi kecepatan dan arah di mana suatu objek bergerak.
Penilaian
Penilaian Pra-Pelajaran
Sebelum pelajaran, pastikan siswa memiliki pemahaman yang kuat tentang gravitasi, gesekan, energi potensial dan kinetik, dan dasar-dasar gerak. Ini dapat dilakukan dalam bentuk kuis singkat, latihan pemanasan, atau diskusi singkat. Contoh pertanyaan:
Apa yang menyebabkan gravitasi?
Apa itu gesekan?
Apa perbedaan antara energi potensial dan kinetik?
Apa perbedaan antara kecepatan (speed) dan kecepatan (velocity)?
Bagaimana percepatan berhubungan dengan kecepatan (velocity)?
Penilaian Ringkasan Pelajaran
Tunjukkan kepada siswa foto roller coaster yang mencakup bukit dan putaran. Harapkan mereka dapat mengidentifikasi:
Titik-titik energi potensial dan kinetik maksimum.
Titik-titik kecepatan (velocity) maksimum dan minimum.
Titik-titik di mana g-force lebih besar atau kurang dari 1 dialami.
Pekerjaan Rumah
Mintalah siswa untuk mendesain roller coaster mereka sendiri atau mencari roller coaster yang ada di internet dan mengidentifikasi karakteristiknya dalam hal konsep fisika yang dipelajari dalam pelajaran. Tugas ini juga berfungsi sebagai pengantar untuk kegiatan terkait, Membangun Roller Coaster.
