Sains notesnota, bab 8

Daya dan Gerakan

Notes made with reference toNota dibuat dengan rujukan kepada TextbookBuku teks Sains Tingkatan 2 (KSSM), pageshalaman 166-203

What this chapter coversMatlamat bab ini

Saya boleh menghuraikan dan berkomunikasi tentang daya sebagai tarikan atau tolakan, dan menamakan jenis-jenis daya (8.1.1)
Saya boleh menerangkan bahawa daya mempunyai magnitud, arah dan titik aplikasi (8.1.2)
Saya boleh mengukur daya dengan neraca spring dalam unit S.I. newton, dan menyatakan bahawa 1 kg mempunyai berat 10 N (8.1.3)
Saya boleh menjelaskan dengan contoh bahawa setiap daya tindakan mempunyai daya tindak balas yang sama magnitud tetapi bertentangan arah (8.1.4)
Saya boleh menghuraikan kesan daya terhadap gerakan, bentuk dan saiz objek (8.2.1)
Saya boleh menerangkan perkaitan antara ketumpatan dengan kesan keapungan, dan menghitung daya apungan daripada berat sebenar dan berat ketara (8.2.2)
Saya boleh mengelas tuas kepada kelas pertama, kedua dan ketiga berdasarkan kedudukan fulkrum, beban dan daya (8.2.3)
Saya boleh menerangkan momen daya dan menyelesaikan masalah menggunakan prinsip momen (8.2.4)
Saya boleh menghitung tekanan dan menerangkan aplikasinya dalam kehidupan harian (8.2.5)
Saya boleh menghuraikan tekanan gas dengan merujuk kepada teori kinetik gas, dan faktor isi padu dan suhu (8.2.6)
Saya boleh menerangkan tekanan atmosfera, aplikasinya, dan kesan altitud terhadap tekanan atmosfera (8.2.7)
Saya boleh menerangkan kesan kedalaman terhadap tekanan cecair (8.2.8)

8.1Daya

Daya ialah tarikan atau tolakan yang dikenakan ke atas suatu objek. Daya ialah kuantiti vektor yang mempunyai magnitud dan arah. Unit S.I. bagi daya ialah newton (N).

Hampir semua aktiviti harian melibatkan daya, misalnya membuka tin makanan (tarikan), menekan suis dan menolak pintu (tolakan). Daya tidak dapat dilihat tetapi kesannya boleh dirasai dan diperhatikan.

Jenis-jenis daya

Daya	Maksud	Contoh
Daya graviti	Daya yang mengarah ke pusat Bumi	Bola yang dilambung jatuh semula ke tanah
Berat	Daya graviti yang bertindak ke atas objek	Objek berjisim 1 kg mempunyai berat 10 N di Bumi
Daya normal	Daya yang dihasilkan apabila objek bersentuhan dengan permukaan; bertindak ke atas	Epal di atas meja
Daya geseran	Daya yang menentang gerakan antara dua permukaan yang bersentuhan; arahnya bertentangan dengan arah gerakan	Kotak ditolak di atas lantai
Daya elastik	Wujud apabila bahan diregangkan atau dimampatkan	Getah ketapel yang diregangkan, spring
Daya apungan	Daya tujah ke atas yang bertindak pada objek yang terapung di dalam bendalir	Patung itik di atas air

Jisim bukan berat. Jisim ialah kuantiti jirim (kg). Berat ialah daya (N). Di Bumi, berat (N) = jisim (kg) × 10 N kg⁻¹, jadi 100 g mempunyai berat 1 N dan 1 kg mempunyai berat 10 N.

Ciri-ciri daya

Untuk memerihalkan sesuatu daya dengan lengkap, nyatakan tiga perkara.

Magnitud: nilai atau kuantiti daya itu, dalam newton (contohnya 10 N).
Arah: arah tindakan daya, ditunjukkan oleh anak panah.
Titik aplikasi: tempat daya dikenakan pada objek, seperti bahagian tangan yang menolak kotak, atau hujung kepala tukul yang menanggalkan paku (Rajah 8.6, daya 15 N).

Pengukuran daya dan unit daya

Daya diukur dengan neraca spring, bukan pembaris. Neraca spring beroperasi dengan prinsip pemanjangan spring: makin besar daya, makin panjang spring dan bacaan skala makin besar. Unit newton dinamakan sempena ahli sains dan matematik Sir Isaac Newton.

Berat jasad: tambah pemberat 50 g satu demi satu pada neraca spring. Bacaan bertambah apabila bilangan pemberat bertambah (Aktiviti 8.2A).
Daya geseran: tarik blok kayu dengan neraca spring. Bacaan semasa blok mula bergerak ialah daya yang diperlukan untuk mengatasi geseran. Bacaan lebih besar di atas kertas pasir daripada di atas meja kerana permukaan kertas pasir lebih kasar (Aktiviti 8.2B).

Hitung berat sebiji beg beras berjisim 4.5 kg di Bumi.

Tunjuk jawapanSembunyi jawapan

Berat = 4.5 kg × 10 N kg⁻¹ = 45 N.

Pasangan daya tindakan dan daya tindak balas

Bagi setiap daya tindakan terdapat daya tindak balas yang sama magnitud tetapi bertentangan arah.

Situasi	Daya tindakan	Daya tindak balas	Hasilnya
Buku kekal di atas meja	Berat (ke bawah)	Daya normal (ke atas)	Buku kekal pegun kerana magnitud berat sama dengan daya normal
Bongkah kayu terapung di atas air	Berat (ke bawah)	Daya apungan (ke atas)	Bongkah terapung kerana daya apungan sama dengan berat
Dua troli bersentuhan dilepaskan dengan spring ringan yang dimampatkan	Daya elastik spring pada troli kedua	Daya elastik spring pada troli pertama, sama magnitud, arah bertentangan	Kedua-dua troli bergerak ke arah bertentangan dengan jarak yang sama

Sebuah kotak berberat 40 N kekal pegun di atas lantai. Nyatakan magnitud dan arah daya normal ke atasnya.

Tunjuk jawapanSembunyi jawapan

40 N ke atas. Kotak pegun, maka daya tindak balas (daya normal) sama magnitud dengan daya tindakan (berat) tetapi bertentangan arah.

8.2Kesan daya

Apabila daya dikenakan pada suatu jasad, daya itu boleh mengubah bentuk, saiz dan gerakan jasad tersebut (Aktiviti 8.3).

Jadual kesan daya dengan bola pingpong dan bola sepak: menggerakkan, menghentikan, mengubah kelajuan, mengubah arah, mengubah bentuk dan saiz — Kesan daya pada bola pingpong dan bola sepak. (Rajah 8.11)

Kesan daya	Bagaimana daya bertindak
Menggerakkan objek yang pegun	Menolak atau menarik objek itu
Menghentikan objek yang bergerak	Daya pada arah bertentangan dengan gerakan
Memperlahankan objek	Daya dari arah bertentangan
Menambah kelajuan objek	Daya dari arah yang sama dengan gerakan
Mengubah arah gerakan objek	Daya dari tepi
Mengubah bentuk dan saiz objek	Menekan, meregang atau memampatkan (contohnya plastisin)

Daya apungan dan kesan ketumpatan

Suatu objek terapung jika daya apungan yang bertindak padanya cukup untuk menampung beratnya, iaitu daya apungan = berat. Objek akan tenggelam jika daya apungan kurang daripada berat.

Berat sebenar = berat objek di udara. Berat ketara = berat objek yang terendam di dalam cecair.
Daya apungan = berat sebenar − berat ketara

Bongkah digantung pada neraca spring: bacaan 10 N di udara dan 6 N di dalam air — Bacaan neraca spring turun daripada 10 N kepada 6 N di dalam air, maka daya apungan = 10 − 6 = 4 N.

Contoh bernombor: daya apungan

Seketul batu berberat 20 N di udara dan 15 N apabila direndam sepenuhnya di dalam air.
Daya apungan = 20 − 15 = 5 N. Daya apungan (5 N) kurang daripada berat batu (20 N), maka batu itu tenggelam.

Sama ada objek terapung atau tenggelam bergantung pada ketumpatan objek berbanding ketumpatan bendalir (Eksperimen 8.1: blok kuprum, aluminium, gabus dan kayu yang sama saiz diletakkan di dalam air).

Objek berbanding air (1.0 g cm⁻³)	Daya apungan F dan berat W	Hasilnya	Contoh (Jadual 8.1)
Kurang tumpat	F > W apabila ditekan, kemudian F = W pada permukaan	Terapung	Gabus (0.24 g cm⁻³)
Lebih tumpat	F < W	Tenggelam	Besi (7.9), plumbum (11.3), emas (19.3 g cm⁻³)

Ketumpatan = jisim ÷ isi padu. Contohnya, objek berjisim 60 g dan berisi padu 50 cm³ mempunyai ketumpatan 60 ÷ 50 = 1.2 g cm⁻³, lebih tumpat daripada air, maka tenggelam. Gliserin (1.26 g cm⁻³) dan merkuri (13.6 g cm⁻³) juga lebih tumpat daripada air.

Garisan Plimsoll. Kapal kargo ditandakan dengan garisan Plimsoll untuk keselamatan. Ketumpatan air laut berbeza di tempat yang berlainan akibat perbezaan suhu dan kepekatan garam. Garisan ini menunjukkan aras selamat kapal itu terapung: TF (air tawar tropika), F (air tawar), T (air laut tropika), S (lautan musim panas), W (lautan musim sejuk) dan WNA (musim sejuk Atlantik Utara).

Tuas

Tuas ialah sebuah palang yang berputar pada satu titik yang tetap. Tuas ada tiga bahagian: daya (tolakan atau tarikan pada palang), beban (objek yang hendak digerakkan) dan fulkrum (titik sokongan yang tetap).

Tuas ialah mesin ringkas. Tuas membolehkan kita melakukan kerja dengan mudah (contohnya membuka penutup tin dengan sudu, membuka botol dengan pembuka botol) dan menggunakan daya yang kecil (contohnya mengangkat batu besar, mencabut paku dengan tukul).

Kelas tuas	Kedudukan	Contoh
Kelas pertama	Fulkrum terletak di antara beban dengan daya	Gunting, playar, pembuka tin, jongkang-jongket
Kelas kedua	Beban terletak di antara fulkrum dengan daya	Kereta sorong, pemecah kekeras
Kelas ketiga	Daya terletak di antara fulkrum dengan beban	Joran, penyepit ais, forseps

Tuas kelas pertama, kedua dan ketiga dengan contoh alat: playar, pembuka tin, gunting, kereta sorong, pemecah kekeras, penyepit ais dan joran — Tuas kelas pertama, kedua dan ketiga. (Rajah 8.17 hingga 8.19)

Cari yang berada di tengah antara ketiga-tiga bahagian: fulkrum di tengah = kelas pertama, beban di tengah = kelas kedua, daya di tengah = kelas ketiga.

Momen daya

Daya yang dikenakan pada suatu objek boleh memutarkan objek itu pada satu titik tetap (pangsi atau fulkrum). Kesan putaran ini ialah momen daya.
Momen daya = daya (N) × jarak tegak dari pangsi ke daya (m)
Unit momen daya ialah newton meter (N m). Arah momen daya ialah ikut arah jam atau lawan arah jam.

Momen daya bertambah apabila magnitud daya bertambah atau jarak tegak dari pangsi ke daya bertambah. Sebab itu sepana yang panjang lebih mudah mengetatkan atau melonggarkan nat.

Dua sepana: 10 N pada jarak 0.2 m dan 10 N pada jarak 0.1 m daripada nat — Daya yang sama pada jarak berbeza (Rajah 8.27).

Contoh bernombor: momen daya

(a) 10 N pada 0.2 m: momen daya = 10 × 0.2 = 2 N m.
(b) 10 N pada 0.1 m: momen daya = 10 × 0.1 = 1 N m.
Jarak yang lebih jauh daripada pangsi menghasilkan momen daya yang lebih besar.
Contoh buku: 50 N pada 20 cm = 50 × 0.2 = 10 N m. Mengumpil penutup tin dengan sudu 15 cm dan daya 10 N: 10 × 0.15 = 1.5 N m.

Tukarkan jarak kepada meter sebelum mendarab. 25 cm = 0.25 m, maka 40 N pada 25 cm memberi 40 × 0.25 = 10 N m, bukan 1 000 N m.

Prinsip momen

Tuas atau papan seimbang apabila momen ikut arah jam sama dengan momen lawan arah jam, iaitu hasil darab daya dengan jarak daya dari fulkrum sama dengan hasil darab beban dengan jarak beban dari fulkrum.

Beban (N) × jarak beban dari fulkrum (m) = daya (N) × jarak daya dari fulkrum (m)

Jongkang-jongket: beban 200 N pada jarak d di kiri dan 300 N pada jarak 2 m di kanan fulkrum — Jongkang-jongket yang seimbang (Contoh 1, Rajah 8.29).

Contoh bernombor: jongkang-jongket (buku)

Jia Yin (200 N) dan Wei Hong (300 N) menyeimbangkan jongkang-jongket. Wei Hong duduk 2 m dari fulkrum. Berapakah jarak Jia Yin dari fulkrum?
200 N × d = 300 N × 2 m
d = 600 ÷ 200 = 3 m
Orang yang lebih berat duduk lebih dekat dengan fulkrum.

Contoh bernombor: batu besar (buku)

Seorang lelaki menggunakan batu kecil sebagai fulkrum untuk menggerakkan batu berjisim 100 kg. Jarak batu besar dari fulkrum 0.5 m dan jarak lelaki dari fulkrum 2 m. Beban = 100 × 10 = 1 000 N.
1 000 N × 0.5 m = daya × 2 m, maka daya = 250 N.

Beban 90 N berada 0.2 m dari fulkrum. Berapakah daya yang dikenakan 0.6 m dari fulkrum, di sebelah yang lain, untuk menyeimbangkannya?

Tunjuk jawapanSembunyi jawapan

90 × 0.2 = daya × 0.6, maka daya = 18 ÷ 0.6 = 30 N.

Tekanan

Kita boleh menekan sebatang paku tekan ke dalam papan tetapi tidak sekeping duit syiling, walaupun daya yang sama digunakan. Kesan daya pada permukaan bergantung pada keluasan permukaan yang dikenakan daya itu.

Tekanan ialah daya per unit luas permukaan.
Tekanan (Pa) = daya (N) ÷ luas permukaan (m²)
Unit S.I. tekanan ialah pascal (Pa); 1 Pa = 1 N m⁻².

Daya yang sama pada luas yang lebih kecil menghasilkan tekanan yang lebih besar (hujung paku, mata kapak nipis, paku pada kasut bola sepak, kepingan logam nipis pada kasut peluncur ais).
Daya yang sama pada luas yang lebih besar menghasilkan tekanan yang lebih kecil (tapak kaki gajah yang luas, tayar traktor yang besar dan lebar).

Eksperimen 8.2: dua blok logam berjisim sama digantung di atas plastisin. Blok dengan luas permukaan yang lebih kecil membuat lekuk yang lebih dalam. Maka apabila luas permukaan bertambah, tekanan berkurang.

Contoh bernombor: tekanan

Blok berberat 24 N mempunyai tapak 20 cm × 10 cm = 0.20 × 0.10 = 0.02 m².
Tekanan = 24 ÷ 0.02 = 1 200 Pa. Apabila blok itu didirikan pada permukaan 10 cm × 5 cm (0.005 m²), tekanan = 24 ÷ 0.005 = 4 800 Pa.

Tekanan bukan daya. Daya yang besar boleh memberi tekanan yang kecil jika luasnya besar. Tukarkan juga cm² kepada m² (1 m² = 10 000 cm²).

Tekanan gas

Teori kinetik gas: molekul-molekul udara sentiasa bergerak bebas dan berlanggar pada dinding bekasnya. Perlanggaran ini menghasilkan daya yang menolak dinding bekas. Daya ini dikenali sebagai tekanan udara.

Inilah sebab belon mengembang apabila ditiup dan menjadi kempis apabila udara dilepaskan. Dua faktor mempengaruhi tekanan gas (Aktiviti 8.9):

Faktor	Perubahan	Kesan pada tekanan dan sebabnya
Isi padu	Bekas dimampatkan, isi padu berkurang	Tekanan meningkat: zarah-zarah udara berlanggar lebih kerap dengan dinding bekas
Suhu	Suhu bertambah	Tekanan meningkat: zarah-zarah udara bergerak lebih cepat dan melanggar dinding dengan lebih kerap dan daya yang lebih kuat

Maka belon yang dibiarkan di tengah panas boleh pecah.

Tekanan atmosfera dan aplikasinya

Tekanan atmosfera ialah tekanan yang dikenakan oleh atmosfera ke atas permukaan Bumi dan semua jasad di Bumi.

Apabila air disedut keluar daripada kotak minuman, tekanan udara di dalam kotak berkurang. Tekanan udara yang lebih tinggi di luar (tekanan atmosfera) menekan kotak itu sehingga kemik. Banyak alat berfungsi apabila tekanan di dalam dijadikan rendah, lalu tekanan atmosfera yang lebih tinggi di luar menolak.

Pam sedut, hemisfera Magdeburg, penyedut minuman dan sifon dengan anak panah tekanan atmosfera — Aplikasi konsep tekanan udara: pam sedut, hemisfera Magdeburg, penyedut minuman dan sifon.

Alat	Bagaimana ia berfungsi
Penyedut minuman	Udara disedut, tekanan di dalam rendah; tekanan atmosfera menolak air masuk ke penyedut dan ke mulut
Picagari	Omboh ditarik, isi padu udara bertambah, tekanan rendah; tekanan atmosfera menolak cecair masuk
Pembersih vakum	Kipas menyedut udara keluar, tekanan di dalam rendah; tekanan atmosfera menolak udara dan habuk masuk
Pam sedut	Ditekan, udara dipaksa keluar; ditarik, tekanan di dalam rendah dan tekanan tinggi di dalam salur paip menolak kotoran yang tersumbat
Hemisfera Magdeburg	Udara dipam keluar, ruang menjadi vakum (tekanan sifar); tekanan atmosfera di luar menekan dengan daya besar, maka kedua-dua hemisfera sukar dipisahkan
Sifon	Tiub dipenuhi air, hujung B lebih rendah daripada hujung A; air mengalir keluar dan tekanan atmosfera menolak air masuk ke dalam tiub secara berterusan

Sains Duniaku: tin susu pekat dengan satu lubang menyebabkan susu sukar keluar kerana tekanan udara di luar tin tinggi. Dengan dua lubang, tekanan udara di dalam dan di luar tin sama, maka susu mudah mengalir keluar.

Gunakan istilah tekanan udara dan tekanan atmosfera dengan betul: tekanan udara datang daripada perlanggaran molekul udara pada dinding bekas, manakala tekanan atmosfera ialah tekanan yang dikenakan oleh lapisan atmosfera ke atas permukaan Bumi dan semua jasad.

Altitud dan tekanan atmosfera

Tekanan atmosfera menurun apabila altitud meningkat. Molekul udara yang dekat dengan permukaan Bumi ditarik bersama oleh tarikan graviti, maka tekanan tinggi. Pada altitud yang tinggi, molekul udara kurang dipengaruhi oleh tarikan graviti, maka udara kurang berat dan mudah mengembang, jadi lebih sedikit molekul memberi tekanan ke atas pendaki.

Dua orang di puncak dan di kaki gunung dengan lajur menunjukkan lebih banyak molekul udara di bawah — Tekanan atmosfera pada altitud yang berlainan. (Rajah 8.46)

Puncak Gunung Everest ialah kawasan dengan tekanan atmosfera yang sangat rendah (Malaysiaku, m.s. 196).

Kesan kedalaman terhadap tekanan cecair

Berat cecair di atas menyebabkan tekanan cecair. Tekanan cecair bertambah apabila kedalaman bertambah. Dalam Aktiviti 8.11, saiz gelembung udara semakin bertambah apabila gelembung naik ke permukaan kerana tekanan cecair semakin berkurang apabila kedalaman berkurang.

Keratan rentas empangan: dinding nipis di atas, dinding tebal di dasar, tekanan rendah di atas dan tekanan tinggi di dasar — Dinding empangan lebih tebal di dasar. (Gambar foto 8.17)

Dinding empangan air direka lebih lebar pada bahagian dasar untuk mengatasi tekanan air yang tinggi di dasar.
Penyelam laut memakai peralatan khas pada pakaian untuk menahan tekanan air yang tinggi.
Badan kapal selam diperbuat daripada bahan yang kuat supaya tidak kemik akibat tekanan air yang tinggi.
Air dipancut lebih jauh dari lubang bawah botol berbanding lubang atas.

Mengapakah dinding empangan lebih tebal di dasar?

Tunjuk jawapanSembunyi jawapan

Tekanan air bertambah dengan kedalaman, jadi tekanan paling tinggi di dasar. Dinding yang lebih tebal dapat menahan tekanan air yang tinggi itu.

Rumusan

Ingat	Fakta penting
Daya	Tarikan atau tolakan; magnitud, arah, titik aplikasi; N; neraca spring
Jenis daya	Daya graviti, berat, daya normal, daya geseran, daya elastik, daya apungan
Tindakan dan tindak balas	Sama magnitud, arah bertentangan
Daya apungan	Berat sebenar − berat ketara; kurang tumpat daripada cecair terapung, lebih tumpat tenggelam
Tuas	Kelas 1: fulkrum di tengah; kelas 2: beban di tengah; kelas 3: daya di tengah
Momen daya	Daya × jarak tegak (N m); seimbang: beban × jarak = daya × jarak
Tekanan	Daya ÷ luas (Pa); luas kecil memberi tekanan tinggi
Tekanan gas	Meningkat apabila isi padu berkurang atau suhu bertambah (teori kinetik gas)
Tekanan atmosfera	Menurun dengan altitud; asas penyedut minuman, picagari, pembersih vakum, pam sedut, sifon
Tekanan cecair	Meningkat dengan kedalaman