Cara Menggunakan Fisika untuk Melarikan Diri dari Mangkuk Es

Saya tidak tahu yang menemukan tantangan gila ini, namun idenya adalah memasukkan seseorang ke dalam mangkuk es yang diukir dan melihat apakah mereka bisa keluar. Coba lihat! Mangkuknya berbentuk seperti bagian dalam bola, jadi semakin tinggi sisinya, semakin curam mangkuknya. Jika menurut Anda trotoar yang dingin itu licin, cobalah menanjak di trotoar yang dingin.

Apa yang Anda lakukan saat menghadapi masalah seperti ini? Anda tentu saja membuat model fisika. Kita akan mulai dengan memodelkan cara orang berjalan di tanah datar, lalu menerapkannya pada lereng yang licin. Sebenarnya ada tiga kemungkinan rencana pelarian, dan saya telah menggunakan model ini untuk menghasilkan animasi sehingga Anda dapat melihat cara kerjanya. Jadi, hal pertama yang pertama:

Bagaimana Cara Orang Berjalan?

Saat Anda berpindah dari pintu depan ke kotak surat, Anda mungkin tidak memikirkan mekanisme yang terlibat. Anda memecahkan masalah itu ketika Anda masih balita, bukan? Namun inilah yang dilakukan para ilmuwan: Kami mengajukan pertanyaan yang tidak pernah membuat siapa pun bertanya-tanya.

Ngomong-ngomong, pernahkah Anda bertanya-tanya mengapa es itu licin? Percaya atau tidak, kami tidak tahu. Alasan langsungnya adalah karena permukaannya memiliki lapisan tipis dan berair. Tetapi Mengapa? Film cair itu ada bahkan di bawah titik beku. Fisikawan dan kimiawan telah memperdebatkan hal ini selama berabad-abad.

Pokoknya, untuk mulai berjalan, perlu ada gaya yang searah dengan geraknya. Hal ini karena perubahan gerak merupakan salah satu jenis percepatan, dan hukum kedua Newton menyatakan gaya total pada suatu benda sama dengan hasil kali massa dan percepatannya (F = aktif). Jika ada percepatan, pasti ada gaya total.

Jadi kekuatan apa yang mendorong Anda maju? Nah, saat Anda melangkah dan mendorong dengan kaki belakang, otot Anda memberikan gaya mundur ke Bumi. Dan hukum ketiga Newton mengatakan setiap aksi mempunyai reaksi yang sama besar dan berlawanan arah. Itu berarti Bumi mengerahkan a maju-gaya yang mengarahkan kembali ke arah Anda, yang kita sebut gaya gesek.

Besarnya gaya gesekan ini bergantung pada dua hal: (1) Bahan spesifik yang bersentuhan, yang dinyatakan dalam koefisien (M)—angka yang biasanya antara 0 dan 1, dengan nilai yang lebih rendah berarti lebih licin, tidak terlalu lengket. Dan (2) seberapa keras permukaan-permukaan tersebut didorong bersama, yang kita sebut gaya normal (N).

Gaya normal adalah konsep yang aneh bagi pemula fisika, jadi izinkan saya menjelaskannya. Normal berarti tegak lurus terhadap permukaan kontak. Ini adalah gaya yang mendorong ke atas yang mencegah Anda jatuh ke lantai karena gaya gravitasi. Jika Anda berdiri di tanah datar, kedua gaya ini akan sama besar dan berlawanan arah, sehingga saling meniadakan, sehingga tidak ada percepatan vertikal.

Satu catatan terakhir: Ada dua jenis koefisien gesekan. Salah satunya adalah ketika Anda memiliki dua benda diam, seperti cangkir bir di atas bar, dan Anda ingin mengetahui seberapa keras Anda dapat mendorongnya sebelum Anda membuatnya bergerak. Batasan itu ditentukan oleh statis koefisien gesekan (M_S).

Kemudian, saat bartender menggeser mug Anda ke bawah bar, hambatan gesekan—yang menentukan seberapa jauh mug bergerak—ditentukan oleh kinetis koefisien gesekan (M_k). Ini biasanya lebih rendah, karena lebih mudah untuk membuat sesuatu tetap bergerak daripada memulainya.

Jadi sekarang kita dapat mengukur nilai statis (F_fs) dan kinetik (F_fk) gaya gesekan:

Sekarang, gesekan statis adalah hal yang penting untuk berjalan. Saat Anda mendorong tanah dengan kaki belakang, Anda memerlukan daya tarik yang kuat untuk mendorong tubuh Anda ke depan. Dan perhatikan bahwa hubungan untuk F_fs di atas adalah ketimpangan. Artinya, ada gaya maksimum yang dapat Anda terapkan sebelum Anda kehilangan traksi. Itu sebabnya di dalam mobil, jika Anda berakselerasi terlalu cepat dari keadaan berhenti, ban Anda akan berputar di tempatnya.

Kita bisa memasukkan angka pada saat ini. Ada tabel koefisien untuk semua jenis bahan. Untuk sol sepatu karet di aspal, M_S adalah 0,9. Dan di tanah datar, N sama dengan gaya gravitasi yang bekerja pada Anda—yaitu massa Anda (M) kali medan gravitasi bumi (G). mg adalah apa yang biasa Anda sebut sebagai “berat badan”, jadi mungkin saja N adalah 150 pon.

Jika digabungkan dengan persamaan kita sebelumnya, F = aktifAnda dapat melihat bahwa percepatan maju maksimum yang mungkin Anda lakukan akan semakin besar, semakin tinggi koefisien gesekan dan gaya normalnya:

Sekarang mari kita taruh di atas es! Alih-alih memiliki koefisien cengkeraman yang bagus sebesar 0,9, sol sepatu karet di atas es memiliki koefisien gesekan statis hanya 0,1—hampir nol. Itu sebabnya Anda harus berjalan sangat, sangat lambat di atas es. Cobalah untuk melompati genangan air dan Anda akan percaya diri untuk mendarat di dalam genangan air.

Berjalan di Lereng

Sekarang, bagaimana jika Anda ingin berjalan menanjak? Mari kita kembali ke aspal sejenak. Perubahan apa yang terjadi di sini? Nah, gaya normal masih mendorong ke arah tegak lurus permukaan kontak, namun tidak lagi tegak lurus gravitasi. Berikut diagram gaya untuk menunjukkan apa yang terjadi:

Faktanya, dengan permukaan miring, gaya normal (N) berkurang seiring dengan sudut kemiringan (Saya) meningkat. Itu sebabnya Anda tidak bisa menaiki dinding vertikal—kalau-kalau Anda bertanya-tanya—gaya normal turun menjadi nol, yang berarti Anda tidak memiliki gaya gesekan sama sekali.

Berjalan di Mangkuk Es

Jadi sekarang kita sampai pada inti permasalahannya: Bagaimana jika kemiringan ini adalah bagian dalam mangkuk es? Dari apa yang Anda ketahui sekarang, Anda dapat melihat ada dua masalah: Pertama, koefisien gesekannya sangat rendah. Dan kedua, karena mangkuknya berbentuk bola, semakin tinggi kemiringannya, semakin curam kemiringannya, sehingga gaya normalnya dengan cepat menyusut. Bahkan hanya dengan berdiri diam, sudut maksimum di mana Anda bisa tetap diam, tanpa meluncur ke bawah, adalah 5,7 derajat. Percayalah, itu tidak terlalu curam.

Jadi, Anda tidak bisa keluar dari mangkuk. Terlebih lagi Anda tidak dapat berlari ke atas tembok, karena hal itu akan segera membawa Anda melebihi gaya gesekan maksimum Anda. Jika mangkuknya kecil, bagaimana kalau melompat keluar? Nah, tahukah Anda apa yang Anda perlukan untuk melompat secara miring? Ya, gesekan.

Tapi itu bukannya tanpa harapan. Kita sebenarnya bisa menggunakan pengetahuan kita tentang gaya gesek untuk keuntungan kita. Sebenarnya, ada tiga trik yang bisa Anda gunakan untuk keluar dari acar ini.

Metode 1: Jangan Terjebak

Saat memulai tantangan es ini, kebanyakan orang hanya menginjak sisi mangkuk dan meluncur ke bawah. Maka Anda terjebak. Ya, Anda memperoleh energi kinetik saat Anda meluncur ke bawah—tetapi ada juga gesekan kinetik (bahkan sedikit) yang secara bertahap mengurangi energi Anda. Berikut tampilannya:

Namun jangan menjadi bodoh dan terjebak; lakukan ini sebagai gantinya: Saat Anda mendekati mangkuk es, jangan memperlambat—percepat! Anda akan kembali meluncur ke bawah menuju tengah, namun karena Anda memulai dengan kecepatan tertentu, Anda masih akan bergerak di bagian bawah. Ini berarti Anda (mudah-mudahan) dapat meluncur ke atas sisi lain mangkuk dan mencapai tepinya sebelum Anda berhenti dan meluncur kembali ke bawah. Lihat ini:

Anda bebas karena Anda tidak pernah terjebak.

Metode 2: Bolak-balik

Anda Bisa berjalan di atas es—Anda hanya perlu memiliki akselerasi yang sangat kecil. Di dasar mangkuk, esnya rata, jadi Anda bisa mengambil beberapa langkah kecil. Anda akan segera mulai tergelincir kembali, namun alih-alih menyerah pada saat itu, berbaliklah dan berjalan kembali ke tengah. Dengan sedikit gesekan Anda dapat mencapai dasar dengan kecepatan tertentu. Terus naik ke sisi yang berlawanan dan berjalanlah sampai Anda kehilangan pegangan. Karena Anda memulai dengan kecepatan bukan nol, kali ini Anda seharusnya bisa sedikit lebih tinggi. Ulangi proses ini, bolak-balik, hingga Anda keluar:

Metode 3: Berjalan dalam Lingkaran

Saat Anda berkendara di jalan raya dan melewati tikungan besar, traksi Anda terasa lebih aman jika jalanan membelok, bukan? Mengapa demikian? Ingat, hukum kedua Newton mengatakan gaya total adalah hasil kali massa dan percepatan. Namun akselerasi tidak hanya berarti mempercepat; perubahan arah juga merupakan percepatan yang mengarah ke pusat gerak melingkar.

Dan seperti yang kami katakan, gaya normal selalu tegak lurus dengan permukaan, sehingga pada tikungan yang membelok, jalan benar-benar mendorong ban Anda. Semakin cepat Anda berputar, semakin besar percepatannya dan semakin besar pula gaya normalnya. Dan seperti yang kita lihat di atas, gaya gesekan sebanding dengan gaya normal ini. Jadi dengan melakukan akselerasi di tikungan membelok, Anda sebenarnya meningkatkan gaya gesek.

Inilah cara Anda dapat menggunakan pengetahuan ini: Mulailah dari tengah dan bergerak dalam lingkaran kecil. Itu harus kecil karena esnya datar. Namun sekarang Anda dapat berpindah ke lingkaran dengan radius lebih besar dengan sudut tepian yang lebih curam. Ini berarti Anda mendapatkan gaya normal yang lebih besar dan gaya gesek yang lebih besar. Pada dasarnya Anda akan berlari dalam spiral yang melebar hingga Anda mencapai tepinya.

Oh, tahukah Anda, saya juga membuat animasi untuk ini. Ini dia:

Anda telah melarikan diri lagi. Fisika untuk menang!