Rasa semula jadi untuk berfikir batu berat jatuh lebih laju daripada batu ringan, tetapi dalam jatuh bebas kedua-duanya menambah laju pada kadar yang sama. Objek lebih berat ditarik ke bawah dengan daya graviti lebih besar, namun ia juga mempunyai jisim lebih besar dan justeru inersia lebih besar, jadi kedua-dua kesan saling membatal dan pecutan adalah sama bagi semua objek, kira-kira 9.81 m/s kuasa dua berhampiran Bumi.
Apa yang sebenarnya kita lihat selalunya ialah kesan rintangan udara. Bulu melayang turun perlahan kerana udara menolaknya dengan kuat berbanding beratnya yang amat kecil, sementara syiling jatuh laju. Buang udara, seperti dalam tiub vakum, dan bulu serta syiling mendarat serentak.
Menjatuhkan dua batu berlainan secara bersebelahan ialah tunjuk cara mudah: kedua-duanya mencecah tanah pada masa yang sama.
Dalam SPM, anda patut menerangkan jatuh bebas sebagai gerakan di bawah graviti sahaja, dan menganggap rintangan udara sebagai kesan berasingan.
Salah faham biasa
- Objek berat sentiasa jatuh lebih laju daripada objek ringan -> Hanya apabila rintangan udara berbeza; dalam jatuh bebas semua objek memecut sama rata.
- Graviti menarik objek berat dengan daya yang sama seperti objek ringan -> Berat lebih besar bagi objek berat, tetapi inersianya juga lebih besar, jadi pecutan kekal sama.
- Dalam vakum, tukul masih jatuh mendahului bulu -> Tanpa rintangan udara, kedua-duanya jatuh bersama dan mendarat serentak.
Fizik di sebaliknya
Dalam jatuh bebas, satu-satunya daya yang bertindak ke atas objek ialah beratnya, W = mg, dengan m ialah jisim dalam kilogram dan g ialah kekuatan medan graviti, kira-kira 9.81 N kg⁻¹ berhampiran Bumi. Hukum Newton kedua menyatakan pecutan a = F/m.
Memasukkan berat sebagai daya memberi a = mg/m = g, jadi jisim terbatal sepenuhnya.
Ambil objek 2 kg: beratnya ialah W = mg = 2 kg × 9.81 m s⁻² = 19.62 N, dan pecutannya ialah a = W/m = 19.62 N ÷ 2 kg = 9.81 m s⁻². Kini ambil objek 10 kg: beratnya sepuluh kali lebih besar, tetapi jisimnya juga sepuluh kali, jadi a = 98.1 N ÷ 10 kg = 9.81 m s⁻² sekali lagi.
Tarikan graviti yang lebih besar pada objek lebih berat diimbangi tepat oleh inersianya yang lebih besar. Itulah sebabnya, setelah rintangan udara dibuang, setiap objek menambah laju pada kadar yang sama, dan pecutan jatuh bebas adalah sama bagi semua jisim.
Lihat dalam kehidupan harian
Jatuhkan batu kecil dan batu besar dari ketinggian yang sama pada masa yang sama dan dengarlah: kedua-duanya mencecah tanah serentak. Jisimnya berbeza, namun ia mendarat pada masa yang sama kerana kedua-duanya memecut pada g.
Yang mengelirukan orang ialah rintangan udara. Sekeping kertas rata melayang turun perlahan, tetapi ramas kertas yang sama menjadi bebola padat dan ia jatuh jauh lebih cepat, walaupun jisimnya tidak berubah.
Hanya rintangan udaranya yang berubah. Bulu dan syiling yang dijatuhkan dalam udara biasa terpisah jauh, namun di dalam tiub tertutup yang udaranya dipam keluar, kedua-duanya jatuh bersebelahan, satu tunjuk cara yang terkenal diulang di Bulan dengan tukul dan bulu.
Seorang penerjun udara memecut di bawah graviti sehingga rintangan udara menyamai berat; ketika itu pecutan menjadi sifar dan penerjun jatuh pada halaju terminal yang malar. Berat menetapkan laju akhir itu, tetapi pada peringkat awal jatuh bebas setiap penerjun, berat atau ringan, memecut pada 9.81 m s⁻² yang sama.
Bagaimana ia muncul dalam SPM
Dalam Kertas 2, idea ini diperiksa menggunakan kata perintah seperti Terangkan, Nyatakan dan Bandingkan. Anda mungkin ditunjukkan dua objek berlainan jisim yang dilepaskan bersama dan diminta menerangkan mengapa kedua-duanya sampai ke tanah pada masa yang sama; jawapan yang diharapkan mengaitkan berat lebih besar objek berat dengan inersianya yang lebih besar, jadi pecutan kekal sama dengan g.
Soalan sering menggandingkan ini dengan pengiraan jatuh bebas menggunakan v = u + at dan h = ut + ½at², dengan mengambil a = g. Eksperimen pita detik atau get cahaya untuk menentukan g ialah amali yang lazim, dengan anda memplot halaju melawan masa dan membaca kecerunan.
Topik ini terletak di sebelah hukum gerakan Newton, berat dan jisim, serta kekuatan medan graviti, jadi bersedialah untuk mentakrifkan jatuh bebas sebagai gerakan di bawah graviti sahaja dan menganggap rintangan udara sebagai daya berasingan. Berhati-hati menulis g berserta unit, sama ada 9.81 m s⁻² sebagai pecutan atau 9.81 N kg⁻¹ sebagai kekuatan medan.
Sumber: DSKP KSSM Physics Form 4 and 5 (Versi English) (Bahagian Pembangunan Kurikulum (BPK), KPM)