IPA SMP · Gerak Melingkar · Ibadah Haji dan Umrah

Tawaf dan Gerak Melingkar

Tujuh putaran mengelilingi Kakbah adalah contoh gerak melingkar yang bisa diukur: periode, kecepatan sudut, kecepatan linear, dan gaya ke arah pusat.

  • Menghitung periode, kecepatan sudut, dan kecepatan linear jamaah
  • Membandingkan jalur dekat Kakbah dan jalur luar
  • Menjelaskan gaya sentripetal dan mengapa tubuh condong ke dalam
  • Membedakan gerak melingkar (tawaf) dan gerak bolak-balik (sai)

Tekan tombol Lanjut, tombol panah, atau geser layar.

Tawaf dilihat dari atas

Tujuh putaran, berlawanan arah jarum jam, dengan Kakbah di sisi kiri jamaah.

  • Dari atas, jamaah bergerak melingkar dengan Kakbah di sebelah kirinya. Itu berarti geraknya berlawanan arah jarum jam.
  • Satu putaran = 360° = 2π radian, dimulai dan diakhiri di garis sejajar Hajar Aswad.
  • Periode T = 2πr / v, kecepatan sudut ω = 2π / T = v / r, sehingga v = ω r.
  • Lajunya tetap, tetapi arah geraknya terus berubah. Karena itu kecepatan (vektor) berubah dan ada percepatan (slide 4).
Coba ini

Perbesar r tanpa mengubah v. Apa yang terjadi pada T dan ω? Lalu perbesar v saja.

Model: jalur lingkaran berpusat di Kakbah. Ukuran Kakbah ±12 × 11 m dan denah Hijr Ismail digambar skematis (perkiraan). Jalur sebenarnya mengitari Hijr Ismail dan tidak bulat sempurna.

Putaran-
Waktu berjalan-
Periode T-
Kecepatan sudut ω-
Jarak 7 putaran-

Jari-jari berbeda, jarak berbeda

Jalur luar lebih panjang. Tujuh putaran bisa selisih ribuan langkah dan puluhan menit.

  • Keliling lingkaran 2πr, jadi jarak 7 putaran 14πr.
  • Dengan nilai awal (perkiraan): jalur dekat Kakbah r = 20 m menempuh ±880 m, jalur lantai luar r = 55 m menempuh ±2.419 m.
  • Pada kecepatan jalan 1 m/s: ±14,7 menit di jalur dekat, ±40,3 menit di jalur luar.
  • Jika rombongan ingin tetap rapat (periode sama), yang di luar harus lebih cepat karena v = ω r.
Coba ini

Pilih mode "Periode sama". Berapa kecepatan jamaah di jalur luar? Apakah masih wajar untuk berjalan?

r = 20 m dan 55 m adalah perkiraan untuk membandingkan, bukan ukuran resmi. Sesuaikan geser dengan lantai yang dibahas.

JalurrvωT7 putaranWaktu
Dalam------
Luar------

Mengapa tubuh condong ke dalam

Berbelok butuh gaya ke arah pusat. Pada kecepatan tawaf, gayanya kecil sekali.

  • Arah kecepatan terus berubah, jadi ada percepatan menuju pusat: a = v² / r.
  • Gayanya F = m v² / r. Pada jamaah, gaya ini berasal dari gesekan sandal atau kaki dengan lantai.
  • Agar tidak terguling, resultan gaya lantai (normal N dan gesekan f) harus lewat pusat massa. Maka tubuh condong ke dalam dengan tan θ = v² / (r g).
  • Jalan 1 m/s di r = 20 m, massa 60 kg: a = 0,05 m/s², F = 3 N (±0,5% berat), θ = 0,3°. Condongnya baru tampak jelas bila berlari.
Coba ini

Tekan "Lari 6 m/s". Lalu perkecil r tanpa mengubah v. Mana yang membuat tubuh lebih condong: r kecil atau r besar?

Model: benda tegar yang condong, gesekan cukup, g = 9,81 m/s². Panah pada gambar atas tidak berskala.

Percepatan a-
Gaya sentripetal F-
F dibanding berat-
Sudut condong θ-
Periode T-

Model agen sederhana

Makin padat, makin pelan, dan arus orang justru turun bila terlalu penuh.

  • Tiap titik adalah satu jamaah. Ia ingin berjalan ±1,3 m/s berlawanan arah jarum jam, melambat bila ada orang di depannya, dan boleh bergeser ke jalur samping yang lebih lega.
  • Kecepatan rata-rata yang tampak adalah hasil aturan itu, bukan angka yang dimasukkan.
  • Arus (orang per menit yang melewati garis Hajar Aswad) naik dulu, lalu turun saat terlalu padat.
  • Nyalakan "Semua ingin dekat Kakbah": jalur dalam macet, jalur luar masih lancar.
Catatan model

Ini model sederhana, bukan data lapangan. Cincin tawaf 20 sampai 40 m dan kecepatan keinginan 1,3 m/s adalah perkiraan. Tidak ada keluarga, lansia, kursi roda, lantai bertingkat, atau jeda. Angka kepadatan nyata di Masjidilharam harus dilihat dari sumber resmi.

Jumlah titik-
Kecepatan rata-rata-
7 putaran kira-kira-
Arus lewat garis emas-
v sepertiga dalam-
v sepertiga luar-

Gerak lurus bolak-balik

Sai berbeda dari tawaf: bolak-balik pada garis lurus, tujuh lintasan, berakhir di Marwa.

إِنَّ ٱلصَّفَا وَٱلْمَرْوَةَ مِن شَعَآئِرِ ٱللَّهِ

QS. Al-Baqarah: 158 (potongan awal). Sesungguhnya Safa dan Marwah adalah sebagian dari syiar Allah.

  • Safa → Marwa = lintasan 1, Marwa → Safa = lintasan 2, dan seterusnya. Lintasan ke-7 berakhir di Marwa.
  • Jarak antar bukit ±450 m (perkiraan), sehingga jarak tempuh 7 × 450 = 3.150 m ≈ 3,15 km.
  • Jarak tempuh berbeda dari perpindahan. Setelah 7 lintasan jamaah menempuh 3.150 m, tetapi perpindahannya hanya 450 m (Safa ke Marwa).
  • Pada grafik posisi-waktu, geraknya berbentuk gelombang segitiga. Laju rata-rata 1 m/s, kecepatan rata-rata (vektor) hanya 0,14 m/s.

Angka ±450 m perkiraan. Sumber berbeda menyebut angka yang tidak persis sama, cek sumber resmi. Teks ayat ditulis dari ingatan, verifikasi dengan mushaf.

Lintasan-
Posisi dari Safa-
Jarak tempuh-
Perpindahan-
Laju rata-rata-
Kecepatan rata-rata-

Satu rumus, banyak besaran

Radian, panjang busur, dan v = ω r menghubungkan sudut, jarak, dan waktu.

  • Satu radian adalah sudut yang busurnya sepanjang jari-jari. Panjang busur s = θ r.
  • Tujuh putaran: θ = 7 × 2π = 14π ≈ 43,98 rad.
  • Frekuensi f = 1/T, kecepatan sudut ω = 2πf, kecepatan linear v = ω r.
  • Pada ω tetap, v bertambah lurus terhadap r. Pada v tetap, percepatan sentripetal a = v²/r menurun bila r membesar.
Coba ini

Tarik jumlah putaran ke 7 dan baca s. Lalu ganti r menjadi dua kali lipat. Besaran mana yang ikut dua kali lipat, mana yang tidak?

Sudut θ-
Busur s = θ r-
Frekuensi f-
ω = 2π/T-
v = ω r-
a = ω² r-

Tawaf ditambah sai

Tawaf 7 putaran lalu sai 7 lintasan: berapa jauh dan berapa lama seluruhnya?

وَلْيَطَّوَّفُوا۟ بِٱلْبَيْتِ ٱلْعَتِيقِ

QS. Al-Hajj: 29 (potongan akhir). Dan hendaklah mereka melakukan tawaf di sekeliling Rumah yang tua (Baitullah).

  • Dalam umrah, urutannya tawaf 7 putaran, salat sunah dua rakaat, lalu sai 7 lintasan. Jeda dan salat tidak dihitung di sini.
  • Tawaf bergerak melingkar (jarak = 14πr). Sai bergerak lurus bolak-balik (jarak = 7 × 450 m).
  • Langkah dihitung dari panjang langkah rata-rata ±0,7 m (perkiraan).
Coba ini

Geser r dari 20 m ke 55 m. Mana yang lebih jauh: tawaf di lantai luar atau sai? Pada r berapa keduanya sama?

Ayat ditulis dari ingatan. Verifikasi teks Arab dan terjemahnya dengan mushaf sebelum dibagikan.

Jarak tawaf-
Jarak sai-
Total jarak-
Waktu tawaf-
Waktu sai-
Total waktu-
Langkah kira-kira-

Uji pemahaman

Setiap jawaban benar menyelesaikan satu putaran tawaf. Tujuh benar, tawaf selesai.

Putaran 0 dari 7. Jawab dengan benar untuk memulai tawaf.

Rangkuman

Tawaf adalah gerak melingkar yang bisa dihitung, sai adalah gerak bolak-balik.

  • Tawaf: periode T = 2πr/v, kecepatan sudut ω = v/r, kecepatan linear v = ω r.
  • Jalur lebih luar berarti jarak dan waktu 7 putaran lebih besar.
  • Gaya sentripetal F = m v²/r berasal dari gesekan lantai, kecil pada kecepatan jalan.
  • Kerumunan lebih padat berarti kecepatan rata-rata turun (pada model sederhana).
  • Sai: ±450 m × 7 ≈ 3,15 km jarak tempuh, tetapi perpindahannya 450 m.

Tugas: ukur keliling lapangan sekolah, catat waktu satu putaran berjalan, lalu hitung T, ω, dan v. Ayat dan angka perkiraan di deck ini perlu dicek guru.