Gerak arah Vertikal

Contoh yang paling kita kenal untuk gerak dengan percepatan mendekati konstan adalah benda yang jatuh akibat gaya gravitasi Bumi. Gerak ini telah menarik perhatian para filsuf dan ilmuwan sejak dahulu. Pada abad ke-4 sebelum masehi Aristoteles mengemukan (ternyata salah) bahwa objek yang berat akan jatuh lebih cepat daripada objek yang ringan, yang sebanding dengan beratnya. Sekitar 19 abad kemudian, Galileo beragumentasi bahwa benda seharusnya jatuh dengan percepatan ke bawah yang konstan yang tidak bergantung pada beratnya (menurut legenda Galileo menjatuhkan peluru dan bola meriam dari puncak menara Pisa).

Gambar 1: Gerakan bola basket jatuh bebas

Gerak benda-benda jatuh sejak saat itu sudah dipelajari dengan tingkat presisi yang tinggi. Jika efek dari udara dapat diabaikan, Galileo Benar; semua benda yang jatuh dari tempat tertentu akan mempunyai percepatan ke bawah yang sama, tidak bergantung pada ukuran dan beratnya. Jika jarak jatuhnya lebih pendek dibandingkan jari-jari Bumi, percepatannya konstan.

Pada diskusi selanjutnya kita menggunakan model ideal, di mana efek dari hambatan udara, rotasi Bumi dan berkurannya percepatan dengan bertambahnya ketinggian kita abaikan. Kita katakan gerak ideal ini sebagai gerak jatuh bebas (free fall), meskipun gerak ini mencakup gerak naik sekaligus gerak jatuh.

Gambar (1) menunjukkan foto bola basket jatuh yang diambil dengan sumber cahaya troboskopis yang menghasilkan sederetan kilatan inten pada selang-selang waktu yang sama. Setiap kilatan cahaya berlangsung dalam waktu yang begitu singkat (sepersekian juta detik) sehingga ada sedikit bagian yang kabur di dalam citra bahkan dari benda yang bergerak secara cepat. Di saat setiap kilatan muncul, posisi dari bola pada saat itu juga direkam pada film. Karena selang waktu antar kilatan yang sama, kecepatan rata-rata bola antara setiap dua kilatan sebanding dengan jarak antara citra-citra yang dihasilkan pada foto. Pertambahan jarak pada cinta memperlihatkan bahwa kecepatannya secara kontinu berubah, bola dipercepat selama bergerak turun. Pengukuran yang teliti memperlihatkan bahwa perubahan kecepatannya selalu sama pada setiap selang waktu, jadi, percepatan benda yang jatuh bebas adalah konstan (tetap).

Percepatan konstan untuk benda jatuh bebas ini dinamakan percepatan akibat gravitasi (acceleration due to gravity), dan besarnya dilambangkan dengan huruf g. Di dekat atau tepat di permukaan Bumi nilai g mendekati 9,8 m/s² = 980 cm/s². Nilai yang tepat bervariasi tergantung lokasinya, jadi, kita akan sering membertikan nilai gravitasi di permukaan Bumi hanya sampai dua angka penting. Karena g merupakan besar dari suatu besaran vektor maka g selalu mempunyai nilai positif. Pada permukaan Bulan percepatan akibat gravitasi lebih disebabkan oleh gaya tarik dari bulan dibanding Bumi, g bulan = 1,6 m.s^-2 sedangkan g di dekat permukaan Matahari adalah 270 m/s².

Persamaan yang digunakan untuk gerak jatuh bebashampir sama dengan persamaan untuk mencari kecepatan dan posisi pada suatu saat untuk benda yang bergerak dengan percepatan konstan, hanya saja percepatannya diganti dengan – g dan x diganti dengan y (karena arah vertikal, sumbu-y). Tanda minus diberikan karena arah percepatan ini ke bawah.