Ringkasan Materi Fisika Dasar ---- alifis@corner alifis.wordpress.com 14 BAB II
MEKANIKA & ENERGI GERAK
alifis@corner --- alifis.wordpress.com
2.1 PENGANTAR
Pada bab ini disajikan materi tentang ilmu yang mengupas tentang kinematika, dinamika dan statika; konsep usaha dan energi, serta momentum dan impuls.
Kinematika adalah mempelajari mengenai gerak benda tanpa memperhitungkan penyebab terjadi gerakan itu. Benda diasumsikan sebagai benda titik yaitu ukuran, bentuk, rotasi dan getarannya diabaikan tetapi massanya tidak.
Cabang dari ilmu mekanika yang mempelajari gerak partikel dengan meninjau penyebab geraknya dikenal sebagai dinamika. Dalam bab ini kita akan membahas konsep-konsep yang menghubungkan kondisi gerak benda dengan keadaan-keadaan luar yang menyebabkan perubahan keadaan gerak benda.
Konsep fisika dalam dinamika selain Hukum Newton yang juga dapat digunakan untuk mengetahui keadaan gerak suatu benda yang menghubungkan pengaruh luar (gaya) dengan keadaan gerak benda, adalah konsep usaha (kerja) dan energi (tenaga). Bedanya dengan konsep hukum newton, usaha dan energi adalah besaran skalar.
Kompetensi yang diharapkan adalah mahasiswa mampu menerapkan konsep-konsep dan formulasi dalam mekanika, dan energi gerak serta mampu menganalisa dan memecahkan persoalan fisika terkait dengan materi di bab ini.
2.2 URAIAN MATERI A. KINEMATIKA
Kinematika adalah mempelajari mengenai gerak benda tanpa memperhitungkan penyebab terjadi gerakan itu. Benda diasumsikan sebagai benda titik yaitu ukuran, bentuk, rotasi dan getarannya diabaikan tetapi massanya tidak. Dalam kinematika meliputi gerak : • Gerak satu dimensi: gerak lurus beraturan(glb), gerak lurus berubah beraturan(glbb), dan gerak lurus berubah tidak beraturan
• Gerak dua dimensi: gerak melingkar dan gerak peluru
• Gerak tiga dimensi: gerak benda yang mempunyai tiga komponen(x,y,z) misal gerak muatan dalam medan magnet dan medan listrik
Ringkasan Materi Fisika Dasar ---- alifis@corner alifis.wordpress.com 15 Dalam kinematika besaran-besaran yang mempengaruhi gerak benda adalah: Perpindahan(displacement), Kecepatan(velocity) dan Percepatan(accelaration)
A.1 GERAK BENDA TITIK A.1.1 Perpindahan
Letak sebuah partikel dalam ruang dinyatakan oleh vektor posisi r. Vektor posisi ini dapat dituliskan dalam komponen-komponennnya,
………(2-1)
Bila partikel bergerak, posisinya berubah terus terhadap waktu. Jadi partikel yang bergerak memiliki vektor posisi yang merupakan fungsi waktu, demikian juga komponen-komponennya:
………(2-2) Contoh : r = 4 i + 3 j + 2 k
Gambar 2.1 vektor posisi r = 4 i + 3 j + 2 k
Panjang vektor r ditulis / r / / r / =
4 3 2
2 2 2= 16 9 4 = 29 satuan
Misalkan pada saat t1 partikel berada di titik 1 dengan vektor posisi r1 = r(t1), dan pada saat t1 benda di titik 2 dengan vektor posisi r2 = r(t2). Perpindahan partikel dalam selang waktu ini dinyatakan dengan vektor r dari titik 1 ke titik 2. Vektor r ini disebut vektor perpindahan:
k
z
j
y
i
x
k
r
j
r
i
r
r
x
y
z
k
t
z
j
t
y
i
t
x
t
r
(
)
(
)
(
)
(
)
Ringkasan Materi Fisika Dasar ---- alifis@corner alifis.wordpress.com 16
r = rf – ri PERHATIKAN.
Titik materi yang bergerak dari A yang posisinya r1 pada saat t1, ke titik B yang posisinya r2 pada saat t2.
Gambar 2.2 vektor perpindahan r Vektor perpindahannya
r
r r
2 1dan selang waktu yang dipergunakan titik materi untuk bergerak dari A ke B adalah
t
t t
2 1 A.1.2 Kecepatan
Kecepatan rata-rata adalah rasio vektor perpindahan
r
terhadap selang waktu Δt :v r t
r r
t
t
2 1 2 1 ………(2-3) Pada persamaan di atas tampak bahwa kecepatan rata-rata tidak tergantung pada lintasan titik materi, tetapi tergantung dari posisi awal (r
1 ) dan posisi akhir (r
2). Disebut kecepatan rata-rata karena tidak menggambarkan kecepatan benda yang sesungguhnya, melainkan hanya kecepatan rata-rata selama selang waktu tersebut.Jika ingin diketahui kecepatan titik materi pada suatu saat misal saat titik materi berada di antara A dan B, digunakan kecepatan sesaat. Kecepatan sesaat didefinisikan :
Secara matematis ditulis sebagai :
v d r
dt
………(2-4)
Laju
Besarnya kecepatan disebut dengan laju. Laju didefinisikan sebagai : / /v /d r /
dt
Ringkasan Materi Fisika Dasar ---- alifis@corner alifis.wordpress.com 17 Nilai dari komponen kecepatan sesaat dari suatu titik materi dapat dilihat dari kemiringan
grafik yang dibentuk oleh komponen posisi ( r ) terhadap waktu ( t ).
Gambar 2.3 Kemiringan grafik kecepatan sesaat Persamaan kecepatan sesaat dari grafik di samping di dapat :
v1 = tg 1 v2 = tg 2
Makin besar derajat kemiringannya makin besar pula harga kecepatannya.
Posisi dari suatu titik materi yang bergerak merupakan fungsi waktu, oleh karena itu, vektor posisi r dapat ditulis sebagai r = r ( t ) artinya r merupakan fungsi waktu ( t ). Kecepatan titik materi pada sebuah bidang datar/ruang dapat ditulis :
X
v
dXdtv
Y dY dt v
Z dZ dt ………(2-5)X, Y, Z merupakan fungsi dari waktu.
Sebaliknya untuk menentukan posisi titik materi jika diketahui fungsi kecepatannya maka dapat diselesaikan dengan INTEGRAL ( kebalikan dari deferensial ).
v t dX t dt
dX t v t dt.
dX t v t dt
.
X t
v t dt. Contoh : v(t) = 2 t + 5 m/detmaka persamaan posisi titik materi tersebut adalah ... r =
v dt
2t5 dtr = t 2 + 5 t + C meter Dengan C adalah suatu konstanta.
Harga C dicari dengan suatu syarat batas tertentu, misalnya : t = 0 r(t) = 0 maka harga C dapat dihitung C = 0
Ringkasan Materi Fisika Dasar ---- alifis@corner alifis.wordpress.com 18 A.1.3 Percepatan
Kecepatan titik materi dapat berubah-ubah setiap saat baik besar, atau arah, ataupun kedua-duanya yang disebabkan oleh karena adanya percepatan yang dialami oleh titik materi tersebut. Jika pada saat t1 kecepatan v1 dan pada saat t2 kecepatannya v2, percepatan rata-ratanya dalam selang waktu t = t 2 -t 1 didefinisikan sebagai :
a v t
v v
t t
2 1 2 1 ………(2-6) Percepatan sesaatnya : dt v d t v t a 0 lim
a dv dt d dr dt t d r dt 22 ………(2-7)Percepatan merupakan turunan pertama dari kecepatan terhadap waktu (t) atau turunan kedua dari posisi terhadap waktu (t). Percepatan dalam arah masing-masing sumbu dalam bidang/ruang dapat dituliskan sebagai :
a dv dt d x dt X X 22 a dv dt d y dt Y Y 22 a dv dt d z dt Z Z 22
Sebaliknya untuk menentukan kecepatan dari grafik fungsi percepatan terhadap waktu dengan cara mengintegralkan :
v
t
v
0
ta
tdt
0
Percepatan rata-rata adalah rasio perubahan kecepatan Δv terhadap selang waktu Δt :
………(2-8) Percepatan sesaat adalah limit rasio ini jika selang waktu mendekati nol. Percepatan sesaat adalah turunan v terhadap t, yang merupakan turunan kedua x terhadap t :
………(2-9)
Percepatan sesaat ditampilkan secara grafik sebagai kemiringan kurva v terhadap t.
t v arata rata 2 2 dt x d dt dv a
Ringkasan Materi Fisika Dasar ---- alifis@corner alifis.wordpress.com 19 Dalam kasus istimewa percepatan konstan, berlaku rumus sebagai berikut :
………(2-10) Perpindahan dapat ditampilkan secara grafik sebagai luas di bawah kurva v versus t. luas ini adalah integral v terhadap waktu dari saat awal t1 sampai saat akhir t2 dan ditulis
………(2-11) Dengan cara sama, perubahan kecepatan selama beberapa waktu ditampilkan secara grafik sebagai luas di bawah kurva a versus t.
Jadi, Posisi titik materi, kecepatan dan percepatan merupakan besaran vektor, sehingga dapat dinyatakan dengan VEKTOR SATUAN .
POSISI x i y j z k r KECEPATAN
v
i
v
j
v
k
v
X Y Z k dt dZ j dt dY i dt dX v PERCEPATAN
a
i
a
j
a
k
a
X Y Z k dt dv j dt dv i dt dv a X Y Z k dt Z d j dt Y d i dt X d a 2 2 2 2 2 2A.2 GERAK L URUS
Suatu benda melakukan gerak, bila benda tersebut kedudukannya (jaraknya) berubah setiap saat terhadap titik asalnya ( titik acuan ).
Sebuah benda dikatakan bergerak lurus, jika lintasannya berbentuk garis lurus. Contoh : - gerak jatuh bebas
- gerak mobil di jalan.
i t t i i x v t vdt x i 2 1 0 limRingkasan Materi Fisika Dasar ---- alifis@corner alifis.wordpress.com 20 Gerak lurus yang kita bahas ada dua macam yaitu :
1. Gerak lurus beraturan (disingkat GLB)
2. Gerak lurus berubah beraturan (disingkat GLBB)
A.2.1 Jarak dan Perpindahan pada Gerak Lurus
- JARAK merupakan panjang lintasan yang ditempuh oleh suatu materi (zat)
- PERPINDAHAN ialah perubahan posisi suatu benda yang dihitung dari posisi awal (acuan)benda tersebut dan tergantung pada arah geraknya.
a. Perpindahan POSITIF jika arah gerak ke KANAN b. Perpindahan NEGATIF jika arah gerak ke KIRI contoh:
* Perpindahan dari x1 ke x2 = x2 - x1 = 7 - 2 = 5 ( positif )
* Perpindahan dari x1 ke X3 = x3 - x1 = -2 - ( +2 ) = -4 ( negatif )
A.2.2 GERAK LURUS BERATURAN ( GLB )
Gerak lurus beraturan ialah gerak dengan lintasan serta kecepatannya selalu tetap. Pada Gerak Lurus Beraturan ( GLB ) berlaku rumus : x = v . t
dimana : x = jarak yang ditempuh ( perubahan lintasan ) v = kecepatan
t = waktu
Grafik Gerak Lurus Beraturan ( GLB ) a. Grafik v terhadap t
Kita lihat grafik di samping : dari rumus x = v . t, maka :
t = 1 det, x = 20 m t = 2 det, x = 40 m Gambar 2.5 Grafik v terhadap t t = 3 det, x = 60 m t = 4 det, x = 80 m
Kesimpulan : Pada grafik v terhadap t, maka besarnya perubahan lingkaran benda ( jarak ) merupakan luas bidang yang diarsir.
Ringkasan Materi Fisika Dasar ---- alifis@corner alifis.wordpress.com 21 b. Grafik x terhadap t.
Kelajuan rata-rata dirumuskan :
v x
t
Kesimpulan : Pada Gerak Lurus beraturan kelajuan rata-rata selalu tetap dalam
Gambar 2.6 grafik x terhadap t selang waktu sembarang.
A.2.3 GERAK LURUS BERUBAH BERATURAN ( GLBB ) Hal-hal yang perlu dipahami dalam GLBB :
1. Perubahan kecepatannya selalu tetap
2. Perubahan kecepatannya tiap satuan waktu disebut : PERCEPATAN. ( notasi = a ) 3. Ada dua macam perubahan kecepatan :
a. Percepatan : positif bila a > 0 b. Percepatan : negatif bila a < 0
4. Percepatan maupun perlambatan selalu tetap, a = t v
5. Bila kelajuan awal = vo dan kelajuan setelah selang waktu t = vt, maka : a = vt vo
t
; at = vt –vo, maka vt = vo + at
Oleh karena perubahan kecepatan ada 2 macam, maka GLBB juga dibedakan menjadi dua macam yaitu : GLBB dengan a > 0 dan GLBB < 0 , bila percepatan searah dengan kecepatan benda maka pada benda mengalami percepatan, jika percepatan berlawanan arah dengan kecepatan maka pada benda mengalami perlambatan.
[i] Grafik v terhadap t dalam GLBB.
a > 0 vo=0 vt = vo + at vt = at a > 0 vo0 vt = vo + at a < 0 vo0 vt = vo + at Gambar 2.7 Grafik garis lurus dari GLBB
Ringkasan Materi Fisika Dasar ---- alifis@corner alifis.wordpress.com 22 JARAK YANG DITEMPUH = LUAS GRAFIK V TERHADAP T.
x = Luas trapesium = ( vo + vt ) .1 2t = ( vo + vo + at ) .1 2 t = ( 2vo + at ) .1 2t x = vot + 1 2 at 2
Gambar 2.8 Jarak sebagai luas kurva [ii] Grafik x terhadap t dalam GLBB
a > 0; x = vot + 1 2 at
2 a < 0; x = vot + 1
2 at 2
Gambar 2.9 Grafik GLBB berupa parabola
A.2.4 GERAK VERTIKAL PENGARUH GRAVITASI BUMI. a. Gerak jatuh bebas.
Gerak jatuh bebas ini merupakan gerak lurus berubah beraturan tanpa kecepatan awal ( vo ), dimana percepatannya disebabkan karena gaya tarik bumi dan disebut percepatan gravitasi bumi ( g ).
Misal : Suatu benda dijatuhkan dari suatu ketinggian tertentu, maka :
Rumus GLBB : vt = g . t y = 1
2 g t 2
b. Gerak benda dilempar ke bawah.
Merupakan GLBB dipercepat dengan kecepatan awal vo.
Rumus GLBB : vt = vo + gt y = vot + 1
2gt 2
Ringkasan Materi Fisika Dasar ---- alifis@corner alifis.wordpress.com 23 c. Gerak benda dilempar ke atas.
Merupakan GLBB diperlambat dengan kecepatan awal vo.
Rumus GLBB : vt = vo - gt y = vot - 1
2gt 2
y = jarak yang ditempuh setelah t detik. Syarat - syarat gerak vertikal ke atas yaitu :
a. Benda mencapai ketinggian maksimum jika vt = 0 b. Benda sampai di tanah jika y = 0
LATIH AN S OAL
1. Terangkanlah arti grafik-grafik di bawah ini. dan tulis persamaan geraknya.
2. Dalam waktu 41
2 jam, sebuah kendaraan dapat menempuh jarak sejauh 270 km. a. Berapa kecepatan rata-rata kendaraan ?
b. Dengan kecepatan rata-rata tersebut, berapa jarak ditempuh selama 7 jam. c. Dengan kecepatan rata-rata tersebut, berapa waktu diperlukan untuk menempuh jarak sejauh 300 km.
3. Sebuah perahu berlayar dari A ke B dengan kecepatan 10 km/jam dan kembali dari B ke A dengan kecepatan 16 km/jam.
Hitung : a. Kecepatan rata-rata perahu b. Kecepatan arus sungai.
4. Posisi suatu partikel sebagai fungsi waktu ditabelkan di bawah ini.
t(det) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Ringkasan Materi Fisika Dasar ---- alifis@corner alifis.wordpress.com 24 Hitunglah :
a. Kecepatan rata-rata 5 detik pertama dan seluruh perjalanan. b. Kecepatan rata-rata pada interval t = 3 detik dan t = 7 detik. c. Kecepatan rata-rata pada interval t = 4 detik dan t = 6 detik. 5.
Sebuah mobil bergerak menurut grafik di samping ini.
a. Jelaskan arti grafik.
b. Hitunglah jarak yang ditempuh selama 30 detik dengan :
(1) rumus jarak (2) luas grafik.
A.2.5 M emadu GLB dengan GLBB
Gerak resultannya
v
R adalah sebuah gerak lurus beraturan juga. vR v1 v v v 2 2 2 1 2 2 cos v1 v vR 2 2 1sin sin sin ………(2-12)
Gambar 2.10 resultan gerak
Kalau arah resulatannya
v
1 danv
2 berimpit, maka gerak resultannya adalah tetap sebuah gerak lurus beraturan juga.A.2.5.1 Memadu Gerak GLB d engan G LBB, yan g s aling tegak lu rus Gerak resultannya adalah sebuah gerak parabola.
Misalkan arah kecepatan v kita sebut sumbu x dan arah percepatan a kita sebut sumbu y, maka persamaan-persamaan lintasannya ialah :
Gambar 2.11 Grafik paduan gerak y thd x x = v . t t = x v y = 5 8a t 2 y = 1 2 a ( v x )2 ………(2-13) y = a v 2 2 . x 2
ini adalah suatu persamaan parabola. v vX2 vY2
Ringkasan Materi Fisika Dasar ---- alifis@corner alifis.wordpress.com 25 Kalau arah percepatan v dan arah percepatan a berimpit, maka gerak resultannya adalah sebuah gerak lurus di percepat beraturan dengan kecepatan awal.
Menyusun dua buah gerak lurus dipercepatan beraturan tanpa kecepatan awal.
Gambar 2.12 Grafik paduan gerak a dan v
Gerak resultannya a adalah sebuah gerak lurus beraturan dipercepat beraturan tanpa kecepatan awal.
a a1 a a a 2 2 2 1 2 2 cos
Hal - hal istimewa dari dua buah percepatan. 1. a1dan a2 searah ( = 0o )
a = a1 + a2
a searah dengan a1dan a2 2. a1 dan a2 berlawanan arah ( = 180o )
a = a1 - a2
a searah dengan a1bila a1> a2 3. a1 dan a2 tegak lurus( = 90o )
a a12 a22 arah a : tg = a
a 2 1
Menyusun dua buah gerak lurus dipercepat beraturan dengan kecepatan awal.
Gerak resultannya adalah sebuah gerak parabola atau sebuah gerak lurus.
* Resultan geraknnya akan berbentuk parabola bila a dan v tidak berimpit.
* Resultan geraknya akan berbentuk garis lurus bila a dan v berimpit.
Gambar 2.13 Grafik paduan gerak v Dengan kecepatan awal
Syarat agar a dan v berimpit ialah
a
1 :a
2=v
1 :v
2Menyusun gerak lurus beraturan dengan gerak lurus dipercepat beraturan dengan kecepatan awal.
Ringkasan Materi Fisika Dasar ---- alifis@corner alifis.wordpress.com 26 Gambar 2.14 Grafik
paduan gerak parabola1
Gerak resultannya adalah sebuah gerak parabola.
Menyusun gerak lurus dipercepat beraturan tanpa kecepatan awal dengan gerak lurus dipercepat dengan kecepatan awal.
Gambar 2.15 Grafik paduan gerak parabola1
Gerak resultannya adalah sebuah gerak parabola.
A.2.5.2 Gerak Parabola
Gerak ini adalah gerak dalam dua dimensi dari peluru/bola yang dilempar miring ke atas. Kita anggap bahwa gerak ini terjadi dalam ruang hampa, sehingga pengaruh udara pada gerakan peluru dapat diabaikan. Gerak sebuah peluru dipengaruhi oleh suatu percepatan grafitasi g dengan arah vertikal ke bawah. Pada arah horisontal percepatannya sama dengan nol.
Kita pilih titik asal sistem koordinat pada titik dimana peluru mulai terbang. Kita mulai menghitung waktu pada saat peluru mulai terbang, jadi kita ambil, pada saat t = 0 peluru di ( 0,0 )
Gambar 2.16 Grafik gerak parabola
Persamaan pada sumbu x :
v
x =v
o cos x =v
o cos . t Persamaan pada sumbu y :v
y =v
o sin - g . ty =
v
o sin . t - 12 g . t2 ………(2-14)
Untuk sembarang titik P pada lintasan :
vP vX2 vY2 tg = v v Y X
Ringkasan Materi Fisika Dasar ---- alifis@corner alifis.wordpress.com 27 · Titik tertinggi ( titik Q ) yang dapat ditempuh oleh peluru adalah :
Dapat dicari sebagai berikut :
Syarat benda mencapai titik tertinggi adalah vy = 0 vy =
v
o sin - gt 0 =v
o sin - gt tmax = g vosin substitusikan ke : y =v
o sin . t - 12g . t 2 di dapat :y
max = v g 0 2 2 2 sin ………(2-15)Dengan demikian titik tertinggi dicapai peluru jika = 900
· Jarak terjauh ( titik R ) yang dapat ditempuh oleh peluru adalah :
Syarat mencapai titik adalah : y = 0 atau waktu yang di tempuh benda adalah : t = 2
g vosin
substitusikan ke : x =
v
o cos . t dan sin 2 = 2 sin cos di dapat :x
max = v g 0 2 2 sin ………(2-16)Dengan demikian jarak tembak terjauh oleh peluru dicapai jika sudut = 450
LATIH AN S OAL
1. Seorang bergerak dengan kecepatan tetap sebesar 100 cm/det menurut garis lurus di atas sebuah perahu. Perahu ini bergerak lurus beraturan pula dengan kecepatan 300 cm/det. Hitunglah kecepatan orang terhadap bumi, jikalau.
a. Arahnya dengan arah perahu membentuk sudut 600. b. Arahnya dengan arah perahu membentuk sudut 1200. c. Arahnya dengan arah perahu berimpitan.
d. Arahnya dengan arah perahu berlawanan.
2. Sebuah titik melakukan dua gerak lurus beraturan yang arahnya mengapit sudut 450. Karena gerak pertama titik itu berpindah tempat sejauh 8 2 dalam 1 menit, dan karena gerak kedua sejauh 6m dalam waktu 11
2 menit.
Ringkasan Materi Fisika Dasar ---- alifis@corner alifis.wordpress.com 28 3. Sebuah benda melakukan dua gerak lurus beraturan. Kecepatan gerak yang pertama ialah
5 m/sec, kecepatan gerak kedua 12 m/sec.
Tentukanlah besar sudut yang diapit oleh kedua kecepatan itu, jikalau : a. Benda dalam 10 sec menempuh 130 m.
b. Benda dalam 8 sec menempuh 136 m. c. Benda dalam 12 sec menempuh 84 m.
4. Seseorang benda menyeberangi sungai, yang lebarnya 420 m kecepatan arusnya 21
2 m/sec. Jikalau ia mengarahkan perahunya siku-siku pada tepi sungai dengan kecepatan tetap sebesar 25
8m/sec, tentukanlah :
a. Waktu yang diperlukan untuk menyeberang. b. Tempat ia sampai di tepi lain.
c. Jarak yang dilaluinya.
5. Seorang penumpang kapal berjalan digeladak dengan gerak lurus beraturan dengan kecepatan 50 cm/det ; arahnya mengapit sudut 60 derajat dengan arah kapal kemuka. Kecepatan orang itu terhadap bumi = 50 7 cm/det. Berapa kecepatan kapal itu ?
A.3 GE RAK MELI NGKAR (ROT ASI)
Jika sebuah benda bergerak dengan kelajuan konstan pada suatu lingkaran (disekeliling lingkaran ), maka dikatakan bahwa benda tersebut melakukan gerak melingkar beraturan.
Gambar 2.17 Gerak rotasi
Kecepatan pada gerak melingkar beraturan besarnya selalu tetap namun arahnya selalu berubah, arah kecepatan selalu menyinggung lingkaran, maka v selalu tegak lurus garis yang ditarik melalui pusat lingkaran ke sekeliling lingkaran tersebut.
A.3.1 Posi si S ebuah Titik dalam Gerak Melingkar
Posisi atau kedudukan sebuah titik dalam gerak melingkar dapat dinyatakan dalam
Koordinat Polar. Sebagai :
Ringkasan Materi Fisika Dasar ---- alifis@corner alifis.wordpress.com 29 Dengan demikian posisi titik di atas hanya tergantung dari waktu (t) saja, sedangkan :
= (r,t) untuk r dan t yang berubah
Dengan demikian posisi titik di atas tidak hanya tergantung dari waktu (t), tetapi juga besar r. Satuan dalam rad, r dalam meter dan t dalam detik.
A.3.2 Kecepatan Sudut (Angu ler) Suatu ti tik Materi dalam Gerak Melingkar
Perhatikan !
Suatu titik materi yang bergerak dari A yang posisinya 1 pada saat t1, ke titik B yang posisinya 2 pada saat t2
Gambar 2.18 vektor perpindahan gerak rotasi
Vektor perpindahannya = 2 - 1 dan selang waktu yang dipergunakan titik materi untuk bergerak dari A ke B adalah t = t2 - t1
Kecepatan sudut rata-rata didefinisikan :
1 2 1 2 t t t ………(2-17)
Jika ingin diketahui kecepatan sudut sesaat dari titik materi pada suatu saat, misal saat titik materi berada di antara A dan B dipergunakan kecepatan sudut sesaat.
Kecepatan sudut sesaat didefinisikan :
Secara matematis ditulis sebagai :
d
dt ………(2-18)
Nilai dari komponen kecepatan sudut sesaat dari suatu titik materi dapat dilihat dari kemiringan grafik yang dibentuk oleh komponen posisi terhadap t.
Ringkasan Materi Fisika Dasar ---- alifis@corner alifis.wordpress.com 30
Gambar 2.19 Komponen posisi terhadap t
1 = tg 1
2 = tg 2
Sebaliknya untuk menentukan posisi titik materi jika dketahui fungsi kecepatan sudut diselesaikan dengan INT EGRAL .
t d t dt
d t t dt
d t t dt
t
t dt ………(2-19)A.3.3 Percepatan S udut ( )
Kecepatan sudut titik materi dapat berubah-ubah setiap saat, baik besar, atau arah, ataupun kedua-duanya yang disebabkan oleh karena adanya percepatan sudut yang dialami titik materi tersebut.
Jika pada saat t1 kecepatan sudutnya 1 dan pada saat t2 kecepatan sudutnya 2 percepatan sudut rata-ratanya dalam selang waktu t = t2 - t1 didefinisikan sebagai :
t t t 2 1 2 1 ………(2-20)
percepatan sudut sesaatnya :
d dt d d dt t d dt 2 2 ………(2-21)A.3.4 Pengertian Radian.
1 (satu) radian adalah besarnya sudut tengah lingkaran yang panjang busurnya sama dengan jari-jarinya.
Ringkasan Materi Fisika Dasar ---- alifis@corner alifis.wordpress.com 31 Besarnya sudut : = S R radian S = panjang busur R = jari-jari
Gambar 2.19 komponen posisi s terhadap t Jika panjang busur sama dengan jari-jari, maka = 1 radian.
Satu radian dipergunakan untuk menyatakan posisi suatu titik yang bergerak melingkar ( beraturan maupun tak beraturan ) atau dalam gerak rotasi.
Keliling lingkaran = 2 x radius, gerakan melingkar dalam 1 putaran = 2 radian. 1 putaran = 3600 = 2 rad. 1 rad = 2 360 = 57,30
A.3.5 Frekwensi dan perioda dalam gerak melingkar beraturan.
Waktu yang diperlukan P untuk satu kali berputar mengelilingi lingkaran di sebut waktu edar atau perioda dan diberi notasi T. Banyaknya putaran per detik disebut Frekwensi dan diberi notasi f. Satuan frekwensi ialah Herz atau cps ( cycle per second ).
Jadi antara f dan T kita dapatkan hubungan : f . T = 1 f = 1 T A.3.6 Kecepatan linier dan kecepatan sudut.
Jika dalam waktu t detik ditempuh jalan sepanjang keliling lingkaran ialah 2R, maka kelajuan partikel P untuk mengelilingi lingkaran dapat dirumuskan : v = s
t . Kecepatan ini disebut kecepatan linier dan diberi notasi v.
Kecepatan anguler biasanya dinyatakan dalam radian/detik, derajat perdetik, putaran perdetik (rps) atau putaran permenit (rpm).
Bila benda melingkar beraturan dengan sudut rata-rata ()dalam radian perdetik :
= sudut gerakan radian
waktu ik yang diperlukan untuk membentuk sudut tersebut
( )
(det ) .
= t
jika 1 putaran maka : = 2
T rad/detik atau = 2 f Dengan demikian besarnya sudut yang ditempuh dalam t detik :
= t atau = 2 f t Dengan demikian antara v dan kita dapatkan hubungan :
Ringkasan Materi Fisika Dasar ---- alifis@corner alifis.wordpress.com 32 v = R
A.3 .7 Si stem Gerak Melingkar p ada B eberapa Su sunan Roda
Sistem langsung.
Pemindahan gerak pada sistem langsung yaitu melalui persinggungan roda yang satu dengan roda yang lain.
Gambar 2.20 sistem langsung
Pada sistem ini kelajuan liniernya sama, sedangkan kelajuan anguler tidak sama. v1 = v2, tetapi 1 2
Sistem tak langsung.
Pemindahan gerak pada sistem tak langsung yaitu pemindahan gerak dengan menggunakan ban penghubung atau rantai.
Gambar 2.21 sistem tak langsung
Pada sistem ini kelajuan liniernya sama, sedangkan kelajuaan angulernya tidak sama. v1 = v2, tetapi 1 2
Sistem roda pada satu sumbu ( CO-Axle )
Jika roda-roda tersebut disusun dalam satu poros putar, maka pada sistem tersebut titik-titik yang terletak pada satu jari mempunyai kecepatan anguler yang sama, tetapi kecepatan liniernya tidak sama.
Gambar 2.22 sistem roda satu sumbu
Ringkasan Materi Fisika Dasar ---- alifis@corner alifis.wordpress.com 33 A.3.8 Percepatan Sentripetal.
Jika suatu benda melakukan gerak dengan kelajuan tetap mengelilingi suatu lingkaran, maka arah dari gerak benda tersebut mempunyai perubahan yang tetap. Dalam hal ini maka benda harus mempunyai percepatan yang merubah arah dari kecepatan tersebut.
Arah dari percepatan ini akan selalu tegak lurus dengan arah kecepatan, yakni arah percepatan selalu menuju kearah pusat lingkaran. Percepatan yang mempunyai sifat-sifat tersebut di atas dinamakn PERCEPATAN CENTRIPETALNYA.
Harga percepatan centripetal (ar) adalah : ar =
(kecepatan linier pada benda)
jari jari lingkaran
2 ar = v R 2 atau ar = 2 R ………(2-22) v = kecepatan linier R = jari-jari lingkaran.
A.3.9 BEBERAPA CONTOH BENDA BERGERAK MELINGKAR 1. Gerak benda di luar dinding melingkar.
N = m . g - m . v R 2 N = m . g cos - m . v R 2
2. Gerak benda di dalam dinding melingkar.
N = m . g + m . v R 2 N = m . g cos + m . v R 2
Ringkasan Materi Fisika Dasar ---- alifis@corner alifis.wordpress.com 34 N = m . v R 2 - m . g cos N = m . v R 2 - m . g
3. Benda dihubungkan dengan tali diputar vertikal.
T = m . g + m v R 2 T = m m . g cos + mv R 2 T = m . v R 2 - m . g cos T = m . v R 2 - m . g
4. Benda dihubungkan dengan tali diputar mendatar (ayunan centrifugal/konis) T cos = m . g T sin = m . v R 2 Periodenya T = 2 L g cos
Keterangan : R adalah jari-jari lingkaran
5. Gerak benda pada sebuah tikungan berbentuk lingkaran mendatar. N . k = m . v R 2 N = gaya normal N = m . g
Ringkasan Materi Fisika Dasar ---- alifis@corner alifis.wordpress.com 35 LATIH AN S OAL
1. Sebuah batang MA panjang 1 meter dan titik B berada di tengah-tengah MA. Batang diputar beraturan dengan laju tetap dan M sebagai pusat. Bila A dalam 1 sekon berputar 10 kali. Hitunglah :
a. Kecepatan linier titik A dan B. b. Kecepatan sudut titik A dan B.
2. Benda bermassa 10 kg diikat dengan tali pada pasak (tiang). Berapa tegangan tali T jika bergerak melingkar horisontal pada jari-jari 2 m dan kecepatan sudutnya 100 putaran tiap sekonnya ?
3. Berapa kecepatan maksimum dari mobil yang bermassa m dan bergerak mengelilingi tepi putaran dengan jari-jari 40 m, dan koefesien geraknya 0,7 ?
4. Suatu titik materi bergerak melingkar beraturan. Dua detik yang pertama menempuh busur sepanjang 40 cm, Bila jari-jari lingkaran 5 cm, maka :
a. Tentukan kelajuan liniernya. b. Tentukan kelajuan angulernya.
c. Dispacement angulernya ( sudut pusat yang ditempuh )
5. Sebuah partikel bergerak melingkar beraturan dengan diameter 1 m, dalam 1 detik menempuh lintasan sudut 1/3 lingkaran. Hitunglah :
b. kecepatan sudutnya. c. Kecepatan liniernya.
B. DINAMIKA
Cabang dari ilmu mekanika yang meninjau gerak partikel dengan meninjau penyebab geraknya dikenal sebagai dinamika. Dalam bab ini kita akan membahas konsep-konsep yang menghubungkan kondisi gerak benda dengan keadaan-keadaan luar yang menyebabkan perubahan keadaan gerak benda.
Gaya
Gaya didefinisikan dengan percepatan yang dihasilkannya pada sebuah benda tertentu. Gaya 1 newton (N) adalah gaya yang menghasilkan percepatan 1 m/s2 pada benda standar dengan massa 1 kilogram (kg).
Ringkasan Materi Fisika Dasar ---- alifis@corner alifis.wordpress.com 36 Gaya dapat mengubah arah gerak suatu benda, gaya dapat mengubah bentuk suatu benda serta gaya juga dapat mengubah ukuran suatu benda dengan syarat gaya yang kita berikan cukup besar.
Gaya menyebabkan percepatan. Arah gaya searah dengan arah percepatan. Dari sini dapat disimpulkan bahwa gaya adalah besaran yang mempunyai besar dan arah. Ini berarti, gaya dapat digolongkan sebagai sebuah vektor.
Disamping Newton, satuan gaya sering ditulis dalam bentuk kg m/s2 .1 Newton = 1 kg
m/s2. Dalam sistern cgs, satuan gaya dinyatakan dalam 1 dyne.1 dyne = 1 gr cm/ s2
Inersia (Kelembaman)
Inersia adalah kecenderungan suatu benda untuk tetap diam atau tetap bergerak lurus dengan kecepatan tetap. (bergerak lurus beraturan) Hukum Inersia menyatakan bahwa suatu benda cenderung tetap diam atau tetap bergerak dengan kecepatan tetap, asalkan tidak ada gaya yang rnengganggunya.
Sebuah kerangka acuan dimana hukum-hukum Newton berlaku dinamakan kerangka acuan inersia. Setiap kerangka acuan yang bergerak dengan kecepatan konstan relatif terhadap kerangka acuan inersia merupakan kerangka acuan inersia juga. Sebuah kerangka acuan yang dipercepat relatif terhadap kerangka inersia bukan kerangka acuan inersia. Sebuah kerangka acuan yang diikatkan ke bumi hampir berperilaku sebagai kerangka acuan inersia.
Anggap bumi adalah kerangka inersia. Dan anggap anda sedang berada disebuah kerata api yang bergerak dengan kecepatan tetap v diukur oleh pengamat yang sedang di atas tanah. Sebuah benda di dalam kereta diberi gaya F. Waktu anda amati benda ini bergerak dipercepat dengan percepatan a. Berapakah percepatan benda oleh pengamat yang berdiri di atas tanah?
Karena bumi adalah kerangka inersia, rnaka kereta api juga adalah kerangka inersia (kereta api ini tidak bergerak dipercepat terhadap bumi). Karena semua hukum Fisika berlaku dalam semua kerangka inersia, maka gaya (ataupun percepatan) yang dialami oleh suatu benda yang diamati oleh pengamat disuatu kerangka inersia sama besar jika diamati oleh pengamat pada kerangka
Gambar 2.24. Penumpang di atas KA
Ringkasan Materi Fisika Dasar ---- alifis@corner alifis.wordpress.com 37 inersia yang lain. Jadi percepatan benda diukur oleh pengamat yang berdiri diatas tanah adalah a.
Misalkan kita mempunyai 2 benda berukuran sama dalam keadaan diam. Yang satu terbuat besi dan yang lain dari kayu.
Jika kita ingin menggerakkan benda ini, kita membutuhkan gaya yang lebih besar untuk besi dibandingkan kayu. Hal ini disebabkan besi mempunyai inersia (kecenderungan untuk tetap diam) yang besar dibandingkan kayu. Dengan kata lain besi lebih sulit digerakkan dibandingkan kayu. Semakin besar inersia suatu benda semakin cenderung benda ini ingin mempertahankan posisi diamnya, akibatnya untuk menggerakkan benda yang lebih besar inersianya dibutuhkan gaya yang lebih besar. (Catatan: pengertian inersia sebenarnya bukan untuk benda yang diam saja, tapi juga untuk benda yang bergerak dengan kecepatan tetap). Massa inersia (atau lebih dikenal dengan massa) didefinisikan sebagai ukuran inersia.
B.1 Hukum-Hukum Newton
Hubungan fundamental pada mekanika klasik tercakup dalam hukum tentang gerak yang dikemukakan oleh Isaac Newton, seorang ilmuwan Inggris. Newton sangat berjasa dalam mempelajari hubungan antara gaya dan gerak.
B.1.1 Huku m I N ewton
Jika resultan dari gaya-gaya yang bekerja pada sebuah benda sama dengan nol (F = 0), maka benda tersebut :
- Jika dalam keadaan diam akan tetap diam, atau
- Jika dalam keadaan bergerak lurus beraturan akan tetap bergerak lurus beraturan. Keadaan tersebut di atas disebut juga Hukum KELEMBAMAN.
Kesimpulan : F = 0 dan a = 0
Karena benda bergerak translasi, maka pada sistem koordinat Cartesius dapat dituliskan Fx = 0 dan Fy = 0.
Sebenarnya pernyataan hukum Newton I atau juga disebut Hukum Inersia sudah pernah dinyatakan oleh Galileo Galilei beberapa tahun sebelum Newton lahir. Galileo mengatakan:
Ringkasan Materi Fisika Dasar ---- alifis@corner alifis.wordpress.com 38 Kecepatan yang diberikan pada suatu benda akan tetap dipertahankan jika semua gaya penghambatnya dihilangkan.
Jadi dapat disimpulkan bahwa bila pengaruh luar pada sebuah benda benar-benar dihilangkan, maka sebuah benda akan tetap diam bila pada mulanya diam, dan akan tetap bergerak dengan kecepatan konstan, bila pada mulanya bergerak dengan kecepatan konstan.
B.1.2 Huku m II N ewton
Percepatan yang ditimbulkan oleh gaya yang bekerja pada suatu benda berbanding lurus dan searah dengan gaya itu dan berbanding terbalik dengan massa benda.
a F
m atau F m .a F = k . m . a
dalam S I konstanta k = 1 maka : F = m .a Gambar 2.26 Gaya terhadap balok
Satuan :
BES AR AN NOTAS I MKS CGS
Gaya F newton (N) dyne
Massa m kg gram
Percepatan a m/det2 cm/det2
Bayangkan anda mendorong sebuah benda yang gaya F dilantai yang licin sekali sehingga benda itu bergerak dengan percepatan a. Menurut hasil percobaan, jika gayanya diperbesar 2 kali ternyata percepatannya menjadi. 2 kali lebih besar. Demikian juga jika gaya diperbesar 3 kali percepatannya lebih besar 3 .kali lipat. Dan sini kita simpulkan bahwa percepatan sebanding dengan resultan gaya yang bekerja.
Atau
………(2-23) Sekarang kita lakukan percobaan lain. Kali ini massa bendanya divariasi tetapi gayanya dipertahankan tetap sama. Jika massa benda diperbesar 2 kali, ternyata percepatannya menjadi ½ kali. Demikian juga jika massa benda diperbesar 4 kali, percepatannya menjadi ¼ kali percepatan semula. Dan sini kita bisa simpulkan bahwa percepatan suatu benda berbanding terbalik dengan massa benda itu.
Massa d an B erat
Massa adalah sifat intrinsik dari sebuah benda yang menyatakan resistensinya terhadap percepatan. Massa sebuah benda dapat dibandingkan dengan massa benda lain
a m Fneto ma Fneto
Ringkasan Materi Fisika Dasar ---- alifis@corner alifis.wordpress.com 39 dengan menggunakan gaya yang sama pada masing-masing benda dan dengan mengukur percepatannya. Dengan demikian rasio massa benda-benda itu sama dengan kebalikan rasio percepatan benda-benda itu yang dihasilkan oleh gaya yang sama :
Massa sebuah benda tidak tergantung pada lokasi benda.
Hukum Newton kedua lebih awal dimaknai sebagai pengaruh luar (gaya) yang bekerja pada sebuah benda sebanding dengan laju perubahan kuantitas gerak terhadap waktu. Kuantitas gerak disini adalah besaran vektor suatu benda yang tergantung pada massa inersia dan kecepatan benda, yaitu ’momentum’ (pmv)’ Sehingga,
………(2-24)
Sedangkan hukum Newton pertama adalah kasus khusus ketika tidak ada pengaruh luar pada sebuah benda, atau ketika gayanya sama dengan nol.
Berat suatu benda (w) adalah besarnya gaya tarik bumi terhadap benda tersebut dan arahnya menuju pusat bumi. ( vertikal ke bawah ).
Hubungan massa dan berat :
w = m . g w = gaya berat. m = massa benda. g = percepatan grafitasi. Satuan : BES AR AN NOTAS I MKS CGS
Gaya berat W newton (N) dyne
Massa M kg gram
Grafitasi G m/det2 cm/det2
Perbedaan massa dan berat :
* Massa (m) merupakan besaran skalar di mana besarnya di sembarang tempat untuk suatu benda yang sama selalu TETAP.
* Berat (w) merupakan besaran vektor di mana besarnya tergantung pada tempatnya ( percepatan grafitasi pada tempat benda berada ).
Hubungan antara satuan yang dipakai : 1 newton = 1 kg.m/det2 1 2 2 1 a a m m dt p d Fneto
Ringkasan Materi Fisika Dasar ---- alifis@corner alifis.wordpress.com 40 1 dyne = 1 gr.cm/det2
1 newton = 105 dyne
1 kgf = g newton ( g = 9,8 m/det2 atau 10 m/det2 ) 1 gf = g dyne ( g = 980 cm/det2 atau 1000 cm/det2 ) 1 smsb = 10 smsk
smsb = satuan massa statis besar. smsk = satuan massa statis kecil. Pengembangan :
1. Jika pada benda bekerja banyak gaya yang horisontal maka berlaku : F = m . a
F1 + F2 - F3 = m . a Arah gerak benda sama dengan F1 dan F2 jika F1 + F2 > F3
Arah gerak benda sama dengan F3 jika F1 + F2 < F3 ( tanda a = - )
2. Jika pada beberapa benda bekerja banyak gaya yang horisontal maka berlaku :
F =m . a
F1 + F2 - F3 = ( m1 + m2 ) . a
3. Jika pada benda bekerja gaya yang membentuk sudut dengan arah mendatar maka berlaku : F cos = m . a
B.1.3 Huku m III N ewton
Bila sebuah benda A melakukan gaya pada benda B, maka benda juga akan melakukan gaya pada benda A yang besarnya sama tetapi berlawanan arah.
Gaya yang dilakukan A pada B disebut : gaya aksi. Gaya yang dilakukan B pada A disebut : gaya reaksi.
maka ditulis :
F
aksi= - F
reaksi ………(2-25)Hukum Newton III disebut juga Hukum Aksi - Reaksi. 1. Pasangan aksi reaksi.
Ringkasan Materi Fisika Dasar ---- alifis@corner alifis.wordpress.com 41 w = - N
w = gaya berat benda memberikan gaya aksi pada lantai. N = gaya normal ( gaya yang tegak lurus permukaan tempat di mana benda berada ).
Hal ini bukan pasangan Aksi - Reaksi.
( tanda - hanya menjelaskan arah berlawanan ) Gambar 2.27 pasangan gaya aksi reaksi
2. Pasangan aksi - reaksi pada benda yang digantung.
Gambar 2.28 pasangan gaya aksi reaksi pada benda digantung
Balok digantung dalam keadaan diam pada tali vertikal. Gaya w1 dan T1 BUKANLAH PASANGAN AKSI - REAKSI, meskipun besarnya sama, berlawanan arah dan segaris kerja. Sedangkan yang merupakan PASANGAN AKSI - REAKSI adalah gaya :
Demikian juga gaya T2 dan T’2 merupakan pasangan aksi - reaksi. Hubungan Tegangan Tali Terhadap Percepatan.
a. Bila benda dalam keadaan diam, atau dalam keadan bergerak lurus beraturan maka :
T = m . g T = gaya tegangan tali.
b. Benda bergerak ke atas dengan percepatan a maka : T = m . g + m . a
T = gaya tegangan tali.
c. Benda bergerak ke bawah dengan percepatan a maka : T = m . g - m . a
T = gaya tegangan tali.
GERAK BENDA YANG DIHUBUNGKAN DENGAN KATROL.
Ringkasan Materi Fisika Dasar ---- alifis@corner alifis.wordpress.com 42 sebuah tali yang diikatkan pada ujung-ujungnya. Apabila massa tali diabaikan, dan tali dengan katrol tidak ada gaya gesekan, maka akan berlaku persamaan-persamaan :
Sistem akan bergerak ke arah m1 dengan percepatan a. Tinjauan benda m1 Tinjauan benda m2
T = m1.g - m1.a ( persamaan 1) T = m2.g + m2.a ( persamaan 2) Karena gaya tegangan tali di mana-mana sama, maka persamaan 1 dan persamaan 2 dapat digabungkan : m1 . g - m1 . a = m2 . g + m2 . a m1 . a + m2 . a = m1 . g - m2 . g ( m1 + m2 ) . a = ( m1 - m2 ) . g a =( ) ( ) m m m m g 1 2 1 2 ………(2-26)
Persamaan ini digunakan untuk mencari percepatan benda yang dihubungkan dengan katrol. Cara lain untuk mendapatkan percepatan benda pada sisitem katrol dapat ditinjau keseluruhan sistem :
Sistem akan bergerak ke arah m1 dengan percepatan a.
Oleh karena itu semua gaya yang terjadi yang searah dengan arah gerak sistem diberi tanda POSITIF, yang berlawanan diberi tanda NEGATIF.
F = m . a
w1 - T + T - T + T - w2 = ( m1 + m2 ) . a karena T di mana-mana besarnya sama maka T dapat dihilangkan.
w1 - w2 = (m1 + m2 ) . a ( m1 - m2 ) . g = ( m1 + m2 ) . a a = ( ) ( ) m m m m g 1 2 1 2 B.2 Jenis-jenis Gaya [i] Gaya Berat
Berat sebuah benda adalah gaya tarikan gravitasi antara benda dan bumi. Gaya ini sebanding dengan massa m benda itu dan medan gravitasi , yang juga sama dengan percepatan gravitasi jatuh bebas :
Berat benda sifat intrinsik benda. w
g
g m w
Ringkasan Materi Fisika Dasar ---- alifis@corner alifis.wordpress.com 43 Berat bergantung pada lokasi benda, karena
g bergantung pada lokasi. Gaya berat selalu
tegak lurus kebawah dimana pun posisi benda diletakkan, apakah dibidang horisontal, vertikal ataupun bidang miring
[ii] Gaya Normal
Gaya normal adalah gaya yang bekerja pada bidang sentuh antara dua prmukaan yang bersentuhan, dan arahnya selalu tegak lurus bidang sentuh.
Macam - macam keadan ( besar ) gaya normal.
N = w cos N = w - F sin N = w + F sin
[iii] Gaya Gesek
Gaya gesekan antara permukaan benda yang bergerak dengan bidang tumpu benda akan menimbulkan gaya gesek yang arahnya senantiasa
berlawanan dengan arah gerak benda.
Ada dua jenis gaya gesek yaitu :
gaya gesek statis (fs) : bekerja pada saat benda diam (berhenti) dengan persamaan :
fs = N.s
gaya gesek kinetik (fk) : bekerja pada saat benda bergerak dengan persamaan : fk = N. k
Nilai fk < fs
Jika permukaan-permukaan itu relatif diam yang satu terhadap yang lain, gaya gesekannya adalah gesekan statik, yang dapat berubah nilainya dari 0 sampai nilai maksimumnya μkFn , dengan Fn adalah gaya kontak normal dan μk adalah koefisien gesekan
kinetik. Koefisien gesekan kinetik sedikit lebih kecil dibandingkan koefisien gesekan statik.
Gambar 2.29. Arah vektor gaya berat
Gambar 2.30. Arah vektor gaya normal
Ringkasan Materi Fisika Dasar ---- alifis@corner alifis.wordpress.com 44 Arah gaya gesekan ini selalu sepanjang bidang sentuh dan berusaha melawan gerak relatif bidang sentuhnya.
Jika sebuah benda bergerak dalam fluida seperti udara atau air, benda mengalami gaya hambat yang melawan gerakannya. Gaya hambat bertambah dengan bertambahnya kelajuan. Jika benda dijatuhkan dari keadaan diam, kelajuannya bertambah sampai gaya hambat sama dengan gaya gravitasi, setelah itu benda bergerak dengan kelajuan konstan yang dinamakan kelajuan terminal.
[iv] Gaya Tegang Tali
Gaya tegangan tali disebut juga tegangan tali adalah gaya yang bekerja pada ujung-ujung tali karena tali itu tegang. Jika tali dianggap ringan maka gaya tegangan tali pada kedua ujung tali yang sama dianggap sama besarnya.
[v] Gaya Pegas
Sebuah pegas ideal bila diregangkan atau ditekan akan memberikan gaya yang sebanding dengan besar perubahan panjang pegas. Jadi gaya yang diberikan oleh pegas adalah
………(2-27)
adalah vektor besar perubahan panjang pegas dan tanda negatif pada persamaan di atas menunjukkan arah gayanya yang berlawanan dengan arah perubahan panjang pegas. Konstanta kesebandingan k disebut juga sebagai konstanta pegas. Kebanyakan pegas real akan mengikuti persamaan diatas untuk nilai yang cukup kecil.
C. USAHA DAN ENERGI
Konsep fisika dalam dinamika selain Hukum Newton yang juga dapat digunakan untuk mengetahui keadaan gerak suatu benda yang menghubungkan pengaruh luar (gaya) dengan keadaan gerak benda, adalah konsep usaha (kerja) dan energi (tenaga). Bedanya dengan konsep hukum newton, usaha dan energi adalah besaran skalar. Karena itu, untuk beberapa kasus, konsep usaha-energi dapat lebih mudah digunakan untuk mengetahui keadaan gerak suatu benda akibat pengaruh luar (gaya).
Gambar 2.32. Gaya tegangan tali
x
k
F
x x Ringkasan Materi Fisika Dasar ---- alifis@corner alifis.wordpress.com 45 C.1 Usaha
Usaha yang dilakukan oleh gaya konstan adalah hasil kali skalar vektor gaya dan vektor perpindahan benda, hasil kali komponen gaya dalam arah gerakan dan besar perpindahan titik tangkap gaya tersebut :
F
F cos
x
Gambar 2.33 komponen gaya F cos
W=F cos θ Δx = Fx Δx ………(2-28)
dengan adalah sudut antara vektor gaya dan vektor perpindahan benda.
Usaha yang dilakukan gaya yang berubah-ubah, sama dengan luas daerah di bawah kurva gaya terhadap jarak :
………(2-29) = luas daerah di bawah kurva Fx terhadap x
SATUAN
BESARAN SATUAN MKS SATUAN CGS
Usaha (W) joule erg
Gaya (F) newton dyne
Perpindahan (
x) meter cm
1 joule = 107 erg
Catatan : Usaha (work) disimbolkan dengan huruf besar W Berat (weight) disimbolkan dengan huruf kecil w C.2 Teorema Usaha-Energi
Usaha yang dilakukan pada sebuah partikel oleh gaya untuk perpindahan yang kecil dituliskan sebagai
dan usaha yang dilakukan pada partikel yang bergerak dari titik 1 ke titik 2 adalah dx F W b a x
s d s d F dW .
2 1 . S S F ds W Ringkasan Materi Fisika Dasar ---- alifis@corner alifis.wordpress.com 46 atau menurut komponen produk skalarnya,
………(2-30)
Untuk memudahkan analisa, kita tinjau komponen x saja, karena analisa untuk komponen lainnya serupa. Diketahui bahwa:
………(2-31) Pada akhirnya,
b a x x y y z z totm
v
dv
v
dv
v
dv
W
(
)
)
(
)
(
2 2 2 21 2 2 2 1 a b b a z y xv
v
m
v
v
v
m
………(2-32)Jadi nilai total usaha bergantung pada suatu kuantitas akhir dan awal, yaitu selisih besar kuadrat kecepatan akhir dan awal dikali setengah massa. Kuantitas ini kemudian diberi nama energi, dan karena kuantitas ini bernilai tidak nol ketika kecepatannya tidak nol, maka diberi nama energi kinetik ( ). Jadi total usaha yang bekerja pada suatu benda sama dengan perubahan energi kinetiknya.
………(2-33)
Satuan SI kerja dan energi adalah joule (J) : 1 J = 1 N.m
C.3 Gaya Konservatif
Sebuah gaya disebut konservatif jika usaha total yang dilakukannya pada sebuah partikel nol ketika partikel bergerak sepanjang lintasan tertutup, yang mengembalikan partikel ke posisi awalnya. Usaha yang dilakukan oleh gaya konservatif pada sebuah partikel tak bergantung pada bagaimana partikel itu bergerak dari satu titik ke titik lain.
Energi potensial sebuah sistem adalah energi yang berhubungan konfigurasi sistem. Perubahan ennergi potensial sistem didefinisikan sebagai negative usaha yang dulakukan oleh gaya knservatif yang bekerja pada sistem :
2 2 1mv K 2 2 1 2 2 1 i f total K mv mv W s d F dU .
2 1 . 1 2 S S F ds W U U U
b aF
xdx
F
ydy
F
zdz
W
(
)
dx dv mv dt dx dx dv m dt dv m F x x x x x Ringkasan Materi Fisika Dasar ---- alifis@corner alifis.wordpress.com 47 Usaha yang dilakukan pada sebuah sistem oleh gaya konservatif sama dengan berkurangnya energi potensial sistem. Nilai absolut energi potensial tidak penting. Hanya perubahan energi potensial yang penting.
Energi potensial gravitasi sebuah benda bermassa m pada ketinggian y di atas suatu titik acuan adalah :
………(2-34) Energi potensial pegas dengan konstanta gaya k ketika pegas diregangkan atau dikompresi sejauh x dari titik keseimbangan diberikan oleh :
………(2-35)
Dalam satu dimensi, sebuah gaya konservatif sama dengan negatif turunan fungsi energi potensial yang terkait :
Pada nilai minimum kurva energi potensial sebagai fungsi perpindahan, gaya sama dengan nol dan sistem ada dalam keseimbangan stabil. Pada maksimum, gaya sama dengan nol dan sistem ada dalam kesetimbangan tak stabil. Sebuah gaya konservatif selalu cenderung mempercepat partikel ke arah posisi dengan energi potensial lebih rendah.
Jika hanya gaya konservatif yang melakukan usaha pada sebuah benda, jumlah energi kinetik dan energi potensial benda tetap konstan :
………(2-36)
Ini adalah hukum kekekalan energi mekanik.
Usaha yang dilakukan oleh gaya tak konservatif yang bekerja pada sebuah partikel sama dengan perubahan energi mekanik total sistem :
Ini adalah teorema usaha-energi umum.
Kekekalan energi mekanik dan teorema usaha-energi umum dapat digunakan sebagai pilihan selain hukum Newton untuk memecahkan soal-soal mekanika yang membutuhkan penentuan kelajuan partikel sebagai fungsi posisinya.
Energi total suatu sistem dapat mencakup energi jenis lain seperti energi panas atau energi kimia internal, selain energi mekanik. Energi suatu sistem dapat diubah lewat berbagai cara seperti emisi atau absorpsi radiasi, usaha yang dikerjakan pada sistem, atau panas yang dipindahkan. Kenaikan atau penurunan energi sistem dapat selalu dijelaskan lewat munculnya atau hilangnya suatu jenis energi di suatu tempat, suatu hasil eksperimen yang
mgy U 2 2 1kx U dx dU Fx konstan 2 2 1 K U mv U E
U K
E Wnc Ringkasan Materi Fisika Dasar ---- alifis@corner alifis.wordpress.com 48 dikenal sebagai hukum kekekalan energi :
Daya adalah laju alih energi dari satu sistem ke sistem lain. Jika sebuah gaya bekerja pada suatu partikel yang bergerak dengan kecepatan , daya masukan gaya itu adalah :
………(2-37) Satuan SI untuk daya adalah watt (W), yang sama dengan satu joule per sekon. Suatu satuan energi yang biasa diguakan adalah kilowatt – jam, yang sama dengan 3,6 megaJoule.
D. GRAVIT ASI
Sir Isaac Newton yang terkenal dengan hukum-hukum Newton I, II dan III, juga terkenal dengan hukum Gravitasi Umum. Didasarkan pada partikel-partikel bermassa senantiasa mengadakan gaya tarik menarik sepanjang garis yang menghubungkannya, Newton merumuskan hukumnya tentang gravitasi umum yang menyatakan :
Gaya antara dua partikel bermassa m1 dan m2 yang terpisah oleh jarak r adalah gaya tarik menarik sepanjang garis yang menghubungkan kedua partikel tersebut, dan besarnya dapat dinyatakan dengan persamaan :
F = G m m r 1 2
2 ………(2-38)
F = Gaya gravitasi, satuan : NEWTON. G = Konstanta gravitasi, besarnya :
G = 6,67 x 10-11 N m
kg
2 2
m = massa benda, satuan : KILOGRAM
r = jarak antara kedua partikel, satuan : METER
Gaya gravitasi adalah besaran vektor yang arahnya senantiasa menuju pusat massa partikel.
Gambar 2.34 gaya gravitasi
Untuk gaya gravitasi yang disebabkan oleh beberapa massa tertentu, maka resultan gayanya ditentukan secara geometris. Misalnya dua buah gaya F1 dan F2 yang membentuk sudut
resultante gayanya dapat ditentukan berdasarkan persamaan : F F12 F22 2F F1 2cos sis out in E E E F v v F dt dW P .
Ringkasan Materi Fisika Dasar ---- alifis@corner alifis.wordpress.com 49 Gambar :
Gambar 2.34 resultan gaya gravitasi
LATIH AN S OAL
1. Dua buah benda masing-masing massanya 10 kg dan 20 kg terpisahkan pada jarak 2 meter satu dengan yang lain. Tentukan gaya gravitasi antara kedua benda itu.
( jawab : 3,34 x 10-19 N )
2. Gaya tarik gravitasi antara du buah benda bermassa adalah 2,001 x 10-10 N. Bila massa benda adalah 3 kg dan 9kg. Tentukanlah jarak antara kedua benda itu. ( jawab 3 meter ).
3. Massa sebesar 5 kg terpisah pada jarak 2 meter dari massa yang lain. Gaya gravitasi antara kedua benda adalah sebesar 2,5 x 10-10. Tentukan massa benda yang lain.
( jawab 3kg )
4. Tiga buah bola bermassa masing-masing 1kg, 2kg dan 3kg diletakkan pada titik sudut segitiga sama sisi dengan sisi 1 meter. Tentukanlah gaya yang dialami oleh bola bermassa 1 kg dalam susunan ini.
( jawab : 4,36 GN )
5. Dua buah bola bermassa masing-masing 4 kg terpisah pada jarak 2 3 meter. Tentukanlah gaya tarik gravitasi yang dialami oleh bola bermassa 5 kg yang terletak pada jarak 2 meter dari kedua massa tersebut.
D.1 Medan Gravi tas i
Kuat medan gravitasi ( intensitas gravitasi ) oleh gaya gravitasi didefinisikan sebagai :
Perbandingan antara gaya gravitasi yang dikerjakan oleh medan dengan massa yang dipengaruhi oleh gaya gravitasi tersebut.
Dalam bentuk persamaan, dapat dinyatakan dengan : g = F
m
g = kuat medan gravitasi ; satuan : N.kg-1 F = Gaya gravitasi satuan : N m = Massa benda satuan : kg D.2 Kuat Medan Gravitasi oleh Benda Bermassa
Ringkasan Materi Fisika Dasar ---- alifis@corner alifis.wordpress.com 50 Kuat medan gravitasi dapat ditimbulkan oleh suatu benda bermassa. Misalkan dua buah benda bermassa masing-masing m dan m’ terpisah pada jarak r. Maka gaya gravitasi oleh kedua benda itu adalah :
F = Gm m
r
'
2 Bila kita hitung kuat medan gravitasi yang dilami oleh massa m’ sebagai akibat dari gaya gravitasi di atas, maka di peroleh :
g F m Gm m r m G m r ' ' ' 2 2 g G m r 2 ………(2-39)
Persamaan di atas menunjukkan kuat medan gravitasi oleh benda bermassa m pada suatu titik berjarak r dari benda itu.
Kuat medan gravitasi adalah suatu besaran vektor yang arahnya senantiasa menuju ke pusat benda yang menimbulkannya. Karena : kuat medan gravitasi di suatu titik oleh beberapa benda bermassa diperoleh dengan menjumlahkan vektor-vektor medan gravitasi oleh tiap-tiap benda.
Sebagai contoh : Kuat medan gravitasi yang disebabkan oleh kedua dua buah benda yang kuat medannya saling membentuk sudut , dapat dinyatakan dengan persamaan :
g g1 g g g 2 2 2 1 2 2 cos LATIH AN S OAL
1. Suatu massa yang besarnya 2 kg berada pada suatu tempat dibawah pengaruh gaya gravitasi sebesar 5 x 10-10 N. Tentukanlah kuat medan gravitasi yang dialami oleh itu. ( jawab : 2,5 x 10-10 )
2. Tentukanlah kuat medan gravitasi pada suatu titik berjarak 2 meter dari suatu massa sebesar 25 kg.
(Jawab : 6,25 GN/kg )
3. Dua buah bola bermassa masing-masing 0,16 kg dan 0,32 kg terpisah pada jarak 2cm. Tentukanlah kuat medan gravitasi pada suatu titik yang berjarak 2 cm dari kedua massa tersebut.
( jawab : 1,06 x 103 GN/kg )
4. Tiga buah bola bermassa masing-masing 16 kg, 36 kg dan 25 kg berturut-turut di titik-titik ( 4,0 ), ( 4,5 ) dan ( 0,5 ) . Satuan koordinat dalam meter. Tentukanlah kuat medan gravitasi di titik pusat koordinat.
Ringkasan Materi Fisika Dasar ---- alifis@corner alifis.wordpress.com 51 5. Dua buah bola bermassa masing-masing besarnya 4 kg terpisah pada jarak 2 3 . Tentukanlah kuat medan gravitasi pada suatu titik yang berjarak 2 cm dari kedua massa itu.
( jawab : G N/kg )
D.3 Energi Potensi al Gravi tasi
Benda bermassa m yang terletak diluar bumi, energi potensial gravitasinya pada jarak r dari pusat bumi, dinyatakan dengan persamaan :
Ep = - G M m r
.
………(2-40)
Ep = Energi potensial gravitasi G = Konstanta gravitasi
M = massa bumi m = massa benda
r = Jarak pusat benda ke pusat bumi.
Tanda negatif (-) berarti jika benda bergerak di bawah pengaruh gaya gravitasi dari jarak tak terhingga () ke jarak r maka energi potensialnya akan berkurang, karena dipergunakan untuk menambah energi kinetik dengan makin besarnya laju benda waktu bergerak mendekati bumi.
Jika mula-mula benda berada di tempat yang jauh tak hingga ( r = ) dengan energi kinetik sama dengan nol, maka dalam perjalanan mendekati bumi, medan gravitasi merubah energi potensial menjadi energi kinetik. Pada waktu sampai di bumi energi kinetik benda sama dengan energi potensial gravitasi. Jadi :
1 2 2 mv G M m R . m = massa benda. M = massa bumi. R = jari - jari bumi.
v = kecepatan benda di permukaan bumi. D.4 Huku m Kek ekal an Energi
Hukum kekekalan energi mekanik total berlaku untuk medan gravitasi dan harganya adalah : Emek = Ek + Ep Emek = 1 2 2 mv G M m R . ………(2-41)
Ringkasan Materi Fisika Dasar ---- alifis@corner alifis.wordpress.com 52 Kita dapat mendefinisikan energi potensial sebagai berikut : Jika Ep(A)= energi potensial di titik A dan Ep(B) : energi potensial di titik B, maka beda energi potensialnya :
Ep(B) - Ep(A) = - G M m ( 1 1 rB rA ) rA = jarak titik A ke pusat bumi.
rB = jarak titik B pusat bumi.
oleh karena usaha merupakan perubahan energi potensial maka usaha yang dilakukan sepanjang garis dari A ke B dapat dinyatakan dengan :
WA----> B = - G M m (
1 1
rB rA
)………(2-42)
WA----> B = Usaha dari A ke B.
E. POTENSI AL GRAVITASI
Potensial gravitasi didefinisikan sebagai :
Tenaga potensial gravitasi per satuan massa. Dapat dinyatakan dengan persamaan :
v Ep m
v = potensial gravitasi, satuan : Joule/kg. Ep = Energi potensial gravitasi, satuan : Joule m = massa benda, satuan : kg.
E.1 Potensial Gravitasi oleh Benda Bermassa
Energi potensial gravitasi benda bermassa m’ yang terletak pada jarak r dari pusat massa benda bermassa m dapat kita nyatakan dengan persamaan :
Ep = - G m m
r
'
Bila massa m’ terletak dititik p maka potensial gravitasi di titik p yang dialami oleh massa m’ dapat ditentukan sebagai berikut :
V Ep r Gm m r m ' ' V Gm r ………(2-43)
V = potensial gravitasi pada jarak r dari massa m m = massa benda
Ringkasan Materi Fisika Dasar ---- alifis@corner alifis.wordpress.com 53 Potensial gravitasi merupakan besaran skalar, karena itu potensial yang disebabkan oleh berapa benda bermassa merupakan jumlah aljabar dari potensial gravitasi masing-masing benda bermassa itu, Jadi :
Vt = V1 + V2 + V3 + ... + Vn
Beda potensial antara dua titik dalam medan gravitasi didefinisikan sebagai :
Potensial di titik yang satu dikurangi dengan potensial dititik yang lain. Usaha yang dilakukan untuk mengangkut, massa m dari satu titik ke titik lain lewat sembarang lintasan sama dengan massa benda itu kali beda potensial antara kedua titik itu.
WA----> B = m (VB - VA) WA----> B = Usaha dari A ke B.
LATIH AN S OAL .
1. Tentukanlah energi potensial gravitasi yang dialami oleh massa sebesar 2kg yang terletak dipermukaan bumi. Massa bumi kira-kira 6 x 1024 kilogram. Jari-jari bumi kira-kira 6,38 x 106 meter dan konstanta gravitasi 6,67 x 1011 Nm2/kg2.
( jawab : 6,3 x 107 joule )
2. Tentukan energi potansial gravitasi yang dialami oleh massa sebesar 2 kg yang terletak pada jarak 5 meter dari suatu benda yang bermassa 30 kg.
( jawab : 8 x 10-10 )
3. Suatu benda yang massanya 10 kg berada pada suatu tempat yang memiliki energi potensial gravitasi yang besarnya sama dengan 5 x 108 joule. Tentukanlah potensial gravitasi yang dialami oleh benda itu.
( jawab : -5 x 107 joule/kg )
4. Tentukanlah potensial gravitasi pada suatu titik yang terletak 2 meter dari suatu benda bermassa 25 kg.
( jawab : -8,3 x 10-10 J/kg )
5. Pada gambar di bawah ini, massa m1 = 0,3 kg dan massa m2 = 0,1 kg.
a. Tentukanlah potensial gravitasi yang disebabkan oleh massa m1 dan m2 dititik O dan dititik A.
b. Berapakah usaha yang dilakukan untuk mengangkut massa m = 0,01 kg dari titik A ke titik O -5 G J/kg.
Ringkasan Materi Fisika Dasar ---- alifis@corner alifis.wordpress.com 54 E.2 Huku m Kek ekal an Energi
Untuk gerakan benda dalam medan gravitasi yang tidak sama kekuatan di semua titik, hendaknya dipecahkan dengan perhitungan potensial gravitasi atau tenaga potensial gravitasi. Jika gaya-gaya gesekan diabaikan, dasar persangkutannya hanyalah kekekalan energi, yaitu :
Ek + Ep = konstan. Ek(1) + Ep(1) = Ek(2) + Ep(2)
Disini pembicaraan akan kita batasi hanya mengenai gerakan massa m dalam medan gravitasi yang ditimbulkan oleh titik tunggal yang tetap atau bola homogen bermassa m. Sehingga :
Ek = 1 2 mv
2
dan Ep = m V = - G M m
r
Akhirnya kita dapatkan bahwa : 1 2m(v1) 2 - G M m r1 = 1 2m(v2) 2 - G M m r2 (v2)2 = (v1)2 + 2G M ( 1 1 2 1 r r ) ………(2-44)
F. MOMENTUM DAN IMPULS
F.1 Pengertian Momentum dan Impuls
Setiap benda yang bergerak mempunyai momentum. Momentum juga dinamakan jumlah gerak yang besarnya berbanding lurus dengan massa dan kecepatan benda.
Suatu benda yang bermassa m bekerja gaya F yang konstan, maka setelah waktu t benda tersebut bergerak dengan kecepatan :
vt = vo + a . t vt = vo + m F . t F . t = m . vt – m.vo ………(2-45) Besaran F. t disebut : IMPULS sedangkan besarnya m.v yaitu hasil kali massa dengan kecepatan disebut : MOMENTUM
m.vt = momentum benda pada saat kecepatan vt m.vo = momentum benda pada saat kecepatan vo Kesimpulan
