Soal Olimpiade Fisika Tingkat Provinsi Tahun 2007

(1)

1. Sebuah batu beratnya w dilemparkan vertikal ke atas diudara dari lantai dengan kecepatan awal v0 . Jika ada gaya konstan f akibat gesekan/hambatan udara selama melayang dan asumsikan percepatan gravitasi bumigkonstan, maka tentukan :

a). tinggi maksimum yang dicapai (nyatakan dalam :v0, g, f danw) b). laju batu saat menyentuh lantai kembali (nyatakan dalam : v0, fdanw) Teori yang mendasari :

• Hukum Newton tentang gerak

• GLBB

a. Batu ke atas

Percepatan (perlambatan) :

g w

f a

m w f a

      + =

+ =

1

Tinggi maksimum yang dicapai : v0

hmax

v v= 0

f w w

f

didownload dari : www.focuskimia.com website pendukung : www.edukasicampus.net

(2)



b. Batu ke bawah Percepatan :

g w

f w

a= −

Kecepatan saat menyentuh lantai :

f antara balok M dengan lantai. Tentukan besar gaya F yang harus diberikan pada balokmsupaya tidak turun ke bawah (nyatakan dalam :m, M, gdanµs)

Teori yang mendasari :

(3)

• Tinjaum Arah mendatar,

(1) ... ... .

.

x x x

a m N F

a m F

= −

= ∑

Arah vertikal,

(2) ... ... .

. .

. 0

s s y

g m N

N g

m f g m

F

µ µ

= = = = ∑

• TinjauM Arah mendatar,

(3) ... ... .

.

M N a

a M N

a M F

x

x x x

= =

= ∑

dari ketiga persamaan di atas didapatkan :

  

 ₊ = . 1

M m g m F

s

µ

M m

f

F

N

licin

(4)

2. Sebuah kereta dengan massa M dapat bergerak bebas tanpa gesekan di atas sebuah lintasan lurus. Mula-mula adaN orang masing-masing dengan massa m berdiri diam di atas kereta yang juga berada pada keadaan diam. Tinjau 2 kasus.

a. Semua orang di atas kereta berlari bersama ke salah satu ujung kereta dengan laju relatif terhadap kereta vr dan kemudian melompat turun bersama-sama.

Berapakah kecepatan kereta setelah orang-orang ini melompat turun?

b. Sekarang tinjau kasus kedua. Kereta dan semua orang mula mula diam. Dalam kasus kedua ini, semua orang lari bergantian. Jadi orang pertama lari meninggalkan kereta dengan laju relatif terhadap kereta vr, kemudian disusul

orang kedua berlari ke ujung yang sama dengan laju relatif terhadap kereta vr.

Demikian seterusnya sampai orang ke-N. Berapakah kecepatan akhir kereta? c. Pada kasus mana kecepatan akhir kereta lebih tinggi?

• Hukum kekekalan momentum linear a. kekekalan momentum linier

(

)

0=Mv+Nm v v− _r

Jadi, r

Nm

v v

M Nm

= +

b. tinjau kondisi saat transisi darinorang ken-1 orang. Momentum mula mula:

n n n

P =MV +nmV Momentum akhir

(

)

(

)

1 1 1 1 1

n n n n r

P₋ =MV₋ + −n mV₋ +m V₋ −v Kekekalan momentum linier

(

M +nm V

)

n =

(

M +nm V

)

n−1−mvr

Didapat

(5)

1

r

n n

mv

V V

M nm

− = + ₊

Jika 1 lagi melompat turun, didapat

(

)

2

1

r r

n n

mv mv

V V

M nm M n m

− = + ₊ + _{+ −}

Atau dalam bentuk umum:

(

)

1 1

s

r

n s n

i

mv

V V

M n i m

−

=

= +

+ − +

∑

Pada mulanyan=N,Vn= 0. Kecepatan akhir di dapat saats=N

(

)

0

1 1 1

N N

r r

i n

mv mv

V

M N i m M nm

= =

+ − + +

∑

c. karena 1

1

N

n

N

M nm M Nm

=

>

+ +

∑

maka kecepatan pada kasusblebih besar

daripada pada kasusa.

3. Sistem massa pegas di bawah terdiri dari suatu balok dengan massamdan dua pegas dengan konstanta pegaskdan 3k. Massa m dapat berosilasi ke atas dan ke bawah, tetapi orientasinya dipertahankan mendatar. Kedua pegas dihubungkan dengan suatu tali tanpa massa melalui suatu katrol licin. Berapakah periode osilasi sistem? (nyatakan dalam :m dank)

• Hukum Hooke

• Osilasi

Untuk memudahkan pembahasan, kita akan namakan pegasksebagai pegas 1 dan pegas 3ksebagai pegas 2.

x 3k k

m

tali

(6)

Tegangan kedua pegas sama, karena dihubungkan lewat satu tali maka : k∆x1= 3k∆x2.

Simpangan massa m =∆x. Dari geometri jelas bahwa,

2∆x=∆x1+∆x2.

Jadi,

1 3 2

x x

∆ = ∆ , ₂ 1

2

x x

∆ = ∆

Gaya yang bekerja pada massa m : 2k∆x1= 3k∆x.

Persamaan gerak sistem: 2

2 3 0

d x

m kx

dt + = Diperoleh 2

3 m T

k

π =

4. Sebuah cincin dengan massa m mempunyai suatu titik manik-manik ditempel di pinggiran cincin itu. Massa manik-manik m juga. Jari jari cincin adalah R (momen inersia cincin 2

I =mR ). Abaikan dimensi manik-manik (anggap seperti massa titik). Cincin dan

manik-manik bergerak bersama. Mula-mula kecepatan sudut mereka adalah ω0 dan

manik-manik berada di posisi paling rendah. Berapakah nilai maksimum ω0 agar

sistem tidak melompat saat manik-manik berada pada posisi tertinggi?

Anggap lantai kasar, sehingga sistem cincin manik-manik bisa menggelinding tanpa slip.

• Kekekalan energi

ω0

Keadaan mula mula

(7)

Energi kinetik sistem terdiri dari energi kinetik cincin ditambah energi kinetik manik manik. Pada saat mula-mula manik manik berada di dasar, sehingga kecepatannya persis nol.

2 2 2 2 2 2 2 2

0 0 0 0 0 0

1 1 1 1

2 2 2 2

EK = mv + Iω = mω R + mRω =mRω

Pada saat manik-manik berada di puncak, energi kinetik cincin diberikan oleh 2 2

EK =mR ω

Energi kinetik manik manik 2 1 2

m

EK = mv

Kecepatan manik-manikv= kecepatan manik manik terhadap pusat cincin + kecepatan pusat cincin

= kecepatan translasi pusat cincin + kecepatan akibat rotasi cincin

=ωR+ωR= 2ωR.

Energi kinetik manik manik = 1

(

2

)

2 2 2 2 2m ωR = mω R Energi potensial manik manik = 2mgR.

Kekekalan energi:

2 2 2 2 2 2

0 2 2

mR ω =mR ω + mR ω + mgR

Sederhanakan:

2 2

0

1 2

3 3

g R

ω = ω −

Gaya normal yang diberikan oleh lantai diberikan oleh gaya berat dari manik-manik dan cincin dikurangi dengan gaya sentripegal akibat rotasi manik-manik terhadap pusat cincin.

2 2

N = mg−mω R

Syarat supaya lepas dari lantai,N= 0. Didapatkan :

(8)

2 0

1 2

2 0

3 3

mg

mg− mω R+ =

Sederhanakan: 2 0

8g R

ω =

0

8g R

ω =

5. Model untuk pegas bersama.

Suatu pegas memiliki konstanta pegas k dan massa m. Untuk memudahkan perhitungan, pegas ini bisa dimodelkan dengan sistem yang terdiri atas susunan massa dan pegas. Untuk pendekatan pertama, anggap system pegas bermassa ini ekuivalen dengan sistem massa-pegas yang terdiri dari dua

massa identik m’ dan dua pegas identik yang tak bermassa dengan konstanta k’. Jika kita menambahkan terus jumlah massa dan pegas dalam model ini maka akan semakin mendekati pegas sesungguhnya.

Mula-mula sistem dibiarkan pada keadaan setimbang. Panjang pegas menjadi L (panjang kendurnyaL0). Jika ujung atas A dipotong,

a. berapa percepatan massa bawah menurut model ini ?

b. Berapa percepatan massa atas menurut model ini ?

Asumsikan percepatan gravitasigtetap.

• Hukum hooke tentang pegas

k, m _m’

m’ k’

k’

≡

A A

(9)

- Hubungan antaramdanm’:

Saat mula-mula,

- Pertambahan panjang pegas bawah karena gaya gravitasi,

k

- Tegangan pegas bawah,

mg

- Pertambahan panjang pegas atas,

k

- Tegangan pegas atas,

(10)

mg 2 2 2 '

= = ∆

k mg k x k

Saat sambungan dengan langit-langit dipotong (titik A), - Tegangan pegas atas = nol

- Tegangan pegas bawah = 2

mg

Gaya pada massa bawah : 1. Gaya gravitasi =m’g

= (arahkebawah) 2

mg

2. Gaya dari pegas bawah = (arahkeatas) 2

mg

Jadi total gaya pada massa bawah = nol, sehingga massa bawah tidak dipercepat.

Gaya pada massa atas :

1. Gaya gravitasi = m'g

= (arahkebawah) 2

mg

2. Gaya dari pegas bawah = (arahkebawah) 2

mg

Jadi total gaya pada massa atas =mg,

Percepatan massa atas = _'

m mg

=2g

(11)

6. Perhatikan sistem di bawah ini.

Ada dua balok, masing-masing massanyamdanM. Koefisien gesekan antara balok Mdengan lantai µ1, sedangkan koefisien gesekan antara balok m dengan balok M adalahµ2. Pada balokmdiberi gaya mendatarF yang cukup besar sehingga balokm akan bergerak dipunggung balok M, dan balok M juga bergerak akibat gaya F ini (asumsiµ2cukup besar). Jika balok m berpindah sejauhL relatif terhadap balok M, berapa usaha yang dilakukan gayaF?

Untuk memudahkan hitungan anggap :

1 , 0 , 5 , 0 ,

6 , 5 ,

2 = = ₂ = ₁ =

= m F λmg mg µ µ

M

• GLBB

• Usaha Tinjau balokm,

N2= gaya normal padamkarenaM

 ΣFy =0 mg N₂ =

m

M µ2

L

µ1 F

m F

N2

a2

f2

mg

(12)

 ΣFx =ma2

lab. kerangka terhadap

relatif

TinjauM,

 ΣFy=0

Total pergeseran massaMsetelah selang waktut:

[

2 1

]

2

(13)

Total pergeseran massamterhadap kerangka lab setelah selang waktut:

Selisih jarak :

[

]

Untuk waktut0ini, massamtelah berpindah sejauh :

[

]

(14)

Usaha yang dilakukan oleh gayaF :

[

]

[

]

mgL

mgL L mg

S F W_F

712 , 5

.

1 1 2 2

2

1 1 2 2

2 2

=

+ + − −

− =

+ + − −

− =

=

µ γ µ γ µ µ λ

µ λ λ

µ γ µ γ µ µ λ

µ λ λ