PERSAMAAN GERAK
Posisi titik materi dapat dinyatakan dengan sebuah VEKTOR, baik pada suatu bidang datar maupun dalam bidang ruang.
Vektor yang dipergunakan untuk menentukan posisi disebut VEKTOR POSISI yang ditulis dalam Vektor satuan.
VEKTOR SATUAN.
/ / = / / = / / = 1
adalah vektor satuan pada sumbu x.
adalah vektor satuan pada sumbyu y.
adalah vektor satuan pada sumbu z.
POSISI TITIK MATERI PADA SUATU BIDANG DATAR.
Posisi titik materi ini dapat dinyatakan dengan : = x + y
Contoh : = 5 + 3
Panjang r ditulis / / = / 0A /
/ / =
=
= satuan
POSISI TITIK MATERI PADA SUATU RUANG.
Posisi titik materi ini dapat dinyatakan dengan : = x + y + z
Contoh : = 4 + 3 + 2
Panjang vektor ditulis / /
/ / =
=
= satuan
KECEPATAN SUATU TITIK MATERI.
Gerakan titik materi secara keseluruhan dapat diamati jika posisinya setiap saat diketahui. Seberapa cepat letak titik materi itu berubah setiap saat disebut : KECEPATAN .
PERHATIKAN.
Titik materi yang bergerak dari A yang posisinya 1 pada saat t1, ke titik B yang posisinya 2 pada saat t2.
Vektor perpindahannya dan selang waktu yang dipergunakan titik materi untuk bergerak dari A ke B adalah
Kecepatan rata-rata didefinisikan :
Pada persamaan di atas tampak bahwa kecepatan rata-rata tidak tergantung pada lintasan titik materi, tetapi tergantung dari posisi awal ( ) dan posisi akhir ( ). 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 :
Jadi kecepatan sesaat merupakan turunan pertama dari posisi terhadap waktu (t)
Besarnya kecepatan disebut dengan laju
Laju didefinisikan sebagai :
Laju dapat pula berarti panjang lintasan dibagi waktu yang bersangkutan.
Nilai dari komponen kecepatan sesaat dari suatu titik materi dapat dilihat dari kemiringan grafik yang dibentuk oleh komponen posisi ( r ) terhadap waktu ( t ).
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 dapat ditulis sebagai = ( t ) artinya merupakan fungsi waktu ( t ).
Kecepatan titik materi pada sebuah bidang datar/ruang dapat ditulis :
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 ).
Contoh :
v(t) = 2 t + 5 m/det
maka persamaan posisi titik materi tersebut adalah ......
=
= t 2 + 5 t + C meter
Dengan C adalah suatu konstanta.
Harga C dicari dengan suatu syarat batas tertentu, misalnya :
t = 0 (t) = 0 maka harga C dapat dihitung C = 0
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 :
Percepatan sesaatnya :
Percepatan merupakan tutunan pertama dari kecepatan terhadap waktu (t) atau turunan kedua dari posisi terhadap waktu (t).
Kecepatan sesaat dari suatu titik materi dapat dilihat dari kemiringan komponen grafik kecepatan (v) terhadap waktu (t).
dari grafik di samping besar percepatan sesaat :
a 1 = tg 1
a 2 = tg 2
Percepatan dalam arah masing-masing sumbu dalam bidang/ruang dapat dituliskan sebagai :
Sebaliknya untuk menentukan kecepatan dari grafik fungsi percepatan terhadap waktu dengan cara mengintegralkan :
KESIMPULAN :
Posisi titik materi, kecepatan dan percepatan merupakan besaran vektor, sehingga dapat dinyatakan dengan VEKTOR SATUAN.
POSISI
KECEPATAN
PERCEPATAN
CONTOH SOAL.
(akan dibahas di kelas)
CONTOH 1.
Sebuah benda bergerak sepanjang sumbu x dengan posisi :
2. Carilah kedudukan benda pada saat t = 3 detik.
3. Hitunglah perpindahan/pergeseran selama 3 detik pertama.
4. Hitunglah kecepatan rata-rata selama 2 detik pertama.
5. Hitunglah kecepatan rata-rata selama 2 detik kedua.
6. Hitunglah kecepatan pada saat t = 2 detik.
7. Hitunglah percepatan rata-rata selama 2 detik ketiga.
8. Hitunglah percepatan pada saat t = 3 detik.
9. Hitunglah kecepatan dan percepatan pada saat benda di x = 0
10. carilah kedudukan benda pada saat kecepatannya NOL.
11. Carilah kedudukan benda pada saat kecepatannya maksimum
12. Hitunglah selang waktu benda bergerak ke kiri.
13. Hitunglah selang waktu benda bergerak ke kanan.
14. Hitunglah waktu yang dibutuhkan benda untuk kembali ke tempat semula setelah bergerak.
15. Carilah kedudukan benda saat benda tepat berbalik arah.
16. Carilah kledudukan benda pada saat percepatannya 10 m/s2
17. Carilah kedudukan benda pada saat kecepatannya 11 m/s
18. Hitunglah panjang lintasan yang ditempuh selama 3 detik pertama.
CONTOH 2.
Suatu benda bergerak dengan vektor percepatan sebagai berikut :
Y
5 a
0 3 X
Pada saat t = 0 vx = 2 , vy = 0 dan rx = 2 , ry = 4
2. Hitunglah kelajuan rata-rata 2 detik pertama.
3. Hitunglah kelajuan pada saat t = 2 detik.
4. Hitunglah pergeseran pada saat 2 detik pertama.
5. Hitunglah kecepatan rata-rata 2 detik kedua.
6. Hitunglah kecepatan pada saat t = 4 detik.
7. Carilah posisi titik pada detik kedua.
CONTOH 3.
Suatu benda bergerak sepanjang sumbu-x dengan grafik fungsi percepatan terhadap waktu sebagai berikut :
a(m/s2)
6
0 6 t (s)
Pada saat t = 0, v = 0 dan x = 0
2. Carilah kedudukan benda pada saat t = 3 detik.
3. Hitunglah perpindahan selama 3 detik pertama.
4. Hitunglah kecepatan rata-rata selama 2 detik kedua.
5. Hitunglah kecepatan pada saat t = 2 detik.
6. Hitunglah kecepatan pada saat benda kembali ke titik asal setelah bergerak.
7. Carilah kedudukan benda pada saat jkecepatannya maksimum.
8. Hitunglah selang waktu benda bergerak ke kiri.
9. Hitunglah selang waktu benda bergerak ke kanan.
10. Carilah kedudukan benda pada saat benda tepat berbalik arah.
11. Hitunglah panjang lintasan yang ditempuh selama 3 detik pertama.
CONTOH 4.
Suatu benda bergerak sepanjang sumbu x dengan percepatan sebesar :
A = 2x + 4 pada saat x = 0 v = 4 m/s. Hitunglah kecepatannya pada x = 4 meter.
CONTOH 5.
a(m/s2)
6
4
0 4 7 t(s)
Suatu benda bergerak sepanjang sumbu x dengan grafik percepatan terhadap waktu seperti grafik di atas. Pada saat t = 0 , v = 2 m/s dan x = 10 m.
2. Hitunglah keceptan rata-rata pada selang waktu t = 3 detik dan
t = 6 detik.
3. Hitunglah jarak yang ditempuh t = 0 hingga detik ke lima.
TUGAS SOAL-SOAL
1. Sebuah partikel bergerak searah dengan sumbu x , percepatannya a = 5t + 4 (a dalam
m/s2 dan t dalam detik). Mula-mula partikel tersebut terletak pada x = 10 meter
dengan kecepatan 6 m/detik. Tentukanlah :
a. Posisi partikel pada t = 4 detik.
b. Kecepatan partikel pada t = 5 detik.
c. Posisi partikel pada saat kecepatannya 12 m/detik.
d. Kecepatan partikel pada saat percepatannya 20 m/s2.
2. Suatu benda bergerak sepanjang sumbu-x mengikuti persamaan x = 2t3 + 5t2 - 5 dengan x dalam meter dan t dalam detik.
a. Tentukan persaman kecepatan dan persamaan percepatan.
b. Tentukan posisi, kecepatan dan percepatan pada t = 2 s.
c. Tentukan kecepatan rata-rata serta percepatan rata-rata antara t = 2 s dan t = 3 s.
3. Benda dengan kecepatan awal nol dipercepat dengan ax = 3 m/s2 dan ay = -4 m/s2
selama periode 2 detik. Carilah besar dan arah v pada akhir dari waktu itu.
4. Gerakan sebuah partikel merupakan fungsi posisi yang dinyatakan dengan persamaan a = 4x + 3 (a dalam m/det2 dan x dalam meter) pada saat x = 0 kecepatannya 2 m/detik. Tentukan kecepatan partikel tersebut pada saat x = 6 m
5. Suatu benda bergerak sepanjang sumbu x dengan :
Dimana posisi benda tersebut pada saat kecepatnnya maksimum.
6. Suatu benda mempunyai vector posisi :
dan
Tentukan persamaan kecepatan pada saat perlajuannya 2 satuan.
7. a (m/s )
6
t (s)
3 6 12
Benda bergerak sepanjang sumbu x menurut grafik percepatan seperti di atas.
Pada saat t = 0, v = 0 dan r = 0. carilah posisi benda pada saat detik ke-9
8. a(m/s )
4 A B
2
2 4 t (s)
Benda A dan B bergerak sepanjang sumbu x, menurut grafik percepatan di atas, keduanya berangkat bersamaan dan dari tempat yang sama menuju arah yang sama, pada saat t = 0, v = 0 dan r = 0, kapan dan dimana A dan B bertemu kembali.
----o0o---o0o---o0o---o0o----
GRAFITASI
Sir Isaac Newton yang terkenal dengan hukum-hukum Newton I, II dan III, juga terkenal dengan hukum Grafitasi Umum. Didasarkan pada partikel-partikel bermassa senantiasa mengadakan gaya tarik menarik sepanjang garis yang menghubungkannya, Newton merumuskan hukumnya tentang grafitasi 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
F = Gaya grafitasi, satuan : NEWTON.
G = Konstanta grafitasi, besarnya :
G = 6,67 x 10-11
m = massa benda, satuan : KILOGRAM
r = jarak antara kedua partikel, satuan : METER
Gaya grafitasi adalah besaran vektor yang arahnya senantiasa menuju pusat massa partikel.
Untuk gaya grafitasi 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 :
Gambar :
LATIHAN SOAL
1. Dua buah benda masing-masing massanya 10 kg dan 20 kg terpisahkan pada jarak 2 meter satu dengan yang lain. Tentukan gaya grafitasi antara kedua benda itu.
( jawab : 3,34 x 10-19 N )
2. Gaya tarik grafitasi 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 grafitasi 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 meter. Tentukanlah gaya tarik grafitasi yang dialami oleh bola bermassa 5 kg yang terletak pada jarak 2 meter dari kedua massa tersebut.
6. Sebuah bola bermassa 3 kg terletak pada titik pusat sistem sumbu koordinat. Bola lainya yang masing-masing bermassa sebesar 16 kg, 36 kg dan 25 kg terletak pada titik-titik ( 4,0 ), ( 4,5 ) dan ( 0,5 ). Satuan koordinat dalam meter. Tentukanlah gaya yang dialami oleh bola bermassa 3 kg itu.
( jawab : 7,43 GN )
7. Dua massa masing-masing dari 2kg dan 8 kg terpisah sejauh 1,2 meter. Tentukanlah gaya grafitasi pada massa 1 kg yang terletak pada suatu titik 0,4 meter dari massa 2 kg dan 0,8 meter dari massa 8 kg.
( jawab : 0 )
8. Dua buah bermassa 2 kg dan 12,5 kg terpisah pada jarak 7 meter. Tentukanlah letak bola bermassa 6 kg sehingga gaya tarik grafitasi yang dialaminya sama dengan nol.
( jawab : 2 meter dari bola bermassa 2 kg )
9. Dua buah benda bermassa pada saat terpisah sejauh 2 meter saling mengerjakan gaya sebesar 4 g. Bila jarak antaranya di jadikan 4 meter, tentukanlah gaya tarik menarik yang dikerjakan kedua benda itu.
10. Di titik A dan C dari suatu bujur sangkar ABCD ditempatkan massa sebesar 1 kg dan 0,5 kg. Bila gaya tarik menarik antara kedua massa tersebut besarnya 0,5 Gnewton, tentukanlah panjang sisi bujur sangkar tersebut.
( jawab : meter )
MEDAN GRAFITASI
Kuat medan grafitasi ( intensitas grafitasi ) oleh gaya grafitasi didefinisikan sebagai :
Perbandingan antara gaya grafitasi yang dikerjakan oleh medan dengan massa yang dipengaruhi oleh gaya grafitasi tersebut.
Dalam bentuk persamaan, dapat dinyatakan dengan :
g =
g = kuat medan grafitasi ; satuan : N.kg-1
F = Gaya grafitasi satuan : N
m = Massa benda satuan : kg
KUAT MEDAN GRAFITASI OLEH BENDA BERMASSA.
Kuat medan grafitasi dapat ditimbulkan oleh suatu benda bermassa. Misalkan dua buah benda bermassa masing-masing m dan m’ terpisah pada jarak r. Maka gaya grafitasi oleh kedua benda itu adalah :
F = G Bila kita hitung kuat medan grafitasi yang dilami oleh massa m’ sebagai akibat dari gaya grafitasi di atas, maka di peroleh :
Persamaan di atas menunjukkan kuat medan grafitasi oleh benda bermassa m pada suatu titik berjarak r dari benda itu.
Kuat medan grefitasi adalah suatu besaran vektor yang arahnya senantiasa menuju ke pusat benda yang menimbulkannya. Karena : kuat medan grafitasi di suatu titik oleh beberapa benda bermassa diperoleh dengan menjumlahkan vektor-vektor medan grafitasi oleh tiap-tiap benda.
Sebagai contoh : Kuat medan grafitasi yang disebabkan oleh kedua dua buah benda yang kuat medannya saling membentuk sudut , dapat dinyatakan dengan persamaan :
LATIHAN SOAL
1. Suatu massa yang besarnya 2 kg berada pada suatu tempat dibawah pengaruh gaya grafitasi sebesar 5 x 10-10 N. Tentukanlah kuat medan grafitasi yang dialami oleh itu.
( jawab : 2,5 x 10-10 )
2. Tentukanlah kuat medan grafitasi 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 grafitasi 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 grafitasi di titik pusat koordinat.
( jawab : 2,5 G N/kg )
5. Dua buah bola bermassa masing-masing besarnya 4 kg terpisah pada jarak 2 . Tentukanlah kuat medan grafitasi pada suatu titik yang berjarak 2 cm dari kedua massa itu.
( jawab : G N/kg )
6. Dua buah benda bermassa masing-masing 0,4 kg terpisah pada jarak 1,2 meter satu dengan yang lain. Tentukanlah kuat medan grafitasi di suatu titik yang terletak 0,4 meter dari massa 0,4 kg dan 0,8 meter dari massa 0,8 kg.
( jawab : 1,25 GN/kg )
7. Massa bulan ialah satu perdelapan puluh satu dari massa bumi dan jari-jarinya seperempat jari-jari bumi. Tentukanlah perbandingan periode sebuah ayunan di permukaan bumi dengan permukaan bulan.
( jawab : 4 : 9 )
ENERGI POTENSIAL GRAFITASI
Benda bermassa m yang terletak diluar bumi, energi potensial grafitasinya pada jarak r dari pusat bumi, dinyatakan dengan persamaan :
Ep = - G
Ep = Energi potensial grafitasi
G = Konstanta grafitasi
M = massa bumi
m = massa benda
r = Jarak pusat benda ke pusat bumi.
Tanda negatif (-) berarti jika benda bergerak di bawah pengaruh gaya grafitasi 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 grafitasi merubah energi potensial menjadi energi kinetik. Pada waktu sampai di bumi energi kinetik benda sama dengan energi potensial grafitasi. Jadi :
m = massa benda.
M = massa bumi.
R = jari - jari bumi.
v = kecepatan benda di permukaan bumi.
HUKUM KEKEKALAN ENERGI
Hukum kekekalan energi mekanik total berlaku untuk medan grafitasi dan harganya adalah :
Emek = Ek + Ep
Emek =
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 ( )
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 ( )
WA----> B = Usaha dari A ke B.
POTENSIAL GRAFITASI
Potensial grafitasi didefinisikan sebagai :
Tenaga potensial grafitasi per satuan massa.
Dapat dinyatakan dengan persamaan :
v = potensial grafitasi, satuan : Joule/kg.
Ep = Energi potensial grafitasi, satuan : Joule
m = massa benda, satuan : kg.
POTENSIAL GRAFITASI OLEH BENDA BERMASSA
Energi potensial grafitasi benda bermassa m’ yang terletak pada jarak r dari pusat massa benda bermassa m dapat kita nyatakan dengan persamaan :
Ep = - G
Bila massa m’ terletak dititik p maka potensial grafitasi di titik p yang dialami oleh massa m’ dapat ditentukan sebagai berikut :
V = potensial grafitasi pada jarak r dari massa m
m = massa benda
r = jarak tempat yang mengalami potensial grafitasi ke benda.
Potensial grafitasi merupakan besaran skalar, karena itu potensial yang disebabkan oleh berapa benda bermassa merupakan jumlah aljabar dari potensial grafitasi masing-masing benda bermassa itu, Jadi :
Vt = V1 + V2 + V3 + ...... + Vn
Beda potensial antara dua titik dalam medan grafitasi 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.
LATIHAN SOAL.
1. Tentukanlah energi potensial grafitasi 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 grafitasi 6,67 x 1011 Nm2/kg2.
( jawab : 6,3 x 107 joule )
2. Tentukan energi potansial grafitasi 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 grafitasi yang besarnya sama dengan 5 x 108 joule. Tentukanlah potensial grafitasi yang dialami oleh benda itu.
( jawab : -5 x 107 joule/kg )
4. Tentukanlah potensial grafitasi 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 grafitasi 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.
( jawab : a . -7 G J/kg ; b. 0,02 G joule )
6. Dua massa masing-masing 0,2 kg dan 0,8 kg terpisah sejauh 0,12 meter.
a. Tentukan potensial grafitasi pada titik 0,04 meter dari massa 0,2 kg dan 0,08 meter
dari massa 0,8 kg.
( jawab : -15 G J/kg )
b. Berapa usaha yang diperlukan untuk memindahkan massa sebesar 1 kg dari titik jauh tak hingga kesuatu titik yang terletak 0,08 meter dari massa 0,8 kg.
HUKUM KEKEKALAN ENERGI
Untuk gerakan benda dalam medan grafitasi yang tidak sama kekuatan di semua titik, hendaknya dipecahkan dengan perhitungan potensial grafitasi atau tenaga potensial grafitasi. 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 grafitasi yang ditimbulkan oleh titik tunggal yang tetap atau bola homogen bermassa m. Sehingga :
Ek = mv2 dan Ep = m V = - G
Akhirnya kita dapatkan bahwa :
m(v1)2 - G = m(v2)2 - G
(v2)2 = (v1)2 + 2G M ( )
LATIHAN SOAL.
1. Massa bulan kira-kira 6,7 x 1022 kg dan radiusnya 1,5 x 106 meter. Hitunglah dengan kecepatan berapa suatu benda harus ditembakkan dari permukaan bulan hingga mencapai jarak yang sama dengan radius bulan.
( jawab : 1,7 x 103 m/det )
2. Berapakah kecepatan penembakkan keatas sebuah benda dari permukaan bumi agar benda itu dapat mencapai tinggi 640 Km. Percepatan grafitasi di anggap konstan dan besarnya sama dengan 10 m/det2. Jari-jari bumi 6.400 Km.
( jawab : 3,4 x 103 m/det )
3. Sebuah titik bermassa dilepaskan dari jarak 3R dari pusat bola rongga berdinding tipis dari keadaan berhenti. Bola itu radiusnya R, massanya M dan letaknya tetap. Gaya yang bekerja pada titik bermassa tersebut hanyalah gaya grafitasi yang ditimbulkan oleh bola rongga tadi. Pada bola itu ada lubangnya kecil yang dapat dilalui titik bermassa waktu jatuh.
a. Berapakah kecepatannya ketika tepat sampai pada lubang itu ?
b. Berapakah kecepatannya ketika lewat titik pusat bola.
( jawab : a. b. )
4. Berapakah kecepatannya yang diperoleh sebuah benda yang jatuh dari ketinggian h menuju ke permukaan bumi ? Abaikan gesekan. Nyatakan jawabnya dengan percepatan g dipermukaan Bumi dan radius bumi R. Dalam hal ini h dianggap demikian besar, hingga perubahan percepatan grafitasi harus diperhitungkan.
( jawab : )
5. Tentukan dengan kecepatan berapa suatu benda harus ditembakkan dari permukaan bumi sehingga mencapai ketinggian sama dengan 2 kali jari=jari bumi.
( jawab : )
KELAJUAN LEPAS
Sebuah benda yang dilemparkan lurus ke atas dari permukaan bumi hanya dapat naik sampai jarak tertentu pada waktu energi Kinetik benda sama dengan nol, kemudian akan kembali lagi ke permukaan bumi. Jika suatu benda dilemparkan dari permukaan bumi dengan energi kinetik yang besarnya sama dengan energi potensial dipermukaan bumi, maka energi totalnya sama dengan nol.
Ini berarti benda bergerak ke jauh tak terhingga atau lepas dari bumi. Kelajuan awal agar ini terjadi disebut kelajuan lepas, dan dapat ditentukan dengan persamaan :
mv2 = G
v = kelajuan lepas
R = jari-jari bumi
g = percepatan grafitasi bumi.
GERAKAN PLANET
Menurut Keppler ( hukum Keppler ), perbandingan antara T2 dari gerakan planet yang mengelilingi matahari terhadap r3 adalah konstan.
T = periode
r = jari-jari lintasan
( T1 )2 : ( T2 )2 = ( r1 )3 : ( r2 )3
Dan dari gerak melingkar beraturan dapat kita peroleh :
v =
Karena planet bergerak pada lintasan yang tetap maka terdapat gaya centripetal yang mempertahankan planet tetap pada lintasannya.
Gaya sentripetal dalam hal ini adalah gaya grafitasi yang dialami oleh planet yang disebabkan oleh matahari.
Bila massa planet m dan massa planet m dan massa matahari M maka gaya grafitasi antara planet dan matahari pada jarak r, adalah :
Gaya ini merupakan gaya centripetal. Bila selama mengitari matahari planet bergerak dengan laju tetap sebesar v, maka dapat dinyatakan bahwa :
Jika planet bergerak dengan kelajuan sudut maka dapat dinyatakan suatu persamaan dalam bentuk : 2
= kelajuan sudut
M = massa matahari
r = jari-jari lintasan
USAHA DAN ENERGI
U S A H A
Usaha adalah hasil kali komponen gaya dalam arah perpindahan dengan perpindahannya.
Jika suatu gaya F menyebabkan perpindahan sejauh , maka gaya F melakukan usaha sebesar W, yaitu
W = F cos .
F
F cos
W = usaha ; F = gaya ; = perpindahan , = sudut antara gaya dan perpindahan
SATUAN
BESARAN SATUAN MKS SATUAN CGS
Usaha (W) joule erg
Gaya (F) newton dyne
Perpindahan ( )
meter cm
1 joule = 107 erg
Catatan : Usaha (work) disimbolkan dengan huruf besar W
Berat (weight) disimbolkan dengan huruf kecil w
Jika ada beberapa gaya yang bekerja pada sebuah benda, maka usaha total yang dilakukan terhadap benda tersebut sebesar :
Jumlah usaha yang dilakukan tiap gaya, atau
Usaha yang dilakukan oleh gaya resultan.
D A Y A
Daya (P) adalah usaha yang dilakukan tiap satuan waktu.
P =
P = daya ; W = usaha ; t = waktu
Daya termasuk besaran scalar yang dalam satuan MKS mempunyai satuan watt atau J/s
Satuan lain adalah : 1 HP = 1 DK = 1 PK = 746 watt
HP = Horse power ; DK = Daya kuda ; PK = Paarden Kracht
1 Kwh adalah satuan energi besarnya = 3,6 .106 watt.detik = 3,6 . 106 joule
KONSEP ENERGI
Suatu system dikatakan mempunyai energi/tenaga, jika system tersebut mempunyai kemampuan untuk melakukan usaha. Besarnya energi suatu system sama dengan besarnya usaha yang mampu ditimbulkan oleh system tersebut. Oleh karena itu, satuan energi sama dengan satuan usaha dan energi juga merupakan besaran scalar.
Dalam fisika, energi dapat digolongkan menjadi beberapa macam antara lain :
Energi mekanik (energi kinetik + energi potensial) , energi panas , energi listrik, energi kimia, energi nuklir, energi cahaya, energi suara, dan sebagainya.
Energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan yang terjadi hanyalah transformasi/perubahan suatu bentuk energi ke bentuk lainnya, misalnya dari energi mekanik diubah menjadi energi listrik pada air terjun.
ENERGI KINETIK.
Energi kinetik adalah energi yang dimiliki oleh setiap benda yang bergerak. Energi kinetik suatu benda besarnya berbanding lurus dengan massa benda dan kuadrat kecepatannya.
Ek = ½ m v2
Ek = Energi kinetik ; m = massa benda ; v = kecepatan benda
SATUAN
BESARAN SATUAN MKS SATUAN CGS
Energi kinetik (Ek) joule erg
Massa (m) Kg gr
Kecepatan (v) m/det cm/det
Usaha = perubahan energi kinetik.
W = Ek = Ek2 – Ek1
ENERGI POTENSIAL GRAFITASI
Energi potensial grafitasi adalah energi yang dimiliki oleh suatu benda karena pengaruh tempatnya (kedudukannya). Energi potensial ini juga disebut energi diam, karena benda yang diam-pun dapat memiliki tenaga potensial.
Sebuah benda bermassa m digantung seperti di bawah ini.
g
h
Jika tiba-tiba tali penggantungnya putus, benda akan jatuh.
Maka benda melakukan usaha, karena adanya gaya berat (w) yang menempuh jarak h.
Besarnya Energi potensial benda sama dengan usaha yang sanggup dilakukan gaya beratnya selama jatuh menempuh jarak h.
Ep = w . h = m . g . h
Ep = Energi potensial , w = berat benda , m = massa benda ; g = percepatan grafitasi ; h = tinggi benda
SATUAN
BESARAN SATUAN MKS SATUAN CGS
Energi Potensial (Ep) joule erg
Berat benda (w) newton dyne
Massa benda (m) Kg gr
Percepatan grafitasi (g) m/det2 cm/det2
Tinggi benda (h) m cm
Energi potensial grafitasi tergantung dari :
percepatan grafitasi bumi
kedudukan benda
massa benda
ENERGI POTENSIAL PEGAS.
Energi potensial yang dimiliki benda karena elastik pegas.
Gaya pegas (F) = k . x
Ep Pegas (Ep) = ½ k. x2
k = konstanta gaya pegas ; x = regangan
Hubungan usaha dengan Energi Potensial :
W = Ep = Ep1 – Ep2
ENERGI MEKANIK
Energi mekanik (Em) adalah jumlah antara energi kinetik dan energi potensial suatu benda.
Em = Ek + Ep
HUKUM KEKEKALAN ENERGI MEKANIK.
Energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan.
Jadi energi itu adalah KEKAL.
Em1 = Em2
Ek1 + Ep1 = Ek2 + Ep2
=====o0o======
LATIHAN SOAL.
* Sebuah benda meluncur di atas papan kasar sejauh 5 m, mendapat perlawanan gesekan dengan papan sebesar 180 newton. Erapa besarnya usaha dilakukan oleh benda tersebut.
* Gaya besarnya 60 newton bekerja pada sebuah gaya. Arah gaya membentuk sudut 30o dengan bidang horizontal. Jika benda berpindah sejauh 50 m. Berapa besarnya usaha ?
* Gaya besarnya 60 newton menyebabkan benda yang massanya 15 kg (g = 10 m/s2) berpindah horizontal sejauh 10 m. Berapa besarnya usaha dan besarnya perubahan energi potensial.
* Berapa besar usaha jika sebuah elevator yang beratnya 2000 N dinaikkan setinggi 80 m ? Berapa besar energi potensial elevator setelah dinaikkan ?
* Berapa besar usaha untuk menaikkan 2 kg setinggi 1,5 m di atas lantai ? Berapa besar energi potensial benda pada kedudukan yang baru ? (g = 10 m/s2)
* Berapa besar gaya diperlukan untuk menahan 2 kg benda, tetap 1,5 m di atas lantai dan berapa besar usaha untuk menhan benda tersebut selama 5 detik
( g = 9,8 m/s2)
* Untuk menaikkan kedudukan benda yang massanya 200 kg ke tempat x meter lebih tinggi, diperlukan kerja sebesar 10.000 joule. Berapa x ? (g = 9,8 m/s2)
* Gaya besarnya 300 newton dapat menggerakkan benda dengan daya 1 HP. Berapa besarnya kecepatan benda.
* Berapa besar energi kinetik suatu benda yang bergerak dengan kecepatan 20 m/s, jika massa benda 1000 kg ?
* Benda massanya 1 kg mempunyai energi kinetik besarnya 1 joule berapa kecepatan benda ?
* Benda yang massanya 2 kg (g = 9,8 m/s2) jatuh dari ketinggian 4 m di ats tanah. Hitung besar energi potensial benda dalam joule dan dalam erg.
* Benda massanya 5 kg, jatuh dari ketinggian 3 m di atas tanah ( g = 9,8 m/s2) Berapa energi kinetik benda pada saat mencapai tanah ?
* Benda massanya m kg bergerak di atas papan kasar dengan kecepatan 10 m/s. Jika besarnya koefisien gesekan 0,25. Hitunglah waktu dan jarak yang ditempuh benda setelah benda berhenti (g = 10 m/s2)
* Sebuah bom yang massanya m kg ditembakkan dengan kecepatan 600 m/s oleh meriam yang panjangnya 6 m. Berapa besar gaya yang diperlukan untuk menembakkan bom tersebut ?
* Gaya besarnya 80 newton bekerja pada benda massanya 50 kg. Arah gaya membentuk sudut 30o dengan horizontal. Hitung kecepatan benda setelah berpindah sejauh 10 m.
* Benda beratnya w Newton (g = 9,8 m/s2) mula-mula dalam keadaan diam. Gaya besarnya 10 newton bekerja pada benda selama 5 detik. Jika gaya telah melakukan usaha sebesar 2500 joule, berapa w dan berapa besarnya daya dalam watt dan HP.
* Benda yang massanya 2 kg sedang bergerak. Berapa besar usaha untuk :
menaikkan kecepatan benda dari 2 m/s menjadi 5 m/s
Menghentikan gerak benda yang kecepatannya 8 m/s (g = 9,8 m/s2)
* Kereta api beratnya 196.000 newton bergerak dengan kecepatan 54 km/jam. Kereta api itu dihentikan oleh rem yang menghasilkan gaya gesek besarnya 6000 newton. Berapa besar usaha gaya gesek dan berapa jarak ditempuh kereta api selama rem, bekerja (g = 9,8 m/s2)
* Sebuah batu massanya 0,2 kg ( g = 9,8 m/s2) dilemparkan vertical ke bawah dari ketinggian 25 m dan dengan kecepatan awal 15 m/s. Berapa energi kinetik dan energi potensial 1 detik setelah bergerak ?
* Di dalam suatu senapan angin terdapat sebuah pegas dengan konstanta pegas 25.000 dyne/cm. Ketika peluru dimasukkan, per memendek sebanyak 2 cm. Hitunglah berapa kecepatan peluru ketika keluar dari senapan itu. Gesekan peluru dengan dinding senapan diabaikan, massa peluru 5 gram.
* Sebuah benda dijatuhkan bebas dari ketinggian 200 m jika grafitasi setempat 10 m/s2 maka hitunglah kecepatan dan ketinggian benda saat Ek = 4 Ep
* Sebuah benda jatuh bebas dari ketinggian 78,4 m (g = 9,8 m/s2) Hitunglah keceptan benda waktu tiba di tanah ?
* Sebuah peluru massa 10 gram mengenai paha dan menembus sedalam 3 cm dengan kecepatan 600 m/s. Hitunglah gaya yang diderita paha tersebut.
====o0o====
KESEIMBANGAN BENDA TEGAR
Pendahuluan.
Dalam cabang ilmu fisika kita mengenal MEKANIKA.
Mekanika ini dibagi dalam 3 cabang ilmu yaitu :
a. KINEMATIKA = Ilmu gerak
Ilmu yang mempelajari gerak tanpa mengindahkan penyebabnya.
b. DINAMIKA = Ilmu gaya
Ilmu yang mempelajari gerak dan gaya-gaya penyebabnya.
c. STATIKA = Ilmu keseimbangan
Ilmu yang mempelajari tentang keseimbangan benda.
Untuk cabang kinematika dan dinamika sudah dipelajari dikelas satu dan dua. Pada bab ini kita akan membahas mengenai STATIKA. dan benda-benda yang ditinjau pada bab ini dianggap sebagai benda tegar.
Definisi-definisi yang harus dipahami pada statika.
a. Keseimbangan / benda seimbang artinya :
Benda dalam keadaan diam atau pusat massanya bergerak dengan kecepatan tetap.
b. Benda tegar : adalah suatu benda yang tidak berubah bentuk bila diberi gaya luar.
c. Partikel : adalah benda dengan ukuran yang dapat diabaikan, sehingga benda dapat digambarkan sebagai titik dan gerak yang dialami hanyalah gerak translasi.
Momen gaya : adalah kemampuan suatu gaya untuk dapat menyebabkan gerakan rotasi. Besarnya MOMEN GAYA terhadap suatu titik sama dengan perkalian gaya dengan lengan momen. = d . F
= momen gaya
d = lengan momen
F = gaya
Lengan momen : adalah panjang garis yang ditarik dari titik poros sampai memotong tegak lurus garis kerja gaya.
Perjanjian tanda untuk MOMEN GAYA.
* Momen gaya yang searah jarum jam bertanda POSITIF.
* Momen gaya yang berlawanan arah jarum jam bertanda NEGATIF.
g. Koppel : adalah dua gaya yang sama besar tetapi berlawanan arah dan memiliki garis-garis kerja yang berbeda.
Momen koppel terhadap semua titik sama besar, yaitu : F . d
h. Pasangan gaya aksi - reaksi.
W1 = Gaya berat balok W2 = Gaya berat tali
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.
Macam - macam Keseimbangan.
Ada 3 macam keseimbangan, yaitu :
a. Keseimbangan translasi apabila benda tak mempunyai percepatan linier ( a = 0 )
F = 0
dapat diurai ke sumbu x dan y
Fx = 0 dan Fy = 0
Fx = Resultan gaya pada komponen sumbu x.
Fy = Resultan gaya pada komponen sumbu y.
Benda yang mempunyai persyaratan tersebut mungkin :
- Diam
- Bergerak lurus beraturan.
b. Keseimbangan rotasi, apabila benda tidak memiliki percepatan anguler atau benda tidak berputar ( = 0 )
= 0
Benda yang mempunyai persyaratan tersebut mungkin :
- Diam
- Bergerak melingkar beraturan.
c. Keseimbangan translasi dan rotasi, apabila benda mempunyai kedua syarat keseimbangan yaitu :
F = 0
= 0
Dari macam-macam keseimbangan yang telah kita ketahui tersebut maka dapat diperjelas denga uraian berikut ini tentang :
SYARAT-SYARAT SEBUAH BENDA DALAM KEADAAN SETIMBANG/DIAM.
a. Jika pada sebuah benda bekerja satu gaya F.
Syarat setimbang :
Pada garis kerja gaya F itu harus diberi gaya F’ yang besarnya sama dengan gaya F itu tetapi arahnya berlawanan.
b. Jika pada benda bekerja gaya-gaya yang terletak pada satu bidang datar dan garis kerjanya melalui satu titik.
Syarat setimbang :
1. Gaya resultanya harus sama dengan nol.
2. Kalau dengan pertolongan sumbu-sumbu x dan y, haruslah :
Fx = 0 ; Fy = 0
c. Jika pada sebuah benda bekerja gaya-gaya yang tidak terletak pada satu bidang datar tetapi garis-garis kerjanya melalui satu titik.
Syarat setimbang :
Dengan pertolongan sumbu-sumbu x, y dan z, haruslah :
Fx = 0 ; Fy = 0 ; Fz = 0
d. Jika pada sebuah benda bekerja gaya-gaya yang tidak terletak pada satu bidang datar tetapi garis-garis kerjanya tidak melalui satu titik.
Syarat setimbang :
Dengan pertolongan sumbu-sumbu x dan y, haruslah :
Fx = 0 ; Fy = 0 ; = 0
Momen gaya-gaya boleh diambil terhadap sebarang titik pada bidang gaya-gaya itu. ( titik tersebut kita pilih sedemikian hingga memudahkan kita dalam menyelesaikan soal-soal )
* Perpindahan sebuah gaya kesuatu titik yang lain akan menimbulkan suatu koppel.
Keseimbangan Stabil, Labil dan Indiferen ( Netral )
Pada benda yang diam ( Statis ) kita mengenal 3 macam keseimbangan benda statis, yaitu :
a. Stabil ( mantap / tetap )
b. Labil ( goyah / tidak tetap )
c. Indiferen ( sebarang / netral )
Contoh-contoh :
1. Untuk benda yang digantung.
Keseimbangan stabil : apabila gaya yang diberikan padanya dihilangkan. Maka ia akan kedudukan semula.
Sebuah papan empat persegi panjang digantungkan pada sebuah sumbu mendatar di P ( sumbu tegak lurus papan ). Titik berat Z dari papan terletak vertikal di bawah titik gantung P, sehingga papan dalam keadaan ini setimbang stabil. Jika ujung A papan di putar sedikit sehingga titik beratnya semula ( Z ), maka kalau papan dilepaskan ia akan berputar kembali kekeseimbangannya semula.
Hal ini disebabkan karena adanya suatu koppel dengan gaya berat G dan gaya tegangan tali T yang berputar kekanan. ( G = N ), sehingga papan tersebut kembali kekeseimbangannya semula yaitu seimbang stabil.
Keseimbangan labil : Apabila gaya yang diberikan padanya dihilangkan, maka ia tidak akan dapat kembali ke kedudukan semula.
Kalau titik gantung P tadi sekarang berada vertikal di bawah titik berat Z maka papan dalam keadaan seimbang labil Kalau ujung A papan diputar sedikit naik kekiri sehingga titik beratnya sekarang ( Z’ ) di bawah titik beratnya semula ( Z ), maka kalau papan dilepaskan ia akan berputar turun ke bawah, sehingga akhirnya titik beratnya akan berada vertikal di bawah titik gantung P. Hal ini disebabkan karena adanya suatu koppel dengan gaya berat G dan gaya tekanan ( tegangan tali ) T yang berputar kekiri ( G = T ), sehingga papan turun ke bawah dan tidak kembali lagi kekeseimbangannya semula.
Keseimbangan indiferen : Apabila gaya yang diberikan padanya dihilangkan, maka ia akan berada dalam keadaan keseimbangan, tetapi di tempat yang berlainan.
Kalau titik gantung P tadi sekarang berimpit dengan titik berat Z, maka papan dalam keadaan ini setimbang indiferen. Kalau ujung A papan di putar naik, maka gaya berat G dan gaya tekanan T akan tetap pada satu garis lurus seperti semula ( tidak terjadi koppel ) sehingga papan di putar bagaimanapun juga ia akan tetap seimbang pada kedudukannya yang baru.
2. Untuk benda yang berada di atas bidang datar.
Keseimbangan stabil :
Sebuah pararel epipedum siku-siku ( balok ) diletakkan di atas bidang datar, maka ia dalam keadaan ini seimbang stabil, gaya berat G dan gaya tekanan N yang masing-masing bertitik tangkap di Z ( titik berat balok ) dan di A terletak pada satu garis lurus. Kalau balok tersebut diputar naik sedikit dengan rusuk B sebagai sumbu perputarannya, maka gaya tekanan N akan pindah ke B, dan dalam keadaan ini akan pindah ke B, dan dalam keadan ini akan timbul suatu koppel dengan gaya-gaya G dan N yang berputar ke kanan ( G = N ) sehingga balok tersebut kembali keseimbangannya semula yaitu seimbang stabil.
Keseimbangan labil : Sebuah pararel epipedum miring ( balok miring ) yang bidang diagonalnya AB tegak lurus pada bidang alasnya diletakkan diatas bidang datar, maka ia dalam keadaan ini setimbang labil, gaya berat G dan gaya tekanan N yang masing-masing melalui rusuk B dari balok tersebut terletak pada satu garis lurus.
Titik tangkap gaya tekanan N ada pada rusuk N. Kalau balok tersebut diputar naik sedikit dengan rusuk B sebagai sumbu putarnya, maka gaya tekanan N yang berputar kekiri ( G = N ), sehingga balok tersebut akan turun kebawah dan tidak kembali lagi kekeseimbangannya semula.
Keseimbangan indiferen : Sebuah bola diletakkan diatas bidang datar ia dalam keadaan ini seimbang indiferen.
Kalau bola dipindah / diputar, maka gaya berat G dan gaya tekanan N akan tetap pada satu garis lurus seperti semula ( tidak terjadi koppel ), sehingga bola berpindah / berputar bagaimanapun juga ia akan tetap seimbang pada kedudukan yang baru.
Kesimpulan.
Dari contoh-contoh di atas dapat disimpulkan :
a. Kalau sebuah benda yang dalam keadaan seimbang stabil diadakan perubahan kecil, maka titik berat benda tersebut akan naik. ( sehingga timbul koppel )
b. Kalau pada sebuah benda yang dalam keadaan seimbang labil diadakan perubahan kecil, maka titik berat benda tersebut akan turun. ( sehingga timbul koppel )
c. Kalau pada sebuah benda yang dalam keadaan setimbang indiferen diadakan perubahan kecil, maka titik berat benda tersebut akan tetap sama tingginya seperti semula. (sehingga tidak timbul koppel).
Jenis gaya-gaya yang menyebabkan sebuah benda/benda seimbang.
GAYA LUAR ( gaya aksi )
GAYA -
GAYA DALAM ( gaya reaksi )
- gaya tekanan / gaya tarikan
- gaya sendi / engsel
- gaya tegangan tali
- gaya gesekan / geseran.
Gaya- gaya tersebut akan di bahas masing-masing dalam contoh-contoh latihan soal.
LATIHAN SOAL
Hitunglah T1 dan T2 dari susunan kesetimbangan di bawah ini.
5. Hitunglah Gaya T pada susunan kesetimbangan ini.
6. Seandainya benda-benda yang massanya mA = 20 kg dan mB = 50 kg disusun sedemikian hingga terjadi kesetimbangan, dengan tg = 3/4
Hitunglah mC jika lantai pada bidang miring licin sempurna.
Hitunglah 2 kemungkinan jawab untuk mC jika bidang miring kasar dengan koefisien gesekan statis 0,3
7. Gaya 8 N, 6 N, 5 N, 3 N, 7 N, 9 N dan 4 N bekerja terhadap persegi panjang yang sisi-sisinya berukuran : 4 m x 2 m seperti terlihat pada gambar.
Tentukan jumlah aljabar momen gaya dengan pusat :
a. Titik A b. Titik B c. Titik C d. Titik O
8. Pada sebuah batang horisontal AC yang panjangnya 10 m bekerja tiga buah gaya 3 N, 2 N dan 4 N seperti terlihat pada gambar ! Tentukan :
a. Resultan dari gaya-gaya tersebut.
b. Momen gaya yang bekerja pada sumbu-sumbu yang melalui A, B dan C
c. Letak titik tangkap gaya Resultannya.
9. Batang AB yang panjangnya 5 meter dan beratnya boleh diabaikan, padanya bekerja 5 buah gaya seperti tampak pada gambar di bawah ini. Jika tg = 3/4.
Tentukan besar dan letak dari gaya resultannya.
10. Batang AB yang mempunyai panjang 6 m mendapat gaya pada ujung-ujungnya seperti tampak pada gambar. Tentukan besar dan letak gaya resultannya.
11. Sebuah batang homogen AB panjangnya 6m dan massanya 40 kg ditahan pada kedua ujungnya. Dimana kita harus menempatkan beban 2000 N pada batang itu agar tekanan-tekanan di A dan B berbanding sebagai 2 : 1 . Berat batang dianggap bertitik tangkap di tengah-tengah batang.
12. Suatu batang AB yang homogen, massanya 30 kg, panjangnya 5 meter, menumpu pada lantai di A dan pada tembok vertikal di B. Jarak dari B ke lantai 3 meter; batang AB menyilang tegak Lurus garis potong antara lantai dan tembok vertikal. Berapa besarnya gaya K mendatar yang harus di berikan pada batang di A supaya batang tetap seimbang ? dan Hitung juga tekanan pada A dan B.
13. Suatu batang AB yang homogen, massanya 30 kg, panjangnya 6 meter, bersandar di atas tembok yang tingginya 3 meter ujung A dari batang menumpu pada lantai dan berjarak 4 meter dari tembok. Berapa besarnya gaya K mendatar yang harus diberikan pada batang di A supaya batang tetap seimbang ? dan Hitung juga gaya-gaya tekanan pada A dan C.
Gambar no. 13 Gambar no. 14
14. Pada sebuah balok kayu yang massanya 10 kg dikerjakan gaya K = 50 N yang mengarah kebawah dan garis kerjanya berimpit dengan garis kerja gaya berat balok itu. Tentukan letak dan besar gaya tekanan N ( gaya reaksi ) yang dilakukan bidang terhadap balok itu.
15. Pada sebuah balok kayu, massanya 20 kg, panjangnya 30 cm dikerjakan gaya K = 100 N ( lihat gambar ). Tentukan letak dan besar gaya tekanan N ( gaya reaksi ) yang dilakukan bidang terhadap balok itu.
16. Sebuah papan berbentuk empat persegi panjang ABCD ( beratnya diabaikan ) dapat berputar pada bidangnya disekeliling titik A sebagai sendi, AB = 4 meter ; AD = 3 meter. Persegi panjang itu setimbang karena gaya-gaya yang bekerja pada bidang persegi panjang itu ialah : K1 = 30 N pada titik C dengan arah BC; K2 = 150 N pada titik D dengan arah sejajar AC ; K pada titik B dengan arah BD.
Hitunglah : a. Besar gaya K itu b. Besar dan arah gaya sendi.
17. Sebuah batang AB massanya 10 kg, panjangnya 6 meter. Ujung B diikat dengan tali dan ujung tali yang lain diikat di C pada sebuah tembok vertikal. Ujung A dari batang bertumpu pada tembok itu juga. Dalam sikap seimbang ini tali membuat sudut 300 dengan tembok. Tentukan : a. Gaya tegangan tali.
b. Tekanan tembok di A
c. Sudut yang dibuat batang dengan tembok.
18. Sebuah batang dengan berat 50 N seperti tampak pada gambar di bawah ini. Berapa besar tegangan dalam kabel pendukungnya dan berapa komponen dari gaya yang dikerjakan oleh engsel pada batang.
19. Sebuah batang lurus homogen AB ( massanya 10 kg ) di A dihubungkan pada tembok vertikal oleh sebuah sendi, sehingga batang AB dapat berputar pada bidang yang tegak lurus pada tembok. Tengah-tengah batang AB dihubungkan dengan tali pada tembok sedemikian sehingga tali tersebut tegak lurus pada tembok dan kencang. Batang tersebut membentuk sudut 600 dengan tembok ke atas. Pada ujung B dari batang digantungkan benda massanya 30 kg.
Tentukan :
a. Diagram gaya-gaya
b. Gaya tegangan dalam tali
c. Besar dan arah gaya sendi.
20. Sebuah bidang miring AB ( panjangnya 40 meter ) bersendi pada kakinya yaitu titik A. Puncak B bidang condong dihubungkan oleh tali BC dengan tembok vertikal yang melalui A. Bidang miring ini bersudut 300 dengan horisontal dan tali BC arahnya mendatar. Pada bidang miring dan tembok vertikal bersandar sebuah bola jari-jarinya 5 meter dan massanya 10 kg. berat bidang miring diabaikan.
Tentukanlah :
a. Gaya-gaya tekanan oleh bidang miring dan tembok pada bola
b. Gaya tegangan dalam tali
c. Gaya sendi.
------o0o--------
GERAK HARMONIK
Benda yang melakukan gerak lurus berubah beraturan, mempunyai percepatan yang tetap, Ini berarti pada benda senantiasa bekerja gaya yang tetap baik arahnya maupun besarnya. Bila gayanya selalu berubah-ubah, percepatannyapun berubah-ubah pula.
Gerak yang berulang dalam selang waktu yang sama disebut Gerak Periodik. Gerak periodik ini selalu dapat dinyatakan dalam fungsi sinus atau cosinus, oleh sebab itu gerak periodik disebut Gerak Harmonik. Jika gerak yang periodik ini bergerak bolak-balik melalui lintasan yang sama disebut Getaran atau Osilasi.
Waktu yang dibutuhkan untuk menempuh satu lintasan bolak-balik disebut Periode, sedangkan banyaknya getaran tiap satuan waktu disebut Frekwensi. Hubungan antara periode (T) dan frekwensi (f) menurut pernyataan ini adalah :
Satuan frekwensi dalam SI adalah putaran per detik atau Hertz (Hz). Posisi pada saat resultan gaya bekerja pada partikel yang bergetar sama dengan nol disebut posisi seimbang.
Perhatikan sebuah benda massanya m digantungkan pada ujung pegas, pegas bertambah panjang. Dalam keadaan seimbang, gaya berat w sama dengan gaya pegas F, resultan gaya sama dengan nol, beban diam.
Dari kesimbangannya beban diberi simpangan y, pada beban bekerja gaya F, gaya ini cenderung menggerakkan beban keatas. Gaya pegas merupakan gaya penggerak, padahal gaya pegas sebanding dengan simpangan pegas.
F = - k y ; k tetapan pegas.
Mudah dipahami bahwa makin kecil simpangan makin kecil pula gaya penggerak. Gerakan yang gaya penggeraknya sebanding dengan simpangan disebut Gerak Harmonis ( Selaras ).
Bila beban dilepas dari kedudukan terbawah (A), beban akan bergerak bolak balik sepanjang garis A-O-B. Gerak bolak-balik disebut getaran dan getaran yang gaya penggeraknya sebanding dengan simpangannya disebut : Gerak Harmonis.
Simpangan yang terbesar disebut Amplitudo getaran (A).
Saat simpangan benda y, percepatannya :
A =
Besar energi potensialnya : Ep = ½ ky2
Ketika simpangannya terbesar energi kinetiknya Ek = 0, sedangkan energi potensialnya Ep = ½ kA2 ….. Jadi energi getarannya E = Ep + Ek = ½ kA2 + 0
E = ½ kA2
Energi kinetik saat simpangannya y dapat dicari dengan hukum kekekalan energi.
E = Ep + Ek
Ek = E – Ep = ½ kA2 – ½ ky2
FREKWENSI (f)
Gerakan dari A-)-B-O-A disebut satu getaran, waktu yang diperlukan untuk melakukan satu getaran disebut PERIODE (T) dan banyaknya getaran yang dilakukan dalam satu detik disebut bilangan getar atau FREKWENSI
Dalam T detik dilakukan 1 getaran
Dalam 1 detik dilakukan getaran
Jadi : f =
Satuan T dalam detik, f dalam Hertz atau cps (cycles per sekon) atau rps (rotasi per sekon)
PROYEKSI GERAK MELINGKAR BERATURAN.
Gerak bolak-balik piston menjadi gerak putaran pada sebuah kendaraan bermotor, gerak putar pada sebuah mesin jahit menjadi gerak bolak-balik jarum mesin jahit, menunjukkan adanya kaitan antara gerak melingkar dengan gerak harmonik.
Gerak melingkar beraturan titik P dalam tiap-tiap saat diproyeksikan pada garis tengah MN, titik proyeksinya yakni titik Q bergerak dari O-M-O-N-O, dengan kata lain titik Q bergerak menyusuri MN bolak-balik. Apakah gerak titik Q gerak harmonik ? akan kita bahas.
M V
Vv Q
V
P
N
Amplitudo gerak titik Q adalah R dan periodenya sama dengan periode gerak melingkar beraturan. Bila dalm t detik titik P menempuh sudut , maka = .t
Dalam waktu yang sama titik Q mempunyai simpangan : y = A sin y = A sin .t
Kecepatannya saat itu = vt = v cos vt = v cos .t vt = .A cos .t
Percepatan saat itu : at = ac sin = 2 A sin .t
Oleh karena arah percepatan ke bawah, tandanya negatif :
At = -2 A sin .t
Bila massa titik Q adalah m, besar gaya yang bekerja pada titik itu :
F = m.a = -m 2 A sin .t
F = - m 2 y.
m 2 adalah bilangan yang konstan ©, sehingga : F = -k.y
Persamaan terakhir menyatakan bahwa gaya yang bekerja pada titik Q sebanding dengan simpangannya. Jadi proyeksi gerak melingkar beraturan adalah GERAK HARMONIS.
Persamaan di atas gerak mulai dari titik setimbang, jika tidak maka persamaan secara umum ditulis sbb : y = A sin (.t + o )
PERIODE GERAK HARMONIS.
k = m 2 k = m T =
m massa benda dalam kg, k tetapan pegas dalam N/m dan T periode getaran dalam detik.
PHASE ( )
Gerak harmonis sederhana akan lebih mudah diketahui bila dikenal keadaannya (phasenya). Phase suatu titik yang bergetar didefinisikan sebagai waktu sejak meninggalkan titik seimbang dibagi dengan periodenya.
Bila titik Q telah bergetar t detik maka phasenya :
Sesudah bergetar ( t + T ) detik phasenya :
Keadaan titik Q sama dengan keadaan titik Q dalam hal yang pertama.
Mudah dipahami bahwa titik-titik yang phasenya keadaannya sama.
Perbedaan phase.
Titik-titik yang phasenya sama mempunyai perbedaan phase : 0, 1, 2, 3 , 4 , ..... dst.
Titik-titik yang keadaannya berlawanan mempunyai perbedaan phase : Beberapa contoh getaran harmonis.
2. Getaran pegas.
Salah satu ujung sebuah pegas dijepit dan ujung lainnya diberi simpangan. Gaya pegas yang timbul akan menggerakkan pegas, makin kecil simpangan, makin kecil gaya penggeraknya. Gaya yang menggerakkan pehas sebanding dengan simpangannya, pegas melakukan gerak harmonis.
2. Gerak bandul Tunggal.
B O1 A
O F1
w = m.g
Bandul O tergantung pada tali yang panjangnya . Bandul diberi simpangan , sudut kecil. Bila dilepas, bandul melakukan gerak bolak-balik menyusuri AOB.
Bila massa bandul m, beratnya w = m.g. Saat bandul berada di A, gaya penggeraknya F1
F1 = m.g sin = m.g karena sudut kecil, AO1 dapat disamakan dengan : AO = y
F1 = m.g F1 =
adalah bilangan tetap, jadi F1 = k.y
Hubungan yang terakhir menyatakan bahwa gaya penggerak sebanding dengan simpangannya. Bandul melakukan gerak Harmonis. Karena gerakan bandul gerak harmonik, periodenya dapat dicari dari rumus periode Gerak harmonis.
= T =
T adalah waktu ayun bandul dalam detik, panjang bandul dalam meter, dan g percepatan grafitasi dalam m/det2.
3. Gerak zat cair dalam pipa U.
2y O
y
Pipa U yang penampangnya sama (A) sebagian berisi zat cair, permukaan zat cair menempati posisi O. Bila panjang zat cair dan massa jenisnya , massa seluruh zat cair
.A. Kemudian zat cair diberi simpangan y, perbedaan tinggi permukaan zat cair dalam kedua kaki menjadi 2y. Berat zat cair yang tingginya 2y merupakan gaya penggerak zat cair.
F = 2y .A.g, sedangkan 2A g adalah bilangan tetap k. jadi F = k.y, gaya penggerak sebanding dengan simpangannya, gerak zat cair adalah gerak Harmonis.
Periodenya dapat dicari sebagai berikut :
T = = T =
TUGAS SOAL-SOAL
1. Sebuah benda bergetar harmonik sederhana dengan persamaan y = 5 sin ( 3 t + /6)
y dalam meter, t dalam detik, dan besaran sudut dalam radian. Tentukan :
a. Amplitudo, frekwensi dan periode geraknya.
b. Kecepatan dan percepatan sesaat.
c. Posisi, kecepatan dan percepatan pada saat t = 2 detik.
d. Kecepatan dan percepatan maksimumnya.
e. Energi kinetik dan energi potensialnya saat t = 1 detik jika m = 100 gram.
f. Energi totalnya.
2. Sebuah benda yang massanya 0,75 kg dihubungkan dengan pegas ideal yang konstanta pegasnya 25 N/m, bergetar pada bidang horisontal yang licin tanpa gesekan. Tentukan :
a. Energi sistem dan kecepatan maksimum benda apabila amplitudo = 4 cm.
b. Kecepatan benda pada saat simpangannya 3 cm.
c. Energi kinetik dan energi potensial sistem pada saat simpangannya 3 cm.
3. Sebuah pegas dapat memanjang hingga 30 cm jika di tarik gaya 0,5 N. Sebuah benda yang massanya 50 gram digantungkan pada ujung pegas kemudian diberi simpangan 30 cm dari titik seimbangnya setelah itu dilepaskan, tentukanlah :
a. Periodenya.
b. Persamaan gerak dari benda tersebut.
c. Kecepatan, percepatan, energi kinetik, energi potensial pada saat simpangannya
20 cm.
4. Dua getaran selaras masing-masing dinyatakan dengan persamaan :
y1 = 15 sin 8t dan y2 = 18 sin (8t + /4) amplitudo dalam cm. Tentukanlah :
a. Periode masing-masing getaran.
b. Beda fase kedua getaran.
c. Kecepatan dan percepatan maksimum masing-masing getaran selaras tersebut.
4. Berapa simpangan getaran selaras yang menggetar vertikal, agar pada saat itu energi potensialnya sama dengan energi kinetiknya, jika amplitudonya 10 cm.
5. Benda yang bermassa 100 gram bergetar selaras vertikal dengan amplitudo 5 cm dan frekwensinya 10 cps. Pada suatu ketika fasenya 1/12, maka tentukan :
a. Simpangan pada saat itu.
b. Gaya yang bekerja pada saat itu.
c. Energi potensial terhadap kedudukan setimbang pada saat itu.
d. Kelajuan dan perlajuan benda pada saat itu.
e. Energi kinetik benda pada saat itu.
6. Ditentukan persaman gerak getar adalah y = 10 sin 50t, y dalam cm dan t dalam detik. Ditanyakan :
a. Persamaan percepatannya.
b. Percepatan maksimumnya.
c. Bila suatu saat fasenya = 1/5, telah berapa detik benda bergetar.
d. Hitung panjang simpangan pada saat soal 8c.
e. Hitung besarnya kecepatan getar pada saat t = 1/75 detik.
7. Kecepatan maksimum suatu gerak harmonis sederhana 7 m/s dan percepatan maksimumnya 20 m/s2. Hitunglah amplitudonya.
8. Suatu benda melakukan GHS pada saat simpangannya 10 cm di atas titik setimbang mempunyai kecepatan ½ kali kecepatan maksimumnya arah geraknya ke bawah, sedang percepatan maksimum GHS adalah 80002 cm/s2 Hitunglah waktu yang dibutuhkan untuk mencapai itu.
9. Sebuah benda digantungkan dengan tali yang panjangnya 1,6 m. Berapa detik waktu yang diperlukan untuk melakukan 100 ayunan.
10. Untuk mengukur percepatan grafitasi bumi dilakukan percobaan sebagai berikut : sebuah bandul diikat dengan tali yang panjangnya 1 meter, kemudian diberi simpagan dan dilepas. Ternyata dalam 100 detik bandul melakukan 50 ayunan. Berapakah percepatan grafitasi bumi.
KUNCI JAWABAN.
1. a) A = 5 m, f = 1,5 hz, T = det
b) v = 15 cos ( 3t+30)
a = -45 2 sin (3t+30)
c) v = m/s
a = - m/s2
d) vmaks = 15 m/s
amaks = -45 2 m/s2
e) Ep = 11,25 2 m/s2
Ek = 2 J
f) EM = 2 J
2. a) EM = 0,02 J
vmaks = m/s
b) v = m/s
c) Ek = J
Ep = 0.01125 J
3. a) T = 0,2 n
b) y = 30 sin ( t + )
c) v = m/s, a = - m/s,
Ek = J, Ep = J
4. a) T1 = det, T2 = det
b)
c) v maks = 120 cm/s
v maks = 144 cm/s
5. y = cm dari titik seimbang
6. a) y = 2,5 cm
b) F = - 2 N
c) Ep = 1,25 . 10-2 2 J
d) v = 0,5 m/s, a = -102 m/s
e) Ek = 0,0375 2 J
7. a) a = -25.000 2 sin 50 nt
b) a maks = -25.000 2 cm/s2
c) t =
d) y = 9,5 cm
e) v = -250 cm/s
8.
9. 8 detik
10. 2 m/s2
