Catatan Mengajar Fisika Dasar. Daftar Isi

Catatan Mengajar Fisika Dasar untuk Fakultas Pertanian Oleh: Richard Blocher Desember 2007

Daftar Isi 1

Pengantar .................................................................................1 1.1 1.2 1.3

2

Prinsip Dasar, Mengukur .......................................................3 2.1 2.2 2.3

3

Perkenalan ......................................................................................... 1 1.1.1 Dosen .................................................................................. 1 1.1.2 Mahasiswa........................................................................... 1 Aturan Kuliah.................................................................................... 1 Bahan Kuliah Fisika Dasar................................................................ 2 1.3.1 Isi Kuliah ini........................................................................ 2 1.3.2 Buku .................................................................................... 2

Fisika itu apa ?................................................................................... 3 Apa Arti Mengukur ?......................................................................... 3 Besaran Skalar dan Besaran Vektor................................................... 5

Dasar Matematika I ................................................................6 3.1

3.2

Sistem Koordinat............................................................................... 6 3.1.1 Tiga sistem koordinat yang biasa dipakai:........................... 6 3.1.2 Koordinat Kartesius / Tegak Lurus di Bidang Mendatar ............................................................................. 6 3.1.3 Koordinat Kartesius Dalam Ruang...................................... 7 3.1.4 Koordinat Silinder ............................................................... 7 3.1.5 Koordinat Polar / Koordinat Bola ....................................... 7 3.1.6 Hubungan Antara Sistem-Sistem Koordinat ....................... 8 Vektor ................................................................................................ 8 3.2.1 Contoh: Vektor Pergeseran .................................................. 8 3.2.2 Vektor dalam berbagai sistem koordinat ........................... 10

I

Catatan Mengajar Fisika Dasar I

4

Gaya........................................................................................12 4.1 4.2 4.3 4.4

4.5

5

Apa Gaya ? ...................................................................................... 12 Keseimbangan dan Hukum Newton III (Satu Arah)........................ 12 Keseimbangan Gaya dalam Tiga Dimensi....................................... 15 Contoh-Contoh ................................................................................ 16 4.4.1 Katrol dan Takal ................................................................ 16 4.4.2 Bidang Miring ................................................................... 16 4.4.3 Kapal di Selokan Ditarik Dua Kuda.................................. 17 Beberapa Jenis Sumber Gaya .......................................................... 17 4.5.1 Gaya Elastis / Hukum Hook.............................................. 17 4.5.2 Gaya Gravitasi................................................................... 18 4.5.3 Gaya Elektrostatik / Hukum Coulomb .............................. 19 4.5.4 Gaya Magnetik .................................................................. 19

Kinematika / Gerakan ..........................................................20 5.1 5.2 5.3 5.4

6

Daftar Isi

Menyatakan Gerakan....................................................................... 20 Kecepatan ........................................................................................ 22 5.2.1 Penjelasan Umum dan Contoh Kecepatan Konstan .......... 22 5.2.2 Kecepatan tidak Konstan................................................... 25 Percepatan ....................................................................................... 32 Persamaan untuk Beberapa Situasi Khusus..................................... 33

Hukum-Hukum Newton .......................................................34 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8

Hukum Newton I............................................................................. 34 Hukum Newton II............................................................................ 34 Satuan Gaya dalam Satuan Internasional ........................................ 36 Contoh Mengenai Hukum Newton.................................................. 36 6.4.1 Benda Meluncur di Bidang Miring ................................... 36 6.4.2 Benda Jatuh Bebas ............................................................ 37 Gaya Percepatan bersama dengan Gaya yang lain .......................... 37 Gaya Semu dan Keseimbangan Gaya Dinamis ............................... 38 Pertanyaan Ulang ............................................................................ 40 Contoh II Mengenai Hukum Newton .............................................. 40

7

Gesekan ..................................................................................41

8

Energi dan Potensial .............................................................43 8.1

Usaha W .......................................................................................... 43 8.1.1 Definisi.............................................................................. 43 8.1.2 Arah Usaha........................................................................ 45 8.1.3 Satuan Usaha..................................................................... 46 8.1.4 Contoh: Takal .................................................................... 46

Fisika Dasar untuk Fakultas Pertanian oleh Richard Blocher

II


Daftar Isi

8.1.5 8.1.6 8.2

8.3 8.4 8.5 8.6 8.7

9

Contoh: Benda Dinaikkan pada Bidang Miring ................ 46 Usaha Mengangkat Massa dalam Gaya Gravitasi Bumi.................................................................................. 46 Energi E........................................................................................... 47 8.2.1 Definisi.............................................................................. 47 8.2.2 Energi / Usaha untuk Mempercepat Massa ....................... 48 8.2.3 Energi Pegas...................................................................... 49 Potensial ϕ....................................................................................... 50 Keseimbangan ................................................................................. 50 Kestabilan Terhadap Jatuh............................................................... 52 Daya ................................................................................................ 53 Pertanyaan Ulang ............................................................................ 53

Mekanika Fluida ...................................................................54 9.1 9.2

9.3

9.4

Tiga Keadaan Zat ............................................................................ 54 Tekanan ........................................................................................... 54 9.2.1 Sifat dan Definisi Tekanan ................................................ 54 9.2.2 Bentuk Permukaan Cairan................................................. 56 9.2.3 Tekanan Statis dari Gravitasi............................................. 56 9.2.4 Perbedaan Antara Tekanan Statis dan Tekanan Dinamis ............................................................................. 59 9.2.5 Gaya Daya Apung ............................................................. 60 9.2.6 Pertanyaan Ulang .............................................................. 61 Tegangan Permukaan dan Kapilaritas ............................................. 61 9.3.1 Struktur Cairan dan Kohesi dan Adhesi ............................ 61 9.3.2 Energi Permukaan Jenis dan Tegangan Permukaan Jenis - Prinsip .................................................................... 62 9.3.3 Tekanan Dalam Tetesan Cairan ......................................... 64 9.3.4 Energi Permukaan Jenis Antara Berbagai Jenis Zat .......... 65 9.3.5 Sudut Cairan Pada Dinding ............................................... 66 9.3.6 Kapilaritas ......................................................................... 67 Cairan yang Bergerak...................................................................... 68 9.4.1 Medan Aliran dan Jenis-Jenis Aliran................................. 68 9.4.2 Cairan Ideal ....................................................................... 69 9.4.3 Cairan dengan Gesekan..................................................... 74


III


Daftar Isi

Soal Latihan ..................................................................................79 1

Pengantar ...............................................................................79

2

Prinsip Dasar, Mengukur .....................................................79

3

Sistem Koordinat dan Vektor...............................................79

4

Gaya........................................................................................81

5

Kinematika.............................................................................84

6

Hukum Newton......................................................................86

7

Gesekan ..................................................................................88

8

Energi dan Potensial .............................................................89

9

Mekanika Fluida ...................................................................92


IV


1

1.1

Pengantar

Perkenalan

1.1.1 1.1.2

Dosen Richard Blocher Perumahan Dinas Unijoyo, no 6 Tel: (031) 301 43 64 / 081 55 3 55 0491 Mahasiswa

1.2

Aturan Kuliah • • • •

• • •

Tepat waktu. Ulangi bahan kuliah sebelum kuliah berikut, → grafik persentase ingat manusia; Wajib hadir - Absen, tetapi tidak dipakai untuk pemberian nilai Minitest: Ulangan singkat (≈ 10 menit) pada awal kuliah; tidak diberi tahu sebelumnya; Tujuan: motivasi untuk mempelajari setiap kuliah; mengecek / mendorong untuk datang tepat waktu; mengganti absen; mengulangi kuliah sebelumnya; Aturan Ujian: Segala jenis ketidak-jujuran dapat sanksi nilai E dalam ujian bersangkutan. Nilai akhir kuliah: 25% rata-rata Minitest, 32,5% UTS, 42,5% UAS. Nilai akhir digabungkan dengan nilai kuliah dan nilai praktikum: ⅔ nilai akhir kuliah, ⅓ nilai Praktikum

1

Catatan Mengajar FD I

1. Pengantar

1.3

Bahan Kuliah Fisika Dasar

1.3.1

Isi Kuliah ini Dasar Mekanika: Gaya, Gerakan, Usaha, Energi (≈ 1/2 Semester) Mekanika Fluida: Tekanan, Gesekan gerakan fluida, kapilaritas Termofisika: Panas / suhu, sifat benda ketika dipanaskan, energi panas

1.3.2 •

• • • •

Buku Sears, Francis W.; Zemansky, Mark W. dan Young Hugh D; 1898; University Physics; jilid I; Terjemahan dalam bahasa Indonesia: Fisika untuk Universitas, jilid I; Penerbit Trimitra Mandiri; Alonzo, Marcelo dan Finn, Edward J., 1992, Dasar-dasar Fisika untuk Universitas, Jilid 1, terjemahan bahasa Indonesia: Penerbit Erlangga. Halliday, David dan Resnick Robert, 1994, Fisika; Diktat kuliah dari ITS Fisika I; Larry Gonick & Art Huffman; Kartun Fisika; KPG (Kepustakaan Populer Gramedia), 2001;


2


2

2.1

Prinsip Dasar, Mengukur

Fisika itu apa ?

Bagaimana dalam fisika ditentukan, apa yang benar ? Atau: Bagaimana menentukan, apa yang diterima sebagai hukum alam / hukum fisika ? Contoh: “Setiap benda selalu dan di manapun jatuh ke bawah.” – Apa benar sebagai hukum alam atau tidak ? Æ pembenaran / penyalahan dari eksperimen ! Æ Hukum fisika / hukum alam (hampir) selalu mempunyai keterbatasan, di mana dan dalam situasi apa hukum tersebut benar. Pertanyaan lagi: Apakah “jatuh” sama dengan “jatuh” ? Misalnya batu, kertas ringan, kapas, … Semua jatuh, tetapi apakah cara jatuh sama ? Æ Ternyata kecepatan dan jalur berbeda-beda. Jadi: Bagaimana mendapatkan hukum fisika ? Æ Mengamati dengan teliti, berarti mengukur, lalu menetapkan suatu hukum alam. Tetapi: Setiap hukum alam perlu diuji dulu. Baru setelah diuji cukup lama diterima sebagai hukum alam. Cara menguji hukum alam: (?) Æ Eksperimen ! atau: pengamatan dari sesuatu yang terjadi. Kesimpulan: Setiap hukum fisika memiliki hubungan yang jelas dengan dunia nyata.

2.2

Apa Arti Mengukur ? Contoh: Panjang meja – bagaimana cara menentukan lebar meja ? • Bandingkan dengan lebar tangan ? • Taruh meteran di atas meja ? • … Æ Pakai meteran, meteran ditaruh pada sisi benda yang mau diukur, ujung awalnya ditaruh pada satu ujung benda, skala meteran pada ujung meja kedua dibacakan. • Supaya hasil benar, meteran harus sesuai dengan meteran standar.

3


2. Prinsip Dasar, Mengukur

Standar panjang: meter asli di Paris; sekarang: 1.650.763,73 kali panjang gelombang dari radiasi tertentu dari 86Kr. Arti mengukur: Membandingkan suatu besaran dengan besaran standar. Berarti untuk mengukur perlu dua hal: 1. Besaran standar. Misalnya: meteran standar; massa standar; voltase standar; suhu standar; … 2. Aturan, bagaimana membandingkan besaran standar dengan benda yang diukur. Hasil Pengukuran: Sebagai hasil pengukuran selalu didapatkan suatu angka dan suatu satuan. Satuan itu sangat penting dan selalu harus diikutkan dengan angka yang menunjukkan berapa kali satuan itu didapatkan.

Dalam semua perhitungan satuan harus ditulis !!!! Contoh: • Terdapat benda, bentuk kotak, panjang p = 30 cm, lebar l = 20 cm, tinggi t = 20 cm. Berapa besar volumenya ? V = 30 ⋅ 20 ⋅ 20 = 12 000 cm3

tidak benar !!! Yang benar: V = 30cm⋅ 20cm⋅ 20cm = 12 000cm3

• •

•

•

5 ⋅ m+ 3 ⋅ m = 8 m 5 ⋅ m + 45 ⋅ cm = 5, 45m = 545cm ; Besaran bisa memiliki tambahan untuk menyatakan satu faktor pangkat 10. (Tabel 2.1) 5 kg + 3l = ??? - Besaran yang berbeda tidak bisa dijumlahkan !!! 3 ⋅ 4 kg = 12 kg

tambahan satuan

singkatan tambahan

arti

Tera

T

1012

Giga

G

109

Mega

M

106

kilo

k

103

mili

m

10-3

mikro

μ

10-6

nano

n

10-9

piko

p

10-12

femto

f

10-15

Tabel 2.1: Tambahan pada satuan.


4


2.3

2. Prinsip Dasar, Mengukur

Besaran Skalar dan Besaran Vektor Teman-teman kenal besaran apa saja ? Æ Apa yang membedakan dua kolom ini ? Skalar

Vektor

panjang volume massa massa jenis besar muatan suhu voltase •

gaya tempat kecepatan percepatan medan magnet • • •

Apa perbedaan antara besaran skalar dan besaran vektor ? Æ Besaran vektor mempunyai arah, skalar hanya besaran saja. Skalar

Vektor

dinyatakan dengan: angka + satuan

dinyatakan dengan: angka + satuan + arah

Contoh: Satu pesawat berangkat dari Surabaya pada jam 8:00 pagi. km

Kecepatan pesawat sebesar 1 000 jam . Jam berapa pesawat tersebut akan tiba di Jakarta ? Æ ? Bagaimana cara menyatakan arah ? Æ di bumi: arah utara, selatan, barat, timur Æ mendatar, ke atas, … Æ sudut naik; sudut dari utara Æ Kita perlu suatu sistem koordinat. → Pasal berikut. Pertanyaan Ulang → Bagaimana dalam fisika suatu pernyataan bisa dikonfirmasikan benar atau dibuktikan salah ? → Apa arti mengukur ? Apa yang didapatkan sebagai hasil ukur ? → Apa membedakan besaran skalar dari besaran vektor ? Fisika Dasar untuk Fakultas Pertanian oleh Richard Blocher

5


3

3.1

Dasar Matematika I

Sistem Koordinat

3.1.1 → → → →

Tiga sistem koordinat yang biasa dipakai: koordinat kartesius / tegak lurus koordinat silinder koordinat polar dll. Yang paling sering digunakan adalah sistem koordinat kartesius.

3.1.2

Koordinat Kartesius / Tegak Lurus di Bidang Mendatar Dalam bidang mendatar sistem koordinat kartesius mempunyai dua sumbu yang tegak lurus satu terhadap yang lain. Setiap sumbu mempunyai skala. Dua sumbu bertemu pada titik nol (sumber koordinat) yang mana skala dari masing-masing sumbu mulai dari nol. • Matematika: skala mempunyai angka saja • Fisika: skala selalu memiliki angka (besar) dan satuan. Untuk menyatakan tempat dalam ruang, satuan mesti satuan panjang. Sumbu biasanya (tetapi tidak harus) disebut dengan sumbu x dan sumbu y. Sumbu x biasanya sumbu mendatar dan sumbu y biasanya sumbu tegak. : …Cara menyatakan satu tempat dalam sistem koordinat kartesius:

40

(30 cm, 40cm)

y/cm

30 20 10

40cm (15 cm, 10cm) 30 cm 10

20

x/cm 30

40

Gambar 3.1: Menyatakan tempat dalam sistem koordinat kartesius. Contoh: ( x, y ) = ( 30 cm, 40 cm ) dan

( x, y ) = (15cm, 10 cm )

6


3. Dasar Matematika I

Sebutkan dua angka (bersama dengan satuan!), misalnya: tempat T1: (30 cm, 40 cm), berarti ke kanan – ke arah sumbu x – sejauh angka pertama, lalu ke atas sejauh angka kedua. Berbagai cara menulis tempat:

⎛ 30cm ⎞ T1: (30 cm, 40 cm) = 30 cm xˆ + 40 cm yˆ = ⎜ ⎟ ⎝ 40 cm ⎠ Arti dari xˆ , yˆ : vektor dengan panjang 1 ke arah x atau y. Dengan kata lain: menunjukkan arah dari angka yang ditulis sebelumnya. Misalnya 30 cm xˆ berarti 30 cm ke arah x. Supaya lebih jelas bisa juga ditulis: ⎛ x ⎞ ⎛ 30 cm ⎞ T1: ( x, y ) = ( 30 cm, 40 cm ) atau ⎜ ⎟ = ⎜ ⎟ ⎝ y ⎠ ⎝ 40 cm ⎠

3.1.3

Koordinat Kartesius Dalam Ruang Bagaimana menentukan tempat dalam ruang kuliah ? Æ Bisa dengan sistem koordinat kartesius, tetapi perlu tiga arah, xˆ , yˆ , zˆ .

Tiga sumbu, semua tegak lurus merupakan sistem koordinat kartesius dalam ruang. Contoh: posisi T1: (1 m, 2 m, 1,5 m) di mana ?. Apa yang harus ditetapkan dulu, supaya informasi ini jelas ? Æ ……………………

3.1.4

Koordinat Silinder Pakai sudut, jari-jari dan tinggi. Jadi satu tempat dinyatakan dengan jarijari, sudut, bagian sumbu z: ( ρ, ϕ, z ) . 3.1.5

Koordinat Polar / Koordinat Bola Pakai dua sudut dan jari-jari. Jadi suatu tempat T1 dinyatakan dengan (jari-jari, sudut antara sumbu utama dalam bidang datar, lalu sudut antara bidang datar dengan arah naik dari jari-jari), berarti: T1: ( ρ, ϕ, Φ ) .


7



3.1.6

Hubungan Antara Sistem-Sistem Koordinat Hubungan antara besar koordinat dalam tiga sistem koordinat bisa dihitung dengan hukum Pythagoras dan hukum-hukum perhitungan trigonometri. Misalnya: suatu tempat dinyatakan dengan koordinat kartesius seperti ( xˆ , yˆ , zˆ ) = (20 cm, 40 cm, 30 cm), maka koordinat silinder dari tempat ini

menjadi:

(ρ, ϕ, z ) = ⎛⎜ ρ = ( 20 cm )2 + ( 40 cm )2 , ϕ = arctan ⎝

(ρ, ϕ, z ) = ( 44,7 cm, 63, 4°, 30 cm )

3.2

40 cm ⎞ , z = 30 cm ⎟ 20 cm ⎠

(3.1)

Vektor

3.2.1

Contoh: Vektor Pergeseran

•

•

•

•

Pergeseran bisa dinyatakan dengan panah dari posisi awal ke posisi akhir pergeseran. Panah / Pergeseran ini disebut sebagai vektor. (Vektor pergeseran) → Dalam gambar vektor digambar dengan panah – mempunyai arah dan panjang. Setiap bagian dari suatu benda yang digeser mengalami pergeseran dengan arah dan jarak yang sama. Definisi vektor: Satu pergeseran merupakan satu vektor, berarti: → Semua panah dengan panjang dan arah yang sama adalah panah dari satu vektor. Dengan kata lain: → Satu vektor adalah semua panah dengan arah dan panjang yang sama. Vektor dinyatakan dengan panah di atas huruf yang melambangkan vektor. Misalnya: pergeseran dari (0, 0) ke tempat (30 cm, 20 cm) disebut sebagai vektor s1 = ( 30 cm, 20 cm ) . (Panah di atas s !) Vektor dinyatakan seperti tempat ujung vektor jika kaki vektor pada sumber koordinat. Misalnya vektor s1 di atas: s1 = ( 30 cm, 20 cm ) atau ⎛ x ⎞ ⎛ 30cm ⎞ s1 = ⎜ ⎟ = ⎜ ⎟ atau s1 = 30 cm⋅ xˆ + 20 cm⋅ yˆ . ⎝ y ⎠ ⎝ 20cm ⎠


8



•

Panjang vektor dinyatakan dengan huruf yang dipakai untuk vektor tanpa panah di atasnya atau dengan lambang vektor diapit garis tegak: panjang vektor a = a = a .

•

Sudut vektor a ditulis a atau ∠a . Sudut vektor dihitung dari sumbu x. Dua pergeseran yang dilakukan berturut-turut mempunyai hasil yang sama dengan satu pergeseran dari posisi awal pergeseran pertama ke posisi akhir pergeseran kedua. Misalnya pertama pergeseran sesuai dengan vektor s1 = ( 30 cm, 20 cm ) di atas dilakukan , lalu pergeseran

•

sesuai dengan vektor s2 = ( −20 cm, 10 cm ) dilakukan, maka hasil sama dengan pergeseran s3 = (10 cm, 30 cm ) . Satu pergeseran yang didapatkan dari melakukan dua pergeseran berturut-turut didefinisi sebagai jumlah dari dua vektor: s1 + s2 = s3 .

•

Cara menghitung jumlah dua vektor didapatkan dari definisi di atas: ⎛ x ⎞ ⎛ s1x ⎞ ⎛ 30 cm ⎞ ⎛ x ⎞ ⎛ s2 x ⎞ ⎛ −20 cm ⎞ ⎟=⎜ , s2 = ⎜ ⎟ = ⎜ s1 = ⎜ ⎟ = ⎜ ⎟ = ⎜ ⎟ ⎟, ⎝ y ⎠ ⎜⎝ s1y ⎟⎠ ⎝ 20 cm ⎠ ⎝ y ⎠ ⎜⎝ s2 y ⎟⎠ ⎝ 10 cm ⎠

⎛ 30 cm ⎞ ⎛ -20 cm ⎞ ⎛ 30 cm + ( -20 cm ) ⎞ ⎛ 10 cm ⎞ maka: s j = s1 + s2 = ⎜ ⎟=⎜ ⎟+⎜ ⎟=⎜ ⎟ ⎝ 20 cm ⎠ ⎝ 10 cm ⎠ ⎝ 20 cm + 10 cm ⎠ ⎝ 30 cm ⎠

→ Jumlah vektor dalam koordinat kartesius: ⎛ s1x ⎞ ⎛ s2 x ⎞ s1 = ⎜ ⎟ , s2 = ⎜ ⎟ , maka s ⎝ 1y ⎠ ⎝ s2 y ⎠ ⎛ s1x ⎞ ⎛ s2 x ⎞ ⎛ s1x + s2 x ⎞ s j = s1 + s2 = ⎜ ⎟ + ⎜ ⎟=⎜ ⎟ ⎝ s1 y ⎠ ⎝ s2 y ⎠ ⎝ s1 y + s2 y ⎠

•

(3.2)

Pembagian vektor ke dalam komponen:

Satu pergeseran s1 bisa dibagikan de dalam dua pergeseran s1a dan

s1b sehingga dua pergeseran baru s1a dan s1b dilakukan berturut-turut menghasilkan pergeseran asli s1 . Berarti: jumlah dari dua pergeseran bagian sama dengan pergeseran asli: s1 = s1a + s1b . Misalnya: pergeseran s1 dari atas dibagi ke satu pergeseran ke arah xˆ dan satu pergeseran ke arah yˆ : Fisika Dasar untuk Fakultas Pertanian oleh Richard Blocher

9



⎛ 30cm ⎞ ⎛ 0 ⎞ ⎛ 30cm ⎞ s1 = ⎜ ⎟+⎜ ⎟=⎜ ⎟ ⎝ 0 ⎠ ⎝ 20cm ⎠ ⎝ 20cm ⎠ dengan cara menulis yang lain: s1 = s1x ⋅ xˆ + s1 y ⋅ yˆ = 30 cm ⋅ xˆ + 20 cm ⋅ yˆ . Tetapi pembagian bisa juga ke arah lain selain arah sumbu koordinat. Misalnya: ⎛ 20cm ⎞ ⎛ 10cm ⎞ ⎛ 30cm ⎞ s1 = ⎜ ⎟+⎜ ⎟=⎜ ⎟ atau ⎝ 5cm ⎠ ⎝ 15cm ⎠ ⎝ 20cm ⎠ ⎛ 10 cm ⎞ ⎛ 20 cm ⎞ ⎛ 30 cm ⎞ s1 = ⎜ ⎟+⎜ ⎟=⎜ ⎟ ⎝ −20 cm ⎠ ⎝ 40 cm ⎠ ⎝ 20 cm ⎠ Dengan memakai definisi vektor bisa dikatakan: vektor a dibagi ke dalam dua komponen (bagian) a1 dan a2 dengan a = a1 + a2 . •

Perkalian skalar dengan vektor: Arti perkalian secara umum: ambil sesuatu beberapa kali atau menjumlahkan sesuatu beberapa kali, misalnya 3 kali 5 kg beras (dalam kantong per 5 kg misalnya) sebanyak: 3 ⋅ 5 kg = 5 kg + 5 kg + 5 kg = 15 kg. Untuk vektor: 3 ⋅ a = a + a + a , atau secara umum n ⋅ a (n kali vektor a ), berarti menjumlahkan vektor a sebanyak n kali. Hasil adalah satu vektor baru na . Vektor baru na mempunyai arah yang sama dengan arah vektor asli. Panjangnya sebesar n kali panjang vektor asli: na = n ⋅ a . Dengan definisi ini perkalian bisa juga dilakukan dengan

bilangan riil: x ⋅ a adalah vektor yang arah sama dengan a dan panjangnya sebesar x kali panjang a : x ⋅ a = x ⋅ a . 3.2.2

Vektor dalam berbagai sistem koordinat Vektor dinyatakan seperti suatu tempat dalam sistem koordinat dengan menulis satu posisi saja, misalnya s1 = ( 30 cm, 20 cm ) . Yang dimaksud adalah

satu vektor yang diwakili oleh panah dari sumber koordinat ke tempat yang dinyatakan dalam penulisan vektor. Setiap tempat bisa dinyatakan dalam berbagai sistem koordinat. Jika suatu tempat dinyatakan dalam sistem koordinat berbeda, tempat itu tetap sama, tetapi angka-angka yang menunjukkan tempat itu berbeda. Mengubah sistem koordinat yang dipakai untuk menyatakan suatu tempat dikatakan sistem koordinat ditransformasikan atau vektor ditransfer ke sistem koordinat yang lain. Vektor ditransfer antara sistem koordinat dengan cara Fisika Dasar untuk Fakultas Pertanian oleh Richard Blocher

10



yang sama seperti mengubah sistem koordinat untuk menyatakan suatu tempat. Proses ini dilakukan dengan memakai aturan trigonometri. Contoh: ⎛ t x ⎞ ⎛ 15cm ⎞ t =⎜ ⎟=⎜ ⎟ dalam sistem koordinat kartesius. Dalam sistem ⎝ t y ⎠ ⎝ 5cm ⎠ koordinat bola t menjadi: ty ⎞ ⎛ t = (ρ, ϕ ) = ⎜ t x 2 + t y 2 , arctan ⎟ = (15,81 cm, 18, 43° ) . tx ⎠ ⎝ s = (ρ, ϕ ) = ( 20 cm, 30° ) dalam sistem koordinat bola ditransfer dalam

sistem koordinat kartesius menjadi: ⎛ s x ⎞ ⎛ ρ ⋅ cos ϕ ⎞ ⎛ 20 cm⋅ cos 30° ⎞ ⎛ 17, 32 cm ⎞ s =⎜ ⎟=⎜ ⎟=⎜ ⎟=⎜ ⎟. ⎝ s y ⎠ ⎝ ρ ⋅ sin ϕ ⎠ ⎝ 20 cm⋅ sin 30° ⎠ ⎝ 10 cm ⎠ Pertanyaan Ulang → Apa perbedaan antara satu vektor a dan satu panah a ? (Jangan menjawab “tidak ada perbedaan” – jawaban ini salah !)

→ →

Bagaimana cara menjumlahkan dua vektor ? a: secara gambar / grafik; b: dengan perhitungan dalam koordinat kartesius; Bagaimana satu vektor bisa dibagikan ke dalam dua komponen ? Bagaimana bisa dibuktikan bahwa hasil pembagian benar ?


11


4

4.1

Gaya

Apa Gaya ?

“Apakah gaya ?”; “Apa ciri-cirinya ?”; “Bagaimana kita mengetahui bahwa ada gaya ?” Æ Gaya bisa dimengerti dari akibatnya: rasa sakit, bentuk benda berubah (sampai rusak / roboh), benda yang tadi diam mulai bergerak, benda bergerak terus walaupun ada gesekan. Bagaimana gaya bisa diukur ? → …………… Apa gaya merupakan besaran skalar atau besaran vektor ? → Jika arah gaya berbeda, maka akibatnya berbeda. ⇒ ……… ⇒ gaya adalah …………. Lambang untuk gaya: F dari “Force”.⎫ ⎬ Satuan gaya: Newton, disingkat N.⎭ ⇒ [F] = N

4.2

Keseimbangan dan Hukum Newton III (Satu Arah) Percobaan-percobaan: Gaya dalam Tali

F=2N

F=?

1. Tali diikat di satu ujung (di tembok / statif yang dipasang di meja), lalu ditarik dari ujung ke dua. Pengukur gaya dipakai pada ujung tarik dan di tengah tali. Bandingkan gaya di ujung dan di tengah: ……… ⇒ Gaya merambat dalam tali. Pada setiap bagian tali ……. F=2N

F=?

F=2N

2. Ujung yang tadi diikat ke tembok / meja dilepaskan dan orang menarik dari ujung itu juga.

12


•

4. Gaya

“Apakah gaya di tengah akan berubah dibanding situasi 1 ?”; “Gaya sekarang akan menjadi berapa besar ?” → Hasil percobaan: ………… “Mengapa ?” → ………… Tembok / tiang di meja menarik tali dengan gaya yang sama besar dengan orang yang menarik dari sisi terbalik. Arah gaya dari tembok ke tali terbalik dengan arah gaya tarik dari orang ke tali yang diteruskan dari tali ke tembok. Gaya dalam tali sama persis ketika tali diikat dengan tembok dengan gaya yang terdapat ketika ada orang yang menarik dari sisi kedua.

⇒ aksi = reaksi / Hukum Newton III:

•

Jika terdapat gaya dari satu benda kepada benda yang lain, maka benda yang lain itu akan memberikan gaya kepada benda pertama yang sama besar dan arahnya berlawanan. “Gaya dalam tali ke arah mana ?” → ………

F2

F1

F1 adalah gaya dari bagian kanan tali kepada bagian kiri tali,

F2 adalah gaya dari bagian kiri tali kepada bagian kanan tali.

F=2N

F=?

F=?

3. Dalam percobaan 3. orang diganti tembok / kait di meja. Apakah gayagaya dalam tali / pada pengukur gaya akan sama atau berbeda dengan 2. ? ……… → Di sebelah kanan, tali menarik tembok ke kiri dengan gaya sebesar F = 2 N , maka sesuai dengan hukum aksi = reaksi tembok menarik tali ke kanan dengan gaya yang sama besar. ⇒ Situasi ini persis sama dengan situasi 2 di atas, di mana tembok diganti orang.

4. Perhatikan salah satu bagian tali dan gaya yang terdapat kepada bagian tali itu. Misalnya bagian yang digambar tebal di bawah ini: Fisika Dasar untuk Fakultas Pertanian oleh Richard Blocher

13


4. Gaya

F2

F1

F=2N

F=2N

“Berapa besar gaya F1 yang menarik bagian ini ke kanan ?” “Berapa besar gaya F2 yang menarik bagian ini ke kiri ?”

…… → Ternyata gaya ke kiri sama besar dengan gaya ke kanan, berarti jumlah gaya kepada bagian tali ini sebesar nol: ∑ Fi = 0 . Karena jumlah gaya kepada tali ini nol, maka tali tidak dipercepat. Dikatakan: gaya kepada tali (bagian tengah) seimbang. Ini suatu prinsip umum: Jika jumlah gaya kepada suatu benda nol, maka terdapat keseimbangan gaya pada benda itu dan benda itu tidak akan dipercepat. (Perhatikan: Gaya dijumlah sebagai vektor, bukan besarnya yang dijumlah.) Æ Semua benda yang diam berada dalam keadaan keseimbangan gaya. Berarti: ∑ Fi = 0 Beberapa contoh mengenai keseimbangan gaya dan hukum aksi = reaksi: • Benda terletak diam di atas meja (gambar 4.1): Gaya apa saja yang bekerja dalam F meja situasi ini dan bagaimana terdapat keseimbangan gaya kepada benda ? → ………… Gaya gravitasi / gaya berat benda dorong ke bawah, benda tidak turun ke bawah karena ………………………. Karena prinsip aksi = reaksi, maka ………………. Berarti meja mendorong benda ke atas dengan besar gaya yang sama dengan gaya gravitasi. Maka jumlah gaya kepada benda Fgravitasi + Fmeja nol dan

(

)

terdapat keseimbangan gaya.

• • •

Fgrav

Gambar 4.1: Keseimbangan gaya / aksi = reaksi pada benda di atas meja

Orang yang memukul tembok merasakan gaya reaksi dari tembok dengan jelas. Dua mobil yang bertabrakan: setiap mobil mengalami gaya dari mobil lain sehingga bentuk bodynya berubah. Katrol dan takal, pasal 4.4.1 “Katrol dan Takal”.


14


4.3

4. Gaya

Keseimbangan Gaya dalam Tiga Dimensi Percobaan: Satu beban digantung dengan dua tali seperti di gambar 4.2. Æ Tiga gaya yang bekerja pada satu tempat berjumlah sebagai vektor. Dalam situasi keseimbangan akan terdapat jumlah gaya nol. → gambar 4.2 dan gambar 4.3: F1 + F2 + F3 = ∑ Fi = 0 (4.1) i

•

•

Sisi pandang yang lain: → Gaya gravitasi yang bekerja pada kait dibagi ke dua gaya, masingmasing ke arah tali. Berarti gaya berat beban yang menarik ke bawah dibagi ke gaya − F1 yang menarik tali kanan dan ke gaya − F2 yang menarik tali kiri. Masing-masing gaya kepada tali diimbangi dengan gaya dari tali kepada kait sehingga jumlah gaya tetap nol. Perhatikan: Apa perbedaan antara “jumlah besar gaya nol” dan “jumlah vektor gaya nol” ? Benar yang mana ? → …………

F2

F1 F1

Fg F2 -F1

m

Fg

Gambar 4.2: Tiga gaya yang bekerja pada satu tempat. Jumlah gaya kepada satu tempat / benda selalu nol kalau tempat / benda dalam keadaan keseimbangan (diam).


F1 Fg

-F 2

Gambar 4.3: Penjumlahan gaya dari gambar 4.2.

15


4.4

4. Gaya

Contoh-Contoh

4.4.1

Katrol dan Takal Selidiki soal keseimbangan dan aksi = reaksi pada katrol dan pada takal. Kita anggap bahwa semua katrol bisa berputar tanpa gesekan. Maka gaya dalam tali ikut dibelokkan di katrol sehingga gaya dalam tali di setiap posisi sama besar. Gaya dalam tali di sebelah kanan katrol sama besar dengan gaya dalam tali di sebelah kiri katrol. Gaya kepada setiap katrol didapatkan dari setiap tali yang menarik kepada katrol itu.

Fblafon

Ftali 1,2,3 Ftali

Ftali

Ftali Ftali

Fkatrol

Fkatrol 1

Ftali

m

m

4.4.2

Bidang Miring Fg Fg Jika suatu benda terletak di atas bidang miring Gambar 4.4: Gaya pada katrol (kiri) dan takal seperti dalam gambar 4.5 dua roda (kanan). terdapat gaya gravitasi terhadap benda itu. Gaya yang biasanya perlu diketahui adalah gaya ke arah bidang miring dan gaya tegak lurus dengan bidang miring. Gaya ke arah bidang miring disebut sebagai gaya tangensial Ft , gaya tegak lurus dengan bidang

miring disebut sebagai gaya normal Fn . Dua gaya tersebut merupakan bagian dari gaya gravitasi: Fn + Ft = Fg . Supaya benda di bidang miring tidak mulai bergerak, harus ada keseimbangan gaya, maka gaya normal Fn harus diimbangi dengan gaya yang berlawanan arah. Gaya ini terdapat dari permukaan bidang miring kepada benda dan dalam gambar 4.5 gaya ini ditunjukkan sebagai − Fn . Gaya − Ft yang melawan gaya tangensial Ft bisa didapatkan dari gesekan atau dari orang yang menarikkan benda ke atas. Bagaimana menghitung besar gaya normal dan gaya tangensial ?………………… Fisika Dasar untuk Fakultas Pertanian oleh Richard Blocher

16


4. Gaya

-F n

-Ft

Ft α

Fn Fg

α α

Gambar 4.5: Gaya-gaya pada bidang miring.

Dari gambar vektor gaya dalam gambar 4.5 hubungan antara besar gaya Fn, Ft dan Fg bisa dihitung dengan perhitungan trigonometri:

4.4.3

4.5

Fn = cos α ⇔ Fn = Fg ⋅ cos α Fg

(4.2)

Ft = sin α ⇔ Ft = Fg ⋅ sin α Fg

(4.3)

Kapal di Selokan Ditarik Dua Kuda

Beberapa Jenis Sumber Gaya

4.5.1

Gaya Elastis / Hukum Hook Bentuk dari benda yang dikenai gaya, berubah. Kalau gaya tidak terlalu besar, maka sering terdapat hubungan linear antara perubahan bentuk dan besar gaya. Berapa besar “terlalu besar” itu tergantung jenis dan bentuk benda. Berarti terdapat persamaan sbb.: Fisika Dasar untuk Fakultas Pertanian oleh Richard Blocher

Δx Fpegas = -kΔx

Fg = mg

Fg

Gambar 4.6: Gaya dari pegas jika pegas diperpanjang.

17


4. Gaya

F = − k⋅ Δ x (4.4) di mana : F : gaya benda yang melawan perubahan bentuk (deformasi). k : Konstanta Hook mengenai sifat dari benda dalam hal gaya pada deformasi. Δx : Jarak perubahan bentuk. Contoh lihat gambar 4.6.

4.5.2

Gaya Gravitasi Antara dua benda yang mempunyai massa sebesar m1 dan m2 terdapat gaya tarik-menarik sebesar

F = G⋅

m1 ⋅ m2

r2 Dengan konstanta gravitasi G

(4.5)

r m1

m2 Fg

Fg

Gambar 4.7: Gaya gravitasi antara dua massa.

2

sebesar G = 6,67 ⋅ 10−11 Nm2 . kg

Di permukaan bumi gaya gravitasi dirasakan sebagai berat dari benda yang ditarik ke bawah / ke arah bumi. Jika besar dari massa bumi dan jarak antara pusat bumi dan permukaan bumi dimasukkan ke dalam persamaan (4.5) terdapat satu persamaan yang menunjukkan besar gaya gravitasi benda Fg di permukaan bumi. Besar gaya gravitasi atau berat benda di permukaan bumi hanya tergantung dari massa benda: Fberat = Fg = G ⋅

mbumi

rbumi 2

⋅ mbenda = g⋅ mbenda ⇔ Fg = m g

(4.6)

g

Konstanta g yang dipakai sebelah kanan dalam (4.6), disebut sebagai percepatan gravitasi di bumi. Percepatan gravitasi di bumi g merupakan satu ⎛ m ⎞ singkatan dari faktor ⎜ G ⋅ bumi2 ⎟ . ⎝ rbumi ⎠ →

Apakah percepatan gravitasi g sama besar untuk setiap tempat di bumi? ………(Bagaimana di atas dan di bawah gunung ? Perhatikan juga bentuk ellipsoid dari bumi.) 1


18


4. Gaya

4.5.3

Gaya Elektrostatik / Hukum Coulomb r Antara dua muatan listrik terdapat gaya. Arah gaya FC FC tergantung dari jenis muatan. r Antara dua muatan sama jenis terdapat gaya tolak-menolak FC FC dan antara dua muatan lawan r jenis terdapat gaya tarik menarik. Besar dari gaya ini FC FC sesuai dengan hukum Coulomb: Gambar 4.8: Gaya Coulomb. 1 Q1 ⋅ Q2 ⋅ (4.7) F= 4πε0 r2 4.5.4

Gaya Magnetik Gaya magnetik adalah gaya yang didapatkan antara dua magnet atau antara arus listrik dan magnet. Juga antara dua tempat (benda) yang dialiri arus terdapat gaya magnetik. Pertanyaan ulang → Mengapa gaya merupakan besaran vektor ? → Apa perbedaan antara jumlah besar gaya dan jumlah gaya ? Jika dua gaya mengenai satu tempat, yang berjumlah apa ? → Jelaskan mengenai besar dan arah dari gaya dalam tali yang satu ujungnya diikat pada tembok dan satu ujungnya ditarik orang. Bandingkan dengan tali yang kedua ujungnya ditarik orang. → Suatu beban digantungkan pada pegas. Perpanjangan pegas tergantung apa saja ? Apakah konstruksi ini bisa dipakai untuk menentukan massa dari beban yang digantungkan pada pegas ? Apa yang harus diperhatikan kalau mau mendapatkan besar massa dengan sangat teliti ? → Apa perbedaan antara konstanta gravitasi G dan percepatan gravitasi g ? Apa hubungannya ? Apakah nilai dari dua besaran ini sama besar di setiap tempat dalam alam semesta (berbagai tempat di bumi, bulan, Mars, angkasa luar, …) ? → Mengapa orang lompat di bulan bisa lebih tinggi dan lebih jauh daripada lompat di bumi ?


19


5

5.1

Kinematika / Gerakan

Menyatakan Gerakan

Dalam kinematika hubungan antara tempat dan waktu dari suatu benda dijelaskan / digambarkan / diselidiki. Contoh paling sederhana adalah gerakan lurus. Æ “Bagaimana menjelaskan suatu gerakan ?”………

•

•

s (cm)

t (det)

0

0

2

3

4

6

6 7 → Memberitahukan posisi jarak s yang telah ditempuh pada waktu t. 8 8 Cara pertama: Dengan tabel, misalnya seperti dalam 10 10 contoh tabel 5.1 untuk gerakan di jalur lurus: tempat Tabel 5.1: dinyatakan mulai dari satu tempat nol, lalu jarak dari Contoh s(t). tempat tersebut pada waktu tertentu ditentukan. Dengan cara ini terdapat pasangan nilai untuk jarak s dan waktu t. → Cara menulis / berkata: tempat s pada waktu t sebesar s(t). Contoh dari tabel 5.1: tempat s pada waktu t = 3 det sebesar s(3 det) = 2 cm. Apakah informasi dalam tabel sudah menggambarkan suatu gerakan dengan komplit ? …………… (Bagaimana dengan besar waktu yang tidak tercantum dalam tabel ?)

→

Apakah ada cara yang lebih lengkap ? …………… Apa perbedaan antara grafik dan tabel ? ……………… → Tabel memuat hanya beberapa pasangan nilai saja, grafik bisa menunjukkan semua pasangan nilai dalam daerah tertentu. Dengan kata lain grafik menunjukkan nilai s untuk setiap waktu t. Kalau untuk setiap waktu t satu nilai posisi s diperlihatkan, maka grafik akan merupakan satu garis yang tidak putus. Dalam grafik makna dari suatu gerakan dimengerti dengan mudah. Orang yang bisa membaca grafik, akan langsung melihat perubahan tempat dan kecepatan dari grafik

-2

0

2

4

6

s/cm

8

Gambar 5.1: Kereta di jalur lurus. Misalnya posisi ujung kiri kereta diperhatikan pada setiap waktu t.

20


→

Apa berbeda, apa sama antara grafik seperti ini dan sistem koordinat ? → Sama: ……………… dua sumbu tegak lurus; nol berada pada seluruh sumbu koordinat; nilai lain berada pada seluruh garis searah dengan sumbu koordinat.

→ Berbeda: ……………

12 10

s / cm

s terhadap t.

5. Kinematika / Gerakan

8 6 4 2

c t / det

0 0 5 10 Arti sumbu bukan tempat, tetapi besaran fisik yang lain. Dalam contoh sumbu mendatar menunjukGambar 5.2: Grafik dari data kan waktu. Satu titik dalam grafik tabel 5.1. bukan tempat, tetapi pasangan nilai, misalnya titik c menunjukkan pasangan dengan waktu t = 6 det dan s = 4 cm. Berarti titik-titik yang dipakai sebagai grafik yang menggambarkan gerakan benda menunjukkan hubungan antara tempat dan waktu. Pada setiap waktu t, satu tempat s yang merupakan posisi benda pada waktu itu bisa digambarkan. Berarti terdapat grafik s(t). •

Cara ketiga untuk menjelaskan hubungan antara tempat dan waktu: Dengan cm ⋅ t + 3cm . Dengan persamaan seperti persamaan. Misalnya: s ( t ) = 1,5 det

ini untuk setiap waktu t satu pasangan tempat s ditentukan. Persamaan bisa digambar ke dalam grafik dengan menggambar semua pasangan yang memenuhi persamaan. Dengan cara ini terdapat satu garis yang tidak putus, berarti terdapat satu pasangan nilai (s(t)) untuk setiap waktu t. Pertanyaan Ulang: → Apa yang harus diberitahukan untuk menjelaskan gerakan dari suatu benda ? → Sebutkan tiga cara untuk menyatakan hubungan antara posisi dan waktu s(t). Apa keuntungan dan kesulitan dari cara masing-masing ? → Apa yang dimaksud dengan grafik ? Misalnya grafik s(t) ?


21


5.2


Kecepatan

5.2.1

Penjelasan Umum dan Contoh Kecepatan Konstan Apa perbedaan antara benda yang diam dan benda yang bergerak ? ………… Kalau benda tidak bergerak (diam), berarti tempat …………. Dalam grafik tempat terhadap waktu ……………

Kalau benda bergerak, berarti tempat ……………, dengan kata lain: tempat berbeda untuk waktu yang berbeda. Dalam grafik tempat terhadap waktu (s(t)) ………………… Grafik s(t) yang naik tajam menunjukkan apa mengenai gerakan benda dibanding grafik s(t) yang naik pelan ? Apa kecepatan ? ………………… Definisi kecepatan rata-rata: Kecepatan rata-rata v ( t1 , t2 ) adalah jarak

antara dua posisi s1 ( t1 ) dan s2 ( t2 ) yang dimiliki benda pada waktu t1 dan t2 dibagi besar selang waktu antara t1 dan t2. Sebagai persamaan terdapat: v ( t1 , t2 ) =

s2 ( t2 ) − s1 ( t1 ) t2 − t1

=

Δs Δt

(5.1)

Perhatikan: tempat adalah besaran vektor; maka: kecepatan juga merupakan besaran vektor. Untuk gerakan linear (gerakan pada garis lurus) vektor tempat dan vektor kecepatan bisa dihitung sebagai skalar atau cukup untuk memperhatikan dan menghitung besar vektor saja. Bagaimana kecepatan sesuai dengan definisi ini dilihat dalam grafik s(t) ?………………

Dalam grafik s terhadap t perbedaan tempat Δs = s2 − s1 bisa digambar sebagai jarak pada sumbu tempat antara posisi s1 dan s2. Perbedaan waktu Δt = t2 − t1 bisa digambar sebagai jarak pada sumbu waktu antara posisi t1 dan t2. Kalau jarak tempat dan jarak waktu tersebut digambar pada grafik s(t) seperti dalam gambar 5.3, terdapat satu segitiga yang dibentuk oleh garis jarak Δs, garis Fisika Dasar untuk Fakultas Pertanian oleh Richard Blocher

22



jarak Δt dan grafik s(t). Kecepatan v dari definisi (5.1) sebesar tangen sudut α dari grafik s(t) terhadap arah mendatar. Δs s/cm = tan α (5.2) 40 v= Δt Karena kecepatan v dalam grafik s terhadap t menunjukkan informasi s2 mengenai sudut dari grafik s(t), maka kecepatan v disebut sebagai kemiringan Δs 20 α dari grafik s(t). s1 Δt Jika grafik s(t) berbentuk garis lurus – seperti dalam gambar 5.3 – maka, dilihat dari geometri segitiga, t/det Δs t1 t2 perbandingan = v sama besar untuk 20 40 Δt pasangan waktu t1dan t2 apa saja. Berarti kecepatan v sama besar pada setiap Gambar 5.3: Definisi kecepatan waktu. Dengan kata lain kecepatan v rata-rata. konstan. Contoh menghitung besar kecepatan: Gambar 5.3: Δs = 14 cm, Δs 14 cm Δt = 20 det, berarti kecepatan v = = = 0,7 cm . Tabel 5.1 dan gambar det Δt 20 det 5.2 antara t1 = 3 det dan t2 = 6 det: Δs = 2 cm, Δt = 3 det, berarti kecepatan Δs 2 cm 2 cm . v= = = Δt 3det 3 det Bagaimana persamaan tempat terhadap waktu s ( t ) dari gerakan dengan kecepatan konstan ? Dari definisi kecepatan (5.1) terdapat: Δs (5.3) ⇔ Δs = v ⋅ Δt ⇔ s2 ( t2 ) − s1 ( t1 ) = v ⋅ ( t2 − t1 ) Δt Jika gerakan berlangsung pada jalur lurus, cukup menghitung besar dari jarak dan kecepatan saja. Untuk mendapatkan persamaan gerak yang lebih sederhana, persamaan (5.3) ditulis untuk tempat pertama s1(t1) sebagai tempat yang dimiliki pada waktu t1 = 0, lalu s1 disebut sebagai s0 (angka nol karena ini tempat pada waktu nol), lalu s2(t2) ditulis sebagai s(t) maka (5.3) menjadi: v ( t1 , t2 ) =

s2 ( t2 ) = v ⋅ ( t2 − t1 ) + s1 ( t1 ) ⇔ s ( t ) = v ⋅ t + s0

Di mana s0 dan v dilihat dalam grafik ? ……………… Fisika Dasar untuk Fakultas Pertanian oleh Richard Blocher

(5.4)

23



Bagaimana grafik berubah kalau kecepatan berubah (naik / turun)? Bagaimana kalau posisi awal berubah ? ……………… Fungsi linear secara umum: Jika terdapat hubungan antara dua variabel x dan y dalam bentuk y ( x ) = a⋅ x + b dengan konstanta a dan b, maka

grafik dari pasangan nilai (x, y) membentuk garis lurus. Konstanta a menentukan sudut kemiringan dari garis lurus tersebut dan disebut sebagai kemiringan grafik. Konstanta b disebut sebagai perpotongan sumbu y. Perpotongan sumbu y adalah nilai variabel y jika x = 0, berarti posisi di mana grafik memotong sumbu y. Hubungan seperti ini disebut sebagai hubungan linear. Jadi dalam grafik tempat terhadap waktu (s(t)), kecepatan bisa dilihat dari kemiringan grafik. Jika grafik s(t) merupakan garis lurus, berarti terdapat hubungan linear antara tempat dan waktu, maka kecepatan konstan / sama besar pada setiap saat. Kecepatan v(t) pada setiap saat bisa digambarkan ke dalam grafik kecepatan terhadap waktu. → Bagaimana gambar v(t) untuk situasi kecepatan konstan ? …………… → Bagaimana posisi benda s(t) bisa dilihat dari grafik v(t) ? …………… → Untuk situasi v(t) konstan dari (5.3) dan (5.4) dilihat: v (t ) =

Δs ⇔ Δs = v ⋅ Δ t Δt luas di bawah kurva v (t )

s (t ) =

Δs

tambahan jarak

⇒ s (t ) =

+ s0

(5.5)

posisi awal

v ⋅t luas di bawah kurva v (t )

+

s0

v/cm/det

8

posisi awal

Berarti perubahan tempat (jarak tempuh) antara waktu t1 dan t2 sebesar luas di bawah kurva v(t) antara t1 dan t2. Posisi s(t) terdapat dengan besar luas di bawah kurva v(t) tersebut ditambah dengan posisi awal. Pertanyaan Ulang → Gambarlah v(t) dan Δs dari t1 = 5 det sampai t2 = 20 det ke dalam grafik

6 4 2 t/det 20

40

Gambar 5.4: Grafik kecepatan terhadap waktu.


24



cm gambar 5.4 untuk kecepatan konstan sebesar v = 5 det . Jelaskanlah gambar anda dari (5.5)……………… 5.2.2

Kecepatan tidak Konstan

5.2.2.1

Contoh Eksperimen Suatu benda dibiarkan jatuh. Untuk merekam gerakan benda, satu pita kertas diikat dengan benda. Kertas melewati suatu alat perekam waktu. Alat tersebut disebut sebagai ticker timer. Dalam ticker timer pada setiap jarak waktu tertentu satu titik diketik kepada pita kertas. Misalnya setiap selang waktu sebesar Δt = 0,02 det, pita kertas diberikan satu titik. Jadi posisi titik menunjukkan jarak gerak benda dan jumlah titik yang sudah diketik menunjukkan selang waktu yang sudah berlalu. Dari posisi titik-titik pada pita kertas, grafik s(t) bisa digambarkan. Hasil yang didapatkan seperti diperlihatkan dalam gambar 5.5. Dalam contoh pengukuran jarak waktu antara dua titik sebesar Δt = 0,02 det. 5.2.2.2

Kecepatan Rata-Rata Bagaimana kecepatan rata-rata sebaiknya didefinisikan ? ……………

Dari hasil pengukuran contoh eksperimen di atas pada gambar 5.5,

160 s (cm) 120 80 40 t (det) 0 0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

Gambar 5.5.: Jarak tempuh dari benda yang jatuh terhadap waktu. Direkam dengan “ticker timer”.


25



dilihat bahwa grafik tempat terhadap waktu tidak merupakan garis lurus, berarti hubungan antara tempat dan waktu tidak linear. Untuk menentukan kecepatan Δs dari gerakan benda ini, definisi kecepatan dalam (5.1), v = , bisa dipakai. Δt Secara praktis kita bisa menggambar segitiga Δs dan Δt dan menentukan perbandingan antara perubahan tempat terhadap perubahan waktu. Dalam grafik ini Δs ternyata v = tidak konstan, tetapi nilai v yang didapatkan sangat tergantung, Δt pada waktu kapan dan tempat mana, kecepatan ditentukan. Perhatikan gambar 5.6. Untuk situasi kecepatan tidak konstan, kecepatan perlu dibedakan antara kecepatan rata-rata dan kecepatan sesaat. Kecepatan rata-rata didefinisi seperti dalam (5.1) sebagai perubahan tempat Δs dibagi selang waktu (perubahan waktu) Δt yang dibutuhkan benda untuk bergerak sejauh jarak Δs tersebut. Dalam menentukan kecepatan rata-rata jarak antara dua tempat / dua posisi waktu boleh besar saja dan benda bisa bergerak beberapa waktu dengan cepat, beberapa waktu dengan pelan, bahkan bisa berhenti selama beberapa waktu dan bergerak lagi. Dalam menentukan kecepatan rata-rata hanya jarak antara tempat awal dan tempat akhir serta waktu tempuh total saja yang diperhatikan. Tentu saja, nilai kecepatan yang didapatkan sangat tergantung dari posisi / waktu awal dan posisi / waktu akhir yang dipakai untuk menentukan kecepatan. Beberapa contoh untuk hasil ukur dari gambar 5.5 diperlihatkan dalam gambar 5.6. Apakah kecepatan rata-rata memberikan informasi yang memuaskan mengenai suatu gerakan ? Bagaimana cara untuk mendapatkan informasi yang lebih rinci mengenai gerakan suatu benda ? …………………………

5.2.2.3

Kecepatan Sesaat Bagaimana (5.1) bisa diubah untuk mendekati kecepatan pada satu saat saja, bukan dalam selang waktu Δt ? …………………

Walaupun kecepatan rata-rata berguna untuk situasi tertentu, yaitu jika selang waktu / selang jarak yang dipakai untuk menghitung kecepatan rata-rata besar, namun informasi mengenai gerakan sebenarnya tidak detil. Informasi yang lebih rinci didapatkan dengan memakai selang waktu Δt dan jarak Δs yang lebih Δs kecil untuk menentukan v = , kemudian v ditentukan lagi untuk selang waktu Δt dan jarak berikut, dst. Fisika Dasar untuk Fakultas Pertanian oleh Richard Blocher

26



160 s (cm) 120 Δt

Δs

80 40 0

Δt Δt 0

0,1

Δs

Δs Δt

Δs

0,2

t (det) 0,3

0,4

0,5

0,6

Gambar 5.6: Beberapa contoh untuk menghitung kecepatan rata-rata sesuai dengan (5.1)

Sebagai contoh kita mengambil hasil ukur dari eksperimen di atas dan menentukan kecepatan pada masing-masing selang waktu Δt sebesar Δt = 0,06 det. Waktu ini didapat antara tiga tanda titik pada pita kertas. Secara praktis kita bisa memotong pita kertas yang dipakai untuk mengukur gerakan pada setiap tiga tanda titik. Panjang potongan pita menunjukkan jarak gerak benda dalam waktu Δt = 0,06 det sehingga kecepatan v terdapat sebesar: v=

Δs Panjang potongan pita . Kita anggap kecepatan yang didapatkan dengan = Δt 0,06det

cara ini merupakan kecepatan yang dimiliki saat di tengah interval waktu, berarti kecepatan pertama yang dihitung dari t = 0 sampai t = 0,06 det, dihitung sebagai kecepatan pada waktu t = 0,03 det. Potongan pita kertas bisa ditaruh dalam grafik kecepatan terhadap waktu. Setiap potongan pita dipasang pada waktunya. Hasil yang diperlihatkan dalam gambar 5.7 menunjukkan perubahan kecepatan terhadap waktu. Dalam contoh ini dilihat bahwa grafik kecepatan terhadap waktu (grafik v(t)) berbentuk garis lurus, berarti kecepatan berubah secara linear dengan waktu: v ( t ) = a⋅ t dengan a sebagai konstanta. Apakah dengan cara ini terdapat kecepatan sesaat ? …………… → Cara menentukan kecepatan seperti dalam contoh di atas bukan kecepatan sesaat, tetapi kalau panjang interval waktu diperkecil lagi, maka perubahan kecepatan dengan waktu terdapat lebih rinci lagi dan kecepatan pada satu saat bisa diketahui lebih teliti. Fisika Dasar untuk Fakultas Pertanian oleh Richard Blocher

27



Kecepatan sesaat v(t) didapatkan jika interval waktu Δt dalam perhitungan (5.1) diperkecil sampai mendekati nol. Secara matematis kecepatan dihitung dengan limit Δt mendekati nol: v ( t ) = lim v ( t , t2 ) t2 →t

= lim

t2 →t

s2 ( t2 ) − s ( t ) t2 − t

(5.6)

Δs d s = t2 →t Δt dt

= lim

Berarti definisi kecepatan sesaat sbb.: ds (5.7) dt Dengan kata lain: kecepatan sesaat adalah turunan dari fungsi s(t). Bagaimana kecepatan sesaat terlihat dalam grafik s(t) ? (Tunjukkan dalam contoh gambar 5.5 dan gambar 5.6.) ……………… v (t ) =

Gambar 5.7: Hasil pengukuran jatuh bebas dengan ticker timer. Jarak titik menunjukkan kecepatan.

Bagaimana dalam contoh eksperimen benda jatuh bebas, kecepatan sesaat terhadap waktu bisa didapatkan ? Apakah kecepatan sesaat bisa didapatkan secara sempurna dari hasil eksperimen ini ? Bagaimana mendapatkan pendekatan yang baik ?…………………… 1

Bagaimana hubungan antara kecepatan dan waktu dalam contoh ini ? → v(t) = ………………


28



600 v (cm/det)

2

v = 980 cm/det · t

500 400 300 200 100

t (det) 0 0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

Gambar 5.8.: Kecepatan dari benda yang jatuh terhadap waktu dihitung dari pengukuran gambar 5.5.

5.2.2.4

Tempat terhadap waktu s(t) dari kecepatan terhadap waktu v(t)

→

Bagaimana posisi benda s(t) bisa dilihat dari grafik v(t) ? ……………

→

Bagaimana persamaan gerak benda s(t) bisa didapatkan dari persamaan v(t) ? ……………

Untuk kecepatan yang konstan dalam (5.5) telah terdapat: tambahan jarak Δs sebesar luas di bawah kurva v(t). Δs ⇔ Δ s = v ⋅ Δt (5.8) v (t ) = Δt luas di bawah kurva v (t )

Jika waktu tidak konstan penambahan jarak (posisi) Δs berbeda pada setiap saat. Untuk mendapatkan perubahan dalam selang waktu Δt yang besar, maka penambahan jarak ds untuk selang waktu dt yang kecil harus ditentukan, kemudian penambahan ds untuk setiap bagian waktu dt ditambahkan pada posisi awal ds sehingga terdapat Δs = ds1 + ds2 + ds3 + …. Fisika Dasar untuk Fakultas Pertanian oleh Richard Blocher

29



Besar penambahan jarak ds yang kecil terdapat dari definisi kecepatan sesaat dalam (5.6): ds ⇔ d s = v (t ) ⋅ d t (5.9) v (t ) = dt Besar penambahan jarak ds sebesar luas di bawah kurva v(t) selama waktu dt sehingga penambahan jarak Δs antara waktu t1 dan t2 tetap sebesar luas di bawah kurva v(t) antara waktu t1 dan t2 seperti untuk situasi kecepatan konstan. Penjumlahan dari semua bagian ds yang kecil disebut menghitung integral ds:

∑

Δsi = lim Δsi →0

∫ds

Maka untuk besar jarak s terhadap waktu terdapat: s2 ( t2 ) s2 d s = v ( t ) ⋅ d t ⇒ Δs = ∫ d s = ∫ v ( t ) ⋅ d t s1 s1( t1 ) t2

(5.10)

(5.11)

⇒ s ( t ) = ∫ v ( t ) ⋅ d t + s ( t1 ) t1

Penambahan jarak Δs antara waktu t1 dan t2 sebesar integral kecepatan terhadap waktu

( ∫ v (t ) ⋅ d t ) dan sebesar luas di bawah kurva v(t) antara waktu t1

dan t2. Arti dari menghitung integral memang secara umum berarti menghitung luas di bawah kurva. Kalau waktu t1 pada awal perhitungan nol terdapat persamaan untuk jarak / tempat terhadap waktu sbb.: t2

s ( t ) = ∫ v ( t ) ⋅ d t + s0

(5.12)

t1

Hubungan antara s(t) dan v(t) pada contoh khusus Dalam eksperimen dengan benda yang jatuh dengan bebas terdapat kecepatan yang bertambah secara linear dengan waktu, berarti v ( t ) = a ⋅ t + v0 .

5.2.2.5

Bagaimana cara untuk menentukan grafik s(t) dari gerakan ini jika a dan v0 diketahui ? → A: secara perhitungan dari persamaan; → B: dari grafik; ……………………… Tempat terhadap waktu s(t) bisa dihitung sebagai luas di bawah kurva grafik. Hasil yang didapatkan: Fisika Dasar untuk Fakultas Pertanian oleh Richard Blocher

30



160 s (cm) 120

80

40 2

2

t (det ) 0 0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

Gambar 5.9.: Jarak tempuh dari benda yang jatuh terhadap waktu kuadrat dari pengukuran gambar 5.5. t

t

0

0

s ( t ) = ∫ v ( t ' ) d t + s0 = ∫ ( a t + v0 ) d t + s0 =

1 2 a t + v0t + s0 2

(5.13)

Dalam contoh percobaan di atas dengan benda yang jatuh dengan bebas, kecepatan nol pada awal gerakan dan posisi diukur dari posisi awal sebagai jarak 1 nol, maka v0 = 0 dan s0 = 0. Maka s ( t ) = a t 2 . Kalau tempat digambar dalam 2 grafik tempat terhadap waktu, terdapat grafik yang melengkung ke atas seperti dalam gambar 5.5. Dengan membuat grafik tempat s terhadap waktu kuadrat t2 terdapat garis lurus sebagai grafik seperti dalam gambar 5.9 karena hubungan antara s dan t2 linear. Untuk situasi kecepatan konstan, konstanta a yang menunjukkan perubahan kecepatan dengan waktu dalam perhitungan di atas menjadi nol. Maka terdapat: v(t) = konstan = v0. Tempat (jarak / posisi) terhadap waktu dihitung seperti dalam (5.13) atau (5.5): t

t

0

0

s ( t ) = ∫ v ( t ' ) d t + s0 = ∫ v0 d t + s0 = v0t + s0


(5.14)

31


5.3


Percepatan

Percepatan rata-rata a didefinisi sebagai perubahan kecepatan per waktu. Sebagai persamaan terdapat: a ( t1, t2 ) =

v2 ( t2 ) − v1 ( t1 ) t2 − t1

=

Δv Δt

(5.15)

Untuk situasi di mana kecepatan berubah-ubah percepatan rata-rata kurang tepat, tetapi percepatan sesaat dibutuhkan. Definisi dari percepatan sesaat sbb.: dv (5.16) a (t ) = dt Hubungan antara percepatan dan kecepatan: dari turunan dalam (5.16) terdapat hubungan integral sbb.: dv ⇒ v = ∫ a ( t ) d t + v0 (5.17) a (t ) = dt Kalau memperhatikan hubungan antara kecepatan dan percepatan dan membandingkan hubungan ini dengan hubungan antara tempat dan kecepatan, maka kelihatan bahwa dua hubungan ini sama persis. Kecepatan terdapat sebagai turunan dari tempat terhadap waktu atau dengan kata lain, kecepatan merupakan perubahan tempat (jarak) per waktu. Percepatan terdapat sebagai turunan dari kecepatan terhadap waktu atau dengan kata lain, percepatan merupakan perubahan kecepatan per waktu. Hubungan antara percepatan dan tempat terdapat secara langsung dengan menggabungkan (5.16) dan (5.7): dv ⎫ ds d 2 d t ⎪⎪ dt = d s ⎬ ⇒ a (t ) = ds ⎪ dt d t2 v (t ) = ⎪ dt ⎭

a (t ) =

(5.18)

Berarti hubungan antara tempat dan waktu diturunkan dua kali terhadap waktu menghasilkan percepatan. Untuk mendapatkan tempat terhadap waktu dari percepatan terhadap waktu, percepatan harus diintegrasikan dua kali terhadap waktu. Dalam contoh benda jatuh dengan bebas, terdapat kecepatan sebesar: d v d ( a⋅ t ) v ( t ) = a⋅ t . Berarti terdapat percepatan sebesar: a = = = a . Percepatan dt dt a dalam situasi ini ternyata tidak berubah dengan waktu, tetapi konstan. Dengan percepatan konstan terdapat perubahan kecepatan terhadap waktu secara linear. Fisika Dasar untuk Fakultas Pertanian oleh Richard Blocher

32


5.4


Persamaan untuk Beberapa Situasi Khusus

Untuk dua situasi khusus, yaitu kecepatan konstan dan percepatan konstan dari teori di atas terdapat hubungan antara tempat, kecepatan dan percepatan sbb.: percepatan

kecepatan

tempat

kecepatan konstan

a=0

v = konstan Δs v= Δt

s ( t ) = v ⋅ t + s0

percepatan konstan

a = konst Δv a= Δt

v(t) = a ⋅ t + v0 ds v (t ) = dt

s ( t ) = 12 at 2 + v0t + s0 s ( t ) = 12 Δv ⋅ Δt + v0t + s0

Perhatikan bahwa persamaan dalam tabel ini hanya benar pada situasi khusus yang disebut dalam tabel. Pertanyaan Ulang → Jelaskanlah arti dan definisi dari kecepatan dengan kata dan dengan persamaan. → Apa perbedaan antara kecepatan rata-rata dan kecepatan sesaat ? Mengapa pengertian mengenai kecepatan sesaat dibutuhkan ? Apa gunanya dari kecepatan rata-rata ? → Jelaskanlah arti dan definisi dari percepatan dengan kata dan dengan persamaan. → Kalau kita tahu, percepatan nol, maka kita tahu apa mengenai kecepatan ? (Jelaskanlah, mengapa.) → Kalau percepatan konstan, apa yang kita tahu mengenai kecepatan ? (Jawab dengan kata dan dengan persamaan dan rincikan / jelaskan jawaban anda.) → Mengapa – menurut perkiraan anda – dalam diktat ini penjelasan mengenai kecepatan mencakup beberapa (≈ 10) halaman, penjelasan mengenai percepatan dimuat dalam hanya satu halaman saja ? Apakah teori mengenai percepatan lebih sedikit atau lebih sederhana ?


33


6

6.1

Hukum-Hukum Newton

Hukum Newton I

Apa yang terjadi dengan sebuah benda yang bergerak dan dibiarkan ? Bagaimana jika seandainya tidak ada gesekan seperti di angkasa luar ? …………………… → Jika tidak ada gaya kepada benda, maka setiap benda memiliki kelembaman yang membuat dia bertahan dalam gerakannya. Berarti kecepatan (baik besar maupun arah) konstan. Prinsip ini disebut sebagai hukum Newton I: “Setiap benda bertahan dalam gerakannya jika tidak ada gaya yang bekerja terhadap benda tersebut.”

6.2

Hukum Newton II

Jika tidak ada gaya kepada benda, ternyata kecepatan konstan seperti telah dinyatakan dalam hukum Newton I. Tetapi: Apa yang terjadi jika ada resultan gaya kepada suatu benda ? – Berarti, apa yang terjadi jika gaya tidak nol seperti dibicarakan dalam Hukum Newton I ? ……………………… Jika ada gaya, gerakan benda akan berubah. Bagaimana perubahan gerakan tergantung dari benda dan dari gaya yang bekerja ? → Ini yang dibicarakan dalam hukum Newton II. Kecepatan yang berubah dalam pasal mengenai kinematika telah didefinisi sebagai percepatan. Jadi pertanyaan yang dijawab dalam hukum Newton II: Bagaimana hubungan antara percepatan benda a dan gaya F yang bekerja kepada suatu benda dan sifat benda yang mana mempengaruhi percepatan yang dialami ? ………………………… Sifat benda yang mempengaruhi percepatan disebut sebagai massa lembam atau singkat sebagai massa. Maka kita perlu selidiki hubungan antara besar gaya, besar percepatan dan besar massa. Jika dua benda diberi gaya yang sama besar, maka dari pengalaman sehari-hari kita tahu bahwa benda dengan

34


6. Hukum-Hukum Newton

massa yang lebih besar mengalami percepatan yang lebih kecil. Jika gaya lebih besar, maka kita tahu, kecepatan berubah lebih jauh, berarti percepatan yang dialami lebih besar. Apakah semua hubungan tersebut merupakan hubungan linear, kuadratis, akar atau yang lain ? Mengenai hubungan antara besar gaya F dan besar massa m kita melakukan satu eksperimen angan-angan sbb.: • Satu benda dengan massa sebesar m ditarik F m dengan gaya sebesar F, maka benda benda 1 a mengalami percepatan sebesar a. • Satu benda lain dengan massa yang sama F m besar, berarti sebesar m, ditarik dengan gaya benda 2 a yang sama besar, berarti sebesar F, maka benda lain ini mengalami percepatan berapa besar ? ………………… → Mesti mengalami percepatan yang sama besar, sebesar a.

•

Langkah ketiga: dua benda digabungkan menjadi satu (misalnya ditaruh satu di atas yang lain). Supaya dua benda ini bersama mengalami percepatan sebesar a yang tadi, maka gaya yang bekerja harus berapa besar ? ……………… Mengapa gaya harus menjadi dua kali lipat ? ……………… → Karena gaya yang bekerja kepada satu benda berjumlah, maka dengan gaya yang dua kali lipat terdapat situasi yang sama dengan dua benda dipercepat sendiri-sendiri. ﬁ Hubungan antara gaya yang bekerja dan besar massa yang dipercepat linear: F ∼ m ⇔ F = konstanta ⋅ m

m

F

m

a F

benda 1 benda 2

a

Gambar 6.1: Dua benda dengan massa sama dipercepat oleh gaya yang sama, berarti total terdapat gaya dua kali lipat dan massa dua kali lipat.

(6.1)

Untuk mengetahui hubungan antara besar gaya dan besar percepatan perlu dilakukan eksperimen, bagaimana perubahan percepatan jika gaya berubah. Dari semua eksperimen yang dilakukan terdapat bahwa hubungan antara besar gaya dan besar percepatan juga linear. Berarti: F ∼ a ⇔ F = konstanta ⋅ a (6.2) Jika (6.1) dan (6.2) digabungkan terdapat hukum Newton II: F = konstanta ⋅ m ⋅ a Fisika Dasar untuk Fakultas Pertanian oleh Richard Blocher

(6.3)

35



Dalam satuan internasional besar gaya didefinisi sehingga konstanta dalam (6.3) memiliki nilai 1. Baik gaya maupun percepatan adalah besaran vektor dan arah percepatan selalu sama dengan arah gaya yang menghasilkan percepatan tersebut. Maka dalam (6.3) gaya dan percepatan harus ditulis sebagai vektor. Maka dengan definisi gaya yang membuat konstanta bernilai 1, hukum Newton II menjadi: F = m⋅a

(6.4)

Hukum Newton I ternyata merupakan satu situasi khusus dari Hukum Newton II. Jika besar gaya dalam (6.4) nol, maka besar percepatan nol juga, berarti kecepatan konstan. Kecepatan konstan berarti benda bertahan dalam gerakannya.

6.3

Satuan Gaya dalam Satuan Internasional

Dalam satuan internasional satuan gaya didefinisi melalui hukum Newton II: “Gaya sebesar satu Newton membuat benda dengan massa sebesar 1 kg dalam satu detik dipercepat dari diam memiliki kecepatan satu meter per detik.” Seperti telah disebut di atas, sebagai akibat dari definisi ini faktor konstan dalam hukum Newton memiliki nilai 1. Maka dalam satuan Internasional satuan gaya terdapat dari hukum Newton II sebagai percepatan kali massa: kg⋅ m (6.5) [ F ] = [m] ⋅ [a ] = 2 = N (Newton) det

6.4

Contoh Mengenai Hukum Newton

6.4.1

Benda Meluncur di Bidang Miring Berapa besar percepatan dari suatu benda yang meluncur di atas bidang miring ? ………………………… Yang membuat benda dipercepat adalah gaya tangensial dari persamaan (4.3). Kalau hanya gaya itu bekerja kepada benda (kalau tidak ada gesekan / gesekan bisa diabaikan) maka gaya yang mempercepat benda sesuai dengan hukum Newton sebesar Ft: Ft = Fg ⋅ sin α = mg ⋅ sin α ⎫⎪ ⎬ ⇒ mg ⋅ sin α = ma ⇔ a = g ⋅ sin α F = ma ⎪⎭ Fisika Dasar untuk Fakultas Pertanian oleh Richard Blocher

(6.6)

36



6.4.2

Benda Jatuh Bebas Benda yang jatuh dengan bebas mengalami gaya dari gravitasi bumi. Gaya dari gravitasi bumi sebesar Fgrav = m ⋅ g . Maka benda yang dibiarkan

bergerak dalam gaya gravitasi mengalami percepatan sesuai dengan hukum Newton II: F = m ⋅ a ⇔ mg = ma ⇔ a = g (6.7) Jadi percepatan yang dialami benda jika jatuh dengan bebas sebesar konstanta g. Sebab itu g disebut sebagai percepatan gravitasi di bumi. Besar dari percepatan gravitasi di bumi telah dibicarakan dalam pasal 4.5.2 “Gaya Gravitasi” mengenai hukum gravitasi. Nilai dari g kira-kira sebesar m 9,8 2 . Dalam perhitungan g sering dibulatkan dan dihitung sebesar det m g = 10 2 . Tetapi dengan memperhatikan arti dari g seperti telah dijelaskan det dalam pasal 4.5.2 “Gaya Gravitasi”, maka jelas bahwa besar dari g bervariasi dan tergantung ketinggian di atas laut (dpl) dan posisi derajat lebar di bumi karena bentuk bumi tidak bulat. Untuk 0 dpl terdapat: Derajat lebar m g ⎛ 2⎞ = ⎝det ⎠

0º

10º

20º

40º

60º

80º

90º

9,780

9,782

9,786

9,802

9,819

9,831

9,832

Tabel 6.1.: Percepatan gravitasi di bumi pada derajat lebar yang berbeda.

6.5

Gaya Percepatan bersama dengan Gaya yang lain

Berapa besar gaya dari tali terhadap benda dalam gambar 6.2 ketika benda dipercepat dengan percepatan a ke atas / ke bawah ? (Perhatikan gaya gravitasi dan gaya untuk mempercepat benda.) Ketika suatu benda mengalami percepatan, maka pada benda tersebut terdapat resultan gaya atau total gaya yang berbeda dengan nol. Hubungan antara besar percepatan dan gaya total terhadap benda sesuai dengan Hukum Newton II. Jika beberapa sumber gaya bekerja pada satu benda, maka jumlah dari semua gaya (dijumlahkan sebagai vektor !) menghasilkan percepatan: ∑ Fi = Fa = m ⋅ a . Satu contoh adalah suatu benda yang dipercepat ke atas atau ke bawah dalam gaya gravitasi. Misalnya suatu benda terikat dengan tali dan diangkat ke atas dengan percepatan a seperti diperlihatkan dalam gambar 6.2. Gaya yang Fisika Dasar untuk Fakultas Pertanian oleh Richard Blocher

37



dibutuhkan untuk mempercepat benda ini sebesar Fa = mbenda ⋅ abenda . Arah gaya Fa dan arah percepatan ke atas. Dalam situasi ini terdapat dua sumber gaya terhadap benda, yaitu gaya gravitasi dan gaya tali terhadap benda. Arah gaya gravitasi ke bawah. Arah gaya tali terhadap benda ke atas. Jumlah dari dua vektor gaya tersebut harus sebesar Fa : Fa = Ftali + Fg

(6.8)

Karena gaya gravitasi ke bawah dan gaya tali serta gaya Fa yang mempercepat benda ke arah atas, maka terdapat persamaan untuk besar gaya:

Ftali=?

a

Fg Ftali m

Fa

Gambar 6.2: Benda dipercepat ke atas. Sebelah kanan penjumlahan dari gaya yang bekerja. Persamaan (6.8)

Fa = Ftali − Fg ⇔ Ftali = Fa + Fg = m ⋅ a + m ⋅ g = m ( a + g )

(6.9)

Jadi percepatan gravitasi dan percepatan benda terhadap permukaan bumi dijumlahkan merupakan percepatan total yang menghasilkan gaya pada benda: Ftali = m ( a + g ) . Dengan percepatan ke bawah, perhitungan sama persis, hanya dengan percepatan a yang negatif. Kalau benda mengalami percepatan ke samping atau miring, maka arah a dan arah Fa ke samping atau miring. Persamaan (6.8) tetap sama, tetapi tidak bisa ditulis dengan sederhana sebagai persamaan skalar seperti dalam (6.9). Untuk besar gaya oleh tali terhadap benda Ftali terdapat persamaan vektor: Fa = Ftali + Fg ⇔ Ftali = Fa − Fg = m ( a − g )

(6.10)

Dalam persamaan (6.10) ini perlu diperhatikan bahwa percepatan gravitasi g ke arah bawah.

6.6

Gaya Semu dan Keseimbangan Gaya Dinamis

Keseimbangan gaya sama untuk benda yang diam dan untuk benda yang bergerak dengan kecepatan konstan. Kecepatan konstan dalam hal ini berarti baik besar maupun arah dari kecepatan konstan. Menurut Hukum Newton I gaya total yang bekerja terhadap benda dengan kecepatan konstan sebesar nol. Berarti Fisika Dasar untuk Fakultas Pertanian oleh Richard Blocher

38



benda dengan kecepatan konstan berada dalam keseimbangan gaya dengan jumlah gaya terhadap benda nol. Tetapi kalau sebuah benda mengalami percepatan, maka ada gaya yang mempercepat benda sesuai dengan Hukum Newton II dan keseimbangan gaya dalam arti statis yang sederhana tidak berlaku lagi. Gaya Fa yang dipakai untuk mempercepat suatu benda (benda 1) adalah gaya yang bekerja terhadap benda 1 tersebut. Berarti ada benda lain (benda 2) yang memberi gaya terhadap benda 1 tersebut. Sesuai dengan hukum Newton III akan ada gaya oleh benda 1 terhadap benda 2 yang sama besar dan arahnya berlawanan. Gaya reaksi dari benda 1 terhadap benda 2 muncul karena penolakan dari benda 1 terhadap percepatan dan gaya ini disebut sebagai gaya semu. Sebagai contoh kita membahas situasi orang yang duduk dalam kendaraan yang dipercepat. percepatan mobil a Seseorang duduk dalam kendaraan yang sedang dipercepat. Orang ikut dipercepat. Supaya orang ikut Forang ke kursi m Fkursi ke orang dipercepat, maka kursi harus mendorong orang ke arah percepatan. Berarti terdapat gaya oleh kursi terhadap orang sesuai dengan hukum Newton II: F = m ⋅ a . Sesuai dengan hukum Newton III terdapat Gambar 6.3: Jika suatu massa gaya oleh orang terhadap kursi yang dipercepat, maka massa menolak berlawanan arah dan sama besar. Berarti percepatan dengan gaya semu. orang memberikan gaya terhadap kursi, atau orang mendorong kursi ke belakang. Gaya ini bisa ditafsir sebagai gaya dari massa lembam orang yang menolak percepatan. Gaya ini disebut sebagai gaya semu. Tetapi istilah gaya semu bukan berarti bahwa gaya ini tidak nyata. Gaya ini memang nyata, bisa diukur dan dirasakan. (Bukti: Pada kecelakaan orang terlempar ke depan. Gaya semu dari orang kepada kaca ketika orang kena kaca depan membuat kaca pecah.) Dengan menghitung gaya semu dari penolakan benda mengikuti percepatan − Fa sebagai salah satu gaya yang bekerja terhadap benda, semua

(

)

benda, baik yang tidak dipercepat maupun yang dipercepat selalu berada dalam keseimbangan gaya. Jadi dengan menghitung gaya semu yang menolak percepatan − Fa sebagai salah satu gaya yang bekerja terhadap benda, maka jumlah gaya terhadap setiap benda selalu nol

( ∑ Fi = 0 ) .


39


6.7 → → → →

6.8


Pertanyaan Ulang Mengapa kecepatan benda jatuh tidak tergantung dari massa benda ? Apakah memang benar-benar tidak tergantung dari massa benda ? Mengapa orang dalam mobil terlempar ke depan ketika mobil direm dengan keras ? Mengapa berat benda terasa bertambah ketika berada dalam lift yang sedang berangkat ke arah atas ? Mengapa berat benda terasa berkurang ketika berada dalam lift yang sedang berangkat ke arah bawah ?

Contoh II Mengenai Hukum Newton

Makna dari hukum-hukum Newton terasa dalam berlalu lintas. km dalam Misalnya: Sebuah mobil dipercepat dari diam ke kecepatan v = 79,2 jam waktu t = 10 det. Massa mobil sebesar mmobil = 1000 kg. Massa dari penumpang A sebesar morg = 50 kg. Berapa besar gaya kepada mobil dan kepada orang ? Gaya tersebut bekerja dari mana ke mana ? Bagaimana ketika mobil mengerem dari kecepatan tadi menjadi berhenti dalam waktu t = 2,5 det ? Bagaimana kalau percepatan mobil lebih besar ketika ada kecelakaan ?


40


7

Gesekan

Dalam pasal ini kita membicarakan gaya gesekan antara dua benda padat yang bersinggungan. Gaya gesekan antara benda padat dan cairan atau gaya gesekan dari benda padat yang bergerak dalam cairan atau dalam gas berbeda. Juga gaya gesekan dari kendaraan yang memiliki roda berbeda dengan hal yang dibicarakan dalam pasal ini. Jika dua benda bersinggungan, gerakan satu benda terhadap yang lain terhambat oleh gaya gesekan. Gaya gesekan perlu dibedakan antara gaya gesekan statis dan gaya gesekan dinamis atau gaya gesekan kinetik. Kalau satu benda sudah bergerak Fges v terhadap benda yang lain, terdapat gaya gesekan dinamis atau gaya gesekan kinetik. Gaya Gambar 7.1: Gaya gesekan gesekan dinamis berlawanan arah dengan arah dinamis melawan arah gerakan benda. Dalam gambar 7.1 benda gerakan. bergerak di atas lantai. Gaya gesekan melawan gerakan benda. Fdorong Kalau dua benda tidak bergerak satu Fges terhadap yang lain, tetapi terdapat gaya yang benda diam mendorong satu benda untuk bergerak terhadap yang lain, terdapat gaya gesekan statis. Gaya Gambar 7.2: Gaya gesekan gesekan statis melawan gaya yang bekerja statis melawan gaya yang kepada benda dan menghalangi gerakan benda. mendorong benda untuk Dalam gambar 7.2 benda didorong oleh bergerak ketika benda masih seseorang, tetapi benda belum bergerak. Gaya diam. gesekan melawan gaya dorong. Gaya gesekan statis sama besar dengan gaya yang bekerja pada benda untuk menggerakkan benda. Arah dari gaya gesekan berlawanan dengan arah gaya dorong. Prinsip ini sesuai dengan hukum Newton III mengenai aksi dan reaksi. Misalnya orang mendorong benda dengan gaya Fdorong , maka benda melawan dengan gaya Fges . Kalau gaya yang mendorong benda melebihi batas gaya gesekan statis

maksimal, Fges statis maks , maka benda akan mulai bergerak. Besar dari gaya gesekan dinamis dan gaya gesekan statis maksimal tergantung dari sifat dua permukaan yang saling bersinggungan, tetapi tidak tergantung dari luas persinggungan. Gaya gesekan Fges sebanding dengan gaya

41


7. Gesekan

normal FN (gaya impit) yang bekerja tegak lurus terhadap permukaan yang bersinggungan, dan biasanya tidak tergantung dari kecepatan satu benda terhadap benda yang lain. Terdapat rumus sbb.: Fges = μ · FN

(7.1)

Konstanta μ dalam (7.1) adalah koefisien gesekan yang tergantung sifat dari dua permukaan yang saling menyinggung. Gaya gesekan statis maksimal lebih besar daripada gaya gesekan kinetik. Oleh sebab itu terdapat dua koefisien gesekan, koefisien gesekan statis μs dan koefisien gesekan kinetik μk. Maka persamaan (7.1) sebenarnya perlu ditulis terpisah untuk besar gaya gesekan dinamis (gaya gesekan kinetik) dan untuk besar gaya gesekan statis maksimal: Fges dinamis = μ k ⋅ FN

(7.2)

Fges statis maks = μ s ⋅ FN

(7.3)

Jadi besar gaya gesekan untuk benda bergerak selalu sebesar gaya gesekan dinamis, sedangkan gaya gesekan untuk benda yang diam selalu lebih kecil atau sama besar dengan gaya gesekan statis maksimal.

Pertanyaan Ulang → Mengapa kecepatan benda jatuh tergantung dari massa benda ?


42


8

8.1

Energi dan Potensial

Usaha W

8.1.1 Definisi Beberapa pertanyaan mengenai arti dari usaha secara fisika: Æ Satu beban ditarik ke atas dengan konstruksi katrol seperti di sebelah kiri dan di sebelah kanan dalam gambar 4.4. Bandingkan panjang tali yang harus ditarik dan besar gaya pada masing-masing konstruksi. Apakah tenaga / usaha yang dibutuhkan untuk mengangkat beban, berbeda dalam dua konstruksi ini ? ………………… Bagaimana usaha bisa didefinisikan untuk memberikan informasi yang tepat ? ………………………… Æ

Æ

Æ

Berapa besar usaha untuk meggerakkan suatu benda tanpa gesekan ke arah mendatar ? ………………… Perhatikan hukum Newton I: Jika benda telah bergerak, maka benda tetap dalam gerakannya. Berapa besar usaha untuk mengangkat suatu benda ke atas ? ……………………… Apa yang membedakan situasi ini dengan situasi di atas ketika benda bergerak ke arah mendatar ? ……………………… Bagaimana jika arah gaya miring dengan arah gerakan ? ………………………

s Fg W=F·s =0

s

Forg

Fg

Ftarik s

43


8. Energi dan Potensial

Usaha didefinisikan sebagai perkalian antara jarak tempuh dan gaya yang bekerja ke arah gerakan pada jarak tersebut. Dalam definisi ini perlu diperhatikan baik-baik bahwa hanya bagian (komponen) gaya ke arah gerakan yang dihitung. Menghitung hanya bagian gaya ke arah gerakan sama dengan menghitung seluruh gaya dan hanya bagian gerakan yang searah dengan gaya. Usaha disingkat dengan huruf W besar dari bahasa Inggris “Work”. Berarti terdapat definisi usaha W dalam mekanika sbb.: W = F ⋅s

(8.1)

Dalam (8.1) perkalian antara gaya F dan jarak tempuh atau vektor gerakan s adalah perkalian skalar. Perkalian skalar antara dua vektor a dan b terdefinisi sbb.:

( )

a ⋅ b = a ⋅ b ⋅ cos a , b

Dari (8.2) terdapat hasil dari perkalian skalar antara dua vektor sebagai besaran skalar. Di mana besaran skalar tersebut merupakan perkalian antara panjang vektor a dan panjang dari komponen vektor b ke arah a , berikut disebut sebagai b a . Vektor b a sering disebut

(8.2)

b a b||a Gambar 8.1: Perkalian skalar a ⋅ b .

sebagai proyeksi dari vektor b ke vektor a . Perhatikan gambar 8.1. Komponen dari b ke arah a mempunyai panjang sebesar:

( )

b a = b ⋅ cos a , b

(8.3)

Maka panjang vektor a dikalikan dengan panjang dari komponen vektor b ke arah a

( b a ) sebesar perkalian skalar antara a dan b

dalam (8.2).

Dalam semua penjelasan di atas dua vektor dalam perkalian skalar bisa dibalikkan, berarti perkalian skalar antara a dan b bisa juga ditafsir sebagai perkalian panjang vektor b kali panjang dari komponen a ke arah b . Cara menghitung perkalian skalar dalam koordinat kartesius bisa dilakukan dengan mudah sbb.: Dalam perkalian skalar antara dua vektor a dan b besar dari bagian yang searah dikalikan. Hal ini didapatkan dengan mengalikan bagian masingmasing vektor ke arah sumbu x, berarti ax dan bx, lalu dijumlahkan dengan perkalian antara bagian masing-masing vektor ke arah sumbu y, ay dan by. Berarti terdapat: Fisika Dasar untuk Fakultas Pertanian oleh Richard Blocher

44



⎛ a x ⎞ ⎛ bx ⎞ a ⋅ b = ⎜ ⎟ ⋅ ⎜ ⎟ = a x ⋅ bx + a y ⋅ by ⎝ a y ⎠ ⎝ by ⎠

(8.4)

Dari definisi perkalian skalar ini dilihat bahwa perkalian skalar F ⋅ s dalam (8.1) secara otomatis menghitung bagian gaya yang searah dengan arah gerakan dikalikan dengan jarak gerakan atau menghitung bagian gerakan yang searah dengan gaya yang bekerja. Dari (8.2) dan (8.4) langsung kelihatan bahwa perkalian skalar komutatif: a ⋅ b = b ⋅ a . Jika besar gaya, arah gaya dan mungkin juga arah gerakan dalam satu jalur berubah-ubah, maka usaha harus dihitung pada setiap bagian jalur d s yang kecil menghasilkan bagian usaha d W = F ⋅ d s yang kecil. Lalu bagian-bagian usaha dijumlahkan untuk mendapatkan usaha total dalam jalur dari posisi a ke posisi b. Penjumlahan dari bagian kecil dW secara matematis merupakan integral sehingga terdapat persamaan untuk usaha dari a ke b sebesar: b

b

a

a

Wa→b = ∫ d W = ∫ F ⋅ d s

8.1.2

(8.5)

Arah Usaha Usaha merupakan besaran skalar, tetapi yang dibicarakan dalam pasal ini, usaha dikerjakan dari benda mana ke benda mana. Jika suatu benda diangkat, berarti orang yang mengangkat benda memberikan gaya ke atas kepada benda ini dan arah gerakan ke atas juga. Berarti arah gaya dari orang kepada benda dan arah gerakan sama. Dalam situasi ini usaha yang dihitung dengan (8.1) memiliki nilai positif, berarti usaha yang dihitung menunjukkan usaha yang diberikan dari orang kepada benda. Dalam situasi sama terdapat gaya dari benda kepada orang ke bawah. Benda bergerak ke atas, berarti arah gerakan berlawanan dengan arah gaya. Usaha yang dihitung dengan (8.1) negatif. Nilai negatif ini menunjukkan usaha dari benda kepada orang negatif, berarti benda menerima usaha atau orang yang memberikan usaha kepada benda. Jadi untuk menentukan, usaha diberikan dari mana ke mana, arah gaya harus diperhatikan. Untuk menentukan usaha dari benda 1 kepada benda 2, maka yang dihitung adalah gaya dari benda 1 kepada benda 2. Vektor gaya ini dikalikan dengan vektor gerakan.


45



8.1.3

Satuan Usaha Satuan dari usaha terdapat dari definisinya sebagai perkalian antara gaya dan jarak:

[W ] = [ F ] ⋅ [ s ] = Nm = J ( Joule )

(8.6)

Berarti satuan asli dari usaha adalah Nm atau Newton – meter, disingkat sebagai Joule yang disingkat dengan huruf J besar. 8.1.4

Contoh: Takal Bandingkanlah usaha untuk mengangkat beban memakai takal dengan usaha mengangkat beban secara langsung. ………………… 2

8.1.5

Contoh: Benda Dinaikkan pada Bidang Miring Bandingkan usaha antara menaikkan suatu benda secara langsung tegak lurus ke atas setinggi h dengan usaha menaikkan benda melalui bidang miring, tetapi dengan ketinggian akhir h yang sama besar. ……………………

8.1.6

Æ

Æ

Usaha Mengangkat Massa dalam Gaya Gravitasi Bumi Berapa besar usaha W untuk mengangkat suatu benda dengan massa m = 5 kg setinggi h = 2 m ? …………………

Apakah besar usaha tergantung, benda diangkat lurus ke atas atau diangkat melalui bidang miring atau melalui jalur yang lain ? / Berapa besar usaha pada jalur c, d, e, f dalam gambar 8.2 ? …………………… Dari definisi usaha terdapat bahwa hanya gaya ke arah gerakan atau gerakan ke arah gaya yang dihitung. Gaya yang dikerjakan kepada benda ini terdapat dari gaya ke atas yang melawan gaya gravitasi dan sebab itu gerakan yang dihitung hanya bagian gerakan ke arah atas. Komponen gerakan ke arah mendatar tidak menambahkan bagian pada usaha. Komponen gerakan ke arah atas sama besar pada semua jalur, berarti besar usaha sama besar pada semua jalur.


46


Æ

Æ

Untuk mengangkat benda dalam medan gravitasi 1 usaha hanya tergantung dari beda tinggi yang dilewati, tidak tergantung pada jalur gerakan. Bisa dikatakan: besar usaha hanya tergantung dari posisi awal dan posisi akhir, tidak tergantung dari jalur gerakan. Jika suatu medan gaya memiliki sifat ini, maka medan gaya disebut sebagai medan potensial. Maka besar usaha untuk mengangkat suatu benda dalam gaya gravitasi bisa dihitung dari beda tinggi Δh yang dilewati dan dari massa benda: Wangkat = ∫ F ⋅ d s = mg ⋅ Δh

8.2


h=2m f

e

d c

-Fg

-Fg

Fg

Fg

Gambar 8.2: Benda diangkat dalam medan gravitasi bumi melalui jalur (8.7) yang berbeda-beda.

Energi E

8.2.1

Definisi Jika suatu benda telah diberikan usaha, maka usaha itu tidak hilang, tetapi dimiliki oleh benda tersebut. Misalnya dua benda yang berhubungan dengan tali melalui sebuah katrol seperti dalam gambar 8.3. Benda 1 diangkat oleh benda 2, berarti benda 2 diberikan usaha oleh benda 1. Benda 2 naik ke posisi yang lebih tinggi, benda 1 turun ke posisi yang lebih rendah. Setelah benda 2 diangkat, maka benda 2 mempunyai kemampuan untuk mengerjakan usaha kepada benda 1. Dalam situasi ini dikatakan benda 2 memiliki energi. Energi adalah kemampuan untuk mengerjakan usaha. Ketika benda 2 turun, maka energi dari benda 2 dipakai untuk mengangkat benda 1, berarti energi dari benda 2 dipakai untuk mengerjakan usaha kepada benda 1. Energi dari benda 2 semakin berkurang sampai hilang ketika sudah di bawah, tetapi energi dari benda 1 bertambah besar. Total energi tetap sama, energi hanya dipindahkan dari satu benda kepada benda yang lain. 1

Suatu medan terdapat jika suatu besaran terdapat pada setiap tempat dalam ruangan. Misalnya medan gaya gravitasi: Pada setiap tempat dalam ruangan terdapat gaya tertentu kepada suatu benda. Keseluruhan dari semua vektor gaya disebut sebagai medan gaya gravitasi atau singkat sebagai medan gravitasi / medan gaya. Fisika Dasar untuk Fakultas Pertanian oleh Richard Blocher

47



Bahwa energi total dalam suatu sistem tertutup tidak bisa berubah merupakan suatu hukum alam yang disebut sebagai azas kekekalan energi: Jumlah energi dalam suatu sistem tertutup konstan. Dalam hal ini suatu sistem tertutup adalah suatu sistem yang mana tidak ada energi masuk dari luar dan juga tidak ada energi yang hilang ke luar. Jika benda dengan massa m diangkat dalam medan gaya gravitasi setinggi Δh, maka benda diberi usaha sebesar Wangkat = mg ⋅ Δh , berarti energi yang dimiliki oleh benda akibat posisi yang setinggi h di atas posisi dasar sebesar E pot = mgh . Energi yang dimiliki

karena posisi tertentu disebut sebagai energi potensial. Besar dari energi potensial memang tergantung dari tempat asli atau posisi standar yang dipilih. Berarti besar energi selalu relatif terhadap keadaan asli. Yang mempunyai makna atau kepentingan dalam fisika selalu bukan sekedar nilai energi, tetapi perbedaan energi antara dua situasi yang bisa diperoleh. → Mengapa tidak praktis untuk memilih posisi dasar dalam menghitung energi potensial suatu benda, pada tempat 20 m di bawah tanah ? ………………

Ftali m Fg Ftali m Fg Gambar 8.3: Dua massa yang sama besar digantung pada katrol.

(Bagaimana cara memanfaatkan energi potensial E pot = mgh yang dimiliki benda pada posisi permukaan tanah ?)

8.2.2

Energi / Usaha untuk Mempercepat Massa Jika suatu benda dipercepat, pasti ada gaya yang membuat benda dipercepat. Selama benda dipercepat, benda sudah bergerak ke arah gaya tersebut. Berarti ketika benda dipercepat ada usaha yang dikerjakan kepada benda. Besar usaha bisa dihitung dari gaya yang dipakai dan jarak tempuh selama percepatan. Supaya perhitungan lebih sederhana kita menghitung benda dengan massa m dipercepat dengan percepatan konstan sebesar a dari keadaan diam (v = 0) sampai mempunyai kecepatan sebesar v. Gaya kepada benda


48



terdapat dari hukum Newton II sebesar F = ma , kecepatan benda setelah waktu v t sebesar v = at ⇔ a = dengan jarak tempuh selama waktu t sebesar t 2 1 1 s = 2 at = 2 vt . Maka terdapat usaha W untuk percepatan benda sebesar:

v W = F ⋅ s = m ⋅ a ⋅ s = m ⋅ ⋅ 12 vt = 12 mv 2 t 1 v a=

(8.8)

s = vt

t

2

Jadi usaha untuk mempercepat suatu benda hanya tergantung dari kecepatan akhir v dan massa m dari benda. Ketika benda diperlambat, benda bisa mengerjakan usaha yang sama besar kepada benda lain. Jadi benda yang bergerak memiliki energi sebesar usaha yang dipakai untuk mempercepat benda tersebut. Energi yang dimiliki benda karena gerakannya (karena kecepatan yang dimilikinya) disebut sebagai energi kinetik Ekin. Energi kinetik dari benda dengan massa m dan kecepatan v sebesar: Ekin = 12 mv 2

(8.9)

8.2.3

Energi Pegas Jika sebuah pegas ditekan dari posisi asli yang diberi skala jarak 0 sampai sejauh jarak s, maka ada gaya yang dibutuhkan untuk menekan pegas. Besar gaya berubah selama panjang pegas berubah sesuai dengan hukum Hook untuk pegas dengan konstanta Hook sebesar k: F = ks . Arah gaya dan arah gerakan sama sehingga besar usaha yang diberikan kepada pegas menjadi sebesar: s

s

0

0

W = ∫ F d s ′ = ∫ ks ′ d s ′ = 12 ks 2

(8.10)

Jika pegas dilepaskan, maka pegas bisa mengerjakan usaha sebesar usaha yang sebelumnya diberikan kepada pegas. Berarti pegas yang telah ditekan (ditarik) sejauh jarak s dari keadaan aslinya memiliki energi pegas sebesar:

E pegas = 12 ks 2

(8.11)

Karena energi ini hanya tergantung dari posisi / jarak pegas ditekan, maka energi ini juga merupakan energi potensial seperti energi yang dimiliki benda jika diangkat dalam gaya gravitasi.


49


8.3


Potensial ϕ

Jika suatu benda diangkat dari suatu posisi referensi kepada posisi tertentu, maka benda memiliki energi potensial. Besar dari energi potensial tergantung hanya dari massa benda dan tempatnya saja, tidak tergantung dari jalur gerak. Sebab itu energi benda dalam gaya gravitasi disebut sebagai energi potensial. Potensial itu sendiri didefinisi sebagai sifat dari tempat sbb.: Jika benda pada suatu posisi r memiliki energi sebesar Er , maka dikatakan tempat r itu sendiri memiliki potensial ϕ sebesar ϕ = Er . Jadi Potensial adalah besar energi yang dimiliki benda jika / ketika benda berada pada tempat tersebut. Karena setiap tempat pasti memiliki nilai potensial tertentu (terhadap satu benda dan satu tempat referensi tertentu), maka dikatakan dalam ruang terdapat satu medan potensial. Antara medan potensial dan medan gaya ada hubungan dekat:

(

)

Medan potensial merupakan integral dari medan gaya ϕ = ∫ F d s dan gaya terdapat sebagai turunan dari medan potensial: d ∂ϕ ∂ϕ ∂ϕ F= ϕ = ∂x , ∂y , ∂z (8.12) ds (Cara menulis turunan di tengah (8.12) secara matematis kurang tepat, tetapi diharapkan cara menulis ini menolong untuk mengerti maknanya.)

(

8.4

)

Keseimbangan

Mengapa suatu bola besi yang berada di atas lantai atau meja yang tidak mendatar selalu bergerak menuju ke posisi yang paling rendah ? …………………………… Dari definisi potensial dan dari (8.12) gaya dalam medan gravitasi dilihat sebagai turunan dari potensial terhadap tempat. Ini berarti, jika potensial untuk suatu benda lebih rendah di satu tempat daripada di sebelahnya, maka terdapat gaya dari tempat dengan potensial yang lebih tinggi kepada tempat dengan potensial yang lebih rendah. Gaya itu akan membuat benda bergerak dari tempat dengan potensial tinggi ke tempat dengan potensial rendah. Dalam medan gaya gravitasi tinggi potensial sebanding dengan tinggi tempat. Maka dalam medan gaya gravitasi, gambar mengenai tinggi tempat dan grafik mengenai tinggi potensial bisa dijadikan satu. Sebagai contoh kita memperhatikan suatu bola besi yang bisa berguling tanpa gesekan di lantai. Jika lantai miring, bola besi selalu akan bergerak ke arah yang mana lantai lebih rendah, karena ada gaya yang mendorong ke arah potensial rendah. Jika ada tempat yang paling rendah, akhirnya bola akan berdiam di tempat yang Fisika Dasar untuk Fakultas Pertanian oleh Richard Blocher

50



paling rendah itu. Di situ potensial (energi yang dimiliki bola ketika berada di situ) paling rendah. Jika lantai mendatar, maka di mana saja tinggi bola sama sehingga energi bola sama besar di setiap tempat. Dengan kata lain: pada lantai mendatar potensial untuk bola sama besar pada setiap tempat. Bola tidak mengalami gaya untuk bergerak ke mana-mana. Dari sini satu prinsip fisika bisa dilihat: Setiap benda ataupun setiap sistem fisik akan selalu masuk ke dalam keadaan dengan energi yang paling rendah, berarti posisi yang akan diambil dalam medan potensial adalah posisi dengan potensial yang paling rendah. Dari prinsip ini terdapat tiga jenis keseimbangan yang kita selidiki dengan contoh bola di atas suatu alas.

Gambar 8.4: Tiga jenis keseimbangan: sebelah kiri keseimbangan stabil; di tengah keseimbangan netral; di sebelah kanan keseimbangan tak stabil. Æ Situasi pertama ketika alas melengkung ke atas seperti sebelah kiri dalam gambar 8.4. Bola dalam keadaan seimbang ketika bola berada di posisi paling bawah. Berada dalam keadaan seimbang berarti tidak ada gaya yang membuat bola bergerak, dengan kata lain: jumlah gaya kepada bola nol. Jika bola digeser dari keadaan seimbang, berarti didorong sedikit ke samping dari posisi diam, lalu dilepaskan, maka bola akan segera kembali kepada posisi semula. Situasi ini disebut sebagai keseimbangan stabil. Dalam keseimbangan stabil, suatu benda (sistem fisik) berada dalam minimum potensial dan jika digeser, benda (sistem fisik) digeser ke tempat potensial yang lebih tinggi. Maka jika digeser dari keadaan semula selalu akan ada gaya untuk mengembalikannya ke posisi awal. Æ Situasi kedua diperlihatkan di tengah dalam gambar 8.4. Bola berada di atas lantai datar. Bola juga seimbang di atas lantai datar, berarti tidak ada gaya kepada bola yang membuat bola bergerak. Tetapi, jika bola ini digeser dari posisi semula, lalu dibiarkan, maka bola tidak akan kembali ke posisi semula, tetapi akan tetap tinggal pada posisi baru yang mana bola dibiarkan. Situasi seperti ini disebut sebagai keseimbangan netral. Dalam keseimbangan netral benda (sistem fisik) berada dalam situasi yang mana potensial tidak berubah jika posisi benda (keadaan sistem fisik) berubah sehingga setiap posisi bisa dimiliki oleh benda (sistem fisik). Dalam situasi ini grafik potensial terhadap tempat merupakan garis mendatar. Fisika Dasar untuk Fakultas Pertanian oleh Richard Blocher

51



Æ Situasi ketiga diperlihatkan di sebelah kanan dalam gambar 8.4. Bola berada pada ujung atas dari suatu bukit atau alas yang melengkung ke atas. Bola pas di puncak atas sehingga dasar bola mendatar dan bola dalam keadaan seimbang, berarti tidak ada gaya yang membuat bola bergerak. Tetapi, jika bola digeser sedikit dari posisi semula, maka akan ada gaya kepada bola yang membuat bola bergeser lebih jauh dari keadaan semula. Situasi ini disebut sebagai keseimbangan tak stabil. Dalam keseimbangan tak stabil, benda (sistem fisik) berada pada suatu maksimum potensial, maka jika posisi digeser, benda (sistem fisik) langsung mempunyai kesempatan untuk masuk ke dalam posisi (keadaan) potensial yang lebih rendah lagi sehingga akan semakin jauh dari keadaan semula.

8.5

Kestabilan Terhadap Jatuh

Potensial dari suatu benda tegar ditentukan oleh tinggi dari pusat massa benda. Pusat massa adalah titik di mana seolah-olah seluruh massa benda berada di situ, berarti pusat massa adalah tempat rata-rata dari semua massa yang bergabung dalam suatu benda tegar. Definisi matematis untuk menghitung posisi pusat massa rpm sbb.: rpm =

∑ mi ⋅ ri i

∑ mi

(8.13)

i

Jika suatu benda berdiri di lantai dan kita mau tahu, berapa stabil posisi benda itu, berarti berapa sulit atau mudah benda dijatuhkan oleh angin, getaran lantai atau gaya lain yang bekerja pada benda itu, maka kita harus memperhatikan situasi keseimbangan dari benda itu. Sebagai contoh kita bandingkan tiga benda dalam gambar 8.5 dan gambar 8.6. Benda pertama sebelah jalur pm kiri dalam gambar 8.5 berbentuk balok dan lebar kira-kira sama pm pm besar dengan tingginya. Pusat massa di tengah benda. Jika benda ini mau digulingkan, maka Gambar 8.5: Dua benda dengan kestabilan benda diputarkan terhadap ujung terhadap jatuh yang berbeda. bawahnya. Bentuk dari gerakan pusat massa digambarkan ke dalam gambar. Dilihat bahwa benda dalam keseimbangan stabil dan pusat massa harus diangkat cukup tinggi ke atas sampai benda akan jatuh. Fisika Dasar untuk Fakultas Pertanian oleh Richard Blocher

52



Benda kedua di sebelah kanan dalam gambar 8.5 berbentuk balok juga, tetapi lebih sempit. Pusat massa juga di tengah. Tetapi jika benda ini digulingkan, pusat massa tidak perlu diangkat begitu tinggi, berarti untuk menggulingkan benda ini tidak perlu memberikan banyak usaha kepada benda. Maka benda ini akan lebih mudah jatuh daripada benda pertama. Benda ketiga dalam gambar 8.6 mempunyai dasar berbentuk bola. Pusat massa lebih rendah daripada pusat bola dari dasar pp pp kakinya. Jika benda ini dimiringkan, pusat massa naik dari posisi aslinya, pm berarti keseimbangan benda ini pm stabil. Jika benda ini dimiringkan, lalu dibiarkan, benda ini akan Gambar 8.6: Benda dengan pusat massa langsung kembali ke posisi aslinya. (pm) di bawah pusat putaran (pp) memiliki keseimbangan stabil.

8.6

Daya Daya P didefinisi sebagai usaha yang bekerja per waktu: W P= t Maka terdapat satuan untuk daya sebagai usaha per waktu:

[ P] =

[W ] = Nm = J = W Watt ( ) [t ] det det

(8.14)

(8.15)

Satuan untuk daya yang biasa dipakai adalah Watt, disingkat dengan W, di mana satu Watt sebesar satu Joule per detik. Dari satuan daya Watt terdapat satuan kWh. Arti dari kWh adalah sbb.: J k = kilo = 1 000, W = Watt = det , h = hour = jam, maka arti dari kWh sbb.: J 1kWh = 1000 Watt⋅ jam = 1000 ⋅ 3 600 det = 3 600 000 J = 3,6 MJ (8.16) det Jadi kWh bukan satuan daya, tetapi satuan usaha atau energi.

8.7 →

Pertanyaan Ulang Mengapa rem mobil / motor menjadi panas ketika jalan menurun ?


53


9

9.1

Mekanika Fluida

Tiga Keadaan Zat

Zat terdapat dalam tiga bentuk yang berbeda, yaitu zat padat, cairan dan gas. Apa perbedaan antara tiga bentuk tersebut ? Æ …………… → Zat padat: Bentuk padat dan tidak berubah dengan mudah. → Cairan: bentuk tidak permanen, tetapi bentuk berubah dengan mudah dan bisa dipisahkan dengan mudah. Untuk menyimpan cairan perlu wadah yang tertutup di samping supaya cairan tidak mengalir ke mana-mana. → Gas: Bentuk lebih fleksibel lagi daripada cairan. Untuk menyimpan gas perlu wadah yang tertutup dari semua sisi.

Dalam pasal ini sifat cairan akan dibicarakan lebih rinci.

9.2

Tekanan

9.2.1 Sifat dan Definisi Tekanan • Apa yang terjadi kalau cairan ditekan dari satu arah tertentu ? Æ ………

•

Apa yang terjadi kalau cairan ditekan dari satu arah, tetapi cairan berada dalam wadah tertutup sehingga tidak bisa bergeser seperti dalam contoh gambar 9.1 ? Æ ………………… Cairan mau bergeser ke semua arah. Karena cairan tidak bisa bergeser, maka timbul tekanan dalam cairan. Tekanan dalam cairan adalah gaya dorong dalam cairan ke semua arah. Gaya dorong atau tekanan ini bekerja baik antara bagian-bagian cairan maupun dari cairan kepada dinding wadah. Wadah dalam contoh gambar 9.1 tertutup di atas dengan silinder. Silinder memberikan gaya F kepada cairan ke bawah, sedangkan tekanan dalam cairan memberikan gaya kepada silinder ini ke arah atas. Gaya dari cairan kepada silinder merupakan gaya reaksi dari gaya F. Gaya antara cairan dan

F

A p p p

p p

Gambar 9.1: Wadah tertutup diberi gaya dari satu arah.

54


9. Mekanika Fluida

F1

F2

A1

A2 p

p p

p p

p

p p

p

p

p

p

p p

Gambar 9.2: Dalam dua tabung yang terisi cairan dan yang berhubungan terdapat tekanan yang sama besar. Tekanan memberikan gaya kepada semua arah. silinder akan dibagi rata pada luas silinder sehingga besaran yang tersebar secara konstan dalam cairan adalah tekanan p yang merupakan gaya F per besar luas A dalam cairan: F (9.1) p= A Dari (9.1) terdapat satuan dari tekanan p:

[ p ] = ⎡⎢

10 N F⎤ N = 105 Pa = 2 = Pa (Pascal); 1bar = ⎥ 2 A 1cm m ⎣ ⎦

(9.2)

Apa akan terjadi kalau dalam wadah ada satu lubang kecil ? Æ ………… Bagaimana tekanan dalam dua wadah tertutup yang tersambung dengan satu pipa atau selang kecil seperti dalam gambar 9.2 ? Æ …………… Bagaimana hubungan antara besar gaya kepada dua silinder dalam gambar 9.2 ? Misalnya luas silinder sebelah kiri sebesar A1 = 60 cm2, luas silinder sebelah kanan sebesar A2 = 300 cm2 dan gaya kepada silinder sebelah


55


9. Mekanika Fluida

kiri sebesar F1 = 600 N. Berapa besar gaya F2 kepada silinder sebelah kanan ? Æ …………… Prinsip seperti ini dipakai dalam dongkrak hidraulis atau dalam alat penekan hidraulis seperti diperlihatkan dalam gambar 9.3. 9.2.2 Bentuk Permukaan Cairan • Bagaimana bentuk permukaan cairan jika terdapat gaya tambahan selain gaya gravitasi, misalnya suatu tabung diputarkan sehingga terdapat gaya sentrifugal ? Æ ……………… 9.2.3

Gambar 9.3: Alat penekan hidraulis.

Tekanan Statis dari Gravitasi

9.2.3.1

Prinsip Dasar Di atas telah dibicarakan bahwa dalam cairan timbul tekanan ketika cairan diberikan gaya dari luar. Tetapi selain gaya dari luar selalu terdapat gaya gravitasi yang juga bekerja kepada cairan. Karena gaya gravitasi menarik cairan ke bawah, maka cairan yang lebih di bawah lagi akan mendapat gaya dari cairan di atasnya. Gaya ini menimbulkan tekanan yang akan kita sebutkan sebagai tekanan statis dari gaya gravitasi. Besar tekanan statis tersebut bisa dihitung dengan menghitung besar gaya per luas yang dihasilkan oleh gaya gravitasi. Dalam gambar 9.4 terdapat sebuah yang terisi cairan setinggi h. Wadah mempunyai luas dasar h sebesar A. Berapa besar gaya gravitasi dan tekanan kepada dasar wadah ? Æ …………………… Gaya gravitasi Fg terdapat dari massa benda, dalam hal ini massa cairan mengalami gaya h' gravitasi sebesar Fg = mcairan ⋅ g .

(9.3)

Besar massa cairan dalam wadah terdapat dari besar massa jenis dan volume cairan sebesar: mcairan = ρcairan ⋅Vcairan = ρcairan ⋅ A ⋅ h

(9.4)


h=0 A Gambar 9.4: Perhitungan tekanan hidrostatis dari gaya gravitasi kepada cairan.

56


9. Mekanika Fluida

Tekanan cairan pada dasar wadah terdapat dari definisi tekanan dalam (9.1) sebesar gaya gravitasi kepada dasar wadah per luas dasar wadah. Maka dari (9.1), (9.3) dan (9.4) terdapat besar tekanan statis dari gravitasi: ρcairan ⋅ A ⋅ h ⋅ g A A = ρ cairan ⋅ g ⋅ h

p grav =

Fg

=

(9.5)

Dengan (9.5) terdapat tekanan statis dari gravitasi pada posisi ketinggian tertentu. Tinggi h dalam persamaan ini terdapat dari perhitungan berat cairan di atas posisi tersebut, berarti tinggi h adalah tinggi cairan di atas posisi yang mana tekanan dihitung. Tetapi, walaupun gaya gravitasi bekerja ke bawah, tekanan dalam cairan selalu merupakan gaya dorong ke segala arah. Berarti juga tekanan statis dari gravitasi bekerja ke segala arah. Jadi: Tekanan statis dari gaya gravitasi ini memberikan gaya ke arah mana saja ? Æ ……………

•

Berapa besar tekanan pada tinggi h' dalam gambar 9.4 ? Æ ………………

•

Berapa besar tekanan dalam wadah dengan berbagai bentuk ? Misalnya wadah dengan bentuk seperti dalam gambar 9.5 ? Kalau empat wadah dalam gambar 9.5 terisi dengan cairan yang sama: Apakah tekanan pada dasar (h = 0) sama besar dalam setiap wadah ? Apakah tekanan pada posisi ketinggian h' sama besar dalam setiap wadah ? Æ …………………… → Bandingkan gaya-gaya yang bekerja pada ketinggian h' dalam wadah sebelah kiri dalam gambar 9.5 dengan gaya-gaya yang ada pada ketinggian h' dalam wadah pada gambar 9.4: Pada tinggi h' terdapat tekanan sebesar pgrav = ρcairan ⋅ g ⋅ Δ ( h − h ' ) . Tekanan ini memberikan gaya ke semua arah, berarti juga ke atas. Di sebelah kanan dan di sebelah kiri pada wadah dalam gambar 9.5 gaya dari tekanan bekerja kepada dinding wadah yang mendatar di atas cairan dan memberikan gaya ke atas. Dinding wadah tersebut memberikan gaya reaksi yang sama besar dan ke bawah. Dalam gambar 9.4 tidak ada dinding mendatar pada posisi yang sama, tetapi terdapat cairan di atasnya sehingga gaya dari dinding digantikan dengan gaya (gravitasi) dari cairan. Berarti situasi gaya dalam dua wadah ini sama persis. Maka besar tekanan pada dasar wadah maupun pada posisi ketinggian h' persis sama. Sebagai kesimpulan terdapat: → Tekanan hidrostatis dari gravitasi sama besar untuk segala bentuk bejana: p = ρgh , di mana tinggi h dihitung dari ketinggian tekanan ditentukan sampai ketinggian permukaan cairan.

9.2.3.2 Bejana Berhubungan Fisika Dasar untuk Fakultas Pertanian oleh Richard Blocher

57


9. Mekanika Fluida

h

h'

h=0 Gambar 9.5: Cairan dalam wadah dengan berbagai bentuk menghasilkan tekanan statis yang sama pada ketinggian yang sama. Dalam hidup sehari-hari sering terdapat situasi berikut: Dua bejana, yang terbuka di atas dan terhubung dengan selang atau pipa, terisi cairan. Selang atau pipa tersambung pada bagian bejana yang terisi cairan dan selang atau pipa sendiri juga penuh dengan cairan. Pertama kita anggap dua bejana terisi cairan yang sama. Apakah / mengapa tinggi cairan dalam dua bejana sama ? Æ ……………… →

Tekanan pada satu posisi pipa sambungan sebesar p grav = ρ cairan ⋅ g ⋅ h dengan h sebagai tinggi permukaan cairan di atas posisi tersebut. Dalam situasi seimbang, berarti ketika cairan diam dalam dua bejana, gaya dari sebelah kanan pasti sama besar dengan gaya dari sebelah kiri. Berarti tekanan dari dua sisi pipa pasti sama besar. Karena jenis cairan sama, berarti massa jenis ρ sama besar, maka tinggi h dalam dua bejana pasti sama besar.

Apakah tinggi cairan dalam bejana berhubungan tetap sama besar kalau cairan dalam dua bejana berbeda ? Æ ……………… Sebutkan penerapan praktis dari Prinsip ini. Æ …………… 9.2.3.3

Manometer U Satu contoh untuk bejana berhubungan adalah manometer U seperti diperlihatkan dalam gambar 9.6. Cairan dalam dua sisi manometer sama tinggi. Kalau dua sisi dari manometer U disambungkan dengan wadah atau alat yang memiliki tekanan yang berbeda, berarti dalam sati sisi manometer U terdapat tekanan sebesar p1 dan dalam sisi manometer U yang lain terdapat tekanan sebesar p2, maka tinggi cairan akan berbeda. Perbedaan tinggi cairan Δh bisa dihitung dengan memperhatikan bahwa tekanan dari sebelah kanan pada bagian bawah manometer sama besar dengan tekanan dari sebelah kiri. (Karena Fisika Dasar untuk Fakultas Pertanian oleh Richard Blocher

58


9. Mekanika Fluida

p1

p2

Δh h1

Gambar 9.6: Manometer U yang seimbang pada dua sisinya.

h2

Gambar 9.7: Beda tinggi cairan dalam manometer U menunjukkan perbedaan tekanan antara dua sisinya.

keseimbangan gaya.) Dalam hal ini tekanan pada bagian bawah manometer terdapat dari tekanan statis dari berat cairan ditambah tekanan tambahan pada sambungan manometer sebesar p1 dan p2. Jadi dari sebelah kanan terdapat tekanan sebesar:

pkanan = p2 + ρgh2

(9.6)

Dari sebelah kiri terdapat tekanan sebesar:

pkiri = p1 + ρgh1

(9.7)

Karena tekanan sebelah kiri sama besar dengan tekanan sebelah kanan, maka terdapat: pkanan = pkiri ⇔ p2 + ρgh2 = p1 + ρgh1

⇔ Δp = p1 − p2 = ρg ( h2 − h1 )

(9.8)

Jadi manometer U bisa dipakai untuk mengukur perbedaan tekanan antara dua tempat. Apakah persamaan (9.8) juga benar kalau cairan di sebelah kanan dan di sebelah kiri dalam manometer U berbeda ? Æ ……………… 9.2.4 Perbedaan Antara Tekanan Statis dan Tekanan Dinamis • Apa tekanan tetap sama jika kran air dibuka dan air mengalir ? (→ Perhatikan aliran air pada kran lain, jika satu kran dibuka.) → Ketika air mengalir, maka tekanan turun. Mengapa ? → gesekan dalam aliran air.


59


9. Mekanika Fluida

→ Ketika kran barusan dibuka, air mengalir pelan dulu, lalu menjadi lebih cepat. Ketika satu kran ditutup dengan cepat, air di kran lain sebentar mengalir lebih kencang. Mengapa ? → Percepatan air. 9.2.5

Gaya Daya Apung Perhatikan hasil dari Percobaan sbb: Sebuah benda digantungkan pada timbangan pegas / pengukur gaya, berat benda (gaya gravitasi terhadap benda) dibaca dari skala pengukur gaya. Kemudian benda dimasukkan ke dalam air selama tetap digantungkan pada pengukur gaya yang sama. Apakah berat benda yang ditunjukkan sama setelah benda masuk ke p1 Fda h2 h1 dalam air ? Æ …………… Mengapa ? Ternyata berat benda berubah ketika pki pka hbenda benda dimasukkan ke dalam cairan. Karena A gaya gravitasi sebagai gaya tarik antara massa bumi dan massa benda tetap sama, p2 kita bisa mengambil kesimpulan bahwa Fg cairan memberikan gaya kepada benda ke arah atas. Gaya tersebut dari cairan kepada benda disebut sebagai “gaya daya apung”. Gambar 9.8: Gaya daya apung Dari mana terdapat gaya daya apung ? terdapat dari perbedaan tekanan Æ …………………… di atas dan di bawah benda. Dari gambar 9.10 besar gaya daya apung bisa dipelajari. Benda yang dimasukkan ke dalam cairan mendapat gaya dari semua sisi dari tekanan dari berat cairan. Besar tekanan p kepada benda pada posisi sejauh h di bawah permukaan cairan terdapat dari tinggi cairan h di atas posisi yang mana tekanan ditentukan sebesar p grav = ρcairan ⋅ g ⋅ h . Maka pada

permukaan atas dari benda terdapat tekanan sebesar p1 = ρgh1 ,

(9.9)

berarti terdapat gaya kepada benda sebesar F1 = A ⋅ p1 = A ⋅ρgh1 .

(9.10)

Pada permukaan bawah dari benda terdapat tekanan sebesar p2 = ρgh2 ,

(9.11)

berarti terdapat gaya kepada benda sebesar F2 = A ⋅ p2 = A ⋅ρgh2 . Fisika Dasar untuk Fakultas Pertanian oleh Richard Blocher

(9.12)

60


9. Mekanika Fluida

Arah gaya kepada permukaan atas ke bawah dan arah gaya kepada permukaan bawah ke atas sehingga terdapat gaya total ke atas sebesar gaya daya apung Fgda: Fgda = Ftotal = F2 − F1 = A ⋅ρ gh2 − A ⋅ρ gh1 = A ⋅ Δh ⋅ρ g = Vbenda ⋅ρcairan ⋅ g

(9.13)

Jadi gaya daya apung sebesar gaya gravitasi kepada cairan yang digeserkan atau sebesar berat cairan yang digeserkan. Berapa besar gaya daya apung kalau Fda hanya sebagian benda masuk ke dalam cairan ? (Seperti dalam gambar 9.9) Æ ………………… A pki pka Fgda = A ⋅ h2 ⋅ρ g = Vcairan yang digeser ⋅ρcairan ⋅ g A 9.2.6 Pertanyaan Ulang p2 • Tekanan merupakan gaya ke arah mana saja ? Fg Mengapa ? • • • •

9.3

Apa definisi dari tekanan ? Bagaimana terdapat tekanan dalam suatu cairan ? Jelaskanlah fungsi dari dongkrak hidraulis. Tekanan statis dari gaya gravitasi tergantung apa saja ? Gaya daya apung tergantung apa saja ?

h2

Gambar 9.9: Gaya daya apung ketika sebagian benda masuk ke dalam cairan.

Tegangan Permukaan dan Kapilaritas

9.3.1

Struktur Cairan dan Kohesi dan Adhesi Cairan terdiri dari atom atau molekul seperti zat padat, tetapi ikatan antara partikel cairan jauh lebih lemah daripada ikatan antara partikel zat padat. Pada zat padat ikatan antara partikel dari satu benda menentukan posisi dari setiap partikel (atom atau molekul) dengan pasti dan satu partikel tidak bisa bergeser terhadap yang lain. Dalam cairan ikatan antara partikel kecil dan posisi dari satu partikel dengan partikel yang lain bisa berubah dengan mudah. Karena ini tekanan menyebar atau menghasilkan gaya ke semua arah. Tetapi walaupun gaya antara partikel cairan kecil tidak berarti bahwa tidak ada gaya sama sekali. Tetap terdapat interaksi / gaya antara partikel cairan sebagai gaya tarik-menarik antara partikel cairan. Gaya tarik-menarik antara partikel dari satu cairan disebut sebagai kohesi. Gaya tersebut berasal dari gaya elektrostatik dan disebut sebagai gaya van der Waals.


61


9. Mekanika Fluida

Selain gaya kohesi antara partikel dari jenis yang sama terdapat juga gaya tarik-menarik antara partikel dari suatu cairan dengan partikel (molekul atau atom) dari jenis lain. Misalnya gaya antara partikel cairan dengan partikel zat padat pada dinding wadah atau gaya antara partikel cairan dengan gas (udara) yang terdapat di atas cairan. Gaya tarik antara partikel cairan dengan partikel zat lain disebut sebagai adhesi. Dalam pasal berikut akibat dari gaya kohesi dibicarakan dulu.

9.3.2

Energi Permukaan Jenis dan Tegangan Permukaan Jenis Prinsip Perhatikan gaya tarik-menarik antara molekul cairan (gambar 9.10): Sebuah molekul yang berada di tengah cairan mempunyai molekul tetangga di semua sisinya. Maka molekul tersebut mendapatkan gaya tarik (gaya kohesi) dari molekul tetangga kepada semua arah seperti diperlihatkan pada contoh bagian bawah dalam gambar 9.10. Maka total gaya kepada molekul di tengah cairan nol. Jika sebuah molekul berada pada posisi dekat dengan permukaan cairan, maka jumlah tetangga pada Gambar 9.10: Gaya kepada sisi molekul dekat permukaan lebih sedikit molekul di dalam cairan dan seperti diperlihatkan pada dua contoh di atas dekat dengan permukaan. dalam gambar 9.10. Karena molekul tersebut mendapatkan gaya dari semua molekul tetangga, maka terdapat resultan gaya (gaya total) ke dalam cairan. Untuk memindahkan satu molekul dari dalam cairan ke permukaan cairan, molekul harus digeser melawan gaya total tersebut. Maka untuk memindahkan molekul dari dalam ke permukaan, terdapat usaha yang harus dikerjakan kepada molekul tersebut, berarti terdapat penambahan energi cairan ΔE. Kalau molekul dipindahkan dari dalam ke permukaan, maka luas permukaan bertambah. Berarti: Untuk menambahkan besar luas permukaan, maka ada usaha yang harus dikerjakan atau terdapat penambahan energi cairan ΔΕ. Besar penambahan energi cairan ΔE tersebut sebanding dengan besar penambahan luas ΔA. Penambahan energi cairan ΔE per penambahan luas ΔA merupakan sifat khas untuk suatu cairan tertentu dan disebut sebagai energi permukaan jenis σ dari cairan itu: ΔE penambahan energi σ= = (9.14) ΔA penambahan luas permukaan cairan Fisika Dasar untuk Fakultas Pertanian oleh Richard Blocher

62


9. Mekanika Fluida

Jadi ada energi yang dibutuhkan untuk memperbesar permukaan cairan. Hal ini berarti bahwa dari cairan terdapat gaya kepada ujung permukaan yang bekerja untuk memperkecil luas permukaan. Gaya tersebut bekerja ke arah tegak lurus pada garis batas permukaan dan ke dalam bidang permukaan. Dalam gambar 9.11 satu percobaan untuk menunjukkan gaya tersebut diperlihatkan. Dalam suatu kerangka kawat terdapat satu kawat yang bisa bergeser dengan mudah. Di dalam kerangka diberikan satu lapisan cairan tipis (misalnya dari larutan sabun). Gaya yang menarik kawat fleksibel ke atas bisa diukur. Jika kawat bergeser ke bawah sejauh Δs, maka terdapat penambahan energi permukaan jenis sebesar: ΔE = σ ⋅ 2 ⋅ Δ A = σ ⋅ 2 ⋅ b ⋅ Δ s Faktor 2 dalam (9.15) terdapat karena suatu kulit cairan mempunyai dua permukaan. Usaha atau penambahan energi ΔE untuk menggeser kawat bisa dihitung dari besar gaya F dan jarak pergeseran Δs sebesar: ΔE = F ⋅ Δ s

(9.15)

(9.16) Gambar 9.11: Percobaan untuk memperlihatkan gaya permukaan.

Karena besar energi yang dipakai untuk menambahkan luas permukaan terdapat dari gaya untuk menggeser kawat, maka perubahan energi ΔE dalam (9.15) sama besar dengan ΔE dalam (9.16), maka terdapat: F ⋅ Δs F F (9.17) σ ⋅ 2 ⋅ b ⋅ Δs = F ⋅ Δ s ⇔ σ = = = 2 b ⋅ Δs 2 b l Dalam (9.17) variabel l dalam ruas belakang adalah panjang permukaan yang menarik kawat fleksibel ke atas. Panjang l sebesar 2b karena lapisan cairan mempunyai permukaan di depan dan di belakang. Dari (9.17) terdapat definisi untuk tegangan permukaan jenis σ. Tegangan permukaan jenis σ adalah gaya yang bekerja per panjang l dari suatu garis permukaan. Gaya ini menarik ujung permukaan ke dalam. Besar tegangan permukaan jenis tergantung merupakan besaran khas untuk satu jenis cairan. Definisi dari tegangan permukaan jenis σ seperti terdapat dalam (9.17): F (9.18) σ= l Energi permukaan jenis dan tegangan permukaan jenis untuk satu cairan sama besar. Satuannya juga sama:

[σ] = ⎢⎡

W⎤ J ⎡F ⎤ N = 2 =⎢ ⎥= ⎥ A ⎣ ⎦ m ⎣l⎦ m


(9.19)

63


9. Mekanika Fluida

Besar tegangan permukaan turun kalau suhu naik. Kalau dalam cairan terdapat sedikit tambahan dari zat yang lain, tegangan permukaan bisa berubah jauh. 9.3.3

Tekanan Dalam Tetesan Cairan Sebuah tetesan cairan mempunyai permukaan yang melengkung, maka gaya pada permukaan yang menarik permukaan untuk diperkecil mempunyai resultan ke dalam tetesan dan menghasilkan tekanan dalam tetesan. Untuk menentukan besar tekanan dalam tetesan kita menghitung usaha yang dibutuhkan seandainya besar tetesan diubah. Di satu sisi usaha ΔW tersebut terdapat dari besar tekanan dan perubahan jari-jari r sebesar Δr sebesar: ΔW = p ⋅ A ⋅ Δ r (9.20) = p ⋅ 4 π r 2 ⋅ Δr

Δr p r

p

p

Ftp

Ftp Gambar 9.12: Tekanan p dalam tetesan melawan resultan dari gaya tegangan permukaan Ftp .

Di sisi lain besar usaha ΔW tersebut terdapat dari perubahan besar luas permukaan ΔA yang terdapat ketika jarijari diubah sebesar Δr. Dengan memperbesar luas permukaan terdapat penambahan energi atau usaha dari energi permukaan jenis sesuai (9.14) sebesar: ΔW σ= ⇔ ΔW = σ ⋅ Δ A (9.21) ΔA Dengan perubahan jari-jari sebesar Δr terdapat perubahan luas permukaan ΔA sebesar: d d ΔA = A ⋅ Δr = 4 π r 2 ⋅ Δ r = 8π r ⋅ Δ r dr dr Maka (9.21) menjadi: Δ W = σ ⋅ 8 πr ⋅ Δ r

(

)

(9.22)

(9.23)

Dalam situasi keseimbangan usaha dari tekanan sama besar dengan usaha dari memperbesar luas permukaan, maka ΔW dalam (9.20) sama besar dengan ΔW dalam (9.23): σ ⋅ 8 π r ⋅ Δr 2 σ (9.24) Δ W = p ⋅ 4 π r 2 ⋅ Δ r = σ ⋅ 8π r ⋅ Δ r ⇔ p = = r 4 π r 2 ⋅ Δr Fisika Dasar untuk Fakultas Pertanian oleh Richard Blocher

64


9. Mekanika Fluida

Jadi sebagai akibat dari tegangan permukaan jenis dalam tetesan terdapat tekanan yang bertambah besar ketika tetesan kecil. Hal ini mudah dimengerti karena dengan tetesan kecil lengkung di permukaan lebih besar sehingga komponen gaya ke dalam lebih besar. 9.3.4

Energi Permukaan Jenis Antara Berbagai Jenis Zat Dalam pasal-pasal di atas tegangan permukaan jenis dijelaskan sebagai gaya yang bekerja untuk memperkecil luas permukaan sebagai akibat dari gaya kohesi antara partikel cairan. Tegangan permukaan atau energi permukaan yang telah dijelaskan merupakan energi permukaan yang terdapat pada permukaan antara cairan dan suatu gas yang berada di luar cairan. Dalam situasi ini gaya kohesi dalam cairan lebih besar daripada gaya adhesi dari molekul cairan terhadap molekul gas sehingga terdapat energi permukaan jenis yang positif. Energi permukaan jenis atau tegangan permukaan jenis bukan sifat dari satu cairan, tetapi merupakan sifat antara dua zat yang bersentuhan. Pada permukaan antara cairan dan gas selalu terdapat energi permukaan jenis yang positif, berarti luas permukaan cairan memiliki tegangan (gaya) yang bekerja untuk memperkecil besar luas permukaan. Seandainya energi permukaan jenis negatif, partikel cairan akan cenderung untuk ke luar dari cairan dan masuk ke dalam gas, berarti cairan akan menguap. Antara cairan dan zat padat sering terdapat situasi dengan gaya adhesi antara partikel cairan dan zat padat lebih besar daripada gaya kohesi antara partikel cairan. Dalam situasi ini cairan cenderung untuk menyebar pada permukaan zat padat. Situasi ini biasanya terdapat antara air dan kaca. Di mana gaya adhesi ini bisa dilihat ? Æ …………… Dalam situasi adhesi lebih besar daripada kohesi terdapat tegangan permukaan jenis atau energi permukaan jenis yang bekerja untuk memperbesar luas permukaan, berarti energi / tegangan permukaan jenis mempunyai nilai yang negatif. Antara zat padat dan cairan Energi Jenis Zat kadang terdapat energi permukaan Permukaan Jenis jenis yang negatif, kadang terdapat Cairan – gas σ>0 energi permukaan jenis yang positif. Cairan – cairan σ>0 Kalau terdapat dua cairan yang tidak berlarut satu dalam yang σ>0 Cairan – zat lain, maka antara dua cairan tersebut padat σ<0 terdapat energi permukaan jenis yang positif. σ biasanya Zat padat – gas sangat kecil Dalam tabel 9.1 beberapa kemungkinan untuk besar energi Tabel 9.1: Besar energi permukaan permukaan jenis σ ditulis. jenis yang biasanya didapatkan antara berbagai jenis zat. Fisika Dasar untuk Fakultas Pertanian oleh Richard Blocher

65


9. Mekanika Fluida

9.3.5

Sudut Cairan Pada Dinding Kalau cairan dimasukkan ke dalam suatu wadah, maka pada dinding wadah terdapat tiga jenis tegangan permukaan yang memberikan gaya kepada ujung cairan. Sebagai akibat dari tiga jenis tegangan permukaan, cairan sering naik pada dinding wadah. Ujung cairan pada satu dinding menjadi seperti diperlihatkan pada gambar 9.13. Dalam situasi ini terdapat tiga jenis bahan, yaitu cairan (no 2 dalam gambar), dinding wadah (no 3) dan gas di atas cairan (no 1). Gas itu sering merupakan uap dari cairan itu sendiri. Antara masingmasing pasangan bahan terdapat Gambar 9.13: Gaya yang bekerja tegangan permukaan. kepada ujung cairan pada dinding Pertama terdapat tegangan wadah. Dalam contoh ini adhesi permukaan antara cairan dan uap di atas antara cairan dan dinding lebih cairan. Tegangan permukaan ini besar daripada kohesi cairan. memberikan gaya yang mau memperkecil permukaan antara cairan dan uap tersebut, berarti terdapat gaya ke arah tangensial permukaan cairan pada ujung cairan. Tegangan ini menarik ujung cairan ke dalam seperti diperlihatkan dalam gambar 9.13 oleh panah σ12.

Tegangan permukaan ke dua terdapat antara cairan dan dinding wadah. Tegangan permukaan ini merupakan tegangan permukaan antara cairan dan zat padat dan bisa menjadi positif atau negatif. Kalau tegangan permukaan negatif terdapat gaya yang mau memperbesar permukaan antara cairan dan dinding, berarti terdapat gaya yang menarik cairan ke atas seperti diperlihatkan oleh panah σ23 dalam gambar 9.13. Dalam situasi ini kohesi antara cairan dan zat padat dinding lebih besar daripada adhesi dalam cairan sendiri. Sebab itu cairan ditarik oleh dinding sampai naik ke atas. Kalau adhesi cairan lebih besar daripada kohesi antara cairan dan zat padat, tegangan permukaan menjadi positif dan mau memperkecil permukaan antara cairan dan dinding sehingga terdapat gaya kepada ujung cairan ke arah bawah. Dalam situasi ini ujung cairan tidak naik pada dinding, tetapi turun. Hal ini terjadi dengan air raksa pada dinding kaca. Tegangan permukaan ke tiga terdapat antara uap dan dinding wadah (zat padat). Tegangan permukaan ini mau memperkecil luas permukaan antara uap dan dinding wadah, berarti terdapat gaya kepada ujung cairan ke arah atas seperti Fisika Dasar untuk Fakultas Pertanian oleh Richard Blocher

66


9. Mekanika Fluida

diperlihatkan oleh panah σ13 dalam gambar 9.13. Tegangan permukaan σ13 biasanya mempunyai nilai yang kecil (pasal di atas). Besar gaya yang bekerja sesuai (9.18) sebesar tegangan permukaan dikalikan panjang ujung permukaan: Fnm = lujung permukaan ⋅ σnm . Karena panjang ujung permukaan sama besar pada semua permukaan, maka untuk mendapatkan keseimbangan gaya, besar dari vektor tegangan permukaan yang digambar dalam gambar 9.13 harus seimbang. Komponen gaya ke arah mendatar bisa mendapatkan gaya reaksi dari dinding wadah untuk menjadi seimbang. Maka hanya komponen dari tegangan permukaan ke arah tegak lurus harus mendapatkan keseimbangan dari besar dan arah gaya tegangan permukaan. Dengan arah tegak lurus sebagai arah y dan dengan memperhatikan bahwa σ13 ke arah atas, σ23 ke arah bawah (kalau mempunyai nilai positif, bukan nilai negatif seperti dalam gambar 9.13) dan σ12 ke arah kanan bawah dengan sudut Θ antara dinding dan permukaan cairan terdapat: σ13 y − σ23 y = σ12 y ⇒ σ13 − σ23 = σ12 ⋅ cos Θ

(9.25)

Sudut Θ dari vektor yang menunjukkan σ12 adalah sudut antara permukaan cairan dan dinding wadah. 9.3.6

Kapilaritas Kalau suatu pipa dengan diameter kecil dimasukkan ke dalam cairan, cairan bisa naik di dalam pipa sehingga permukaan cairan dalam pipa lebih tinggi daripada permukaan cairan di luar seperti diperlihatkan dalam gambar 9.14. Hal ini terjadi kalau adhesi antara cairan dan bahan pipa lebih besar daripada kohesi dalam cairan, berarti σ23 dalam (9.25) mempunyai nilai negatif. Kalau adhesi antara cairan dan bahan pipa lebih kecil daripada kohesi dalam cairan, berarti σ23 dalam (9.25) mempunyai nilai positif, maka cairan di dalam pipa akan didorong ke bawah menjadi lebih rendah daripada permukaan cairan di luar seperti diperlihatkan dalam gambar 9.15. Cairan naik karena gaya yang didapatkan oleh tegangan permukaan pada ujung permukaan. Gaya ini sebesar resultan Gambar 9.14: Gambar 9.15: tegangan permukaan σ dari (9.25) Cairan naik Cairan didorong ke dikalikan dengan panjang ujung dalam kapiler. bawah oleh kapiler. Fisika Dasar untuk Fakultas Pertanian oleh Richard Blocher

67


9. Mekanika Fluida

permukaan l. Berarti dalam pipa dengan diameter sebesar 2⋅r terdapat gaya dari tegangan permukaan sebesar: Ftp = l ⋅ σ = 2πr ⋅ σ

(9.26)

Cairan dalam pipa juga mendapatkan gaya ke bawah dari gaya gravitasi. Dengan tinggi cairan di atas permukaan cairan di sekitar sebesar h, diameter pipa sebesar 2⋅r dan massa jenis cairan sebesar ρ, maka gaya gravitasi kepada cairan dalam pipa menjadi sebesar: Fg = mg = V ⋅ρ ⋅ g = πr 2 ⋅ h ⋅ρ ⋅ g

(9.27)

Supaya terdapat keseimbangan, maka gaya dari tegangan permukaan dalam (9.26) sama besar dengan gaya gravitasi dalam (9.27). Maka terdapat tinggi cairan h sebesar: Fg = πr 2 ⋅ h ⋅ρ ⋅ g ⎫ ⎪⎪ 2σ 2 Ftp = 2 πr ⋅ σ ⎬ ⇒ πr ⋅ h ⋅ρ ⋅ g = 2πr ⋅ σ ⇔ h = ρ⋅ g ⋅r ⎪ Fg = Ftp ⎪⎭

(9.28)

Besar σ dalam (9.28) sesuai dengan (9.25):

σ = σ13 − σ23 = σ12 ⋅ cos Θ

(9.29)

Berarti tinggi cairan dalam pipa kecil (kapiler) tergantung dari besar tegangan permukaan σ dan dari diameter kapiler. Besar tegangan permukaan σ tergantung dari jenis cairan dan jenis zat kapiler. Dengan kapiler yang lebih kecil, cairan bisa naik lebih tinggi. Kapilaritas membuat air dari dalam tanah naik sampai mendekati permukaan dan bisa diserap oleh akar tanaman, juga membuat batu-batu yang terletak di tanah menjadi lembab karena air dari tanah bisa naik sampai masuk ke dalam batu. Juga masih ada banyak situasi lain yang mana kapilaritas bekerja dalam hidup sehari-hari.

9.4

Cairan yang Bergerak

9.4.1

Medan Aliran dan Jenis-Jenis Aliran Ketika suatu cairan bergerak, kita bisa memperhatikan gerakan dari partikel demi partikel dari cairan tersebut pada satu saat tertentu. Pada satu saat setiap partikel mempunyai arah dan kecepatan tertentu. Semua vektor kecepatan


68


9. Mekanika Fluida

v ( r ) 2 disebut sebagai medan aliran. Kalau vektor-vektor kecepatan disambung-

kan, terdapat satu gambar yang menunjukkan arah gerakan cairan pada setiap tempat. Garis-garis dari gambar ini disebut sebagai garis arus. Medan aliran bisa ditampilkan kelihatan dengan cara sbb. Partikel kecil yang berwarna dimasukkan ke dalam cairan yang mengalir, lalu cairan tersebut difoto dengan cara membuka shutter selama waktu yang singkat, misalnya 1/10 detik. Partikel berwarna akan dilihat sebagai garis-garis pendek. Arah garis akan menunjukkan arah gerakan dan panjang garis menunjukkan besar kecepatan. Suatu aliran disebut sebagai aliran stasioner kalau medan aliran sama (konstan) pada setiap saat. Kalau medan aliran stasioner, bukan berarti bahwa kecepatan dari suatu partikel konstan, tetapi hanya berarti bahwa kecepatan dari partikel yang melewati suatu tempat tertentu selalu sama besar pada tempat tersebut. Ketika suatu partikel terbawa ke tempat yang lain oleh aliran, maka kecepatan pada tempat baru bisa mempunyai arah dan / atau kecepatan yang berbeda. Berarti suatu partikel bisa mengalami percepatan atau perlambatan ketika berada dalam aliran stasioner. Dalam diktat ini kita hanya akan membahas aliran stasioner. Suatu aliran disebut sebagai aliran laminar kalau cairan bisa dibagi ke dalam lapisan-lapisan dan satu lapisan bergerak di atas lapisan yang lain tanpa bercampur dengan lapisan di sebelah. Dalam aliran laminar gesekan antara lapisan-lapisan tersebut mempunyai peran besar dalam menentukan kecepatan aliran dan bentuk dari medan aliran. Suatu aliran yang tidak laminar adalah aliran turbulen. Pada aliran turbulen medan aliran berputar-putar dan berubah-ubah. Dalam diktat ini hanya aliran laminar akan dibahas. Kita akan membahas hanya cairan yang incompressible, berarti cairan yang tidak bisa dipadatkan dengan memberikan tekanan kepada cairan. Massa jenis dari cairan seperti ini konstan walaupun tekanan berubah. Ketika cairan incompressible mengalir dalam pipa atau wadah, volume cairan yang melewati satu tempat pasti sama besar dengan volume yang akan melewati tempat berikut. 9.4.2

Cairan Ideal

9.4.2.1

Definisi Suatu cairan disebut sebagai cairan ideal jika gesekan di dalam cairan bisa diabaikan.

2

Arti dari v ( r ) : Vektor kecepatan v pada setiap tempat r .


69


9. Mekanika Fluida

9.4.2.2

Persamaan Kontinuitas Massa cairan yang masuk satu daerah tertentu dalam aliran stasioner selalu sama besar dengan massa cairan yang ke luar dari daerah tersebut. Dengan cairan incompressible untuk semua aliran massa dan volume cairan yang masuk suatu daerah akan sama besar dengan massa dan volume cairan yang ke luar dari daerah tersebut. Secara matematis terdapat persamaan vektor untuk medan kecepatan v ( r ) : div v = 0

(9.30)

Untuk situasi sederhana yang dibicarakan dalam diktat ini cukup untuk memperhatikan situasi seperti dalam gambar 9.16. Jika suatu aliran melewati sebuah pipa dan diameter pipa berubah pada jalur aliran, maka kecepatan aliran akan berubah juga. Karena volume cairan konstan, maka Gambar 9.16: Penjelasan volume V1 yang melewati pipa sebelah kiri mengenai persamaan Bernoulli. sama besar dengan volume V2 di sebelah kanan. Dengan luas pipa A1 di sebelah kiri dan A2 di sebelah kanan dan jarak gerak per waktu dt sebesar ds1 di sebelah kiri dan sebesar ds2 di sebelah kanan terdapat persamaan untuk kecepatan v1 = V1 = V2 ⇔ A1

d s1 ds dan v2 = 2 sbb.: dt dt

d s1 ds v A = A2 2 ⇔ A1v1 = A2 v2 ⇔ 1 = 2 dt dt v2 A1

(9.31)

Dari (9.31) dilihat kecepatan cairan tambah cepat ketika cairan melewati daerah yang sempit atau ketika garis aliran semakin dekat (tempat yang dipakai cairan untuk mengalir lebih sempit). Terbalik, jika aliran cairan tambah cepat, maka luas yang dilewati cairan semakin kecil. 9.4.2.3

Tekanan pada Cairan Bergerak Energi yang dimiliki cairan terdiri dari tiga bagian: 1. Energi potensial yang tergantung dari ketinggian tempat yang dimiliki cairan pada tempat tertentu sebesar: E pot = mgh = ρΔVgh .

2. Energi tekanan yang diberikan kepada cairan ketika cairan didorong oleh tekanan p untuk bergerak dalam pipa sebesar: E p = F ⋅ s = p ⋅ ΔV . 3. Energi kinetik oleh gerakan cairan sebesar: Ekin = 12 mv 2 = 12 ρ ⋅ ΔV ⋅ v 2 . Fisika Dasar untuk Fakultas Pertanian oleh Richard Blocher

70


9. Mekanika Fluida

Dalam banyak situasi gesekan dalam cairan bisa diabaikan. Kalau tidak ada gesekan, maka azas kekekalan energi akan berlaku, berarti jumlah energi pada setiap saat sama besar. Untuk situasi ini dalam pipa aliran gambar 9.16 energi total di sebelah kiri (pipa aliran besar) sama besar dengan energi total di sebelah kanan (pipa aliran kecil) sehingga terdapat: E pot1 + E p1 + Ekin1 = E pot 2 + E p 2 + Ekin 2 ⇔ ρΔVgh1 + p1ΔV + 12 ρΔVv12 = ρΔVgh2 + p2 ΔV + 12 ρΔVv22 ⇔

(9.32)

ρgh1 + p1 + 12 ρv12 = ρgh2 + p2 + 21 ρv22

Untuk situasi umum (9.32) menjadi: ρgh + p + 12 ρv 2 = konstan = ptotal

(9.33)

Persamaan (9.33) disebut sebagai persamaan Bernoulli. Jumlah yang konstan disebut sebagai tekanan total. Hal ini berarti 12 ρv 2 ditafsir sebagai tekanan dinamik atau tekanan gerakan. Tekanan ini memang bisa diukur secara langsung. Bagian ρgh yang terdapat dari energi potensial merupakan tekanan posisi dan bagian p disebut sebagai tekanan kerja. Dua jenis tekanan ini merupakan tekanan statis. Karena jumlah tekanan konstan, maka tekanan kerja p akan turun ketika kecepatan cairan bertambah. Hal ini bisa diamati pada berbagai percobaan dan dimanfaatkan dalam berbagai alat. Tiga contoh di bawah ini: Pompa berkas air (gambar 9.17): Air melalui sebuah semprotan (jet), berarti pada pipa yang dialiri air terdapat tempat yang sempit sehingga kecepatan air

udara

gas yang dipompa

F Gambar 9.17: Pompa berkas air. Fisika Dasar untuk Fakultas Pertanian oleh Richard Blocher

Gambar 9.18: Paradokson Hidrodinamika

71


9. Mekanika Fluida

air di situ besar. Pada tempat kecepatan air besar, tekanan dinamis menjadi besar dan tekanan kerja kecil. Karena tekanan kerja kecil, maka gas atau udara ditarik kepada tempat tersebut dan sebuah wadah terisi udara atau gas yang tersambung bisa dikosongkan sehingga bervakum. Paradokson hidrodinamika (gambar 9.18): Ketika suatu berkas cairan atau gas diarahkan kepada dinding atau dasar wadah, selang tidak terdorong ke belakang, tetapi malah ditarik oleh dinding atau lantai. Karena cairan yang kena dinding / lantai tersebar dengan kecepatan tinggi, maka tekanan kerja menjadi kecil dan akan terdapat gaya tarik. Semprotan (obat nyamuk) (gambar 9.19): Udara dilewatkan sebuah jet dengan kecepatan tinggi, maka tekanan dinamis menjadi besar dan tekanan kerja kecil. Karena tekanan kerja udara kecil setelah melewati jet, maka cairan dari tabung di bawah ditarik naik ke dalam berkas udara dan disebarkan dengan berkas Gambar 9.19: Semprotan. udara. 9.4.2.4

Cairan Mengalir ke luar dari Wadah Jika sebuah wadah yang terisi cairan mempunyai lubang kecil pada ketinggian h di bawah permukaan cairan, maka cairan akan mengalir ke luar dari lubang tersebut sesuai dengan persamaan Bernoulli (9.33). Dengan lubang yang cukup kecil perubahan tinggi cairan dalam wadah bisa diabaikan. Dengan kata lain, kecepatan cairan dekat dengan permukaan atas bisa dihitung sebesar nol. Situasi seperti diperlihatkan dalam gambar 9.20. Tekanan kerja baik di permukaan cairan dan di tempat lubang sama-sama sebesar tekanan udara p0. Maka dari persamaan Bernoulli terdapat: ρgh1 + p1 + 12 ρv12 = ρgh2 + p2 + 12 ρv22 ⇔ ρgh1 + p0 + 12 ρ02 = ρgh2 + p0 + 12 ρv2 2 ⇔

g ( h1 − h2 ) = 12 v22

Maka terdapat kecepatan cairan yang mengalir ke luar dari lubang sebesar: Fisika Dasar untuk Fakultas Pertanian oleh Richard Blocher

(9.34)

72


9. Mekanika Fluida

Gambar 9.20: Penjelasan mengenai hukum Torricelli. gh = 12 v2 2 ⇔ v = 2 gh

(9.35)

Kecepatan cairan sama besar dengan cairan atau benda lain yang telah jatuh bebas dari ketinggian h. Dengan besar h sebagai tinggi antara permukaan cairan dan lubang. Jika lubang berada pada dinding samping dari wadah atau berada pada dasar wadah, kecepatan cairan mengalir ke luar tetap sama besar. Dalam praktek kecepatan yang akan diukur lebih kecil daripada kecepatan yang dihitung dengan persamaan (9.35). Perlambatan ini disebabkan oleh dua hal: 1. Gesekan dalam cairan: Berapa besar perlambatan oleh gesekan merupakan suatu sifat khas cairan yang tergantung dari kekentalannya. Pengaruh ini bisa dihitung dengan angka kecepatan ϕ. (Pada air terdapat angka kecepatan sebesar ϕair ≈ 0,97.) 2. Berkas ke luar mengalami penyempitan (kontraksi): Pada lubang air mengalir ke luar berkas mengalami penyempitan yang tergantung dari bentuk pinggir lubang. Karena penyempitan tersebut banyaknya air yang mengalir ke luar berkurang. Penyempitan bisa dihitung dengan memakai angka kontraksi α. (Untuk pinggir lubang yang bersudut tajam angka kontraksi sebesar α ≈ 0,61) Untuk mendapatkan besar kecepatan dan besar arus aliran (massa per waktu) yang sesuai dengan realitas, maka kecepatan dan arus aliran yang dihitung dengan persamaan Bernoulli harus dikalikan dengan angka kecepatan ϕ dan angka kontraksi α. Misalnya ketika air mengalir ke luar dari wadah melalui sebuah lubang dengan sudut tajam, maka kecepatan dan banyaknya air yang mengalir ke luar per waktu akan hanya sebesar ϕ⋅α ⋅ (hasil dari (9.35)) = 0,59 ⋅ (hasil dari (9.35)): vdikoreksi = ϕ ⋅ α ⋅ 2 gh = 0,59 ⋅ 2 gh .


73


9.4.3

9. Mekanika Fluida

Cairan dengan Gesekan

9.4.3.1

Viskositas Kata viskositas diserap dari bahasa Inggris “viscosity” dan berarti kekentalan cairan. Kekentalan cairan atau viskositas bisa dimengerti sebagai gesekan antara lapisan-lapisan cairan yang bergerak satu terhadap yang lain. Gambar 9.21 dan gambar 9.22 bisa menolong untuk mengerti definisi mengenai besar koefisien kekentalan atau viskositas η. Di antara satu lantai tetap (1) dan satu plat (2) yang bergerak dengan kecepatan konstan sebesar v0 terdapat suatu cairan. Luas plat dianggap besar. Satu lapisan cairan tipis yang berada dekat dengan plat akan mengikuti gerakan plat dengan kecepatan v0, lapisan cairan di bawah akan diam dengan lantai. Cairan di antara plat akan bergerak satu lapisan di atas yang lain seperti ditunjukkan dalam gambar 9.22. Cairan yang lebih di atas akan bergerak lebih cepat. Dalam situasi ini kecepatan cairan akan berubah secara linear ke arah x dari plat 1 ke plat 2. Gaya untuk melawan gesekan antara plat 2 dan lantai 1 tergantung secara linear dari luas plat A, invers jarak d antara plat dan lantai, kecepatan gerakan v0, dan kekentalan cairan yang dinyatakan dengan η sesuai dengan: v (9.36) F = η⋅ A ⋅ d

Konstanta η (baca: eta) menunjukkan sifat dari cairan yang ada di antara plat dan disebut sebagai koefisien gesekan dalam atau viskositas. Gesekan ini bukan gesekan antara benda padat dan cairan, tetapi gesekan antara lapisan cairan yang berdekatan. Faktor terakhir dalam (9.36) menunjukkan bahwa gaya tergantung perubahan kecepatan per jarak. Persamaan (9.36) ini ditulis untuk situasi linear di mana perubahan kecepatan per jarak sama besar pada setiap v tempat. Dalam situasi umum pecahan perlu ditulis sebagai perbedaan d kecepatan dv dari satu lapisan cairan setebal dx terhadap lapisan cairan di v dv menjadi sehingga terdapat bentuk diferensial atasnya. Dengan cara ini d dx dari (9.36): dv (9.37) F = η⋅ A ⋅ dx Persamaan diferensial ini tidak hanya benar dalam situasi linear seperti dalam contoh di atas, tetapi bisa dipakai untuk setiap situasi umum. Berarti ada gaya F yang dibutuhkan untuk membuat satu lapisan cairan bergerak lebih cepat (beda kecepatan dv) dari lapisan cairan di sebelahnya (dengan jarak dx). Fisika Dasar untuk Fakultas Pertanian oleh Richard Blocher

74


9. Mekanika Fluida

Gambar 9.21: Kecepatan cairan ke arah kanan berubah secara linear.

Gambar 9.22: Lapisanlapisan cairan yang bergerak satu terhadap yang lain. Satuan untuk viskositas η terdapat dari (9.37) sebagai: N⋅ det kg [η] = 2 = m⋅ det m Kadang satuan cgs untuk viskositas masih dipakai: dyn⋅ det g kg = = 0,1 [η] = Poise = P = 2 cm⋅ det m⋅ det m

(9.38)

(9.39)

Viskositas cairan tergantung dari jenis cairan dan sangat tergantung dari suhu cairan. 9.4.3.2

Aliran Laminar antara Dua Plat Besar Silakan hitung sendiri atau cari dalam buku lain, bagaimana pembagian kecepatan cairan dalam situasi ini dan berapa banyak cairan yang bisa melewati di antara dua plat.

9.4.3.3

Aliran Laminar dalam Pipa Dalam pasal ini kecepatan cairan yang mengalir dalam pipa dihitung. Untuk perhitungan ini dianggap aliran dalam pipa merupakan aliran laminar. Pipa yang dihitung sesuai gambar 9.23 dengan panjang pipa sebesar l, diameter pipa sebesar R, dan beda tekanan antara dua ujung pipa sebesar Δp. Dalam situasi pipa, kecepatan cairan akan tergantung dari jarak dengan garis tengah pipa, berarti distribusi kecepatan akan mempunyai simetri silinder. Besar kecepatan cairan bisa didapatkan dengan menghitung keseimbangan gaya pada suatu silinder dengan jari-jari r di tengah pipa. Gaya statik dari tekanan kepada silinder ini terdapat dari definisi tekanan sebesar: Fisika Dasar untuk Fakultas Pertanian oleh Richard Blocher

75


9. Mekanika Fluida

F = A ⋅ Δp = π r 2 ⋅ Δ p

(9.40)

Dari gesekan dalam cairan terdapat gaya pada silinder tersebut sesuai dengan (9.37) kalau persamaan tersebut diterapkan untuk kecepatan cairan v pada permukaan silinder dengan jari-jari r dan kecepatan cairan v + dv pada jari-jari r + dr. Luas permukaan silinder sebesar A = l ⋅ 2πr . Maka terdapat gaya dari gesekan cairan sebesar: dv dv = −η⋅ l ⋅ 2πr ⋅ F = −η⋅ A ⋅ dx dr Tanda minus terdapat karena gaya gesekan berlawanan arah dengan gaya dorong dari tekanan. Dengan gaya kepada silinder dengan jarijari r dari (9.40) terdapat persamaan sbb.: πr 2 ⋅ Δp = −η⋅ l ⋅ 2πr ⋅

2

(9.41)

Gambar 9.23: Aliran dalam pipa. rlaminar Δp

dv dv −πr ⋅ Δp ⇔ = =− dr dr η⋅ l ⋅ 2 πr 2 ηl

(9.42) Persamaan (9.42) ini merupakan satu persamaan diferensial yang bisa diintegrasikan dengan mudah. Diferensial jari-jari dr bisa dipindahkan ke kanan, lalu persamaan diintegrasikan. Hasilnya: −Δp −Δp 2 dv = r +C (9.43) ⋅ r d r ⇒ v (r ) = 2η⋅ l 4η⋅ l Karena cairan tidak ikut bergerak pada permukaan pipa, maka kecepatan v(R) pada jari-jari r = R akan nol, v(R) = 0. Maka konstanta integrasi C sebesar Δp 2 (9.44) C= R 4η⋅ l Dengan (9.44) dimasukkan ke dalam (9.43) terdapat hubungan antara kecepatan cairan dan jari-jari (jarak dari tengah pipa) r sebesar: Δp (9.45) v (r) = R2 − r2 4η⋅ l

(

)

Jadi kecepatan terhadap jari-jari berbentuk parabola. Cairan paling cepat Δp 2 R . Dan cairan diam pada di tengah dengan kecepatan sebesar v ( 0 ) = 4η⋅ l dinding pipa.


76


9. Mekanika Fluida

Untuk mendapatkan volume cairan V yang melewati seluruh pipa per waktu t, maka volume cairan yang mengalir pada dinding silinder dengan jari-jari r dengan dinding setebal dr dihitung dulu. Pada dinding silinder tersebut terdapat aliran sebesar: V = 2 πr ⋅ v ( r ) ⋅ d r t Dalam seluruh pipa terdapat aliran sebesar: R

V = 2πr ⋅ v ( r ) ⋅ d r t ∫0 R

Δp 2 2 πΔp 4 = ∫ 2 πr ⋅ R − r ⋅d r = R 4ηl 8ηl 0

(

)

v=0 v0 Gambar 9.24: Suatu bola bergerak dalam cairan. Cairan (9.46) yang jauh dari bola diam, cairan dekat dengan bola ikut gerakan bola. Gambar ini menunjukkan prinsip saja, tidak merupakan gambar kecepatan yang tepat. (9.47)

Persamaan ini disebut sebagai hukum Hagen Poiseuille. Ternyata banyaknya cairan yang mengalir dalam pipa per waktu tergantung dengan potensi empat dari diameter pipa, berarti kalau diameter menjadi dua kali lipat lebih besar, maka 16 kali lipat lebih banyak cairan bisa melewati pipa tersebut pada tekanan yang sama. Tetapi harus diperhatikan bahwa hukum Hagen Poiseuille hanya berlaku untuk aliran laminar. 9.4.3.4

Bola Bergerak dalam Cairan Jika suatu benda bergerak dalam cairan yang diam, maka cairan di permukaan benda akan mengikuti gerakan benda. Dengan demikian terdapat perbedaan kecepatan antara cairan yang mengikuti gerakan benda dan cairan di sebelahnya yang tetap diam. Situasi kira-kira seperti diperlihatkan dalam gambar 9.24. Sesuai (9.37) harus ada gaya F yang mendorong benda untuk menghasilkan perbedaan kecepatan antara lapisan-lapisan cairan. Dalam situasi di mana volume cairan tidak terbatas atau bola bergerak dalam suatu bak yang luas dan aliran merupakan aliran laminar, besar gaya F yang dibutuhkan bisa dihitung dengan Hukum Stokes: F = 6πηvr (9.48) Dengan: r : jari-jari bola v : kecepatan bola η : viskositas cairan Menghitung situasi ini merupakan suatu perhitungan yang kompleks. Dengan perhitungan yang sederhana sbb persamaan ini hampir didapatkan: Fisika Dasar untuk Fakultas Pertanian oleh Richard Blocher

77


9. Mekanika Fluida

Jarak di mana cairan diam kira-kira sebesar jari-jari bola r. Maka perubahan kecepatan per jarak akan sebesar: dv v = (9.49) dz r Permukaan bola yang membawa cairan dengan kecepatan v sebesar 2 A = 4πr . Maka dari (9.37) terdapat gaya kepada bola sebesar: dv v = η⋅ 4πr 2 ⋅ = 4πηvr (9.50) r dx Persamaan ini sudah agak dekat dengan hasil yang tepat dalam (9.48). Baik hukum Stokes maupun hukum Hagen Poiseuille bisa dipakai untuk mengukur viskositas cairan. F = η⋅ A ⋅


78


Soal Latihan

1

Pengantar

Tidak ada soal latihan untuk pasal ini.

2

Prinsip Dasar, Mengukur

Tidak ada soal latihan untuk pasal ini.

3

Sistem Koordinat dan Vektor

3.1. Gambarlah satu sistem koordinat kartesius (skala x: -5 cm… 5 cm, skala y: -5 cm…5 cm) dan tunjukkan tempat-tempat berikut: • T1: (3 cm, 5 cm); T2: (-4 cm, 3 cm); T3: (2 cm, -2,5 cm); T4: (-2,8 cm, -3,5 cm) 3.2. Terdapat vektor sbb.: a = ( 4 cm, 3,5cm ) , b = ( −7 cm, 2 cm ) , c = ( −1cm, − 6 cm )

Hitunglah penjumlahan / pengurangan berikut dan gambarkan vektor yang dipakai, perhitungan dan hasil ke dalam sistem koordinat: a. d = a + b b. e = b + a c.

f = a −b

d. g = b − a e. h = a + b + c f.

i = a+c +b

g.

j = b −c

79

Soal FD I

3. Sistem Koordinat dan Vektor

h. k = a − c 3.3. Tentukan koordinat polar dari vektor a , b dan c dalam soal 3.2. 3.4. Hitunglah dan gambarlah vektor berikut dengan tetap memakai vektor a , b dan c dari soal 3.2. a. l = 3 ⋅ a b. m = 0,3 ⋅ c c. n = 1,5 ⋅ b 3.5. Bagikan vektor a = (10cm, 5cm ) ke dalam dua komponen yang tegak

lurus, satu dari dua komponen tersebut ke arah sumbu x. 3.6. Bagikan vektor F = ( ρ, ϕ ) = (10cm, 30° ) yang diberikan dalam koordinat polar ke dalam dua komponen, satu ke arah sumbu x dan satu ke arah sumbu y.


80


4

Gaya

4.1. Sebuah katrol dipasang di langit-langit seperti diperlihatkan pada gambar 4.1. Tali pada katrol tersebut dibebani dengan beban sebesar m = 30 kg. Satu orang menarik tali ke bawah sehingga beban diam di tempat. Massa dari tali, katrol dan gantungan diabaikan dan katrol dianggap tidak memiliki gesekan. a. Berapa besar gaya dalam tali pada tempat c, d dan e ? Gaya pada tempat tersebut ke arah mana ? b. Orang harus menarik tali dengan gaya yang berapa besar ? c. Berapa besar gaya dari katrol kepada gantungannya ? Arahnya ke mana ? d. Berapa besar gaya dari gantungan kepada katrol ? Arahnya ke mana ?

d e d e

c

c

30kg

Gambar 4.1.: Katrol biasa dibebani. Soal 4.1.

200kg

Gambar 4.2.: Takal dengan 4 roda dipakai untuk mengangkat beban yang besar. Soal 4.2.

81

Soal FD I

4. Gaya

4.2. Terdapat takal dengan 4 roda seperti dalam gambar 4.2 . Takal ini dibebani dengan satu benda yang memiliki massa m = 200 kg. Massa dari katrol, gantungan dan tali diabaikan. Katrol dianggap berputar tanpa gesekan. a. Gaya dari beban kepada kedua katrol di bawah berapa besar ? Gaya ini akan dibagi sehingga katrol masing-masing mendapat bagian. Berapa besar bagian gaya dalam katrol masing-masing ? b. Gaya dalam tali berapa besar dan ke arah mana ? (di tempat c, d, e) c. Orang harus menarik tali dengan gaya berapa besar ? d. Kira-kira orang itu cukup kuat untuk menarik tali dengan gaya tersebut ? Apa syarat supaya orang ini bisa menarik tali dengan gaya tersebut ? e. Gaya kepada gantungan di langit-langit berapa besar ? 4.3. Seseorang menarik satu kereta pada bidang miring seperti diperlihatkan dalam gambar 4.4. Gesekan dari kereta, roda dan bidang miring bisa diabaikan. Kemiringan sebesar α = 20º. Massa dari kereta sebesar m = 80 kg. a. Berapa besar gaya dari kereta kepada bidang miring ? b. Berapa besar gaya dalam tali yang harus ditarik orang ? 4.4. Satu beban digantungkan dengan tali seperti dalam gambar 4.5. Sudut antara arah mendatar dan tali masing-masing sebesar α = 40º. Massa beban sebesar m = 15 kg. Massa tali bisa diabaikan. a. Berapa besar gaya dalam tali masing-masing ? b. Berapa besar gaya kepada gantungan masing-masing ke arah mendatar dan ke arah bawah ? 40º

80kg

40º

15kg

20º

Gambar 4.4.: Kereta di bidang miring. Soal 4.3.

Gambar 4.5.: Beban digantungkan dengan dua tali. Soal 4.4.

4.5. Suatu menara antena diikat dengan tali seperti diperlihatkan dalam gambar 4.6. Terdapat angin yang menyebabkan gaya kepada menara. Gaya tersebut sebesar Fangin = 1000 N ke arah mendatar pada tempat tali tersambung dengan menara. Fisika Dasar untuk Fakultas Pertanian oleh Richard Blocher

82

Soal FD I

4. Gaya

a. Berapa besar gaya dalam tali ? b. Berapa besar gaya kepada kait di tanah ke arah mendatar ? c. Berapa besar gaya kepada kait di tanah ke arah atas ? d. Berapa besar gaya yang mendorong menara ke bawah ? 4.6. Terdapat sebuah bandul matematis (titik massa digantungkan pada benang). Bandul sedang mempunyai simpangan sebesar α. (gambar 4.7.) a. Berapa besar gaya dalam tali ? b. Berapa besar gaya yang mau menggerakan massa m ke tengah. Informasi: Yang menggerakkan massa adalah gaya ke arah gerakan, berarti ke arah tangen lingkaran gerakan.

1000 N

60º

60º

Gambar 4.6: Menara diikat dengan tali kena angin. Soal 4.5.


α

Gambar 4.7: Bandul matematis. Soal 4.6.

83


5

Kinematika

Soal dengan * mengenai pasal berikut tentang Hukum Newton km

5.1. Suatu mobil jalan dengan kecepatan konstan sebesar v = 90 jam dari Bangkalan ke arah Selatan (Kamal). Pada jam 10:00 mobil berada pada posisi s0 = 4 km dari Pusat Kota Bangkalan. a. Pada waktu t1 = jam 10:20 (20 menit setelah jam 10:00) mobil berada di mana ? b. Pas pada waktu t1 mobil mulai mengerem dan berhenti setelah waktu sebesar t2 = 5 det. Mobil mengerem dengan percepatan berapa ? c. Mobil akan berhenti di posisi mana ? m

5.2. Suatu mobil berangkat dari keadaan diam dengan percepatan a = 2 det2 . Percepatan konstan sampai t1 = 8 det. Setelah waktu t1 = 8 det mobil berjalan terus dengan kecepatan konstan. Massa mobil sebesar m = 800 kg. a. Mobil memiliki kecepatan berapa besar dan sudah jalan berapa jauh pada waktu t1 ? b. Mobil sudah jalan berapa jauh pada waktu t2 = 10 menit dan 8 detik setelah berangkat. c*. Roda harus mendorong mobil dengan gaya berapa besar ketika mobil dipercepat ? (Gesekan angin diabaikan.) d*. Daya P yang diberikan kepada roda ketika mobil dipercepat berapa besar ? Gambarlah grafik tentang daya terhadap waktu. 5.3. Sebuah benda bergerak sesuai dengan grafik kecepatan terhadap waktu dalam gambar 5.1. Posisi awal benda pada waktu t = 0 pada posisi s0 = 20 cm. a. Berapa besar percepatan benda antara 0 dan 2 det, antara 2 det dan 5 det, antara 5 det dan 11 det dan antara 11 det dan 15 det ? b. Di mana benda pada waktu t1 = 2 det, t2 = 5 det, t3 = 9 det, t4 = 11 det dan t5 = 15 det ? c. Gambarlah grafik posisi dari benda ini terhadap waktu. d. 3

Tulislah persamaan gerak ( s ( t ) = ........ ) dari benda ini untuk waktu antara 0 dan 2 det dan juga untuk waktu antara 2 det dan 5 det.

84

Soal FD I

5. Kinematika

30 v (cm/det) 20 10 t / det 0 0

2

4

6

8

10

12

14

-10 -20 Gambar 5.1: Grafik kecepatan terhadap waktu; soal 5.3. 5.4. Suatu mobil jalan dari Kamal menuju ke Bangkalan. Kita mulai mengamati mobil ini pada waktu t0 = 0. Pada waktu tersebut mobil berada pada posisi km

s0 = 1 km dari Kamal, kecepatan mobil sebesar v1 = 80 jam . Setelah selang waktu t1 = 1 menit mobil mengerem selama waktu t2 = 10 det dengan m

percepatan a2 = 2 det2 . Kemudian jalan dengan kecepatan konstan selama t3 = 1 menit. Kemudian mempercepat lagi selama waktu t4 = 10 det dengan m

percepatan sebesar a4 = 1,5 det2 . Kemudian mempercepat selama waktu m

t5 = 8 det dengan percepatan a5 = 1 det2 . Lalu mobil berjalan dengan kecepatan konstan selama waktu t6 = 1 menit. a. Setelah waktu t1 sampai t6 mobil berada di posisi mana dan memiliki kecepatan berapa besar ? b. Gambarkanlah satu grafik dengan kecepatan v terhadap waktu t dan satu grafik dengan tempat s terhadap waktu t. km

5.5. Sebuah mobil mengerem dari kecepatan awal sebesar v0 = 60 jam . Setelah waktu t = 2 det mobil sudah berhenti. Massa mobil ini sama supir sebesar m = 1 ton. a. Percepatan a dari mobil berapa besar ? b*. Berapa besar gaya yang dikenakan jalan kepada rodanya ? Fisika Dasar untuk Fakultas Pertanian oleh Richard Blocher

85

Soal FD I

1.

c. Mobil masih jalan berapa jauh sampai diam ? d*. Supir mempunyai massa m = 70 kg. Kursi supir sama sabuk pengaman dikenai gaya berapa besar ketika mobil mengerem ? (Anggaplah bahwa supir tidak mendorong kepada stir mobil untuk menghindari jatuh ke depan.)

6

Hukum Newton

6.1. Terdapat suatu benda di atas bidang miring dengan kemiringan sebesar α = 25º. Massa benda sebesar m = 40 kg. Pada awal benda tersebut diam pada ujung atas. Panjang dari bidang miring memberikan benda jalur gerak sepanjang l = 2,5 m. Bidang licin sehingga gesekan bisa diabaikan. a. Gaya normal Fn kepada bidang miring berapa besar ? b. Gaya tangential Ft yang mau mempercepat benda ini berapa besar ? c. Percepatan benda berapa besar ? d. Benda akan membutuhkan berapa lama sampai tiba di ujung bawah bidang miring ? e. Kecepatan benda berapa besar ketika tiba pada ujung bawah bidang miring ? f. Seandainya massa benda sebesar m = 10 kg. Apakah jawaban pada soalsoal di atas akan berubah ? Yang mana berubah dan yang mana tidak berubah ? Mengapa ? 6.2. Satu timbangan pegas dipasang dalam suatu lift. Beban dengan massa sebesar m = 1 kg digantungkan kepada timbangan tersebut. Lift ini berhenti di lantai 3 dan kemudian mulai bergerak ke bawah dengan percepatan m

konstan. Setelah t1 = 1 det lift mempunyai kecepatan v = 2,5 det dan bergerak terus dengan kecepatan konstan. Untuk berhenti di lantai 1 lift perlu waktu sebesar t2 = 0,5 det. Kemudian lift kembali naik dari lantai 1 ke lantai 3 dengan cara yang sama: Dipercepat selama t1 = 1 det, lalu gerak m

dengan kecepatan konstan sebesar v = 2,5 det , lalu perlu waktu sebesar t2 = 0,5 det untuk berhenti. Jarak antara lantai 3 dan lantai 1 sebesar s = 10 m. a. Timbangan itu memperlihatkan massa benda berapa besar ketika lift bergerak dipercepat ke bawah ? Fisika Dasar untuk Fakultas Pertanian oleh Richard Blocher

86

Soal FD I

6. Hukum Newton

b. Timbangan itu memperlihatkan berat berapa besar ketika lift bergerak dengan kecepatan konstan ke bawah ? c. Timbangan itu memperlihatkan berat berapa besar ketika lift bergerak diperlambat ke bawah ? (Ketika mau berhenti di lantai 1.) d. Timbangan itu memperlihatkan berat berapa besar ketika lift bergerak dipercepat ke atas ? e. Timbangan itu memperlihatkan berat berapa besar ketika lift bergerak dengan kecepatan konstan ke atas ? f. Timbangan itu memperlihatkan berat berapa besar ketika lift bergerak diperlambat ke atas ? (Ketika mau berhenti di lantai 2.) g. Lift perlu berapa lama dari lantai 3 ke lantai 1 dan berapa lama untuk kembali ? m1 6.3. Terdapat satu konstruksi seperti dalam gambar 6.1. Benda dengan massa m1 = 4 kg yang bisa bergerak tanpa gesekan di atas meja terikat m2 dengan tali lewat sebuah katrol dengan benda kedua. Massa dari benda kedua sebesar m2 = 2 kg. Gesekan, massa tali dan massa katrol diabaikan. Gambar 6.1.: Gambar a. Berapa besar percepatan dari kedua benda soal 6.3.. ini ? b. Gaya dalam tali berapa besar ? c. Ketika dua benda ini mulai bergerak benda kedua setinggi h = 1,5 m di atas lantai. Setelah waktu t berapa benda ini akan kena lantai ? 6.4. Suatu benda dilemparkan tegak lurus ke atas. Kecepatan awal yang m

diberikan kepada benda ini sebesar v0 = 20 det ke arah atas. a. Berapa besar kecepatan v(t) dari benda itu pada waktu t = 0; 0,5; 1; 1,5; …4 det ? b. Berapa besar tinggi T(t) pada waktu tersebut ? c. Gambarlah grafik v(t) dan T(t). d. Kapan benda mencapai puncak tertinggi dari gerakannya ? Berapa besar kecepatannya pada saat itu ? e. Kapan benda kembali ke tinggi awalnya ? Berapa besar kecepatannya pada saat itu ? 6.5. Suatu benda dilemparkan ke arah mendatar dari gedung bertingkat 3. m

Kecepatan awalnya sebesar v0 = 20 det . Tinggi awalnya T0 = 15 m. Fisika Dasar untuk Fakultas Pertanian oleh Richard Blocher

87

Soal FD I

7. Gesekan

a. Tinggi dan kecepatan (besar dan arah) benda setelah t1 = 1 det berapa ? b. Berapa lama sampai benda ini kena tanah ? c. Di mana akan kena tanah ? 6.6. Satu benda dilemparkan miring ke atas. Kecepatannya sebesar m

v0 = 14,4 det . Sudut lemparan sebesar α = 45º. a. Tinggi dan kecepatan (besar dan arah) benda setelah t1 = 2 det berapa ? b. Kapan dan di mana benda itu berada pada posisi paling tinggi ? c. Kapan dan di mana benda kembali ke tinggi awalnya ?

7

Gesekan

7.1. Dalam soal 6.1 bidang miring tidak lagi licin, tetapi terdapat koefisien gesekan dinamis antara permukaan bidang miring dan benda sebesar μk = 0,2. Jawablah semua pertanyaan untuk situasi ini. 7.2. Dalam soal 6.3. terdapat gesekan antara massa m1 dan meja dengan koefisien gesekan dinamis sebesar μk = 0,3. Gesekan katrol dan tali tetap diabaikan. Jawablah pertanyaan soal ini untuk situasi dengan gesekan ini. 7.3. Sebuah balok kayu terletak pada satu ujung di atas papan kayu yang panjangnya sebesar l = 1,5 m. Koefisien gesekan statis antara permukaan papan dan permukaan balok sebesar μs = 0,65. Koefisien gesekan dinamis sebesar μk = 0,3. Papan kayu pada awal mendatar, lalu ujung yang mana balok kayu terletak dinaikkan dengan pelan. Pada kemiringan α balok mulai meluncur ke bawah. Ketika balok mulai meluncur kemiringan papan dipertahankan sebesar α. a. Berapa besar α ? b. Balok gerak ke bawah dengan percepatan berapa besar ? c. Berapa lama setelah balok mulai meluncur, balok akan tiba di ujung papan ? d. Kecepatan balok berapa besar ketika tiba pada ujung papan ? 7.4. Satu mobil berada di jalan menurun. Sudut antara jalan dan arah mendatar km

sebesar α = 10º. Kecepatan mobil sebesar v1 = 18 jam . Dari tenaga mesin terdapat gaya dorong dari roda ke jalan sebesar Fmesin = 2100 N. Massa mobil sama penumpang sebesar m = 700 kg. Koefisien gesekan antara jalan dan roda mobil sebesar μ = 0,8. Fisika Dasar untuk Fakultas Pertanian oleh Richard Blocher

88

Soal FD I


a. Berapa besar percepatan mobil ketika mobil berjalan ke arah menurun ? b. Berapa besar kecepatan mobil setelah t1 = 5 det ? c. Lalu mobil direm dengan keras sehingga rodanya terblokir. Berapa lama sampai mobil diam dan selama mengerem mobil masih bergerak berapa jauh ? d. Berapa besar percepatan mobil kalau jalan ke arah berlawanan dan naik di jalan yang sama ? (Kecepatan awal dan gaya mesin tetap sama.) e. Berapa besar kecepatan mobil ketika naik setelah t1 = 5 det ? f. Lalu mobil mengerem dengan keras sehingga rodanya terblokir. Berapa lama sampai mobil diam dan selama mengerem mobil masih bergerak berapa jauh ? g. Mobil berada di jalan yang naik dan memiliki kecepatan dari hasil soal b. Lalu mobil direm sehingga rodanya terblokir. Berapa lama sampai mobil diam dan selama mengerem mobil masih bergerak berapa jauh ?

8

Energi dan Potensial

8.1. Satu benda dengan massa m = 2 kg ditarik sejauh l = 10 m di atas lantai m mendatar dengan kecepatan konstan sebesar v = 0,5 det . Gaya gesekan sebesar F = 4 N. a. Berapa besar usaha total yang dikerjakan kepada benda ini ? b. Berapa besar daya yang dikerjakan kepada benda ini pada setiap waktu ? c. Berapa besar penambahan energi benda ini selama pergeseran tersebut ? 8.2. Satu benda, massa sebesar m = 5 kg, dipercepat dari keadaan diam sampai m kecepatan sebesar v = 20 det dengan percepatan konstan. Percepatan sebesar a = 2

m . Tidak det2

ada gesekan.

a. Berapa besar usaha yang harus diberikan kepada benda ini ? b. Berapa lama sampai percepatan ini selesai ? c. Berapa besar daya rata-rata selama benda dipercepat ?


89

Soal FD I


h1 = 2 m

h2 = 1 m

h=0 Gambar 8.1.: soal 8.3. d. Berapa besar daya yang diberikan kepada benda ini pada setiap saat t dari awal benda dipercepat sampai akhir benda dipercepat ? (P(t) = ?) 8.3. Satu balok dengan massa m = 2 kg bisa meluncur di relnya tanpa gesekan. Bentuk rel seperti dalam gambar 8.1. Pada awal tinggi balok sebesar h1 = 2 m. Lalu turun ke tinggi nol dan kemudian naik lagi ke tinggi h2 = 1 m, kemudian turun lagi ke tinggi nol dan di situ kena satu pegas N yang ditekan oleh balok. Konstanta pegas sebesar k = 5 cm . Pakailah azas kekekalan energi untuk menjawab pertanyaan a, b dan d. a. Berapa besar kecepatan balok ketika turun sampai ketinggian h2 = 1 m, ketika berada pada tinggi nol dan berapa ketika kemudian sudah naik lagi ke posisi rel yang setinggi h2 = 1 m, berapa sebelum kena pegas ? b. Pegas akan ditekan berapa jauh ? c*. Jari- jari pada lengkung ke atas yang naik kembali ke tinggi h2 pada puncaknya maksimal berapa besar supaya balok tidak lompat ke luar dari jalurnya ? d. Bagaimana gerakan balok selanjutnya ? Apakah akan kembali ? Pada berbagai posisi akan memiliki kecepatan berapa besar ? Akan kembali naik sampai ke mana ? Bagaimana gerakan balok ketika kembali dibandingkan gerakannya ketika turun ? Apa yang akan terjadi kalau sistem ini dibiarkan terus ? 8.4. Satu benda, massa m = 2 kg digantungkan pada pegas dengan koefisien N Hook sebesar k = 2 cm . a. Gambarkanlah fungsi potensial benda dalam gaya gravitasi terhadap tempat. b. Gambarkanlah fungsi potensial benda dalam gaya pegas terhadap tempat. Fisika Dasar untuk Fakultas Pertanian oleh Richard Blocher

90

Soal FD I


c. Gambarlah fungsi untuk potensial total terhadap tempat dari benda ini. d. Posisi benda akan di mana ? Mengapa ?


91


9

Mekanika Fluida

9.1. Satu dongkrak mobil mempunyai silinder pompa dengan diameter sebesar dp = 2 cm. Panjang dari silinder pompa sebesar p = 10 cm. Poros dari tuas pompa sejauh l1 = 10 cm dari silinder dan orang memegang tuas sejauh l2 = 60 cm dari porosnya. Diameter dari silinder yang mengangkat mobil sebesar d = 10 cm. Mobil yang diangkat mempunyai massa sebesar m = 700 kg. Tetapi mobil diangkat hanya pada satu sisi sehingga hanya separuh dari berat mobil dikenai dongkrak. a. Berapa besar tekanan oli dalam dongkrak ? b. Berapa besar gaya yang harus dikerjakan pada silinder pompa ? c. Dengan satu kali menurunkan silinder pompa sejauh panjang silindernya, mobil diangkat berapa tinggi ? d. Berapa besar gaya yang harus dikenai tuas pompa ? 9.2. Sebuah manometer U diisi air raksa (Hg). Beda tinggi antara permukaan air g raksa sebesar Δh = 2 cm. Massa jenis air raksa sebesar ρair raksa = 13,53 cm3 a. Berapa besar beda tekanan antara dua sisi manometer ? b. Manometer U yang diisi air akan menunjukkan beda tinggi berapa pada beda tekanan yang sama g ⎞ besar ? ⎛ρair = 1 cm3⎠ ⎝ 9.3. Satu tandon air dipasang setinggi h1 = 2 m di atas lantai rumah. Tandon sendiri setinggi h2 = 1 m. Suatu kran dalam rumah berada pada posisi setinggi h3 = 1 m di atas lantai. Pipa dari tandon sampai ke kran sepanjang l = 15 m. Ukuran pipa ½ inch. (1 inch = 2,54 cm; ukuran pipa menunjukkan diameter dalam.) Viskositas air

1m

2m

1m

Gambar 9.1: Soal 9.3.

92

Soal FD I

sebesar η = 0,001

9.4.

9.5.

9.6.

9.7.

9. Mekanika Fluida

N⋅det g . Massa jenis air sebesar ρair = 1 . cm3 m2

a. Berapa besar tekanan air pada kran ketika tandon penuh ? Kran sedang dalam keadaan tertutup, berarti tidak ada aliran air. b. Berapa besar tekanan air pada kran ketika tandon hampir kosong ? Kran sedang dalam keadaan tertutup, berarti tidak ada aliran air. c. Aliran dalam pipa dianggap aliran laminar dan kran dianggap tidak menghambat aliran air ke luar, berarti tekanan air pada kran sebesar tekanan udara. Ketika tandon masih penuh dan air sudah mengalir (tidak perlu dipercepat lagi), satu timba sebesar V = 15 l perlu diisi. Waktu t untuk mengisi timba tersebut berapa lama ? d. Seandainya pipa adalah pipa ukuran 1 inch, waktu t untuk mengisi timba 15 l berapa ? Satu balok es terapung dalam suatu gelas air yang penuh - air hampir meluap. Kemudian es mencair. a. Apakah air akan meluap? Mengapa? b. Kalau tidak: Apakah permukaan air akan turun? Mengapa? Satu kanal menyeberangi satu lembah. Untuk penyeberangan ini dibuatkan jembatan dan kanal berada dalam jembatan. Kuat jembatan cukup untuk membawa berat dari massa sebesar m = 20.000 ton selain beratnya sendiri. Di dalam jembatan adalah air sebanyak Vair = 18.000 m3. a. Kalau satu kapal lewat jembatan itu massa kapal maksimal berapa besar ? Apakah kapal boleh lebih dari 2.000 ton ? Satu perahu terapung dalam bak tertutup. (gambar 9.2.) Tiba-tiba perahu bocor dan tenggelam. Bagaimana tinggi air dalam bak berubah? (Tetap, turun atau naik ?) Suatu benda terdiri dari Gambar 9.2.: Soal 9.6. bahan yang homogen (massa jenis sama pada setiap bagian) dan memiliki bentuk balok dengan ukuran l = 1 m, b = 50 cm, h = 20 cm. Benda ini terapung dalam air ⎛ρ = 1 g 3⎞. Posisi benda ternyata menjadi mendatar, berarti sisi yang cm ⎠ ⎝ paling pendek memiliki arah tegak lurus ke atas. Benda masuk sejauh hd = 18 cm ke dalam air. a. Massa jenis benda berapa ?


93

Soal FD I

9. Mekanika Fluida

b. Mengapa posisinya menjadi mendatar ? 9.8. Dalam satu pipa U adalah cairan. Cairan itu bisa bergerak tanpa gesekan. Jadi cairan itu bisa berayun. Maksudnya: cairan bisa naik di sebelah kanan dan turun di sebelah kiri, Δh Δh kemudian kembali dan naik di sebelah kiri dan turun di sebelah kanan, kembali lagi dan seterusnya. Massa jenis g Panjang bagian pipa yang diisi cairan sebesar ρ = 1 cm3 air sebesar L = 40 cm. Luas pipa sebesar A = 2 cm2. a. Apakah ayunan itu selaras? Gambar 9.3.: b. Berapa besar waktu periode T ? Soal 9.8. 9.9. Terdapat pipa kapiler dengan diameter d = 2 mm. Pipa ini dimasukkan ke dalam air. Sudut antara permukaan air dan kaca menjadi N Θ = 0. Tegangan permukaan antara air dan udara sebesar σ = 0,0729 . m g Massa jenis air sebesar ρ = 1 . cm3 a. Air akan naik berapa tinggi dalam pipa ? b. Air naik berapa tinggi kalau permukaan kaca berbeda sehingga terdapat sudut sebesar Θ = 30º. 9.10.Terdapat pipa kapiler dengan diameter d = 2 mm. Pipa ini dimasukkan ke dalam air raksa. Sudut antara permukaan air raksa dan kaca menjadi 0 ke bawah. Tegangan permukaan antara air raksa dan udara sebesar N g . σ = 0,471 . Massa jenis air raksa sebesar ρ = 13,53 m cm3 a. Air raksa akan turun berapa jauh dalam pipa ?


94

Catatan Mengajar Fisika Dasar. Daftar Isi

Recommend Documents