fisika dasar i

136

Click here to load reader

Upload: siganteng27

Post on 22-Oct-2015

131 views

Category:

Documents


7 download

DESCRIPTION

mantap

TRANSCRIPT

Page 1: Fisika Dasar I

BAB IV

HUKUM NEWTON

HUKUM NEWTON

Terdiri dari 3 hukum:

1. Hukum Newton I = Hukum Kelembaman

Setiap benda dalam keadaan diam atau bergerak cenderung untuk tetap

diam, sedangkan apabila benda tersebut bergerak benda itu cenderung

untuk terus bergerak.

Sifat kecenderungan mempertahankan keadaannya ini sebagai

kelembaman. Gejala kelembaman ini dirumuskan sebagai hukum

Newton yang pertama sebagai berikut:

Setiap benda akan selalu berada dalam keadaan setimbang/diam atau

gerak lurus beraturan bila resultan gayanya = nol

2. Hukum Newton II

Bila suatu benda dikenai suatu resultan gaya F, benda akan mengalami

percepatan a yang besarnya sebanding dengan resultan gaya tersebut

dengan syarat massa benda konstan.

1

Page 2: Fisika Dasar I

3. Hukum Newton III

Gaya aksi yang akan timbul selalu akan dilawan oleh gaya reaksi yang

sama besarnya tetapi berlawanan arah, sehingga gaya selalu berpasangan

F.aksi = - F. reaksi

Contoh Soal:

1. Gaya 4 N diberikan pada massa 0,25 kg. Berapa percepatan yang

timbul

Diket. : F = 4 N

m = 0,25 kg

Dit.: a = ?

2. Gaya tak seimbang 100 N bekerja pada suatu benda yang beratnya 200 N.

Bila g = 9,8 m/s2, berapa percepatan yang dihasilkan.

Diket.: F = 100 N

W = 200 N

g = 9,8 m/s2

Dit.: a = ?

2

Page 3: Fisika Dasar I

4. GAYA GESEKAN

Pengertian Gaya Gesekan.

Bila sebuah balok massanya m kita lepaskan dengan kecepatan awal v0

pada sebuah bidang horisontal, maka balok itu akhirnya akan berhenti,

ini berarti di dalarn gerakannya balok mengalami perlambatan, atau ada

gaya Yang menahan balok, gaya ini kita sebut gaya gesekan, arahnya

berlawanan dengan arah gerak balok. Jadi gaya gesekan adalah gaya

yang sejajar permukaan yang melawan pergeseran benda.

Gaya gesekan ada dua macam.

(a) Gaya gesekan statis.

Gaya ini bekerja pada benda dalam keadaan diam (fs)

(b) Gaya gesekan kinetis

Apabila benda dalam keadaan bergerak maka gaya gesekan yang

mempengaruhinya disebut gaya gesekan kinetis (fk).

Sebuah balok beratnya w, berada pada bidang mendatar yang kasar,

kemudian ditarik oleh gaya F seperti f pada garnbar, maka gaya gesekan f

selalu berlawanan arah dengan gaya penyebabnya.

3

Page 4: Fisika Dasar I

Akan didapatkan:

(1) Untuk harga F <fs maka balok dalam keadaan diam.

(2) UntUk harga F = fs maka balok tepat saat akan bergerak.

(3) Apabila F diperbesar lagi sehingga F > fs rnaka benda bergerak

dan gaya gesekan statis A akan berubah menjadi gaya gesekan

kinetis A.

Koefisien Gesekan.

Besarnya gaya gesekan. yang bekerja pada sebuah benda tergantung dari

- gaya normal (N)

- koefisien gesekan antara benda dengan alasnya ().

Koefisien gesekan suatu bidang tergantung dari halus atau kasarnya

permukaan benda itu, bila halus koefisien gesekannya kecil dan sebalik-

nya. Dengan kata lain disebutkan koefisien gesekan tergantung dari

keadaan permukaan benda.

Hubungan gaya gesekan dengan koefisien gesekan.

4

Page 5: Fisika Dasar I

fs = s - N

fk = k N

s = koefisien gesekan statis. = gaya gesek maksimal/gaya normal.

Berlaku dalam keadaan dua permukaan pada saatnya akan

bergeser satu terhadap yang lain

k = koefisien gesekan kinetis. = gaya gesek/gaya normal

Untuk keadaan di mana dua permukaan saling bergeser pada laju yang

tetap.

harga k. < s , harganya antara 0 sampai 1dan tanpa satuan

Contoh soal

Berapakah besarnya gaya F yang diperlukan supaya balok tepat saat akan

bergerak.

s = 0,5 ; w = 10 newton.

Penyelesaian

N = w = 10 newton

fs = s N = 0,5 X 10 = 5 newton.

5

Page 6: Fisika Dasar I

balok tepat saat akan bergerak berarti F = fs F = 5 newton

Apabila gaya gesekan ini kita terapkan dalam hukum Newton II, akan

kita peroleh :

Persamaannya:

F – fk = m . a

dengan fk = k N

Benda pertama beratnya m1 g dan benda kedua M2 g

Tinjau m1

T – f1 = m1 a T=f1 + m1 a ………………………… (1)

Tinjau m2

F – T – f2 = M2 a T = F – f2 – M2 a …………………. (2)

6

( 1 )Dalam keadaan bergerak maka gaya gesekan fk

Page 7: Fisika Dasar I

Gabungkan persamaan (1) dengan (2) akan diperoleh :

F1 + m1 a = F – f2 – m2 a

m2 + m2 a = F – f1 – f2

(m2 + m2) a = F –f1 – f2

a = F –f1 – f2 1 m2 + m2

dengan : f1 = 1 N dan f2 = 2 N

Tinjau m1

T - fk = m1 a T = fk + m1 a …………. (1)

Tinjau m2

m2 g - T = m2 a T = m2 g + m2 a …………… (2)

Gabungkan persamaan (1) dengan persamaan (2) akan diperoleh :

7

Page 8: Fisika Dasar I

fk + m1 a = m2 g - m2 a

m1 a + m2 a = m2 g - fk

a (m1 + m2) = m2 g - fk

a = m2 g - fk

(m2 + m2)

Ingat ; fk Untuk benda pertama (m1)

Fk = k1 N = k1 . m1 g

Sehingga percepatan yang dialami akan menjadi

a = m2 g - k1 . m1 g (m1 + m2)

5. GAYA PEGAS

- Elastisitas

Apabila pada suatu benda bekerja sebuah gaya, maka gaya tersebut dapat

mempengaruhi bentuk benda tersebut. Tetapi setelah gaya yang bekerja

pada benda dihilangkan, bentuk benda kembali seperti bentuknya semula,

benda semacam ini disebut benda elastis, misalnya karet. Ada juga benda

yang tidak bisa kembali ke bentuknya semula meskipun gaya yang

mempengaruhinya telah tiada, jenis benda ini disebut benda tidak elastis

atau benda plastis, misalnya tanah.

8

Page 9: Fisika Dasar I

Benda-benda yang elastis juga mempunyai batas-batas elastisitas,

misalnya sebuah tali karet diregangkan terus-menerus, pada suatu saat

tidak akan mampu lagi, tapi kalau diregangkan terus akan terputus, ini

menunjukkan ada batas elastisitasnya.

6. Hukum Hooke

Menurut Hooke, bila pada sebuah pegas bekerja sebuah gaya, maka

pegas tersebut akan bertambah panjang sebanding dengan besarnya gaya

yang mempengaruhi pegas tersebut.

Menurut Hooke akan berlaku persamaan:

F = kx

dengan k konstanta gaya pegas (N/m).

Sedangkan pegas akan memberikan gaya perlawanan atau reaksi

sebesar

F = - kx

Tanda (-) menunjukkan arah gaya yang berlawanan dengan gaya

penyebabnya.

9

F = gaya yang bekerja pada pegas.

x = pertambahan panjang pegas.

Page 10: Fisika Dasar I

Pada saat pegas tersebut diregangkan, maka dia juga akan mempunyai

energi potensial, yang disebut energi potensial pegas.

Bila pegas diberikan gaya, akari bertambah panjang yang sebanding

dengan.

F1 x1

F1 x2

F1 x3 dan seterusnya

Usaha yang kita lakukan pada pegas, untuk meregankan pegas tersebut

sama dengan luasnya daerah segitiga dengan tinggi kx dan alasnya x.

Jadi usaha yang kita lakukan :

W = Luas segitigaW = ½ (alas) (tinggi)W = ½ . x . kx

Atau W = ½ kx2

10

Grafiknya Linier

Page 11: Fisika Dasar I

Apabila mula-mula pega tidak diregangkan berarti energi potensialnya

nol, maka usaha yang diberikan pada pegas itulah akan menjadi energi

potensial pegas.

Ep = ½ kx2

Ep = Energi potensial pegas bersatuan joule

Contoh soal

Sebuah pegas bila ditarik dengan gaya 100 N bertambah Panjang 5 cm

Berapa energi potensial pegas saat itu.

Penyelesaian,

F = 100 N

x = 5 cm = 5 x 10-2

maka

Ep = ½ k x2

Ep = ½ (2000) (5 x 10-2)2

Ep = 0,5 joule.

Modulus Elastisitas

Yang dimaksudkan dengan modulus elastisitas adalah perbandingan

antara tegangan dengan regangan (stress dengan strain).

11

Page 12: Fisika Dasar I

1) Tegangan (Stess)Adalah besarnya gaya yang bekerja pada tiap satuan luas

penampang suatu batang.

= tegangan bersatuan N/m2

(2) Regangan (Strain)

Adalah perbandingan antara pertambahan panjang suatu batang

terhadap panjangnya mula-mula, bila pada batang itu dikerjakan

sebuah gaya.

e = regangan

Apabila antara tegangan dan regangan ini digabungkan, maka akan diperoleh suatu tetapan yang disebut dengan modulus elastisitas atau modulus Young.

12

luas penampang batang A.

Page 13: Fisika Dasar I

Persamaannya :

E = adalah modulus Young bersatuan N/m2

Contoh soal1. Modulus Young suatu batang adalah 1012 N/m2 . Bila panjang batang

mula-mula 10 meter luas penampangnya 10 cm, bekerja gaya sebesar 105

Newton. Berapa pertambahan panjang batang.

Penyelesaian:

Petunjuk A. dipergunakan dalam menjawab soal nomor 1 sampai ke

nomor 4.

2 . Sebuah benda ditempatkan pada sebuah bidang mendatar, massa

benda 2 kg. Pada benda bekerja gaya dalam arah horisontal sebesar 20

newton. Apabila koefisien gesekan kinetis antara benda dengan

bidang 0,4. Tentukan percepatan yang dialami benda.

(A) 3 m/det2 (D) 12 m/det2

(B) 6 m/det2 (E) 16 m/det2

13

Page 14: Fisika Dasar I

(C) 10 ml/d Ct2

PenYelesaian.,

F – fk = m a

F - k mg = m a

Jawab : (B)

BAB V .

14

F = 20 NF = 2 kg, g = 10 m/det2

k = 0,4

Page 15: Fisika Dasar I

KESEIMBANGAN BENDA TEGAR DI BAWAH PENGARUH

GAYA SEBIDANG

Torsi atau momen, suatu gaya terhadap suatu poros adalah ukuran kemampuan gaya

tersebut menghasilkan perputaran (rotasi) terhadap poros itu. Torsi adalah hasil kali

gaa dan jarak antara poros perputaran dan garis kerja gaya. Jarak tegak lurus ini

disebut lengan torsi (lever arm) atau lengan momen (moment arm)

Torsi = = (gaya) . (lengan)

Satuannya : N .m atau lb.ft atau dyne.cm

Syarat keseimbangan benda tegar di bawah pengaruh gaya-gaya sebidang (coplanar

forces) adalah:

1. Syarat gaya (force condition): jumlah semua gaya harus nol

Bidang dimana gaya-gaya itu berada dipakai sebagai bidang XOY

2. Syarat torsi (torque condition), ambil suatu poros perputaran tegak lurus bidang

XOY, dengan ketentuan bahwa torsi yang menyebabkan perputaran searah dengan

jarum jam dihitung negative dan torsi yang menyebabkan perputaran berlawanan

dengan arah jarum jam dihitung positif, maka syarat keseimbangan:

= 0

Titik pusat berat benda adalah suatu titik di mana seluruh berat benda dapat

diperkirakan terpusat, dengaqn kata lain garis kerja vector gaya berat selalu melalui

titik pusat berat benda. Gaya tunggal sebesar berat benda, berarah vertical ke atas

dengan garis gaya melalui titik pusat berat benda, mampu mengimbangi gaya berat

benda, sehingga benda berada dalam keadaan seimbang.

15

Page 16: Fisika Dasar I

Jika torsi resultan terhadap sesuatu poros perputaran adalah nol untuk suatu pusat

benda, yang juga memenuhi syarat keseimbangan gaya, maka jumlah torsi tetap nol

bila dihitung terhadap poros perputaran manapun asal sejajar dengan poros

perputaran pertama. Biasanya poros perputaran dipilih sedemikian rupa hingga garis

kerja sesuatu gaya yang tidak diketahui melalui titik potong poros perputaran dan

bidang XOY. Dengan demikian lengan dan momen gaya yang tak diketahui itu

adalah nol, sehingga pada gaya tersebut tidak muncul persamaan keseimbangan torsi.

Contoh Soal:

1. Pada gambar ada empat gaya yang bekerja pada sebidang papan.

a. Bila poros perputaran melalui titik D, carilah lengan ke empat gaya itu ( poros

perputaran adalah tegak lurus terhadap papan melalui titik D)

b. Bagaimana kalau poros perputaran melalui titik A.

a. Lengan adalah perpanjangan garis tegak lurus antara poros perputaran dan garis

kerja gaya. Bila poros melalui titik O, maka:

Gaya Lengan Arah perputaran

F1 Nol

F2 OA = 4 m Bij

F3 Nol

F4 OM = 2 sin = 1,41 m Bij

bij. Berarti berlawanan arah jarum jam.

didapatkan adalah 45o, karena nampak bahwa tan = 4/4 = 1,00

b. Kalau poros perputaran melalui A:

16

Page 17: Fisika Dasar I

Gaya Lengan Arah Perputaran

F1 OA = 4 m bij.

F2 Nol

F3 AP = 2 cos = 2 cos 27o = 1,78 m bij.

F4 AN = 2 sin = 1,41 m sij.

2.

Pada batang homogen seberat 200 N digantungkan beban 450 N, berapa besar gaya

yang dilakukan penyangga pada batang.

Karena batang homogen maka titik pusat beratnya berimpit dengan titik pusat

geometrisnya, berat benda 200 N bekerja pada titik pusat batang. Gaya F1 dan F2

adalah gaya oleh penyangga pada batang.

Keadaan seimbang:

= 0, karena tidak ada gaya dalam arah x

17

Page 18: Fisika Dasar I

F1+F2 – 200 -450 = 0, Poros dipilih melalui titik A, dengan

demikian gaya F1 yang tidak diketahui torsinya nol, diperoleh:

- (200)(L/2) –(450)(3L/4) +(F2)(L) = 0 -200L/2 – 337,5L + F2/L = 0 dibagi

L

-100 – 337,5 +F2 F2 = 437,5 N

F1 + F2 -200-450 =0 F1 + 437,5 -200 -450 F1 = 212,5 N.

3. Batang homogen 100 N, dipakai sebagai tuas.Dimanakah harus dipasang

penyangga agar beban 500 N pada ujung yang satu dapat diimbangi beban 200 N

pada ujung yang

lain dan berapa besarnya beban penyangga.

Misalnya penyangga berada pada jarak x dari ujung kiri dan poros perputaran kita

ambil sebagai penyangga

,

200x +100x – 50L – 500L + 500x = 0

800x - 550L = 0 x = = 0,69L, jadi penyangga harus

diletakkan 0,69L dari ujung kiri.

Beban S yang menekan pada penyangga dihitung dengan :

18

Page 19: Fisika Dasar I

4. Batang homogen 100 N disangga seorang anak gadis pada ujung yang satu dan

seorang

perempuan lainnya di ujung yang lain.Dimanakah beban 800 N harus digantungkan

agar beban yang ditanggung anak gadis itu adalah 1/3 dari beban yang ditanggung

oleh perempuan itu.

5. Mistar siku-siku terbuat dari bahan homogen, digantungkan. Lengan yang satu L

cm, yang lain 2L cm, tentukan sudut

6.Sebuah kopel terdiri atas dua buah gaya yang sama besar, berlawanan arah dengan

garis kerja yang sejajar. Kopel hanya menghasilkan perputaran, buktikan bahwa torsi

atau momen sesuatu kopel tidak bergantung pada letak poros perputaran.

Poros perputaran diambil di titik sembarang, misalnya titik A dengan koordinat x = a,

y = b, maka momen kopel terhadap titik A adalah:

19

Page 20: Fisika Dasar I

Momen kopel = torsi = (F)(b) – (F)(b-L) = FL. Hasil ini tidak mengandung a

maupun b, maka momen kopel tidak bergantung pada dimana poros perputaran kita

letakkan.

7. Batang homogen 600 N mempunyai engsel di P, tentukan tegangann dalam tali dan

komponen-komponen gaya oleh engsel pada batang.

8. Batang homogen 400 N berengsel di P dan diikat pada tali, tentukan tegangan

dalam tali dan gaya oleh engsel pada batang

9.

Tentukan T1, T2 dan T3, bila batang BC adalah homogen seberat 800 N.

20

Page 21: Fisika Dasar I

BAB VI

ENERGI, USAHA DAN DAYA

ENERGI

Adalah sifat-sifat benda atau system benda dimana usaha dapat

diwujudkan, merupakan besaran scalar. Dapat muncul dalam berbagai

bentuk dan dapat diubah dari bentuk yang satu ke bentuk yang lainnya.

Energi yang dimiliki suatu benda akibat gerakannya sendiri disebut

Energi Kinetik atau energi gerak. Energi yang timbul akibat posisi suatu

benda disebut energi potensial. Bila pada benda diberikan usaha dimana

gaya gesekan diabaikan maka usaha yang dilakukan = jumlah

peningkatan energi kinetic dan peningkatan energi potensial. Satuan

energi = satuan usaha, yaitu Joule = Newton meter.

USAHA = besaran skalar

21

Page 22: Fisika Dasar I

Bila suatu gaya F mendatar diberikan pada suatu benda sehingga

menimbulkan perpindahan sejauh s maka besarnya usaha adalah:

W = F . s

Bila gaya F membentuk sudut terhadap perpindahan s, maka besarnya

usaha adalah hasil kali titik antara proyeksi gaya F pada arah perpindahan

terhadap perpindahan tersebut.

Jadi W = F cos . s

Besarnya usaha persatuan waktu disebut daya:

merupakan besaran

scalar dengan satuan

Watt = joule/detik.

USAHA DAN ENERGI POTENSIAL

Seseorang ingin memindahkan benda Q yang massanya m ke suatu

tempat dengan ketinggian h.

Usaha = gaya berat x ketinggian benda

W = mg x h

W = mgh.

22

Page 23: Fisika Dasar I

Jadi usaha W untuk membawa benda dari A ke B, hanya bergantung pada

posisi awal dan akhir, tidak bergantung pada bagaimana cara yang

ditempuh.

Jadi energi Potensial adalah:

W = mgh. W = energi potensial (Joule)

m = massa benda (Kg)

g = percepatan gravitasi (m/s2)

h = beda ketinggian (m)

HUKUM KEKEKALAN ENERGI MEKANIS

Suatu benda massanya m diletakkan pada ketinggian ho, sehingga energi

totalnya = energi potensial = mgho

Bila dilepaskan dan jatuh, energi kinetic meningkat sedangkan energi

potensialnya menurun.

Pada ketinggian h1:

E total = mgh1 + ½ m V12

Pada ketinggian h2:

E total = mgh2 + ½ m V22

Bila tidak ada gaya luar maka:

mgh1 + ½ m V12 = mgh2 + ½ mV2

2 = mgho

23

Page 24: Fisika Dasar I

atau:

Ep + Ek = tetap, sehingga perubahan energi total ( )

Kesimpulan :

Energi tidak dapat diciptakan ataupun dimusnahkan tetapi berubah dari

bentuk yang satu ke bentuk yang lainnya. Dikenal sebagai hukum

kekekalan energi.

Contoh:

1. Sebuah kotak didorong dengan kecepatan konstan sejauh 6 meter pada

lantai mendatar melawan gaya gesekan sebesar 150 N. Berapa usaha

yang dilakukan.

Dik: F = 150 N s = 6 m

Dit.: W = ?

Karena kecepatan konstan, maka a = 0

F – f = 0

F = f

Usaha yang dilakukan seluruhnya dilakukan untuk melawan energi

yang ditimbulkan akibat gesekan.

W = F . s = 150 . 6 = 900 Joule

24

Page 25: Fisika Dasar I

2. Berapa usaha yang harus dikeluarkan untuk menarik sebuah benda

pada arah mendatar sejauh 25 meter, bila gaya sebesar 50 N diberikan

oleh seorang penarik melalui tali yang menyudut 60o terhadap tanah.

Dik.: F = 50 N. s = 25 meter.

Komponen gaya dalam arah mendatar adalah = F cos 60o . 25

= 50 .0,5 .25 = 625 N.m = 625 Joule.

3. Mobil dengan massa 1200 kg semula bergerak mendatar pada laju 20

m/s, mulai dipercepat dengan percepatan konstan 4 m/s2 selama 4 det.

Dik.: m = 1200 kg

Vo = 20 m/s

a = 4 m/s2

t = 5 det.

Dit. Peningkatan energi kinetic = ?

Vt = Vo + a.t

= 20 + 4 . 5

= 40 m/det

Energi kinetic mula-mula: ½ m Vo2 = ½ 1200. 202 = 240.000 Joule

Energi kinetic akhir : ½ m Vt2 = ½ 1200. 402 = 960.000 Joule

Peningkatan Energi kinetic = Ek.akhir – Ek.awal

= 960.000 – 240.000 = 720.000 Joule

25

Page 26: Fisika Dasar I

4. Bola 1 kg dijatuhkan dari atap sebuah rumah.

a. Berapa peningkatan energi kinetic dalam 3 detik pertama

b.Bila laju sesaat sebelum menumbuk tanah adalah 80 m/s dari

ketinggian berapa bola tersebut dijatuhkan?

Dik.: m = 1 kg

t = 3 det

V = 80 m/s g = 9,8 m/s2

Dit.: Peningkatan energi kinetic ?

a. Vt = Vo + a.t g = a

Vt = 0 + 9,8 . 3

= 29,4 m/s

Energi kinetic dalam 3 detik pertama :

Ek. = ½ m V2 = ½ .1.29,42 = 432,18 Joule

b. Vt = 80 m/s

80 =

6400 = 2 .9,8 .h

h = 6400/19,8

= 323,3 m

26

Page 27: Fisika Dasar I

5. Sebutir peluru ditembakkan tegak lurus ke atas dengan laju 40 m/s.

Berapa ketinggian peluru sewaktu lajunya 10 m/s ( gesekan

diabaikan).

Diket.: Vo = 40 m/s

V2 = 10 m/s

Dit. H = ?

Pengurangan energi kinetic peluru = peningkatan energi potensial

peluru.

½ mVo2 – ½ m Vt

2 = mght – mgho ho = 0

½ m (Vo2 - Vt2) = mght

½ (Vo2 – Vt2) = 9,8 ht

½ ( 402 – 102) = 9,8 ht

½( 1600 – 100) = 9,8 ht

ht = 750/9,8 = 76,53 m

6.Berapa gaya rata-rata yang diperlukan untuk menghentikan sebuah

peluru dengan massa 20 gram dan laju 300 m/s sewaktu peluru

menembus kayu sejauh 12 meter.

Dik. : m = 20 gram

V = 300 m/s

s = 12 meter

27

Page 28: Fisika Dasar I

Usaha yang dilakukan gaya pada penahan = energi kinetic awal

peluru.

F . s = ½ m V2

F x 12 = ½ 20. 10-3 3002

F =

= 75 N.

7. Sebuah motor 2 PK digunakan untuk mengangkat beban setinggi 9 m

dalam waktu 2 detik. Berapa besarnya beban tersebut.

Diket.: P = 2 PK = 2 x 746 Watt = 1492 watt

h = 9 m

t = 2 detik

Dit.: m = ?

Daya = =

1492 =

2 x 1492 = 88,2 m

m = 2984/88,2= 363,9 kg ( dalam 2 detik)

dalam 1 detik:

1492 =

1492 =

28

Page 29: Fisika Dasar I

1492 x 1 = 39,2 m

m =

= 38,061 kg.

8. Sebuah benda 2 kg ingin dipindahkan dari titik A ke titik C. Bila

tinggi C = 2 meter dan bidang miring AC menyudut 30o berapa

besarnya usaha bila gesekan diabaikan.

Usaha untuk mendorong = besar gay sejajar bidang x jarak yang

ditempuh.

W = mg sin 30o x h/sin 30o

= 2.9,8.2 = 39,2 Joule

USAHA = besaran skalar

29

A

30

C

2 m

Page 30: Fisika Dasar I

Bila suatu gaya F mendatar diberikan pada suatu benda sehingga

menimbulkan perpindahan sejauh s maka besarnya usaha adalah W = F.s

Bila gaya F membentuk sudut terhadap perpindahan s, maka besarnya

usaha adalah hasil kali titik antara proyeksi gaya F pada arah perpindahan

terhadap perpindahan tersebut.

Jadi W = F cos . s = F. s cos

Satuannya adalah Newton - meter = Joule, dine-cm = erg; 1 erg = 10-7 J

1 lb-ft = 1,36 J

Energi benda adalah kemampuan benda tersebut melakukan usaha.

Karena energi benda diukur dan dinyatakan dalam jumlah usaha yang

dapat dilakukannya, maka satuan energi sama dengan satuan usaha.

30

s

F

F

Page 31: Fisika Dasar I

Titik Pusat Massa suatu benda adalah suatu titik dimana benda tersebut

gerakannya sama dengan gerakan suatu massa titik seandainya pada

massa titik itu bekerja gaya-gaya luar yang sama seperti pada gaya luar

yang bekerja pada benda itu, yaitu : F = m x apm

F = gaya resultan semua gaya luar yang bekerja pada benda

m = massa benda; apm percepatan (titik) pusat massa.

Energi Kinetik (Ek): Adalah energi yang dimiliki suatu benda akibat

gerakannya sendiri atau kemampuan benda tersebut untuk melakukan

usaha karena bergerak. Jika benda dengan massa m b ergerak dengan

kecepatan v, maka energi kinetic translasinya: Ek = Satuannya

adalah Joule, jika m dalam kg dan v dalam m/s. Dalam system Imperial

satuannya lb.ft, jika m dalam slug dan v dalam ft/s.

Energi Potensial:

Energi yang timbul akibat posisi suatu benda disebut energi potensial.

Energi Potensial gravitasi = EPG suatu benda adalah kemampuan benda

tersebut melakukan usaha karena kedudukannya dalam medan gravitasi.

Jikalau massa m jatuh bebas sejauh h, benda itu dapat melakukan usaha

sebesar mgh. Jika benda berada pada h di atas permukaan nol (atau

permukaan acuan) maka energi potensial gravitasinya adalah:

31

Page 32: Fisika Dasar I

EPG = mgh.

g. adalah percepatan gravitasi; mg berat benda Satuannya Joule, erg, lb-

ft.

Kekekalan Energi: Energi tidak dapat diciptakan begitu saja, juga tidak

dapat dimusnakan begitu saja, energi hanya dapat berubah dari bentuk

yang satu ke bentuk yang lain.

Konversi Usaha-Energi

Bila pada benda diberikan usaha dimana gaya gesekan diabaikan maka

usaha yang dilakukan = jumlah peningkatan energi kinetic dan

peningkatan energi potensial.

D A Y A

Besarnya usaha persatuan waktu disebut daya:

merupakan besaran

scalar .

Daya rata-rata =

= gaya x kecepatan

Satuannya: Watt = joule/detik,

lb-ft/s; daya kuda. 1 daya kuda = 1 hp = 746 W = 550 lb-ft/s

32

Page 33: Fisika Dasar I

Kiliwatt Jam (kwh) adalah satuan usaha atau kerja. Jika gaya melakukan

usaha 1000J dalam waktu satu detik (daya 1 kW), maka dalam waktu 1

jam gaya itu melakukan usaha sebanyak 1 kWh

1 kWh = 3,6 x 106 Joule

Contoh Soal:

1. Gaya F = 75 N dan bekerja dalam arah = 28 o. Berapakah usaha yang dilakukan

gaya tersebut dalam memindahkan benda sejauh 8 m

Usaha = 75 x cos 28 x 8 = 75.0,8829 x 8 = 529,74 J

2. Benda di atas bidang miring, bergerak ke atas karena padanya bekerja beberapa

gaya, tiga, F1 = 40 N arah mendatar, F2 = 20 N tegak lurus bidang miring, F3 =

30 N sejajar bidang miring. Berapa usaha yang dilakukan masing-masing gaya

kalau benda berpindah sejauh 80 cm ke atas.

33

Page 34: Fisika Dasar I

3. Gaya 70 N bekerja pada benda 5 kg. Bila gesekan dianggap tidak ada, berapa

kecepatan benda itu setelah didorong sejauh 6 m. Bila koefisien gesekan benda

dengan lantai = 0,40 berapa kecepatan benda.

4. Sebutir manik-manik dapat menggeser tanpa gesekaqn berarti melalui kawat.

Kalau laju di titik A adalah 200 cm/s, a. berapa laju di titik B b. dan di titik C.

5.Mobil 1200 kg menggelinding bebas seperti terlihat pada gambar. Saat mobil

kecepatannya 12 m/s sopir mulai menginjak rem. Berapa besar gaya rem F(yang

tetap dan berarah sejajar permukaan miring) agar mobil dapat berhenti dalam jarak

100m.

34

Page 35: Fisika Dasar I

BAB VII

PESAWAT SEDERHANA

Pesawat adalah setiap alat yang dapat mengubah besar, arah atau cara pemakaian

gaya untuk memperoleh sesuatu keuntungan. Contohnya: tuas, bidang miring, katrol,

dongkrak, obeng, dll

Asas usaha yang berlaku pada pesawat yang bekerja secara kontinu:

Usaha yang diberikan = usaha yang dihasilkan + usaha untuk mengatasi gesekan.

Pada pesawat yang hanya bekerja sebentar, sebagian dari usaha yang dimasukkan

mungkin tetap tersimpan di dalam pesawat tersebut. Contohnya pegas dapat tetap

dalam keadaan tertekan, atau katrol yang dapat digerakkan, berada dalam posisi

terangkat.

Keuntungan Mekanis Keuntungan mekanis (actual mechanical advantage – AMA)

sesuatu pesawat adalah:

AMA = nisbah (ratio) gaya =

Keuntungan mekanis ideal (ideal mechanical advantage – IMA) suatu pesawat

adalah:

IMA = nisbah jarak =

Karena gesekan selalu ada, AMA selalu lebih kecil dari IMA

Efesiensi pesawat:

35

Page 36: Fisika Dasar I

Efesiensi =

Contoh soal:

1. Carilah ke tiga vertical F1, F2, F3 pada ke tiga tuas agar dapat mengimbangi

beban w = 90 N. Berat tuas diabaikan, carilah berapa IMA, AMA dan

efesiensi masing-masing system.

Semua torsi akan dihitung terhadap titik tumpuan. Bila cara mengangkat beban

perlahan-lahan maka system selalu dalam keadaan seimbang, jadi jumlaj torsi

dalam arah gerak jarum jam = jumlah torsi dalam arah berlawanan dengan arah

gerak jarum jam..

a. 90 N x 2 m = F1 x 4m F1 =

b. 90 N x 1 m = F2 x 3 m F2 =

c. 90 N x 2 m = F3 x 5 cos 30 F3 =

selanjutnya:

No Asas Usaha Tuas (a) Tuas (b) Tuas (c)1 IMA

2 AMA

3 Efesiensi 1,00 1,00 1,00

Efesiensi ke tiga tuas = 1 karena gesekan pada titik tumpuan diabaikan.

36

Page 37: Fisika Dasar I

2.

Mesin 12 hp dengan efesiensi 90 % bekerja penuh hingga menghasilkan daya sesuai

spesifikasinya. Berapa daya (dalam kW) harus diberikan pada mesin itu.

Daya masuk =

3.

Beban w = 100 lb hendak diangkat melalui system katrol, berat katrol dan gesekan di

dalamnya diabaikan, berapa gaya F yang dibutuhkan.

4. Dengan memakai system roda ® dan poros (r), beban 400 N dapat diangkat gaya

50 N yang dikerjakan pada tepi roda R = 85 cm dan r = 6 cm. Tentukan IMA dan

AMA dan efesiensi mesin ini.

5. Panjang bidang miring adalah 15 m dan tingginya 3 m. a. berapa gaya F yang

diperlukan agar beban 20 kg dapat digeser ke atas bila tidak ada gesekan.b. Berapa

37

Page 38: Fisika Dasar I

IMA pada bidang miring. C. Berapa AMA dan efesiensi bidang miring bila gayan

yang dibutuhkan = 64 N.

6.

Dongkrak dengan panjang lengan 40 cm dan ulirnya 5 mm, bila efesiensi alat = 30 %

berapa gaya F untuk mengangkat beban 270 kg.

7. Dua buah katrol bergigi dengan jari-jari r = 10 cm dan R = 11 cm dipasang pada

poros yang sama dan berputar bersama-sama. Rantai dipasang meliputi katrol yang

kecil (r = 10 cm), kemudian meliputi katrol bawah yang dapt bergerak naik turun,

akhirnya meliputi katrol yang besar ( R = 11 cm). Operator melakukan gaya F ke

bawah pada rantai dalam usahanya menaikkan beban w. a) berapa IMA. b) Bila

diperlukan F = 50 lb untuk mengangkat beban 700 lb, berapa efesiensi alat.

38

Page 39: Fisika Dasar I

8. Beban 300 N diimbangi gaya F, andaikan efesiensi ke dua system = 100 %,

berapakah F pada ke dua system, semua tali dianggap menggantung vertical.

BAB VIII

IMPULS DAN MOMENTUM

Momentum adalah besaran vector, arahnya adalah arah vector kecepatan.

Satuannya :

Kg.m/s; gr.cm/s; slug.ft/s.

Momentum linear benda = massa benda x kecepatan benda = m x v

39

Page 40: Fisika Dasar I

Impuls adalah besaran vector dengan arah sejajar arah gaya, satuannya N-s; Dine-s;

lb-s.

Impuls = gaya x waktu gaya untuk bekerja = F x t.

Impuls menyebabkan perubahan momentum. Perubahan momentum yang

disebabkan oleh suatu impuls, besar dan arahnya sama dengan besar dan arah impuls.

Karena itu gaya tetap F yang bekerja pada benda bermassa m selama waktu t, dapat

mengubah kecepatan benda dari Vo ke Vt, sehingga:

Impuls = perubahan momentum

F x t = m ( Vt -Vo)

Hukum Kekekalan Momentum Linear

Jika resultan gaya-gaya luar pada sekumpulan beban adalah nol, maka jumlah semua

vector momentum pada benda itu

Tumbukan dan Ledakan

Pada ke dua jenis peristiwa ini, jumlah semua vector momentum sebelum dan

sesudah peristiwa adalah sama, jumlah ini tidak berubah.

Massa pada tumbukan antara dua benda bermassa m1 dan m2

Momentum total sebelum tumbukan = momentum, total sesudah tumbukan.

m1u1 + m2 u2 = m1v1 + m2v2

di sini u1 dan u2 adalah kecepatan sebelum tumbukan, sedangkan v1 dan v2 adalah

kecepatan sesudah tumbukan.

m1xu1x + m2u u2x = m1xv1x + m2xv2x

40

Page 41: Fisika Dasar I

Tumbukan Kenyal (lenting) Sempurna.

Adalah tumbukan yang jumlah energi kinetic benda-bendanya sebelum dan sesudah

tumbukan adalah sama. Bila kedua benda bertumbukan lenting sempurna:

Koefisien Restitusi: e

e = ; u1 dan u2 kecepatan relative sebelum tumbukan (ke dua

benda saling mendekati)

v1 dan v2 kecepatan relative sesudah tumbukan (ke dua

benda saling menjauhi).

Bila tumbukan lenting sempurna, e = 1

pada tumbukan tidak kenyal e<1

tumbukan di mana sesudah tumbukan ke dua benda itu tetap bersatu (= tumbukan

tidak kenyal sempurna) e = 0

Contoh soal:

1. Peluru 15 gram ditembakkan dalam arah mendatar ke dalam balok kayu yang

digantungkan pada tali yang panjang. Peluru menancap dalam kayu tersebut.

Berapa kecepatan peluru kalau tumbukan tersebut menyebabkan balok bergerak

sampai 10 cm dari posisi semula.

41

Page 42: Fisika Dasar I

Diketahui: m balok = 3 kg; m peluru = 15 gram = 0.015 kg

v = kecepatan peluru sebelum tumbukan. V = kecepatan peluru sesudah tumbukan.

Ditanya kecepatan peluru = ?

Tumbukan antara balok dan peluru, tumbukan momentum adalah kekal:

Momentum sebelum tumbukan = momentum sesudah tumbukan

(0,015 kg). v + 0 = (3,015 kg). V .

Balok dengan peluru di dalamnya mendapat simpangan setinggi 10 cm. Pada

kedudukan awal EPG = 0

EK tepat sesudah tumbukan = EPG akhir.

½ mV2 = mgh

½ . 3,015 V2 = 3,015. 9,8.0,10

V2 =

V disubsitusikan pada persamaan :

(0,015 kg). v + 0 = (3,015 kg). V .

0,015 v = 3,015x 1,4

v =

2.

42

Page 43: Fisika Dasar I

Truk 7500 kg sedang melaju ke arah timur dengan kecepatan 5 m/s, bertabrakan

dengan mobil 1500 kg yang bergerak dalam arah 30o arah barat daya (dihitung dari

arah barat) dengan kecepatan 20 m/s. Sesudah bertabrakan ke dua kenderaan tetap

menyatu. Ke arah manakah bangkai ke dua mobil itu terhempas dan berapa

kecepatannya.

Diket.:

m1 = 7500 kg m2 = 1500 kg = 30o V1 = 5 m/s V2 = 20 m/s

Dit : V dan = ?

Sebelum tumbukan ditunjukkan pada gambar (a). Sesudah tumbukan pada gambar

(b).

Hukum kekalan momentum:

Komponen momentum dalam arah Timur dan komponen momentum dalam arah

Barat haruslah kekal.

(Momentum sebelum ) timur = (momentum sesudah) timur

(7500 kg) . 5 – (1500kg)(20m/s .cos 30o) = MVTimur

37500 – 1500x20x0,8660 = MVTimur

37500 – 25980 = MVTimur

11520 = MVTimur

(Momentum sebelum ) barat = (momentum sesudah) barat:

43

Page 44: Fisika Dasar I

7500 x 0 – 1500 .20 sin 30 = MV utara

- 15000 = MV utara

Sesudah tumbukan massa bangkai mobil = 1500 + 7500 = 9000 kg

(Momentum sebelum ) timur = (momentum sesudah) timur

37500 – 1500x20x0,8660 = MVTimur

37500 – 25980 = 9000.Vtimur

11520 = 9000 VTimur VTimur =

(Momentum sebelum ) barat = (momentum sesudah) barat:

7500 x 0 – 1500 .20 sin 30 = MV utara

- 1500.20.0,5 = 9000.V utara - 15000 = 9000. V utara

V utara =

resultan kecepatan = 2,1 m/s

arahnya ( ) = arc tg.

3.Air disemprotkan dalam arah datar mengenai lempengan kaca. Diketahui bahwa vair

= 80 cm/s dan air sebanyak 30 cm3 mengenai lempengan itu setiap detik. Andaikan

air mengalir sejajar lempengan setelah mengnai lempengan. Satu sentimeter kubik air

massanya satu gram. Berapakah gaya yang dilakukan air pada lempengan.

44

Page 45: Fisika Dasar I

Lempengan itu melakukan impuls pada air, hingga momentum air yang horizontal itu

berubah.

(Impuls)x = perubahan pada momentum yang berarah x

Fx . t = (mvx) akhir – (mvx)awal

Kalau t diambil 1 detik, maka ini berarti bahwa m adalah massa air yang

bertumbukan dengan lempengan dalam waktu 1 detik, yakni 30 gram.

Fx.1 = 0,030 . 0 – 0,030 .0,80

= - 0,024 N.

BAB IX

GERAK ANGULER

Perpindahan anguler (perpindahan sudut ) biasanya dinyatakan dalam radian,

derajat atau putaran. 1 putaran = 360o = 2 rad ; 1 rad = 57,3o .

Satu radian adalah sudut datar pada pusat lingkaran di antara dua jari-jari yang

mencakup busur sepanjang jari-jari pada keliling lingkaran.

Ukuran sudut dalam radian = (panjang busur) : (panjang jari-jari)

Satuan rad sebagai ukuran sudut merupakan suatu bilangan dan sebenarnya tidak

memiliki satuan.

Kecepatan sudur (ω) suatu benda adalah perubahan koordinat sudut, yaitu

perpindahan sudut per satuan waktu. Jika berubah dari o menjadi t, maka

kecepatan sudut rata-rata adalah:

45

Page 46: Fisika Dasar I

satuan adalah rad/s; o/det atau putaran/menit (rpm), yaitu satuan sudut dibagi

satuan waktu. ω (dalam rad) = 2 f ;

dimana: f adalah frekuensi putaran dinyatakan dalam putaran/det.

Percepatan Sudut ( ) suatu benda adalah perubahan kecepatan sudut panda per

satuan waktu. Jika kecepatan sudut benda berubah beratutan dari harga ωo menjadi ωt

dalam waktu t maka:

= ; dengan satuan adalah rad/s2; putaran /det2 dan

seterusnya.

Persamaan Gerak Menyudut Berubah Beraturan adalah analog dengan

persamaan gerak lurus berubah beraturan.

No Gerak Lurus Gerak Menyudut

1 =

2 S = .

3 Vt = Vo + a t

4. Vt2 = Vo2 + 2 a.s

5 S = Vo.t +

Persamaan ke dua di atas merupakan defenisi kecepatan rata-rata, tanpa

menghiraukan apakah percepatan tetap atau tidak.

Hubungan antara besaran sudut dan besaran tangensial

Bila roda dengan jari-jari berputar melalui porosnya, maka suatu titik pada tepi roda

digambarkan dengan menyatakan panjang busur yang ditempuhnya, kecepatan

46

Page 47: Fisika Dasar I

tangensialnya v dan percepatannya a. Besaran-besaran ini berhubungan dengan

besaran , yang mengambarkan perputaran roda itu melalui, hubungan –

hubungan berikut:

S = r v = .r a = r dengan , dan dinyatakan dalam

rad, rad/s dan rad/s2

Dengan mudah dapat dilihat bahwa s sebenarnya adalah panjang tali yang melilit

pada tepi roda atau s adalah jarak tempuh roda seandainya roda itu dapat

menggelinding bebas (tanpa slip). Dalam hal ini v dan a adalah kecepatan dan

percepatan pusat perputaran roda.

Percepatan sentripetal : Massa titik m yang bergerak melingkar dengan kecepatan

yang tetap v dalam lingkaran berjari-jari r mengalami suatu percepatan.Meskipun

besar kecepatannya tidak berubah, namun arah kecepatannya selalu berubah.

Perubahan vector kecepatan ini menimbulkan suatu percepatan asp pada massa itu

yang arahnya menuju titik pusat lingkaran . Perceoatan ini dinamai percepatan

sentripetal dan arah nilainya adalah:

asp =

disini v adalah laju massa yakni parameter pada keliling lingkaran. Karena v = .r,

dapat juga ditulis

asp = 2 .r harus dinyatakan dalam rad/s

Gaya Sentripetal adalah gaya( yang tidak mempunyai gaya reaksi) yang harus

bekerja pada massa m yang melingkar, agar massa itu mengalami percepatan

sentripetal sebesar v2/r. Dari hubungan F = m.a dipertoleh:

47

Page 48: Fisika Dasar I

Gaya sentripetal = , berarah ke titik pusat lingkaran.

Contoh Soal:

1. Berapakah sudut dinyatakan dalam rad dan derajad yang ditempuh bandul

matematik

Karena s = r , hanya berlaku kalau dinyatakan dalam rad, maka:

rad =

derajat = 0,167 rad.(

2. Kipas angin berputar dengan 900 rpm a).berapa kecepatan sudut titik baling-baling

b) berapa laju massa ujung baling-baling bila panjang baling-baling = 20 cm?

untuk semua titik pada baling-

baling

b. bila

BAB X

ROTASI BENDA TEGAR

Torsi atau momen, suatu gaya terhadap suatu poros adalah ukuran kemampuan

gaya tersebut menghasilkan perputaran (rotasi) terhadap poros itu. Torsi adalah

hasil kali gaya dan jarak antara poros perputaran dan garis kerja gaya. Jarak tegak

lurus ini disebut lengan torsi (lever arm) atau lengan momen (moment arm)

48

Page 49: Fisika Dasar I

Torsi = = (gaya).(lengan) Satuannya : N .m atau lb.ft atau dyne.cm

Momen Inersia (lambang I) suatu benda adalah keengganan benda itu diputar. Bila

suatu benda yang dapat berputar melalui suatu poros perputaran, ternyata sukar sekali

dirotasikan, maka momen inersia benda tersebut terhadap poros itu besar sekali.

Obyek yang momen inersianya kecil mudah dirotasikan, mudah diputar. Bila suatu

benda terdiri dari banyak massa kecil m1, m2, m3 ….. terletak pada jarak r1, r2, r3, ……

terhadap sesuatu poros (atau sumbu) putaran, maka momen inersia benda terhadap

poros tersebut adalah:

I = m1r12 + m2r2

2 + m3r32 …………= miri

2

Satuan I adalah kgm2 ; grcm2 dan slugft2

Untuk memudahkan maka apabila radius girasi (k) benda terhadap suatu poros

perputaran

Kita tentukan sebagai berikut:

I = Mk2

M adalah massa total benda yang bersangkutan, k adalah jarak antara poros putaran

benda dan suatu titik dimana seluruh massa benda seolah-olah berkumpul.

Torsi dan Percepatan Sudut

Apabila torsi bekerja pada benda yang momen inersianya adalah I, maka dalam

benda ditimbulkan percepatan sudut sebesar: = I .

I, dan dihitung terhadap poros yang sama, hubungan antara satuan:

( N.m) = I (kg.m2) x (rad/s2)

(lb.ft) = I (slug.ft2) x (rad/s2)

harus dinyatakan dalam satuan rad/s2

49

Page 50: Fisika Dasar I

Energi Kinetik Rotasi (EK), benda dengan momen inersia terhadap sesuatu poros

adalah I, yang berputar melalui poros ini dengan kecepatan sudut adalah:

EKr = disini energi bersatuan J atau lb.ft, sedangkan harus

dinyatakan dalam rad/s

Gerak Rotasi dan Translasi.

Energi kinetic benda (misalnya bola) yang menggelinding adalah jumlah :

1. EK rotasi benda dihitung terhadap poros putaran yang melalui titik pusat massa

benda

2. EK translasi suatu massa titik (dengan massa seperti pada massa benda) yang

bergerak

seperti gerak titik pusat massa. Rumusnya:

EKtotal =

Usaha (W) yang dilakukan torsi yang tetap dalam memutar benda sebanyak

adalah:

W =

W bersatuan J atau lb ft, apabila dinyatakan dalam rad.

Daya (P) yang dilakukan torsi pada benda adalah:

P =

Di sini adalah torsi yang bekerja pada benda dan adalah kecepatan sudut dalam

arah yang sama seperti torsi dan dinyatakan dalam rad/s.

MomentumSudut adalah suatu besaran vector, besarnya adalah I dan arahnya

searah dengan arah putaran.Kalau torsi resultan pada benda adalah nol, maka

momentum sudut benda baik besaran maupun arahnya tidak berubah.Ini disebut

hukum keke kalan momentum sudut.

50

Page 51: Fisika Dasar I

Impuls Sudut. Besar impuls adalah , di mana t adalah lamanya torsi bekerja

pada benda. Terdapat analogi dengan impuls linear: impuls sudut menyebabkan

momentum sudut benda berubah:

=

TEOREMA POROS SEJAJAR ( ATURAN STEINER):

I=Ic + Mh2

Di sini Ic = Momen inersia benda terhadap poros yang melalui titik pusat massa

benda.

M = Momen inersia benda terhadap sesuatu poros sebarang sejajar poros

yang

Melalui titik pusat massa.

h = Jarak antara kedua poros putaran tersebut.

ANALOGI ANTARA BESARAN LINEAR DAN BESARAN SUDUT

{ ANGULAR}

Perpindahan linear s Perpindahan sudut

Kecepatan linear Kecepatan sudut

Percepatan linear a Percepatan sudut

Massa m Momen inersia

Gaya F Torsi

Momentum linear mv Momentum sudut I

Impuls linear Ft Impuls sudut t

Apabila dalam rumus gerak linear, besaran linear diganti dengan besaran sudut yang

bersesuain, diperoleh persamaan gerak rotasi sebagai berikut:

Gerak linear: F = m.a EK = Usaha = F.s Daya = Fv

Gerak rotasi: = I EK = Usaha = Daya =

51

Page 52: Fisika Dasar I

, , dinyatakan dalam radian.

Momen Inersia Beberapa Benda Yang Berbentuk Simetris. Berikut ini beberapa

rumus momen inersia benda simetris terhadap poros yang melalui titik pusat massa

benda tersebut:

I = M adalah massa benda kecil dan r adalah jarak benda terhadap poros

putaran

Juga M adalah massa cincin tipis, silinder (selongsong) dan r adalah

jarak elemen (unsur) massa terhadap poros cincin atau silinder.

I= M adalah massa silinder atau cakram pejal yang homogen, berapun

panjangnya dan r adalah jarak elemen (unsur) massa terhadap poros

silinder atau cakram.

I= M adalah massa batang tipis yang homogen dengan panjang l; poros

putaran adalah garis tegak lurus batang melalui titik pusat massanya.

I = M adalah massa keeping pejal yang homogen dengan panjang l;

lebar b dan tebal sembarang; poros putaran adalah garis tegak lurus

keeping melalui titik pusat massa.

I = M adalah massa bola pejal yang homogen berjari-jari r; poros putaran

adalah sebarang garis diameter.

Contoh soal:

1. Sebuah roda (m = 6 kg) dengan radius girasi 40 cm, berputar dengan kecepatan

300 rpm.

Tentukan momen inersia dan energi kinetic rotasi roda itu.

Diket.: m = 6 kg ; k = 40 cm ; w = 300 rpm

= 300 (put/menit)(menit/60 s)(2 / putaran)

= 31,4 rad/s.

Dit. I = ?

EKr = ?

I = Mk2 = 6 .(0,40)2 = 0,96 kg.m2

52

Page 53: Fisika Dasar I

EKr = ½ Iw2 = ½ ( 0,96)(31,4)2 = 473 J

2. Baling-baling suatu pesawat bermassa 70 kg dengan radius girasi 75 cm.

Berapakah momen inersia baling-baling itu. Berapa torsi yang dibutuhkan agar

baling-baling dapat dipercepat dengan percepatan sudut sebesar 4 putaran/s2.

Dik: M = 70 kg; k = 75 cm = 0,75 m;

= 4 put/s2 = (4 put/s2)(2 /put) = 8 rad/s2

I = Mk2 = 70. (0,75)2 = 39 kg.m2.

= 39. 8 = 979, 68 N.m

3. Sebuah cakram pejal homogen 8 kg dengan jari-jari 20 cm berputar dan sumbu

putarannya melalui titik pusat massa serta tegak lurus bidang cakram. Berapakah

momen inersia dan radius girasi cakram itu.

Dik: M = 8 kg; r = 20 cm = 0,20 m

Dit.: I dan k = ?

Momen Inersia cakram : I = ½ Mr2 = ½ 8. (0,20)2 = 0,16 kg.m2

radius girasi: k =

4. Berapa jari-jari girasi sebuah bola pejal homogen berdiameter 6 cm yang berputar

melalui salah satu garis tengahnya.

Dik.: d = 6 cm r = 3 cm = 0,03 m

Dit.: k = ?

Momen inersia bola pejal homogen yang poros perputarannya pada salah satu

diameter : I = I = Mk2 =

53

Page 54: Fisika Dasar I

5. Sebuah bola dengan jari-jari 20 inch dari keadaan diam dilepas dan menggelinding

menuruni lereng. Berapa kecepatan sudut bola itu saat mencapai titik 50 ft di

bawah titik awal.

Dik.: r = 20 inch = 20/12 ft. g = 32 ft h = 50 ft

Dit. w = ?

EPG awal = (EKr + EKtrans) akhir Mgh = ½ Iw2 + ½ Mv2 dengan I = Mr2

dan v = wr maka Mgh = ½ M r2 w2 + ½ M w2 r2

atau w = 24 rad/s

BAB XI

FLUIDA TAK BERGERAK

Sering disebut zat alir, yaitu sekelompok zat yang dapat mengalir. Zat

cair dan gas sering dikelompokkan ke dalam fluida, karena keduanya

mudah mengalir dan tidak dapat menahan tegangan geser (shear stress)

artinya jika dilakukan gaya pada arah sejajar permukaan, maka tidak

akan timbul banyak hambatan. Gaya tersebut dikenal sebagai gaya geser

akan menyebabkan molekul – molekul fluida bergerak.

1. FLUIDA ( GAS dan BERAT JENIS)

54

Page 55: Fisika Dasar I

Fluida yang dibahas adalah fluida tak bergerak, yaitu fluida dalam

keadaan setimbang mekanik yang berarti resultan gaya-gaya yang

bekerja pada fluida dalam keadaan setimbang = nol.

A. Rapat Massa dan Berat Jenis.

Salah satu sifat yang dimiliki oleh setiap bahan adalah rapat massa.

Massa per satuan volume dari suatu zat disebut sebagai rapat massa ( )

, satuannya: kg/m3 atau gr/cm3

Berat per satuan volume disebut berat jenis = D satuannya Newton/m3

D = , karena W = m.g, didapatkan hubungan antara rapat massa

dengan berat jenis sebagai berikut:

D =

Berat jenis digunakan bila berhubungan dengan gaya, sedangkan rapat

massa digunakan bila massa harus dipertimbangkan.

B. Rapat Massa Relatif.

Rapat massa relative suatu zat adalah perbandingan dari rapat massa

zat tersebut terhadap rapat massa dari zat tertentu sebagai zat

pembanding. Zat pembanding yang sering diambil adalah air, pada

suhu dimana rapat massanya maksimum yaitu 4oC. Jadi bila adalah

55

Page 56: Fisika Dasar I

rapat massa dari zat tersebut dan adalah rapat massa air, maka rapat

massa relative dari zat tersebut adalah:

= dan juga =

Karena kedua rapat massa dan berat jenis mempunyai satuan yang

sama maka tidak memiliki satuan.

C. Tekanan Hidrostatis

Suatu fluida diisikan ke dalam suatu tabung, fluida akan memberikan

suatu gaya pada setiap bagian dari permukaan tabung yang disentuh

oleh fluida. Karena fluida tidak dapat memberikan gaya yang sejajar

permukaan tabung tanpa bergerak, maka:

Dalam fluida yang diam, gaya pada dinding tabung selalu tegak lurus

terhadap permukaan tabung. Gaya tegak lurus persatuan luas disebut

sebagai tekanan. Tekanan rata-rata = , satuan, N/m2 =

Pascal = Atmosfir centimeter Hg.

56

Page 57: Fisika Dasar I

D. Hukum Pascal

Bila suatu gaya luar diberikan pada suatu fluida yang terbatas, tekanan

akan meningkatkan di setiap titik di dalam fluida dengan jumlah yang

sama dengan gaya luar yang diberikan.

57

fluida

F2

F1A2

A1

Page 58: Fisika Dasar I

Gaya yang diberikan kecil akan menimbulkan gaya yang besar.

Karena P1 = P2 , maka

Contoh:

Dalam suatu penekan hidrolis, silinder yang kecil mempunyai diameter

8 cm, sedangkan piston yang besar mempunyai diameter 20 cm. Bila

suatu gaya 400 N diberikan pada piston yang kecil, berapakah gaya pada

piston yang besar bila gesekan diabaikan.

Diket.:

d1 = 8 cm = 8 x 10 -3 m

d2 = 20 cm = 20 x 10-3 m

F1 = 400 N

Dit. F2 = ?

Karena tekanan meningkat dalam jumlah yang sama pada kedua

piston maka :

P2 = P1

=

=

= 2500 N.

58

Page 59: Fisika Dasar I

F. Azas Archimedes

Suatu benda yang sebagian atau seluruhnya dibenamkan ke dalam suatu

Fluida akan mengalami gaya ke atas yang sama dengan berat fluida yang

dipindahkan.

Benda ditimbang di udara beratnya: T = mg. Bila ditimbang sewaktu

dibenamkan dalam fluida, beratnya berkurang menjadi T1, dimana T1 < T

Dan T1 = mg – FA

T1 = berat semu di dalam fluida

FA = gaya ke atas = berat fluida yang dipindahkan

m.g = berat benda di udara.

Karena FA = mf.g = berat fluida yang dipindahkan

Dan mf = . Vf = . Vb (V fluida = Vbenda) maka:

FA = . Vb .g

= rapat massa fluida (kg/m3)

Vb = Volume benda ( m3)

g = percepatan gravitasi (m/s2)

59

Page 60: Fisika Dasar I

.

Contoh .Sepotong balok aluminium beratnya 54 gram di udara

a. Berapa volumenya

b. Berapa tegangan pada tali yang menahan balok bila balok

dibenamkan dalam air . ( )

= VAl =

T1 = mg - FA

= mg -

= 0,054. 9,8 – 103 . 2.10-5. 9,8

= 0,529 – 19,6.10-2

= 0,529 – 0,196

60

T

m.gm.g

T1

FA

Page 61: Fisika Dasar I

= 0,333 N

2. Zat Cair.

A. Tekanan Akibat Berat Zat Cair

Luas Dasar tabung = A berada pada jarak h di bawah permukaan zat

cair, kolom zat akan memberikan gaya F ke bawah yang sama dengan

berat W dari zat cair di dalam kolom.

Zat cair tidak bias dimampatkan sehingga konstan.

F = W = m.g karena ρ = m/V dan V = A.h.

F = ρ A.g.h maka m = ρ.V = ρ. A.h.

Tekanan P yang ditimbulkan zat cair pada luas dasar tabung (A)

P = F/A = ρ.A.h.g/A = ρ h.g

Atau P = ρ g.h.

61

A

h

Page 62: Fisika Dasar I

Contoh Soal.

Tentukan tekanan yang ditimbulkan oleh kolom air raksa setingi 76 cm

bila g = 9,8 m/s2.

P = ρ . g.h = 13600 . 9,8.0,76 = 1.01x105 N/m2.

Dari persamaan

P = ρ.g.h, tekanan yang terjadi hanya ditimbulkan oleh zat cair saja.

Bila ada tekanan pada permukaan zat cair, tekanan ini harus

ditambahkan pada tekanan yang ditimbulkan oleh zat cair untuk

mendapatkan tekanan pada berbagai ketinggian.

Tekanan pada berbagai ketinggian zat cair adalah:

Ptotal = Ppermukaan + Pzat cair

Pt = Pp + ρ . g.h; dimana Ppumumnya berupa tekanan atmosphere bila

zat cair berada di dalam tabung yang terbuka.

Dari persamaan

Pt = Pp + ρ . g.h didapatkan hokum utama Hidrostatika

sebagai berikut:

Pt = Pp + ρ . g. (h2 – h1)

Yang berlaku untuk tabung dengan bentuk apa saja.

62

Page 63: Fisika Dasar I

Contoh

63

h1

h2

Pp

Pt

Patm

Patm

2cm

14 cm

A B

Page 64: Fisika Dasar I

Di dalam pipa U, pada lengan kanan berisi air raksa, pada lengan kiri

berisi cairan yang rapat massanya tidak diketahui. Bila ketinggian

masing-masing: h1 = 2 cm h2 = 14 cm; tentukan rapat massa zat cair.

Diket.:

h1 = 2 cm h2 = 14 cm ρ1 = 13,6 x 10 kg/m (air raksa)

Dit.: ρ (rapat massa zat cair) = ?

Pada ketinggian yang sama (A dan B) tekanan pada kedua zat cair akan

sama.

P1 = P2 P1 = Patm + ρ1 g.h1 P2 = P atm + ρ2 g.h2

Patm + ρ1 g.h1 = P2 = P atm + ρ2 g.h2

ρ1 g.h1 = ρ2 g.h2

ρ2 = = = 1942 kg/m3

B. Tegangan Permukaan

Suatu kawat digantung pada suatu pegas, pegas akan meregang akibat

berat dari kawat, kawat kemudian dicelup dalam cairan yang mebasahi

kawat, kemudian kawat ditarik sedikit ke atas permukaan zat cair akan

terlihat bahwa kawat agak meregang. Terlihat bahwa lapisan permukaan

zat cair yang terjadi pada kawat menimbulkan gaya F pada kawat. Bila

panjang kawat ditambah, gaya F juga akan meningkat sebanding dengan

64

Page 65: Fisika Dasar I

peningkatan panjang kawat. Jadi gaya F juga sebanding dengan panjang

lapisan cairan.

Gaya F persatuan panjang lapisan L dikenal dengan tegangan permukaan

T, Jadi T = T = tegangan permukaan (N/m2 = Joule/m2)

L = panjang lapisan cairan (m)

l = panjang kawat (m)

Contoh tegangan permukaan:

- tetes air berbentuk bulat

- jarum yang terapung bila diletakkan pada permukaan air.

C. Kohesi dan Adhesi

Gaya dimana molekul sejenis saling tarik menarik disebut gaya kohesi

65

ll

Lapisan cairan

F

Page 66: Fisika Dasar I

Contohnya air raksa yang sulit menempel pada permukaan zat cair.

Sedangkan gaya dimana moleku-molekul berlainan jenis saling tarik

menarik disebut adhesi. Contohnya kapur tulis yang menempel pada

papan tulis, lem yang merekat pada kertas, air yang mudah menempel

pada permukaan benda lain.

Kohesi dan adhesi memegang peranan penting dalam menentukan

bentuk permukaan zat cair. Tabung gelas yang diisi air raksa akan

mempunyai bentuk permukaan cembung karena gaya kohesi antara

molekul air raksa lebih besar dibanding gaya adhesi antara molekul

air raksa terhadap molekul tabung. Sebaliknya bila tabung gelas diisi

dengan air, permukaan air akan cekung karena gaya adhesi antara

molekul air terhadap molekul tabung jauh lebih besar disbanding gaya

kohesi antara molekul air.

D. Kapilaritas

Adalah gejala kenaikan/penekanan zat cair di dalam tabung dengan

jari-jari yang kecil. Bila suatu tabung dengan luas penampang kecil

dicelupkan ke dalam air, air akan membasahi tabung dan permukaan

tertarik ke atas. Tetapi bila tabung dibenamkan ke dalam air raksa, air

raksa tidak akan membasahi tabung dan permuaan air raksa tertekan

66

Page 67: Fisika Dasar I

ke bawah. Semakin kecil jari-jari tabung akan semakin besar

kenaikan/penekanan zat cair ke dalam tabung.

Tabung gelas yang diisi air raksa akan mempunyai bentuk permukaan

cembung karena gaya kohesi antara molekul air raksa lebih besar

disbanding gaya adhesi antara molekul air raksa terhadap molekul

tabung.

Tabung gelas dicelupkan ke dalam air molekul-molekul pada permukaan

gelas yang berada sedikit di atas permukaan air akan menarik molekul ke

atas, meningkatkan permukaan air (a), jadi kolom air terdorong ke atas

oleh dukungan gaya permukaan.

Jari-jari kolom r dengan ketinggian h, tegangan permukaan T persatuan

panjang beraksi pada seluruh permukaan dengan keliling 2r. Sudut

67

h

T

h

T

Kapilaritas pada air

Kapilaritas pada air raksa

ba

Page 68: Fisika Dasar I

kontak adalah sudut antara permukaan zat cair dan dinding, tergantung

pada jenis zat cair, gas di atasnya dan bahan dari dinding yang disentuh.

Komponen dari persatuan panjang yang berarah lurus ke atas adalah

Tcos , gaya total yang berarah lurus ke atas adalah T cos = 2 ,

gaya ini harus mendukung zat cair yang berbentuk silinder yang beratnya

W.

W = m.g m = .V dan V = luas alas x tinggi =

W = .V.g = ; Jadi T cos (2 ) =

h =

Contoh:

Berapa ketinggian yang dicapai kerosene di dalam tabung gelas dengan

diameter 0,2 mm, bila dicelupkan ke dalam kerosene, bentuk kerosene

T = 0,026 N,m, dan

Karena sudut kontak , zat cair (kerosene) akan naik di dalam

tabung.

Jadi h = =

h = 0,058 m = 5,8 cm.

CONTOH SOAL:

1. Barometer adalah alat untuk mengukur:

68

Page 69: Fisika Dasar I

(A) Berat benda

(B) Tekanan air

(C) Tekanan udara tertutup

(D) Tekanan udara terbuka

(E) Tekanan gas pada industri minyak

Jawab :

barometer adalah alat untuk mengukur tekanan udara terbuka,

Jawaban yang benar : D

2. Apabila sebuah benda jatuh ke dalam cairan yang kental, maka:

(A) kecepatannya makin lama makin besar

(B) kecepatannya makin lama makin kecil

(C) setelah beberapa saat kecepatannya mencapai maksimum

(D) setelah beberapa saat kecepatannya mencapai minimum

(E) akhirnya kecepatannya menjadi nol

Jawab :

Benda yang jatuh ke dalam cairan kental dengan kecepatan awal nol

akan mendapat percepatan akibat adanya percepatan gravitasi bumi

sehingga kecepatannya meningkat. Meningkatnya kecepatan akan

berakibat meningkatkan gaya gesekan ke atas oleh cairan. Akhirnya

gaya gesekan ke

atas oleh cairan akan menyamai gaya gravitasi yang menarik benda ke

bawah, sehingga kecepatan benda akan konstan [∑F = 0] pada

kecepatan yang maksimum.

69

Page 70: Fisika Dasar I

Jawaban yang benar adalah : C

3. Kalau sebuah benda dimasukkan ke dalam air, maka besar gaya ke atas

yang bekerja pada benda tergantung pada :

(A)jarak benda tersebut pada permukaan

(B) bentuk dari benda

(C) berat jenis dari benda rl benda

(D) volume dari benda (E) jarak dari dasar

Jawab :

Gaya ke atas = berat zat cair yang dipindahkan

FA = m zat cair x g

karena = m/V didapat mzat cair = zat cair x Vzat cair dan karena. Vzat cair =

Vbenda,

maka didapat FA ~ Pzat cair X Vbenda X g

Jadi gaya ke atas tergantung pada volume dari benda.

Jawaban yang benar : D

4. Sebuah balok kayu terapung dalarn air dengan 1/5 bagian volumenya

muncul di atas permukaan. BD kayu itu:

(A) 5 (C) 4/5 (E) tidak ada vang betul

(B) 1/5 (D) 5/4

Jawab :

berat kayu = berat air yang dipindahkan

kayu . Vtotal kayu .g = air . Vkayu bawah .g

70

Page 71: Fisika Dasar I

kayu = (V kayu bawah/ V kayu total) x air

kayu = 4/5 x 1 = 4/5

5. Dua buah benda yang kehilangan jumlah berat yang sama di dalam

air,

harus mempunyai :

(A) volume yang sama (D) massa jenis yang sama

(B) berat yang sama di dalam air (E) bentuk yang sama

(C) berat yang sama di udara

Jawab :

Kehilangan jumlah berat diakibatkan oleh timbulnya gaya ke atas

(FA)

Sedangkan : FA = air - V benda x g

Jadi supaya kehilangan jumlah beratnya sama, volume kedua benda

juga harus sama.

Jawaban yang benar : A

6. Sebuah kapal yang terbuat dari besi itu terapung di atas air disebabkan

karena :

(A) berat jenis air lebih kecil dari berat jenis besi

(B) karena ada motor yang diletakkan didalamnya

(C) berat kapal dibagi volume kapal lebih kecil dari berat jenis air

71

Page 72: Fisika Dasar I

(D) tidak ada jawab yang benar

Jawab :

berat jenis kapal harus lebih kecil dari berat jenis air, sedangkan

berat jenis kapal = berat kapal dibagi volume kapal.

Jawaban yang benar : C

8. Balon dapat naik ke atas berdasarkan prinsip:

(A) gaya tarik bumi tidak bekerja pada balon

(B) bumi memberikan gaya tolak kepada balon

(C) gaya archimedes lebih besar daripacia gaya gravitasi

(D), Gaya yang dilberikan angin kencang

Jawab:

Balon dapat naik, ke atas karena perbedaan rapat massa. antara gas di

dalam balon terhadap udara luar, di mana rapat massa gas lebih kecil

dibanding udara.

Gaya gravitasi untuk balon = mbalon x g

gas x Vbalon x g

Gaya, archimedes = berat udara yang dipindahkan balon

= mudara x g

= udara x Vbalon x g

Karena udara = udara > = gas, maka:

Gaya archimedes > gaya gravitasi untuk baton

72

Page 73: Fisika Dasar I

Jawaban yang benar C

9. Manometer air raksa mula-mula terbuka lalu tertutup dengan sebuah

kran (X) h = 25 cm.

Kaki sebelah kiri dihubungkan dengan tabung gas. Pada saat itu air

raksa di sebelah kiri turun 10 cm. Berapa tekanan gas di tuangan ter-

sebut jika barometer menunjukkan tekanan udara luar sebesar 72 cm

Hg ?

(A) 82 cm Hg C) 72 cm Hg

(B) 92 cm Hg D) 62 cm Hg

Jawab :

Pada saat terbuka rongga udara setinggi h bertekanan 72 cm Hg yang

sama dengan tekanan pada saat ditutup.

Pada saat tertutup beda ketinggian 20 cm.

PA = PB

P gas = Pruang + 20 cm Hg

= (72 +20) cm Hg

= 92 cm Hg

Jawaban yang benar B

73

Page 74: Fisika Dasar I

BAB XII

SUHU DAN KALOR

Suhu suatu benda adalah sifat yang menentukan pemindahan energi

kalor ke atau dari benda-benda lainnya. Bila dua buah benda mempunyai

temperature yang berbeda, maka benda yang emindahkan kalor ke benda

yang lainnya dikatakan berada pada suhu yang tinggi. Suhu harus

mempunyai besaran operasional tertentu. Untuk maksud tersebut

dibutuhkan 2 (dua) hal , yaitu:

- Instrumen yang disebut thermometer untuk mengukur panas relative,

yaitu perbedaan suhu benda terhadap titik acuan tertentu.

- Skala untuk memberikan ukuran relative.

Suhu adalah besran yang diukur dengan sebuah thermometer dan

merupakan besarn scalar.

A. Celcius

Menggunakan thermometer dengan prinsip pemuaian air raksa di dalam

tabung gelas.Celcius menetapkan bahwa titik beku/titik cair es adalah

74

Page 75: Fisika Dasar I

0oC dan titik didih air 100oC, panjang antara ke dua titik tersebut dibagi

100 bagian yang sama atau seratus celcius derajat. Suhu dinyatakan

dalam oC (derajat celcius) dan perbedaan suhu dalam Co (celcius

derajat), skala ini disebut skala centigrade.

Konstruksi air raksa:

a. dalam es yang mencair

b. dalam air yang mendidih

c. dalam udara kamar

B. Skala Kelvin

Pada skala ini nol ditulis sebagai 0oK (nol derajat Kelvin yang sama

dengan -273,15 oC, dan 0oC dan 1000C berhubungan dengan 273,15K dan

373,15K.

75

a b c

0oC

100oC

20o

C

Page 76: Fisika Dasar I

Jadi Tc = Tk – 273,15 K

Titik nol sebagai titk pembanding akhirnya disetujui sebagai titik triple

untuk air yaitu titik dimana ke tiga keadaan: padat, cair dan uap berada

bersama-sama dalam kesetimbangan. Jadi pada skala Celcius, titik triple

akan mempunyai suhu 0,01oC. Pengambilan 372,16 K sebagai titik triple

karena menyebabkan derajat ceicius = derajat Kelvin, di samping titik

76

Titik triple

Titik kritis

Kurva cair-uap

Kurva padat -cair

Daerah cair

Daerah uap

Daerah padat

4,56mmHg

gHmm.keT

Kurva sublimasi (padat-gas)

273,16 K

Page 77: Fisika Dasar I

triple hanya dapat terjadi pada satu tekanan saja yaitu 4,58 mmHg (0,006

Atm) dan tidak seperti titik beku es maupun titik didih air yang akan

berubah bila tekanan di atasnya berubah.

C.Hubungan Skala Celcius, Skala Kelvin dan Skala Fahrenheit

Tc = Tk - 273,125 K

Tc = )

Tf =

77

Page 78: Fisika Dasar I

Kalor

Bila dua buah benda yang diisolasi dari sumber panas pada suhu yang

berbeda kemudian disentuhkan, kedua benda akan mencapai suatu suhu

akhir yang terletak di antara ke dua suhu awal benda. Adanya suatu zat

alir tanpa bobot dan tidak terlihat disebut kalor yang berpindah dari

benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah.

Tenyata setiap pengukuran terhadap kalor yang dihasilkan menunjukkan

bahwa energi yang dikeluarkan pada usaha mekanik dan kalor yang

dihasilkan selalu konstan, kenyataan ini membuktikan berlakunya hokum

kekekalan hokum energi:

Jumlah total energi dalam suatu system yang tertutup (dimana kalor juga

merupakan salah satu bentuk energi) adalah konstan.

a. Kuantitas kalor

Satuan kalor = satuan usaha atau energi, yaitu joule, walaupun satuan

kalor yang lama masih digunakan.

1 Joule = 0, 239 kalori = 0,24 kalori

1 kalori = 4,186 Joule = 4,2 Joule

Hubungan ini sering disebut sebagai ekivalensi mekanik dari panas.

78

Page 79: Fisika Dasar I

Contoh:

Sepotong logam kuningan 2 kg jatuh dari ketinggian 200 m, bila kalor

jenis kuningan 418, 6 C.

Tentukan :

- berapa kalor yang dihasilkan

- perubahan suhu yang terjadi akibat jatuh ( g = 9,8 m/s2)

Energi yang akan diberikan = energi potensial benda = kalor yang

dihasilkan.

Q = Ep = mgh = 2.9,8.200 = 3920 Joule.

* Q = m.c. = 2.418,6.

= = = 2 oC.

b. Kalor Jenis

Kalor jenis suatu zat adalah kalor yang dibutuhkan untuk mengubah suhu

suatu satuan massa zat sebesar satu derajat.

C =

C = kalor jenis ( C atau

Q = kalor yang diberikan ke bahan dengan massa m

79

Page 80: Fisika Dasar I

Kalor jenis bukan merupakan konstanta yang tetap, karena berubah-ubah

terhadap suhu, tidak hanya tergantung pada jenis bahan saja, tetapi juga

tergantung pada suhu (kondisi) luar dimana kalor diberikan.

Contoh. Berapa banyak kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 0,8

kg ethyl alcohol dari 15oC ke titik didihnya 78,3o C ( kalor jenis ethyl

alkohol, c = 2,5.103 )

Q = m.c. = 0,8 x 2,5.103 (78,3 – 15 )

= 1,3 x 105 J.

PENGARUH KALOR DAN PERUBAHAN SUHU PADA

SIFAT ZAT.

1. Pemuaian Zat.

Zat padat dan zat cair pada umumnya akan mengalami peningkatan

ukuran bila suhunya naik. Zat padat dapat mengalami perubahan

panjang, luas ataupun volume, sedangkan zat cair hanya mengalami

perubahan volume saja.

a. Muai panjang

80

Page 81: Fisika Dasar I

Bila pada pagi hari kita perhatikan sambungan rel kereta api, maka

akan terdapat suatu celah kosong, celah ini dimaksudkan untuk

menjaga kemungkinan pemuaian rel tersebut pada siang hari.

Jadi bila sebuah batang logam yang pada suhu awalnya to (misalnya

pada pagi hari) mempunyai panjang Lo, kemudian dipanaskan

(misalnya oleh pengaruh sinar matahari) hingga mengalami kenaikan

suhu

= , sehingga panjang akhirnya menjadi:

Lt = Lo +

= Lo +

= Lo ( 1 +

dimana:

= pertambahan panjang (m)

Lo = panjang semula

Lt = panjang akhir.

Koefisien ekspansi thermal linear ( ) adalah koefisien pertambahan

panjang (satu dimensi) dari suatu bahan untuk perubahan suhu sebesar

satu derajat.

satuan =

b. Muai Bidang

81

Page 82: Fisika Dasar I

Suatu zat padat berbentuk plat dengan luas Ao dengan ketebalan yang

dapat diabaikan dipanaskan, maka perubahan luas yang dihasilkannya

adalah

, sehingga luas akhir menjadi

At = Ao +

At = Ao +

Atau At = Ao (1 + )

Ao = luas mula-mula (m2)

At = luas akhir ( m2)

Koefisien Ekspansi Luas ( ):

adalah koefisien pertambahan luas ( dua dimensi) dari suatu bahan untuk

perubahan suhu satu derajat.

= tAo

A

.

82

A

LLo

L

LoAo

Page 83: Fisika Dasar I

dengan satuan

c. Muai Ruang

Biasa disebut pemuain 3 dimensi, pengukuran muainya tidak terbatas

pada zat padat saja tetapi juga untuk zat cair. Bila suatu zat padat ataupun

tabung yang berisi zat cair dengan volume Vo dipanaskan, maka

perubahan volume yang dihasilkan adalah

= ; sehingga volume akhir menjadi

Vt = Vo +

Vt = Vo + atau

Vt = Vo (1 + )

= pertambahan volume (m3)

Vo = volume awal (m3)

Vt = volume akhir (m3)

Koefisien ekspansi volume (J) adalah koefisien pertambahan volume

(tiga dimensi) dari suatu bahan untuk perubahan suhu satu derajat.

Atau J = dengan J = 3 dan satuannya:

83

Page 84: Fisika Dasar I

d. Anomali Air

Semua zat, baik padat, cair ataupun gas pada umumnya akan memuai,

kecuali pada air, kelakuan aneh air itu disebut anomali air

84

Lo

Lo

L

10040 T (oC)

1.0000

1.0013

1.04343

V(ml)

Page 85: Fisika Dasar I

Pada gambar didapatkan grafik pemuaian untuk volume 1 gram air

terhadap perubahan suhu:

- Pada daerah (0 - 4)oC : 1. Air menyusut

2. J dari 0oC ke 4oC harganya negatif

- Pada daerah 4oC : Volume air terkecil

- Pada daerah (4 - 100)oC : 1. Air mengambang

2. J dari 4oC ke 100oC positif

Perubahan Wujud Zat

Tidak semua kalor yang diterima suatu benda akan menaikkan suhu

benda tersebut, tetapi sebagian dari energi tersebut digunakan untuk

melakukan usaha untuk memisahkan molekul-molekul bila zat padat

berubah menjadi zat cair dan zat cair menjadi uap. Saat terjadi

perubahan wujud benda suhu tidak akan naik sebelum seluruh benda

berubah wujud.

Contoh pada air, saat es ingin dicairkan dibutuhkan kalor lebur (KL) dan

bila air akan diuapkan dibutuhkan kalor uap (KU).

Gambar berikut memperlihatkan perubahan suhu dari 1 gram es (-10oC)

yang diubah menjadi uap (100oC)

Bila kalor lebur es = 80 kal/g

85

Page 86: Fisika Dasar I

Kalor uap air = 540 kal/g

Kalor jenis es = 0,5 kal/g (oC)

Kalor jenis air = 1 kal/g(oC)

Maka kalor yang dibutuhkan adalah:

QI = mes x Ces x = 1 x 0,5 kal/g(10oC) = 5 kalori

QII= mes x KLes = 1g x 80 kal/g = 80 kal

QIII = mair x Cair x = 1 g x 1 kal/g (oC) x 100oC = 100 kal.

QIV = mair x KUair = 1 g x 540 kal/g = 540 kal

Sehingga kalor totalnya = 725 kalori

86

100 200 300 400 500 600

Perubahan kalor (kalori)

Zat cair

Z.Padat

Kalor penguapan uap

I

Kalor peleburanII

III IV

0

100

110

-10

Co

UHUS

NAHABUREP

Page 87: Fisika Dasar I

Kalori meter

Adalah alat yang dipakai untuk mengukur kalor jenis logam, dengan

menggunakan metode campuran. Bila di dalam kalorimeter yang massa

tabung, massa air pengisi maupun suhunya sudah diketahui, dimasukkan

logam yang massa dan suhunya diketahui, maka setelah keadaan

setimbang kalor jenis logam dihitung dengan menggunakan persamaan:

Kalor yang diberikan = kalor yang diterima.

Qlogam= Qair +Qtabung calorimeter

Mlogam .Clogam (tlogam –takhir) = Mair.Cair(takhir-tair) +Mtabung.Ctabung(takhir –tair)

Jadi :

Clogam =

87

Page 88: Fisika Dasar I

Dampak Tekanan Pada Perubahan Wujud

Pada daerah yang tinggi tekanan udaranya lebih rendah disbanding pada

permukaan laut, titik didih air akan turun dan titik beku air akan naik.

Bila garis mendatar ditarik di bawah garis e-f, maka titik potong pada

kurva padat-cair, yaitu titik g menunjukkan kenaikan titik beku dan titik

potong pada kurva cair-uap, yaitu titik h menunjukkan penurunan titik

didih. Begitu juga kalau tekanan dinaikkan (garis datar ditarik di atas

garis e-f) maka titik beku akan turun dan titik didih akan naik.

Titik triple, adalah titik dimana wujud padat, cair dan uap jenuh bersama

dalam keadaan kesetimbangan, untuk air titik triple pada suhu 0,0075oC

dan tekanan 4,62 mmHg.

Titik kritis, adalah titik dimana rapat massa dan uap dari zat sama.

tekanan uap jenuh pada suhu ini disebut tekanan kritis.

Uap yang berada di atas suhu kritis tidak akan pernah dapat mencair

walaupun ditekan dengan tekanan yang sangat besar. Untuk air titik kritis

berada pada suhu 374oC dan tekanan 218 Amosfir.

Bila suatu zat dalam wujud gas berada di bawah suhu kritisnya disebut

uap, bila berada di atas suhu kritis disebut gas.

88

Page 89: Fisika Dasar I

Kurva padat -gas

CONTOH SOAL:

1. Oksigen mendidih pada-183oC. Temperatur ini sama dengan:

(A) –215oF (D) -3920

(B) -273oF (E) -362oF

89

Kurva padat cair

Titik kritis

Kurva cair uap

Titik triple

Daerah uap

Daerah cair

0oC 100oC Suhu o C

Daerah padat

760 mmHg

NANAKET

Page 90: Fisika Dasar I

(C) -297,4oF

Jawab : OF = 9/5 (oC) + 32o

= 9/5 (-1830) + 320

= -329,40 + 32o

= -297,40

Jawaban yang benar : C

2. Bacaan skala Fahrenheit sama dengan skala Celcius pada suhu

(A) -720C (D) -480 C

(B) -400 C (E) nol absolut

(C) -32oC

Jawab:

OF = 0 c

9/5 ( OC) + 320 = OC

4/5 (oC) = -32o

0 C = 5/4 x (-320)

oC = -400

Jawaban yang benar : B

3. Pada suatu temperatur, termometer Fahrenheit menunjukkan angka 5

kali dari termometer Celcius. Temperatur tersebut adalah:

90

Page 91: Fisika Dasar I

(A) 40oC (D) – 10oC

(B) -400C (E) tidak mungkin terjadi

(C) 10oC

Jawab :

OF = 5 (OC)

9/5 (oC) + 32o = 5 (oC)

16/5 (oC) = 32o

OC = 5/16 x 320

Oc = 10o

Jawaban yang benar: C

4. Muai panjang zat padat itu

(A) sebanding dengan kenaikan suhu

(B) sebanding dengan panjang benda semula

(C) bergantung jenis zat

(D) jawaban A dan B

(E) jawaban A, B dan C

Jawab :

Lo, t

Atau : L sebanding dengan:

1. Lo (panjang benda semula)

91

Page 92: Fisika Dasar I

2. (koefisien muai panjang) yang bergantung pada jenis zat

3. t (kenaikan suhu)

Jawaban yang benar : E

5. Pada umumnya koefisien muai ruang zat cair lebih besar daripada

padat karena :

(A) zat cair tidak mempunyai bentuk yang tetap

(B) zat cair tidak mempunyai koefisien muai panjang

(C) zat cair mempunyai molekul-molekul yang lebih renggang dari

pada zat padat

(D) zat cair lebilh mudah menguap

(E) semuanya salah

Jawab :

molekul zat cair lebih besar dibanding pada zat padat.

Jawaban yang benar : C

6. Berat jenis air yang paling besar adalah pada suhu

(A) OoC (D) 273-C

(B) 100o c (E) - 4~ C

(C) 4o C

Jawab:

92

Page 93: Fisika Dasar I

Pada suhu 40C volume air akan minimal, sedangkan massanya

konstan.

Jadi dari persamaan rapat massa jenis :

didapat harga (massa jenis) terbesar pada suhu 4oC.

Karena berat jenis (D) = . g, maka berat jenis air yang terbesar juga

pada subu 40C.

Jawaban yang benar : C

7. Air dari 1OC dipanasi hingga menjadi 15oC, maka perubahan

vulumenya:

(A) bertambah terus

(B) berkurang terus

(C) bertambah kemudian berkurang

(D) berkurang kemudian bertambah

(E) tetap tidak berubah

Jawab :

Perubahan volume air akan berkurang kemudian bertambah.

Jawaban yang benar : D

93

Page 94: Fisika Dasar I

8. 10 gram es OC dicampur dengan 100 gram air pada OoC. Jika diandai-

kan tidak ada panas

yang masuk atau keluar sistem, maka :

(A) sebagian es mencair (D) seniua es membeku

(B) sebagian air membeku(E) jumlah es dan air tetap

(C) semua es mencair

Jawab : Jumlab es dan air tetap, sebab jumlah kalor untuk melebur

sama dengan jumlah kalor untuk membeku.

Jawaban yang benar : E

9. 100 gram air dari 50oC dicampur dengan 100 gram es dari OOC. Kalor

lebur es

80 kalori/gram. Suhu akhir campuran adalah:

(A) O-C (C) -15-C (D) 500 C

(B) 10- C (D) 500 C (E) semuanya salah

Jawab : Kalor yang dibutuhkan es untuk mencair

= m es x KLes

= 100 gr x 80 kal/gr

= 8000 kalori

Kalor yang dilepaskan air = mair x Cair x t

= 100 gr x 1 kal/(gr)(OC) x 500C

= 5000 kalori

94

Page 95: Fisika Dasar I

Karena kalor yang dilepaskan air lebih kecil, dari kalor yang dibutuhkan

es untuk melebur maka sebagian es masih membeku. Ini berarti suhu

akhir campuran masih OoC.

Jawaban yang benar: A

95