fisika - fisika dasar oleh m. satriawan_ ugm yogyakarta

FISIKA DASAR

MIRZA SATRIAWAN

November 6, 2007

Daftar Isi

1 Pendahuluan 4

1.1 Besaran dan Pengukuran . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.2 Vektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.2.1 Penjumlahan Vektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.2.2 Perkalian . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2 Kinematika Gerak Lurus 13

2.1 Posisi, Kecepatan dan Percepatan . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.2 Gerak dengan kecepatan konstan . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.3 Gerak dengan percepatan konstan . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.4 Kombinasi gerak . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.5 Gerak melingkar beraturan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.6 Gerak Relatif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3 Dinamika 28

3.1 Inersia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.2 Hukum Newton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

1

DAFTAR ISI 2

3.3 Beberapa Jenis Gaya . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

4 Dinamika 2 - Usaha dan Tenaga 37

4.1 Usaha . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

4.2 Teorema Usaha-Energi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

4.3 Gaya Konservatif dan Energi Potensial . . . . . . . . . . . . . 40

5 Sistem Partikel 44

5.1 Pusat Massa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

5.2 Gerak Pusat Massa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

5.3 Tumbukan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

5.3.1 Tumbukan elastik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

5.3.2 Tumbukan tak elastik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

6 Rotasi Benda Tegar 52

6.1 Kinematika Rotasi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

6.2 Dinamika Rotasi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

6.2.1 Torka dan momentum sudut . . . . . . . . . . . . . . . 55

6.3 Sistem partikel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

6.4 Energi Kinetik Rotasi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

6.4.1 Teorema sumbu sejajar . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

6.4.2 Teorema sumbu tegak lurus . . . . . . . . . . . . . . . 59

6.5 Usaha . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

6.6 Gabungan Gerak Translasi dan Rotasi . . . . . . . . . . . . . 61

DAFTAR ISI 3

6.7 Kesetimbangan Benda Tegar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

6.8 Jenis-Jenis Keseimbangan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

7 GRAVITASI 68

7.1 Hukum Gravitasi Universal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

7.2 Medan Gravitasi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

7.3 Energi Potensial Gravitasi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

8 FLUIDA 76

8.1 Tekanan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

8.2 Tekanan Hidrostatik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

8.3 Prinsip Pascal dan Archimedes . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

8.4 Pengukuran Tekanan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

8.5 Jenis-Jenis Aliran Fluida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

8.6 Persamaan Kontinuitas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

8.7 Persamaan Bernoulli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

9 GETARAN DAN GELOMBANG 88

9.1 GETARAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

9.1.1 Bandul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

9.1.2 Bandul Mekanis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

9.2 Getaran Teredam dan Resonansi . . . . . . . . . . . . . . . . 92

9.2.1 Resonansi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

9.3 Energi Getaran . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

DAFTAR ISI 4

9.4 GELOMBANG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

9.5 Superposisi Gelombang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

9.5.1 Beda fase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

9.5.2 Beda arah kecepatan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

9.5.3 Beda frekeunsi dan panjang gelombang . . . . . . . . . 99

Bab 1

Pendahuluan

1.1 Besaran dan Pengukuran

Fisika adalah ilmu yang mempelajari benda-benda serta fenomena dan keadaan

yang terkait dengan benda-benda tersebut. Untuk menggambarkan suatu

fenomena yang terjadi atau dialami suatu benda, maka didefinisikan berba-

gai besaran-besaran fisika. Besaran-besaran fisika ini misalnya panjang,

jarak, massa, waktu, gaya, kecepatan, temperatur, intensitas cahaya, dan

sebagainya. Terkadang nama dari besaran-besaran fisika tadi memiliki ke-

samaan dengan istilah yang dipakai dalam keseharian, tetapi perlu diper-

hatikan bahwa besaran-besaran fisika tersebut tidak selalu memiliki penger-

tian yang sama dengan istilah-istilah keseharian. Seperti misalnya istilah

gaya, usaha, dan momentum, yang memiliki makna yang berbeda dalam

keseharian atau dalam bahasa-bahasa sastra. Misalnya, Anak itu bergaya

5

BAB 1. PENDAHULUAN 6

di depan kaca, Ia berusaha keras menyelesaikan soal ujiannya, Momen-

tum perubahan politik sangat tergantung pada kondisi ekonomi negara.

Besara-besaran fisika didefinisikan secara khas, sebagai suatu istilah fisika

yang memiliki makna tertentu. Terkadang besaran fisika tersebut hanya

dapat dimengerti dengan menggunakan bahasa matematik, terkadang dapat

diuraikan dengan bahasa sederhana, tetapi selalu terkait dengan pengukuran

(baik langsung maupun tidak langsung). Semua besaran fisika harus dapat

diukur, atau dikuatifikasikan dalam angka-angka. Sesuatu yang tidak da-

pat dinyatakan dalam angka-angka bukanlah besaran fisika, dan tidak akan

dapat diukur.

Mengukur adalah membandingakan antara dua hal, biasanya salah sat-

unya adalah suatu standar yang menjadi alat ukur. Ketika kita mengukur

jarak antara dua titik, kita membandingkan jarak dua titik tersebut dengan

jarak suatu standar panjang, misalnya panjang tongkat meteran. Ketika kita

mengukur berat suatu benda, kita membandingkan berat benda tadi dengan

berat benda standar. Jadi dalam mengukur kita membutuhkan standar se-

bagai pembanding besar sesuatu yang akan diukur. Standar tadi kemudian

biasanya dinyatakan memiliki nilai satu dan dijadian sebagai acuan satuan

tertentu. Walau kita dapat sekehendak kita menentukan standar ukur, tetapi

tidak ada artinya bila tidak sama di seluruh dunia, karena itu perlu diadakan

suatu standar internasional. Selain itu standar tersebut haruslah praktis dan

mudah diproduksi ulang di manapun di dunia ini. sistem standar interna-

sional ini sudah ada, dan sekarang dikenal dengan Sistem Internasional (SI).

BAB 1. PENDAHULUAN 7

Terkait dengan SI, terdapat satuan SI.

Antara besaran fisika yang satu dengan besaran fisika yang lain, mungkin

terdapat hubungan. Hubungan-hubungan antara besaran fisika ini dapat

dinyatakan sebagai persamaan-persamaan fisika, ketika besaran-besaran tadi

dilambangkan dalam simbol-simbol fisika, untuk meringkas penampilan er-

samaannya. Karena besaran-besaran fisika tersebut mungkin saling terkait,

maka tentu ada sejumlah besaran yang mendasari semua besaran fisika yang

ada, yaitu semua besaran-besaran fisika dapat dinyatakan dalam sejumlah

tertentu besaran-besaran fisika, yang disebut sebagai besaran-besaran dasar.

Terdapat tujuh buah besaran dasar fisika (dengan satuannya masing-masing)

1. panjang (meter)

2. massa (kilogram)

3. waktu (sekon)

4. arus listrik (ampere)

5. temperatur (kelvin)

6. jumlah zat (mole)

7. intensitas cahaya (candela)

Satuan SI untuk panjang adalah meter dan satu meter didefinisikan sebagai

1650763,73 kali panjang gelombang cahaya transisi 2p10 - 5d5 isotop Kr86.

Satuan SI untuk waktu adalah sekon dan satu sekon didefinisikan sebagai 9

BAB 1. PENDAHULUAN 8

192 631 770 kali periode transisi tertentu aton Cs133. Satuan SI untuk massa

adalah kilogram, dan satu kilogram didefinisika sebagai massa sebuah silinder

patinum iridium yang disimpan di Lembaga Berat dan Ukuran Internasional

di Prancis. Tetapi selain itu juga terdapat standar massa non SI, yaitu

standar massa atom yang diambil berdasarkan massa satu atom C12 yang

tepat didefinisikan bermassa 12 dalam satuan massa atom terpadu (amu

atomic mass unit, disingkat u).

Besaran-besaran fisika secara umum dapat dikelompokkan menjadi tiga

jenis, besaran skalar, besaran vektor dan besaran tensor. Untuk besaran

tensor, tidak akan dipelajari dalam pelajaran fisika dasar. Besaran skalar

adalah besaran yang memiliki nilai saja, sedangkan besaran vektor adalah

besaran yang selain memiliki nilai juga memiliki arah. Karena konsep tentang

vektor banyak digunakan dalam fisika, maka akan dijelaskan lebih lanjut

secara singkat mengenai besaran vektor ini.

1.2 Vektor

Sebagai contoh yang mudah untuk dipahami dari sebuah vektor adalah vek-

tor posisi. Untuk menentukan posisi sebuah titik relatif terhadap titik yang

lain, kita harus memiliki sistem koordinat. Dalam ruang berdimensi tiga,

dibutuhkan sistem koordinat, x, y, z untuk mendiskripsikan posisi suatu titik

relatif terhadap suatu titik asal (O). Vektor posisi suatu titik P, relatif ter-