FISIKA DASAR I (TKE 071102)
Wahyu Widanarto e-mail :
[email protected] Program Studi Fisika, Fakultas Sains dan Teknik Unsoed Jl. dr. Soeparno No. 61 Purwokerto
GBPP
1. Mekanika titik massa : Vektor, kelajuan, kecepatan, percepatan, ketiga hukum Newton, gravitasi, tenaga, momentum. 2. Mekanika Benda Tegar : Kecepatan dan percepatan angular, tenaga dan momentum benda tegar. 3. Getaran : Getaran selaras, persamaan differensial getaran selaras, bandul matematik, bandul fisis, tenaga getaran selaras. 4. Mekanika Zat Alir : Tekanan zat alir, jeluk dan tekanan, arus fluida tanpa kekentalan. 5. Kalor : Suhu, kalor rambatan kalor, tara kalor mekanik, hukum keadaan gas sempurna dan perubahannya, teori kinetik gas.
GBPP
1. Mekanika titik massa : Vektor, kelajuan, kecepatan, percepatan, ketiga hukum Newton, gravitasi, tenaga, momentum. 2. Mekanika Benda Tegar : Kecepatan dan percepatan angular, tenaga dan momentum benda tegar. 3. Getaran : Getaran selaras, persamaan differensial getaran selaras, bandul matematik, bandul fisis, tenaga getaran selaras. 4. Mekanika Zat Alir : Tekanan zat alir, jeluk dan tekanan, arus fluida tanpa kekentalan. 5. Kalor : Suhu, kalor rambatan kalor, tara kalor mekanik, hukum keadaan gas sempurna dan perubahannya, teori kinetik gas.
Kinematika
• Kinematika merupakan bagian dari mekanika klasik yang mempelajari tentang gerak dalam bentuk ruang dan waktu dengan mengabaikan agen yang menyebabkan gerak itu sendiri. • Gerak menggambarkan sebuah perubahan posisi secara terus menerus dari sebuah objek. Besaran fisika yang penting dalam kinematika: posisi, perubahan jarak, kecepatan dan percepatan • Gerak dibagi menjadi 3 tipe yaitu translasi, rotasi dan vibrasi
Gerak Dalam Satu Dimensi Posisi, Kecepatan dan laju The motion of a particle is completely known if the particle’s position in space is known at all times. A particle’s position is the location of the particle with respect to a chosen reference point that we can consider to be the origin of a coordinate system.
Grafik posisi terhadap waktu dari sebuah partikel
Kecepatan rata-rata
Laju (Speed)
Kecepatan dan Laju Sesaat
Percepatan
Contoh kecepatan rata-rata dan sesaat
Contoh percepatan rata-rata dan sesaat
Gerak satu dimensi dengan percepatan konstan
Posisi benda sebagai fungsi waktu
Kecepatan sebagai fungsi posisi
Penurunan persamaan kinematika dengan kalkulus
Konsep Gaya
• What happens when several forces act simultaneously on an object? In this case, the object accelerates only if the net force acting on it is not equal to zero. • The net force acting on an object is defined as the vector sum of all forces acting on the object. (We sometimes refer to the net force as the total force, the resultant force, or the unbalanced force.) • If the net force exerted on an object is zero, the acceleration of the object is zero and its velocity remains constant. • If the net force acting on the object is zero, the object either remains at rest or continues to move with constant velocity. • When the velocity of an object is constant (including when the object is at rest), the • object is said to be in equilibrium.
Gaya kontak dan medan
Pengukuran Gaya
Hukum Newton Hukum Newton I Jika tidak ada gaya eksternal, maka benda diam akan tetap diam dan benda bergerak akan tetap bergerak dengan kecepatan konstan. F = 0 dan a = 0 Hukum Newton II • Massa merupakan sifat sebuah objek yang menunjukkan berapa besar resistansi sebuah objek untuk mengubah kecepatannya. • Besar percepatan sebuah objek berbanding terbalik dengan massanya • Hubungan antara massa, percepatan dan gaya dinyatakan dalam: F = Ma Hukum Newton III Jika dua buah objek berinteraksi, maka gaya F 12 yang dilakukan objek 1 ke objek 2 besarnya sama dan arahnya berlawanan dengan gaya F21 yang dilakukan objek 2 ke objek 1 F12 = - F21
Contoh A hockey puck having a mass of 0.30 kg slides on the horizontal, frictionless surface of an ice rink. Two hockey sticks strike the puck simultaneously, exerting the forces on the puck shown in Figure . The force F 1 has a magnitude of 5.0 N, and the force F2 has a magnitude of 8.0 N. Determine both the magnitude and the direction of the puck’s acceleration.
Gaya Gravitasi dan Berat • • •
All objects are attracted to the Earth. The attractive force exerted by the Earth on an object is called the gravitational force F g This force is directed toward the center of the Earth and its magnitude is called the weight of the object.
A freely falling object experiences an acceleration g acting toward the center of the Earth. Applying Newton’s second law F = ma to a freely falling object of mass m, with a = g and F = Fg
F g=mg
Benda dalam keadaan setimbang
Benda yang dikenai gaya total
A traffic light weighing 122 N hangs from a cable tied to two other cables fastened to a support, as in Figure 5.10a. The upper cables make angles of 37.0° and 53.0° with the horizontal. These upper cables are not as strong as the vertical cable, and will break if the tension in them exceeds 100 N. Will the traffic light remain hanging in this situation, or will one of the cables break?
A car of mass m is on an icy driveway inclined at an angle . Find the acceleration of the car, assuming that the driveway is frictionless.
A ball of mass m1 and a block of mass m2 are attached by a lightweight cord that passes over a frictionless pulley of negligible mass. The block lies on a frictionless incline of angle . Find the magnitude of the acceleration of the two objects and the tension in the cord.
Hukum 3 Newton
Kerja yang dilakukan oleh gaya konstan
Kerja yang dilakukkan pada sistem oleh gaya konstan merupakan perkalian besarnya gaya, perubahan jarak dan cos . merupakan sudut yang dibentuk oleh vektor gaya dan perubahan jarak
W F r cos
Perkalian dot dari vektor satuan
Vektor :
Perkalian dot dari vektor A dan B :
Kerja yang dilakukan oleh variasi gaya
Kerja/Usaha yang dilakukan oleh gaya F x untuk memindahkan partikel dari xi ke xf
A force acting on a particle varies with x, as shown in Figure. Calculate the work done by the force as the particle moves from x = 0 to x = 6.0 m.
Kerja yang dilakukkan oleh pegas F s
kx
X : posisi balok relatif terhadap titik setimbang k : konstata pegas Tanda negatif menunjukkan bahwa gaya yang digunakan pegas selalu berlawanan arah dengan perpindahan balok dari titik setimbang.
Energi kinetik dan Teorema Kerja-Energi Kinetik
Menggambarkan energi yang berhubungan dengan gerak partikel yang disebut energi kinetik
Dalam kasus dimana kerja dilakukan pada sebuah sistem dan perubahan dalam sistem hanya kelajuannnya, maka kerja yang dilakukan oleh gaya total sama dengan perubahan energi kinetiknya
The work–kinetic energy theorem relates work to a change in the speed of an object, not a change in its velocity. For example, if an object is in uniform circular motion, the speed is constant. Even though the velocity is changing, no work is done by the force causing the circular motion. A 6.0-kg block initially at rest is pulled to the right along a horizontal, frictionless surface by a constant horizontal force of 12 N. Find the speed of the block after it has moved 3.0 m.
DAYA
dan
Gaya Gesek Kinetik
Contoh soal
Energi Potensial • • •
Konsep energi potensial dapat digunakan jika gaya yang bekerja pada sistem merupakan gaya konservatif. Jika hanya gaya konservatif yang bekerja maka energi kinetik meningkat sebanding dengan hilangnya energi potensial. Kesetimbangan antara kedua bentuk energi ini dikenal sebagai prisip kekekalan energi mekanik
Kekekalan Energi Kekekalan energi untuk sistem terisolasi
Bandul Matematis
- Tentukan kecepatan pendulum ketika berada pada titik terendah (B) - Tentukan tegangan tali T B pada titik B
Contoh
Getaran Selaras / Simple harmonic motion • Periodic motion is motion of an object that regularly repeats—the object returns to a given position after a fixed time interval. • Familiar objects that exhibit periodic motion include a pendulum and a beach ball floating on the waves at a beach. • The back and forth movements of such an object are called oscillations. • We will focus our attention on a special case of periodic motion called simple harmonic motion. • Simple harmonic motion also forms the basis for our understanding of mechanical waves. • Sound waves, seismic waves, waves on stretched strings, and water waves are all produced by some source of oscillation. • The molecules in a solid oscillate about their equilibrium positions; electromagnetic waves, such as light waves, radar, and radio waves, are characterized by oscillating electric and magnetic field vectors; and in alternating-current electrical circuits, voltage, current, and electric charge vary periodically with time.
Gerak Harmonik Sederhana As a model for simple harmonic motion, consider a block of mass m attached to the end of a spring, with the block free to move on a horizontal, frictionless surface. (a) When the block is displaced to the right of equilibrium ( x > 0), the force exerted by the spring acts to the left. (b) When the block is at its equilibrium position ( x = 0), the force exerted by the spring is zero. (c) When the block is displaced to the left of equilibrium ( x < 0), the force exerted by the spring acts to the right. Hukum Hook Dan Newton II
Gerak Harmonik Sederhana
That is, the acceleration is proportional to the position of the block, and its direction is opposite the direction of the displacement from equilibrium. Systems that behave in this way are said to exhibit simple harmonic motion. An object moves with simple harmonic motion whenever its acceleration is proportional to its position and is oppositely directed to the displacement from equilibrium.
Gambaran secara matematik dari GHS
Percepatan :
What we now require is a mathematical solution to Equation that is, a function x (t ) that satisfies this second-order differential equation. This is a mathematical representation of the position of the particle as a function of time. We seek a function x(t ) whose second derivative is the same as the original function with a negative sign and multiplied by 2. The trigonometric functions sine and cosine exhibit this behavior, so we can build a solution around one or both of these. The following cosine function is a solution to the differential equation:
• The parameters A,, and are constants of the motion. In order to give physical significance to these constants, it is convenient to form a graphical representation of the motion by plotting x as a function of t . • First, note that A, called the amplitude of the motion, is simply the maximum value of the position of the particle in either the positive or negative x direction. • The constant is called the angular frequency, and has units of rad/s. It is a measure of how rapidly the oscillations are occurring—the more oscillations per unit time, the higher is the value of . • The angular frequency is
(t + ) is called the phase of the motion The constant angle is called the phase constant (or initial phase angle)
GHS
Periode dan frekuensi GHS pada pegas
the period and frequency of the motion for the particle–spring system in terms of the characteristics m and k of the system as
Percepatan dan kecepatan benda dalam GHS Kecepatan
Percepatan
Energi GHS
a) b)
Kinetic energy and potential energy versus time for a simple harmonic oscillator with = 0. Kinetic energy and potential energy versus position for a simple harmonic oscillator. In either plot, note that K + U = constant.
GHS untuk Sistem Pegas dan Bandul
Bandul Matematik • The simple pendulum is another mechanical system that exhibits periodic motion. • The motion occurs in the vertical plane and is driven by the gravitational force • The forces acting on the bob are the force T exerted by the string and the gravitational force mg.
Frekuensi sudut
Periode
the period and frequency of a simple pendulum depend only on the length of the string and the acceleration due to gravity.
Bandul Fisis Consider a rigid object pivoted at a point O that is a distance d from the center of mass . The gravitational force provides a torque about an axis through O, and the magnitude of that torque is mgd sin. Using the rotational form of Newton’s second law, = I, where I is the moment of inertia about the axis through O
The negative sign indicates that the torque about O tends to decrease . That is, the gravitational force produces a restoring torque. If we again assume that is small, the approximation sin is valid, and the equation of motion reduces to
max is the maximum angular position
Frekuensi sudut
Periode
A uniform rod of mass M and length L is pivoted about one end and oscillates in a vertical plane. Find the period of oscillation if the amplitude of the motion is small.
Osilasi Teredam
• Retarding force is proportional to the speed of the moving object and acts in the direction opposite the motion. • The retarding force can be expressed as R = - b v (where b is a constant called the damping coefficient ) and the restoring force of the system is –kx. • Newton’s second law as
One example of a damped oscillator is an object attached to a spring and submersed in a viscous liquid.
when the retarding force is small, the oscillatory character of the motion is preserved but the amplitude decreases in time, with the result that the motion ultimately ceases. Any system that behaves in this way is known as a damped oscillator. The dashed blue lines in Figure, which define the envelope of the oscillatory curve, represent the exponential factor in Equation 15.32. This envelope shows that the amplitude decays exponentially withtime.
(a) An underdamped oscillator (b) a critically damped oscillator (c) an overdamped oscillator
Gelombang
Mekanik Gelombang Suara Gempa Bumi Gelombang pada dawai Gelombang Air Laut dll
Elektromagnetik Cahaya Sinar
X Gelombang Radio dll.
Gelombang Mekanik
Gelombang Mekanik Timbul : • Perlu usikan sebagai sumber • Perlu medium yang dapat diusik • Perlu adanya mekanisme penjalaran usikan
Tipe Gelombang
Gel. Transversal Gerak partikel yang terusik tegak lurus arah penjalaran
Gel. Longitudinal Gerak partikel yang terusik sejajar arah penjalaran
Karakteristik Gelombang
Panjang Gelombang ( )
Jarak minimum antara dua titik pada gelombang yang berperilaku identik. Frekwensi (f ) Jumlah pengulangan usikan persatuan waktu. Cepatrambat Gelombang (v )
Jarak penjalaran usikan yang ditempuh dalam satu satuan waktu.
Fungsi Gelombang
Gelombang Sinus
2 x l
y A sin
If the wave moves to the right with a speed v , then the wave function at some later time t is
By definition, the wave travels a distance of one wavelength in one period T . Therefore, the wave speed, wavelength, and period are related by the expression:
: Bilangan gelombang
: Frekuensi sudut
assumes that the vertical position y of an element of the medium is zero at x = 0 and t = 0
Contoh
Contoh
A sinusoidal wave traveling in the positive x direction has an amplitude of 15.0 cm, a wavelength of 40.0 cm, and a frequency of 8.00 Hz. The vertical position of an element of the medium at t = 0 and x = 0 is also 15.0 cm. (A) Find the wave number k , period T , angular frequency , and speed v of the wave. (B) Determine the phase constant and write a general expression for the wave function.
Gelombang Sinusoidal pada String
Kecepatan Gelombang pada String
a) b)
To obta obtain in the the spee speed d v of a wave on a stretched string, it is convenient to describe the motion of a small element of the string in a moving frame of reference. In the the movi moving ng frame frame of refer referenc ence, e, the the small small eleme element nt of length length s moves to the left with speed v . The net force on the element is in the radial direction because the horizontal components of the tension force cancel.
Reflection
Transmission
Superposisi dan Interferensi Gel.
Rata-rata Transfer Energi Oleh Gel. Sinus pada String
A sinusoidal wave traveling along the x axis on a stretched string. Every element moves vertically, and every element has the same total energy.
(a) A pulse traveling to the right on a stretched string that has an object suspended from it. (b) Energy is transmitted to the suspended object when the pulse arrives.
Contoh
Gelombang Bunyi/Suara
Tiga Aspek Gelombang Bunyi 1. Sumber bunyi. Sumber dari gelombang bunyi adalah objek yang bergetar. 2. Energi ditransfer dari sumber dalam bentuk gelombang bunyi longitudinal. 3. Bunyi dideteksi oleh telinga atau sebuah instrumen. Berdasarkan frekuensinya gelombang bunyi dibagi menjadi 3 1. Gelombang bunyi yang dapat didengar manusia (20-20.000Hz) 2. Gelombang infrasonik (< 20Hz) 3. Gelombang ultrasonik (> 20.000Hz)
Perambatan Gel. Bunyi/Suara
Interferensi Gel. Bunyi/Suara
Kecepatan Gelombang Bunyi • Gerak pulsa longitudinal melalui sebuah gas terkompressi • Kompresi dihasilkan oleh gerakan piston • Kecepatan gelombang bunyi dalam sebuah medium tergantung pada kompresibilitas dan kerapatan medium • Modulus Bulk B • Kerapatan medium • Temperatur medium
331 m/s kecepatan bunyi dalam udara pada suhu 0°C
The propagation speeds of traveling waves are characteristic of the media in which they travel and are generally not dependent upon the other wave characteristics such as frequency, period, and amplitude. The speed of sound in air and other gases, liquids, and solids is predictable from their density and elastic properties of the media (bulk modulus).
Gelombang Bunyi Periodik • Piston berosilasi sinusoidal • Daerah terkompresi dan tidak disetup secara kontinyu • Jarak antara daerah terkompresi berturut-turut disebut panjang gelombang l • Jika s(x,t) merupakan posisi dari elemen yang kecil relatif terhadap posisi setimbangnya, maka fungsi posisi harmonik dapat dinyatakan sebagai: • Smax merupakan posisi maksimum dari elemen relatif terhadap posisi setimbangnya atau disebut amplitudo gelombang • k adalah bilangan gelombang 2 /l • frekuensi anguler 2 f
Tekanan Gas Variasi tekanan gas yang diukur dari nilai setimbangnya juga periodik
Pmax= Amplitudo tekanan
Maksimum perubahan tekanan dari nilai setimbangnya
Intesitas Gelombang Bunyi Periodik Intesitas didefinisikan sebagai energi yang dibawa gelombang persatuan waktu melewati satuan luas tegak lurus terhadap arah penjalaran gelombang (W/m 2)
Intensitas sebagai fungsi amplitudo tekanan
Intensitas Gelombang Spherical
Tingkat Intensitas Bunyi Intensitas yang yang dapat didengar : 10-12 - 1 W/m 2
I = Intensitas Sumber Io= Intensitas ambang= 10 -12W/m2 Di udara terbuka, pengurangan intensitas I 1/r1 I1r1 = I2r2 (r jarak dengan sumber)
1. Intensitas bunyi di suatu tempat adalah 10 -5 W/m2. Tentukanlah Taraf intensitas bunyi di tempat tersebut, jika diketahui intensitas ambang pendengaran I 0= 10-12 W/m2 2. Suatu bunyi yang panjang gelombangnya λ = 2,5 m merambat pada zat padat yang memiliki modulus Young E =1010 N/m 2 dan massa jenisnya ρ = 1000 kg/m 3. Tentukan : a. cepat rambat bunyi b. panjang gelombang bunyi 3. Intensitas bunyi di suatu tempat yang berjarak 9 m dari sumber bunyi adalah 8.10 -5 W/m2. Tentukanlah intensitas bunyi di suatu tempat yang berjarak 18 m dari sumber bunyi tersebut ! 4. Taraf intensitas bunyi sebuah mesin adalah 50 dB. Tentukanlah Taraf intensitas bunyi dari sepuluh buah mesin sejenis jika dibunyikan bersama-sama. Diketahui intensitas ambang pendengaran I 0= 10-12 W/m2 !
Efek Doppler
Cepat rambat bunyi di udara pada suhu tertentu 300 m/s. Jika pendengar diam, sedangkan sumber bunyi bergerak menjauhi pendengar dengan kecepatan 60 m/s, frekuensi bunyi 108 hertz, maka frekuensi yang didengar pendengar.
Gaya Pada Sebuah DAM Tentukan resultan gaya yang bekerja pada DAM akibat air?
Dinamika Fluida 1. Steady atau laminar, jika setiap partikel mengikuti lintasan licin sehingga lintasan dari partikel yang berbeda tidak saling berpotongan. Aliran steady, kecapatan partikel fluida yang melalui sembarang titik selalu konstan terhadap waktu. 2. Turbulent merupakan aliran irregular.
Pertama-tama asap bergerak dlm aliran laminar, lalu dlm aliran turbulent
Sebuah partikel dlm aliran laminar mengikuti garis aliran dan pada setiap titik sepanjang lintasannya kecepatan partikel merupakan tangensial terhadap garis aliran
Viskositas Viskositas biasanya digunakan untuk menggambarkan aliran fluida untuk mengkarakterisasi derajat dari gesekan internal dalam fluida. Gesekan internal atau gaya viskous dihubungkan dengan hambatan. Viskositas menyebabkan bagian energi kinetik dari sebuah fluida diúbah menjadi energi dalam.
Aliran Fluida ideal:
Persamaan Kontinyuitas Fluida
Persamaan Bernoulli • • • •
Salah satu persamaan fundamental dalam persoalan dinamika fluida adalah persamaan Bernoulli. Persamaan ini memberikan hubungan antara tekanan, kecepatan dan ketinggian pada titik-titik sepanjang garis alir. Penurunan persamaan Bernoulli dapat dilakukkan dengan menggunakan kekekalan energi. Fluida yang memenuhi hukum Bernoulli adalah fluida ideal yang karakteristiknya: mengalir dengan garis-garis arus atau aliran tunak, tak termampatkan dan tak kental
Pipa Venturi • Pipa venturi dapat digunakan untuk mengukur kecepatan aliran dari fluida tak termampatkan. • Tentukan kecepatan aliran pada titik 2 jika beda tekanan P 1 – P2 diketahui. • Pipa horisontal oleh karena itu y1=y2
Hukum Torricelli
Contoh
Temperatur
1. 2. 3. 4. 5.
Konsep Konsep temp tempera eratur tur biasa biasany nya a dihubun dihubungka gkan n dengan dengan baga bagaima imana na panas panas atau atau dinginnya suatu objek ketika disentuh. Indera Indera manu manusia sia hany hanya a memberi memberikan kan indik indikasi asi qual qualita itatif tif dari dari temp tempera eratur tur.. Kontak Kontak ther thermal mal meng menggam gambar barkan kan bahwa bahwa 2 objek objek dilet diletakk akkan an dalam dalam sebu sebuah ah tempat terisolasi sehingga kedua objek tsb saling berinteraksi satu sama lain tetapi tidak dengan lingkungan li ngkungan sekitarnya. Keseti Kesetimba mbanga ngan n thermal thermal merup merupaka akan n situasi situasi diman dimana a tidak tidak ada pertu pertukar karan an energi akibat radiasi panas atau elektromagnetik jika kedua objek diletakkan dalam kontak thermal. Tempera emperatur tur meru merupak pakan an sifat sifat yang yang menen menentuk tukan an apaka apakah h sebuah sebuah obje objek k dalam kesetimbangan thermal dengan okjek lain
Zeroth Law Of Thermodynamics
Thermometer • Thermometer merupakan sebuah divais yang digunakan untuk mengukur temperatur sebuah sistem. • Semua thermometer berbasis pada prinsip bahwa beberapa sifat-sifat fisika dari sebuah sistem berubah sebagai fungsi temperatur sistem • Sifat-sifat fisika yang berubah akibat temperatur: Volume zat cair, dimensi benda tegar, tekanan gas pada volume konstan, volume gas pada tekanan konstan, hambatan listrik sebuah konduktor, warna dari objek
Themometer Gas Volume Konstan
Skala Temperatur Celcius, Fahrenheit, Kelvin
Pemuaian benda tegar dan cair Pemuaian thermal merupakan konsekuensi perubahan rata-rata jarak pisah antara atom-atom dalam sebuah objek
Pemuaian pada metal yang homogen
Pemuaian volume dan luas
Contoh: Metal dan Kuningan
Kapasitas Kalor, Kalor Jenis dan Kalor Laten
Kapasitas kalor (C) : Jumlah kalor yang diperlukan untuk menaikkan temperatur dari suatu sampel bahan sebesar 1 C o. Q=C T Kalor jenis (c) : Jumlah kalor yang diperlukan untuk menaikkan temperatur dari 1 gr massa bahan sebesar 1 Co. Q=mc T Kalor Laten (L) : Tr Transfer ansfer energi tidak menghasilkan perubahan temperatur
Plot temperatur terhadap penambahan energi jika 1 gram es dengan temperatur -30°C diubah menjadi uap dengan temperatur 120°C
Gas Ideal
Usaha dan Panas Dalam Proses Thermodinamik
Hukum Pertama Thermodinamik
Ekspansi Isothermal pada gas ideal
Teori Kinetik Gas
Asumsi model molekular dari gas ideal
Hubungan antara tekanan dan energi kinetik molekul
Tekanan gas sebanding dengan jumlah molekul per satuan volume dan energi kinetik translasi rata-rata dari molekul
