Buku Ajar Fisika PDF

Preview

Summary

BUKU AJAR DALAM ILMU KESEHATAN MASYARAKAT BUKU AJAR DALAM ILMU KESEHATAN MASYARAKAT O L E H RONI SAPUTRA, M.Si NIDN : 1020088201 SEKOLAH TINGGI ILMU KESEHATAN IBNU SINA BATAM BATAM 2016 KATA PENGANTAR Ilmu Fisika adalah ilmu yang mempelajari fenomena fisik dari suatu zat ataupun benda, sehingga dapa...

Description

BUKU AJAR

DALAM ILMU KESEHATAN MASYARAKAT

BUKU AJAR

DALAM ILMU KESEHATAN MASYARAKAT

O L E H

RONI SAPUTRA, M.Si NIDN : 1020088201

SEKOLAH TINGGI ILMU KESEHATAN IBNU SINA BATAM BATAM 2016

KATA PENGANTAR Ilmu Fisika adalah ilmu yang mempelajari fenomena fisik dari suatu zat ataupun benda, sehingga dapat diterapkan ke berbagai bidang ilmu salah satunya ilmu-ilmu kesehatan. Dalam ilmu kesehatan khususnya Ilmu Kesehatan Masyarakat, Fisika berfungsi dalam pengamatan fenomena lingkungan, penggunaan peralatan keselamatan dan sebagainya, sehingga perlu dipelajari bagaimana asal mula kejadian fenomena-fenomena fisika yang akan ditemui didalam proses belajar mengajar maupun di lapangan kerja. Buku ini disusun untuk mempermudah dosen maupun mahasiswa dalam memahami ilmu Fisika, kemudian sebagai pengarah dalam jalannya perkuliahan sehingga sesuai dengan batasan-batasan yang diharapkan nantinya. Buku Ajar ini mungkin masih jauh dari kesempurnaan, untuk itu nantinya akan kembali direvisi setiap tahun guna menyempurnakan isinya.

Batam, November 2016

Roni Saputra, M.Si

i

DAFTAR ISI KATA PENGANTAR ..................................................................................................... i DAFTAR ISI ................................................................................................................... ii BAB I VEKTOR, BESARAN DAN SATUAN ............................................................ 1 PERTEMUAN 1 VEKTOR, BESARAN DAN SATUAN .......................................... 1 BAB II KINEMATIKA ................................................................................................ 11 PERTEMUAN 2 KINEMATIKA GERAK LURUS.................................................. 11 PERTEMUAN 3 KINEMATIKA GERAK MELINGKAR ....................................... 22 BAB III DINAMIKA .................................................................................................... 33 PERTEMUAN 4 HUKUM NEWTON....................................................................... 33 PERTEMUAN 5 KLASIFIKASI GAYA ................................................................... 39 BAB IV USAHA DAN ENERGI ................................................................................. 47 PERTEMUAN 6 USAHA DAN ENERGI ................................................................. 47 BAB V MOMENTUM DAN IMPULS ....................................................................... 53 PERTEMUAN 7 MOMENTUM LINEAR ................................................................ 53 PERTEMUAN 8 MOMENTUM DAN TUMBUKAN .............................................. 59 BAB VI FLUIDA .......................................................................................................... 66 PERTEMUAN 9 FLUIDA STATIS ........................................................................... 66 PERTEMUAN 10 FLUIDA DINAMIS ..................................................................... 75 BAB VII SUHU DAN KALOR ................................................................................... 82 PERTEMUAN 11 SUHU DAN TERMOMETER ..................................................... 82 PERTEMUAN 12 KALOR I ...................................................................................... 89 PERTEMUAN 13 KALOR II..................................................................................... 97 DAFTAR PUSTAKA ................................................................................................. 102

ii

Buku Ajar Fisika

BAB I VEKTOR, BESARAN DAN SATUAN PERTEMUAN 1 VEKTOR, BESARAN DAN SATUAN Materi Standar Kompetensi Kompetensi Dasar

: Vektor, Besaran dan Satuan : Mahasiswa mampu memahami dasar-dasar Mekanika, Termofisika, Kelistrikan, Optik dan Gelombang sebagai landasan ilmu dalam mempelajari ilmu-ilmu Fisika : Memahami konsep besaran dan satuan

A. Vektor Dalam fisika dan teknik, seringkali bilangan tunggal dan satuannya tidak memadai untuk memberikan deskripsi yang lengkap terhadap besaran fisika. Di dalam fisika, dikenal dua besaran, yaitu besaran vektor dan besaran skalar. Vektor adalah besaran yang memiliki besar maupun arah untuk suatu deskripsi yang lengkap. Beberapa besaran fisika yang termasuk besaran vektor adalah kecepatan, percepatan, gaya, dan momentum. Dalam diagram, kita mendesain suatu vektor dengan segmen garis berarah. Sejumlah besaran fisika tidak memiliki arah, dan hanya memerlukan bilangan tunggal dan satuannya untuk menyatakan deskripsi yang lengkap. Besaran-besaran ini disebut besaran skalar. Massa, volume, massa jenis, dan suhu merupakan contoh besaran skalar.

1.

Penjumlahan Vektor

a.

Penjumlahan Vektor Dengan Metode Jajaran Genjang Langkah-langkah untuk menjumlahkan vektor dengan metode jajaran genjang

dapat diuraikan sebagai berikut. Pertama, lukis kedua vektor dengan titik pangkal kedua vektor sama-sama terletak pada satu titik. Selanjutnya, buatlah sebuah jajaran genjang dengan menggambarkan dua sisi lain yang sejajar dengan masing-masing vektor. Vektor resultan dua buah vektor dalam kasus ini adalah diagonal jajaran genjang yang terbentuk. Contoh penjumlahan vektor dengan jajaran genjang dapat dilihat pada gambar di bawah ini.

©2016 Roni Saputra, M.Si

1

Buku Ajar Fisika

C B

A B

A R=D+C

A

R

C B

D=A+B

B A (a)

(b)

Gambar 1. (a) Penjumlahan 2 buah vektor dengan metode jajaran genjang

b.

Penjumlahan Vektor Dengan Metode Poligon Pada metode ini, vektor-vektor saling diletakkan ujung-pangkal satu dengan yang

lain. Secara sederhana, misalkan 3 vektor A, B, dan C akan dijumlahkan. Pertama, lukislah vektor A. Kemudian, lukis vektor B dengan pangkalnya berada di ujung vektor A. Selanjutnya lukislah vektor C dengan pangkalnya berada diujung vektor B. Vektor resultan penjumlahan 3 vektor ini sama dengan vektor yang berpangkal di pangkal vektor A dan berujung di ujung vektor C. Contoh penjumlahan vektor dengan metode poligon dapat dilihat pada gambar di bawah.

©2016 Roni Saputra, M.Si

2

Buku Ajar Fisika

C A

B A

B B

C

R

A

B

R A (a)

(b)

Gambar 2. Penjumlahan vektor dengan metode poligon

Besar dan arah resultan vektor

B

C

Untuk menetukan besar dan arah vektor resultan, dapat digunakan persamaan :

C=R

B α

=

+

+

α

θ A

A

Gambar 2. Besar dan arah vektor

dan arah vektor resultan R, dapat

resultan

dihitung dengan persamaan: =

2.

Penguraian Vektor Berdasarkan Komponen-Komponennya Pertama, bayangkan sebuah vektor V yang berada pada suatu bidang tertentu.

Vektor itu dinyatakan sebagai jumlah dari dua vektor lainnya, yang disebut komponenkomponen dari vektor sebelumnya. Komponen-komponen tersebut biasanya dipilih dengan arah tegak lurus satu sama lain. Proses pencarian komponen disebut sebagai penguraian vektor menjadi komponen-komponennya.

©2016 Roni Saputra, M.Si

3

Buku Ajar Fisika

Pada gambar di samping terlihat bahwa vektor V merupakan penjumlahan dari

Y

vektor Vx dengan vektor Vy. Dikatakan bahwa vektor Vx dan Vy merupakan

V

Vx

komponen tegak lurus dari vektor V. Untuk

penambahan

dengan

vektor-vektor

menggunakan

metode

komponen, kita perlu menggunakan

θ

X Vy

Gambar 3. Penguraian vektor

fungsi trigonometri, yaitu sinus, cosinus, dan tangen. Jika diketahui sebuah sudut θ, seperti pada gambar di atas, sebuah segitiga sikusiku dapat dibuat dengan membuat garis yang tegak lurus terhadap kedua sisinya. Perhatikan gambar di bawah. sin

=

cos

=

tan

=

r y θ x Gambar 4. segitiga siku-siku

©2016 Roni Saputra, M.Si

4

Buku Ajar Fisika

Karena sudut yang dibentuk oleh vektor V dengan sumbu x sama dengan θ, maka besarnya Vx dan Vy dapat dihitung dengan menggunakan persamaan : = =

dimana besar dan arah vektor V dapat ditentukan dengan persamaan : =

+

tan

=

Contoh : a. Tentukan besar dan arah vektor resultan dari vektor A dan B yang masing-masing memiliki besar 3 dan 4 satuan, dan membentuk sudut 600. Jawab : R

B α

θ A

Besar vektor resultan R sama dengan : = =

+

+2

cos

3 + 4 + 2(3)(4) cos 60

= √37 satuan Sudut vektor resultan R ini dapat dihitung dengan persamaan : = √37 sin

= 4 sin 60

©2016 Roni Saputra, M.Si

5

Buku Ajar Fisika

sin

=

1 4 × 2 √3

= 0,57

√37

= 34,7 b. Tentukan resultan vektor dari grafik di bawah ini (α = 30o) ! Y

F2 = 20 N F1 = 10 N

X

Jawab : Y (vektor satuan, j) (+) F2 = 20 N (-)

F2y

F2x



F1x = 10 N

α

(+) X

(vektor satuan, i)

(-)

Sumbu- x F1x = (10i) N F2x = - (F2 cos α) i = - (20 cos 30o) i = - 20 ( √3) = - (10 √3) i N maka : =

©2016 Roni Saputra, M.Si

+

6

Buku Ajar Fisika

= 10 =



10 √3

(7,32 )

Sumbu- y F2y = (F2 sin α) j F2y = (20 sin 30o) j = 20

= 10 j N

Maka resultan vektor pada grafik di atas adalah : = =

+ 7,32 + 10 = 2,68

Besar resultan vektor : | |=

( 7,32 ) + (10 )

| |=

53,5824 + 100 =

153,5824

| | = 12,393

3.

Perkalian Vektor Ada dua jenis perkalian vektor, yaitu perkalian titik (dot product) dan perkalian

silang (cross product). a. Perkalian titik Perkalian titik dari dua vektor A dan B dilambangkan dengan A • B. Perkalian titik dari dua besaran vektor merupakan besaran skalar. Perkalin titik dari dua vektor A dan B yang mengapit sudut θ dapat didefinisikan sebagai berikut : •

= AB cos

Sifat-sifat perkalian titik di antara sesama vektor satuan sebagai berikut : •

= (1)(1)cos 0 = 1

= •

= (1)(1)cos 90 = 0

• = • = • = •

Pada perkalian titik antara dua vektor bersifat komutatif, yaitu :

©2016 Roni Saputra, M.Si

7

Buku Ajar Fisika

•

=

•

b. Perkalian silang Perkalian silang antara dua vektor A dan B dilambangkan dengan A x B. Hasil perkalian silang dua besaran vektor merupakan besaran vektor. Perkalian silang antara dua vektor A dan B yang mengapit sudut

dapat didefinisikan sebagai berikut

: C=AxB C = AB sin Jadi, perkalian silang dari dua vektor A dan B yang mengapit sudut

adalah suatu

besaran vektor yang arahnya tegak lurus terhadap kedua vektor dan besarnya sama dengan AB sin . Sifat-sifat perkalian silang di antara sesama vektor satuan sebagai berikut : ixi=jxj=kxk=0 ixj=k

j x i = -k

jxk=i

k x j = -i

kxi=j

i x k = -j

perkalian silang antara dua vektor bersifat anti komutatif, yaitu A x B = -B x A

B. Gaya, Massa, dan Berat Berdasarkan intuisi, kita menggambarkan gaya sebagai macam dorongan atau tarikan terhadap sebuah benda. Ketika kita mendorong sebuah gerobak atau mobil, maka secara tidak langsung kita memberikan gaya terhadap gerobak atau mobil tersebut. Ketika sebuh mesin mengangkat lift, atau martil memukul palu, atau angin meniup daun-daun pada sebuah pohon, berarti sebuah gaya sedang diberikan. Gaya tidak selalu menyebabkan gerak. Sebagai contoh, ketika kita mendorong sebuah meja sekuat tenaga tetapi meja tersebut tetap tidak bergerak. Salah satu cara untuk mengukur besar gaya adalah dengan menggunakan neraca pegas. Sebuah gaya memiliki arah dan besar, sehingga merupaka vektor yang mengikuti aturan-aturan penjumlahan vektor yang telah dibahas sebelumnya. Secara sistematis gaya dapat dirumuskan sebagai berikut :

©2016 Roni Saputra, M.Si

8

Buku Ajar Fisika

Keterangan :

=

F = gaya (Newton) m = massa (kg) a = percepatan (m/s2) Selanjutnya, massa merupakan sinonim dari jumlah zat. Namun, pandangan intuitif mengenai massa benda tidak terlalu tepat karena konsep “jumlah zat” tidak terdefinisi dengan baik. Lebih tepat lagi, dapat dikatakan massa adalah ukuran inersia suatu benda. untuk menyatakan ukuran yang lebih luas dari konsep massa , kita harus mendefinisikan suatu standar. Dalam satuan SI, satuan massa adalah kilogram (kg). Istilah massa dan berat sering dikacaukan antara satu dengan lainnya, namun yang penting adalah membedakan keduanya. Massa adalah sifat dari benda itu sendiri (yaitu ukuran inersia benda tersebut, atau “ jumlah zatnya”). Semakin besar massa benda, semakin besar pula gaya yang diperlukan untuk menimbulkan efek percepatan yang sama. Di pihak lain berat adalah gaya, gaya gravitasi yang bekerja pada sebuah benda. Sebagai contoh, misalkan kita membawa sebuah benda ke bulan. Benda itu akan mempunyai berat seperenam dari beratnya di bumi, karena gaya gravitasi lemah, tetapi massa benda akan tetap sama. Jika berat benda dilambangkan dengan w, maka dapat dirumuskan sebagai berikut : =

Keterangan : w = gaya berat (newton) m = massa (kg) g = gravitasi (m/s2) catt : Arah gaya ini selalu ke bawah menuju pusat Bumi. Contoh soal : 1. Gaya total sebesar 255 N mempercepat sebuah sepeda dan pengendaranya sebesar 2,2 m/s2. Berapa massa sepeda dan pengendaranya? Jawab :

©2016 Roni Saputra, M.Si

9

Buku Ajar Fisika

= =

→ ,

=

= 115,909

2. Berapa gaya rata-rata yang dibutuhkan untuk menghentikan mobil 1100 kg dalam 8 sekon jika sedang berjalan dengan laju 20 m/s? Jawab : =

+

0 = 20 +

(8)

20 = 8 =

=

2,5

/

Maka gaya rata-rata yang dibutuhkan adalah : = = 1100 ( 2,5) =

©2016 Roni Saputra, M.Si

2750

10

Buku Ajar Fisika

BAB II KINEMATIKA PERTEMUAN 2 KINEMATIKA GERAK LURUS Materi Standar Kompetensi

: Kinematika Gerak Lurus : Mahasiswa mampu memahami dasar-dasar Mekanika, Termofisika, Kelistrikan, Optik dan Gelombang sebagai landasan ilmu dalam mempelajari ilmu-ilmu Fisika.

Kompetensi Dasar

: Memahami konsep dasar kinematika Kinematika Dalam Satu Dimensi

A. Posisi, Kecepatan dan Percepatan 1.

Posisi Pengukuran posisi, jarak, atau laju harus dibuat dengan mengacu pada suatu

kerangka acuan. Jarak dan perpindahan adalah besaran fisika yang saling terkait. Keduanya memiliki dimensi yang sama, namun memiliki makna fisis yang berbeda. Perhatikan contoh di bawah ini :

B

C C

A

80 m 100 m Gambar 1. Lapangan Bola

Seorang pemain sepak bola melakukan pemanasan dengan berlari di lapangan. Kemudian ia berlari dari titik A ke B, dan kembali lagi dan berhenti di titik C, maka ia telah menenmpuh lintasan sepanjang AB dan BC, yaitu 100 m + 50 m = 150 m. Keseluruhan panjang lintasan yang ditempuh oleh pemain tersebut, tanpa memandang arah gerakan, disebut jarak tempuh. Akan tetapi, jika perhatikan perubahan kedudukan pemain tersebut, pada awal gerakan ia berada berada di titik A dan akhir gerakan ia berada

©2016 Roni Saputra, M.Si

11

Buku Ajar Fisika

di titik C. Jadi perubahan kedudukan pemain tersebut hanya dari A ke C, yaitu sejauh 50 m. Jadi dapat disimpulkan, jarak adalah panjang lintasan yang ditempuh oleh suatu benda tanpa memperhatikan arah gerak benda, sehingga jarak merupakan besaran skalar. Sedangkan perpindahan adalah perubahan kedudukan suatu benda ditinjau dari keadaan awal dan keadaan akhir dengan memperhatikan arah gerak benda, sehingga perpindahan merupakan besaran vektor. Contoh : a. Bakhri berlari mengintari sebuah lapangan yang berbentuk lingkaran dengan radius 35 m. Ia berangkat dari titik A kemudian berhenti di titik B. Sementara itu, Hadi berlari dari titik A sama seperti Bakhri, tetapi ia langsung menuju titik B dengan lintasan berupa garis lurus (lihat gambar). Berapakah jarak dan perpindahan yang telah ditempuh kedua anak tersebut. B

r = 35 m

A

Jawab :  Untuk bakhri, jarak yang telah ditempuhnya sama dengan setengah lingkaran. Berarti, bakhri telah menempuh jarak sejauh s 1 = keliling lingkaran 2 1 = (2 ) 2 1 22 (35) = (2) 2 7 = 110 m

©2016 Roni Saputra, M.Si

12

Buku Ajar Fisika

Perpindahan bakhri adalah dari titik A ke titik B, yang besarnya sama dengan 2r = 70 m dan arahnya dari A ke B.  Untuk hardi, jarak yang telah ditempuhnya sama dengan jarak AB, yaitu 2r = 70 m. Perpindahan hadi adalah dari titik A ke titik B, yang besarnya sama dengan 2r = 70 m dan arahnya dari A ke B.

2.

Kecepatan Kecepatan didefenisikan sebagai cepat lambatnya perubahan kedudukan benda

terhadap waktu. Kecepatan sebagaimana perpindahan mempunyai arah tertentu sehingga merupakan besaran vektor. a) Kecepatan rata-rata Dalam gerak satu dimensi, kecepatan didefenisikan sebagai laju perubahan posisi. Untuk gerak satu dimensi, misalkan pada satu titik waktu, katakanlah t1, benda berada pada sumbu x di titik x1 pada sistem koordinat, dan beberapa waktu kemudian, pada waktu t2, berada pada titik x2. Waktu yang diperlukan adalah t2 – t1, dan selama selang waktu ini perpindahan benda itu adalah Δx = x2 – x1. Dengan demikian, kecepatan rata-rata adalah hasil bagi perpindahan dengan selang waktu, maka secara sistematis ditulis : =

b) Kecepatan sesaat Kecepatan sesaat dari suatu benda yang sedang bergerak adalah kecepatan benda itu pada selang waktu yang sangat kecil (selang waktu mendekati nol). Dengan kata lain, kecepatan sesaat adalah kecepatan rata-rata untuk selang waktu mendekati nol. =

→

=

→

=

Contoh : 1) Seseorang berjalan lurus 30 m ke barat dalam waktu 70 sekon, kemudian 20 m ke timur dalam waktu 30 sekon. Hitunglah kecepatan rata-rata orang tersebut selama perjalanan?

©2016 Roni Saputra, M.Si

13

Buku Ajar Fisika

Jawab : Bila diasumsikan arah ke timur sebagai arah positif maka arah ke barat adalah negatif. Perpindahan, Δx = x1 + x2 = -30 m + 20 m = -10 m. Tanda (-) menunjukkan arah perpindahan adalah ke barat. Maka kecepatan rata-rata : ̅=

=

10 = 100

0,1 m/s

Tanda (-) menyatakan arah kecepatan ke barat. 2) Posisi suatu partikel memenuhi persamaan r = 2t – 4t2 dengan r dalam meter dan t dalam sekon. Tentukanlah kecepatan partikel pada saat t = 5 sekon. Jawab : Kecepatan sesaat partikel sebagai fungsi waktu ditentukan dengan persamaan: ( )= ( )=2

=

2

4

8(5) =

38

8

Kecepatan pada saat t = 5 sekon adalah (5) = 2

3.

/

Percepatan Sebuah benda yang sedang bergerak terkadang mengubah kecepatannya sehingga
<...