Mikrajuddin Abdullah - Fisika Dasar I 2016-1.pdf PDF

Preview

Summary

KATA PENGANTAR Buku ini berisi materi Fisika Dasar I yang diajarkan di semester pertama tingkat pertama fakultas sains dan teknik di perguruan tinggi negeri maupun swasta. Materi utama mencakup mekanika benda titik dan benda tegar, fluida, fisika termal, dan termodinamika. Materi tentang listrik da...

Description

KATA PENGANTAR Buku

ini berisi materi Fisika Dasar I yang diajarkan di semester

pertama tingkat pertama fakultas sains dan teknik di perguruan tinggi negeri maupun swasta. Materi utama mencakup mekanika benda titik dan benda tegar, fluida, fisika termal, dan termodinamika. Materi tentang listrik dan magnet, gelombang, dan fisika modesn akan dibahas di buku Fisika Dasar II. Penulisan buku ini dimulai tahun 2004 saat penulis kembali dari tugas belajar di Jepang. Penulisan ini dimotivasi oleh ketiadaan buku kuliah fisika dasar yang ditulis oleh dosen dalam negeri selama berpuluh-puluh tahun. Seri Fisika Dasar karya Sutrisno dan Tan Ik Gie sudah tidak memadai lagi untuk kondisi keilmuan terkini. Bentuk awal buku ini berupa diktat kuliah yang dilengkapi secara terus menerus hingga mencapai bentuk seperti ini. Berbeda dengan buku sejenis, pada buku ini juga dibahas sejumlah fenomena yang dijumpai dalam kehidupan sehari-hari dengan konsep yang sedang dipelajari. Mudah-mudahan dengan pendekatan seperti ini materi kuliah Fisika Dasar menjadi lebih menarik dan mahasiswa menyadari bahwa aplikasi konsep-konsep fifika dijumpai mulai dari fenomena sederhana yang ada di sekitar kita hingga peralatan teknologi canggih. Dibandingkan dengan buku sejenis, dalam buku ini beberapa topik dibahas dengan tingkat kesulitan lebih tinggi. Hal ini dilakukan mengingat materi pelajaran fisika di skeolah menengah di Indonesia cukup tinggi. Jika materi dalam buku fisika dasar memiliki kesulitan yang serupa dengan materi i

fisika di sekolah menengah maka mahasiswa akan merasa cepat bosan. Karena di sekolah menengah para siswa telah diajarkan materi diferensial, integral, dan vektor maka dalam buku ini banyak dijumpai operasi semacam ini, namun tetap dalam bentuk yang dapat dipahami mahasiswa tingkat satu. Pada bab akhir juga dikenalkan metode numerik untuk menyelesaikan persoalan fisika yang tidak dapat diselesaikan atau sulit diselesaikan secara analitik. Software yang digunakan hanyalah Microsoft Excel yang dijumpai pada semua komputer. Materi ini dikenalkan agar pada mahasiswa sadar bahwa penyelesaian persoalan fisika tidak semata-mata dengan metode analitikseperti yang dipelajari selama ini. Justru banyak persoalan fisika yang harus diselesaikan secara numerik. Banyak pihak yang telah terlibat secara langsung atau tidak langsung selama penyelesaian buku ini. Untuk itu penulis sampaikan terima kasih yang luar biasa. Terima kasih secara khusus kepada Istri dan anak-anak yang memberikan dukungan tanpa henti.

Kampus Ganesa Maret 2016

Penulis

ii

DAFTAR ISI Bab 1 BESARAN DAN SATUAN

1

1.1 Besaran Fisika

2

1.2. Pengukuran dan Satuan

5

1.3 Satuan Sistem Internasional

6

1.4 Penetapan Nilai Satuan SI untuk Besaran Pokok

8

1.5 Awalan Satuan

13

1.6 Konversi Satuan

14

1.7 Pengukuran

16

1.8 Pengukuran Luas Tanah

45

1.9 Pengolahan Data

50

Soal-Soal

66

Bab 2 BESARAN-BESARAN GERAK

81

2.1 Posisi

82

2.2 Perpindahan

87

iii

2.3 Jarak Tempuh

99

2.4 Kecepatan Rata-Rata

105

2.5 Laju Rata-Rata

110

2.6 Kecepatan Sesaat

112

2.7 Laju Sesaat

117

2.8 Percepatan Rata-rata

118

2.9 Percepatan Sesaat

122

2.10 Menentukan Kecepatan dari Percepatan

125

2.11 Menentukan Posisi dari Kecepatan

131

2.12 Fisika Sekitar Kita

140

Soal-Soal

144

Bab 3 GERAK DUA DIMENSI

159

3.1 Gerak Peluru

162

2.2. Gerak Melingkar

201

Soal-Soal

223

Bab 4 GAYA

233

4.1 Hukum Newton tentang Gerak

234

4.2 Diagram Gaya Bebas

236

4.3 Aplikasi Hukum Newton

243

4.4 Gaya Gesekan

264

4.4 Gaya Sentripetal

301

4.5 Tekanan

318

4.6 Gaya pada Fenomena di Sekitar Kita

327

Soal-Soal

338

Bab 5 KERJA DAN ENERGI

345

5.1 Definisi Kerja

345 iv

5.2 Efek Kerja pada Laju Benda

360

5.3 Energi Kinetik

364

5.4 Teorema Kerja-Energi

368

5.5 Daya

371

5.6 Gaya Konservatif

378

5.7 Energi Potensial

384

5.8 Energi Mekanik

395

5.9 Hukum Kekekalan Energi Mekanik

397

5.10 Kecepatan Lepas dari Bumi

399

5.11 Kerja oleh Gaya Gesekan

404

5.12 Pengungkit

409

5.12. Katrol

413

5.13 Fisika di Sekitar Kita

416

Soal-Soal

423

Bab 6 MOMENTUM

435

6.1 Momentum Benda Banyak

439

6.2 Hukum Kekekalan Momentum

440

6.3 Tumbukan Segaris Dua Benda

448

6.4 Ayunan Balistik

457

6.5 Tumbukan Benda dengan Lantai

459

6.6 Impuls

461

6.7 Pusat Massa

466

6.8 Menentukan Pusat Massa dengan Metode Integral

471

6.8 Kecepatan Pusat Massa

476

6.9 Percepatan Pusat Massa

477

6.10 Gerak Roket

479 v

6.11 Tumbukan Berantai (Kasus khusus 1)

483

6.12 Laju Minimum Elektron untuk Mengeksitasi Atom (kasus khusus 2) 487 Soal-Soal

491

Bab 7 OSILASI

495

7.1 Frekuensi Osilasi

496

7.2. Bandul Matematis Sederhana

501

7.3. Osilasi Pegas

504

7.4 Energi Osilasi

506

7.5. Mengukur Percepatan Gravitasi Bumi

508

7.6. Osilasi Dawai

510

7.7. Resonansi

510

7.8. Osilasi Teredam

516

7.9 Strut MacPherson

521

7.10 Osilasi dan Ayunan Kaki

522

7.11 Spektrometer Inframerah

523

7.12 Osilator Atom dalam Zat Padat

526

7.13 Frekuensi Kepakan Sayap Serangga

527

7.14 Osilasi Melalui Pusat Bumi

530

7.15 Kepakan Sayap Burung

533

Soal-soal

535

Bab 8 GRAVITASI

541

8.1 Gaya Tanpa Sentuhan

544

8.2 Medan Gravitasi di Permukaan Bumi

547

8.3 Medan Gravitasi di Dalam Bumi

549

8.4 Energi Potensial Gravitasi di Luar Benda

551

8.5 Energi Potensial Gravitasi di Dalam Benda

553

vi

8.6 Energi Mekanik Benda dalam Orbit

557

8.7 Gangguan pada Kecepatan Orbit

559

8.8 Hukum Kepler untuk Gerak Planet

563

8.9 Pembuktian Hukum Kepler dengan Hukum Gravitasi Newton

565

8.10 Pembuktikan Persamaan Gravitasi dari Hukum Kepler

569

8.11 Lubang Hitam (Black Hole)

573

8.12 Pembelokan Cahaya oleh Medan Gravitasi

575

8.13 Pasang Surut Akibat Gravitasi Matahari dan Bulan

581

8.14 Percepatan Gravitasi Benda yang Memiliki Kerapatan tidak Uniform 584 8.15 Efek Pengurangan Konstanta Gravitasi Universal

587

8.16 Batas Terkecil Massa Jenis Pulsar

592

8.17 Panjang Bulan Kalender Hijriyah

594

8.18 Tahun Hijriyah dan Tahun Masehi

602

8.19 Hisab dan Rukyat

604

8.20 Lintasan Benda yang Ditembakkan Sejajar Permukaan Bumi

605

8.21 Lintasan Planet Mars Diamati dari Bumi

609

8.22 Perkiraan Lama Gerhana Matahari

613

8.23 Ketinggian Maksimum Gunung di Bumi

616

Soal-Soal

621

Bab 9 BENDA TEGAR dan ELASTISITAS

629

9.1 Momen Inersia

630

9.2 Momen Inersia Sejumlah Partikel

635

9.3 Momen Inersia Benda Kontinu

640

9.4 Dalil Sumbu Sejajar

647

9.5 Jari-jari Girasi

650

9.5 Momen Gaya

652 vii

9.6 Momen Gaya Total

656

9.7 Hukum II Newton untuk Rotasi Benda Tegar

658

9.8 Menggelinding dan Selip

660

9.9 Energi Kinetik Benda Tegar

664

9.10 Roda Terbang

667

9.10 Kerja Oleh Momen Gaya

668

9.11 Teorema Kerja-Energi Gerak Rotasi

670

9.13 Teorema Kerja Energi Umum

671

9.14 Momentum Sudut Benda Tegar

673

9.15 Hubungan Antara Momentum Sudut dan Momen Gaya

674

9.16 Hubungan antara Momentum Sudut dan Momentum Linier

676

9.17 Hukum Kekekalan Momentum Sudut

677

9.18 Gasing

677

9.19. Mengapa Motor Miring di Jalan Melengkung?

684

9.20 Fisika Sepatu/Sandal High Heels

686

9.21 Modulus Elastisitas

670

Soal-Soal

706

Bab 10 FLUIDA

713

10.1 Arah Gaya

713

10.2 Bentuk Permukaan Fluida Statis

714

10.3 Massa Jenis

716

10.4 Modulus Bulk dan Kompressibilitas

718

10.5 Tekanan Hidrostatis

721

10.6 Ketinggian Permukaan Fluida

726

10.7 Hukum Pascal

736

10.8 Barometer

740 viii

10.9 Gaya Angkat Archimedes

742

10.10 Tenggelam, Melayang, dan Terapung

746

10.11 Terusan Panama

749

10.12 Infus

753

10.13 Tekanan Yang Dilakukan Gas

754

10.14 Presto

757

10.15 Tekanan dalam Kabin Pesawat

760

10.16 Mengitung Luas Patung Pangeran Diponegoro

762

10.17 Tegangan Permukaan

765

10.18 Kelengkungan Permukaan Fluida

767

10.19 Kohesi dan Adhesi

769

10.20 Laju Aliran Fluida

771

10.21 Debit Aliran

772

10.22 Persamaan Kontinuitas

774

10.23 Aliran Laminer dan Turbulen

775

10.24 Hukum Bernoulli

776

10.25 Beberapa Aplikasi Hukum Bernoulli

779

10.26 Viskositas

794

10.27 Persamaan Poiseuille

795

10.28 Hukum Stokes

797

10.28 Bilangan Reynolds

800

10.30 Gesekan Udara

801

10.31 Topik Khusus

803

Soal-Soal

810

Bab 11 KALOR

823

11.1 Pengertian Suhu

824 ix

11.2 Skala Suhu

825

11.3 Konversi Antar Skala Suhu

827

11.4 Alat Ukur Suhu

831

11.5. Warna Suhu

833

11.6 Suhu dan Pertumbuhan Bakteri

833

11.7 Efek Kalor pada Benda

835

11.8 Satuan Energi Kalor

837

11.9 Beberapa Fenomena yang Diakibatkan Kalor

839

11.10 Kapasitas Kalor

840

11.11. Kalor Jenis

843

11.12 Kalor Jenis Kuantum

847

11.13 Kalor Lebur

849

11.14 Kalor Lebur Material Ukuran Nanometer

852

11.15 Kalor Uap

853

11.16. Perpindahan Kalor

858

11.17 Pemanfaatan Sifat Kalor

868

11.18. Pemanfaatan Sifat Perpindahan Kalor

872

11.19 Pemuaian Termal

877

11.20 Persamaan Pemuaian

878

11.21 Hubungan antara Koefisien Muai Panjang, Luas, dan Volum

883

11.22 Pemuaian Lingkaran

886

11.23 Pemuaian Lingkaran Berongga

888

11.24 Mengapa Zat Memuai

891

11.25 Pemuaian Gas

893

11.26 Aplikasi Sifat Pemuaian Zat

894

11.27 Mengukur Pemuaian Zat

903 x

11.28 Fisika Termal di Sekitar Kita

907

Soal-Soal

924

Bab 12 GAS dan TERMODINAMIKA

943

12.1 Gas Ideal

943

12.2 Hukum Boyle

945

12.3 Hukum Gay-Lussac

946

12.4 Hukum Charles

947

12.5 Hukum Gas Umum

948

12.6 Teorema Ekipartisi Energi

951

12.7 Teori Kinetik Gas Ideal

953

12.8 Laju rms

959

12.9 Energi Dalam Gas Ideal

961

12.10 Persamaan untuk Gas Nyata

967

12.11 Hukum ke Nol Termodinamika

969

12.12 Sistem dan Lingkungan

970

12.13 Proses

971

12.14 Diagram P-V

972

12.15 Proses-Proses Khusus

973

12.16 Kerja

976

12.17 Hukum I Termodinamika

980

12.18 Kapasitas Kalor Gas

984

12.19 Persamaan Proses Adiabatik

987

12.20 Siklus

991

12.21 Mesin Kalor

997

12.22 Mesin Carnot

1004

12.23 Mesin Otto dan Mesin Diesel

1006 xi

12.24 Mesin Pendingin

1008

12.25 Hukum II Termodinamika

1011

12.26 Entropi

1013

12.27 Wujud Zat

1015

12.28 Suhu Transisi

1017

12.29 Sifat Zat dalam Wujud Padat, Cair, dan Gas

1020

12.30 Perubahan Wujud Zat

1020

12.28 Penurunan Efisiensi Mesin Carnot

1023

Soal-Soal

1027

Bab 13 SULUSI NUMERIK

1039

13.1 Roda Menggelinding di Jalan

1039

13.2 Gerak Turun Melingkar dengan Gesekan

1043

13.3 Bandul Simpangan Besar

1050

13.4 Shuttlecock

1054

13.5 Dinamika Rantai Jatuh

1057

13.6 Persoalan Dua Benda

1062

INDEKS

1067

xii

Bab 1 Besaran dan Satuan

Bab 1 BESARAN DAN SATUAN Kita semua tentu sudah tahu bahwa mobil Formula 1 bergerak jauh lebih cepat daripada kuda. Tetapi berapa kali lebih cepatkah? Kita tidak dapat menjawab sebelum mendapat informasi kecepatan mobil Formula 1 dan kecepatan lari kuda. Jika diinformasikan bahwa kecepatan mobil F1 adalah 250 km/jam dan kecepatan lari kuda adalah 50 km/jam kita langsung dapat menjawab bahwa mobil Formula 1 bergerak lima kali lebih cepat daripada kuda. Pada Asian Games ke-16 di Guanzhou, lifter China Li Ping memecahkan dua rekor dunia angkat besi putri 53 kg, yaitu rekor snatch dan rekor total angkatan. Ia memecahkah rekor snatch lifter Korea Utara, Ri Song Hui, yang dibuat tahun 2002. Ia juga memecahkan rekor angkatan total yang dibuat lifter China lainnya Qiu Hongxia, yang diciptakan tahun 2006. Bagaimana kita bisa tahu bahwa Li Ping telah menciptakan rekor dunia baru? Jawabannya adalah karena beban yang berhasil diangkat para atlit tersebut dicatat nilainya. Rekor dunia snatch yang dibuat Ri Song Hui adalah 102 kg. Ketika Li Ping berhasil mengangkat snatch 103 kg maka kita langsung mengatakan bahwa Li Ping menciptakan rekor dunia baru untuk snatch. Rekor dunia angkatan total yang dibuat Qiu Hongxia adalah 226 kg. Dan ketika Li Ping berhasil melakukan angkatan total 230 kg maka kita langsung sepakat bahwa Li Ping telah menciptakan rekor dunia baru. 1

Bab 1 Besaran dan Satuan

Travis Pastrana menciptakan rekor dunia baru lompat jauh dengan mobil rely menggunakan mobil Subaru. Ia memecahkan rekor sebelumnya yang dibuat tahun 2006. Bagaimana kita bisa simpulkan bahwa Pastrana telah menciptakan rekor dunia baru? Jawabannya karena jarak lompatan sebelumnya dan jarak lompatan Pastrana diukur. Jauh rekor lompatan sebelumnya adalah 171 kaki dan jauh lompatan Pastrana adalah 274 kaki. Para peneliti di Helsinki University of Technology, Finlandia menciptakan rekor dunia baru untuk pencapaian suhu terendah. Bagaimana kita bisa tahu bahwa mereka berhasil membuat rekor dunia baru? Jawabanya karena nilai suhu pada rekor sebelumnya dicatat. Berkat pengukuran nilai suhu yang mereka capai, peneliti dari Finlandia mengetahui bahwa mereka telah menciptakan rekor baru. Rekor sebelumnya untuk pencapaian suhu terendah adalah 0,00000000028 K (280 piko Kelvin (pK)) yang dicapai tahun 1993. Dari hasil percobaan tanpa kenal menyerah selama 9 tahun, para peneliti dari Finlandia berhasil mendingikan logam rhodium hingga suhu 0,0000000001 (100 pK). Percobaan dilakukan melalui tiga tahap pendinginan. Tahap pertama mendinginkan hingga 3 mili kelvin, tahap kedua mendinginkan hingga 50 mikro kelvin, dan tahap ketiga medinginkan hingga piko kelvin hingga tercapai rekor dunia tersebut. Kecepatan Formula 1 atau kuda, massa yang diangkat lifter, jauh lompatan mobil Pastrana, dan suhu yang dicapai peneliti Finlandia adalah contoh besaran Fisika. Besaran-besaran tersebut baru memiliki makna jika nilainya diberikan. Dengan adanya nilai maka semua orang akan memiliki kesimpulan yang sama. Sebagai contoh, dengan adanya nilai kecepatan mobil Formula 1 sebesar 250 km/jam dan kecepatan kuda 50 km/jam maka semua orang di dunia memiliki kesimpulan yang sama bahwa mobil Formula 1 bergerak lima kali lebih cepat dari kuda. Jika hanya disebutkan bahwa mobil Formula 1 lebih cepat dari kuda maka orang yang berbeda akan memili kesimpulan yang berbeda. Apakah dua kali lebih cepat, tiga kali lebih cepat, sepuluh kali lebih cepat, atau lainnya.

1.1 Besaran Fisika Dari penjelasan di atas kita jadi tahu bahwa besaran fisika sangat penting. Besaran fisika adalah sifat benda atau gejala alam yang dapat diukur. Panjang, massa, lama waktu pertandingan bola, suhu udara, kekerasan benda, kecepatan mobil, terang cahaya, energi yang tersimpan dalam bensin, arus listrik yang mengalir dalam kabel, tegangan listrik PLN, daya listrik lampu ruangan, dan massa jenis air adalah contoh sifat-sifat benda yang dapat dikur. Maka semuanya merupakan besaran fisika. Jika didaftar, jumlah besaran fisika yang ada saat ini sangat banyak. Namun, dari besaran yang banyak tersebut, ternyata satu besaran dapat diperoleh dari besaran-besaran fisika yang lainya. Contohnya...