ahmad basyir najwan jln. mr. cokrokusumo no.54 rt.015/005 ...ย ยท ... dan ฬ. sehingga menggunakan...
Post on 03-Mar-2019
218 Views
Preview:
TRANSCRIPT
Basyir Al Banjari
0896-5985-6821
mechtermlighlismfism
DC3BCE5B
xanderbasyir99@gmail.com
www.basyiralbanjari.wordpress.com
Ahmad Basyir Najwan Jln. Mr. Cokrokusumo No.54 RT.015/005, Kel. Cempaka, Kec. Cempaka, Kota
Banjarbaru, Kalimantan Selatan, Kode Pos 70733 Contact Person : 0896-5985-6821
Follow my Instagram @basyir.physolymp
Hal | 1
Paket A
Nomor 1
Sebuah planetoid kecil bermassa ๐ berada di antara dua buah planet besar bermassa ๐
yang terpisah sejauh 2๐ฟ. Pada awalnya planetoid berada pada jarak โ dari garis imaginer
yang menghubungkan kedua planet besar ๐ seperti ditunjukan pada gambar di bawah
ini. Asumsikan ๐ฟ jauh lebih besar dari โ.
a. Gambarkan sistem koordinat yang sesuai dan tentukan gaya
total yang dikerjakan planet pada planetoid ketika planetoid
disimpangkan sejauh ๐ฅ dari garis imaginer. Tentukan pula arah
gaya ini!
b. Menggunakan Hukum II Newton, tentukanlah persamaan
diferensial yang solusinya merupakan persamaan gerak sistem
untuk simpangannya sebagai fungsi waktu!
c. Tentukan frekuensi angular osilasi planetoid terhadap posisi kesetimbangannya dan
tentukan posisi planet sebagai fungsi waktu!
Catatan : Asumsikan sistem tersebut terisolasi dari pengaruh luar sehingga interaksi
hanya terjadi antara ketiga benda tersebut. Posisi kesetimbangan planetoid adalah ketika
dia berada tepat di garis imaginer penghubung kedua planet.
Pembahasan :
a. Kita gunakan sistem koordinat kartesius seperti tampak pada gambar di bawah.
Gaya yang berkerja pada planetoid adalah gaya gravitasi
dari kedua planet
๐น๐ =๐บ๐๐
๐ 2
Dari geometri kita dapatkan
๐ 2 = ๐ฟ2 + ๐ฅ2 serta sin ๐ =๐ฅ
๐ dan cos๐ =
๐ฟ
๐
Pada koordinat kartesius, vektor satuan untuk masing-
masing sumbu ๐ฅ, ๐ฆ, dan ๐ง adalah ๐ฬ, ๐ฬ, dan ๏ฟฝฬ๏ฟฝ. Sehingga menggunakan vektor, resultan
๐
๐
๐
๐ฟ
๐ฟ โ
๐ ๐ฆ
๐ฅ
๐ง
๐ฟ
๐ฟ
๐ฅ
๐น๐
๐น๐
๐
๐
๐
Basyir Al Banjari
0896-5985-6821
mechtermlighlismfism
DC3BCE5B
xanderbasyir99@gmail.com
www.basyiralbanjari.wordpress.com
Ahmad Basyir Najwan Jln. Mr. Cokrokusumo No.54 RT.015/005, Kel. Cempaka, Kec. Cempaka, Kota
Banjarbaru, Kalimantan Selatan, Kode Pos 70733 Contact Person : 0896-5985-6821
Follow my Instagram @basyir.physolymp
Hal | 2
gaya yang bekerja pada planetoid adalah (asumsikan planet disimpangkan ke kanan
atau bisa dikatakan vektor simpangan planetoid adalah ๏ฟฝโ๏ฟฝ = ๐ฅ๐ฬ)
๏ฟฝโ๏ฟฝ๐ = ๐น๐ sin ๐ (โ๐ฬ) + ๐น๐ sin ๐ (โ๐ฬ) + ๐น๐ cos ๐ ๐ฬ + ๐น๐ cos๐ (โ๐ฬ)
๏ฟฝโ๏ฟฝ๐ = 2๐น๐ sin ๐ (โ๐ฬ)
Dapat kita lihat bahwa resultan gaya pada sumbu ๐ฆ bernilai nol, dan ini juga sesuai
dengan intuisi kita. Karena planetoid disimpangkan ke kanan dari posisi
kesetimbangannya, maka kedua planet akan cenderung menarik planetoid ke ke kiri.
Begitupun sebaliknya. Akhirnya planetoid akan berosilasi di sekitar posisi
kesetimbangannya dan hanya pada sumbu ๐ฅ. Penggunaan vektor membantu kita
untuk mudah menentukan arah besaran-besaran yang diperlukan.
Selanjutnya subtitusi ๐น๐ dan sin ๐ serta ๐ ke ๏ฟฝโ๏ฟฝ๐
๏ฟฝโ๏ฟฝ๐ = 2(๐บ๐๐
๐ 2)๐ฅ
๐ (โ๐ฬ)
๏ฟฝโ๏ฟฝ๐ =2๐บ๐๐๐ฅ
(๐ฟ2 + ๐ฅ2)3/2(โ๐ฬ)
Dari sebelumnya sudah kita peroleh bahwa arah gaya total yang bekerja pada
planetoid selalu berlawanan arah dengan dengan simpangan nya atau bisa kita
nyatakan secara matematis menjadi
๏ฟฝฬ๏ฟฝ๐ = โ๏ฟฝฬ๏ฟฝ
b. Karena resultan gaya berarah ke kiri, maka planetoid akan dipercepat ke kiri.
Misalkan percepatan adalah ๐, dengan Hukum II Newton kita peroleh
๏ฟฝโ๏ฟฝ๐ = ๐๐(โ๐ฬ)
Perhatikan bahwa arah simpangan ๐ฅ adalah ke kanan (arah ๐ฬ), sedangkan percepatan
๐ ke kiri (arah โ ๐)ฬ, kedua besaran ini berlawanan arah. Dari kinematika kita tahu
bahwa percepatan adalah turunan kedua dari perpindahan atau dalam hal ini adalah
simpangan planetoid, namun di sini percepatan dari turunan kedua simpangan ini
arahnya sama dengan arah simpangan yaitu ke kanan, maka perlu ditambahkan tanda
negatif agar sesuai dengan arah percepatan yang sebenarnya atau ๐ = โ๏ฟฝฬ๏ฟฝ (๏ฟฝฬ๏ฟฝ dibaca
๐ฅ double dot, jumlah dot atau titik di di atas ๐ฅ menyatakan jumlah turunan nya
terhadap waktu, dua dot menyatakan turunan kedua terhadap waktu).
Basyir Al Banjari
0896-5985-6821
mechtermlighlismfism
DC3BCE5B
xanderbasyir99@gmail.com
www.basyiralbanjari.wordpress.com
Ahmad Basyir Najwan Jln. Mr. Cokrokusumo No.54 RT.015/005, Kel. Cempaka, Kec. Cempaka, Kota
Banjarbaru, Kalimantan Selatan, Kode Pos 70733 Contact Person : 0896-5985-6821
Follow my Instagram @basyir.physolymp
Hal | 3
Agak bingung dengan penjelasan ini, baik, kita gunakan penjelasan lain. Perhatikan
lagi gambar pada bagian (a). Misalkan planetoid disimpangkan sejauh โ dari posisi
kesetimbangannya. Sekarang kita tinjau kondisi ketika planetoid telah dilepaskan
beberapa saat sehingga jaraknya dari garis imaginer menjadi ๐ฅ dan dia telah
berpindah sejauh ฮ๐ฅ dari posisi awal saat dilepaskan maka
โ = ๐ฅ + ฮ๐ฅ โน ฮ๐ฅ = โ โ ๐ฅ
Turunkan kedua sisi terhadap waktu dua kali akan kta peroleh (turunan kedua ฮ๐ฅ
terhadap waktu adalah percepatan planetoid)
ฮ๏ฟฝฬ๏ฟฝ = ๐ = โ๏ฟฝฬ๏ฟฝ
Sehingga
2๐บ๐๐๐ฅ
(๐ฟ2 + ๐ฅ2)3/2(โ๐ฬ) = โ๐๏ฟฝฬ๏ฟฝ(โ๐ฬ)
Atau bisa disederhanakan menjadi
๏ฟฝฬ๏ฟฝ +2๐บ๐๐ฅ
(๐ฟ2 + ๐ฅ2)3/2= 0
Untuk limit ๐ฟ โซ ๐ฅ, ๐ฟ2 + ๐ฅ2 โ ๐ฟ2 sehingga
๏ฟฝฬ๏ฟฝ +2๐บ๐
๐ฟ3๐ฅ = 0
c. Persamaan terkahir di atas adalah persamaan gerak harmonik sederhana yang
memiliki bentuk umum ๏ฟฝฬ๏ฟฝ + ๐2๐ฅ = 0 sehingga frekuensi angular osilasi planetoid
adalah
๐ = โ2๐บ๐
๐ฟ3
Solusi untuk persamaan diferensial orde dua ini adalah
๐ฅ(๐ก) = ๐ด1 sin ๐๐ก + ๐ด2 cos๐๐ก
Turunkan satu kali terhadap waktu untuk mendapatkan kecepatannya
๏ฟฝฬ๏ฟฝ(๐ก) = ๐๐ด1 cos๐๐ก โ ๐๐ด2 sin ๐๐ก
Mengapa solusinya seperti ini, silahkan pelajari persamaan diferensial orde dua ya
.
Saat ๐ก = 0, ๐ฅ(0) = โ dan planetoid pada awalnya diam atau ๏ฟฝฬ๏ฟฝ(0) = 0 maka
๐ฅ(0) = โ = ๐ด1 sin 0 + ๐ด2 cos0 โน ๐ด2 = โ
Basyir Al Banjari
0896-5985-6821
mechtermlighlismfism
DC3BCE5B
xanderbasyir99@gmail.com
www.basyiralbanjari.wordpress.com
Ahmad Basyir Najwan Jln. Mr. Cokrokusumo No.54 RT.015/005, Kel. Cempaka, Kec. Cempaka, Kota
Banjarbaru, Kalimantan Selatan, Kode Pos 70733 Contact Person : 0896-5985-6821
Follow my Instagram @basyir.physolymp
Hal | 4
๏ฟฝฬ๏ฟฝ(0) = 0 = ๐๐ด1 cos0 โ ๐๐ด2 sin 0 โน ๐ด1 = 0
Alhasil posisi planetoid sebagai fungsi waktu adalah
๐ฅ(๐ก) = โ cos(โ2๐บ๐
๐ฟ3๐ก)
Basyir Al Banjari
0896-5985-6821
mechtermlighlismfism
DC3BCE5B
xanderbasyir99@gmail.com
www.basyiralbanjari.wordpress.com
Ahmad Basyir Najwan Jln. Mr. Cokrokusumo No.54 RT.015/005, Kel. Cempaka, Kec. Cempaka, Kota
Banjarbaru, Kalimantan Selatan, Kode Pos 70733 Contact Person : 0896-5985-6821
Follow my Instagram @basyir.physolymp
Hal | 5
Nomor 2
Di luar angkasa sedang dilakukan sebuah percobaan terhadap dua buah bola kecil
bermassa ๐ dan sebuah batang bermassa ๐ yang memilki panjang ๐ฟ. Salah satu bola di
lem pada ujung batang. Batang dan bola yang di lem padanya pada awalnya diam
sedangkan bola yang lain bergerak secara tegak lurus terhadap batang menuju ujung
batang yang lainnya dengan kecepatan ๐ฃ dan akhirnya menempel pada batang seperti
pada gambar.
a. Apakah momentum linear, momentum angular, serta energi sistem kekal ketika
tumbukan, mengapa?
b. Gambarkan sistem koordinat yang sesuai dan tentukan kecepatan pusat massa sistem
serta arahnya!
c. Tentukan kecepatan angular sistem setelah tumbukan!
Pembahasan :
a. Momentum linear sistem kekal karena tidak ada gaya eksternal yang bekerja padanya.
Momentum angular sistem juga kekal karena tidak ada torsi eksternal yang bekerja
pada sistem batang dan bola ini. Energi sistem tidak kekal karena ada usaha yang
dilakukan gaya non-konservatif ketika bola di ujung bawah menempel pada batang.
momen inersia batang terhadap pusat massanya
๐ผpm =1
12๐๐ฟ2
๐ ๐ฃ
๐ฟ
๐
๐
๐
Basyir Al Banjari
0896-5985-6821
mechtermlighlismfism
DC3BCE5B
xanderbasyir99@gmail.com
www.basyiralbanjari.wordpress.com
Ahmad Basyir Najwan Jln. Mr. Cokrokusumo No.54 RT.015/005, Kel. Cempaka, Kec. Cempaka, Kota
Banjarbaru, Kalimantan Selatan, Kode Pos 70733 Contact Person : 0896-5985-6821
Follow my Instagram @basyir.physolymp
Hal | 6
b. Kita gunakan sistem koordinat kartesius tiga dimensi
seperti pada gambar.
๐ฃpm =๐(๐ฃ๐ฬ) + ๐(0) +๐(0)
๐ +๐ +๐
๐ฃpm =๐
2๐ +๐๐ฃ๐ฬ
c. Momentum angular sistem kekal terhadap titik mana
saja karena tidak ada torsi eksternal seperti dikatakan
pada bagian (a). Namun kita harus memilih sedemikian rupa titik acuan yang
memudahkan kita dalam menganalisis momentum angular sistem. Kalau saya sendiri,
saya akan memilih pusat massa tongkat sebagai acuan. Mengapa? Karena pusat massa
tongkat ini akan menjadi pusat masssa sistem juga karena di kedua ujung tongkat
terdapat bola kecil ๐ dan kita bisa mengabaikan momentum sudut dari kecepatan
pusat massa sistem karena lengan momennya nol.
Konservasi momentum angular (kekekalan momentum sudut) terhadap pusat massa
sistem memberikn (๏ฟฝโโ๏ฟฝ๐ = ๏ฟฝโโ๏ฟฝ๐)
๐๐ฃ๐ฟ
2๏ฟฝฬ๏ฟฝ = (๐ผ๐๐ + 2๐(
๐ฟ
2)2
) ๏ฟฝโโโ๏ฟฝ
1
2๐๐ฃ๐ฟ๏ฟฝฬ๏ฟฝ = (
1
12๐๐ฟ2 +
1
2๐๐ฟ2) ๏ฟฝโโโ๏ฟฝ
๏ฟฝโโโ๏ฟฝ = (6๐
๐ + 6๐)๐ฃ
๐ฟ๏ฟฝฬ๏ฟฝ
Dari aturan tangan kanan, arah ๏ฟฝฬ๏ฟฝ menyatakan bahwa sistem berotasi berlawanan
arah jarum jam dengan besar kecepatan sudut
๐ = (6๐
๐ + 6๐)๐ฃ
๐ฟ
๐ฃ
๐ฅ
๐ฆ
๐
๐
๐
๐
๐ง
Basyir Al Banjari
0896-5985-6821
mechtermlighlismfism
DC3BCE5B
xanderbasyir99@gmail.com
www.basyiralbanjari.wordpress.com
Ahmad Basyir Najwan Jln. Mr. Cokrokusumo No.54 RT.015/005, Kel. Cempaka, Kec. Cempaka, Kota
Banjarbaru, Kalimantan Selatan, Kode Pos 70733 Contact Person : 0896-5985-6821
Follow my Instagram @basyir.physolymp
Hal | 7
Nomor 3
Sebuah bola bermassa ๐ dan radius ๐ diam di atas dua buah tongkat vertikal tak
bermassa sepanjang ๐ฟ yang terporos di lantai seperti pada gambar. Kedua tongkat
terpisah sejauh ๐ dan ditahan oleh benang mendatar pada ketinggian โ dari lantai. Tidak
ada gesekan antara bola dan tongkat. Sistem berada dalam kesetimbangan.
a. Gambarkan diagram gaya bebas pada bola dan tongkat serta tentukan besar gaya
yang diberikan masing-masing tongkat pada bola dan gaya tegang pada benang!
b. Tentukan besar gaya horizontal dan vertikal yang diberikan poros pada masing-
masing tongkat!
c. Jika benang putus, tentukan percepatan angular tongkat terhadap poros sesaat
setelah benang putus dengan mengasumsikan momen inersia tongkat terhadap poros
adalah ๐ผ๐!
Pembahasan :
a. Berikut diagram gaya pada bola dan tongkat.
๐
๐
๐
๐ฟ
โ
benang
๐
๐
๐/2
๐ ๐
๐ ๐
๐๐ ๐ ๐
๐ ๐
๐ ๐
๐ ๐
๐น๐ป
๐น๐ ๐น๐
๐น๐ป
Basyir Al Banjari
0896-5985-6821
mechtermlighlismfism
DC3BCE5B
xanderbasyir99@gmail.com
www.basyiralbanjari.wordpress.com
Ahmad Basyir Najwan Jln. Mr. Cokrokusumo No.54 RT.015/005, Kel. Cempaka, Kec. Cempaka, Kota
Banjarbaru, Kalimantan Selatan, Kode Pos 70733 Contact Person : 0896-5985-6821
Follow my Instagram @basyir.physolymp
Hal | 8
Dari geometri
๐ = โ๐ 2 โ๐2
4 โน sin ๐ =
๐
2๐ dan cos๐ =
โ4๐ 2 โ ๐2
2๐ serta tan ๐ =
๐
โ4๐ 2 โ ๐2
Bola : Hukum I Newton untuk gerak translasi
โ๐น๐ฆ = 0
2๐ cos๐ โ๐๐ = 0
Subtitusi nilai cos ๐ didapat
2๐โ4๐ 2 โ ๐2
2๐ โ ๐๐ = 0 โน ๐ =
๐๐๐
โ4๐ 2 โ ๐2
Tongkat : Hukum I Newton untuk gerak rotasi (terhadap poros), cukup tinjau salah
satu tongkat saja karena keduanya simetri
โ๐๐ = 0
๐ sin ๐ ๐ฟ โ ๐โ = 0
๐๐๐
โ4๐ 2 โ ๐2
๐
2๐ ๐ฟ = ๐โ โน ๐ =
๐๐๐๐ฟ
2โโ4๐ 2 โ ๐2
b. Tongkat : Hukum I Newton untuk gerak translasi, cukup tinjau salah satu tongkat saja
karena keduanya simetri, dalam hal ini saya pilih tongkat kanan
โ๐น๐ฆ = 0
๐น๐ โ๐ cos ๐ = 0
๐น๐ โ๐๐๐
โ4๐ 2 โ ๐2
โ4๐ 2 โ ๐2
2๐ = 0 โน ๐น๐ =
1
2๐๐
โ๐น๐ฅ = 0
๐ โ ๐ sin ๐ โ ๐น๐ป = 0
๐น๐ป =๐๐๐๐ฟ
2โโ4๐ 2 โ ๐2โ
๐๐๐
โ4๐ 2 โ ๐2
๐
2๐ โน ๐น๐ป =
๐๐๐(๐ฟ โ โ)
2โโ4๐ 2 โ ๐2
Basyir Al Banjari
0896-5985-6821
mechtermlighlismfism
DC3BCE5B
xanderbasyir99@gmail.com
www.basyiralbanjari.wordpress.com
Ahmad Basyir Najwan Jln. Mr. Cokrokusumo No.54 RT.015/005, Kel. Cempaka, Kec. Cempaka, Kota
Banjarbaru, Kalimantan Selatan, Kode Pos 70733 Contact Person : 0896-5985-6821
Follow my Instagram @basyir.physolymp
Hal | 9
c. Di sini kita perlu sedikit berhati-hati. Pertama kita cari hubungan percepatan turun
bola dengan percepatan sudut tongkat. Dari gambar
kita peroleh
๐ฅ = ๐ sin ๐
๐ฆ = ๐ฟ + ๐ cos๐
Turunkan satu kali terhadap waktu
๏ฟฝฬ๏ฟฝ = ๐ ๏ฟฝฬ๏ฟฝ cos๐
๏ฟฝฬ๏ฟฝ = โ๐ ๏ฟฝฬ๏ฟฝ sin ๐
Turunkan satu kali lagi terhadap waktu
๏ฟฝฬ๏ฟฝ = ๐ ๏ฟฝฬ๏ฟฝ cos ๐ โ ๐ ๏ฟฝฬ๏ฟฝ2 sin ๐
๏ฟฝฬ๏ฟฝ = โ๐ ๏ฟฝฬ๏ฟฝ sin ๐ โ ๐ ๏ฟฝฬ๏ฟฝ2 cos๐
Saat benang baru putus, sistem belum bergerak sehingga ๏ฟฝฬ๏ฟฝ = 0 akan tetapi ๏ฟฝฬ๏ฟฝ โ
0 (saat sistem diam belum tentu percepatannya juga nol, silahkan dipikirkan lebih
lanjut). ๏ฟฝฬ๏ฟฝ adalah percepatan linear titik atas tongkat, baik tongkat kiri maupun kanan,
misalkan percepatan angular tongkat adalah ๐ผ, maka ๏ฟฝฬ๏ฟฝ = ๐ผ๐ฟ. Misalkan percepatan
turun bola adalah ๐๐ฆ. Dari definisi sistem koordinat pada gambar di atas, kita buat ๏ฟฝฬ๏ฟฝ
memiliki arah positif ke atas, karena sebenarnya arah percepatan bola adalah ke
bawah maka ๏ฟฝฬ๏ฟฝ = โ๐๐ฆ . Sehingga akan kita peroleh
๐ผ๐ฟ = ๏ฟฝฬ๏ฟฝ = ๐ ๏ฟฝฬ๏ฟฝ cos ๐๐๐ฆ = โ๏ฟฝฬ๏ฟฝ = ๐ ๏ฟฝฬ๏ฟฝ sin ๐
} โน ๐๐ฆ = ๐ผ๐ฟ tan ๐
Bola : Hukum II untuk gerak translasi
โ๐น๐ฆ = ๐๐๐ฆ
๐๐ โ๐โฒ cos ๐ = ๐๐ผ๐ฟ tan ๐ โน ๐โฒ =๐๐ โ๐๐ผ๐ฟ tan ๐
cos๐
Tongkat : Hukum II untuk gerak rotasi (terhadap poros)
โ๐๐ = ๐ผ๐๐ผ
๐โฒ sin ๐ ๐ฟ = ๐ผ๐๐ผ
Subtitusi ๐โฒ
๐๐ โ๐๐ผ๐ฟ tan ๐
cos ๐sin ๐ ๐ฟ = ๐ผ๐๐ผ
๐ฆ
๐ฅ
๐ฅ
๏ฟฝฬ๏ฟฝ
๐ ๐ ๐ ๐
๐ฟ
Basyir Al Banjari
0896-5985-6821
mechtermlighlismfism
DC3BCE5B
xanderbasyir99@gmail.com
www.basyiralbanjari.wordpress.com
Ahmad Basyir Najwan Jln. Mr. Cokrokusumo No.54 RT.015/005, Kel. Cempaka, Kec. Cempaka, Kota
Banjarbaru, Kalimantan Selatan, Kode Pos 70733 Contact Person : 0896-5985-6821
Follow my Instagram @basyir.physolymp
Hal | 10
๐๐๐ฟ tan ๐ โ ๐๐ผ๐ฟ2 tan2 ๐ = ๐ผ๐๐ผ
๐ผ(๐ผ๐ +๐๐ฟ2 tan2 ๐) = ๐๐๐ฟ tan๐ โน ๐ผ =
๐๐๐ฟ tan ๐
๐ผ๐ +๐๐ฟ2 tan2 ๐
Subtitusi nilai tan ๐
๐ผ =
๐๐๐ฟ (๐
โ4๐ 2 โ ๐2)
๐ผ๐ +๐๐ฟ2 (๐2
4๐ 2 โ ๐2)โน ๐ผ =
๐๐๐๐โ4๐ 2 โ ๐2
๐ผ๐(4๐ 2 โ ๐2) + ๐๐ฟ2๐2
Basyir Al Banjari
0896-5985-6821
mechtermlighlismfism
DC3BCE5B
xanderbasyir99@gmail.com
www.basyiralbanjari.wordpress.com
Ahmad Basyir Najwan Jln. Mr. Cokrokusumo No.54 RT.015/005, Kel. Cempaka, Kec. Cempaka, Kota
Banjarbaru, Kalimantan Selatan, Kode Pos 70733 Contact Person : 0896-5985-6821
Follow my Instagram @basyir.physolymp
Hal | 11
Nomor 4
Terdapat sebuah tongkat homogen bermassa ๐ dan
panjang ๐ฟ dengan momen inersia terhadap pusat
massanya adalah ๐ผpm = (1/12)๐๐ฟ2. Tongkat ini
diporos salah satu ujungnya pada dinding vertikal.
Pada saat awal tongkat berada dalam posisi vertikal
kemudian dilepaskan.
a. Tentukan percepatan angular tongkat sesaat setelah dilepaskan!
b. Tentukan percepatan linear suatu titik pada tongkat yang berjarak ๐ dari poros sesaat
setelah tongkat dilepaskan!
c. Tentukan nilai ๐0 dimana titik-titik pada tongkat yang jaraknya lebih dari nilai ini
akan memiliki percepatan yang lebih dari percepatan gravitasi!
Pembahasan :
a. Hukum II Newton untuk gerak rotasi (terhadap poros)
โ๐๐ = ๐ผ๐๐ผ
Kenapa kita jadikan poros sebagai acuan? Sebenarnya kita juga bisa menjadikan pusat
massa batang sebagai acuan, namun itu berarti menjadikan gaya dari poros ๐น๐
memiliki lengan gaya sehingga dia akan masuk ke persamaan torsi kita, padahal kita
tidak mengetahui berapa besarnya. Akan tetapi, ketika kita menjadikan poros sebagai
acuan, gaya dari poros ๐น๐ tidak akan memberikan torsi pada sistem kita karena lengan
momennya sama dengan nol. Satu hal lagi, percepatan sudut tongkat baik dengan
acuan poros ataupun acuan pusat massanya sendiri besarnya sama, silahkan
dibuktikan sendiri ya .
๐ฟ
๐ ๐
๐น๐
๐๐
๐ผ
Basyir Al Banjari
0896-5985-6821
mechtermlighlismfism
DC3BCE5B
xanderbasyir99@gmail.com
www.basyiralbanjari.wordpress.com
Ahmad Basyir Najwan Jln. Mr. Cokrokusumo No.54 RT.015/005, Kel. Cempaka, Kec. Cempaka, Kota
Banjarbaru, Kalimantan Selatan, Kode Pos 70733 Contact Person : 0896-5985-6821
Follow my Instagram @basyir.physolymp
Hal | 12
Berikutnya, momen inersia tongkat terhadap poros berbeda nilainya dengan momen
inersia tongkat terhadap pusat massanya. Maka kita perlu mencari momen inersia
tongkat terhadap poros. Ini bisa kita dapatkan dengan menggunakan teorema sumbu
sejajar, bagi yang belum tau silahkan lebih lanjut dipelajari sendiri ya .
๐๐๐ฟ
2= [๐ผpm +๐(
๐ฟ
2)2
] ๐ผ
๐๐๐ฟ
2= [
1
12๐๐ฟ2 +
1
4๐๐ฟ2] ๐ผ โน ๐ผ =
3๐
2๐ฟ
b. Percepatan sesaat titik ini adalah
๐(๐) = ๐ผ๐ โน ๐(๐) =3๐๐
2๐ฟ
c. Untuk titik-titik yang memiliki percepatan lebih dari percepatan gravitasi
๐(๐) > ๐
3๐๐
2๐ฟ> ๐ โน ๐ >
2๐ฟ
3โน ๐0 =
2๐ฟ
3
Sehingga titik-titik yang berada di posisi ๐0 < ๐ < ๐ฟ akan memiliki percepatan linear
sesaat yang lebih besar dari percepatan gravitasi.
Basyir Al Banjari
0896-5985-6821
mechtermlighlismfism
DC3BCE5B
xanderbasyir99@gmail.com
www.basyiralbanjari.wordpress.com
Ahmad Basyir Najwan Jln. Mr. Cokrokusumo No.54 RT.015/005, Kel. Cempaka, Kec. Cempaka, Kota
Banjarbaru, Kalimantan Selatan, Kode Pos 70733 Contact Person : 0896-5985-6821
Follow my Instagram @basyir.physolymp
Hal | 13
Nomor 5
Sebuah satelit bermassa ๐ sedang bergerak secara radial menjauh dari planet berbentuk
bola bermassa ๐ dan berjari-jari ๐ . Saat jarak satelit dan pusat massa planet ๐ = 5๐ ,
tenaga penggerak satelit dimatikan. Kecepatannya saat itu adalah ๐ฃ0 = โ๐บ๐/5๐ .
a. Akankah satelit tersebut bebas dari planet ini? Atau akankah akhirnya kembali ke
sana? Jelaskan alasanmu!
b. Dengan menggunakan Hukum Kekekalan Energi Mekanik, jika satelit dapat bebas dari
planet tersebut tentukan kecepatan awal minimum yang harus dimilikinya saat
tenaga penggerak dimatikan, asumsikan bahwa satelit bebas dari planet ketika
berada di jarak yang sangat jauh dari planet? Jika dia kembali lagi menuju planet,
tentukan besar kecepatannya ketika sampai di permukaan planet. Abaikan hambatan
udara di permukaan planet.
c. Tentukan besar kerja yang dilakukan gravitasi saat satelit bergerak dari posisi
awalnya (saat tenaga penggerak dimatikan) sampai dia tiba di permukaan planet!
Pembahasan :
a. Satelit dapat bebas dari planet tersebut jika energi mekanik nya lebih dari nol dan
akan kembali ke planet jika energi mekaniknya negatif. Penjelasan mengenai hal ini
bisa dipelajari di buku referensi seperti Phisics for Scientist and Engineer by Paul A.
Tipler ataupun buku yang lainnya pada bab Gravitasi. Sekarang mari kita cek energi
mekanik sistem (satelit dan Planet). Perlu diingat bahwa energi mekanik pada kasus
ini kekal karena tidak ada gaya non-konservatif yang melakukan kerja pada sistem.
๐ธ๐ = ๐ธ๐ + ๐ธ๐พ
๐ธ๐ = โ๐บ๐๐
๐+1
2๐๐ฃ0
2
๐
๐ = 5๐
๐ ๐
๐ฃ0
Basyir Al Banjari
0896-5985-6821
mechtermlighlismfism
DC3BCE5B
xanderbasyir99@gmail.com
www.basyiralbanjari.wordpress.com
Ahmad Basyir Najwan Jln. Mr. Cokrokusumo No.54 RT.015/005, Kel. Cempaka, Kec. Cempaka, Kota
Banjarbaru, Kalimantan Selatan, Kode Pos 70733 Contact Person : 0896-5985-6821
Follow my Instagram @basyir.physolymp
Hal | 14
Energi potensial gravitasi bernilai negatif, silahkan dipelajari lebih lanjut ya .
Subtitisi ๐ dan ๐ฃ0
๐ธ๐ = โ๐บ๐๐
5๐ +1
2๐ (
๐บ๐
5๐ ) โน ๐ธ๐ = โ
๐บ๐๐
10๐
Maka karena ๐ธ๐ < 0 satelit akan kembali ke planet.
b. Untuk kasus satelit dapat lepas dari planet, kecepatan awal minimum satelit haruslah
mampu membuatnya mencapai jarak yang sangat jauh dari planet (saat di posisi
terjauh ini kecepatan satelit nol)
Koservasi Energi
๐ธ๐i = ๐ธ๐f
โ๐บ๐๐
5๐ +1
2๐๐ฃ0,min
2 = โ๐บ๐๐
โโ 0
+1
2๐(0)2โ
0
โน ๐ฃ0,min = โ2๐บ๐
5๐
Untuk kasus satelit kembali menuju planet, misalkan saat sampai di permukaan
planet kecepatannya adalah ๐ฃf, menggunakan konservasi energi
๐ธ๐i = ๐ธ๐f
โ๐บ๐๐
5๐ +1
2๐ (
๐บ๐
5๐ ) = โ
๐บ๐๐
๐ +1
2๐๐ฃf
2 โน ๐ฃf = โ9๐บ๐
5๐
c. Pada satelit hanya bekerja gaya gravitasi sehingga kerja oleh gaya gravitasi akan sama
dengan perubahan energi kinetik satelit. Posisi awal atau initial adalah ketika mesin
penggerak dimatikan dan posisi akhir atau final adalah ketika satelit sampai di
permukaan planet.
๐grav = ฮ๐ธ๐พ = ๐ธ๐พf โ ๐ธ๐พi
๐grav =1
2๐๐ฃf
2 โ1
2๐๐ฃ0
2
๐grav =1
2๐(
9๐บ๐
5๐ ) โ
1
2๐ (
๐บ๐
5๐ ) โน๐grav =
4๐บ๐๐
5๐
Tambahan :
Secara definisi, usaha oleh gaya gravitasi adalah negatif dari delta energinya atau
๐grav = โฮ๐ธ๐ = โ(๐ธ๐f โ ๐ธ๐i)
Dari Hukum Kekekalan Energi Mekanik (Konservasi Energi)
Basyir Al Banjari
0896-5985-6821
mechtermlighlismfism
DC3BCE5B
xanderbasyir99@gmail.com
www.basyiralbanjari.wordpress.com
Ahmad Basyir Najwan Jln. Mr. Cokrokusumo No.54 RT.015/005, Kel. Cempaka, Kec. Cempaka, Kota
Banjarbaru, Kalimantan Selatan, Kode Pos 70733 Contact Person : 0896-5985-6821
Follow my Instagram @basyir.physolymp
Hal | 15
๐ธ๐i = ๐ธ๐f
๐ธ๐i + ๐ธ๐พi = ๐ธ๐f + ๐ธ๐พf
๐ธ๐พf โ ๐ธ๐พi = ๐ธ๐i โ ๐ธ๐f
๐ธ๐พf โ ๐ธ๐พi = โ(๐ธ๐f โ ๐ธ๐i)
ฮ๐ธ๐พ = โฮ๐ธ๐
ฮ๐ธ๐พ = ๐grav
Nah kurang lebih seperti itulah ya
Basyir Al Banjari
0896-5985-6821
mechtermlighlismfism
DC3BCE5B
xanderbasyir99@gmail.com
www.basyiralbanjari.wordpress.com
Ahmad Basyir Najwan Jln. Mr. Cokrokusumo No.54 RT.015/005, Kel. Cempaka, Kec. Cempaka, Kota
Banjarbaru, Kalimantan Selatan, Kode Pos 70733 Contact Person : 0896-5985-6821
Follow my Instagram @basyir.physolymp
Hal | 16
Nomor 6
Pada permainan billiard, terdapat sebuah bola bermassa ๐ dan berjari-jari ๐ yang
memiliki momen inersia terhadap sumbu yang melalui pusat massa ๐ผpm = (2/5)๐๐ 2.
a. Tentukan tinggi โ di mana tongkat akan memberikan impuls pada bola agar
setelahnya tidak ada gaya gesek yang diterima oleh bola! Lihat gambar (a)
b. Tentukan perlambatan angular bola setelah dia diberi impuls oleh tongkat tepat di
garis mendatar yang melalui pusat massanya (โ = ๐ )! Lihat gambar (b)
Pembahasan :
a. Misalkan besar impuls dari tongkat adalah ฮ๐1. Sebenarnya gaya gesek di lantai juga
memberikan impuls pada bola namun sangat kecil dibandingkan dengan impuls dari
tongkat sehingga bisa diabaikan
Impuls Linear : Perubahan momentum Linear
ฮ๐1 = ๐๐ฃ
Impuls Angular : Perubahan Momentum Angular (acuan pusat massa bola)
ฮ๐1(โ โ ๐ ) = ๐ผpm๐
Agar bola tidak merasakan gaya gesek setelah diberi impuls, tepat setelah diberikan
impuls dia harus langsung menggelinding tanpa slip atau ๐ฃ = ๐๐ sehingga
๐๐ฃ(โ โ ๐ ) =2
5๐๐ 2
๐ฃ
๐
โ โ ๐ =2
5๐ โน โ =
7
5๐
b. Ketika โ = ๐ , bola belum berotasi setelah pemberian impuls dan hanya bergerak
translasi sehingga muncul gaya gesek dengan besar ๐k = ๐๐๐๐ (arahnya berlawanan
arah gerak bola). Hukum II Newton untuk gerak rotasi memberikan
2๐ โ
๐ impuls
Gambar (a)
๐
2๐
๐
impuls
Gambar (b)
Basyir Al Banjari
0896-5985-6821
mechtermlighlismfism
DC3BCE5B
xanderbasyir99@gmail.com
www.basyiralbanjari.wordpress.com
Ahmad Basyir Najwan Jln. Mr. Cokrokusumo No.54 RT.015/005, Kel. Cempaka, Kec. Cempaka, Kota
Banjarbaru, Kalimantan Selatan, Kode Pos 70733 Contact Person : 0896-5985-6821
Follow my Instagram @basyir.physolymp
Hal | 17
โ๐pm = ๐ผpm๐ผ
โ๐k๐ = โ๐๐๐๐๐ =2
5๐๐ 2๐ผ โน ๐ผ = โ
5๐๐๐
2๐
Tanda negatif menandakan perlambatan.
Basyir Al Banjari
0896-5985-6821
mechtermlighlismfism
DC3BCE5B
xanderbasyir99@gmail.com
www.basyiralbanjari.wordpress.com
Ahmad Basyir Najwan Jln. Mr. Cokrokusumo No.54 RT.015/005, Kel. Cempaka, Kec. Cempaka, Kota
Banjarbaru, Kalimantan Selatan, Kode Pos 70733 Contact Person : 0896-5985-6821
Follow my Instagram @basyir.physolymp
Hal | 18
Nomor 7
Di suatu ruangan bebas gravitasi terdapat dua buah benda yang saling mendekat seperti
pada gambar di bawah. Benda pertama berbentuk โLโ dan benda kedua berbentuk
persegi. Kemudian keduanya bertumbukan dan menjadi satu.
a. Apakah momentum linear, momentum sudut, dan energi sistem kekal pada saat
tumbukan? Jelaskan mengapa tidak dan mengapa iya!
b. Buatlah sistem koordinat yang sesuai dan tentukan posisi pusat massa benda
bermassa 3๐!
c. Tentukan kecepatan pusat massa sistem dua benda ini!
d. Setelah kedua benda menyatu tentukan kecepatan sudut sistem terhadap pusat
massanya!
e. Berapakah total energi kinetik sistem sebelum dan sesudah tumbukan! (energi
kinetik total terdiri dari energi kinetik translasi dan rotasi)
Pembahasan :
a. Momentum linear sistem kekal karena tidak ada gaya eksternal yang bekerj padanya.
Momentum sudut sistem juga kekal karena tidak ada torsi eksternal yang bekerja
padanya pula. Namun energi sistem tidak kekal karena ada usaha dari gaya
nonkonservatif pada saat kedua benda menyatu.
2๐ฟ
2๐ฟ
๐ฟ ๐ฟ ๐ฟ
๐ฟ ๐ฃ
2๐ฃ
3๐
๐
Basyir Al Banjari
0896-5985-6821
mechtermlighlismfism
DC3BCE5B
xanderbasyir99@gmail.com
www.basyiralbanjari.wordpress.com
Ahmad Basyir Najwan Jln. Mr. Cokrokusumo No.54 RT.015/005, Kel. Cempaka, Kec. Cempaka, Kota
Banjarbaru, Kalimantan Selatan, Kode Pos 70733 Contact Person : 0896-5985-6821
Follow my Instagram @basyir.physolymp
Hal | 19
b. Kita gunakan sistem koordinat kartesius seperti pada gambar di bawah ini.
๏ฟฝโ๏ฟฝpm =โ ๐i๏ฟฝโ๏ฟฝiNi=1
โ ๐iNi=1
=๐(๐ฟ/2)(โ๐ฬ) + ๐(๐ฟ/2)(โ๐ฬ) + ๐(๐ฟ/2)๐(๐ฟ/2)๐ฬ
๐ +๐ +๐โน ๏ฟฝโ๏ฟฝpm =
๐ฟ
6(โ๐ฬ)
๏ฟฝโ๏ฟฝpm =โ ๐i๏ฟฝโ๏ฟฝiNi=1
โ ๐iNi=1
=๐(๐ฟ/2)๐ฬ + ๐(๐ฟ/2)(โ๐ฬ) + ๐(๐ฟ/2)๐(๐ฟ/2)(โ๐ฬ)
๐ +๐ +๐โน ๏ฟฝโ๏ฟฝpm =
๐ฟ
6(โ๐ฬ)
Atau dapat kita tulis ulang menjadi
๏ฟฝโ๏ฟฝpm = โ๐ฟ
6(๐ฬ + ๐ฬ)
c. Kecepatan pusat massa sistem adalah
๐ฃpm =โ ๐i๐ฃiNi=1
โ ๐iNi=1
=3๐๐ฃ๐ฬ + 2๐๐ฃ(โ๐ฬ)
3๐ + ๐โน ๐ฃpm =
๐ฃ
4๐ฬ
d. Kekekalan momentum sudut terhadap titik asal sistem koordinat (bisa juga terhadap
titik yang lain, silahkan dicoba sendiri ya...)
๏ฟฝโโ๏ฟฝi = ๏ฟฝโโ๏ฟฝf
[๐(2๐ฃ)๐ฟ
2+ 3๐๐ฃ
๐ฟ
6] ๏ฟฝฬ๏ฟฝ = ๐ผ0 ๏ฟฝโโโ๏ฟฝ
Setelah kedua benda menyatu, keduanya membentuk persegi bermassa 4๐ dengan
sisi 2๐ฟ. Momen inersia suatu persegi bermassa ๐ dan sisi ๐ adalah ๐ผโ = (1/6)๐๐ 2.
Maka momen inersia persegi dari gabungan kedua benda ini adalah
๐ผ0 =1
6(4๐)(2๐ฟ)2โน ๐ผ0 =
8
3๐๐ฟ2
Sehingga
3
2๐๐ฃ๐ฟ๏ฟฝฬ๏ฟฝ =
8
3๐๐ฟ2๏ฟฝโโโ๏ฟฝ โน ๏ฟฝโโโ๏ฟฝ =
9๐ฃ
16๐ฟ๏ฟฝฬ๏ฟฝ
e. Energi kinetik awal
.
. . . ๐ฟ/2
๐ฟ/2
๐ฟ/2
๐ฟ/2
๐ฟ/2
๐ฟ/2
pm
๐ฅ
๐ฆ
Basyir Al Banjari
0896-5985-6821
mechtermlighlismfism
DC3BCE5B
xanderbasyir99@gmail.com
www.basyiralbanjari.wordpress.com
Ahmad Basyir Najwan Jln. Mr. Cokrokusumo No.54 RT.015/005, Kel. Cempaka, Kec. Cempaka, Kota
Banjarbaru, Kalimantan Selatan, Kode Pos 70733 Contact Person : 0896-5985-6821
Follow my Instagram @basyir.physolymp
Hal | 20
๐ธ๐พtot,i = ๐ธ๐พrot,i + ๐ธ๐พtrans,i
๐ธ๐พtot,i = 0 +1
2(3๐)๐ฃ2 +
1
2๐(2๐ฃ)2 โน ๐ธ๐พtot,i =
7
2๐๐ฃ2
Energi kinetik akhir
๐ธ๐พtot,f = ๐ธ๐พrot,f + ๐ธ๐พtrans,f
๐ธ๐พtot,f =1
2๐ผ0|๏ฟฝโโโ๏ฟฝ|
2 +1
2(4๐)|๏ฟฝโ๏ฟฝpm|
2
๐ธ๐พtot,f =1
2(8
3๐๐ฟ2) (
9๐ฃ
16๐ฟ)2
+1
2(4๐) (
๐ฃ
4)2
โน ๐ธ๐พtot,f =35
64๐๐ฃ2
Tambahan :
Dari hasil ini kita dapat buktikan bahwa energi sistem tidak kekal
ฮ๐ธ = ๐ธ๐พtot,f โ ๐ธ๐พtot,i
ฮ๐ธ =35
64๐๐ฃ2 โ
7
2๐๐ฃ2 โน ฮ๐ธ = โ
189
64๐๐ฃ2
Tanda negatif menandakan bahwa energi sistem hilang.
Basyir Al Banjari
0896-5985-6821
mechtermlighlismfism
DC3BCE5B
xanderbasyir99@gmail.com
www.basyiralbanjari.wordpress.com
Ahmad Basyir Najwan Jln. Mr. Cokrokusumo No.54 RT.015/005, Kel. Cempaka, Kec. Cempaka, Kota
Banjarbaru, Kalimantan Selatan, Kode Pos 70733 Contact Person : 0896-5985-6821
Follow my Instagram @basyir.physolymp
Hal | 21
Nomor 8
Sebuah batang homogen bermassa ๐ dan panjang ๐ฟ ujungnya diletakkan di pojok sebuah
meja. Menggunakan kawat kaku tak bermassa sepanjang ๐ sebuah massa ๐ yang dapat
dianggap sebagai massa titik dihubungkan dengan batang dan diletakkan di atas meja.
Koefisien gesek antara batang dan pojokan meja menuju tak hingga.
a. Gambarkan gaya-gaya yang bekerja pada batang dan massa ๐ pada saat dilepaskan
dalam posisi horizontal!
b. Tentukan percepatan sudut sistem ketika batang dilepas dari posisi horizontal.
Tentukan pula jarak titik-titik pada batang yang memiliki percepatan linear lebih dari
dari percepatan gravitasi!
c. Apakah energi mekanik sistem kekal saat dia bergerak? Jelaskan mengapa iya dan
mengapa tidak!
d. Menggunakan Hukum Kekekalan Energi Mekanik tentukan kecepatan sudut sistem
ketika telah berotasi sejauh ๐!
Pembahasan :
a. Berikut gaya-gaya yang bekerja pada batang dan massa ๐.
๐
๐ ๐ฟ
๐
๐ฟ/2 ๐๐ ๐๐
๐
๐ผ
Basyir Al Banjari
0896-5985-6821
mechtermlighlismfism
DC3BCE5B
xanderbasyir99@gmail.com
www.basyiralbanjari.wordpress.com
Ahmad Basyir Najwan Jln. Mr. Cokrokusumo No.54 RT.015/005, Kel. Cempaka, Kec. Cempaka, Kota
Banjarbaru, Kalimantan Selatan, Kode Pos 70733 Contact Person : 0896-5985-6821
Follow my Instagram @basyir.physolymp
Hal | 22
Perhatikan bahwa saat posisi sistem masih horizontal, pojokan meja belum
memberikan gaya gesek.
b. Gunakan Hukum II Newton untuk gerak rotasi (kita jadikan pojokan meja sebagai
acuan karena titik ini bertindak sebagai poros)
โ๐ = ๐ผ๐ผ
๐๐๐ฟ
2โ๐๐๐ = (
1
3๐๐ฟ2 +๐๐2) ๐ผ โน ๐ผ =
3๐๐ฟ โ 6๐๐
2๐๐ฟ2 + 6๐๐2๐
Untuk titik yang berjarak ๐ dari pojok meja pada tongkat akan memiliki percepatan
linear
๐(๐) = ๐ผ๐ =3๐๐ฟ โ 6๐๐
2๐๐ฟ2 + 6๐๐2๐๐
Saat percepatan linearnya lebih dari percepatan gravitasi berlaku
๐(๐) > ๐
3๐๐ฟ โ 6๐๐
2๐๐ฟ2 + 6๐๐2๐๐ > ๐ โน ๐ >
2๐๐ฟ2 + 6๐๐2
3๐๐ฟ โ 6๐๐
Karena panjang tongkat hanya sebatas ๐ฟ, titik-titik yang memiliki percepatan linear
lebih dari percepatan gravitasi adalah titik-titik yang berada pada rentang berikut
2๐๐ฟ2 + 6๐๐2
3๐๐ฟ โ 6๐๐< ๐ < ๐ฟ
c. Energi mekanik sistem kekal karena walaupun ada gaya gesek statis pada pojokan
meja dan batang namun tidak ada gerak relatif di antara keduanya (perpindahannya
nol) sehingga usaha oleh gaya nonkonservatif (gaya gesek) bernilai nol pula.
d. Kita jadikan permukaan meja sebagai acuan energi potensial sama dengan nol.
Menggunakan konservasi energi akan kita peroleh
๐ธi = ๐ธf
0 = ๐๐๐ sin ๐ โ ๐๐๐ฟ
2 sin ๐ +
1
2(1
3๐๐ฟ2 +๐๐2)๐2
1
6(๐๐ฟ2 + 3๐๐2)๐2 =
1
2(๐๐ฟ โ 2๐๐)๐ sin ๐ โน ๐ = โ3๐ sin ๐
(๐๐ฟ โ 2๐๐)
(๐๐ฟ2 + 3๐๐2)
Basyir Al Banjari
0896-5985-6821
mechtermlighlismfism
DC3BCE5B
xanderbasyir99@gmail.com
www.basyiralbanjari.wordpress.com
Ahmad Basyir Najwan Jln. Mr. Cokrokusumo No.54 RT.015/005, Kel. Cempaka, Kec. Cempaka, Kota
Banjarbaru, Kalimantan Selatan, Kode Pos 70733 Contact Person : 0896-5985-6821
Follow my Instagram @basyir.physolymp
Hal | 23
Nomor 9
Sebuah yoyo homogen yang memiliki massa ๐ dan jari-jari luar ๐ berada di atas
permukaan bidang miring kasar yang membentuk sudut ๐ terhadap horizontal. Yoyo
dibuat diam dengan mengikatkan sebuah benang pada permukaan jari-jari dalamnya ๐
seperti tampak pada gambar. Momen inersia yoyo terhadap pusat massanya adalah ๐ผpm =
(1/2)๐๐ 2. Sistem berada dalam kesetimbangan.
a. Gambarkan diagram gaya yang bekerja pada yoyo!
b. Hitung gaya gesek yang bekerja padanya untuk kondisi ini (๐)! Nyatakan dalam ๐, ๐,
๐, ๐ , dan ๐.
c. Benang kemudian dipotong sehingga yoyo menggelinding tanpa slip. Tentukan gaya
gesek yang bekerja padanya untuk kondisi ini (๐rot)!
d. Tentukan perbandingan ๐rot/๐ untuk ๐ = ๐ /2 dan ๐ = ๐/3 radian!
Pembahasan :
a. Berikut gaya-gaya yang bekerja pada yoyo.
๐
๐ ๐ ๐
๐
๐๐
๐
๐
Basyir Al Banjari
0896-5985-6821
mechtermlighlismfism
DC3BCE5B
xanderbasyir99@gmail.com
www.basyiralbanjari.wordpress.com
Ahmad Basyir Najwan Jln. Mr. Cokrokusumo No.54 RT.015/005, Kel. Cempaka, Kec. Cempaka, Kota
Banjarbaru, Kalimantan Selatan, Kode Pos 70733 Contact Person : 0896-5985-6821
Follow my Instagram @basyir.physolymp
Hal | 24
b. Kita jadikan sumbu ๐ฅ sejajar bidang miring dan sumbu ๐ฆ tegak lurus bidang miring.
Hukum I Newton untuk gerak translasi (sumbu ๐ฅ)
โ๐นx = 0
๐ + ๐ cos ๐ โ ๐๐ sin ๐ = 0โฆ (1)
Hukum I Newton untuk gerak rotasi (terhadap pusat massa yoyo)
โ๐pm = 0
๐๐ โ ๐๐ = 0โน ๐ =๐
๐๐โฆ (2)
Subtitusi (2) ke (1)
๐ +๐
๐๐ cos ๐ โ๐๐ sin ๐ = 0 โน ๐ =
๐๐๐ sin ๐
๐ + ๐ cos๐
c. Ketika benang diputus gaya tegang ๐ akan hilang dan yoyo dipercepat ke bawah.
Karena yoyo menggelinding tanpa slip akan berlaku ๐ = ๐ผ๐ .
Hukum II Newton untuk gerak rotasi (terhadap pusat massa yoyo)
โ๐pm = ๐ผpm๐ผ
๐rot๐ =1
2๐๐ 2
๐
๐ โน ๐rot =
1
2๐๐โฆ (3)
Hukum II Newton untuk gerak translasi (sumbu ๐ฅ)
โ๐นx = 0
๐๐sin ๐ โ ๐rot = ๐๐
Subtitusi (3)
๐
๐๐
๐rot ๐
๐ผ
Basyir Al Banjari
0896-5985-6821
mechtermlighlismfism
DC3BCE5B
xanderbasyir99@gmail.com
www.basyiralbanjari.wordpress.com
Ahmad Basyir Najwan Jln. Mr. Cokrokusumo No.54 RT.015/005, Kel. Cempaka, Kec. Cempaka, Kota
Banjarbaru, Kalimantan Selatan, Kode Pos 70733 Contact Person : 0896-5985-6821
Follow my Instagram @basyir.physolymp
Hal | 25
๐๐ sin ๐ โ1
2๐๐ = ๐๐ โน ๐ =
2
3๐ sin ๐ โฆ (4)
Subtitusi (4) ke (3)
๐rot =1
3๐๐ sin ๐
d. Perbandingannya adalah
๐rot๐=๐ + ๐ cos ๐
3๐
Untuk ๐ = ๐ /2 dan ๐ = ๐/3 memberikan sin ๐ = โ3/2 dan cos๐ = 1/2 sehingga
๐rot๐=(๐ /2) + ๐ (1/2)
3(๐ /2)โน๐rot๐=2
3
Basyir Al Banjari
0896-5985-6821
mechtermlighlismfism
DC3BCE5B
xanderbasyir99@gmail.com
www.basyiralbanjari.wordpress.com
Ahmad Basyir Najwan Jln. Mr. Cokrokusumo No.54 RT.015/005, Kel. Cempaka, Kec. Cempaka, Kota
Banjarbaru, Kalimantan Selatan, Kode Pos 70733 Contact Person : 0896-5985-6821
Follow my Instagram @basyir.physolymp
Hal | 26
Nomor 10
Sebuah silinder dengan massa ๐ dan jari-jari ๐ berada di atas bidang miring dengan
sudut kemiringan ๐. Terdapat gaya gesek antara cakram dan bidang miring. Di sisi
silinder terdapat paku yang terhubung dengan kotak bermassa ๐0.
a. Tentukan sistem koordinat anda dan gambarkan diagram gaya pada silinder dan
kotak!
b. Tentukan besar ๐0 sehingga silinder tidak berotasi dan tentukan gaya gesek yang
bekerja pada silinder!
c. Tentukan besar gaya normal yang diberikan bidang miring pada silinder!
d. Tentukan nilai minimum koefisien gesek statis antara permukaan silinder dan bidang
miring!
Jangan lupa menyederhanakan jawaban anda.
Pembahasan :
a. Kita gunakan sistem koordinat kartesius seperti pada gambar. Berikut diagram gaya
yang bekerja pada silinder dan kotak.
b. Kita tinjau keseimbangan sistem dengan Hukum I Newton
Untuk ๐0 : Hukum I Newton untuk gerak translasi arah vertikal
๐
kasar (๐s)
๐
๐
๐0
๐ฅ
๐ฆ
๐
๐ ๐๐
๐ ๐
๐0๐
Basyir Al Banjari
0896-5985-6821
mechtermlighlismfism
DC3BCE5B
xanderbasyir99@gmail.com
www.basyiralbanjari.wordpress.com
Ahmad Basyir Najwan Jln. Mr. Cokrokusumo No.54 RT.015/005, Kel. Cempaka, Kec. Cempaka, Kota
Banjarbaru, Kalimantan Selatan, Kode Pos 70733 Contact Person : 0896-5985-6821
Follow my Instagram @basyir.physolymp
Hal | 27
โ๐นV = 0
๐ โ ๐0๐ = 0โน ๐ = ๐0๐โฆ (1)
Untuk ๐ : Hukum I Newton untuk gerak translasi (sumbu ๐ฅ, sumbu ๐ฆ) dan untuk
gerak rotasi (terhadap pusat massa silinder)
โ๐นx = 0
โ๐ +๐๐ sin ๐ + ๐ sin ๐ = 0 โน ๐ = ๐๐ sin ๐ + ๐ sin ๐ โฆ (2)
โ๐นy = 0
๐ โ๐๐ cos๐ โ ๐ cos๐ = 0 โน ๐ = ๐๐ cos๐ + ๐ cos๐ โฆ (3)
โ๐pm = 0
๐๐ โ ๐๐ โน ๐ = ๐โฆ (4)
Dari persamaan (1), (2) dan (4) akan kita peroleh
๐ = ๐๐ sin ๐ + ๐ sin ๐
๐0๐ = ๐๐ sin ๐ + ๐0๐ sin ๐
๐0(1 โ sin ๐) = ๐ sin ๐ โน ๐0 = ๐ sin ๐
1 โ sin ๐
c. Subtitusi ๐0 ke (1)
๐ =๐๐ sin ๐
1 โ sin ๐โฆ (5)
Subtitusi (5) ke (3)
๐ = ๐๐ cos๐ +๐๐ sin ๐
1 โ sin ๐cos ๐
๐ =๐๐ cos๐ (1 โ sin ๐) +๐๐ sin ๐ cos๐
1 โ sin ๐
๐ =๐๐ cos๐ โ๐๐ sin ๐ cos ๐ +๐๐ sin ๐ cos ๐
1 โ sin ๐โน ๐ =
๐๐ cos๐
1 โ sin ๐
d. Dari persamaan (4) kita tahu bahwa
๐ =๐๐ sin ๐
1 โ sin ๐
Maka
๐ โค ๐s๐
Basyir Al Banjari
0896-5985-6821
mechtermlighlismfism
DC3BCE5B
xanderbasyir99@gmail.com
www.basyiralbanjari.wordpress.com
Ahmad Basyir Najwan Jln. Mr. Cokrokusumo No.54 RT.015/005, Kel. Cempaka, Kec. Cempaka, Kota
Banjarbaru, Kalimantan Selatan, Kode Pos 70733 Contact Person : 0896-5985-6821
Follow my Instagram @basyir.physolymp
Hal | 28
๐๐ sin ๐
1 โ sin ๐โค ๐s
๐๐ cos๐
1 โ sin ๐
๐s โฅ tan ๐
๐s,min = tan ๐
top related