Basyir Al Banjari
0896-5985-6821
mechtermlighlismfism
DC3BCE5B
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.elphisic.elbanjari
Hal | 1
Kalimantan’s Phisics Competetion 2018
KalPhiCo 2018
Olimpiade SMA
Pembahasan Soal Tahap II
Number 1 : Analisa Grafik
Dua mobil A dan B bergerak melalui jalan yang sama dan berangkat dari titik awal yang
sama secara bersamaan. Kurva kecepatan 𝑣 kedua mobil sebagai fungsi waktu 𝑡 diberikan
pada gambar di samping.
Tentukan:
a. persamaan jarak tempuh mobil A dan B sebagai fungsi dari waktu.
b. Jika setelah menempuh jarak 60 m mobil A melambat dengan besar perlambatan yang
sama dengan percepatan ketika awal perjalanan, kapan dan dimana mobil B berhasil
menyusul kembali mobil A?
Pembahasan :
a. Mobil A melakukan gerak lurus berubah beraturan dengan kecepatan awal 𝑣𝐴,0 =
2 m/s dan percepatan
𝑎 =Δ𝑣
Δ𝑡=4 − 2
4 − 0=1
2 m/s
Kecepatan mobil A sebagai fungsi waktu adalah
𝑎 =𝑑𝑣
𝑑𝑡=1
2
∫ 𝑑𝑣𝑣𝐴(𝑡)
𝑣𝐴,0=2
= ∫1
2𝑑𝑡
𝑡
0
𝑣𝐴(𝑡) − 2 =1
2𝑡 ⟹ 𝑣𝐴(𝑡) = 2 +
1
2𝑡
Jarak tempuh mobil A sebagai fungsi waktu adalah
𝑣𝐴(𝑡) =𝑑𝑥𝐴𝑑𝑡
= 2 +1
2𝑡
𝑣(m/s)
𝑡(s) 4
2
4
mobil A
mobil B
Basyir Al Banjari
0896-5985-6821
mechtermlighlismfism
DC3BCE5B
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.elphisic.elbanjari
Hal | 2
∫ 𝑑𝑥𝐴
𝑥𝐴(𝑡)
0
= ∫ (2 +1
2𝑡) 𝑑𝑡
𝑡
0
⟹ 𝑥𝐴(𝑡) = 2𝑡 +1
4𝑡2
Mobil B melakukan gerak lurus beraturan (percepatannya nol) dengan kecepatan
konstan 𝑣𝐵 = 4 m/s, maka jerak tempuh mobil B sebagai fungsi waktu adalah
𝑣𝐵 =𝑑𝑥𝐵𝑑𝑡
= 4
∫ 𝑑𝑥𝐵
𝑥𝐵(𝑡)
0
= ∫ 4𝑑𝑡𝑡
0
⟹ 𝑥𝐵(𝑡) = 4𝑡
b. Ketika mobil A mencapai jarak 60 meter berarti 𝑡 = 12 s (silahkan buktikan) dan saat
itu kecepatannya adalah 8 m/s (silahkan buktikan). Kemudian pada saat itu pula
mobil B telah menempuh jarak 48 m. Posisi kedua mobil sekarang sebagai fungsi
waktu akan menjadi
𝑥𝐴(𝑡) = 𝑥𝐴,0′ + 𝑣0,𝐴
′ 𝑡′ +1
2𝑎𝐴′ 𝑡′
2= 60 + 8𝑡′ −
1
4𝑡′2
𝑥𝐵(𝑡) = 𝑥𝐵,0′ + 𝑣0,𝐵
′ 𝑡′ +1
2𝑎𝐵′ 𝑡′
2= 48 + 4𝑡′
Saat kedua mobil bertemu, dia berada di posisi yang sama, misal terjadi saat 𝑡′ = 𝜏
𝑥𝐴(𝜏) = 𝑥𝐵(𝜏)
60 + 8𝜏 −1
4𝜏2 = 48 + 4𝜏
1
4𝜏2 − 4𝜏 − 12 = 0
𝜏2 − 16𝜏 − 48 = 0
Dengan rumus kuadrat
𝜏 =−(−16) ± √(−16)2 − 4(1)(−48)
2(1)
𝜏 =16 ± √256 + 192
2
𝜏 =16 ± √448
2=16 ± 8√7
2
𝜏 = 8 ± 4√7
𝜏 = 8 + 4√7 ≈ 18,6 s atau 𝜏 = −2,6 s
Solusi yang fisis adalah 𝜏 = 18,6 s sedangkan 𝜏 = −2,6 s bukanlah solusi yang
diharapkan, nilai negatif menandakan kejadian yang terjadi sebelum acuan kondisi
awal kita, yaitu 𝑡 = 12 s. Hal ini karena adanya perubahan arah percepatan pada
mobil A. Kita tahu dari grafik pada c bahwa setelah bertemu untuk pertama kalinya,
mobil A akan berada di depan mobil B sehingga ketika diperlambat, mobil A dan B
hanya akan berpapasan satu kali.
Jika dihitung dari saat awal, maka kedua mobil akan bertemu kembali saat
Basyir Al Banjari
0896-5985-6821
mechtermlighlismfism
DC3BCE5B
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.elphisic.elbanjari
Hal | 3
𝑇 = 𝑡 + 𝜏 = 12 + 18,6 = 30,6 s
Posisi kedua mobil saat itu dihitung dari posisi awal adalah
𝑥𝐵(𝜏) = 𝑥𝐴(𝜏) = 48 + 4(30,6 ) = 170,4 m
Number 2 : Tangga yang Meluncur
Sebuah tangga pejal homogen dengan massa 𝑚 dan panjang 𝑙 bersandar pada dinding
licin dan berada di atas lantai yang juga licin. Mula-mula tangga di sandarkan HAMPIR
menempel dengan dinding dan dalam keadaan diam. Setelah di lepas tangga itu pada
bagian atasnya merosot ke bawah, dan tangga bagian bawah bergerak ke kanan, seperti
ditunjukkan pada gambar di bawah.
Tentukan Kecepatan pusat massa dari tangga tersebut selama bergerak!
Pembahasan :
a. Kita gunakan definisi dari soal bahwa sudut antara tangga dan dinding adalah 𝜃.
Kecepatan pusat tangga berubah-ubah dan kita bisa menyatakannya sebagai fungsi
dari sudut 𝜃. Hal ini boleh dilakukan karena soal menanyakan kecepatan pusat massa
batang selama bergerak, sedangkan nilainya berubah-ubah, maka kita bisa
menyatakannya sebagai satu buah variabel yang berubah dan dalam hal ini kita pilih
𝜃. Sebenarnya bisa juga kita nyatakan dalam variabel lain seperti tinggi titik sentuh
tangga dengan dinding, atau jarak titik sentuh tangga dengan lantai terhadap dinding,
namun bentuk yang cukup sederhana adalah ketika kita nyatakan sebagai fungsi 𝜃.
Soal ini lebih mudah kita kerjakan menggunakan Hukum Kekekalan Energi Mekanik
(yap betul, energi mekanik sistem kekal karena tidak ada gaya non konservatif yang
bekerja pada tangga, hal ini juga karena seluruh permukaan licin). Kita jadikan lantai
sebagai acuan energi potensial sama dengan nol, energi mekanik awal sistem adalah
𝐸𝑀𝑖 =1
2𝑚𝑔𝐿
Kemudian kita tinjau energi tangga ketika sudah bergerak dan membentuk sudut 𝜃
terhadap dinding. Hal yang perlu diamati di sini adalah energi kinetik batang. Batang
Basyir Al Banjari
0896-5985-6821
mechtermlighlismfism
DC3BCE5B
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.elphisic.elbanjari
Hal | 4
memiliki komponen kecepatan pusat massa arah horizontal 𝑣𝑥 dan arah vertikal 𝑣𝑦
serta batang juga berotasi terhadap pusat massanya sendiri dengan kecepatan sudut
𝜔. Sehingga energi tangga akan menjadi
𝐸𝑀𝑓 =1
2𝑚𝑔𝐿 cos 𝜃 +
1
2𝑚(𝑣𝑥
2 + 𝑣𝑦2) +
1
2𝐼𝜔2
Selanjutnya kita cari dulu hubungan 𝑣𝑥, 𝑣𝑦, dan 𝜔.
Dapat kita lihat bahwa ujung atas tangga hanya bergerak dalam arah vertikal dan
ujung bawah tangga hanya bergerak dalam arah vertikal. Kita tinjau gerak pusat
massa arah horizontal relatif terhadap ujung atas tangga akan kita dapatkan
𝑣𝑥 =𝜔𝐿
2cos 𝜃
Kemudian tinjau gerak pusat massa arah vertikal relatif terhadap ujung bawah tangga
akan kita dapatkan pula
𝑣𝑦 =𝜔𝐿
2sin 𝜃
Kita modifikasi menjadi
𝑣𝑥2 + 𝑣𝑦
2 = (𝜔𝐿
2cos 𝜃)
2
+ (𝜔𝐿
2sin 𝜃)
2
=𝜔2𝐿2
4
Juga kita tahu bahwa 𝑣𝑥2 + 𝑣𝑦
2 = 𝑣2 adalah kecepatan pusat massa batang sehingga
𝜔2 =4𝑣2
𝐿2
momen inersia batang terhadap pusat massanya adalah 𝐼 =1
12𝑚𝐿2
𝐸𝑀𝑓 =1
2𝑚𝑔𝐿 cos 𝜃 +
1
2𝑚𝑣2 +
1
2(1
12𝑚𝐿2) (
4𝑣2
𝐿2)
𝐸𝑀𝑓 =1
2𝑚𝑔𝐿 cos 𝜃 +
2
3𝑚𝑣2
Hukum Kekekalan Energi mekanik
𝐸𝑀𝑖 = 𝐸𝑀𝑓
𝑣𝑥
𝑣𝑦
𝑣𝐴
𝑣𝐵 𝜔 𝜃
Basyir Al Banjari
0896-5985-6821
mechtermlighlismfism
DC3BCE5B
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.elphisic.elbanjari
Hal | 5
1
2𝑚𝑔𝐿 =
1
2𝑚𝑔𝐿 cos 𝜃 +
2
3𝑚𝑣2
1
2𝑔𝐿(1 − cos 𝜃) =
2
3𝑣2
𝑣2 =4𝑔𝐿
3(1 − cos 𝜃) ⟹ 𝑣 = √
3𝑔𝐿
4(1 − cos 𝜃)
Number 3 : Sistem Katrol dan Dua Silinder Pejal
Pada sistem di bawah ini, benda berupa silinder dengan jari-jari luar 𝑅, jari-jari dalam 𝑟
terletak pada bidang miring. Sedangkan massa yang tergantung adalah silinder yang juga
berjari-jari 𝑟. Abikan massa katrol pada bidang miring. Gunakan momen inersia silinder
1/2 𝑀𝑅2. Tinjau kasus bidang miring licin. Tentukan percepatan 𝑚 terhadap bumi.
Pembahasan :
Perhatikan gambar di bawah ini!
Percepatan pusat massa silinder 𝑀 terhadap tanah adalah 𝑎𝑀
Percepatan sudut silinder 𝑀 terhadap tanah adalah 𝛼𝑀
Percepatan pusat massa silinder 𝑚 terhadap tanah adalah 𝑎𝑚
Percepatan sudut silinder 𝑚 terhadap tanah adalah 𝛼𝑚
𝑀
𝑅
𝑚
𝜃
𝑟
𝑟
𝑀
𝑅
𝑚
𝜃
𝑟
𝑟
𝑚𝑔
𝑀𝑔
𝑇 𝑇
𝑎𝑚
𝑁
𝛼𝑚
𝛼𝑀
Basyir Al Banjari
0896-5985-6821
mechtermlighlismfism
DC3BCE5B
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.elphisic.elbanjari
Hal | 6
Hukum II Newton Untuk gerak silinder 𝑀
Translasi
𝑀𝑔 sin 𝜃 − 𝑇 = 𝑀𝑎𝑀…(1)
Rotasi
𝑇𝑟 =1
2𝑀𝑅2𝛼𝑀 ⟹ 𝑇 =
1
2𝑟𝑀𝑅2𝛼𝑀…(2)
Hukum II Newton Untuk gerak silinder 𝑚
Translasi
𝑚𝑔 − 𝑇 = 𝑚𝑎𝑚…(3)
Rotasi
𝑇𝑟 =1
2𝑚𝑟2𝛼𝑚 ⟹ 𝑇 =
1
2𝑚𝑟𝛼𝑚 …(4)
Jika diperhatikan percepatan silinder 𝑚 adalah percepatan tali ditambah percepatan
pusat massa silinder 𝑚 terhadap tali yang besarnya adalah 𝛼𝑚𝑟 (silider 𝑚 dapat dianggap
menggelinding tanpa silip pada tali). Sekarang berapa nilai percepatan tali. Kita amati
silinder 𝑀. Tali dipercepat ke kanan bawah sejajar bidang miring dengan percepatan 𝑎𝑀
namun juga dipercepat ke kiri atas sejajar bidang miring dengan percepatan 𝛼𝑀𝑟. Jika
kita asumsikan tali lebih cenderung bergerak ke kiri atas atau nilai 𝛼𝑀𝑟 > 𝑎𝑀 maka
percepatannnya adalah 𝑎𝑡𝑎𝑙𝑖 = 𝛼𝑀𝑟 − 𝑎𝑀 dan jika pun sebaliknya yaitu tali lebih
cenderung bergerak ke kanan bawah atau nilai 𝛼𝑀𝑟 < 𝑎𝑀 maka percepatannya adalah
𝑎𝑡𝑎𝑙𝑖 = 𝑎𝑀 − 𝛼𝑀𝑟. Jika kita hubungkan dengan percepatan silinder 𝑚 akan menjadi
Untuk asumsi pertama 𝛼𝑀𝑟 > 𝑎𝑀 (arah percepatan tali searah dengan percepatan
silinder 𝑚)
𝑎𝑚 = 𝛼𝑚𝑟 + 𝑎𝑡𝑎𝑙𝑖 = 𝛼𝑚𝑟 + 𝛼𝑀𝑟 − 𝑎𝑀
Untuk asumsi kedua 𝛼𝑀𝑟 < 𝑎𝑀 (arah percepatan tali berlawanan arah dengan
percepatan silinder 𝑚)
𝑎𝑚 = 𝛼𝑚𝑟 − 𝑎𝑡𝑎𝑙𝑖 = 𝛼𝑚𝑟 − (𝑎𝑀 − 𝛼𝑀𝑟) = 𝛼𝑚𝑟 + 𝛼𝑀𝑟 − 𝑎𝑀
Dan hasilnya sama saja, jadi dapat kita simpulkan hubungan antar percepatannya adalah
𝑎𝑚 = 𝛼𝑚𝑟 + 𝛼𝑀𝑟 − 𝑎𝑀 …(5)
Subtitusi persamaan (4) ke (3)
𝑚𝑔 −1
2𝑚𝑟𝛼𝑚 = 𝑚𝑎𝑚 ⟹ 𝛼𝑚𝑟 = 2𝑔 − 2𝑎𝑚…(6)
Basyir Al Banjari
0896-5985-6821
mechtermlighlismfism
DC3BCE5B
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.elphisic.elbanjari
Hal | 7
Subtitusi persamaan (2) ke (3)
𝑚𝑔 −1
2𝑟𝑀𝑅2𝛼𝑀 = 𝑚𝑎𝑚 ⟹ 𝛼𝑀𝑟 =
2𝑚𝑟2
𝑀𝑅2(𝑔 − 𝑎𝑚)… (7)
Kurangkan persamaan (1) dengan (3)
𝑀𝑔 sin 𝜃 − 𝑇 = 𝑀𝑎𝑀𝑚𝑔 − 𝑇 = 𝑚𝑎𝑚
(𝑀 sin 𝜃 − 𝑚)𝑔 = 𝑀𝑎𝑀 −𝑚𝑎𝑚−
𝑎𝑀 =(𝑀 sin 𝜃 −𝑚)𝑔 +𝑚𝑎𝑚
𝑀…(8)
Subtitusi persamaan (6), (7), dan (8) ke (5)
𝑎𝑚 = 2𝑔 − 2𝑎𝑚 +2𝑚𝑟2
𝑀𝑅2(𝑔 − 𝑎𝑚) −
(𝑀 sin 𝜃 − 𝑚)𝑔 +𝑚𝑎𝑚𝑀
𝑀𝑅2𝑎𝑚 = 2𝑀𝑅2𝑔 − 2𝑀𝑅2𝑎𝑚 + 2𝑚𝑟
2𝑔 − 2𝑚𝑟2𝑎𝑚 − (𝑀 sin 𝜃 − 𝑚)𝑅2𝑔 −𝑚𝑅2𝑎𝑚
𝑀𝑅2𝑎𝑚 + 2𝑀𝑅2𝑎𝑚 + 2𝑚𝑟
2𝑎𝑚 +𝑚𝑅2𝑎𝑚 = 2𝑀𝑅
2𝑔 + 2𝑚𝑟2𝑔 − (𝑀 sin 𝜃 − 𝑚)𝑅2𝑔
[3𝑀𝑅2 +𝑚(2𝑟2 + 𝑅2)]𝑎𝑚 = [𝑚(2𝑟2 + 𝑅2) + (2 − sin 𝜃)𝑀𝑅2]𝑔
𝑎𝑚 =𝑚(2𝑟2 + 𝑅2) + (2 − sin 𝜃)𝑀𝑅2
3𝑀𝑅2 +𝑚(2𝑟2 + 𝑅2)𝑔
Number 4 : Osilasi Sistem Dua Massa Dengan Gaya Gravitasi sebagai Gaya Pemulihnya
Tinjau sebuah sistem terisolasi yang terdiri dari 2 benda, 𝑚1
dan 𝑚2. Dalam sistem ini gaya gravitasi lain dari benda lain
di luar sistem dapat diabaikan. Massa 𝑚1 terpasang pada tali
tak bermassa sepanjang d dan membentuk sebuah bandul
yang dipasang tetap pada titik O. Massa 𝑚1 hanya
mengalami gaya gravitasi dengan bola homogen bermassa
𝑚2 berjari-jari 𝑅 yang posisinya tetap dimana pusat bola
berjarak 𝐿 dari titik O. Nilai 𝐿 hanya sedikit lebih besar dari
𝑑 + 𝑅. Sudut antara tali dan garis vertikal yang melalui titik
O adalah 𝜃, dimana diasumsikan 𝜃 kecil. Tentukan periode
osilasi 𝑚1.
Petunjuk : kita bisa menyelesaikan soal ini dengan metode energi maupun metode gaya.
Pembahasan :
Cara 1 : Metode Gaya
Karena gerak massa 𝑚1 berayun, kita akan lebih mudah menentukan persamaan
geraknya dengan meninjau gerak rotasinya. Torsi pemulih yang bekerja pada massa 𝑚1
𝜃 𝑑
𝐿 𝑚1
𝑅
𝑚2
Basyir Al Banjari
0896-5985-6821
mechtermlighlismfism
DC3BCE5B
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.elphisic.elbanjari
Hal | 8
diberikan oleh gaya gravitasi akibat adanya bola 𝑚2 dan arah gaya ini selalu menuju pusat
bola 𝑚2. Perhatikan gambar di bawah ini!
Gaya gravitasi bekerja pada massa 𝑚1adalah
𝐹𝑔 =𝐺𝑚1𝑚2
𝑠2
Menggunakan hukum dua neton tentang gerak rotasi akan kita dapatkan
𝐹𝑔 sin(𝜃 + 𝜙)𝑑 = 𝑚1𝑑2𝛼
𝐺𝑚2
𝑑𝑠2(sin 𝜃 cos𝜙 + sin𝜙 cos 𝜃) = 𝛼… (1)
Perhatikan lagi gambar di atas, kita bisa mendapatkan nilai 𝑠 dengan menggunakan
phytagoras
𝑠2 = (𝐿 − 𝑑 cos 𝜃)2 + 𝑑2 sin2 𝜃
𝑠2 = 𝐿2 − 2𝐿𝑑 cos 𝜃 + 𝑑2 cos2 𝜃 + 𝑑2 sin2 𝜃
𝑠2 = 𝐿2 − 2𝐿𝑑 cos 𝜃 + 𝑑2(sin2 𝜃 + cos2 𝜃)
𝑠2 = 𝐿2 − 2𝐿𝑑 cos 𝜃 + 𝑑2
Dengan menggunakan aturan dasar trigonometri akan kita dapatkan
sin𝜙 =𝑑𝑒𝑝𝑎𝑛
𝑚𝑖𝑟𝑖𝑛𝑔=𝑑 sin 𝜃
𝑠
cos𝜙 =𝑠𝑎𝑚𝑝𝑖𝑛𝑔
𝑚𝑖𝑟𝑖𝑛𝑔=𝐿 − 𝑑 cos 𝜃
𝑠
𝐹𝑔 sin(𝜃 + 𝜙)
𝐹𝑔
𝜃 𝑑
𝐿 𝑚1
𝑅 𝑚2
𝑑 cos 𝜃
𝐿 − 𝑑 cos 𝜃
𝑠 𝜙
𝑑 sin 𝜃
Basyir Al Banjari
0896-5985-6821
mechtermlighlismfism
DC3BCE5B
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.elphisic.elbanjari
Hal | 9
Karena kita asumsikan simpangan sudut 𝜃 sangat kecil, kita bisa menggunakan hampiran
berikut
sin 𝜃 ≈ 𝜃 dan cos 𝜃 ≈ 1, maka akan kita dapatkan
𝑠2 = 𝐿2 − 2𝐿𝑑 + 𝑑2 = (𝐿 − 𝑑)2
𝑠 = 𝐿 − 𝑑
sin𝜙 =𝑑𝜃
𝑠
cos𝜙 =𝐿 − 𝑑
𝑠
Subtitusi hasil ini ke persamaan (1)
𝐺𝑚2
𝑑𝑠2(𝜃𝐿 − 𝑑
𝑠+𝑑𝜃
𝑠) = 𝛼
𝐺𝑚2𝐿
𝑑𝑠3𝜃 = 𝛼
𝐺𝑚2𝐿
𝑑(𝐿 − 𝑑)3𝜃 = 𝛼…(2)
Perhatikan bahwa arah simpangan 𝜃 adalah berlawanan arah jarum jam dari titik
setimbangnya sedangkan arah percepatan sudut nya searah jarum jam, berarti
percepatan sudut massa 𝑚1 adalah negatif(karena berlawanan arah) dari turunan kedua
simpangan sudutnya atau
𝛼 = −𝑑2𝜃
𝑑𝑡2= −�̈�
Subtitusi hasil ini ke persamaan dua dan kita akan dapatkan persamaan gerak harmonik
sederhana sistem
𝐺𝑚2𝐿
𝑑(𝐿 − 𝑑)3𝜃 = −�̈�
�̈� +𝐺𝑚2𝐿
𝑑(𝐿 − 𝑑)3𝜃 = 0
Persamaan terakhir analog dengan persamaan umum gerak harmonik sederhana yang
berbentuk �̈� + 𝜔2𝜃 = 0, maka kecepatan sudut osilasi sistem adalah
𝜔 = √𝐺𝑚2𝐿
𝑑(𝐿 − 𝑑)3
Dan periode osilasinya akan menjadi
Basyir Al Banjari
0896-5985-6821
mechtermlighlismfism
DC3BCE5B
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.elphisic.elbanjari
Hal | 10
𝑇 =2𝜋
𝜔→ 𝑇 = 2𝜋√
𝑑(𝐿 − 𝑑)3
𝐺𝑚2𝐿
Cara 2 : Metode Energi
Sebenarnya menggunakan cara energi untuk sistem ini akan lebih cepat namun
terkadang ada soal yang lebih mudah menggunakan cara gaya ataupun cara energi, jadi
kita harus bisa keduanya dan tentunya harus bisa memilih cara mana yang paling efisien.
Untuk menggunakan cara ini kita harus
tentukan energi total sistem terlebih dahulu.
Karena tidak ada gaya udara dan gaya luar
non-konservatif yang bekerja pada sistem,
maka energi total sistem kekal. Untuk
mendapatkan persamaan geraknya, kita cukup
menurun persaan energinya satu kali terhadap
waktu dan karena energi kekal atau konstan,
turunannya ini akan sama dengan nol. Baik
akan saya contohkan caranya.
Energi total sistem adalah energi
mekanik(𝐸𝑀) yang terdiri dari energi
kinetik(𝐸𝐾) dan energi potensial(𝐸𝑃)nya.
𝐸𝑀 = 𝐸𝑃 + 𝐸𝐾
𝐸𝑀 = −𝐺𝑚1𝑚2
𝑠+1
2𝑚1𝑑
2 (𝑑𝜃
𝑑𝑡)2
𝑠 = (𝐿2 − 2𝐿𝑑 cos 𝜃 + 𝑑2)12
𝐸𝑀 = −𝐺𝑚1𝑚2
(𝐿2 − 2𝐿𝑑 cos 𝜃 + 𝑑2)12
+1
2𝑚1𝑑
2 (𝑑𝜃
𝑑𝑡)2
Turunan pertama energi sistem terhadap waktu sama dengan nol karena energi kekal
atau konstan atau bisa juga dikatakan energi sistem tidak berubah, sehingga
perubahannya nol.
𝑑(𝐸𝑀)
𝑑𝑡= 0
𝑑
𝑑𝑡(−
𝐺𝑚1𝑚2
(𝐿2 − 2𝐿𝑑 cos 𝜃 + 𝑑2)12
+1
2𝑚1𝑑
2 (𝑑𝜃
𝑑𝑡)2
) = 0
𝜃 𝑑
𝐿 𝑚1
𝑅 𝑚2
𝑑 cos 𝜃
𝐿 − 𝑑 cos 𝜃
𝑠 𝜙
𝑑 sin 𝜃
Basyir Al Banjari
0896-5985-6821
mechtermlighlismfism
DC3BCE5B
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.elphisic.elbanjari
Hal | 11
𝑑
𝑑𝑡(−𝐺𝑚1𝑚2(𝐿
2 − 2𝐿𝑑 cos 𝜃 + 𝑑2)−12 +
1
2𝑚1𝑑
2 (𝑑𝜃
𝑑𝑡)2
) = 0
1
2𝐺𝑚1𝑚2(𝐿
2 − 2𝐿𝑑 cos 𝜃 + 𝑑2)−32 (2𝐿𝑑 sin 𝜃
𝑑𝜃
𝑑𝑡) +
1
2𝑚1𝑑
22𝑑𝜃
𝑑𝑡
𝑑2𝜃
𝑑𝑡2= 0
𝐺𝑚2𝐿
𝑑(𝐿2 − 2𝐿𝑑 cos 𝜃 + 𝑑2)32
sin 𝜃 +𝑑2𝜃
𝑑𝑡2= 0
Gunakan kembali pendekatan sin 𝜃 ≈ 𝜃 dan cos 𝜃 ≈ 1
𝑑2𝜃
𝑑𝑡2+
𝐺𝑚2𝐿
𝑑(𝐿2 − 2𝐿𝑑 + 𝑑2)32
𝜃 = 0
𝑑2𝜃
𝑑𝑡2+
𝐺𝑚2𝐿
𝑑(𝐿 − 𝑑)3𝜃 = 0
𝜔 = √𝐺𝑚2𝐿
𝑑(𝐿 − 𝑑)3 dan 𝑇 = 2𝜋√
𝑑(𝐿 − 𝑑)3
𝐺𝑚2𝐿
Number 5 : Roket Berpindah Orbit
Sebuah roket bermassa total 𝑚 mengelilingi bumi pada
low earth orbit berbentuk lingkaran dengan jari-jari orbit
𝑅1. Roket ini akan berpindah orbit menuju orbit menuju
orbit berjari jari 𝑅2 > 𝑅1 dengan cara mengubah bentuk
orbitnya dalam bentuk orbit elips seperti yang
ditunjukkan oleh garis tebal pada gambar disamping.
Manuver orbit ini dicapai dengan membuang bahan
bakar sebanyak Δ𝑚1 > 0 sehingga memberika laju Δ𝑣1
searah kecepatan orbit pada orbit rendah. Kemudian
roket membuang lagi bahan bakar sebanyak Δ𝑚2 > 0
sehingga memberikan tambahan laju Δ𝑣2 searah kecepatan orbit pada orbit tinggi. Laju
orbit roket untuk orbit rendah adalah 𝑣𝑅1 . Bahan bakar roket memiliki laju buang
konstan 𝑣𝑓relatif terhadap roket. Tentukan tambahan laju Δ𝑣1 yang dibutuhkan untuk
mengubah orbit dari lingkaran berjari-jari 𝑅1 menjadi elips (nyatakan dalam 𝑣𝑅1 , 𝑅1, 𝑅2).
Pembahasan :
Kecepatan roket ketika berada di orbit 𝑅1 adalah 𝑣𝑅1. Dengan menggunakan persamaan
gaya sentripetal dimana gaya gravitasilah yang berperan sabagai gaya sentripetal di sini,
kita bisa menyatakan 𝑣𝑅1 ulang sebagai berikut
𝐹𝐺 = 𝐹𝑠
𝑅2
𝑅1
𝑚
Basyir Al Banjari
0896-5985-6821
mechtermlighlismfism
DC3BCE5B
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.elphisic.elbanjari
Hal | 12
𝐺𝑀𝐵𝑚
𝑅12 =
𝑚𝑣𝑅12
𝑅1
𝑣𝑅12 =
𝐺𝑀𝐵𝑅1
→ 𝑣𝑅1 = √𝐺𝑀𝐵𝑅1
Roket kemudian membuang bahan bakarnya sehingga kecepatannya bertambah dan
lintasan roket berubah menjadi elips. Ketika penambahan kecepatan ini terjadi, roket
berada di perihelium atau jarak terdekatnya dengan bumi yaitu 𝑅1 dan kecepatannya di
sini adalah 𝑣𝑝. Planet terus bergerak sampai suatu ketika dia berada di aphelium atau
jarak terjauhnya dari bumi dalam lintasan elips ini yaitu 𝑅2 dan kecepatannya di sini
adalah 𝑣𝑎 . Kita bisa mencari 𝑣𝑝 dan 𝑣𝑎 dari hukum kekekalan momentum sudut dan
hukum kekekalan energi. Pada kasus gerak melingkar terhadap dengan gaya gravitasi
sebagai gaya sentripetalnya momentum sudut sistem akan kekal karena arah gaya
gravitasi dan jari-jarinya sejajar, karena torsi adalah perkalian silang antara keduanya
maka nilai torsi eksternal pada sistem bernilai nol. Alhasil momentum sudut sistem kekal.
Kita gunakan hukum kekekalan momentum sudut untuk keadaan perihelium dan
aphelium
𝐿𝑎 = 𝐿𝑝
(𝑚 − Δ𝑚1)𝑣𝑎𝑅2 = (𝑚 − Δ𝑚1)𝑣𝑝𝑅1
𝑣𝑎 =𝑅1𝑅2𝑣𝑝
Kemudian kita gunakan hukum kekekalan energi untuk dua keadaan seperti sebelumnya
−𝐺𝑀𝐵(𝑚 − Δ𝑚1)
𝑅2+1
2(𝑚 − Δ𝑚1)𝑣𝑎
2 = −𝐺𝑀𝐵(𝑚 − Δ𝑚1)
𝑅1+1
2(𝑚 − Δ𝑚1)𝑣𝑝
2
1
2(𝑚 − Δ𝑚1) (
𝑅1𝑅2𝑣𝑝)
2
−1
2(𝑚 − Δ𝑚1)𝑣𝑝
2 = −𝐺𝑀𝐵(𝑚 − Δ𝑚1)
𝑅1+𝐺𝑀𝐵(𝑚 − Δ𝑚1)
𝑅2
𝑅12 − 𝑅2
2
𝑅22 𝑣𝑝
2 = 2𝐺𝑀𝐵𝑅2 − 𝑅1𝑅1𝑅2
(𝑅1 − 𝑅2)(𝑅1 + 𝑅2)
𝑅22 𝑣𝑝
2 = 2𝐺𝑀𝐵𝑅1 − 𝑅2𝑅1𝑅2
𝑣𝑝2 =
2𝑅2𝑅2 + 𝑅1
𝐺𝑀𝐵𝑅1
𝑣𝑝 = √2𝑅2
𝑅2 + 𝑅1√𝐺𝑀𝐵𝑅1
𝑣𝑝 = √2𝑅2
𝑅2 + 𝑅1𝑣𝑅1
Basyir Al Banjari
0896-5985-6821
mechtermlighlismfism
DC3BCE5B
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.elphisic.elbanjari
Hal | 13
𝑣𝑎 =𝑅1𝑅2𝑣𝑝 =
𝑅1𝑅2√
2𝑅2𝑅2 + 𝑅1
𝑣𝑅1
Penambahan kecepatan Δ𝑣1 ketika orbit planet berubah dari orbit awal berjari-jari 𝑅1
menjadi orbit elips adalah
Δ𝑣1 = 𝑣𝑝 − 𝑣𝑅1 = √2𝑅2
𝑅2 + 𝑅1𝑣𝑅1 − 𝑣𝑅1
Δ𝑣1 = 𝑣𝑅1 (√2𝑅2
𝑅2 + 𝑅1− 1)
Number 6 : Perbandingan Energi Kinetik Roda Luar dan Dalam
Sebuah mobil roda empat membelok pada suatu tikungan berbentuk lingkaran. Lintasan
tengah poros roda belakang membentuk lingkaran terhadap pusat tikungan tersebut
dengan jari-jari 𝑅. Panjang poros atau jarak antara kedua roda belakang adalah 𝐻. Massa
masing-masing roda belakang adalah 𝑚. Roda belakang dapat diasumsikan sebagai suatu
cakram dengan jari-jari 𝑏. Ambil nilai 𝑅 = 10 meter, 𝐻 = 2 meter dan 𝑏 = 0,5 meter.
Jika perbandingan energi kinetik total antara roda belakang luar dengan roda belakang
dalam adalah 𝑘, tentukan nilai 𝑘.
Pembahasan :
Misalkan
Kecepatan pusat massa dan kecepatan sudut roda belakang dalam 𝑣1 dan 𝜔1
Kecepatan pusat massa dan kecepatan sudut roda belakang luar 𝑣2 dan 𝜔2
Kecepatan sudut bagian tengah poros kedua roda belakang terhadap pusat lintasan ω
Energi kinetik roda daalam adalah
𝐸𝐾1 =1
2𝑚𝑣1
2 +1
2(1
2𝑚𝑏2)𝜔1
2
Gerakan roda adalah menggelinding tanpa slip maka akan berlaku
𝑣1 = 𝜔1𝑏
𝐸𝐾1 =3
4𝑚𝑏2𝜔1
2
Dengan cara yang sama energi kinetik roda luar adalah
𝐸𝐾2 =3
4𝑚𝑏2𝜔2
2
Hubungan 𝜔1 dengan 𝜔
𝑣1 = 𝜔1𝑏 = 𝜔 (𝑅 −1
2𝐻) ⟹ 𝜔1 =
2𝑅 − 𝐻
2𝑏𝜔
Hubungan 𝜔2 dengan 𝜔
Basyir Al Banjari
0896-5985-6821
mechtermlighlismfism
DC3BCE5B
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.elphisic.elbanjari
Hal | 14
𝑣2 = 𝜔2𝑏 = 𝜔 (𝑅 +1
2𝐻) ⟹ 𝜔2 =
2𝑅 + 𝐻
2𝑏𝜔
Energi kinetik kedua roda menjadi
𝐸𝐾1 =3
16𝑚(2𝑅 − 𝐻)2𝜔
𝐸𝐾2 =3
16𝑚(2𝑅 + 𝐻)2𝜔
Perbandingan energi kinetik roda luar dan dalam adalah
𝐸𝐾2𝐸𝐾1
=
316𝑚
(2𝑅 + 𝐻)2𝜔
316𝑚
(2𝑅 − 𝐻)2𝜔
𝐸𝐾2𝐸𝐾1
= (2𝑅 + 𝐻
2𝑅 − 𝐻)2
Sampai disini, menurut kamu apakah hasil ini benar? So far, sebenarnya ada hal yang lupa
dipertimbangkan sehingga hasil ini tidak benar. Hasil tadi akan benar jika roda bukanlah
benda tegar, namun kenyataannya di sini, ukuran roda tidak bisa kita abaikan. So mari
kita tinjau ulang.
Gerakan roda belakang dalam dan luar sebenarnya adalah seperti berikut
Kita buat permisalan yang baru. Misalkan
Kecepatan sudut roda belakang luar terhadap pusat lintasan dan pusat massanya sendiri
adalah Ω1 dan 𝜔1
Kecepatan sudut roda belakang dalam terhadap pusat lintasan dan pusat massanya
sendiri adalah Ω2 dan 𝜔2
Kecepatan sudut bagian tengah poros kedua roda belakang terhadap pusat lintasan ω
Energi kinetik roda belakang bagian luar dan dalam adalah
𝐸𝐾1 =1
2𝐼pl1Ω1
2 +1
2𝐼pm𝜔1
2
𝐸𝐾2 =1
2𝐼pl2Ω2
2 +1
2𝐼pm𝜔2
2
𝑅 𝐻
𝑧
𝑦
𝑥
Basyir Al Banjari
0896-5985-6821
mechtermlighlismfism
DC3BCE5B
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.elphisic.elbanjari
Hal | 15
Dengan 𝐼pm adalah momen inersia roda terhadap pusat massanya dan roda berputar
terhadap sumbu 𝑧 sedangkan 𝐼pl1 dan 𝐼pl2 adalah momen inersia masing-masing roda
terhadap pusat lintasan.
𝐼pm = 𝐼𝑧 =1
2𝑚𝑏2
Untuk menghitung 𝐼pl1 dan 𝐼pl2 kita hitung dulu momen inersia roda untuk rotasi pada
sumbu 𝑦 menggunakan teorema sumbu tegak lurus
𝐼𝑧 = 𝐼𝑥 + 𝐼𝑦
Karena roda simetri 𝐼𝑥 = 𝐼𝑦 maka
𝐼𝑦 =1
2𝐼𝑧 =
1
4𝑚𝑏2
Momen inersia roda luar dan dalam terhadap pusat lintasan dapat kita cari menggunakan
teorema sumbu sejajar
𝐼pl1 = 𝐼𝑦 +𝑚(𝑅 +1
2𝐻)
2
=1
4𝑚𝑏2 +𝑚(𝑅 +
1
2𝐻)
2
=1
4𝑚[𝑏2 + (2𝑅 + 𝐻)2]
𝐼pl2 = 𝐼𝑦 +𝑚(𝑅 −1
2𝐻)
2
=1
4𝑚𝑏2 +𝑚(𝑅 −
1
2𝐻)
2
=1
4𝑚[𝑏2 + (2𝑅 − 𝐻)2]
Hubungan 𝜔1, Ω1, dan 𝜔 adalah
𝜔1𝑏 = 𝜔 (𝑅 +1
2𝐻) ⟹ 𝜔1 =
1
2𝑏(2𝑅 + 𝐻)𝜔
Ω1 (𝑅 +1
2𝐻) = 𝜔 (𝑅 +
1
2𝐻) ⟹ Ω1 = 𝜔
Hubungan 𝜔2, Ω2, dan 𝜔 adalah
𝜔2𝑏 = 𝜔 (𝑅 −1
2𝐻) ⟹ 𝜔2 =
1
2𝑏(2𝑅 − 𝐻)𝜔
Ω2 (𝑅 −1
2𝐻) = 𝜔 (𝑅 −
1
2𝐻) ⟹ Ω2 = 𝜔
Energi kinetik roda belakang bagian luar akan menjadi
𝐸𝐾1 =1
2(1
4𝑚[𝑏2 + (2𝑅 + 𝐻)2])𝜔2 +
1
2(1
2𝑚𝑏2)
1
4𝑏2(2𝑅 + 𝐻)2𝜔2
𝐸𝐾1 =1
16𝑚[2𝑏2 + 3(2𝑅 + 𝐻)2]𝜔2
Dengan cara yang sama untuk roda belakang bagian dalam
𝐸𝐾2 =1
16𝑚[2𝑏2 + 3(2𝑅 − 𝐻)2]𝜔2
Maka rasio energi kinetik roda belakang bagian luar dan dalam
𝑘 =𝐸𝐾1𝐸𝐾2
=
116𝑚
[2𝑏2 + 3(2𝑅 + 𝐻)2]𝜔2
116𝑚
[2𝑏2 + 3(2𝑅 − 𝐻)2]𝜔2
Basyir Al Banjari
0896-5985-6821
mechtermlighlismfism
DC3BCE5B
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.elphisic.elbanjari
Hal | 16
𝑘 =2𝑏2 + 3(2𝑅 + 𝐻)2
2𝑏2 + 3(2𝑅 − 𝐻)2
Dengan memasukkan nilai 𝑅 = 10 m, 𝐻 = 2 m, dan 𝑏 = 0,5 m akan kita dapatkan
𝑘 =2(0,5)2 + 3(2.10 + 2)2
2(0,5)2 + 3(2.10 − 2)2=1452,5
972,5= 1,49357326…
𝑘 = 1,49
Number 7 : Peluncur Barang
Gambar di bawah memperlihatkan sebuah peluncur barang (slipway) yang sangat
panjang, dan berbentuk bidang miring yang membentuk sudut 𝛽 terhadap arah
mendatar. Bidang miring tersebut dilengkapi dengan sangat banyak roda (roller) identik,
dengan dua roda terdekat berada pada jarak 𝑑 satu sama lain (lihat gambar). Semua roda
tersebut memiliki sumbu-sumbu rotasi mendatar dan merupakan silinder-slinder baja
pejal yang permukaannya diselubungi dengan lapisan karet yang tipis dan diabaikan
massanya. Masing-masing silinder tersebut bermassa 𝑚 dan berjari-jari 𝑟. Sebilah papan
dengan massa 𝑀 dan panjang jauh lebih besar daripada 𝑑, mulai dilepas dari puncak
peluncur barang tersebut. Abaikan gesekan udara dan gesekan pada poros-poros roda
tersebut. Tentukan kelajuan akhir (terminal speed) 𝑣max papan tersebut.
Pembahasan :
Misalkan papan sudah bergerak sejauh 𝑆 sepanjang bidang miring sampai akhirnya
antara roda dan papan tidak terjadi slip lagi. Penurunan energi potensial papan sebesar
𝑀𝑔𝑆 sin 𝛽. Maka sebanyak 𝑆/𝑑 buah roda akan memiliki kecepatan linier permukaan
yang sama dengan kecepatan papan, yaitu 𝑣max. Maka kecepatan sudut tiap roda yang
bergerak pada saat ini menjadi 𝜔max = 𝑣max/𝑟.
Momen inersia tiap roda adalah
𝐼 =1
2𝑚𝑟2
Penurunan energi potensial papan ini diubah menjadi energi kinetik roda.
𝑚
𝛽 𝑟
𝑑
Basyir Al Banjari
0896-5985-6821
mechtermlighlismfism
DC3BCE5B
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.elphisic.elbanjari
Hal | 17
𝑀𝑔𝑆 sin 𝛽 =𝑆
𝑑
1
2𝐼𝜔max
2
𝑀𝑔𝑆 sin 𝛽 =𝑆
𝑑
1
2(1
2𝑚𝑟2) (
𝑣max𝑟)2
𝑀𝑔𝑆 sin 𝛽 =𝑆
𝑑
1
4𝑚𝑣max
2…(1)
𝑣max = √4𝑀𝑔𝑑 sin 𝛽
𝑚
Sebenarnya hasil di atas salah, karena kita melupakan kalor yang ditimbulkan akibat
gesekan antara permukaan roda dan papan sebelum akhirnya papan mencapai kecepatan
terminal. Jadi sebenarnya soal ini agak sedikit rumit, namun tidak tidak terlalu rumit juga
sih. Okey kita cari dulu energi yang hilang sebagai kalor.
Misalkan 𝑓𝑘 adalah gaya gesek kinetik antara permukaan papan dan roda. Dalam interval
waktu yang singkat Δ𝑡, akan terjadi perubahan momentum sudut pada tiap roda sebesar
𝐼Δ𝜔 = 𝑓𝑘𝑟Δ𝑡
Dengan menjumlahkan semua perubahan momentum sudut roda, akan kita dapatkan
momentum sudut akhir roda (kecepatannya maksimum pada saat akhir ini)
𝑟∑𝑓𝑘Δ𝑡 = 𝐼𝜔max = 𝐼𝑣max𝑟
Usaha yang dilakukan gaya gesek kinetik ini pada selang Δ𝑡, akan memunculkan kalor
sebesar Δ𝑄 dan besar usaha ini sama dengan gaya gesek kinetik di kalikan dengan besar
pergeseran relatif antara kedua permukaan tersebut
Δ𝑄 = 𝑓𝑘(𝑣 − 𝑟𝜔)Δ𝑡
Dengan menjumlahkan semua kalor Δ𝑄 akan kita dapatkan kalor yang ditimbulakn oleh
gesekan antara papan dengan sebuah roda
𝑄 =∑Δ𝑄
𝑄 =∑𝑓𝑘(𝑣 − 𝑟𝜔)Δ𝑡
𝑄 =∑𝑓𝑘𝑣Δ𝑡 −∑𝜔𝑓𝑘𝑟Δ𝑡
𝑄 =∑𝑓𝑘Δ𝑡∑𝑣 − 𝐼∑𝜔Δ𝜔
𝑄 =∑𝑓𝑘Δ𝑡∑𝑟𝜔 − 𝐼∑𝜔Δ𝜔
Ingat hubungan diferensial berikut
𝑑(𝜔2) = 2𝜔𝑑𝜔
Karena selang waktu Δ𝑡 sangat singkat, kita bisa lakukan pendekatan
𝑑𝜔 ≈ Δ𝜔 dan 𝑑(𝜔2) ≈ Δ(𝜔2)
Δ(𝜔2) = 2𝜔Δ𝜔 ⟹ 𝜔Δ𝜔 =1
2Δ(𝜔2)
Basyir Al Banjari
0896-5985-6821
mechtermlighlismfism
DC3BCE5B
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.elphisic.elbanjari
Hal | 18
𝑄 = 𝑟∑𝑓𝑘Δ𝑡⏟ 𝐼𝜔max
∑𝜔⏟ 𝜔max
−𝐼
2∑Δ(𝜔2)⏟ 𝜔max2
𝑄 = 𝐼𝜔max2 −
1
2𝐼𝜔max
2
𝑄 =1
2𝐼𝜔max
2 =1
2(1
2𝑚𝑟2) (
𝑣max𝑟)2
𝑄 =1
4𝑚𝑣max
2
Tambahkan faktor 𝑄 ini pada persamaan (1) (ingat bahwa 𝑄 adalah energi kinetik tiap
roda)
𝑀𝑔𝑆 sin 𝛽 =𝑆
𝑑
1
4𝑚𝑣max
2 +𝑆
𝑑𝑄
𝑀𝑔𝑆 sin 𝛽 =𝑆
𝑑
1
4𝑚𝑣max
2 +𝑆
𝑑
1
4𝑚𝑣max
2 ⟹ 𝑣max = √2𝑀𝑔𝑑 sin 𝛽
𝑚
Number 8 : Kapasitor dan Dielektrik
Sebuah kapasitor keping sejajar mempunyai luas lempeng 𝐴 terpisah sejauh 𝑑. Serta
tinggi 𝑎. Ruang di antara kapasitor berisi udara dengan permitivitas yang bisa dianggap
sama dengan ruang hampa yaitu 𝜀0. Kapasitor kemudian dihubungkan dengan sebuah
baterai yang memiliki tegangan 𝑉0. Kemudian baterai diputuskan, muatan pada kapasitor
dipertahankan tetap sebesar 𝑄0, kemudian sebuah lembaran dielektrik padat dengan
luas 𝐴 dan tebal 𝑙 (dimana 𝑙 <d) serta konstanta dielektrik 𝐾1 disisipkan tepat di tengah
kapasitor. Hitung :
a. Muatan induksi pada dielektrik!
b. Medan listrik pada ruang diantara dielektrik dan plat!
c. Medan listrik pada dielektrik!
d. Beda potensial kapasitor setelah dielektrik di masukkan!
Pembahasan :
a. Medan listrik awal pada kapasitor sebelum ada dielektrik adalah
𝐸0 =𝜎0𝜀0=𝑄0𝐴𝜀0
Ketika dielektrik dimasukkan, kapasitansi kapasitor akan meningkat namun medan
listrik total di dalamnya akan berkurang menjadi 𝐸 dimana
𝐸 =𝐸0𝐾1
Pengurangan medan listrik ini terjadi karena adanya medan listrik dari dielektrik
yang melawan medan listrik awal (baca Fisika untuk Sains dan Teknik Jilid 2 oleh
Basyir Al Banjari
0896-5985-6821
mechtermlighlismfism
DC3BCE5B
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.elphisic.elbanjari
Hal | 19
Paul. A Tipler halaman 114). Maka medan listrik pada dielektrik adalah selisih 𝐸 dan
𝐸0.
𝐸D = 𝐸0 − 𝐸
𝐸D = 𝐸0 (1 −1
𝐾1)
𝜎ind𝜀0
=𝜎0𝜀0(1 −
1
𝐾1) ⟹ 𝑄ind = 𝑄0 (1 −
1
𝐾1)
b. Medan listrik pada ruang di antara dielektrik dan plat sama dengan medan listrik awal
kapasitor
𝐸0 =𝑄0𝐴𝜀0
c. Medan listirk pada dielektrik adalah
𝐸D =𝑄0
𝐴𝐾1𝜀0
d. Beda potensial pada kapasitor adalah
𝑉 = −∫ �⃗� ̇. 𝑑𝑙 = 𝐸0(𝑑 − 𝑙) + 𝐸D𝑙
𝑉 = 𝐸0(𝑑 − 𝑙) +𝐸0𝐾1𝑙 ⟹ 𝑉 =
𝑄0𝐴𝜀0
[𝑑 − 𝑙 (1 −1
𝐾1)]