Catatan Kuliah FI1101 Fisika Dasar IA Pekan #8: Osilasi

dokumen-dokumen yang mirip
Osilasi Harmonis Sederhana: Beban Massa pada Pegas

SASARAN PEMBELAJARAN

GETARAN DAN GELOMBANG

GETARAN DAN GELOMBANG

menganalisis suatu gerak periodik tertentu

Karakteristik Gerak Harmonik Sederhana

KARAKTERISTIK GERAK HARMONIK SEDERHANA

GERAK HARMONIK. Pembahasan Persamaan Gerak. untuk Osilator Harmonik Sederhana

Fisika Dasar I (FI-321)

MINGGUKE KE-5. Learning Outcome:

KATA PENGANTAR. Semarang, 28 Mei Penyusun

HAND OUT FISIKA DASAR I/GELOMBANG/GERAK HARMONIK SEDERHANA

Soal-Jawab Fisika Teori OSN 2013 Bandung, 4 September 2013

GERAK HARMONIK SEDERHANA

Mata Kuliah GELOMBANG OPTIK TOPIK I OSILASI. andhysetiawan

Pekan #3. Osilasi. F = ma mẍ + kx = 0. (2)

1. (25 poin) Sebuah bola kecil bermassa m ditembakkan dari atas sebuah tembok dengan ketinggian H (jari-jari bola R jauh lebih kecil dibandingkan

Referensi : Hirose, A Introduction to Wave Phenomena. John Wiley and Sons

Fisika Umum (MA-301) Topik hari ini: Getaran dan Gelombang Bunyi

dy dx B. Tujuan Adapun tujuan dari praktikum ini adalah

K 1. h = 0,75 H. y x. O d K 2

FISIKA I. OSILASI Bagian-2 MODUL PERKULIAHAN. Modul ini menjelaskan osilasi pada partikel yang bergerak secara harmonik sederhana

Husna Arifah,M.Sc :Ayunan (osilasi) dipakai.resonansi

Kumpulan soal-soal level Olimpiade Sains Nasional: solusi:

Contoh Soal dan Pembahasan Dinamika Rotasi, Materi Fisika kelas 2 SMA. Pembahasan. a) percepatan gerak turunnya benda m.

Materi Pendalaman 01:

SELEKSI OLIMPIADE NASIONAL MIPA PERGURUAN TINGGI (ONMIPA-PT) 2014 TINGKAT UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH JAKARTA BIDANG FISIKA

II LANDASAN TEORI. Besaran merupakan frekuensi sudut, merupakan amplitudo, merupakan konstanta fase, dan, merupakan konstanta sembarang.

ENERGI POTENSIAL. dapat dimunculkan dan diubah sepenuhnya menjadi tenaga kinetik. Tenaga

Teknik Mesin - FTI - ITS

Jika sebuah sistem berosilasi dengan simpangan maksimum (amplitudo) A, memiliki total energi sistem yang tetap yaitu

PENGGUNAAN LOGGER PRO UNTUK ANALISIS GERAK HARMONIK SEDERHANA PADA SISTEM PEGAS MASSA

BAB 2 TEORI DASAR 2-1. Gambar 2.1 Sistem dinamik satu derajat kebebasan tanpa redaman

TUJUAN PERCOBAAN II. DASAR TEORI

Jawaban Soal OSK FISIKA 2014

Bab III Elastisitas. Sumber : Fisika SMA/MA XI

FISIKA UNTUK UNIVERSITAS JILID I ROSYID ADRIANTO

Gelombang FIS 3 A. PENDAHULUAN C. GELOMBANG BERJALAN B. ISTILAH GELOMBANG. θ = 2π ( t T + x λ ) Δφ = x GELOMBANG. materi78.co.nr

Teori & Soal GGB Getaran - Set 08

GERAK HARMONIK SEDERHANA. Program Studi Teknik Pertambangan

DEPARTMEN IKA ITB Jurusan Fisika-Unej BENDA TEGAR. MS Bab 6-1

RENCANA PEMBELAJARAN 9. POKOK BAHASAN: GETARAN SELARAS (Lanjutan)

Soal SBMPTN Fisika - Kode Soal 121

GERAK HARMONIK Gerak Harmonik terdiri atas : 1. Gerak Harmonik Sederhana (GHS) 2. Gerak Harmonik Teredam

Gambar 1. Bentuk sebuah tali yang direnggangkan (a) pada t = 0 (b) pada x=vt.

BAB 3 DINAMIKA GERAK LURUS

The Forced Oscillator

dibutuhkan untuk melakukan satu getaran adalah Selang waktu yang dibutuhkan untuk melakukan satu getaran adalah periode. Dengan demikian, secara

JAWABAN Fisika OSK 2013

Gerak Harmonis. Sederhana SUB- BAB. A. Gaya Pemulih

DINAMIKA ROTASI DAN KESETIMBANGAN

(translasi) (translasi) Karena katrol tidak slip, maka a = αr. Dari persamaan-persamaan di atas kita peroleh:

HUKUM - HUKUM NEWTON TENTANG GERAK.

Fisika Umum (MA101) Kinematika Rotasi. Dinamika Rotasi

ARUS BOLAK-BALIK Pertemuan 13/14 Fisika 2

LAPORAN HASIL PRAKTIKUM FISIKA DASAR I

BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA

Fisika Umum (MA-301) Getaran dan Gelombang Bunyi

3.11 Menganalisis besaran-besaran fisis gelombang stasioner dan gelombang berjalan pada berbagai kasus nyata. Persamaan Gelombang.

Dinamika Rotasi, Statika dan Titik Berat 1 MOMEN GAYA DAN MOMEN INERSIA

GETARAN DAN GELOMBANG STAF PENGAJAR FISIKA DEP. FISIKA IPB

FISIKA XI SMA 3

ANALISIS SIMULASI GEJALA CHAOS PADA GERAK PENDULUM NONLINIER. Oleh: Supardi. Jurusan Pendidikan Fisika Universitas Negeri Yogyakarta

Keunggulan Pendekatan Penyelesaian Masalah Fisika melalui Lagrangian dan atau Hamiltonian dibanding Melalui Pengkajian Newton

Getaran sistem pegas berbeban dengan massa yang berubah terhadap waktu

MODUL 5 BANDUL MATEMATIS DAN FISIS

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang

Pembahasan OSP Fisika Tahun 2018 Oleh Ahmad Basyir Najwan

BAB II PERSAMAAN DIFERENSIAL BIASA

BAB II PENGANTAR SOLUSI PERSOALAN FISIKA MENURUT PENDEKATAN ANALITIK DAN NUMERIK

DASAR PENGUKURAN MEKANIKA

Gambar 1. Sistem pegas-massa diagram benda bebas

PEMBENTUKAN MODEL : AYUNAN (OSILASI) BEBAS. Husna Arifah,M.Sc

REKAYASA GEMPA GETARAN BEBAS SDOF. Oleh Resmi Bestari Muin

RENCANA PELAKSANAAN PEMBELAJARAN (RPP) : 12 JP (6 x 90 menit)

Bab III Elastisitas. Sumber : Fisika SMA/MA XI

00:48:27. Fisika I. mengenal persamaan matematik. harmonik sederhana. osilasi harmonik Mahasiswa. Mahasiswa. Kompetensi: Osilasi

Hendra Gunawan. 25 April 2014

Hukum gravitasi yang ada di jagad raya ini dijelaskan oleh Newton dengan persamaan sebagai berikut :

BAB II PEMODELAN MATEMATIS SISTEM INVERTED PENDULUM

Uji Kompetensi Semester 1

BANDUL SEDERHANA BANDUL SEDERHANA

GERAK OSILASI. Penuntun Praktikum Fisika Dasar : Perc.3

MEKANIKA NEWTONIAN. Persamaan gerak Newton. Hukum 1 Newton. System acuan inersia (diam)

BAB 3 DINAMIKA. Tujuan Pembelajaran. Bab 3 Dinamika

BAHAN AJAR FISIKA KELAS XI IPA SEMESTER GENAP MATERI : DINAMIKA ROTASI

Integral yang berhubungan dengan kepentingan fisika

Saat mempelajari gerak melingkar, kita telah membahas hubungan antara kecepatan sudut (ω) dan kecepatan linear (v) suatu benda

v adalah kecepatan bola A: v = ωr. Dengan menggunakan I = 2 5 mr2, dan menyelesaikan persamaanpersamaan di atas, kita akan peroleh: ω =

Getaran Mekanik. Getaran Bebas Tak Teredam. Muchammad Chusnan Aprianto

Gambar 7.1 Sebuah benda bergerak dalam lingkaran yang pusatnya terletak pada garis lurus

1 Sistem Koordinat Polar

HAND OUT FISIKA DASAR 2/GELOMBANG : Gelombang Tali, Gelombang berdiri, superposisi

Antiremed Kelas 11 FISIKA

Latihan Soal UAS Fisika Panas dan Gelombang

SILABUS. I. IDENTITAS MATA KULIAH Nama mata kuliah : Gataran Mekanis Nomor kode : PP 360

momen inersia Energi kinetik dalam gerak rotasi momentum sudut (L)

Analisis Ajeg dari Sinusoidal

GELOMBANG : GELOMBANG TALI, GELOMBANG BERDIRI, SUPERPOSISI

19:25:08. Fisika I. mengenal persamaan matematik. harmonik sederhana. osilasi harmonik Mahasiswa. Mahasiswa. Kompetensi: Osilasi

Transkripsi:

Catatan Kuliah FI111 Fisika Dasar IA Pekan #8: Osilasi Agus Suroso update: 4 November 17 Osilasi atau getaran adalah gerak bolak-balik suatu benda melalui titik kesetimbangan. Gerak bolak-balik tersebut terjadi karena benda mengalami gaya pemulih, yang arahnya selalu menuju titik kesetimbangan. Terdapat dua sistem osilasi yang dibahas dalam catatan kuliah ini, yaitu sistem pegas dan ayunan/bandul. Pada sistem pegas, gaya pemulih berupa gaya pegas yang menurut hukum Hooke nilainya adalah F = k x. Sementara itu, benda pada sistem bandul mengalami gerak rotasi bolak-balik, dengan torsi pemulih berasal dari komponen gaya berat. Untuk kedua sistem, persamaan gerak osilasi berasal dari penerapan hukum II Newton, baik dalam bentuk F = ma maupun τ = Iα. Ciri utama dari persamaan gerak osilasi adalah adanya kesebandingan antara negatif dari perpindahan dengan percepatan, baik pada gerak linear maupun anguler. Pada bagian pertama, akan dibahas gerak osilasi harmonik sederhana, yaitu gerak osilasi dengan amplitudo konstan, pada sistem pegas, bandul matematis, dan bandul fisis. Sedangkan pada bagian kedua dan ketiga, secara berurutan akan dibahas osilasi teredam (dengan gaya redaman sebanding dengan kecepatan, f = bv) dan osilasi paksa (dengan gaya pemaksa berbentuk fungsi sinus, F = F sin ωt). Osilasi Harmonik Sederhana pada Pegas Tinjau sebuah benda yang terikat pada salah satu ujung pegas, seperti pada Gambar 1fbandu. Mula-mula benda dalam keadaan setimbang. Pegas tidak teregang maupun tertekan. Balok kemudian ditarik ke kanan sejauh x: Pegas akan memberikan gaya ke kiri sebesar F = k x (1) dengan tanda negatif menunjukkan arah gaya berlawanan dengan x dan k sebagai konstanta pegas. Ingat kembali hukum II Newton, sehingga pada balok berlaku: ΣF = ma () k x = ma (3) Ingat juga pada materi kinematika bahwa a = dv dt = d ( ) dx = d x dt dt dt (4) sehingga k x = m d x dt. (5) Jika kita gunakan sistem koordinat dengan titik asal (O) ada di titik kesetimbangan benda maka x = x. Sehingga persamaan OHS menjadi Gambar 1: Benda yang terikat pegas, mula-mula berada pada titik setimbang x = x, kemudian diberi simpangan sejauh x dari titik setimbangnya. kx = m d x dt, (6)

Catatan Kuliah FI111 Pekan #8 Osilasi yang merupakan persamaan diferensial osilasi harmonik sederhana (OHS). Ciri dari persamaan gerak OHS adalah adanya kesebandingan antara negatif dari suatu besaran (dalam hal ini posisi x) dengan turunan keduanya (dalam hal ini percepatan, d x ). dt Fungsi apakah yang turunan keduanya sama dengan fungsi dari fungsi tersebut? Salah satunya adalah x(t) = A sin(ωt + φ) (7) dengan A, ω dan φ konstan terhadap t. Dari fungsi posisi tersebut, diperoleh kecepatan dan percepatan benda yang secara berurutan merupakan turunan pertama dan kedua dari posisi, dx dt = ωa sin(ωt + φ), d x dt = ω Asin(ωt + φ) = ω x. (8) Substitusikan x(t) dan turunan keduanya ke persamaan OHS, ( ) kx = m ω x ω = k m. (9) Gambar : Kita gunakan koordinat baru, dengan titik asal (O) berada di titik setimbang benda, sehingga x =. Simpangan benda cukup ditulis dengan x. Mengingat ω = π T, kita dapatkan periode osilasi benda m T = π k. (1) Sekarang, mari kita tinjau energi sistem. Energi sistem yang berosilasi akan berupa energi kinetik dari benda (K) dan energi potensial dari pegas (U), E = K + U = 1 mv + 1 kx Gambar 3: Energi sistem pegas yang berosilasi. Garis merah adalah kurva energi kinetik sedangkan garis biru adalah kurva energi potensial pegas. Energi total sistem (garis hijau) bernilai konstan. = 1 mω A cos (ωt + φ) + 1 ka sin (ωt + φ) = 1 ka [cos (ωt + φ) + sin (ωt + φ)] (ingat bahwa mω = k) = 1 ka. (11) Sehingga, energi total sistem bernilai konstan. Gambar (3) menggambarkan grafik tiap komponen energi dan energi total tiap waktu. Bandul Matematis Sekarang, mari kita tinjau sebuah sistem bandul berupa benda bermassa m yang terikat pada tali ringan (dianggap tidak bermassa) sepanjang l. Ketika benda menyimpang sejauh θ ke kanan, gaya berat benda akan memberikan torsi gravitasional ke arah kiri (searah jarum jam), Gambar 4: Bandul matematis

Catatan Kuliah FI111 Pekan #8 Osilasi 3 begitu juga sebaliknya. Dengan demikian, benda akan mengalami gerak rotasi bolak-balik melalui titik kesetimbangan. Persamaan gerak benda akan berupa hukum Newton untuk gerak rotasi, τ = Iα. (1) Torsi yang bekerja pada benda berasal dari komponen gaya berat, mgl sin θ, sedangkan momen inersia benda bernilai I = ml, sehingga mg sin θl = ml α. (13) Jika sudut simpangan cukup kecil, dapat dilakukan pendekatan sin(θ) θ, (14) dengan θ dalam radian. Dengan demikian persamaan gerak benda dapat ditulis ulang menjadi mglθ = ml θ gθ = l θ. (15) Bentuk di atas serupa dengan persamaan gerak OHS, karena adanya kesebandingan antara negatif dari besaran θ dengan turunan keduanya ( θ). Solusi dari persamaan di atas adalah θ = θ m sin(ωt + φ) dengan ω = g l l T = π g (16) Bandul Fisis Ketika membahas bandul matematis, kita menganggap tali tidak bermassa. Pada dasarnya, sembarang benda dapat membentuk sistem bandul yang berosilasi terhadap suatu titik. Gambar 5 mengilustrasikan sebuah benda yang dilubangi di salah satu titik kemudian berosilasi terhadap suatu sumbu yanng melalui lubang tersebut. Persamaan gerak rotasi benda adalah Στ = Iα mg sin θr = Iα. (17) Besaran r di atas adalah jarak antara titik pusat massa (sebagai titik bekerjanya gaya berat) dengan sumbu osilasi. Momen inersia I untuk kasus ini adalah momen inersia benda terhadap sumbu osilasi (yang tentu saja berbeda dengan momen inersia terhadap pusat massa). Seperti pada bandul matematis, kita gunakan pendekatan sudut kecil sin θ θ, sehingga mgrθ = I θ. (18) Gambar 5: Bandul fisis.

Catatan Kuliah FI111 Pekan #8 Osilasi 4 Solusi persamaan di atas adalah θ = θ m sin(ωt + φ), (19) dengan ω = mgr I I T = π mgr. () Osilasi Teredam Pada osilasi harmonik sederhana, amplitudo osilasi benda secara terus menerus tidak berubah terhadap waktu. Sistem tersebut hanya mungkin terjadi pada kondisi ideal, tanpa ada gesekan dalam bentuk apapun. Untuk mempelajari efek dari gesekan terhadap osilasi benda, kita tinjau sebuah benda yang tergantung pada pegas dan tercelup pada sebuah fluida, seperti pada Gambar 6. Ketika benda digetarkan secara vertikal, benda akan bergesekan dengan fluida. Secara umum, gaya gesek fluida bergantung pada kecepatan benda, f v n, dengan n suatu bilangan positif. Kali ini kita misalkan gaya hambat fluida sebanding dengan kecepatan, f = bv, (1) Gambar 6: Osilasi teredam. dengan b sebuah konstanta positif. Dari hukum II Newton, diperoleh persamaan gerak benda kx bv + mg = ma kx bẋ + mg = mẍ () Pada keadaan setimbang, berlaku mg = kx dengan x adalah titik kesetimbangan. Sehingga persamaan di atas menjadi k(x x ) bẋ = mẍ. (3) Selanjutnya, kita definisikan variabel baru, yaitu y, dengan y = x x, sehingga ẋ = ẏ dan ẍ = ÿ. Persamaan gerak sekarang dapat kita tulis ulang sebagai, ky bẏ = mÿ ky + bẏ + mÿ =. (4) Solusi umum dari persamaan diferensial di atas adalah y(t) = Ae γt sin (ωt + φ), (5) dengan A dan γ konstan. Diferensial dari solusi umum diatas adalah, ẏ = A( γ)e γt sin (ωt + φ) + Ae γt ω cos (ωt + φ), (6) ÿ = Aγ e γt sin (ωt + φ) Aqe γt ω cos (ωt + φ) Aqe γt ω cos (ωt + φ) Ae γt ω sin (ωt + φ). (7)

Catatan Kuliah FI111 Pekan #8 Osilasi 5 Dari besaran di atas, kita dapat menghitung nilai tiap suku pada persamaan gerak sebagai berikut: ky = kae γt sin (ωt + φ), (8) bẏ = bγae γt sin (ωt + φ) + bωae γt cos (ωt + φ), (9) ( mÿ = mγ mω ) Ae γt sin (ωt + φ) mγωae γt cos (ωt + φ). (3) Dengan menjumlahkan ketiganya diperoleh, ( = k bγ + mγ mω ) Ae γt sin (ωt + φ) + (b γm) ω Ae γt cos (ωt + φ) ( = k bγ + mγ mω ) sin (ωt + φ) + (b γm) ω cos (ωt + φ). (31) Terlihat bahwa persamaan persamaan di atas mengandung kebergantungan terhadap waktu pada suku-suku sinus dan cosinus. Agar ruas kanan persamaan di atas bernilai nol untuk sembarang t, maka koefisien untuk suku sinus dan cosinus masing-masing harus bernilai nol. Koefisien suku cosinus, sedangkan koefisien suku sinus, b γm = γ = mω = k bγ + mγ ( ) ( ) b b mω = k b + m m m b m, (3) ω = k m b 4m. (33) k Dengan memisalkan ω = m dan γ = m b, dapat kita tuliskan ω = ω γ. (34) Jadi, solusi lengkap untuk osilasi teredam adalah dengan γ = b m, y(t) = Ae γt sin(ωt + φ) (35) k ω = ω γ, dan ω = m. (36) Grafik simpangan benda terhadap waktu diberikan pada Gambar 7. Terlihat bahwa amplitudo simpangan benda mengalami peluruhan seiring waktu. Faktor γ terkait dengan konstanta b, yang berarti nilainya bergantung pada "koefisien gesek" benda terhadap fluida x e -γt cos(ψt) e -γt Gambar 7: Grafik simpangan benda terhadap waktu pada osilasi teredam. t

Catatan Kuliah FI111 Pekan #8 Osilasi 6 yang benda tercelup padanya. Semakin kental (viscous) fluida yang digunakan, maka semakin besar nilai b, yang menyebabkan nilai γ semakin besar. Sementara itu, besaran ω adalah frekuensi osilasi jika benda tidak tercelup pada fluida. Jika kita bandingkan nilai ω, dengan γ, maka akan terdapat tiga kemungkinan : 1. ω > γ yang menyebabkan ω bernilai positif. Kasus ini disebut underdamped.. ω = γ, yang menyebabkan ω =. Kasus ini disebut critically damped. 3. ω < γ, yang menyebabkan ω bernilai imajiner. Kasus ini disebut overdamped. Penjelasan tentang ketiga osilasi tersebut dapat ditemukan antara lain pada catatan kuliah FI14 Mekanika B. 1 1 silakan cek www.agussuroso1. wordpress.com Osilasi Paksa (Forced Oscillation) Tinjau benda yang tergantung pada pegas dan tercelup pada fluida, namun benda digerakkan dengan gaya eksternal F e yang bervariasi (berosilasi), F e = F sin(ωt). (37) Percobaan seperti ini dapat dilakukan, misalnya dengan memilih balok dari bahan logam, kemudian di dasar bejana diletakkan magnet (elektromagnet) yang kekuatan medan magnetnya divariasikan secara sinusoidal. Persamaan gerak benda menjadi ΣF = ma F sin(ωt) ky bv = ma F sin(ωt) ky bẋ = mÿ. (38) Karena benda dipaksa bergerak oleh gaya F e yang sinusoidal, maka posisi benda akan berupa fungsi sinusoidal dengan frekuensi yang sama dengan frekuensi penggerak, ω. Solusi umum untuk y(t) adalah Gambar 8: Osilasi paksa. Benda yang tergantung pegas dan tercelup pada fluida digerakkan dengan gaya luar sinusoidal, F e = F sin ωt. y(t) = A sin(ωt + φ). (39) Tugas kita sekarang adalah menentukan amplitudo A dan sudut fasa φ, yang mungkin akan bergantung pada variabel-variabel F, ω, k, b dan m. Kita substitusikan solusi umum diatas ke persamaan gerak, sebagai berikut F sin(ωt) ka sin(ωt + φ) bωa sin(ωt + φ) = mω A sin(ωt + φ) F sin(ωt) (k mω )A sin(ωt + φ) bωa sin(ωt + φ) =. (4)

Pekan #8 Osilasi 7 Catatan Kuliah FI111 Mengingat sin(ωt + φ) = sin(ωt) sin(φ) + sin(ωt) sin(φ). (41) persamaan diatas dapat diubah menjadi h i h i sin(ωt) F (k mω ) A cos(φ) + bωa sin(φ) + cos(ωt) (k mω ) A sin(φ) bωa cos(φ) =. (4) Agar persamaan diatas berlaku untuk sembarang waktu t, maka kedua suku dalam kurung siku harus bernilai nol, F (k mω ) A cos(φ) + bωa sin(φ) =, (k mω ) A sin(φ) bωa cos(φ) =. (43) (44) Dari persamaan (44) diperoleh tan φ = bω bω, = mω k m ω ω (45) dengan ω = mk. Dengan demikian nilai φ telah didapatkan. Kita gambarkan sudut fasa φ pada segitiga di Gambar 9. Kita sana kita dapatkan nilai sinus dan cosinus dari sudut φ sebagai berikut, sin φ = q cos φ = q bω, (46). (47) m (ω ω ) + (bω ) m ( ω ω ) m (ω ω ) + (bω ) Substitusikan nilai sinus dan cosinus di atas ke persamaan (43), didapat F q m ω ω m ( ω ω ) + b ω A+ q b ω A =, m ( ω ω ) + b ω Gambar 9: Segitiga untuk menggambarkan besaran trigonometri dari sudut fasa φ. (48) atau A= q F. (49) m ( ω ω ) + b ω Dengan hasil ini, sekarang kita telah memiliki solusi yang lengkap, yaitu persamaan (39), dengan sudut fasa diberikan oleh persamaan (45) dan amplitudo A diberikan oleh persamaan (49). Hal menarik terjadi jika frekuensi gaya pemaksa sama dengan "frekuensi alamiah" pegas (ω ), ω = ω. (5) 4 6 8 ω = 3, γ =,1 ω = 3, γ =,5 ω = 7, γ =,1 1.5 1/R Pada kasus ini, nilai amplitudo osilasi akan mencapai nilai maksimum. Kejadian ini disebut sebagai sebagai resonansi. 1 1.5 1.5 1.5 4 6 8 1 ω Gambar 1: Resonansi pada osilasi paksa.