...

Bagian C - Yohanes Surya.com

by user

on
Category: Documents
10

views

Report

Comments

Transcript

Bagian C - Yohanes Surya.com
1.79. Sebuah bola baja bermassa m = 50 g jatuh dari ketinggian h = 1,0 m
pada permukaan horisontal sebuah papan tebal. Tentukan momentum
total yang diberikan bola pada papan setelah terpental beberapa kali,
bila setiap kali tumbukan kecepatan bola berkurang η = 1,25 kali!
Jawab: Ketika bola dijatuhkan dari ketinggian h maka energi potensial
diberikan menjadi energi kinetik (mgh = 1 2 mv2) atau v = 2gh .
Momentum sebelum tumbukan pertama:
P1 = mv
Momentum akhir setelah tumbukan pertama:
P’ = m ( -v η )
1
(tanda negatif karena bola berbalik arah).
Jadi, perubahan momentum bola setelah tumbrukan pertama:
∆P1 = P’1 − P1
1
∆P1 = -mv  + 1 
η

Tumbukan kedua.
v
η
Momentum akhir setelah tubrukan kedua:
v
P'2 = -m 2
η
Jadi, perubahan momentum setelah tubrukan kedua:
∆P2 = P’2 − P2
Momentum awal: P2 = m
 1 + 1
η



Dengan cara yang sama, untuk tubrukan ketiga:
v 1
∆P3 = -m 2  + 1 
η η

Dengan demikian, perubahan total momentum bola:
∆P = ∆P1 + ∆P2 + ∆P3
∆P2 = -m
= -mv
= -mv
v
η
(η + 1)  1 + 1 + 1 + ... 


η η2
η


(η + 1)  1 
η

1
1 − η 


atau,
∆P = -m 2gh
(η + 1)
(η − 1)
Jadi, momentum yang diberikan pada papan: ∆P’ = -∆P dengan
memasukkan angkanya kita peroleh: ∆P’ = 0,2 kg.m/s.
44
Mekanika I
1.80. Seorang bermassa m berdiri di atas sebuah rakit yang bermassa M.
Orang ini kemudian bergerak dengan kecepatan v' (dan percepatan a')
relatif terhadap rakit sejauh L'. Hitung perpindahan rakit relatif
terhadap pantai! Hitung juga gaya mendatar yang dikerjakan oleh
orang itu terhadap rakit selama gerakan!
V0
m
M
Jawab:
VR
(a) Anggap rakit bergerak dengan kecepatan VR dan orang
bergerak relatif terhadap rakit dengan kecepatan V0.
Momentum orang (terhadap tanah) m(V0 - VR)
Momentum rakit (terhadap tanah) -MVR.
m(V0 - VR) - MVR = 0
m
V0
M +m
L'
Waktu yang diperlukan orang menempuh L adalah
V0
Jadi perpindahan rakit menurut pantai adalah
m
L'
m
V0
=
L'
L = VR . t =
M +m
V0
M +m
VR =
M
m
(b) Dari persamaan L di atas kita bisa katakan bahwa percepatan
rakit adalah:
ma '
a=
M +m
Dengan hukum Newton, kita peroleh bahwa besarnya gaya yang
diberikan orang pada rakit adalah:
F=
mMa '
M +m
1.81. Pada sebuah katrol dilewatkan seutas tali kuat. Pada salah satu ujung tali
tergantung sebuah tangga dengan seorang bermassa m berada di dasar
tangga. Pada ujung lain digantungkan beban bermassa M. Orang ini
kemudian naik setinggi h' relatif terhadap tangga, lalu berhenti. Abaikan
massa tali dan gesekan, hitung perpindahan pusat massa sistem!
m1
M
Jawab: Anggap orang (m) naik sejauh x1 dari posisi semula dan
tangga (M - m) turun sejauh x2 dari posisi semula. Karena tali tidak
lentur maka beban M naik sejauh x2 (akibat turunnya tangga).
Perubahan posisi pusat massa sistem adalah
m
∆=
=
=
mx1 − ( M − m ) x 2 + Mx 2
M + m + (M − m )
m ( x1 + x 2 )
mh '
M
2M
Mekanika I
45
1.82. Sebuah meriam bermassa m meluncur di atas bidang miring dengan
sudut miring α. Setelah meriam menempuh jarak l sebuah peluru
ditembakkan dalam arah mendatar dengan momentum P. Sebagai
akibatnya, meriam berhenti. Anggap massa peluru diabaikan bila
dibandingkan dengan massa meriam, tentukan lama tembakan.
α
Jawab: Kecepatan meriam setelah menempuh jarak l (gunakan
mgh = 1 2 mv2) adalah:
v=
2gl sin α
Momentum awal meriam:
P1 = m 2gl sin α
Selama t detik gravitasi memberikan impuls sebesar (mg sin α)t.
Komponen momentum arah seja jar bidang miring harus bisa
mengalahkan impuls gravitasi dan momentum awal ini sehingga
P cos α = m 2gl sin α + (mg sin α)t
atau
t=
θ
l
P cos α − m 2gl sin α
mg sin α
1.83. Sebuah peluru bermassa m ditembakkan ke dalam suatu balok bermassa
M yang digantungkan oleh dua utas tali dengan panjang l. Balok ini
berayun sedemikian sehingga tali membentuk sudut θ (maksimum)
dengan vertikal. Anggap m ! M, hitung:
(a) kecepatan peluru sebelum menumbuk balok;
(b) energi kinetik yang berubah menjadi panas.
Jawab:
(a) Kenaikan balok setelah peluru masuk adalah:
∆h = l − l cos θ
Ketika balok naik energi kinetik diubah menjadi energi potensial.
Sehingga:
1 (M + m)v’2 = (m + M)g∆h
2
v’ disini adalah kecepatan balok setelah ditumbuk peluru.
Sekarang perhatikan tumbukan peluru dengan balok:
Sebelum tumbukan: P = mv
Sesudah tumbukan: P = (M + m)v’
Karena momentum kekal (balok dan peluru dianggap benda titik)
maka:
mv = (M + m)v’
Dari persamaan energi dan persamaan momentum di atas kita peroleh:
M +m
θ 
v = 2 
 gl sin  
 m 
2
46
Mekanika I
Bila m ! M, maka;
M
θ
v =2   gl sin  
2
m 
(b) Energi kinetik awal sistem:
Ek = 1 2 mv2
Energi kinetik akhir sistem setelah tumbukan inelastis:
E k ' = 1 2 (M + m)v'2
m 2v 2
= 12
(M + m )
Jadi energi yang hilang adalah:
M
∆E k =E k
(M + m )
1.84. Sebuah cakram kecil bermassa m diletakan di atas benda bermassa M
yang terletak pada bidang datar licin. Cakram kemudian diberi
kecepatan v. Hitung sampai ketinggian berapa cakram ini akan naik
setelah meninggalkan benda M! Abaikan semua gesekan.
vy
m
M
vx
Jawab: Cakram m dan benda M akan bertumbukan. Anggap ketika
cakram mencapai ujung atas bidang, kecepatan M (dan m) arah mendatar
adalah vx.
Kekekalan momentum arah sumbu x:
mv = (M + m)vx
Kekekalan energi (tumbukan elastik) di ujung bidang, cakram punya
2 komponen kecepatan vx dan vy.
1 mv2 = 1 m( v 2 + v 2 ) + 1 M v 2
y
x
x
2
2
2
Benda m akan lepas dari M dengan kecepatan vy. Ketinggian yang akan
dicapai adalah h (gunakan 1 2 m vy2 = mgh).
vy =
2gh
Dari ketiga persamaan diatas kita akan peroleh:
h=
Mv 2
2g ( M + m )
1.85. Sebuah benda kecil bermassa m meluncur ke bawah suatu bukit licin dari
ketinggian h tanpa kecepatan awal. Di dasar bukit benda mengenai papan
bermassa M. Karena gesekan antara benda dan papan, benda diperlambat
dan kemudian bergerak bersama papan dengan kecepatan sama. Hitung usaha
total yang dilakukan oleh gaya gesekan dalam proses ini!
Jawab:
Massa m jatuh dari ketinggian h. Dengan mengingat bahwa
Mekanika I
47
energi potensial diubah menjadi energi kinetik (mgh = 1 2 mv2),
kecepatan benda m di dasar bukit adalah:
v=
2gh
Tumbukan antara massa m dan papan (momentum kekal):
mv = (M + m)v’
Dari kedua persamaan di atas kita peroleh nilai v'.
Usaha yang dilakukan gaya gesekan papan dengan benda sama
dengan perbedaan energi kinetik:
W = ∆Ek = Ek' − Ek
Dimana
Ek = 1 2 mv2
dan
Ek’ = 1 2 (M + m)v’2
Dari persamaan-persamaan di atas kita peroleh,
W=-
mMgh
M +m
1.86. Sebuah batu jatuh bebas dari ketinggian h. Batu menghantam tanah
dengan kecepatan v0 = 2gh relatif terhadap bumi. Hitung kecepatan
batu ketika menghantam tanah dilihat oleh orang yang berada dalam
suatu kerangka A jatuh (bukan naik) dengan kecepatan v0!
Jawab: A akan melihat batu bergerak naik dengan kecepatan v0
diperlambat oleh g.
Posisi batu menurut A adalah
Y = v0t - 1 2 gt2
v
setelah waktu t0 = 0
g
2
Y = v 0t 0 - 1 2 g t 0
Posisi batu setelah menempuh jarak h = v0t0 - h
v
dimana t0 = 0
g
2
1
Jadi, h = 2 g t0
t02 =
2h
g
v 02
2h
→ v0 =
g
g2
=
2gh
r
r
r
1.87. Sebuah benda bermassa 1 kg bergerak dengan kecepatan v 1 = 3,0 i − 2,0 j
menumbuk secara tidak lenting sama sekali benda rlain yang
r bermassa
r
2 kg yang sedang bergerak dengan kecepatan v 2 = 4,0 j − 6,0k . Tentukan
kecepatan benda-benda ini setelah tumbukan! (semua satuan dalam MKS).
48
Mekanika I
Jawab: Pada tumbukan tidak elastik, setelah tumbukan kedua benda
akan bergerak dengan kecepatan sama.
r
r
r
(m1 + m2) v = m1 v 1 + m2 v 2
atau,
r
r
m1v 1 + m2 v 2
r
v =
m1 + m2
Dengan memasukkan nilainya, kita peroleh:
r
r
r
r
v = 1,0 i + 2,0 j − 4,0 k
Besar kecepatannya: v = 4,6 m/s
1.88. Tentukan perubahan energi kinetik dari suatu sistem yang terdiri dari dua
benda masing-masing bermassa m1 dan m2 yang bertumbukan secara tidak
lenting sama sekali, bila kecepatan awal benda-benda ini adalah v1 dan v2!
Jawab: Pada tumbukan tidak elastik, kecepatan sesudah tumbukan
dari kedua benda sama besar.
Hukum kekekalan momentum:
(m1 + m2)v = m1v1 + m2v2
Energi kinetik awal sistem
Ek = 1 2 m1 v12 + 1 2 m2 v22
Energi kinetik akhir sistem
Ek’ = 1 2 (m1 + m2)v2
Perubahan energi kinetik
∆Ek = Ek’ − Ek
Dengan menyelesaikan persamaan di atas, kita peroleh:
∆Ek =
-m1m2 (v1 − v2 )2
2 (m1 + m2 )
1.89. Suatu partikel A bermassa m1 menumbuk secara lenting sempurna partikel
B yang diam dan bermassa m2. Hitung berapa bagian energi kinetik partikel
A yang hilang, bila:
(a) partikel A menyimpang tegak lurus dari gerakan semula!
(b) tumbukannya adalah tumbukan sentral!
A
θ
Jawab:
(a) Anggap u adalah kecepatan partikel A sebelum tumbukan. Anggap
vA dan vB adalah kecepatan A dan B setelah tumbukan.
Momentum arah sumbu x:
m1u + 0 = 0 + m2vB cos θ
B
Momentum arah sumbu y:
Mekanika I
49
0 = m1vA − m2vB sin θ
Kekekalan energi kinetik (tumbukan elastik):
1 m u2 = 1 m v 2 + 1 m v 2
2 1
2 1 A
2 2 B
Dari ketiga persamaan di atas kita akan peroleh:
( )
2
vA
u
=
m2 − m1
m1 + m2
Energi yang hilang dari partikel A:
2
∆Εk = 1 2 m1u2 − 1 2 m1 vA
Dan bagian energi kinetik yang hilang dari partikel A adalah:
∆ =
∆Ek
2m1
=
Ek
m1 + m2
(b) Pada tumbukan sentral, partikel A dan B akan bergerak pada
arah sumbu x.
Kekekalan momentum:
m 1 u = m1 v A + m2 v B
Kekekalan energi kinetik:
1 m u2 = 1 m v 2 + 1 m v 2
2 1
2 1 A
2 2 B
Dari kedua persamaan di atas, kita peroleh:
u=
(m1 + m2 ) vB
2m1
dan
(m1 − m2 ) vB
2m1
Bagian energi kinetik partikel A yang hilang:
vA =

v2 
m − m2 2 

∆ =  1 − A2  = 1 −  1
 
u 
  m1 + m2  

atau
∆=
4m1m2
(m1 + m2 )2
1.90. Partikel 1 bertumbukan elastik dengan partikel 2 yang diam. Tentukan
perbandingan massa kedua partikel, bila:
(a) setelah tumbukan sentral, partikel-partikel bergerak berlawanan dengan
kecepatan sama!
(b) setelah tumbukan, partikel-partikel bergerak secara simetri dengan sudut
60 o !
50
Mekanika I
Jawab:
(a) Kekekalan momentum:
1
2
m1u1 = m1v1 − m2v2
dimana, u1 adalah kecepatan awal partikel 1.
Karena | vr 1 | = | vr 2 | = v
m1u1
maka, v =
m1 − m2
Kekekalan energi kinetik:
1 m u2 = 1 m v2 + 1 m v2
2 1 1
2 1 1
2 2 2
Selanjutnya dari persamaan-persamaan di atas kita akan peroleh:
1
m1
=
3
m2
θ1
θ2
(b) Karena partikel terpisah secara simetris pada sudut 60 o , θ1 +
θ2 = 60o, maka θ1 = 30o dan θ2 = 30o.
Kekekalan momentum:
Arah sumbu x:
m1u1 = (m1v1 + m2v2) cos 30o
Arah sumbu y:
m1v1 sin 30o = m2v2 sin 30o
Kekekalan Energi:
1 m u2 = 1 m v2 + 1 m v2
2 1 1
2 2 2
2 1 1
Dari persamaan-persamaan diatas kita peroleh:
4 cos2 30o = 1 +
atau
m1
m2
m1
=2
m2
1.91. Sebuah peluru bergerak dengan kecepatan v = 500 m/s. Peluru ini
kemudian pecah menjadi tiga bagian yang sama sehingga energi kinetik
sistem meningkat η = 1,5 kali. Hitung kecepatan terbesar dari antara
ketiga komponen ini!
Jawab:
Kekekalan momentum:
mv =
m
m
m
v +
v +
v
3 1
3 2
3 3
Mekanika I
51
Karena η = 1,5, maka
η =
1
2
( m3 ) v
2
1
+
1
2
( m3 ) v
2
2
+
1
2
( m3 ) v
2
3
2
1
2 mv
3 η v 2 = v12 + v22 + v32
Dari persaman di atas kita peroleh,
2
3ηv2 = 2 v1 + 2 v22 + 9v2 − 6vv1 + 2v1v2 − 6vv2
atau,
2
2
2 v1 − 2v1(3v − v2) + [(9 − 3η)v2 + 2 v2 − 6vv2] = 0
Dengan menggunakan rumus abc kita akan peroleh v1. Pada rumus abc,
nilai yang berada dalam akar (diskriminan) haruslah lebih besar atau
sama dengan nol. Dengan kata lain:
4(3v − v2)2 − 4?2 [(9 − 3η)v2 + 2 v22 − 6vv2] > 0
dengan menyelesaikan dan menyederhanakan persamaan di atas diperoleh:
v2 > v(1 +
2η − 2 )
Jadi,
v2(maksimum) = v(1 +
2η − 2 )
= 1 km/s
1.92. Partikel 1 yang bergerak dengan kecepatan v = 10 m/s menumbuk sentral
partikel 2 yang diam. Kedua partikel bermassa sama. Akibat tumbukan ini
energi kinetik sistem berkurang η = 1,0%. Tentukan besar dan arah kecepatan
partikel 1 setelah tumbukan!
Jawab : Anggap kecepatan partikel-partikel ini setelah tumbukan adalah
v1 dan v2.
Kekekalan momentum:
mv = mv1 + mv2
Kekekalan energi total:
Energi mula-mula = Energi akhir + Energi yang hilang
1 mv2 = 1 m v 2 + 1 m v 2 + η( 1 mv2)
2
1
2
2
2
2
dari kedua persamaan di atas kita peroleh,
2
2 v1 − 2vv1 + ηv2 = 0
jadi,
v1 =
(1 ±
1 − 2η ) v
2
Disini, tanda positif sebelum akar kuadrat tidak diperbolehkan karena
akan membuat v2 negatif dan hal ini tidak mungkin.
52
Mekanika I
Jadi,
v1 =
(1 −
1 − 2η ) v
2
dan, jika η ! 1, maka dengan menggunakan ekspansi binomial kita
peroleh:
v1 = ηv 2 = 5 cm/s
Catatan: Ekspansi binomial adalah sebagai berikut:
(a + b)n = an + nan-1b + 1 2 n(n − 1)an-2b2 + ....
1.93. Sebuah partikel A bermassa m menumbuk partikel B yang diam dan
bermassa M. Partikel A kemudian menyimpang dengan sudut π 2 ,
sedangkan partikel B menyimpang dengan sudut θ = 30o terhadap gerakan
awal partikel A. Berapa persen perubahan energi kinetik sistem setelah
tumbukan jika M m = 5,0?
y
x
vA
u
30 0
vB
Jawab: Anggap kecepatan awal partikel A sebelum tumbukan adalah u
dan kecepatan setelah tumbukan adalah vA dan vB.
Kekekalan momentum:
Arah sumbu x:
mu = MvB cos 30o
Arah sumbu y:
mvA − MvB sin 30o = 0
Energi kinetik awal:
Ek = 1 2 mu2
Energi kinetik akhir:
2 + 1 m 2
E k’ = 1 2 m vA
2 vB
Dari persamaan-persamaan di atas kita peroleh:
(
Ek'
m
=
Ek
M cos 30o
)
2
Selanjutnya kita akan peroleh:
(
m
∆Ek
 2 o
=  tan 30 +
M cos 30o

Ek
)
2

− 1

Dengan memasukkan angka-angkanya kita peroleh bahwa: ∆Ek ≈ -40% Ek
1.94. Dua partikel bermassa m1 dan m2 bergerak saling tegak lurus satu sama
lain dengan kecepatan v1 dan v2. Hitung (dalam kerangka pusat massa):
(a) momentum setiap partikel!
(b) energi kinetik total!
Jawab:
(a) Kecepatan pusat massa sistem adalah (analog dengan rumus koordinat
pusat massa)
Mekanika I
53
r
r
m v + m2 v 2
r
v pm = 1 1
m1 + m2
Momentum partikel pertama dalam kerangka pusat massa sistem:
r
ur
r
m1m2 r r
P 1(pm ) = m1( v 1 − v pm ) =
(v1 − v2 )
m1 + m2
Sedangkan partikel kedua memiliki momentum:
ur
r
r
m1m2 r r
P 2( pm ) = m2 (v2 − v pm ) = (v1 − v2 )
m1 + m2
r
r
Karena v 1 ⊥ v 2 , maka:
P1( pm ) = P2( pm ) =
m1m2
m1 + m2
v12 + v22
(b) Energi kinetik partikel pertama dalam kerangka pusat massa sistem
adalah:
r
r 2
m1v 1 + m2 v 2 
r
1
E1( pm ) = 2 m1  v 1 −
m1 + m2 

m1m22
r
r
= 12
( v 1 + v 2 )2
2
(m1 + m2 )
Dengan cara yang sama,
r
m2m12
r
( v 1 + v 2 )2
E2( pm ) = 1 2
2
(m1 + m2 )
Jadi, energi kinetik total pusat massa adalah:
Ek = E1( pm ) + E2( pm ) .
m1m2
Ek = 12
( v12 + v22 )
m1 + m2
r r
(karena tegak lurus v 1 • v 2 = 0).
1.95. Sebuah partikel A bermassa m1 menumbuk partikel B yang diam dan
bermassa m2 (m1 > m2) secara elastik. Tentukan sudut maksimum
partikel A setelah tumbukan!
v1
u
A
54
B
θ1
θ2
v2
Mekanika I
Jawab:
Kekekalan momentum:
Arah sumbu x:
m1u = m1v1 cos θ1 + m2v2 cos θ2
Arah sumbu y:
0 = m1v1 sin θ1 − m2v2 sin θ2
Kekekalan energi kinetik (tumbukan elastik):
1 m u2 = 1 m v 2 + 1 m v 2
2 1
2 1 1
2 2 2
Dari persamaan-persamaan di atas kita akan peroleh,
2
u2(m1m2 − m12 ) + u(2 m1 v1 cos θ1) − v12 (m1m2 + m12 ) = 0
Dengan rumus abc kita bisa menghitung u. Tetapi diskriminan
(bilangan yang terdapat dalam akar kuadrat persamaan abc) harus
lebih besar atau sama dengan nol.
Sehingga:
4 m14 v12 cos2 θ1 > 4 ( m12 − m1m2)( m12 + m1m2) v12
atau,
cos2 θ1 > 1 −
m22
m12
Jadi, agar nilai θ1 maksimum (atau nilai cos θ1 minimum)
2
atau:
m
cos2 θm = 1 −  2 
 m1 
-1 1 −  m2
θm = cos 

2
 
m  
 1 
1
2
1.96. Tiga bola identik A, B, dan C terletak pada suatu bidang datar licin. Bola
A bergerak dengan kecepatan v dan menumbuk bola B dan C yang sedang
diam
secara bersamaan. Jarak pusat massa B dan C sebelum tumbukan
V"
adalah ηd dimana d adalah diameter bola. Tentukan kecepatan A setelah
tumbukan. Pada nilai η berapakah bola akan tertolak ke belakang; berhenti;
terus bergerak?
V'
Jawab: Anggap sudut ABC adalah θ, maka:
dη
2 = η
cos θ =
2
d
η/2 d
Tinjau momentum arah sumbu mendatar. Anggap setelah tumbukan,
kecepatan B dan C adalah v" sedangkan kecepatan A adalah v'.
Kekekalan momentum:
mv = mv' + 2mv" cos θ
v - v' = 2v" cos θ
(v - v')2 = 4v"2 cos θ ................................ (1)
V"
d
θ
d 1-
η2
4
}
Kekekalan energi kinetik: 1 2 mv2 = 1 2 mv'2 + 1 2 2 mv"2
v2 - v'2 = v"2 ....................................
1 dan 2
(2)
(v − v ' ) (v − v ' )
= 2 cos2 θ
(v − v ' ) (v + v ' )
 2 − η2 
v ' = −v 
2
 6 −η 
Mekanika I
55
Ketika A tertolak ke belakang, v' harus negatif.
Jadi, 2 > η2
atau, η <
2
Agar A berhenti, v' = 0
jadi, η =
2
Agar A bergerak ke ke depan, v' adalah positif.
Jadi, η >
2
1.97. Sebuah molekul menumbuk molekul sejenis yang sedang diam. Buktikan
bahwa kedua molekul akan membentuk sudut 90o ketika tumbukannya
lenting sempurna!
y
x
v1
u
A
B
θ1
θ2
v2
Jawab:
Kekekalan momentum:
Arah sumbu x:
m1u = m1v1 cos θ1 + m2v2 cos θ2
Arah sumbu y:
0 = m1v1 sin θ1 − m2v2 sin θ2
Dari kedua persamaan di atas (dengan mengingat massa kedua molekul
sama) maka kita peroleh:
2
2
u2 = v1 + v2 + 2v1v2 (cos θ1 cos θ2 − sin θ1 sin θ2)
Kekekalan energi kinetik:
1 m u2 = 1 m v2 + 1 m v2
2 1 1
2 1 1
2 2 2
Dari persamaan-persamaan di atas kita akan peroleh persamaan berikut:
0 = 2v1v2 cos(θ1 + θ2)
atau,
cos(θ1 + θ2) = 0
dengan kata lain:
θ 1 + θ2 = π 2
Bila tumbukan tidak lenting sempurna maka
cos(θ1 + θ2) ≠ 0
atau,
θ1 + θ 2 ≠ π 2
1.98. Sebuah bola bermassa m dilemparkan dengan sudut elevasi α dan dengan
kecepatan awal v0. Hitung besar momentum sudut terhadap titik awal pada
titik tertinggi lintasan bila m = 130 gram, α = 45°, dan v0 = 25 m/s!
Abaikan hambatan udara.
56
Mekanika I
y
v0
H
α
x
R
Jawab:
Pada titik tertinggi: v = vx = v0 cos α
dan vy = 0.
Dengan rumus y = v 0y t − 1 2 gt 2 dan vy = v0y − gt serta persamaan
di atas kita akan peroleh tinggi titik tertinggi adalah:
H=
v02 sin2 α
2g
vektor momentum
ur
r
P = mv
atau
r
ur
P = (mv0 cos α) i
Vektor posisi dari titik tertinggi adalah:
r
r
R r
r =   i + H j
2
dimana R adalah jangkauan proyektil.
Jadi, momentum sudut partikel terhadap titik asal, ketika partikel berada
pada titik tertinggi adalah:
ur
ur
r
L = r 3 P
r
r
r
= R 2 i + H j 3 (mv0 cos α) i
r
= -Hmv0 cos α k
(
)
atau
 mv 3 sin2 α cos α  r
ur
L = - 0
k
2g


L = 37 kg.m2/s
1.99. Sebuah benda A bermassa m meluncur pada permukaan datar licin dengan
kecepatan v. Benda ini menumbuk dinding di titik O secara elastik dengan
sudut datang α (terhadap garis normal). Tentukan:
(a) titik-titik terhadap mana momentum sudut benda konstan!
(b) besar perubahan vektor momentum sudut L relatif terhadap titik
O' yang terletak di dalam bidang gerak (pada sumbu vertikal) dan
berjarak l dari titik O!
y
z
P
α
O
Jawab:
l
P’
O’
ur
ur
r
(a) Gunakan rumus L = r 3 P Anda dapat membuktikan bahwa
momentum sudut terhadap titik-titik pada garis normal adalah
sama besar (konstan).
(b) Besar momentum sudut awal:
ur
ur
r
|L | = |r 3 P |
atau, L = -mv0l cos α
Tanda negatif menunjukkan bahwa momentum sudut awal
mempunyai arah sumbu z negatif.
Mekanika I
57
Momentum sudut akhir:
ur
r
L' = | r 3 P | = mv0l cos α
Perubahan momentum sudut:
∆L = mv0l cos α − (-mv0l cos α)
atau,
∆L = 2mv0l cos α
1.100. Sebuah bola kecil bermassa m digantung dengan benang yang panjangnya
l pada titik O di suatu langit-langit. Bola bergerak dalam suatu lingkaran
mendatar dengan kecepatan sudut
ur konstan ω. Relatif terhadap titik
manakah momentum sudut bola L tetap konstan? Tentukan perubahan
vektor momentum sudut bola relatif terhadap titik O dalam setengah putaran!
Jawab: Pada gambar
di ratas arah sumbu x, y dan z dinyatakan oleh
r r
vektor satuan i , j ,dan k .
O
α
r1
1
r
r
v1 = vk
r2
Gaya-gaya yang bekerja ditunjukkan pada gambar di bawah ini:
Dalam keadaan seimbang:
T cos α = mg
2
r
r
T sin α = mω2l sin α
v 2 = -v k
atau
g
cos α = 2
ωl
dan
O’
O
α
l
T cos α
T sin α
O’
mg
sin α =
1−
( ωg l )
2
2
Dari gambar terlihat bahwa T sin θ mengimbangi gaya sentrifugal, dan
selalu mengarah ke pusat lingkaran horizontal O’. Jelas juga terlihat
bahwa titik O’ adalah titik dimana resultan torsi adalah nol. Oleh karena
itu, momentum sudut bola akan selalu konstan di titik O’.
Momentum sudut bola terhadap titik O ketika bola berada pada titik 1
adalah:
ur
r
r
L1 = r 1 3 m v 1
Di titik 2:
ur
r
r
L2 = r 2 3 m v 2
Vektor posisi titik 1 dan 2 terhadap titik O adalah:
r
r
r
r 1 = l(- i sin α − j cos α)
r
r
r
r 2 = l( i sin α − j cos α)
Sehingga kita peroleh:
r
ur
r
L 1 = mvl(- j sin α + i cos α)
r
ur
r
L 2 = -mvl( j sin α + i cos α)
Perubahan momentum sudut dalam setengah putaran adalah:
58
Mekanika I
ur
ur
ur
∆ L = L 2 − L1
r
r
r
r
= mvl(- j sin α − i cos α + j sin α − i cos α)
Gunakan v = ωl sin α, kita akan peroleh besarnya perubahan momentum sudut ini adalah:
∆L = 2ml2ω cos α sin α
∆L = 2mg l ω
O
1−
( ωg l )
2
2
1.101. Sebuah benda bermassa m terikat pada suatu tali dalam suatu bidang
datar. Ujung tali yang lain dimasukkan ke suatu lubang dalam bidang
datar itu dan ditarik dengan kecepatan konstan. Hitung tegangan tali
sebagai fungsi jarak r antara benda dan lubang bila pada r = r0 kecepatan
sudut tali ω0!
Jawab: Tegangan tali dan gaya F arahnya ke pusat lintasan lingkatan
(titik O) sehingga tidak akan memberikan momen gaya terhadap titik O.
Karena momen gaya nol maka momentum sudut terhadap titik O kekal.
F
m r02 3 ω0 = mr2 3 ω
atau,
r02ω0
v=
r
Tegangan pada tali memberikan gaya sentripetal, sehingga:
T=
mv 2
r
Sehingga kita peroleh:
T=
mr04ω02
r3
1.102. Suatu bola bermassa m bergerak dengan kecepatan v0. Bola ini menumbuk
secara elastik suatu "dumb bell" (lihat gambar). Massa tiap bola pada dumb
bell itu masing-masing m 2 dan jarak antara kedua bola bulatan adalah l.
ur
Hitung momentum sudut L dumb bell setelah tumbukan, terhadap titik
B
A
pusat massa dumb bell!
l
C
Jawab: Tumbukan antara A dan B (lihat gambar):
Kekekalan momentum:
mv0 = mv'0 + (m 2 ) v1
Tumbukan elastik (kekekalan energi kinetik):
1 m v 2 = 1 m v '2 + 1 (m ) v 2
0
2 1
0
2
2
2
dimana v0’ dan v1 adalah kecepatan bola A dan B setelah tumbukan.
Mekanika I
59
Dari kedua persamaan di atas kita peroleh, v1 = 4v0 3 . Jadi kecepatan
pusat massa dumb bell adalah:
m  4v 0  m
0

+
2v0
2  3 
2
vpm =
=
m
m
3
( 2 + 2)
( )
( )
arah kecepatan pusat massa ini ke kanan.
Kecepatan bola B dan C relatif terhadap pusat massa ini adalah:
v1pm = v1 − vpm = 2v0 3
v2pm = v2 − vpm = −2v0 (arah ke kiri).
3
Momentum sudut dumb bell terhadap pusat massa adalah:
ur
r
r
r
r
L pm = r 1pm 3 (m 2 ) v 1pm + r 2pm 3 (m 2 ) v 2pm
Dalam bentuk vektor:
r
r 1pm =
r
r 2pm =
( l 2) j
r
(- l 2) j
(
(
r
)
)
r
r
2v0
v 1pm =
3 i
r
r
2v
v 2pm = - 0 3 i
Sehingga kita peroleh:
ur
 mv l  r
L pm = -  0  k
 3 
 mv l 
Besar momentum sudut ini adalah:  0  .
 3 
1.103. Dua benda masing-masing bermassa m, dihubungkan dengan sebuah
pegas panjang l dan konstanta pegas k. Pada suatu ketika satu dari
benda ini digerakan dalam arah mendatar dengan kecepatan v 0 .
Tentukan perubahan panjang pegas maksimum dalam peristiwa ini.
v0
A
l0
vpm =
B
awal
vr
A
l+x
akhir
60
Mekanika I
Jawab:
B
mv0 + 0.m
m+m
=
1
v0 (kecepatan pusat massa)
2
Kecepatan B relatif terhadap pusat massa
vB-pm = vB - vpm
1
= v0 - v0 = 1 v0
2
2
Kecepatan A relatif terhadap pusat massa
vA-pm = vA - vpm
1
1
= 0 - v0 = - v0
2
2
Momentum sudut awal terhadap pusat massa
1
1l + m
0
A-pm( l0)
2
2
1
1
1
= m.( v0) l0 + m(- v0)(- 1 l0)
2
2
2
2
1
= mv0l0
2
momentum akhir terhadap pusat massa
1
= mvr (l + x)
2
Kekekalan energi
v
v
v
v
1
1
1
1
1
m ( 0 )2 + m ( 0 )2 = k x2 + m ( r )2 + m ( r )2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
Gunakan kekekalan momentum sudut dan kekekalan energi.
mBvB-pm
diperoleh x =
mv02
kl
1.104. Sebuah planet bermassa M = 1,6531030 kg, bergerak mengelilingi
Matahari dengan kecepatan v = 32,9 km/s (dalam kerangka matahari).
Hitung periode revolusi planet ini! Anggap lintasan planet melingkar.
Jawab: Gaya sentripetal yang menyebabkan planet bergerak
melingkar adalah gaya gravitasi, sehingga dengan hukum Newton:
F = ma.
F
mv 2
GMm
=
r
r2
Perioda planet (waktu 1 putaran) adalah:
2π r
2πGM
T=
=
= 225 hari
v
v3
1.105. Jika lintasan suatu planet berbentuk ellips, buktikan bahwa T2 sebanding
dengan r3 (hukum Keppler III), dimana T adalah perioda planet dan
r adalah jarak planet ke Matahari!
P
b
c
r
a
Jawab:
Luas daerah yang diarsir adalah (anggap luas segitiga)
ur
r
∆A =1/2 | R 3 v ∆t|
Q
ur
ur
r
Karena momentum sudut planet adalah L = R 3 m v maka:
(
∆A
v∆t
R
)
L
2m
∆t =
Ini artinya laju luas yang disapu oleh gerakan planet adalah konstan
(ingat momentum sudut planet konstan).
Jika ∆t = T adalah perioda, maka luas ellips A dapat ditulis:
A = L
2m
T
(
)
Mekanika I
61
Karena luas ellips adalah A = πab, maka
T = 2πm ab L
Sekarang perhatikan keadaan planet di titik P (jarak Matahari ke
titik P adalah Rp) dan titik Q (jarak matahari ke titik Q adalah RQ).
Kekekalan momentum sudut:
mRpvp = mRQvQ = L
Kekekalan energi:
1 m v 2 − GMm = 1 m v 2 − GMm
Q
P
2
2
RP
RQ
Dari kedua persamaan di atas kita peroleh,
(L 2m ) (R
2
P
+ RQ) = GMmRPRQ
Dalam ellips terdapat hubungan berikut:
RP + RQ = 2a
RP = a(1 − e)
RQ = a(1 + e)
b 2 = a2 − a2 e 2
dimana e adalah eksentrisitas ellips.
Dari persamaan-persamaan di atas kita akan peroleh:
L2 =
GMm 2b 2
a
Selanjutnya kita akan peroleh:
 4π 2  3
T2 = 
a
 GM 
1.106. Periode revolusi Yupiter 12 kali periode revolusi Bumi. Anggap orbit
planet melingkar, tentukan:
(a) perbandingan jarak Yupiter-Matahari dengan Bumi-Matahari!
(b) kecepatan dan percepatan planet Yupiter dalam kerangka matahari!
r
Jawab:
(a) Anggap suatu planet berputar mengelilingi matahari dengan
perioda T dan jari-jari orbit r.
Dari hukum Newton (F = ma) kita peroleh:
mv 2
GMm
=
r
r2
 4π 2  3
Karena v = 2π T r, maka T2 = 
r
 GM 
(
62
Mekanika I
)
Diketahui bahwa:
TY
TB = 12
Karena T2 sebanding dengan r3 maka
2
rY
T 
=  y 
rB
 TB 
3
atau rY = 5,2 rB
(b) Percepatan Yupiter mengitari Matahari dapat dicari dengan rumus
Newton F = ma.
GMmY
m Ya =
ry2
atau
GM
1
GM
aY =
=
g
2 =
2
( 5, 2 )2
( 5, 2rB )
rY
2
karena a = v r maka kecepatan planet Yupiter adalah:
vY =
GM
5, 2rB
1.107. Sebuah planet bermassa M bergerak mengitari Matahari pada
lintasan elips. Jika jarak minimum planet dari Matahari r dan jarak
maksimum R. Tentukan periode revolusi planet mengitari Matahari!
Jawab: Soal ini mirip dengan soal sebelumnya. Silahkan Anda
buktikan bahwa:
2π   R + r 
T = 


 GMs   2 
3
2
1.108. Sebuah benda kecil jatuh pada Matahari dari jarak yang sama dengan
jari-jari lintasan Bumi. Kecepatan awal benda nol menurut matahari.
Dengan menggunakan Hukum Kepler, tentukan berapa lama benda
akan jatuh?
Jawab: Benda yang jatuh ke Matahari dapat dianggap sebagai suatu
planet kecil yang lintasan ellipsnya sangat pipih dengan sumbu semi
mayornya adalah R 2 .
Menurut Hukum Keppler, T2 sebanding dengan r3, sehingga:
2
R 3
 Tbenda  =  2 
T

 R 
 Bumi 
Waktu jatuh adalah t = Tbenda 2 . Sehingga:
t=
()
3
T 1 2
= 65 hari
2 2
Mekanika I
63
Fly UP