Praktik Gerak Harmonis Sederhana

Waktu yang diperlukan oleh ayunan untuk melakukan sekali gerak bolak-balik disebut: Periode (T).
Untuk simpangan-simpangan yang tidak terlalu besar, periode suatu ayunan adalah tetap. Karena itu ayunan dapat dipakai sebagai pengukur waktu (jam) yang disebut jam bandul.

Tujuan:
Menentukan nilai percepatan gravitasi bumi (g) di suatu tempat.

Alat dan bahan:
Benang/tali nylon 1 rol
Statif dan klem atau alat sejenisnya 1 buah
Stopwatch/arloji 1 buah
Beban gantung 10 gram 5 buah
Mistar 1 m 1 buah
Gunting/pisau 1 buah
Busur derajat 1 buah

Prosedur Kerja:

1. Gantungkan beban 25 gram dengan panjang benang 120 cm, seperti pada gambar. 
2. Ayunkan beban dengan sudut simpangan yang kecil (sudut harus lebih kecil dari 12ᵒ), usahakan ayunan dalam suatu bidang datar. 
3. Dengan stopwatch, ukurlah waktu untuk 10 ayunan penuh. Pengukuran tersebut untuk menentukan periode (T). 
4. Dengan panjang tali tetap 120 cm, ulangi percobaan tersebut dengan memakai beban: 35 g, 45 g, 55 g, dan 65 g, catat hasilnya dalam tabel 1. 
5. Pada beban tetap (65 gram),  ulangi percobaan tersebut dengan panjang tali     ( l ) 120 cm, 100 cm, 80 cm, 60 cm, dan 40 cm dan catat hasilnya dalam tabel 2, kemudian lengkapi T2 pada kolom terakhir.

Tugas:
1.Lukislah grafik hubungan antara T² dengan l !
(T² sebagai sumbu vertikal dan l sebagai sumbu horizontal)

2.Tentukan nilai konstanta c dari grafik!
(kemiringan grafik : c = tan ⊝ =

3.Hitunglah nilai percepatan gravitasi bumi (g) dari nilai c tersebut!

4. Buatlah kesimpulan dari percobaan di atas!

Soal Ulangan Akhir Semester Kelas XI MIA

Berikut ini contoh soal untuk ulangan akhir semester (UAS) mata pelajaran Fisika kelas XI peminatan IPA (X MIA) untuk SMA:

1. Benda di permukaan bumi beratnya 100 N. Kemudian benda tersebut dibawa ke sebuah planet yang mempunyai massa 10 kali massa bumi, sedangkan jari-jari planet tersebut dua kali jari-jari bumi. Berapa berat benda di permukaan planet?

2. A 5.0 kg rock is dropped from a height of 92.0 m. 
a)What is the kinetic energy when the rock is 40.0 m from the ground?
b)What is the gravitational potential energy when the rock is 40.0 m from the ground?

3.Sebuah partikel bergerak harmonik sederhana. Persamaan simpangannya dinyatakan sebagai y = 4 sin 0,2t. Simpangan y dalam cm dan waktu t dalam sekon. Tentukan:
a.Amplitudo
b.Periode
c.Frekuensi

4. This problem involve two identical pool balls. A pool ball of mass 0.165 kg, moving at 8.2 m/s, hits another pool ball, which is at rest. If the first ball continues to move at 3.0 m/s in the forward direction, find the velocity of the second ball.

Pertanyaan Materi Medan Gravitasi vs Gaya Gravitasi

Pertanyaan Materi Medan Gravitasi vs Gaya Gravitasi

1. Di sekitar permukaan bumi, berapakah nilai dari:
a. percepatan pada peristiwa jatuh bebas?
b. kuat medan gravitasi?

2. Berapakah berat di bumi untuk benda-benda berikut:
a. sebuah buka bermassa 2 kg?
b. sebuah apel bermassa 100 gram?
c. seorang gadis bermassa 60 kg?
d. sebuah pisau cukur bermassa 0,1 gram?

3. Berapakah massa dan berat benda-benda di atas (pertanyaan nomor 2) apabila di bulan? (kuat medan gravitasi di bulan = 1,6 N/kg)

4. Pada ketinggian 6400 km di atas permukaan bumi, sebuah benda bermassa 1 kg mempunyai berat 2,5 N. Berapa kuat medan gravitasinya? Apabila benda itu dilepaskan dan jatuh menuju pusat bumi, berapakah percepatan awalnya?

5. Tuliskan beberapa kalimat yang menjelaskan perbedaan antara massa dan berat!

Sumber: Tim Mills-Physics at a Glance-Manson (2008)

Medan Gravitasi vs Gaya Gravitasi

Medan gravitasi adalah daerah atau ruang dimana benda dengan massa tertentu masih merasakan adanya gaya gravitasi. Selama kita tinggal di bumi, kita sudah terbiasa dengan adanya medan gravitasi akibat adanya gaya gravitasi bumi.

Gaya gravitasi antara benda bermassa dengan bumi disebut juga sebagai gaya berat atau berat, dalam bahasa Inggris yaitu Weight (W). Berat selalu mengarah ke pusat bumi.

Medan gravitasi arahnya menuju ke pusat bumi. Pada jarak yang semakin menjauh dari bumi, besarnya medan gravitasi semakin kecil. Hanya saja berkurangnya medan gravitasi itu relatif sangat kecil. Tidak terjadi perubahan yang cukup signifikan hingga jarak sekitar 20 km di atas permukaan bumi.

Misalnya suatu benda A bermassa 1 kg ketika di permukaan bumi memiliki berat sekitar 9,8 N. Apabila benda A dibawa ke atas hingga berjarak 6400 km dari permukaan bumi, beratnya sekarang hanya sekitar 2,5 N.

Di permukaan bumi, medan gravitasi bumi yang bekerja pada massa benda 1 kg adalah sekitar 9,8 N (seringkali dibulatkan menjadi 10 N untuk memudahkan perhitungan).

Seberapa gaya berat per 1 kg massa benda adalah merupakan seberapa kuat medan gravitasi bumi. Sehingga kuat medan gravitasi (dituliskan dengan notasi g) didefinisikan sebagai gaya berat per kilogram massa.

Gaya berat = masssa x kuat medan gravitasi.

Sehingga:

Kuat medan gravitasi = Gaya berat/massa

Karena satuan gaya berat adalah N dan satuan massa adalah kg, maka satuan kuat medan gravitasi adalah N/kg.

Kaitan dengan Hukum II Newton

Hukum II Newton menyatakan bahwa gaya resultan sama dengan massa dikali percepatan.

F = m. a

Atau percepatan (satuan m/s.s) merupakan hasil bagi berat (satuan N) dengan massa (satuan kg).

a = F/m --> a = W/m

Apabila sebuah benda jatuh bebas, maka gaya yang bekerja pada benda hanyalah gaya berat W. 

Dimana besarnya W = m.g --> g = W/m

Dari sini percepatan pada peristiwa jatuh bebas adalah ekivalen dengan kuat medan gravitasi.

a = 10 m/s.s

g = 10 N/kg

Semua benda bermassa akan jatuh dengan percepatan sekitar 10 m/s.s (dianggap tidak ada gaya hambat udara).

Massa sebuah benda adalah sama dimanapun berada, baik di bumi ataupun di bulan. Benda A massanya 5 kg ketika di bumi, maka ketika benda A di bawa ke bulan massanya tetap 5 kg. Benda B massanya 1 kg ketika di bumi, maka ketika di bulan massa benda B tetap 1 kg.

Sedangkan berat dari benda itu tidak sama dimanapun berada. Berat benda itu tidak akan sama ketika di bumi dan ketika di bulan. Berat benda ini tergantung pada kuat medan gravitasi yang bekerja. Berat benda A ketika di bulan 8 N sedangkan ketika di bawa ke bumi beratnya 50 N. Begitu juga berat benda B ketika di bulan 1,6 N tetapi menjadi 10 N ketika di bumi.

Ketika di bumi, benda A 5 kg dan benda B 1 kg yang dijatuhkan akan mengalami percepatan 10 m/s.s . Ketika di bulan, benda A 5 kg da benda B 1 kg yang dijatuhkan akan mengalami percepatan 1,6 m/s.s.

Percepatan gravitasi di bumi besarnya sekitar 10 N/kg sedangkan di bulan percepatan gravitasi adalah 1,6 N/kg.

Sumber: Tim Mills-Physics at a Glance-Manson (2008)

Tugas Fisika kelas XI Mediatama

Selesaikan permasalahan berikut secara mandiri;
1) sebuah benda yang diletakkan di permukaan bumi yang berjari-jari R, memiliki berat sebesar 360 N. Jika benda diletakkan pada ketinggian 4 R dari permukaan bumi, Hitunglah berat benda pada ketinggian tersebut!

2) Perhatikan gambar di bawah ini dengan cermat!

Lima buah titik A B C D E  terletak segaris lurus dan berada dalam pengaruh medan gravitasi benda P dan Q. Jika mP = 7mQ, manakah titik yang mendapatkan pengaruh medan gravitasi terbesar dan terkecil? Kemukakan alasan mu dengan tepat!

3) percepatan gravitasi di suatu titik diluar bumi yang berada sejauh H dari pusat bumi adalah 7N/kg. Jika percepatan gravitasi di permukaan bumi 10 N/kg, Tentukan jari-jari bumi (Nyatakan dalam H)

4) Kuat medan gravitasi di suatu titik diluar bumi yang berada sejauh X dari pusat bumi adalah 5N/kg. Jika Kuat medan gravitasi di permukaan bumi adalah 10 N/kg Tentukan jari-jari bumi!

5) jika percepatan gravitasi di permukaan bumi adalah g, Tentukan percepatan gravitasi suatu benda yang berada pada ketinggian empat kali jari-jari bumi!

Sumber: buku siswa, Fisika untuk SMA/MA XI penulis Sofi Ani Rufaidah dan sarwanto. Penerbit dan percetakan Mediatama Surakarta. Tahun 2014. Halaman 46.

Penjelasan Gaya Konservatif

Kita telah mengetahui bahwa sebuah bola yang dilempar vertikal ke atas, kemudian jatuh ke titik semula mengalami perubahan energi potensial dan energi kinetik, tetapi energi mekaniknya selalu kekal (tetap). 

Tentu saja ada gaya yang menyebabkan perubahan energi potensial dan energi kinetik sehingga energi mekanik dari suatu benda selalu kekal (tetap). Gaya yang menyebabkan energi mekanik, yaitu penjumlahan energi potensial dan energi kinetik, selalu kekal (tetap) disebut gaya konservatif. 

Yang termasuk gaya konservatif antara lain:

1. gaya gravitasi konstan, F = mg,

2. gaya elastis pegas, F = kx,

3. gaya gravitasi Newton, F = (G M m / r²)

Gaya konservatif memiliki sifat bahwa usaha yang dilakukan oleh suatu benda:

1. tidak bergantung pada lintasannya, tetapi hanya bergantung pada keadaan awal dan keadaan akhir,

2. selalu sama dengan nol jika benda bergerak kembali ke posisi semula dalam lintasan tertutup,

3. selalu dapat dinyatakan sebagai perbedaan antara energi potensial awal dan energi potensial akhir.

Sedangkan jika usaha dilakukan oleh suatu benda tidak memiliki sifat dari gaya konservatif, maka gaya yang mempengaruhi usaha tersebut disebut gaya tak konservatif. Tentu saja dapat kita simpulkan bahwa usaha yang dilakukan oleh gaya tak konservatif bergantung pada lintasan. Contoh gaya tak konservatif antara lain gaya dorong, gaya gesekan, dan gaya hambatan

conservative field A field of force in which the work done in moving a body from one point to another is independent of the path taken. The force required to move the body between these points in a conservative field is called a conservative force

medan konservatif. suatu medan gaya yang didalamnya kerja yang dilakukan untuk memindahkan sebuah benda dari satu titik ke titik yang lain tidak bergantung pada lintasannya. Gaya yang dibutuhkan untuk memindahkan benda antara kedua titik dalam suatu medan konservatif disebut gaya konservatif.

sumber: 

Fisika 2 untuk SMA kelas XI, Supiyanto. 2006. Jakarta: Phibeta

Kamus Lengkap Fisika Oxford. Alan Isaacs, BSc, PhD. DIC. Penerbit Erlangga, Tahun 1997

Very Important Points of Gravitation

Mass of a body remains same everywhere but weight of a body is different at different places due to variation of g.

Mass of body is measured by physical balance and weight of body is measured by spring balance.

At the centre of earth g = 0 and hence weight =0.

Value of g is maximum at the poles and minimum at the equator.

Escape velocity does not depend upon (i) Mass of the body (ii) The direction of projection and (iii) The shape and size of the body.

Escape velocity at the moon is very low and because of very low escape velocity, there is practically no atmosphere, since root mean square velocity of gas molecules is more than the escape velocity for the moon.

Orbital velocity and time period of a satellite do not depend upon the mass of the satellite but they depend upon the mass of the planet.

Work done by a satellite is zero.

Resultant force acting on satellite is not zero but a gravitational force acts on it due to the planet which provides necessary centripetal force.

Satellite is a freely falling body. If a satellite stops revolving then it will fall in the planet.

Weight of a body in an artificial satellite is zero because whole weight of body is used as centripetal force.

Angular momentum remains constant in planetary orbits.

From: Science Vision, January 2001. topic on physics; Universal Gravitation, Motion of Satellites, Escape Velocity By Dr. R.V.S. Chauhan.

Contoh Soal Latihan Gravitasi Newton dan Kunci Jawaban

Berikut beberapa contoh soal latihan pokok bahasan Gaya Gravitasi materi kelas XI peminatan Matematika dan Ilmu Alam Semester 1.

Misalkan Anda memiliki massa 70 kg. Berapa banyak massa yang harus dimiliki objek lain agar tubuh Anda dan objek lain tarik menarik satu sama lain dengan kekuatan 1 Newton ketika dipisahkan oleh 10 meter? (Kunci jawaban= 2,14 . 10^10 Kg)

Misalkan dua benda saling menarik dengan gaya gravitasi sebesar 16 F. Jika jarak antara dua benda dijadikan dua kali lipat, berapa gaya tarik-menarik antara dua benda sekarang? (kunci jawaban= 4F)

Misalkan dua benda saling menarik dengan gaya gravitasi sebesar 16 F. Jika jarak antara dua benda berkurang setengahnya, berapa gaya tarik-menarik antara dua benda sekarang? (kunci jawaban= 64F)

Misalkan dua benda saling menarik dengan gaya gravitasi sebesar 16F. Jika massa kedua objek dijadikan dua kali lipat, dan jika jarak antara objek tetap sama, maka berapa gaya tarik-menarik antara dua benda sekarang? (kunci jawaban= 64F)

Misalkan dua benda saling menarik dengan gaya gravitasi sebesar 16 F. Jika massa kedua objek dijadikan dua kali lipat, dan jika jarak antara objek dijadikan dua kali lipat, berapa gaya tarik-menarik antara dua benda sekarang? (kunci jawaban= 16F)

Misalkan dua benda saling menarik dengan gaya gravitasi sebesar 16 F. Jika massa kedua objek itu dijadikan tiga kali lipat, dan jika jarak antara objek dijadikan dua kali lipat, berapa gaya tarik-menarik antara dua benda sekarang? (kunci jawaban= 36F)

Misalkan dua benda saling menarik dengan gaya gravitasi sebesar 16F. Jika massa benda 1 dijadikan dua kali lipat, dan jika jarak antara objek itu dijadikan tiga kali lipat, berapa gaya tarik-menarik antara dua benda sekarang? (kunci jawaban= 3,56F)

Pesawat ruang angkasa pada suatu saat mengalami gaya gravitasi sebesar F dari bumi dan berada pada jarak h dari pusat bumi. Pada jarak 2h dari pusat bumi pesawat itu akan mengalami gaya gravitasi berapa? (kunci jawaban = 1/4F)

Jika percepatan gravitasi di permukaan bumi adalah 9,8 m/s^2, tentukanlah massa bumi yang berbentuk bola dengan jari-jari 6370 km! (kunci jawaban= 6,0 x 10^24 Kg)

Sebuah benda bermassa 10 kg dibawa ke ketinggian 130 km di atas permukaan bumi. Jika jari-jari bumi 6370 km, berapakah berat benda itu pada ketinggian ini? (g = 9,8 m/s^2) (kunci jawaban= 94 N)

sumber:
http://www.physicsclassroom.com
Seribu Pena Fisika SMU Kelas 1, Marthen Kanginan, Erlangga, 1999

Penjelasan Keadaan Tanpa Bobot (Weightlessness)?

Banyak dari kita yang memahami bahwa astronot di ruang angkasa mengalami keadaan tanpa bobot oleh karena di ruang angkasa tidak ada gravitasi sehingga para astronot tersebut dapat "melayang" dan seperti tidak memiliki berat! Ini adalah salah satu kesalahan konsep fisika yang paling sering terjadi.

Weightlessness (keadaan tanpa bobot) hanyalah sebuah sensasi psikologis dan bukan berkaitan dengan kehilangan berat dalam arti sesungguhnya. Keadaan ini terjadi ketika tidak ada benda dari luar yang bersentuhan atau menopang badan kita, sehingga tidak ada gaya kontak, jadi kita seperti "merasa kehilangan berat". Pada keadaan tanpa bobot, gaya gravitasi akibat tarikan bumi (berat) merupakan gaya satu-satunya yang masih bekerja! bahkan meskipun di ruang angkasa, gaya gravitasipun tetap ada!

Kitapun di bumi dapat mengalami sensasi weightlessness, misalkan ketika kita menaiki roller coaster dimana ketika melewati suatu puncak bukit, badan kita terangkat dan tidak bersentuhan dengan kursi roller coaster. Saat "melayang di udara ini" kita dikatakan mengalami weighlessness!

Bahkan, para astronot biasanya melakukan latihan keadaan tanpa bobot ini dengan pesawat yang terbang pada ketinggian dan kemiringan tertentu lalu "terjun bebas" untuk mendapatkan keadaan tanpa bobot selama sekitar 25 detik, sehingga mereka di dalam pesawat akan seperti melayang!

sumber

Peristiwa Kehilangan Berat

Mengapa kita merasakan adanya berat pada tubuh kita? Kita merasakan berat jika pada tubuh kita bekerja gaya gravitasi bumi dan kaki (atau bagian tubuh kita yang lain) ditopang oleh suatu benda, misalnya lantai atau kursi. Jadi, pada tubuh kita bekerja dua gaya sekaligus, yaitu gaya gravitasi dan gaya topang oleh benda lain. 

Adanya gaya topang tersebut menimbulkan reaksi pada otot tubuh dan kita merasakannya sebagai gaya berat. Namun, jika gaya topang tersebut tidak ada, maka reaksi yang "khas" dari otot kita tidak ada dan kita merasakan seolah-olah tidak memiliki berat.

Kita merasakan kehilangan berat ketika kita jatuh. Bagi anda yang pernah naik pesawat, kehilangan berat terasa ketika pesawat tiba-tiba "terperosok ke bawah" akibat tekanan udara di luar pesawat berkurang secara tiba-tiba. Dari penjelasan ini jelas bahwa kehilangan berat tidak berarti bahwa tidak ada gaya gravitasi yang bekerja pada tubuh. Gaya gravitasi itu tetap ada, hanya saja tubuh kita tidak merasakannya karena tidak adanya gaya penopang tubuh.

Fenomena kehilangan berat menjadi masalah serius bagi para astronaut. Selama berada di luar angkasa, otot atau tulang hampir tidak berfungsi karena tidak menahan beban. Para astronaut hanya melayang-layang dalam ruang pesawat luar angkasa. 

Masalah akan timbul ketika mereka kembali ke bumi. Otot-otot dan tulang yang tidak pernah dipakai selama berada di luar angkasa, secara tiba-tiba menahan beban tubuh. Hal ini dapat menyebabkan kerusakan tulang dan otot tersebut. Untuk menghindari masalah maka selama berada di dalam pesawat luar angkasa, para astronaut harus melakukan olah raga secara rutin (ada ruangan dalam pesawat luar angkasa yang dilengkapi

dengan peralatan olah raga). Tujuannya agar otot dan tulang tetap merasakan adanya beban. Cara lain adalah dengan mengurangi lamanya berada di luar angkasa.

Tantangan berat yang dihadapi Badan Antariksa Amerika Serikat (NASA) saat ini adalah berkaitan dengan upaya mengirimkan manusia ke planet Mars. Lama waktu perjalanan ke Mars diperkirakan sekitar 9 bulan, kemudian 9 bulan untuk perjalanan kembali ke Bumi, dan astronaut harus tinggal di Mars sekitar 1,5 tahun. Mengapa 1,5 tahun? Karena para astronaut harus menunggu agar posisi Bumi-Mars berada pada jarak yang paling dekat sehingga jarak yang ditempuh pesawat luar angkasa menjadi lebih pendek.

Sumber: Fisika  SMA dan MA untuk kelas XI. Mikrajuddin Abdullah. Penerbit: Gelora Aksara Pratama. Depdiknas Pusat Perbukuan Tahun Anggaran 2007

Pengertian Satelit dan Satelit Geostasioner

Menurut kamus lengkap fisika Oxford, satelit ada dua. Pertama, satelit alam atau natural satellite, yaitu benda alam yang berukuran relatif kecil yang mengitari sebuah planet. Misalnya, satu-satunya satelit alam bumi yaitu bulan. Kedua, satelit buatan atau artificial satellite, yaitu wahana angkasa luar yang dibuat manusia yang mengitari bumi, bulan, matahari atau planet. Satelit buatan digunakan untuk berbagai macam kegunaan. Misalnya, satelit komunikasi digunakan untuk meneruskan sinyal telepon, radion dan televisi ke sekeliling permukaan lengkung bumi.

Ada dua jenis satelit komunikasi. Pertama, satelit pasif yang memantulkan sinyal dari satu titik ke titik lain di atas permukaan bumi. Kedua, satelit aktif yang mampu menguatkan dan memancarkan kembali sinyal yang diterima. Satelit astronomi diperlengkapi kemampun mengumpulkan dan memancarkan informasi astronomi dari angkasa luar ke bumi, termasuk keadaan atmosfer bumi, yang sangat bermanfaat bagi prakiraan cuaca.

Satelit Geostasioner

Satelit buatan bergerak mengelilingi bumi dengan lintasannya yang berbentuk bundar lingkaran. Satelit buatan itu hanya digunakan untuk kepentingan komunikasi apabila satelit-satelit itu tetap diam di tempat yang sama. Bumi menyelesaikan satu putaran penuh dalam satu hari, dan agar satelit buatan tetap berada di atas bumi di titik yang sama, sebuah satelit harus melingkari bumi dengan laju yang sama dan harus memiliki sumbu rotasi yang sama dengan bumi. Agar memungkinkan hal itu, satelit-satelit diletakkan pada posisi di atas equator. Satelit-satelit tersebut disebut satelit geoastasioner.

Satelit-satelit geostasiner dapat digunakan sebagai satelit TV. Sebuah perusahaan penyiaran TV memancarkan suatu sinyal mikrowave pada frekuensi yang telah ditentukan (12 - 14 GHz) dari pemancar yang ada di bumi, frekuensinya dinamakan frekuensi uplink. Kemudian satelit menerima sinyal dan memancarkannya kembali ke bumi dalam frekuensi yang berbeda yaitu frekuensi downlink. Frekuensi downlink harus berbeda untuk menghindari interferensi (gangguan) dengan sinyal uplink. 

Ketika mencapai bumi, sinyal difokuskan menggunakan parabola dan diterjemahkan oleh receiver. Karena satelit ini jauh dari Bumi, sinyal akan mencakup area yang luas. Satelit TV menggunakan sinyal digital terkompresi; frekuensi tinggi (12-14 GHz) memberikan bandwidth yang luas, memungkinkan transfer data yang cepat. Sinyal dari satu satelit dapat memancarkan ke banyak saluran TV, hingga mencapai 200 saluran TV.

pebedaan orbit geostasioner dan orbit polar

Gambar diatas memperlihatkan perbandingan orbit polar dan geostasioner. Satelit Polar dapat mengorbit Bumi pada ketinggian hanya 1000 km dengan waktu periode 2 jam. Satelit geostasioner selalu di atas titik yang sama dan mengorbit Bumi sekali sehari pada ketinggian 35.786 km.

Referensi:
Chris Hamper. Pearson Baccalaurete. Higher Level Physics for the IB Diploma. Pearson Education Limited. 2009
Kamus Lengkap Fisika Oxford. Alan Isaacs, BSc, PhD. DIC. Penerbit Erlangga, Tahun 1997