Mikrajuddin Abdullah – Fisika Dasar I 2016

1081 Pages·2016·29.38 MB·Indonesian

KATA PENGANTAR

B
uku ini berisi materi Fisika Dasar I yang diajarkan di semester
pertama tingkat pertama fakultas sains dan teknik di perguruan tinggi negeri
maupun swasta. Materi utama mencakup mekanika benda titik dan benda
tegar, fluida, fisika termal, dan termodinamika. Materi tentang listrik dan
magnet, gelombang, dan fisika modesn akan dibahas di buku Fisika Dasar II.
Penulisan buku ini dimulai tahun 2004 saat penulis kembali dari tugas
belajar di Jepang. Penulisan ini dimotivasi oleh ketiadaan buku kuliah fisika
dasar yang ditulis oleh dosen dalam negeri selama berpuluh-puluh tahun. Seri
Fisika Dasar karya Sutrisno dan Tan Ik Gie sudah tidak memadai lagi untuk
kondisi keilmuan terkini. Bentuk awal buku ini berupa diktat kuliah yang
dilengkapi secara terus menerus hingga mencapai bentuk seperti ini.
Berbeda dengan buku sejenis, pada buku ini juga dibahas sejumlah
fenomena yang dijumpai dalam kehidupan sehari-hari dengan konsep yang
sedang dipelajari. Mudah-mudahan dengan pendekatan seperti ini materi
kuliah Fisika Dasar menjadi lebih menarik dan mahasiswa menyadari bahwa
aplikasi konsep-konsep fifika dijumpai mulai dari fenomena sederhana yang
ada di sekitar kita hingga peralatan teknologi canggih.
Dibandingkan dengan buku sejenis, dalam buku ini beberapa topik
dibahas dengan tingkat kesulitan lebih tinggi. Hal ini dilakukan mengingat
materi pelajaran fisika di skeolah menengah di Indonesia cukup tinggi. Jika
materi dalam buku fisika dasar memiliki kesulitan yang serupa dengan materi
i
fisika di sekolah menengah maka mahasiswa akan merasa cepat bosan. Karena
di sekolah menengah para siswa telah diajarkan materi diferensial, integral,
dan vektor maka dalam buku ini banyak dijumpai operasi semacam ini, namun
tetap dalam bentuk yang dapat dipahami mahasiswa tingkat satu.
Pada bab akhir juga dikenalkan metode numerik untuk menyelesaikan
persoalan fisika yang tidak dapat diselesaikan atau sulit diselesaikan secara
analitik. Software yang digunakan hanyalah Microsoft Excel yang dijumpai pada
semua komputer. Materi ini dikenalkan agar pada mahasiswa sadar bahwa
penyelesaian persoalan fisika tidak semata-mata dengan metode analitikseperti
yang dipelajari selama ini. Justru banyak persoalan fisika yang harus
diselesaikan secara numerik.
Banyak pihak yang telah terlibat secara langsung atau tidak langsung
selama penyelesaian buku ini. Untuk itu penulis sampaikan terima kasih yang
luar biasa. Terima kasih secara khusus kepada Istri dan anak-anak yang
memberikan dukungan tanpa henti.

Kampus Ganesa
Maret 2016

Penulis
ii
DAFTAR ISI

Bab 1 BESARAN DAN SATUAN 1
1.1 Besaran Fisika 2
1.2. Pengukuran dan Satuan 5
1.3 Satuan Sistem Internasional 6
1.4 Penetapan Nilai Satuan SI untuk Besaran Pokok 8
1.5 Awalan Satuan 13
1.6 Konversi Satuan 14
1.7 Pengukuran 16
1.8 Pengukuran Luas Tanah 45
1.9 Pengolahan Data 50
Soal-Soal 66
Bab 2 BESARAN-BESARAN GERAK 81
2.1 Posisi 82
2.2 Perpindahan 87
iii
2.3 Jarak Tempuh 99
2.4 Kecepatan Rata-Rata 105
2.5 Laju Rata-Rata 110
2.6 Kecepatan Sesaat 112
2.7 Laju Sesaat 117
2.8 Percepatan Rata-rata 118
2.9 Percepatan Sesaat 122
2.10 Menentukan Kecepatan dari Percepatan 125
2.11 Menentukan Posisi dari Kecepatan 131
2.12 Fisika Sekitar Kita 140
Soal-Soal 144
Bab 3 GERAK DUA DIMENSI 159
3.1 Gerak Peluru 162
2.2. Gerak Melingkar 201
Soal-Soal 223
Bab 4 GAYA 233
4.1 Hukum Newton tentang Gerak 234
4.2 Diagram Gaya Bebas 236
4.3 Aplikasi Hukum Newton 243
4.4 Gaya Gesekan 264
4.4 Gaya Sentripetal 301
4.5 Tekanan 318
4.6 Gaya pada Fenomena di Sekitar Kita 327
Soal-Soal 338
Bab 5 KERJA DAN ENERGI 345
5.1 Definisi Kerja 345
iv
5.2 Efek Kerja pada Laju Benda 360
5.3 Energi Kinetik 364
5.4 Teorema Kerja-Energi 368
5.5 Daya 371
5.6 Gaya Konservatif 378
5.7 Energi Potensial 384
5.8 Energi Mekanik 395
5.9 Hukum Kekekalan Energi Mekanik 397
5.10 Kecepatan Lepas dari Bumi 399
5.11 Kerja oleh Gaya Gesekan 404
5.12 Pengungkit 409
5.12. Katrol 413
5.13 Fisika di Sekitar Kita 416
Soal-Soal 423
Bab 6 MOMENTUM 435
6.1 Momentum Benda Banyak 439
6.2 Hukum Kekekalan Momentum 440
6.3 Tumbukan Segaris Dua Benda 448
6.4 Ayunan Balistik 457
6.5 Tumbukan Benda dengan Lantai 459
6.6 Impuls 461
6.7 Pusat Massa 466
6.8 Menentukan Pusat Massa dengan Metode Integral 471
6.8 Kecepatan Pusat Massa 476
6.9 Percepatan Pusat Massa 477
6.10 Gerak Roket 479
v
6.11 Tumbukan Berantai (Kasus khusus 1) 483
6.12 Laju Minimum Elektron untuk Mengeksitasi Atom (kasus khusus 2) 487
Soal-Soal 491
Bab 7 OSILASI 495
7.1 Frekuensi Osilasi 496
7.2. Bandul Matematis Sederhana 501
7.3. Osilasi Pegas 504
7.4 Energi Osilasi 506
7.5. Mengukur Percepatan Gravitasi Bumi 508
7.6. Osilasi Dawai 510
7.7. Resonansi 510
7.8. Osilasi Teredam 516
7.9 Strut MacPherson 521
7.10 Osilasi dan Ayunan Kaki 522
7.11 Spektrometer Inframerah 523
7.12 Osilator Atom dalam Zat Padat 526
7.13 Frekuensi Kepakan Sayap Serangga 527
7.14 Osilasi Melalui Pusat Bumi 530
7.15 Kepakan Sayap Burung 533
Soal-soal 535
Bab 8 GRAVITASI 541
8.1 Gaya Tanpa Sentuhan 544
8.2 Medan Gravitasi di Permukaan Bumi 547
8.3 Medan Gravitasi di Dalam Bumi 549
8.4 Energi Potensial Gravitasi di Luar Benda 551
8.5 Energi Potensial Gravitasi di Dalam Benda 553
vi
8.6 Energi Mekanik Benda dalam Orbit 557
8.7 Gangguan pada Kecepatan Orbit 559
8.8 Hukum Kepler untuk Gerak Planet 563
8.9 Pembuktian Hukum Kepler dengan Hukum Gravitasi Newton 565
8.10 Pembuktikan Persamaan Gravitasi dari Hukum Kepler 569
8.11 Lubang Hitam (Black Hole) 573
8.12 Pembelokan Cahaya oleh Medan Gravitasi 575
8.13 Pasang Surut Akibat Gravitasi Matahari dan Bulan 581
8.14 Percepatan Gravitasi Benda yang Memiliki Kerapatan tidak Uniform 584
8.15 Efek Pengurangan Konstanta Gravitasi Universal 587
8.16 Batas Terkecil Massa Jenis Pulsar 592
8.17 Panjang Bulan Kalender Hijriyah 594
8.18 Tahun Hijriyah dan Tahun Masehi 602
8.19 Hisab dan Rukyat 604
8.20 Lintasan Benda yang Ditembakkan Sejajar Permukaan Bumi 605
8.21 Lintasan Planet Mars Diamati dari Bumi 609
8.22 Perkiraan Lama Gerhana Matahari 613
8.23 Ketinggian Maksimum Gunung di Bumi 616
Soal-Soal 621
Bab 9 BENDA TEGAR dan ELASTISITAS 629
9.1 Momen Inersia 630
9.2 Momen Inersia Sejumlah Partikel 635
9.3 Momen Inersia Benda Kontinu 640
9.4 Dalil Sumbu Sejajar 647
9.5 Jari-jari Girasi 650
9.5 Momen Gaya 652
vii
9.6 Momen Gaya Total 656
9.7 Hukum II Newton untuk Rotasi Benda Tegar 658
9.8 Menggelinding dan Selip 660
9.9 Energi Kinetik Benda Tegar 664
9.10 Roda Terbang 667
9.10 Kerja Oleh Momen Gaya 668
9.11 Teorema Kerja-Energi Gerak Rotasi 670
9.13 Teorema Kerja Energi Umum 671
9.14 Momentum Sudut Benda Tegar 673
9.15 Hubungan Antara Momentum Sudut dan Momen Gaya 674
9.16 Hubungan antara Momentum Sudut dan Momentum Linier 676
9.17 Hukum Kekekalan Momentum Sudut 677
9.18 Gasing 677
9.19. Mengapa Motor Miring di Jalan Melengkung? 684
9.20 Fisika Sepatu/Sandal High Heels 686
9.21 Modulus Elastisitas 670
Soal-Soal 706
Bab 10 FLUIDA 713
10.1 Arah Gaya 713
10.2 Bentuk Permukaan Fluida Statis 714
10.3 Massa Jenis 716
10.4 Modulus Bulk dan Kompressibilitas 718
10.5 Tekanan Hidrostatis 721
10.6 Ketinggian Permukaan Fluida 726
10.7 Hukum Pascal 736
10.8 Barometer 740
viii
10.9 Gaya Angkat Archimedes 742
10.10 Tenggelam, Melayang, dan Terapung 746
10.11 Terusan Panama 749
10.12 Infus 753
10.13 Tekanan Yang Dilakukan Gas 754
10.14 Presto 757
10.15 Tekanan dalam Kabin Pesawat 760
10.16 Mengitung Luas Patung Pangeran Diponegoro 762
10.17 Tegangan Permukaan 765
10.18 Kelengkungan Permukaan Fluida 767
10.19 Kohesi dan Adhesi 769
10.20 Laju Aliran Fluida 771
10.21 Debit Aliran 772
10.22 Persamaan Kontinuitas 774
10.23 Aliran Laminer dan Turbulen 775
10.24 Hukum Bernoulli 776
10.25 Beberapa Aplikasi Hukum Bernoulli 779
10.26 Viskositas 794
10.27 Persamaan Poiseuille 795
10.28 Hukum Stokes 797
10.28 Bilangan Reynolds 800
10.30 Gesekan Udara 801
10.31 Topik Khusus 803
Soal-Soal 810
Bab 11 KALOR 823
11.1 Pengertian Suhu 824
ix