Fisika 1: Mekanika: paket kilat

Lembar rumus, langkah-langkah metode utama untuk setiap topik, dan 16 soal latihan, dengan pembahasan lengkap di bagian belakang.

Soal baruKembali ke mata kuliah

Di jendela cetak, pilih “Simpan sebagai PDF” untuk menyimpan salinan di perangkat Anda.

1Rumus dan metode

Kinematika

Kecepatan
v = v0 + a·t
Perpindahan
s = v0·t + ½·a·t²
Tanpa waktu
v² = v0² + 2·a·s
Satuan
1 m/s = 3,6 km/h

Metode

  1. Daftarkan yang Anda ketahui: v₀, v, a, t, dan s, beserta satuannya.
  2. Pilih persamaan yang memuat tiga besaran yang diketahui dan besaran yang dicari.
  3. Pilih satu arah positif dan beri tanda minus pada besaran yang berlawanan arah.
  4. Selesaikan dan periksa bahwa jawabannya masuk akal secara fisis.

Hukum Newton

Hukum kedua
ΣF = m·a
Berat
W = m·g
Gesekan kinetik
Ff = μ·N
Pada bidang miring
sejajar: m·g·sin θ, normal: m·g·cos θ

Metode

  1. Gambar diagram benda bebas dengan setiap gaya yang bekerja pada benda.
  2. Pilih arah positif searah gerak.
  3. Uraikan gaya menjadi komponen sejajar dan tegak lurus terhadap gerak (pada bidang miring: m·g·sin θ sejajar, m·g·cos θ menekan bidang).
  4. Terapkan ΣF = m·a searah gerak; gesekan adalah μ·N yang melawan gerak.

Gerak proyektil

Komponen
vx = v0cos θ, vy = v0sin θ
Posisi
x = vxt, y = h + vyt − ½gt²
Tinggi maksimum
H = h + vy²/(2g)
Jarak tempuh (tanah datar)
R = v0²·sin 2θ/g

Metode

  1. Uraikan kecepatan luncur menjadi komponen: vx = v₀·cos θ dan vy = v₀·sin θ.
  2. Gerak horizontal memiliki kelajuan konstan; gerak vertikal memiliki percepatan −g.
  3. Cari waktu terbang dari gerak vertikal.
  4. Gunakan waktu itu dalam gerak horizontal untuk mencari jarak jangkauan.

Gerak melingkar

Percepatan sentripetal
a = v²/r = ω²·r
Gaya sentripetal
F = m·v²/r
Kecepatan sudut
ω = v/r = 2π/T
Tikungan datar, gesekan
vmax = √(μ·g·r)

Usaha & energi

Energi kinetik
Ek = ½mv²
Energi potensial
Ep = mgh
Neraca energi
Ek1 + Ep1 + W = Ek2 + Ep2 + losses
Usaha gaya gesek
W = μ·N·d
Daya
P = W/t

Momentum & tumbukan

Momentum
p = m·v
Kekekalan
Σm·v (before) = Σm·v (after)
Tidak lenting sama sekali
v′ = (m1v1 + m2v2)/(m1 + m2)
Impuls
J = F·Δt = m·Δv

Metode

  1. Pilih arah positif dan beri setiap kecepatan tandanya.
  2. Tulis momentum total sebelum tumbukan: Σm·v.
  3. Pada tumbukan tidak lenting sama sekali, benda-benda bergerak bersama setelahnya; pada tumbukan lenting, energi kinetik juga kekal.
  4. Samakan momentum sebelum dengan momentum sesudah tumbukan lalu selesaikan.

Pegas & bandul

Massa pada pegas
T = 2π·√(m/k)
Bandul
T = 2π·√(L/g)
Frekuensi sudut
ω = √(k/m) = 2π/T
Kelajuan dan percepatan maksimum
vmax = A·ω, amax = A·ω²
Energi
E = ½·k·A²

Gelombang, bunyi & optika

Kelajuan gelombang
v = fλ, T = 1/f
Tali
v = √(T/μ), μ = m/L
Tingkat bunyi
β = 10·log10(I/I0), I0 = 10⁻¹² W/m²
Sumber titik
I = P/(4πr²)
Gelombang berdiri
tali atau pipa terbuka fn = n·v/(2L); pipa tertutup fn = n·v/(4L), n ganjil
Efek Doppler
f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs)
Indeks bias
n = c/v, λ = λ0/n
Hukum Snell
n1sin θ1 = n2sin θ2
Sudut kritis
sin θc = n2/n1
Serat optik
NA = sin θa = √(n1² − n2²)
Lensa dan cermin
1/f = 1/do + 1/di, m = −di/do, mirror f = R/2
Celah ganda
d·sin θ = mλ, ym = mλL/d
Kisi
d = 1/N, d·sin θ = mλ, mmax ≤ d/λ
Celah tunggal
a·sin θ = mλ (dark), w = 2λL/a

Metode

  1. Kenali jenis soalnya: kelajuan gelombang, tingkat bunyi, gelombang berdiri, Doppler, pembiasan, lensa atau cermin, atau interferensi.
  2. Tulis dulu hubungannya: v = fλ, β = 10·log(I/I₀), fₙ = n·v/(2L) atau n·v/(4L), f′ = f(v ± vo)/(v ∓ vs), n₁sin θ₁ = n₂sin θ₂, 1/f = 1/d₀ + 1/dᵢ, d·sin θ = mλ.
  3. Ubah satuan: nm, mm, dan cm ke m, dan periksa apakah sudut diukur dari garis normal.
  4. Periksa tanda dan kewajaran: bayangan maya memiliki dᵢ < 0, sumber yang mendekat terdengar lebih tinggi, pipa tertutup hanya memiliki harmonik ganjil.

2Soal latihan

1.KinematikaSedang
polisia = 4,5 m/s²mobil19 m/s

Sebuah mobil yang ngebut dengan kecepatan tetap 19 m/s melewati mobil polisi yang sedang diam. Pada saat itu mobil polisi mulai bergerak dan dipercepat secara beraturan dengan 4,5 m/s². Seberapa jauh dari titik awalnya mobil polisi menyusul? Cari d.

vcar = 19 m/sapolice = 4,5 m/s²v0,police = 0
d = m
2.KinematikaSulit
AB: 24 m/s55 m

Bola A dijatuhkan dari keadaan diam dari ketinggian 55 m. Pada saat yang sama bola B dilempar tegak ke atas dari tanah tepat di bawahnya dengan 24 m/s. Abaikan hambatan udara dan gunakan g = 9,81 m/s². Pada ketinggian berapa y di atas tanah keduanya bertemu?

H = 55 mv0B = 24 m/sg = 9,81 m/s²
y = m
3.Hukum NewtonSedang
θ = 35°a = ?m = 11 kg

Sebuah balok 11 kg meluncur menuruni bidang miring bersudut 35° terhadap horizontal. Koefisien gesek kinetiknya 0,25. Gunakan g = 9,81 m/s². Cari percepatan a balok sepanjang bidang miring.

m = 11 kgθ = 35°μ = 0,25g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Hukum NewtonSulit
θ = 30°balokv₀ = 4,5 m/s

Sebuah balok didorong sehingga mulai meluncur menaiki bidang miring bersudut 30° dengan kecepatan 4,5 m/s. Koefisien gesek kinetisnya 0,2. Gunakan g = 9,81 m/s². Seberapa jauh d balok meluncur di sepanjang bidang miring sebelum berhenti?

v₀ = 4,5 m/sθ = 30°μ = 0,2g = 9,81 m/s²
d = m
5.Gerak proyektilSedang
96 my = ?v0​ = 40 m/s40°

Sebuah bola ditendang dari tanah datar dengan 40 m/s dan sudut 40° di atas horizontal ke arah dinding yang berjarak 96 m. Abaikan hambatan udara dan gunakan g = 9,81 m/s². Pada ketinggian berapa y bola melewati dinding?

v₀ = 40 m/sθ = 40°x = 96 mg = 9,81 m/s²
y = m
6.Gerak proyektilSulit
h = 10 mv0​ = 21 m/s35°x = ?

Sebuah bola dilempar dengan sudut 35° di atas horizontal dari puncak tebing setinggi 10 m. Abaikan hambatan udara. Cari jarak horizontal x yang ditempuh sebelum bola menyentuh tanah.

v0 = 21 m/sθ = 35°h = 10 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Gerak melingkarSedang
r = 3,3 mω = ?

Dalam wahana rotor di pasar malam, penumpang berdiri bersandar pada dinding silinder vertikal berjari-jari 3,3 m. Ketika berputar cukup cepat, lantainya turun dan gesekan menahan mereka. Koefisien gesek statisnya 0,5. Gunakan g = 9,81 m/s². Cari kecepatan sudut terkecil ω dalam rad/s.

r = 3,3 mμs = 0,5g = 9,81 m/s²
ω = rad/s
8.Gerak melingkarSulit
r = 1 m11,5 m/svtop​ = ?

Sebuah bola 1,7 kg pada tali ringan sepanjang 1 m diayunkan dalam lingkaran vertikal. Di titik terendah kelajuannya 11,5 m/s. Abaikan hambatan udara dan gunakan g = 9,81 m/s². Cari tegangan tali Ttop di titik tertinggi.

m = 1,7 kgr = 1 mvbottom = 11,5 m/sg = 9,81 m/s²
Ttop = N
9.Usaha & energiSedang
45°d = 10 mμ = 0,3

Balok 2 kg meluncur 10 m menuruni lereng bersudut 45° terhadap horizontal, dengan koefisien gesek kinetik 0,3. Cari usaha Wf melawan gesekan.

m = 2 kgθ = 45°μ = 0,3d = 10 mg = 9,81 m/s²
Wf = J
10.Usaha & energiSulit
h = 1 mL = 2,5 mμ = 0,2k = 500 N/m

Balok 2,5 kg dilepas dari keadaan diam pada ketinggian 1 m di lintasan miring yang licin. Di bawah, balok melintasi jalur horizontal kasar sepanjang 2,5 m (μ = 0,2) lalu menabrak pegas (k = 500 N/m) di permukaan licin. Cari kecepatan v balok saat mencapai pegas.

m = 2,5 kgh = 1 mL = 2,5 mμ = 0,2k = 500 N/mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Momentum & tumbukanSedang
3 kgv = ?10 gh = 21 cm

Sebuah peluru 10 g ditembakkan horizontal ke balok kayu 3 kg yang tergantung pada tali ringan, dan tertanam di dalamnya. Balok berayun naik sampai 21 cm lebih tinggi daripada semula. Gunakan g = 9,81 m/s². Cari kelajuan v peluru sebelum tumbukan.

m = 10 gM = 3 kgh = 21 cmg = 9,81 m/s²
v = m/s
12.Momentum & tumbukanSulit
29 m/s20 m/s

Sebuah bola 0,15 kg menumbuk dinding dengan 29 m/s dan memantul lurus kembali dengan 20 m/s. Kontaknya berlangsung 50 ms. Cari gaya rata-rata Favg dinding pada bola.

m = 0,15 kgvin = 29 m/svout = 20 m/sΔt = 50 ms
Favg = N
13.Pegas & bandulSedang
L = 3 m

Sebuah bandul sederhana memiliki panjang 3 m. Gunakan g = 9,81 m/s². Cari periodenya T untuk ayunan kecil.

L = 3 mg = 9,81 m/s²
T = s
14.Pegas & bandulSulit
1,5 kgk = 1000 N/m150 m/s

Sebuah peluru 15 g yang bergerak 150 m/s menumbuk dan tertanam dalam balok 1,5 kg yang diam di permukaan tanpa gesekan. Balok terpasang pada pegas horizontal dengan k = 1000 N/m. Cari amplitudo A osilasi yang terjadi dalam cm.

m = 15 gv = 150 m/sM = 1,5 kgk = 1000 N/m
A = cm
15.Gelombang, bunyi & optikaSedang
FF5 cmdo​ = 30 cmf = −12 cm

Sebuah benda setinggi 5 cm berada 30 cm di depan lensa divergen tipis dengan jarak fokus 12 cm. Carilah tinggi bayangan hi (negatif untuk bayangan terbalik).

ho = 5 cmdo = 30 cmf = −12 cm
hi = cm
16.Gelombang, bunyi & optikaSulit
λ = ?19,1°

Kisi dengan 500 garis per milimeter menunjukkan maksimum orde ke-1 dari suatu garis spektrum pada 19,1° dari arah lurus. Carilah panjang gelombang λ garis itu.

N = 500 mm⁻¹θ1 = 19,1°m = 1
λ = nm

3Larutan

1.Kinematika

Jawaban: d = 160,4 m

Motion with constant acceleration: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² and v² = v₀² + 2·a·s. Pick the equation that contains the three things you know and the one you want, and keep the signs consistent with one positive direction.

Jarak sama

v·t = ½·a·t² → t = 2v/a = 2·19/4,5 = 8,444 s

Jarak

d = v·t = 19·8,444 = 160,4 m

Jawaban

d = 160,4 m

Pada saat itu mobil polisi bergerak dengan 2v = 38 m/s.

2.Kinematika

Jawaban: y = 29,24 m

Motion with constant acceleration: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² and v² = v₀² + 2·a·s. Pick the equation that contains the three things you know and the one you want, and keep the signs consistent with one positive direction.

Waktu bertemu

Arah ke atas positif, tanah di y = 0.

55 − ½g·t² = 24·t − ½g·t² → t = 55/24 = 2,292 s

Ketinggian bertemu

y = 24·2,292 − ½·9,81·2,292² = 29,24 m

Jawaban

y = 29,24 m
3.Hukum Newton

Jawaban: a = 3,618 m/s²

Hukum kedua Newton: gaya total pada suatu benda sama dengan massanya dikali percepatannya, ΣF = m·a. Gambar diagram benda bebas, pilih arah positif searah gerak, dan jumlahkan semua gaya dalam arah tersebut: gaya luar, gesekan μ·N yang melawan gerak, dan komponen gaya gravitasi.

Gaya sepanjang bidang miring

Arah menuruni bidang miring positif.

m·a = m·g·sin θ − μ·m·g·cos θ

Percepatan

a = 9,81·(sin 35° − 0,25·cos 35°) = 9,81·(0,5736 − 0,2048) = 3,618 m/s²

Jawaban

a = 3,618 m/s²
4.Hukum Newton

Jawaban: d = 1,533 m

Newton’s second law: the net force on a body equals its mass times its acceleration, ΣF = m·a. Draw a free-body diagram, choose a positive direction along the motion, and add every force in that direction: applied forces, friction μ·N against the motion, and the components of gravity.

Perlambatan

Kedua gaya mengarah ke bawah lereng; massanya saling menghapus.

a = 9,81·(sin 30° + 0,2·cos 30°) = 6,604 m/s²

Jarak

d = v₀²/(2a) = 4,5²/(2·6,604) = 1,533 m

Jawaban

d = 1,533 m
5.Gerak proyektil

Jawaban: y = 32,41 m

Projectile motion: with no air resistance, x = vxt and y = h + vyt − ½gt². The two directions are independent except that they share the same time.

Waktu sampai dinding

vx = 40·cos 40° = 30,64 m/s
t = x/vx = 96/30,64 = 3,133 s

Ketinggian pada saat itu

y = 25,71·3,133 − ½·9,81·3,133² = 32,41 m

Jawaban

y = 32,41 m

Bola sudah dalam perjalanan turun saat di dinding.

6.Gerak proyektil

Jawaban: x = 53,52 m

Gerak proyektil: tanpa hambatan udara, x = vxt dan y = h + vyt − ½gt². Kedua arah tidak saling bergantung, kecuali berbagi waktu yang sama.

Uraikan kecepatan awal

Kecepatan horizontal tetap; gerak vertikal memiliki percepatan konstan g = 9,81 m/s² ke bawah.

vx = v0·cos θ = 21·cos 35° = 17,2 m/s
vy = v0·sin θ = 21·sin 35° = 12,05 m/s

Waktu di udara

Selesaikan y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0 untuk akar positif.

0 = 10 + 12,05·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (12,05 + √(145,1 + 196,2))/9,81 = 3,111 s

Jarak horizontal

x = vx·t = 17,2·3,111 = 53,52 m

Jawaban

x = 53,52 m
7.Gerak melingkar

Jawaban: ω = 2,438 rad/s

Uniform circular motion: an object moving at speed v on a circle of radius r accelerates towards the centre with a = v²/r, so it needs a net inward force F = m·v²/r. That force is supplied by something real: friction, tension, gravity or a normal force.

Gaya pada penumpang

N = m·ω²·r
μ·N = m·g → μ·ω²·r = g

Kecepatan sudut

ω = √(g/(μ·r)) = √(9,81/(0,5·3,3)) = 2,438 rad/s

Jawaban

ω = 2,438 rad/s
8.Gerak melingkar

Jawaban: Ttop = 141,4 N

Uniform circular motion: an object moving at speed v on a circle of radius r accelerates towards the centre with a = v²/r, so it needs a net inward force F = m·v²/r. That force is supplied by something real: friction, tension, gravity or a normal force.

Kecepatan di puncak

Energi kinetik ditukar dengan energi potensial sepanjang ketinggian 2r.

vtop² = 11,5² − 4·9,81·1 = 93,01 m²/s²

Gaya di puncak

Tegangan tali dan gravitasi sama-sama mengarah ke bawah, ke pusat.

T + m·g = m·vtop²/r
T = 1,7·93,01/1 − 1,7·9,81 = 141,4 N

Jawaban

Ttop = 141,4 N
9.Usaha & energi

Jawaban: Wf = 41,62 J

Prinsip usaha–energi: perubahan energi kinetik sama dengan usaha oleh semua gaya. Menuliskan gravitasi dan pegas sebagai energi potensial (mgh dan ½kx²) mengubahnya menjadi neraca: energi awal = energi akhir + energi yang hilang karena gesekan (μN·d).

Gaya gesek

N = mg·cos θ = 19,62·0,7071 = 13,87 N
F = μN = 0,3·13,87 = 4,162 N

Usaha melawan gesekan

Wf = F·d = 4,162·10 = 41,62 J

Jawaban

Wf = 41,62 J
10.Usaha & energi

Jawaban: v = 3,132 m/s

Prinsip usaha–energi: perubahan energi kinetik sama dengan usaha oleh semua gaya. Menuliskan gravitasi dan pegas sebagai energi potensial (mgh dan ½kx²) mengubahnya menjadi neraca: energi awal = energi akhir + energi yang hilang karena gesekan (μN·d).

Energi tersisa setelah jalur kasar

Lintasan miringnya licin, jadi hanya jalur kasar yang mengambil energi.

mgh − μmgL = 24,53·(1 − 0,2·2,5) = 12,26 J

Kecepatan di pegas

½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9,81·0,5) = 3,132 m/s

Jawaban

v = 3,132 m/s
11.Momentum & tumbukan

Jawaban: v = 611 m/s

Conservation of momentum: when no external force acts during a collision, the total momentum Σm·v before equals the total after. Velocities have a direction, so pick a positive direction and give velocities the other way a minus sign. In an elastic collision kinetic energy is conserved too; in a perfectly inelastic one the bodies stick together.

Ayunan setelah tumbukan

V = √(2·g·h) = √(2·9,81·0,21) = 2,03 m/s

Tumbukan

m·v = (m + M)·V → v = (0,01 + 3)·2,03/0,01 = 611 m/s

Jawaban

v = 611 m/s
12.Momentum & tumbukan

Jawaban: Favg = 147 N

Kekekalan momentum: jika tidak ada gaya luar yang bekerja selama tumbukan, momentum total Σm·v sebelum tumbukan sama dengan sesudahnya. Kecepatan memiliki arah, jadi pilih satu arah positif dan beri tanda minus pada kecepatan yang berlawanan arah. Pada tumbukan lenting, energi kinetik juga kekal; pada tumbukan tidak lenting sama sekali, benda-benda menyatu.

Perubahan momentum

J = m·Δv = 0,15·(20 + 29) = 7,35 N·s

Gaya rata-rata

Favg = J/Δt = 7,35/0,05 = 147 N

Jawaban

Favg = 147 N
13.Pegas & bandul

Jawaban: T = 3,475 s

Gerak harmonik sederhana: massa m pada pegas dengan kekakuan k berosilasi dengan frekuensi sudut ω = √(k/m) dan periode T = 2π/ω = 2π·√(m/k). Bandul sederhana dengan panjang L memiliki T = 2π·√(L/g). Dengan amplitudo A, kelajuan terbesar adalah A·ω, percepatan terbesar A·ω², dan energinya ½·k·A².

Periode bandul

T = 2π·√(3/9,81) = 3,475 s

Jawaban

T = 3,475 s
14.Pegas & bandul

Jawaban: A = 5,781 cm

Simple harmonic motion: a mass m on a spring of stiffness k oscillates with angular frequency ω = √(k/m) and period T = 2π/ω = 2π·√(m/k). A simple pendulum of length L has T = 2π·√(L/g). With amplitude A, the largest speed is A·ω, the largest acceleration A·ω² and the energy ½·k·A².

Kelajuan setelah tumbukan

V = m·v/(m + M) = 0,015·150/1,515 = 1,485 m/s

Frekuensi sudut

ω = √(k/(m + M)) = √(1000/1,515) = 25,69 rad/s

Amplitudo

A = V/ω = 1,485/25,69 = 0,05781 m = 5,781 cm

Jawaban

A = 5,781 cm
15.Gelombang, bunyi & optika

Jawaban: hi = 1,429 cm

Optika geometri: pada batas dua medium, n₁·sin θ₁ = n₂·sin θ₂ (hukum Snell), dengan sudut diukur dari garis normal dan n = c/v. Memasuki medium yang lebih lambat, sinar membelok mendekati normal. Dari medium yang lebih rapat (n₁ > n₂) melewati sudut kritis θc = arcsin(n₂/n₁) semua cahaya dipantulkan: pemantulan dalam sempurna. Lensa tipis dan cermin bola mengikuti 1/f = 1/do + 1/di dengan perbesaran m = −di/do. Konvensi tanda: f > 0 untuk lensa cembung dan cermin cekung (f = R/2), f < 0 untuk lensa cekung dan cermin cembung; di > 0 untuk bayangan nyata, di < 0 untuk bayangan maya, dan m < 0 untuk bayangan terbalik.

Persamaan lensa tipis

1/di = 1/f − 1/do = 1/(−12) − 1/30
di = −8,571 cm
FF30 cmf = −12 cm

Perbesaran dan tinggi

m = −(−8,571)/30 = 0,2857
hi = 0,2857·5 = 1,429 cm

Jawaban

hi = 1,429 cm
16.Gelombang, bunyi & optika

Jawaban: λ = 654,4 nm

Interferensi dan difraksi: cahaya dari dua celah berjarak d mencapai suatu titik pada layar dengan selisih lintasan d·sin θ. Pita terang muncul di tempat d·sin θ = mλ (m = 0, ±1, ±2, …). Untuk layar berjarak L ≫ d, pita terang ke-m berada pada y = mλL/d dan jarak antar pita adalah Δy = λL/d. Kisi dengan N garis per milimeter memiliki d = 1/N dan maksimum tajam pada d·sin θ = mλ; karena sin θ ≤ 1, orde tertinggi adalah bilangan bulat terbesar m ≤ d/λ. Celah tunggal selebar a memiliki pita gelap pada a·sin θ = mλ, m = ±1, ±2, …

Panjang gelombang

λ = d·sin θ/m = 2 × 10⁻⁶·sin 19,1°/1 = 654,4 nm

Jawaban

λ = 654,4 nm

ExamProblems · examproblems.com/courses/physics-1-mechanics