Ubah satuan: nm, mm, dan cm ke m, dan periksa apakah sudut diukur dari garis normal.
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
Seorang pengemudi yang melaju 108 km/h melihat rintangan. Waktu reaksinya 1,4 s, setelah itu mobil mengerem dengan perlambatan konstan 8 m/s². Cari jarak henti total d sejak ia melihat rintangan.
v₀ = 108 km/htr = 1,4 sa = −8 m/s²
d = m
2.KinematikaSulit
Sebuah trem mulai dari keadaan diam dan dipercepat 1 m/s² selama 11 s, lalu berjalan dengan kecepatan tetap selama 5 s, dan akhirnya mengerem dengan 3 m/s² sampai berhenti. Cari jarak total s antara kedua perhentian.
a1 = 1 m/s²t1 = 11 st2 = 5 sa3 = −3 m/s²
s = m
3.Hukum NewtonSedang
Sebuah balok 6 kg meluncur menuruni bidang miring bersudut 45° terhadap horizontal. Koefisien gesek kinetiknya 0,1. Gunakan g = 9,81 m/s². Cari percepatan a balok sepanjang bidang miring.
m = 6 kgθ = 45°μ = 0,1g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Hukum NewtonSulit
Sebuah balok 7,5 kg di atas meja horizontal dihubungkan dengan tali ringan melalui katrol licin ke beban tergantung 4 kg. Koefisien gesek kinetik antara balok dan meja adalah 0,1. Gunakan g = 9,81 m/s². Cari percepatan a sistem.
m1 = 7,5 kgm2 = 4 kgμ = 0,1g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Gerak proyektilSedang
Sebuah bola diluncurkan dari tanah datar dengan sudut 25° di atas horizontal dan mendarat 15 m jauhnya. Abaikan hambatan udara dan gunakan g = 9,81 m/s². Cari kelajuan awal v0.
θ = 25°R = 15 mg = 9,81 m/s²
v0 = m/s
6.Gerak proyektilSulit
Sebuah bola dilempar dengan sudut 25° di atas horizontal dari puncak tebing setinggi 30 m. Abaikan hambatan udara. Cari jarak horizontal x yang ditempuh sebelum bola menyentuh tanah.
v0 = 23 m/sθ = 25°h = 30 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Usaha & energiSedang
Bola 5 kg tergantung pada tali ringan sepanjang 0,5 m. Bola ditarik ke samping sampai tali membentuk 45° terhadap vertikal lalu dilepas dari keadaan diam. Cari tegangan tali T saat bola melewati titik terendah.
m = 5 kgL = 0,5 mθ = 45°g = 9,81 m/s²
T = N
8.Usaha & energiSulit
Balok 4 kg dilepas dari keadaan diam pada ketinggian 3 m di lintasan miring yang licin. Di bawah, balok melintasi jalur horizontal kasar sepanjang 2,5 m (μ = 0,1) lalu menabrak pegas (k = 1500 N/m) di permukaan licin. Cari kecepatan v balok saat mencapai pegas.
m = 4 kgh = 3 mL = 2,5 mμ = 0,1k = 1500 N/mg = 9,81 m/s²
v = m/s
9.Momentum & tumbukanSedang
Sebuah proyektil 4 kg yang bergerak horizontal dengan 22 m/s meledak menjadi dua pecahan yang bergerak pada garis yang sama. Pecahan 1 kg terus bergerak ke depan dengan 60 m/s. Cari kecepatan v′2 pecahan 3 kg (positif searah gerak semula).
M = 4 kgu = 22 m/sm1 = 1 kgv′1 = 60 m/sm2 = 3 kg
v′2 = m/s
10.Momentum & tumbukanSulit
Sebuah bola 0,3 kg menumbuk dinding dengan 22 m/s dan memantul lurus kembali dengan 8 m/s. Kontaknya berlangsung 50 ms. Cari besar impuls J yang diberikan dinding kepada bola.
m = 0,3 kgvin = 22 m/svout = 8 m/sΔt = 50 ms
J = N·s
11.Gaya hidrostatisSedang
Pintu air persegi panjang vertikal selebar 1 m berada di dinding tangki berisi air, dengan tepi atasnya 3 m di bawah permukaan. Cari gaya hidrostatis resultan F pada pintu air.
d = 3 mH = 2 mb = 1 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
12.Gaya hidrostatisSulit
Pintu air persegi panjang vertikal selebar 1 m berada di dinding tangki berisi oli, dengan tepi atasnya 2,5 m di bawah permukaan. Cari gaya hidrostatis resultan F pada pintu air.
d = 2,5 mH = 1 mb = 1 mρ = 880 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
13.Kontinuitas & BernoulliSedang
Air mengalir melalui pipa horizontal yang menyempit dari 150 mm ke 100 mm. Di bagian lebar tekanannya 200 kPa dan kecepatannya 0,75 m/s. Dengan mengabaikan kerugian, cari tekanan p2 di bagian sempit.
Tangki air tertutup berisi udara bertekanan di atas air dengan tekanan gauge 150 kPa. Air keluar melalui lubang berdiameter 50 mm, 1 m di bawah permukaan air, ke udara terbuka. Dengan mengabaikan kerugian, cari kecepatan pancaran v. Gunakan g = 9,81 m/s².
Sebuah mesin kalor bekerja di antara reservoir panas bersuhu 650 °C dan reservoir dingin bersuhu 35 °C. Mesin menyerap 1200 kJ panas. Cari usaha terbesar Wmax yang mungkin dihasilkan.
TH = 650 °CTL = 35 °CQH = 1200 kJ
Wmax = kJ
18.Mesin kalor & refrigeratorSulit
Pompa kalor menjaga rumah pada 21 °C saat di luar 7 °C, dengan memasok 15 kW panas ke rumah. Cari koefisien kinerja tertinggi yang mungkin COPmax.
TH = 21 °CTL = 7 °CQ̇H = 15 kW
COPmax =
19.Gelombang, bunyi & optikaSedang
Sebuah benda berada 10 cm di depan lensa konvergen tipis dengan jarak fokus 5 cm. Carilah perbesaran m (negatif untuk bayangan terbalik).
do = 10 cmf = 5 cm
m =
20.Gelombang, bunyi & optikaSulit
Sebuah benda berada 25 cm di depan cermin cekung dengan jari-jari kelengkungan 40 cm. Carilah perbesaran m (negatif untuk bayangan terbalik).
do = 25 cmR = 40 cm
m =
3Larutan
1.Kinematika
Jawaban: d = 98,25 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.
Satuan
v₀ = 108/3,6 = 30 m/s
Jarak reaksi
d1 = v₀·tr = 30·1,4 = 42 m
Jarak pengereman
d2 = v₀²/(2a) = 30²/(2·8) = 56,25 m
Total
d = 42 + 56,25 = 98,25 m
Jawaban
d = 98,25 m
2.Kinematika
Jawaban: s = 135,7 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.
Kecepatan puncak
v = a1·t1 = 1·11 = 11 m/s
Jarak tiap fase
s1 = ½·1·11² = 60,5 m
s2 = 11·5 = 55 m
s3 = 11²/(2·3) = 20,17 m
Jarak total
s = 60,5 + 55 + 20,17 = 135,7 m
Jawaban
s = 135,7 m
3.Hukum Newton
Jawaban: a = 6,243 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.
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.
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.
Selesaikan rumus jangkauan untuk v₀
v₀ = √(g·R/sin 2θ) = √(9,81·15/sin 50°) = 13,86 m/s
Jawaban
v0 = 13,86 m/s
6.Gerak proyektil
Jawaban: x = 76,19 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 = 23·cos 25° = 20,85 m/s
vy = v0·sin θ = 23·sin 25° = 9,72 m/s
Waktu di udara
Selesaikan y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0 untuk akar positif.
0 = 30 + 9,72·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (9,72 + √(94,48 + 588,6))/9,81 = 3,655 s
Jarak horizontal
x = vx·t = 20,85·3,655 = 76,19 m
Jawaban
x = 76,19 m
7.Usaha & energi
Jawaban: T = 77,78 N
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). Pada lintasan melingkar, gaya total ke arah pusat harus sama dengan mv²/r.
Kecepatan di titik terendah
v² = 2gL(1 − cos θ) = 2·9,81·0,5·(1 − cos 45°) = 2,873 m²/s²
Gaya di titik terendah
m·g = 5·9,81 = 49,05 N
T = mg + mv²/L = 49,05 + 5·2,873/0,5 = 77,78 N
Jawaban
T = 77,78 N
Periksa: T = mg(3 − 2cos θ) = 77,78 N.
8.Usaha & energi
Jawaban: v = 7,345 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 = 39,24·(3 − 0,1·2,5) = 107,9 J
Kecepatan di pegas
½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9,81·2,75) = 7,345 m/s
Jawaban
v = 7,345 m/s
9.Momentum & tumbukan
Jawaban: v′2 = 9,333 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.
Momentum sebelum
p = M·u = 4·22 = 88 kg·m/s
Momentum sesudah
88 = 1·60 + 3·v′2
v′2 = (88 − 60)/3 = 9,333 m/s
Jawaban
v′2 = 9,333 m/s
10.Momentum & tumbukan
Jawaban: J = 9 N·s
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 = 0,3·(8 + 22) = 9 N·s
Jawaban
J = 9 N·s
11.Gaya hidrostatis
Jawaban: F = 78,48 kN
Gaya hidrostatis pada permukaan datar: F = ρ·g·yc·A. Gaya bekerja di pusat tekanan, ycp = yc + Ic/(ycA), yang selalu berada di bawah titik berat.
Kedalaman titik berat dan luas
yc = d + H/2 = 3 + 2/2 = 4 m
A = H·b = 2·1 = 2 m²
Gaya resultan
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·4·2 = 78,48 kN
Jawaban
F = 78,48 kN
12.Gaya hidrostatis
Jawaban: F = 25,9 kN
Gaya hidrostatis pada permukaan datar: F = ρ·g·yc·A. Gaya bekerja di pusat tekanan, ycp = yc + Ic/(ycA), yang selalu berada di bawah titik berat.
Kedalaman titik berat dan luas
yc = d + H/2 = 2,5 + 1/2 = 3 m
A = H·b = 1·1 = 1 m²
Gaya resultan
F = ρ·g·yc·A = 880·9,81·3·1 = 25,9 kN
Jawaban
F = 25,9 kN
13.Kontinuitas & Bernoulli
Jawaban: p2 = 198,9 kPa
Kontinuitas dan Bernoulli: untuk fluida tak mampat, laju alir sama di setiap penampang, Q = A₁v₁ = A₂v₂. Sepanjang garis arus tanpa kerugian, p + ½ρv² + ρgz konstan, jadi di tempat fluida lebih cepat atau lebih tinggi, tekanannya lebih rendah.
Kontinuitas dan Bernoulli
Hitung dalam Pa, lalu bagi 1000 untuk mendapat kPa.
Continuity and Bernoulli: for an incompressible fluid the flow rate is the same at every section, Q = A₁v₁ = A₂v₂. Along a streamline without losses, p + ½ρv² + ρgz is constant, so where the fluid is faster or higher its pressure is lower.
Bernoulli dari permukaan ke pancaran
v = √(2·(150000/1000 + 9,81·1)) = 17,88 m/s
Jawaban
v = 17,88 m/s
15.Hukum gas ideal
Jawaban: P = 2109 kPa
Hukum gas ideal: PV = nRT, dengan n = m/M.
Mol
n = m/M = 480/32 = 15 mol
T = 65 + 273,15 = 338,1 K
Tekanan
P = nRT/V = 15·8,314·338,1/0,02 = 2109 kPa
Jawaban
P = 2109 kPa
16.Hukum gas ideal
Jawaban: ρ = 7,034 kg/m³
Massa jenis gas ideal: ρ = PM/(RT).
Susun ulang hukum gas
PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 110 + 273,15 = 383,1 K
Massa jenis
ρ = 800·28,01/(8,314·383,1) = 7,034 kg/m³
Jawaban
ρ = 7,034 kg/m³
17.Mesin kalor & refrigerator
Jawaban: Wmax = 799,4 kJ
Batas hukum kedua: tidak ada siklus yang bekerja di antara reservoir bersuhu mutlak TH dan TL yang dapat mengungguli siklus reversibel (Carnot): ηmax = 1 − TL/TH, COPR,max = TL/(TH − TL), dan COPHP,max = TH/(TH − TL). Energi selalu kekal: QH = W + QL.
Suhu mutlak
TH = 650 + 273,15 = 923,1 K
TL = 35 + 273,15 = 308,1 K
Efisiensi Carnot
ηmax = 1 − TL/TH = 1 − 308,1/923,1 = 66,62 %
Usaha maksimum
Wmax = ηmax·QH = 0,6662·1200 = 799,4 kJ
Jawaban
Wmax = 799,4 kJ
18.Mesin kalor & refrigerator
Jawaban: COPmax = 21,01
Batas hukum kedua: tidak ada siklus yang bekerja di antara reservoir bersuhu mutlak TH dan TL yang dapat mengungguli siklus reversibel (Carnot): ηmax = 1 − TL/TH, COPR,max = TL/(TH − TL), dan COPHP,max = TH/(TH − TL). Energi selalu kekal: QH = W + QL.
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 = 1/5 − 1/10
di = 10 cm
Perbesaran
m = −di/do = −10/10 = −1
Jawaban
m = −1
20.Gelombang, bunyi & optika
Jawaban: m = −4
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.