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
Sebuah mobil yang ngebut dengan kecepatan tetap 24 m/s melewati mobil polisi yang sedang diam. Pada saat itu mobil polisi mulai bergerak dan dipercepat secara beraturan dengan 3 m/s². Seberapa jauh dari titik awalnya mobil polisi menyusul? Cari d.
vcar = 24 m/sapolice = 3 m/s²v0,police = 0
d = m
2.KinematikaSulit
Sebuah bola dilempar vertikal ke atas dengan 12 m/s dari tepi atap setinggi 25 m di atas tanah. Abaikan hambatan udara dan gunakan g = 9,81 m/s². Berapa lama setelah dilempar bola menyentuh tanah? Cari t.
v₀ = 12 m/sh₀ = 25 mg = 9,81 m/s²
t = s
3.Hukum NewtonSedang
Massa 10 kg dan 7 kg tergantung di kedua sisi katrol ringan tanpa gesekan, dihubungkan dengan tali ringan. Sistem dilepas dari keadaan diam. Gunakan g = 9,81 m/s². Cari percepatan a kedua massa.
m1 = 10 kgm2 = 7 kgg = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Hukum NewtonSulit
Sebuah balok didorong sehingga mulai meluncur menaiki bidang miring bersudut 15° dengan kecepatan 9 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 = 9 m/sθ = 15°μ = 0,2g = 9,81 m/s²
d = m
5.Gerak proyektilSedang
Sebuah bola diluncurkan dari tanah datar dengan sudut 35° di atas horizontal dan mendarat 45 m jauhnya. Abaikan hambatan udara dan gunakan g = 9,81 m/s². Cari kelajuan awal v0.
θ = 35°R = 45 mg = 9,81 m/s²
v0 = m/s
6.Gerak proyektilSulit
Sebuah bola diluncurkan dengan 31 m/s dan sudut 55° di atas horizontal dari puncak tebing setinggi 15 m. Abaikan hambatan udara dan gunakan g = 9,81 m/s². Pada sudut berapa α di bawah horizontal bola menyentuh tanah?
v₀ = 31 m/sθ = 55°h = 15 mg = 9,81 m/s²
α = °
7.Usaha & energiSedang
Balok 1 kg meluncur 15 m menuruni lereng bersudut 45° terhadap horizontal, dengan koefisien gesek kinetik 0,25. Cari usaha Wf melawan gesekan.
m = 1 kgθ = 45°μ = 0,25d = 15 mg = 9,81 m/s²
Wf = J
8.Usaha & energiSulit
Balok 2 kg dilepas dari keadaan diam pada ketinggian 4,5 m di lintasan miring yang licin. Di bawah, balok melintasi jalur horizontal kasar sepanjang 3 m (μ = 0,1) lalu menabrak pegas (k = 1500 N/m) di permukaan licin. Cari pemampatan maksimum x pegas.
m = 2 kgh = 4,5 mL = 3 mμ = 0,1k = 1500 N/mg = 9,81 m/s²
x = cm
9.Momentum & tumbukanSedang
Sebuah glider 2,5 kg yang bergerak dengan 9 m/s mengalami tumbukan lenting sempurna secara langsung dengan glider 4 kg yang diam di lintasan tanpa gesekan. Cari kecepatan v′1 glider pertama setelah tumbukan (positif searah arah semulanya).
m1 = 2,5 kgm2 = 4 kgv1 = 9 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
10.Momentum & tumbukanSulit
Sebuah peluru 10 g ditembakkan horizontal ke balok 4,5 kg yang tergantung pada tali ringan sepanjang 0,9 m, dan tertanam di dalamnya. Tali berayun sampai sudut terbesar 10° dari vertikal. Gunakan g = 9,81 m/s². Cari kelajuan v peluru sebelum tumbukan.
m = 10 gM = 4,5 kgL = 0,9 mθ = 10°g = 9,81 m/s²
v = m/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 = 3 mb = 1 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
12.Gaya hidrostatisSulit
Pintu air persegi panjang vertikal selebar 3 m berada di dinding tangki berisi oli, dengan tepi atasnya 1 m di bawah permukaan. Cari gaya hidrostatis resultan F pada pintu air.
d = 1 mH = 2,5 mb = 3 mρ = 880 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
13.Kontinuitas & BernoulliSedang
Air mengalir melalui pipa horizontal yang menyempit dari 150 mm ke 40 mm. Di bagian lebar tekanannya 340 kPa dan kecepatannya 0,5 m/s. Dengan mengabaikan kerugian, cari tekanan p2 di bagian sempit.
Air mengalir naik melalui pipa yang menyempit dari 75 mm ke 40 mm sambil naik 8 m. Di penampang 1 tekanannya 330 kPa dan kecepatannya 1 m/s. Dengan mengabaikan kerugian, cari tekanan p2 di penampang 2.
Sebuah mesin kalor bekerja di antara reservoir panas bersuhu 475 °C dan reservoir dingin bersuhu 30 °C. Cari efisiensi termal tertinggi yang mungkin ηmax.
TH = 475 °CTL = 30 °C
ηmax = %
18.Mesin kalor & refrigeratorSulit
Sebuah mesin kalor menerima 4700 kJ panas dari reservoir bersuhu 650 °C, menghasilkan 1974 kJ usaha, dan membuang sisanya ke reservoir bersuhu 10 °C, per siklus. Cari entropi total yang dibangkitkan Sgen per siklus.
TH = 650 °CTL = 10 °CQH = 4700 kJW = 1974 kJ
Sgen = kJ/K
19.Gelombang, bunyi & optikaSedang
Pipa tertutup di satu ujung harus memiliki harmonik ke-3 pada 322 Hz. Kelajuan bunyi adalah 343 m/s. Carilah panjang pipa L.
v = 343 m/sn = 3f3 = 322 Hz
L = m
20.Gelombang, bunyi & optikaSulit
Kisi dengan 800 garis per milimeter menunjukkan maksimum orde ke-2 dari suatu garis spektrum pada 40,4° dari arah lurus. Carilah panjang gelombang λ garis itu.
N = 800 mm⁻¹θ2 = 40,4°m = 2
λ = nm
3Larutan
1.Kinematika
Jawaban: d = 384 m
Gerak dengan percepatan konstan: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t², dan v² = v₀² + 2·a·s. Pilih persamaan yang memuat tiga besaran yang Anda ketahui dan satu besaran yang dicari, dan jaga konsistensi tanda dengan satu arah positif.
Jarak sama
v·t = ½·a·t² → t = 2v/a = 2·24/3 = 16 s
Jarak
d = v·t = 24·16 = 384 m
Jawaban
d = 384 m
Pada saat itu mobil polisi bergerak dengan 2v = 48 m/s.
2.Kinematika
Jawaban: t = 3,791 s
Gerak dengan percepatan konstan: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t², dan v² = v₀² + 2·a·s. Pilih persamaan yang memuat tiga besaran yang Anda ketahui dan satu besaran yang dicari, dan jaga konsistensi tanda dengan satu arah positif.
Persamaan gerak
Arah ke atas positif dan tanah berada h₀ di bawah titik awal.
−25 = 12·t − ½·9,81·t²
4,905·t² − 12·t − 25 = 0
Selesaikan persamaan kuadrat
Hanya akar positif yang bermakna fisis.
t = (12 + √(12² + 2·9,81·25))/9,81 = 3,791 s
Jawaban
t = 3,791 s
3.Hukum Newton
Jawaban: a = 1,731 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.
Percepatan
Gaya penggerak total adalah selisih berat; gaya itu menggerakkan massa total.
a = (10 − 7)·9,81/(10 + 7) = 1,731 m/s²
Jawaban
a = 1,731 m/s²
4.Hukum Newton
Jawaban: d = 9,134 m
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.
Perlambatan
Kedua gaya mengarah ke bawah lereng; massanya saling menghapus.
a = 9,81·(sin 15° + 0,2·cos 15°) = 4,434 m/s²
Jarak
d = v₀²/(2a) = 9²/(2·4,434) = 9,134 m
Jawaban
d = 9,134 m
5.Gerak proyektil
Jawaban: v0 = 21,67 m/s
Gerak proyektil: tanpa hambatan udara, x = vxt dan y = h + vyt − ½gt². Kedua arah tidak saling bergantung, kecuali berbagi waktu yang sama.
Selesaikan rumus jangkauan untuk v₀
v₀ = √(g·R/sin 2θ) = √(9,81·45/sin 70°) = 21,67 m/s
Jawaban
v0 = 21,67 m/s
6.Gerak proyektil
Jawaban: α = 59,88 °
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
vx = 31·cos 55° = 17,78 m/s
vy0 = 31·sin 55° = 25,39 m/s
Kelajuan vertikal saat menumbuk
Energi atau v² = v₀² + 2as dalam arah vertikal.
vy = √(25,39² + 2·9,81·15) = 30,65 m/s
Sudut tumbukan
tan α = vy/vx = 30,65/17,78 → α = 59,88°
Jawaban
α = 59,88°
7.Usaha & energi
Jawaban: Wf = 26,01 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 = 9,81·0,7071 = 6,937 N
F = μN = 0,25·6,937 = 1,734 N
Usaha melawan gesekan
Wf = F·d = 1,734·15 = 26,01 J
Jawaban
Wf = 26,01 J
8.Usaha & energi
Jawaban: x = 33,15 cm
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 = 19,62·(4,5 − 0,1·3) = 82,4 J
Pemampatan maksimum
½kx² = 82,4 → x = √(2·82,4/1500) = 0,3315 m = 33,15 cm
Jawaban
x = 33,15 cm
9.Momentum & tumbukan
Jawaban: v′1 = −2,077 m/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.
Tumbukan lenting dengan sasaran diam
Menyelesaikan kekekalan momentum dan energi secara bersamaan menghasilkan kedua hasil ini.
v′1 = (2,5 − 4)/(2,5 + 4)·9 = −2,077 m/s
v′2 = 2·2,5/(2,5 + 4)·9 = 6,923 m/s
Jawaban
v′1 = −2,077 m/s
Tanda minus berarti glider pertama terpantul kembali.
10.Momentum & tumbukan
Jawaban: v = 233,6 m/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.
Kenaikan balok
h = L·(1 − cos θ) = 0,9·(1 − cos 10°) = 0,01367 m
Kelajuan setelah tumbukan
V = √(2·9,81·0,01367) = 0,5179 m/s
Tumbukan
v = (m + M)·V/m = 4,51·0,5179/0,01 = 233,6 m/s
Jawaban
v = 233,6 m/s
11.Gaya hidrostatis
Jawaban: F = 132,4 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 + 3/2 = 4,5 m
A = H·b = 3·1 = 3 m²
Gaya resultan
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·4,5·3 = 132,4 kN
Jawaban
F = 132,4 kN
12.Gaya hidrostatis
Jawaban: F = 145,7 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 = 1 + 2,5/2 = 2,25 m
A = H·b = 2,5·3 = 7,5 m²
Gaya resultan
F = ρ·g·yc·A = 880·9,81·2,25·7,5 = 145,7 kN
Jawaban
F = 145,7 kN
13.Kontinuitas & Bernoulli
Jawaban: p2 = 315,4 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.
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.
Hukum gas gabungan: untuk jumlah gas ideal yang tetap, P1V1/T1 = P2V2/T2.
Suhu mutlak
T1 = 303,1 K, T2 = 423,1 K
Hukum gas gabungan
V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 10·(400/300)·(423,1/303,1) = 18,61 L
Jawaban
V2 = 18,61 L
17.Mesin kalor & refrigerator
Jawaban: ηmax = 59,48 %
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 = 475 + 273,15 = 748,1 K
TL = 30 + 273,15 = 303,1 K
Efisiensi Carnot
ηmax = 1 − TL/TH = 1 − 303,1/748,1 = 59,48 %
Jawaban
ηmax = 59,48 %
18.Mesin kalor & refrigerator
Jawaban: Sgen = 4,536 kJ/K
Pembangkitan entropi: selama satu siklus penuh, fluida kerja tidak mengalami perubahan entropi bersih. Reservoir panas kehilangan QH/TH dan reservoir dingin memperoleh QL/TL. Jumlahnya adalah entropi yang dibangkitkan, yang bernilai nol untuk siklus reversibel dan positif untuk setiap siklus nyata.
Panas yang dibuang
QL = QH − W = 4700 − 1974 = 2726 kJ
Suhu mutlak
TH = 650 + 273,15 = 923,1 K
TL = 10 + 273,15 = 283,1 K
Perubahan entropi reservoir
ΔSH = −4700/923,1 = −5,091 kJ/K
ΔSL = 2726/283,1 = 9,627 kJ/K
Sgen = 9,627 − 5,091 = 4,536 kJ/K
Jawaban
Sgen = 4,536 kJ/K
Sgen > 0, jadi mesin ini mungkin tetapi tidak reversibel.
19.Gelombang, bunyi & optika
Jawaban: L = 0,7989 m
Gelombang berdiri dan efek Doppler: tali yang terikat di kedua ujungnya, atau pipa terbuka di kedua ujungnya, memuat setengah panjang gelombang bulat: L = nλ/2, fn = n·v/(2L), n = 1, 2, 3, … Pipa tertutup di satu ujung memiliki simpul di ujung tertutup dan perut di ujung terbuka: L = nλ/4 dengan n ganjil saja, fn = n·v/(4L). Ketika sumber atau pengamat bergerak sepanjang garis di antara keduanya, f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs): pakai tanda atas untuk gerak saling mendekat. Dua gelombang dengan frekuensi hampir sama berpelayangan pada |f₁ − f₂|.
Panjang gelombang
λ = v/f = 343/322 = 1,065 m
Panjang
L = nλ/4 = 3·1,065/4 = 0,7989 m
Jawaban
L = 0,7989 m
20.Gelombang, bunyi & optika
Jawaban: λ = 405,1 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, …