Skip to main content

Pendulum Fisik

Pendulum fisik adalah sistem pendulum yang terdiri atas benda tegar.  Dalam gambar di atas, batang bermassa $m$ berayun dengan sumbu putar sejauh $x$ dari titik pusat massa. Gaya berat $mg\,\sin\theta$ bekerja sebagai gaya penyebab ayunan.
Momen inersia $I$ dihitung melalui teorema sumbu sejajar.
\begin{align*}
I = \frac{1}{12}mL^2 + mx^2
\end{align*}
Torsi $\tau$ yang bekerja yaitu
$$\tau = -mgx\,\sin\theta$$
Dalam sistem tersebut berlaku
\begin{align*}
\sum \tau &= I\alpha \\
-mgx\,\sin\theta &= \left( \frac{1}{12}mL^2 + mx^2 \right)\alpha \\
\left( \frac{1}{12}mL^2 + mx^2 \right)\alpha + mgx\,\sin\theta &= 0 \\
\left( \frac{1}{12}L^2 + x^2 \right)\theta '' + gx\,\theta &= 0
\end{align*}
Persamaan tersebut adalah persamaan diferensial orde dua. Solusi dari persamaan tersebut adalah
$$\theta(t) = \theta_0 \cos(\omega t)$$
dengan $\omega = 2\pi/T$, dan periode $T$ adalah fungsi dari $x$ dan $L$.
$$T(x,L) = 2\pi \sqrt{ \frac{ \frac{1}{12}L^2 + x^2 }{gx} }$$



Dari grafik tersebut, dapat dilihat bahwa terdapat daerah di mana dua nilai $x$ yang berbeda dapat memiliki nilai periode yang sama. (Kurva di sebelah kanan garis tegak paling kanan tidak berarti, karena di daerah itu $x > L/2$, saat titik tumpu di luar batang)

Periode saat batang diayunkan di ujungnya $(x = L/2)$ sebesar
$$T_{ujung} = 2\pi\sqrt{ \frac{2L}{3g} }$$
Periode yang sama juga didapat saat $x = L/6$. Sedangkan periode minimum sebesar
$$T_{min} = 2\pi \sqrt{ \frac{L}{g\sqrt{3}} }$$
dicapai saat $x = L/\sqrt{12}$.

Saat $x$ menuju nol, periode menuju takhingga. Ini berarti jika sumbu ayunan berada pada titik pusat massa, batang tidak akan berayun, melainkan bergerak melingkar beraturan.
Labels:

Popular posts from this blog

Venturimeter Tanpa Manometer

Berdasarkan persamaan kontinuitas: \begin{align*} A_1v_1 &= A_2v_2 \\ v_2 &= \frac{A_1}{A_2} \, v_1 \end{align*} Menggunakan persamaan Bernoulli: $$P_1 + \frac{1}{2}\rho v_1^2 + \rho gh_1  = P_2 + \frac{1}{2}\rho v_2^2 + \rho gh_2 $$ Ketinggian titik 1 dan 2 sama $(h_1 = h_2) $ $$P_1 + \frac{1}{2}\rho v_1^2 = P_2 + \frac{1}{2}\rho v_2^2 $$ Substitusi $v_2 $ \begin{align*} P_1 + \frac{1}{2}\rho v_1^2 &= P_2 + \frac{1}{2}\rho \left(\frac{A_1}{A_2}\right)^2 v_1^2 \\ P_1 - P_2 &= \frac{1}{2}\rho v_1^2 \left[ \left(\frac{A_1}{A_2}\right)^2 - 1 \right] \end{align*} Perbedaan tekanan antara titik 1 dan 2 $ (P_1 - P_2) $ adalah sebesar perbedaan tekanan hidrostatik fluida $ (\rho g \Delta h) $ \begin{align*} \rho g \Delta h &= \frac{1}{2}\rho v_1^2 \left[ \left(\frac{A_1}{A_2}\right)^2 - 1 \right] \\ v_1 &= \sqrt{\frac{2g\Delta h}{\left( \frac{A_1}{A_2} \right)^2 -1}} \end{align*}
Read more

Venturimeter Dengan Manometer

Berdasarkan persamaan kontinuitas: \begin{align*} A_1v_1 &= A_2v_2 \\ v_2 &= \frac{A_1}{A_2} \, v_1 \end{align*} Menggunakan persamaan Bernoulli: $$P_1 + \frac{1}{2}\rho_u v_1^2 + \rho_u gh_1  = P_2 + \frac{1}{2}\rho_u v_2^2 + \rho_u gh_2$$ Ketinggian titik 1 dan 2 sama $h_1 = h_2) $ $$ P_1 + \frac{1}{2}\rho_u v_1^2 = P_2 + \frac{1}{2}\rho_u v_2^2 $$ Substitusi $ v_2 $ \begin{align*} P_1 + \frac{1}{2}\rho_u v_1^2 &= P_2 + \frac{1}{2}\rho_u \left(\frac{A_1}{A_2}\right)^2 v_1^2 \\ P_1 - P_2 &= \frac{1}{2}\rho_u v_1^2 \left[ \left(\frac{A_1}{A_2}\right)^2 - 1 \right] \end{align*} Perbedaan tekanan antara titik 1 dan 2 $ (P_1 - P_2) $ adalah sebesar perbedaan tekanan hidrostatik udara dengan tekanan hidrostatik fluida $ (\rho_f g \Delta h - \rho_u g \Delta h) $ \begin{align*} \rho_f g \Delta h - \rho_u g \Delta h &= \frac{1}{2}\rho_u v_1^2 \left[ \left(\frac{A_1}{A_2}\right)^2 - 1 \right] \\ (\rho_f  - \rho_u) g \Delta h...
Read more

Rangkaian RL

Rangkaian RL adalah rangkaian yang terdiri atas resistor dan induktor Rangkaian RL Rangkaian tersebut mengubah arus menjadi medan magnet yang disimpan dalam induktor. Untuk menghitung arus pada suatu waktu dalam rangkaian tersebut, kita gunakan hukum Maxwell. Tanda kutub pada masing-masing komponen dan arah pengintegrasian \begin{align*} \oint \vec{E} \cdot d\vec{s} &= -\frac{d\Phi_B}{dt}\\ iR - V_0 &= -L\,\frac{di}{dt} \\ L \, \frac{di}{dt} + Ri &= V_0 \end{align*} Solusi dari persamaan diferensial tersebut adalah persamaan arus $$i(t) = \frac{V_0}{R} (1-e^{-\frac{Rt}{L}})$$ dari persamaan di atas dapat dilihat bahwa setelah waktu yang cukup lama $(t \rightarrow \infty)$ arus pada rangkaian $i=V_0/R$. Induktor yang terbuat dari konduktor ideal tidak memiliki medan listrik, sehingga tidak memiliki tegangan.
Read more