Soal-Jawab Fisika OSN 2012
1- (20 poin) Sebuah pipa silinder yang sangat besar (dengan penampang lintang berbentuk lingkaran berjarijari R) terletak di atas tanah. Seorang anak ingin melempar sebuah bola tenis dari titik A sehingga dapat melewati pipa silinder tersebut untuk akhirnya jatuh di titik C tanpa terjadi tumbukan maupun pantulan dengan dinding pipa. Tujuan tersebut dapat dicapai dengan mengatur besar dan arah kecepatan pelemparan (v) sedemikian rupa dengan sudut y elevasi () tertentu. Tampak dengan B jelas bahwa tinggi puncak lintasan B yang diukur dari titik pusat pipa silinder hanya diperkenankan mencapai satu nilai maksimum h = h hmaks agar lintasan bola tepat hanya menyinggung permukaan pipa (lihat x gambar), yaitu dengan kondisi v = vmin v dan = min. Abaikan gesekan udara. R Tentukan: a) besar kelajuan pelemparan v sebagai fungsi h. D A b) besar hmaks . C L c) besar vmin dan min. d) besar L, yaitu jarak lokasi titik pelemparan (titik A) dari titik singgung pipa dengan tanah (titik D) yang menjamin bola sampai ke titik C sebagaimana dipersyaratkan di atas. Jawaban: y
x
(a)- Ditinjau dari titik puncak B, persamaan parabola dari gerak bola tenis adalah Arah vertikal:
y = h – ½ gt2
(1 poin)
Arah horizontal:
x = v cos t = u t = konstan
(1 poin) 1
Persamaan penampang silinder pipa: x2 + y2 = R2
(1 poin)
di titik singgung parabola dan permukaan pipa berlaku hubungan: R2 = x2 + y2 = (ut)2 + (h – ½ gt2)2
(1)
(1 poin)
dan bila kita uraikan akan diperoleh persamaan kuadrat dalam t2 , berbentuk g2 4 t (u 2 gh)t 2 (h 2 R 2 ) 0 4
(2)
Karena lintasan bola tenis menyinggung/menyentuh permukaan pipa maka nilai diskriminannya sama dengan nol, yaitu (u 2 gh) 2 g 2 (h 2 R 2 ) 0
(3)
(2 poin)
yang tidak lain adalah persamaan kuadrat dalam u2 yang memiliki dua akar/penyelesaian yaitu
u 2 g (h h 2 R 2 ) . Tetapi akar dengan tanda positif (+) tidak digunakan karena kalau ia disubstitusi kembali kedalam persamaan (2) maka tidak ada solusi untuk h > R.
(1 poin)
Akhirnya dengan menggunakan hukum kekekalan energi diperoleh besar kelajuan pelemparan v (h), yaitu
v 2 (h) u 2 2 g (h R) g (3h 2R h 2 R 2 )
(b)- Agar diperoleh v yang minimum maka berlaku
dv 2 (h) dh h
(4)
0
(2 poin)
(2 poin)
maks
hmaks g 3 2 hmaks R 2
0
sehingga diperoleh
hmaks
3
R 1,061R .
(2 poin)
2 2
(c)- Besarnya kecepatan minimum dari pelemparan bola tenis berikut sudut elevasinya adalah
v min 2 8
gR 2,197 gR
dan
1 67,5 o 2(2 2
min cos1
(4 poin)
(d)- Dan akhirnya jarak lokasi titik pelemparan (titik A) dari titik singgung pipa dengan tanah (titik D) yang menjamin bola sampai ke titik C adalah 3 L 2 R 1,71R 2
(3 poin)
2
Ll 2- (12 poin) Sebuah batang homogen M = L dengan M, L dan masing-masing adalah massa batang, panjang batang dan kerapatan massa batang. Batang itu ditopang oleh dua buah pegas identik m M dengan konstanta pegas k , pada jarak x dari lantai. Jika pada ujung batang sebelah kiri diberi simpangan kecil, kemudian setelah itu k k dilepas. Ada dua modus vibrasi dari sistem ini, yaitu (1) masingmasing ujung batang bervibrasi secara bersamaan, dan (2) kedua ujung batang bervibrasi secara berlawanan, ujung kiri bervibrasi ke atas dan ujung kanan bervibrasi ke bawah (dan juga sebaliknya). Tentukan: a) frekuensi vibrasi dari kedua modus tersebut. b) frekuensi vibrasi dari kedua modus tersebut, jika di ujung batang itu ditempeli sebuah benda bermassa m dan diperlakukan sama seperti sebelumnya (diberi simpangan kecil).
Jawaban: a. Untuk ujung batang sebelah kiri diberi simpangan sebesar b, seperti pada gambar
l
x
k
x1
M x2
k
Jika batang itu bervibrasi secara bersamaan modus 1, maka berdasarkan hukum Newton II:
Mx k x1 b k x2 b
dan gunakan suatu kondisi bahwa
x1 = x – b dan x2 = x + b
Sehingga:
x
Persamaan ini adalah GHS, dengan solusi
2k x b M x A sin 1t 1
dengan
1
2k M
(2 poin)
(1 poin)
(1 poin)
Jika batang tidak bervibrasi bersamaan modus 2; maka akan ada torsi. Untuk simpangan kecil, gunakan
x1 x 12 L dan x2 x 12 L
Persamaan torsi:
I k x2 b dengan I
L L kL 1 k x1 b x2 x1 kL2 2 2 2 2
(2 poin)
1 ML2 12
3
Sehingga dengan
b.
2
6k Persamaan GHS M
(1 poin)
6k M
(1 poin)
Jika ada beban kecil, batang masih bervibrasi secara bersamaan modus 1. Koreksi pada hukum Newton II, hanya pada massa sehingga Persamaan GHS berubah menjadi
x
2k x b , akibatnya M m
1
2k M m
(2 poin)
Sebaliknya untuk modus 2, 1 ML2 1 mL2 , ada koreksinya pada momen inersia I 12 4
2
dan ini berakibat
(1 poin)
6k M 3m
(1 poin)
3- (15 poin) Sebuah pesawat ruang angkasa dikirimkan untuk menyelidiki suatu planet yang bermassa m P dan berjari-jari rP . Ketika menggantung tak bergerak di ruang angkasa pada jarak 5rP dari pusat massa planet, pesawat meluncurkan paket alat dengan kecepatan v 0 . Paket tersebut memiliki massa m1 yang jauh lebih kecil daripada massa pesawat ruang angkasa. Paket diluncurkan pada sudut elevasi terhadap garis radial diantara pusat massa planet dan pesawat ruang angkasa. a) Bagaimanakah kondisi momentum sudut paket terhadap pusat massa planet? b) Berapakah kecepatan paket ketika tepat menyinggung permukaan planet sebagai fungsi dari sudut ? c) Berapakah besar sudut agar paket dapat menyinggung permukaan planet?
v0 rP
m1
mP
Jawaban:
v1, 0 m1
rP = R
v1, f
Fgravitasi R1,0 = 5rP mP 4
a. Torka terhadap pusat massa planet akibat gaya gravitasi pada paket oleh planet adalah:
G 0 r0,m1 FPm
(1)
1
(1 poin)
dengan
r0,m1 vektor posisi paket tehadap pusat massa planet G FPm Gaya gravitasi pada paket oleh planet 1 G Karena r0,m1 dan FPm selalu antiparalel maka 0 , 1
(1 poin)
momentum sudut paket terhadap pusat massa planet adalah konstan.
(2 poin)
b. Momentum sudut awal paket terhadap pusat massa planet adalah:
L0,i r0,i m1v1,0 5R rˆ m1v0 cos rˆ m1v0 sin ˆ
5Rm1v0 sin kˆ
(2)
(1 poin)
Momentum sudut terhadap pusat massa planet ketika paket tepat menyinggung permukaan planet adalah:
L0, f r0, f m1v1, f Rm1v1, f kˆ
(3)
(1 poin)
Karena momentum sudut terhadap pusat massa planet konstan, maka
L0,i L0, f
(4)
(2 poin)
Subsitutusi pers. (2) dan (3) ke dalam pers. (4) kemudian ambil komponen ke sumbu Z pada ke dua sisi, maka akan diperoleh: 5Rm1v0 sin Rm1v1, f (5) Sehingga kecepatan paket tepat ketika menyinggung permukaan planet adalah v1, f 5v0 sin (6)
(2 poin)
c. Karena tidak ada gaya non-konservatif yang bekerja pada paket, maka energy mekanik adalah konstan,
Ei E f
(7)
(1 poin)
Pilih pada jarak di tak berhingga sebagai titik nol untuk energy potensial, maka persamaan energi menjadi 1 2
m1v02
Gm1 mP 1 Gm1 mP 2 m1v12, f 5R R
(8)
(1 poin)
Masukkan kecepatan paket pada pers.(6) ke dalam pers. (8), sehingga diperoleh 1 2
m1v02
Gm1 mP 1 Gm1 mP 2 2 m1 5v0 sin 5R R
(9)
Dengan mengatur suku-suku pada pers. (9) akan diperoleh:
4Gm1mP 1 2 m1v02 25 sin 2 1 5R
(10)
(1 poin)
5
Sehingga diperoleh:
sin 1 15
4-
8GmP 1 2 5 Rv 0
(11)
(2 poin)
(18 poin) Sebuah bola A menggelinding tanpa slip dengan laju v mendekati bola B yang sedang diam pada suatu permukaan datar yang kasar dengan koefisien gesek s dan k . Kedua bola identik dan massa bola masing-masing adalah m. Selama proses tumbukan, impuls gaya gesek sangat kecil sehingga dapat diabaikan dan tumbukan terjadi secara elastik sempurna. Kemudian, diketahui sesaat setelah tumbukan, kedua bola menggelinding dengan slip dan pusat massa kedua bola segaris. Bila setelah bertumbukan, kedua bola akan menggelinding tanpa slip dalam selang waktu tertentu, maka tentukan: a) selang waktu kedua bola bergerak dengan slip, b) kecepatan masing-masing bola setelah tumbukan, ketika kedua bola telah bergerak menggelinding tanpa slip, c) energi sistem yang hilang jika energi mula-mula adalah E0 (nyatakan dalam Eo).
Jawaban: a. Tinjau ketika proses tumbukan. Karena gaya kontak antara kedua benda ketika bertumbukan melalui pusat masing-masing bola, maka momentum sudut relatif pusat masing-masing bola konstan, sehingga didapatkan
A ' A ,
B ' 0
(1)
(1 poin)
Kekekalan momentum linear dan kekekalan energi kinetik selama proses tumbukan (elastik),
mv mvA ' mvB ' 1 2 1 2 1 1 1 1 mv I mvA '2 I A '2 mvB '2 I B '2 2 2 2 2 2 2
(2)
(2 poin)
(3)
(1 poin)
Dari kedua persamaan diatas didapatkan,
vA ' 0,
vB ' v
Sesaat setelah tumbukan kedua bola bergerak dengan slip. Tinjau bola A,
6
A '
A '' v A ''
O
f
A
Hukum Newton untuk translasi
F
Ax
mA a Ax
f A ma A
(4)
(1 poin)
(5)
(2 poin)
Hukum Newton untuk rotasi (ambil putaran searah jarum jam sebagai positif)
AO
I O AO
2 f A R mR 2 A 5 2 f A mR A 5 Dari kedua persamaan diatas didapatkan
2 aA A R 5
(6)
(1 poin)
Kecepatan linear dan kecepatan sudut bola ketika bola menggelinding tepat tanpa slip,
vA '' a At
(7)
A '' At
(1 poin)
Karena bola menggelinding tanpa slip, maka didapatkan t
2 R 2v 7 a A 7 k g
(8)
(1 poin)
(9)
(1 poin)
b. sehingga didapatkan
2 vA '' v 7
2 7
A ''
Tinjau bola B,
7
B '' vB ' v
O
vB ''
fB Hukum Newton untuk translasi
F
Bx
mB aBx
f B maB
(10)
(1 poin)
(11)
(1 poin)
Hukum Newton untuk rotasi (ambil putaran searah jarum jam sebagai positif)
BO
I O BO
2 f B R mR 2 B 5 2 f B mR B 5
....
2 aB B R ..... 5
Dari kedua persamaan diatas didapatkan
(12)
Kecepatan linear dan kecepatan sudut bola setelah menggelinding tanpa slip,
vB '' v aB t
B '' B t
.....
(13)
Karena bola menggelinding tanpa slip, maka didapatkan t
2 R .... 7 aB
substitusi nilai percepatan,
(14)
t
2v
....
(15)
B '' ....
(16)
7K g
sehingga didapatkan
5 vB '' v 7
5 7
(1 poin)
c. Energi sistem mula-mula
1 1 E0 mv 2 I 2 2 2 ..... 7 2 mv 10
(17)
(1 poin)
8
Energi sistem pada akhir, setelah bergerak menggelinding tanpa slip kembali 1 1 1 1 E mv A ''2 mvB ''2 I A ''2 I B ''2 2 2 2 2 ..... 29 mv 2 70
sehingga energi yang hilang adalah
E
20 E0 49
(18)
.....
(19)
(1 poin)
(2 poin)
5- (15 poin) Diberikan sistem yang tersusun atas dua lempeng logam identik, masing-masing dengan luas permukaan A, yang bila dalam keadaan setimbangan atau netral (tanpa bermuatan listrik) kedua lempeng tersebut terpisah satu sama lain pada jarak h. Seperti tampak dalam gambar, lempeng bagian bawah dibuat tidak dapat bergerak. Lempeng bagian atas dikaitkan dengan sebuah pegas (dengan konstanta pegas k) yang digantung pada titik tetap. Bila kedua lempeng diberi beda potensial V, hitung (dinyatakan dalam A, h, V dan k): a) gaya listrik yang terjadi antar kedua lempeng; b) jarak antar kedua lempeng setelah diberi beda potensial V; c) besar beda potensial maksimum kedua lempeng yang menjamin kedua lempeng tidak dapat saling bersentuhan.
Jawaban: a. Saat antara kedua keping terpasang beda potensial listrik V kedua lempeng akan berjarak x, maka keduanya akan merasakan gaya listrik, yaitu
1 2 (2 poin) CV x 2 A C 0 (1 poin) x A 1 A F 0 V 2 0 2 V 2 x 2 x 2x
F grad (U ) Dengan mensubstitusi nilai Diperoleh harga
Substitusikan pers (4) dibawah, maka diperoleh:
F
9 0 AV 2 8h 2
b. Kesetimbangan tercapai bila gaya listrik di atas mampu diimbangi oleh gaya pegas F p k ( h x)
(2)
(1)
(1 poin)
(5)
(2 poin)
(2 poin)
Penyamaan kedua persamaan (1) dan (2) diatas, Fl = Fp, menghasilkan persamaan polinom pangkat 3 dalam x, 9
0 A 2x
2
V 2 k (h x) , atau 2 x 3 2khx2 0 AV 2 0
(3)
(1 poin)
Secara umum pers (3) mempunyai 3 kemungkinan akar/penyelesaian, yaitu x1, x2, dan x3, yang secara grafis gaya listrik (untuk beberapa nilai beda potensial V) dan gaya pegas sebagai fungsi x diberikan dalam gambar di bawah:
- Fl , - Fp
kurva gaya listrik Fl utk V berbeda
kurva Fl utk Vmaks
kh
titik kritis
kurva gaya pegas Fp X2
X1
X3
x
Dari grafik di atas terlihat bahwa ada dua akar/solusi untuk x yaitu: x1 yang jelas merupakan kesetimbangan tak stabil karena besarnya gaya listrik dan/atau gaya pegas, dan x3 yang menampilkan kesetimbangan stabil tetapi dengan jarak pisah antar keping yang amat besar. Oleh sebab itu besar beda potensial maksimum yang ditanyakan akan terkait dengan situasi dimana kedua kurva dari grafik gaya listrik dan grafik gaya pegas bersinggungan, yaitu pada saat akarnya x = x2. Dengan demikian secara grafis keseimbangan kedua gaya di atas sama maknanya dengan menyamakan kemiringan (slope) kedua kurva grafik F (x) dan Fp (x) di titik x = x2. Maka, 0 AV 2 k , sehingga diperoleh nilai x k x3 Penyamaan kedua persamaan (1) dan (2) di atas memberikan
0 AV 2
dan dengan menggunakan persamaan (3) diperoleh
1/ 3
(3)
kx3 2h k (h x), atau x 2 3 2x
(1 poin)
(4) (2 poin)
c. Substitusi pers (4) ke dalam pers (3) akhirnya memberikan besar beda potensial maksimum kedua lempeng (V) yang menjamin kedua lempeng tidak dapat bersentuhan, yaitu V
8kh 3 . 27 0 A
(3 poin)
10
