FISIKA KELAS X Drs. Pristiadi Utomo, M.Pd. BAB II V E K T O R Advance Organizer Pernahkah Kamu naik pesawat terbang? Antara penumpang dan pilot dan copilot di ruang kemudi dipisah dengan sekat. Tujuannya agar pilot dapat berkonsentrasi mengemudikan pesawat. Pernahkah Kamu bayangkan pesawat terbang di malam hari? Bagaimana pilot mengemudikan pesawat terbang di malam hari. Dengan sistem vektor yang dikalibrasikan dengan komputer navigasi pesawat pilot dapat memantau arah tujuan pendaratan pesawat. Jadi tidak pernah sebuah pesawat nyasar ke lain tempat. Vektor adalah besaran yang memiliki nilai dan arah. Kecepatan, percepatan, gaya, tekanan, momentum dan sebagainya adalah contoh- contoh besaran vektor. Penulisan vektor dengan
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
FISIKA KELAS X Drs. Pristiadi Utomo, M.Pd.
BAB IIV E K T O R
52
Advance Organizer
Pernahkah Kamu naik pesawat terbang? Antara penumpang dan pilot dan copilot di ruang kemudi dipisah dengan sekat. Tujuannya agar pilot dapat berkonsentrasi mengemudikan pesawat. Pernahkah Kamu bayangkan pesawat terbang di malam hari? Bagaimana pilot mengemudikan pesawat terbang di malam hari. Dengan sistem vektor yang dikalibrasikan dengan komputer navigasi pesawat pilot dapat memantau arah tujuan pendaratan pesawat. Jadi tidak pernah sebuah pesawat nyasar ke lain tempat. Vektor adalah besaran yang memiliki nilai dan arah. Kecepatan, percepatan, gaya, tekanan, momentum dan sebagainya adalah contoh-contoh besaran vektor. Penulisan vektor dengan vektor satuan mempermudah pengertian tentang arah vektor itu. Beberapa vektor dapat dijumlahkan maupun dikalikan. Pada bab ini Kamu akan memperdalam tentang vektor sebagai besaran yang memiliki nilai dan arah.Meliputi vektor dua dimensi dan vektor tiga dimensi.
Tentunya Kamu pernah mempelajari jurusan tiga angka di SMP. Gambar di atas menggambarkan arah tiga kota yang menjadi rute penerbangan pesawat terbang. Kota 2 berarah 215 dari kota 1, kota 3 berarah 300 dari kota 2, dan kota 1 berarah 079 dari kota 3. Jurusan tiga angka merupakan pelajaran vektor yang menyatakan arah dan besar perpindahan.Vektor menyatakan arah dan besar suatu besaran. Jurusan tiga angka, Analisi ruang, Navigasi penerbangan dan pelayaran selalu menggunakan vektor untuk keperluan itu. Peralatan navigasi membutuhkan perhitungan vektoris yang sudah dikalibrasikan dengan alat ukur sehingga menghasilkan keluaran manual atau digital. Keluaran itu dapat dibaca pada pada alat ukur yang menera besar dan arah secara bersamaan, sehingga bermanfaat bagi orang yang memantaunya.
53
Peta Konsep Bab 2
Tujuan Pembelajaran Menjumlahkan dua vektor atau lebih dengan cara grafis maupun analitis Menghitung jumlah dan selisih vektor-vektor dua dimensi Menjumlahkan vektor-vektor tiga dimensi menggunakan vektor
satuan
54
Konversi Satuan Besaran Pokok dan Turunan
Penjumlahan
VektorAnalitis
Perkalian
Poligon
Cara Grafis
Segitiga
Jajaran Genjang
Perkalian CrossPerkalian Dot
2 dimensi
3 dimensi
Standar KompetensiMenerapkan konsep besaran fisika dan pengukurannya
Kompetensi DasarMelakukan penjumlahan vektor
Kata Kunci (Key-words)
Cara Analitis
Cara Grafis
Cara Jajaran Genjang
Cara Poligon
Cara Segitiga
Perkalian Silang (cross product)
Perkalian Titik (dot product)
Resultan vektor
Skalar
Titik Tangkap
Vektor
Vektor Satuan
Daftar Konstanta
Cepat rambat cahaya c 3,00 x 108 m/s
Konstanta Coulomb k 8,99 x 109 N.m2/C2
Konstanta gas umum R 8,314 J/K.mol
Konstanta gravitasi umum G 6,67 x 10-11 N.m/kg2
Muatan elektron e 1,60 x 10-19 C
55
BAB II
VEKTOR
A. Pengertian Vektor
Penggolongan besaran-besaran dalam kehidupan sehari-hari telah diketahui
menjadi dua, yaitu besaran pokok dan besaran turunan. Namun ada juga pengelompokan
lain berdasarkan nilai dan arah besaran. Penggolongan semacam ini membedakan
besaran-besaran menjadi dua kelompok, yaitu besaran skalar dan besaran vektor. Besaran
skalar diartikan sebagai besaran yang hanya memiliki nilai saja, sedangkan besaran
vektor adalah besaran yang memiliki nilai dan memiliki arah. Jarak termasuk besaran
skalar, sedangkan perpindahan dikatakan sebagai besaran vektor. Orang mengukur jarak
adalah menghitung seluruh lintasan gerak yang ditempuh, sedangkan mengukur
perpindahan berarti mengukur panjang dari titik awal ke arah titik akhir lintasan. Jadi
kalau seorang siswa berlari dari suatu sudut mengelilingi lapangan sepak bola satu kali
putaran, berarti Ia menempuh jarak keliling lapangan sepak bola itu, tetapi dikatakan
perpindahannya nol. Contoh besaran skalar lainnya adalah panjang, massa, waktu, suhu,
kelajuan. perlajuan, usaha, daya sedangkan contoh besaran vektor diantaranya
perpindahan, kecepatan, percepatan, gaya, momentum dan sebagainya.
Gambar berikut ini merupakan besaran vektor diantaranya kecepatan angin,
kecepatan arus air laut yang menggerakkan kapal laut, kecepatan pesawat tempur.
Tentu saja kecepatan–kecepatan tersebut memiliki besar dan arah.
56
Gambar 1. Kecepatan angin Gambar 2. Kecepatan pesawat
Menurut Alonso dan Finn, sebuah vektor dapat digambarkan berupa anak panah
atau ruas garis berarah. Panjang anak panah atau ruas garis menyatakan nilai atau besar
vektor, sedangkan arah anak, panah menyatakan arah vektor.
Notasi besaran vektor dapat dinyatakan dengan huruf besar atau huruf kecil yang diberi
tanda panah di atasnya. Misalnya: vektor ab atau |AB|
B
A
B. Penjumlahan dan Pengurangan Vektor
Dua buah vektor atau lebih dapat dijumlahkan atau dikurangi. Ada beberapa cara
penjumlahan dan pengurangan vektor.
1. Cara Grafis
Cara ini menekankan pada cara menggambarnya. Yang termasuk dalam cara grafis
adalah cara poligon, cara segitiga dan cara jajaran genjang.
a. Cara Poligon
Berikut ini adalah langkah-langkah penjumlah vektor dengan cara
poligon.
gambarkan salah satu vektor yang kita pilih, misalnya vektor a
57
a
b
b
a
c
b
rc
a
b
rc
Berikut menggambarkan vektor b dengan cara pangkal vektor b
berada diujung vektor a
Kemudian gambarkan vektor c dengan cara yang sama
Gambarkan resultan vektor r yang merupakan jumlah dari vektor a, b dan c
dengan cara menggambarkan vektor dari pangkal vektor a ke ujung vektor
c, vektor resultan dinyatakan dengan besarnya atau penjang vektor resultan
dan arahnya sesuai dengan hasil dari gambar yang didapat, seperti vektor
berikut ini
b. Cara Segitiga
Untuk cara segitiga, berlaku untuk tiap-tiap dua vektor. Semua pangkal vektor-vektor
yang akan dijumlahkan digabung menjadi satu titik tangkap. Kemudian gambarkan
vektor resultan dengan menghubungkan kedua ujung vektor tersebut.
c. Cara Jajaran Genjang
Untuk cara jajaran genjang, semua pangkal vektor-vektor yang akan
dijumlahkan digabung menjadi satu titik tangkap. Kemudian gambarkan
vektor bayangan masing-masing vektor. Selanjutnya gambarlah vektor
resultan dari titik tangkap ke perpotongan vektor bayangan. Perhatikan contoh
penjumlahan vektor secara jajaran genjang berikut ini.
58
a
r
r = a + b
a
ba
c
b
rc
a
b
a
r
r = a + b
b
Untuk vektor yang lebih dari dua; pertama kali tentukan a + b terlebih dahulu,
kemudian ( a + b ) + c, perhatikan contoh berikut ini.
2. Cara analitis.
Masing-masing vektor diuraikan menjadi komponen-komponen vektor searah sumbu x
dan sumbu y dari sistem koordinat Cartesius.
Menurut Bresnick besar Resultan vektor dan arah ditentukan dengan :
Vektor v x = v cos v y = v sin v1
v2
v3
1
2
3
v1 x = v cos 1
v2 x = v cos 2
v3 x = v cos 3
v1 y = v sin 1
v2 y = v sin 2
v3 y = v sin 3
v x = ................ v y = ................
59
a
ba
c
a b
c
a
b
c a + b
bc
( a + b )+ c
VR = Arah resultan : tg =
C. Vektor dalam Bidang Datar
Dengan mendefinisikan vektor satuan i dan j yang masing-masing searah sumbu X dan
Y, untuk vektor dua dimensi akan berlaku r = x i + y j . Misalnya posisi titik A pada
gambar 3 berikut ini.
Hal yang sama ditunjukkan pada gambar 4 dengan mendefinisikan tiga vektor i, j, k,
yang masing-masing sejajar dengan sumbu X. Y dan Z diperoleh r = x i + y j + z k.
Koordinat titik P(x, y, z) sebagai vektor tiga dimensi.
j
Gambar 3. Vektor Dua dimensi Gambar 4. Vektor Tiga Dimensi
1. Resultan Vektor-vektor dalam Bidang Datar 2 Dimensi (x,y)
a. Segaris
- -
60
0 x
y
i
A (x, y)
x
y
xx y
i i
i
0
iki
z
P (x, y, z)
zi
Vx
Vy
Y
V
X
b.Vektor yang membentuk sudut
Besar resultan vektor a dan b dirumuskan:
=
= sudut apit antara vektor a dan b
Batas besar resultan yang mungkin antara vektor a dan b adalah:
a - b < r < a + b
Arah vektor terhadap vektor maupun vektor dapat ditentukan dengan rumus sinus
sebagai berikut: = =
c. Pengurangan Vektor
Selisih antara vektor a dan b, besarnya dirumuskan:
r =
= sudut apit antara vektor a dan b
2. Menguraikan vektor menjadi komponen-komponen menurut sb. X dan sb. Y
dalam satu bidang
Suatu vektor dapat diuraikan menjadi vektor dan dimana masing-masing
menyatakan vektor komponen dalam arah sb. X dan sb. Y. Besarnya vektor komponen
dan adalah : = cos dan = sin
=
= sudut apit antara v dan sumbu X positif
61
a2 + b2 + 2ab.cos
a2 + b2 – 2ab.cos
Apabila yang membentuk sudut terhadap sumbu X lebih dari satu vektor maka:
=
Contoh soal:
1. Dua buah vektor F1 = 5 N, F2 = 12 N membentuk sudut = 600, maka tentukan
resultan dari F1 + F2
Jawab :
R =
R =
R = = = 15,94
2. Tentukan besar komponen gaya sumbu X dan Y
Jawab
Fx = F cos = 60 cos 60° = 60 x 0,5 = 30 N
Fy = F sin = 60 sin 60° = 60 x 0,5 = 30 N
3. Tentukan besar dan arah vektor yang memiliki komponen-komponen sebagai berikut :
a. Ax = 3 cm, Ay = 4 cmb. Fx = -3 N, Fy = N
Jawab:a. A = = = 5
tg = = (kuadran I) = 530
b. F = = =
tg = = (kuadrat II) = 1500
4. Hitunglah resultan gaya pada gambar di samping secara analitis!
Mengetahui: F1 = 40 N F2 = 60 N F3 = 30 N
62
600
Fx
Fy
F=60N
Y
F3300
600
F2
F1
F12 + F2
2 + 2F1F2.cos
Ax2 + Ay
2
…
Fx2 + Fy
2
Jawab:
Rx = F1 cos ° + F2 cos (120°) + F3 cos (240°)
= 40 . 1 + 60 . - 0,5 + 30 . – 0,5
= 40 - 30 – 15 = - 5
Ry = F1 sin ° + F2 sin (120°) + F3 sin (240°)
= 40 . 0 + 60 . 0,5 + 30 . – 0,5
= 0 + 30 – 15 = 15
R = = = = 15,81
TugasKerjakan jawabannya di buku tugasmu!
1. Dua buah gaya searah dan satu garis kerja bekerja pada sebuah benda. Masing-
masing gaya besarnya 50 N dan 20 N. Tentukan besar resultan gaya yang bekerja
pada benda itu !
2. Bagaimanakah menggambarkan gaya 8 N ke arah barat diteruskan gaya 6 N ke
arah selatan secara vektor? Berapakah resultannya ?
3. Tentukan resultan gaya-gaya yang saling tegak lurus seperti ditunjukkan gambar
di bawah ini. Masing-masing gaya besarnya 20 N dan 50 N.
4. Dua buah vektor F1 dan F2 saling membentuk sudut 120o. F1 = 50 N dan
membentuk sudut 30o dengan Resultan kedua vektor, Hitunglah besar F2 dan R.
3.Vektor Pada Sistem Koordinat Ruang ( x, y, z )
63
Rx2 – Ry
2
Telah kamu lihat bagaimana suatu vektor diuraikan atas komponen-komponen pada
sumbu x dan sumbu y. Untuk vektor yang terletak dalam ruang (3 dimensi), maka vektor
dapat diuraikan atas komponen-komponen pada sumbu x, y dan z.
, , = masing-masing sudut antara vektor A
dengan sumbu-sumbu x, y dan z
= x + y + z
atau
= Ax + Ay + Az
Ax = cos Ay = cos Az = cos
Besaran vektor A
dan , , masing-masing vektor satuan pada sumbu x, y dan z
4. Vektor Satuan
Vektor satuan adalah vektor yang besarnya satu.
a. Penjumlahan Vektor Satuan
Untuk bidang dimensi 2 v = vx Untuk bidang dimensi 3 v = vx
Contoh:a = 4 +2 - a + b = ( 4i +2 j - k ) + ( i - j +2 k )
b = - + 2 = (4 + 1)i + (2 -1)j + (-1 + 2)k= 5 + +
b. Perkalian Vektor Satuan
Perkalian titik (dot product)
Arah sumbu x =
Arah sumbu y =
Arah sumbu z =
besar satuan
64
kz
i
j
y
x
kz
i
j
y
x
Perkalian titik 2 vektor satuan sejenis Perkalian titik 2 vektor satuan lain jenis . = i . i cos . = i . j cos
B. Petunjuk Belajar : 1. Baca literatur yang berkaitan dengan vektor
2. Baca teori sebelum melakukan percobaan
3. Baca petunjuk percobaan sesuai dengan urutan langkah
yang disajikan
4. Buatlah laporan hasil pekerjaan (tugas individual) dan
kumpulkan kepada guru.
C. Alat-alat dan Bahan : 1. pegas Newton 4. bensin2. mikrometer sekrup 5. kertas HVS3. neraca 8. katrol dan beban
D. Informasi
1. Vektor adalah besaran fisika yang memiliki nilai dan arah
2. Contoh-contoh besaran vektor adalah gaya, kecepatan, arus listrik, percepatan,
dan lain-lain.
3. Nilai vektor ditentukan oleh panjang garis dan arah vektor ditentukan oleh arah
panah.
4. Dua vektor atau lebih dapat dijumlahkan atau dikurangkan
5. Hasil penjumlahan dapat bernilai lebih besar atau lebih kecil dari komponen
vektornya.
E. Langkah- langkah Kerja :
1. Sudut antara F1 dan F2 = 0 = 90° dan 60°
a. Susun alat bahan seperti gambar
b. Catat besarnya F1, F2 dan F3 yang
ditunjukkan ketiga neraca ke dalam tabel
c. Lakukan beberapa kali dengan F1 dan F2
yang berbeda-beda
0 = 90 0 0 = 60 0No. F1 F2 F3 F3 No. F1 F2 F3 F3
F. Kesimpulan : ........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................
68
Analisa
Lakukan analisa setiap persoalan berikut, dan buatlah penyelesaiannya, bila
dipandang perlu lakukan dengan perhitungan. Buatlah di buku tugasmu!
1. Siswa kelas XA kebingungan mendapatkan lima macam
contoh besaran skalar dan lima contoh besaran vektor. Coba, bantulah siswa tersebut
mengatasi kebingungannya
2. Pada alat speedometer seorang sopir dapat membaca
besaran yang diinginkan. Besaran apakah yang dimaksud ?
3. Tentukan resultan vektor berikut secara grafis dengan
A
a. Metode Poligon : A + B + C + D dan A - B
b. Metode Jajaran Genjang : A + B + C
c. Metode analitis A + B + C + D
B C D
4. Sebuah Perahu motor akan menyeberang sungai yang lebarnya 35 dengan
kecepatan arus air sungai 3 m/s . Jika kecepatan perahu untuk menyeberang 5
m/s.dengan arah 60° terhadap arah arus sungai. Maka tentukan :
a. Kecepataran resultan perahu motor ketika menyeberang sungai.
b. Lamanya perahu menyeberang.
5. Pada gambar disamping, Tentukan komponen y
vektor gaya F = 10 N menurut sumbu x dan y F
30°
x6. Jika masing-masing kotak berukuran ( 1x1) cm
Tentukan besar resultan vektor A + B
69
B
A
B
7. Usaha W didefinisikan sebagai perkalian titik dari vektor gaya dengan vektor
perpindahan . W = . Tentukan besarnya usaha W, jika
= + 2 + 3 N,
= 3 + 2 + m.
8. Suatu vektor gaya = + 2 + 3 N bekerja pada suatu poros dengan lengan
momen = 3 + 2 + m, sehingga menghasilkan momen gaya . Momen
gaya didefinisikan sebagai perkalian silang vektor gaya dengan vektor lengan
momen.
atau momen gaya = F x . Tentukan besarnya momen gaya tersebut.
9. Dua buah vektor F1 dan F2 saling membentuk sudut 120o. F1 = 50 N dan
membentuk sudut 30o dengan resultan kedua vektor, hitunglah besar F2 dan R.
10. Sebuah benda ditarik oleh dua buah gaya masing-masing besarnya 10 newton.
Kedua gaya itu membentuk sudut 600. Berapakah besar resultan kedua gaya
tersebut ?
Rangkuman
1. Besaran Skalar adalah besaran yang hanya ditentukan oleh besarnya atau nilainya
saja.
Contoh : panjang, massa, waktu, kelajuan, dan sebagainya.
2. Besaran Vektor adalah besaran yang selain ditentukan oleh besarnya atau
nilainya, juga ditentukan oleh arahnya.
Contoh : kecepatan, percepatan, gaya dan sebagainya.
3. Sifat-sifat vektor.
70
a. + = + Sifat komutatif.
b. + ( + ) = ( + ) + Sifat assosiatif.
c. a ( + ) = a + a
d. / / + / / / + /
4. Resultan Dua Vektor
a. Cara Jajaran genjang
α = sudut antara A dan B
/ / = arahnya :
b. Cara Poligon
R adalah resultan dari , dan
c. Cara Analitis
71
Vektor sudut vx = v cos vy = v sin
V1 vx = v cos vy = v sin
V2 vx = v cos vy = v sin
V3 vx = v cos vy = v sin
Resultan / R / =
Arah resultan : tg =
5. Vektor Pada Sistem Koordinat Ruang ( x, y, z )
, , = masing-masing sudut antara
vektor A dengan sumbu-sumbu x, y dan z
= x + y + z atau
= / x / + / y / + / z / / x / = cos / y / = cos / z / = cos
Besar vektor A
dan , , masing-masing vektor satuan pada sumbu x, y dan z
72
6. Perkalian Vektor
a. Perkalian vektor dengan skalar.
Suatu vektor jika dikalikan dengan suatu besaran skalar maka hasilnya adalah
suatu vektor.
b. Perkalian vektor dengan vektor.
Dalam perkalian vektor dengan vektor, kita mengenal dua bentuk perkalian , yaitu :
1) Perkalian titik (Dot Product)
2) Perkalian silang (Cross Product)
7. Dalam Perkalian Titik antara vektor A dengan vektor B akan diperoleh besaran
skalar.
Contoh : = C
C besaran skalar yang besarnya C = / / / / cos
dengan adalah sudut antara dengan
8. Dalam Perkalian Silang antara vektor A dengan vektor B akan diperoleh
besaranvektor.
Contoh : x =
besaran skalar yang besarnya = / / x / / sin
dengan adalah sudut antara dengan
Tugas Akhir Bab 2
Kerjakan penyelesaian permasalahan berikut di buku tugasmu!
1. Sebuah bola tenis dikenai tiga buah gaya seperti ditunjukkan pada gambar di
bawah ini. Buatlah pemisalan sendiri besar ketiga gaya yang bekerja pada bola
tenis. Menurut datamu, kemana arah resultan gayanya ? Kemana arah gerak bola
tenis tersebut ?
73
2. Carilah resultan gaya gambar di bawah ini dengan cara analitis !
3. Hitunglah resultan gaya dari gambar di samping ini !
4. Berapakah kecepatan resultan perahu boat dan berapa sudut simpangnya dari arah