Introduction to Physics (Pengantar Ilmu Fisika) Semester 1 Sep – Okt Mohammad Nasucha ST, MSc

Pendahuluan: Apakah Fisika itu? Perkembangan Ilmu Pengetahuan Alam Peran Ilmu Fisika pada Kehidupan

Pendahuluan: Apakah Fisika itu? Perkembangan Ilmu Pengetahuan Alam Peran Ilmu Fisika pada Kehidupan

What is “Physics”? (1) Ilmu Fisika ada sejak manusia tertarik mempelajari sifat-sifat benda yang ada di sekitarnya. Karena itu ilmu Fisika sering disebut sebagai ilmu yang mempelajari sifat-sifat benda. Penemuan-penemuan penting terdahulu antara lain adalah penemuan oleh Phytagoras (c. 580 - 500 B.C.) dan penemuan oleh Archimedes (c. 287 - 212 B.C.).

What is “Physics”? (2) Penemuan Phytagoras Penemuan Archimedes

What is “Physics”? (3) i. Tentang gaya ke atas oleh air ii. Tentang Volume Bola Mula-mula tabung diisi penuh dengan air. Persiapkan sebuah bola yang ukuran tingginya = tinggi tabung Masukkan bola ke dalam tabung hingga air tumpah Ditemukan bahwa banyaknya air yang tumpah adalah 2/3 Dapat disimpulkan bahwa Vol bola = 2/3 Vol Tabung Karena Vol Tabung Maka Vol Bola

Pendahuluan: Apakah Fisika itu? Perkembangan Ilmu Pengetahuan Alam Peran Ilmu Fisika pada Kehidupan

Perkembangan Natural Science (1) Ilmu Pengetahuan Alam berkembang mulai dari pengetahuan alam primitive hingga pengetahuan alam modern. Tidak jarang penemu terdahulu kurang tepat atau salah dalam membuat kesimpulan, kemudian dikoreksi oleh penemu sesudahnya. SCIENTIST EXISTENCE Pythagoras c. 580 - 500 B.C. Hippocates c. 460 - 377 B.C. Aristotle c. 384 - 322 B.C. Euclid c. 325 - 270 B.C. Archimedes c. 287 - 212 B.C. Eratosthenes c. 276 - 196 B.C. Galen c. A.D. 130 - 216 Hakim Ibn-e-Sina A.D. 980-1037 Nicolaus Copernicus 1473-1543 Andreas Vesalius 1514-1564 Gallileo Galilei 1564-1642 Johannes Kepler 1571-1630 William Harvey 1578-1657 Blaise Pascal 1623-1662 Robert Boyle 1627-1691 Christian Huygens 1632-1695 Anton van Leeuwenhoek 1632-1723 Isaac Newton 1642-1727 Edmund Halley 1656-1742 Daniel Bernoulli 1700-1782 SCIENTIST EXISTENCE Benjamin Franklin 1706-1790 Alessandro Volta 1746-1827 John Dalton 1766-1844 Karl Friedrich Gauss 1777-1855 Michael Faraday 1791-1867 Joseph Henry 1797-1878 Charles Darwin 1809-1882 Louis Pasteur 1822-1895 James Clerk Maxwell 1831-1879 Wilhelm Konrad Roentgen 1845-1923 Thomas Alva Edison 1847-1931 Ernst Rutherford 1871-1937 Albert Einstein 1879-1955 Niels Bohr 1885-1962 Edwin Powell Hubble 1889-1953 John Bardeen 1908-1991 William Bradford Shockley 1910-1989 Stephen William Hawking 1942- Peter Higgs 1929-

Perkembangan Natural Science (1) Ilmu Pengetahuan Alam berkembang mulai dari pengetahuan alam primitive hingga pengetahuan alam modern. Tidak jarang penemu terdahulu kurang tepat atau salah dalam membuat kesimpulan, kemudian dikoreksi oleh penemu sesudahnya. SCIENTIST EXISTENCE Pythagoras c. 580 - 500 B.C. Hippocates c. 460 - 377 B.C. Aristotle c. 384 - 322 B.C. Euclid c. 325 - 270 B.C. Archimedes c. 287 - 212 B.C. Eratosthenes c. 276 - 196 B.C. Galen c. A.D. 130 - 216 Hakim Ibn-e-Sina A.D. 980-1037 Nicolaus Copernicus 1473-1543 Andreas Vesalius 1514-1564 Gallileo Galilei 1564-1642 Johannes Kepler 1571-1630 William Harvey 1578-1657 Blaise Pascal 1623-1662 Robert Boyle 1627-1691 Christian Huygens 1632-1695 Anton van Leeuwenhoek 1632-1723 Isaac Newton 1642-1727 Edmund Halley 1656-1742 Daniel Bernoulli 1700-1782 SCIENTIST EXISTENCE Benjamin Franklin 1706-1790 Alessandro Volta 1746-1827 John Dalton 1766-1844 Karl Friedrich Gauss 1777-1855 Michael Faraday 1791-1867 Joseph Henry 1797-1878 Charles Darwin 1809-1882 Louis Pasteur 1822-1895 James Clerk Maxwell 1831-1879 Wilhelm Konrad Roentgen 1845-1923 Thomas Alva Edison 1847-1931 Ernst Rutherford 1871-1937 Albert Einstein 1879-1955 Niels Bohr 1885-1962 Edwin Powell Hubble 1889-1953 John Bardeen 1908-1991 William Bradford Shockley 1910-1989 Stephen William Hawking 1942- Peter Higgs 1929-

Perkembangan Natural Science (2) Sebagian dari banyak scientist yang memberikan kontribusi signifikan kepada science. Pythagoras c. 580 - 500 B.C. Aristotle c. 384 - 322 B.C. Archimedes c. 287 – 212 B.C. Hakim Ibn-e-Sina 980 - 1037 Nicolaus Copernicus 1473 - 1543 Gallileo Galilei 1564 - 1642 Johannes Kepler 1571 - 1630

Perkembangan Natural Science (3) Sebagian dari banyak scientist yang memberikan kontribusi signifikan kepada science. Alessandro Volta 1746 - 1827 Daniel Bernoulli 1700 - 1782 Blaise Pascal 1623 - 1662 Isaac Newton 1642 - 1727 Michael Faraday 1791 - 1867 James Clerk Maxwell 1831 - 1879 Thomas A. Edison 1847 - 1931 Albert Einstein 1879 - 1955

Perkembangan Natural Science (3) Sebagian dari banyak scientist yang memberikan kontribusi signifikan kepada science. John Bardeen, William Shockley and Walter Brattain at Bell Labs, 1948. Peter Higgs 1929 - now Stephen W. Hawking 1942 - now

Perkembangan Natural Science – The Divergence (1) Biology Classical Biology Modern Biology Chemistry Classical Chemistry Modern Chemistry Physics Classical Physics Modern Physics

Perkembangan Natural Science – The Divergence (2) Biology Classical Biology Ecology Evolution Medical Zoology Virology Dentistry Botany Agriculture Veterinary Modern Biology Marine Biology Forestry etc Chemistry Organic Chemistry Chemical Engineering etc Classical Chemistry Inorganic Chemistry etc etc Analytical Chemistry etc etc Modern Chemistry Biochemistry etc etc Physics Civil Eng Mechanical Eng Telecom. Eng Classical Physics Geology Automotive IT Mining Eng Energy Eng etc Modern Physics Petroleum Eng Electrical Eng etc

Perkembangan Natural Science – The Covergence etc etc Bio Engineering Petroleum Eng Biochemistry Biology Mining Eng Nuclear Eng Semiconductors Eng Chemistry Physics Mathematics

Pendahuluan: Apakah Fisika itu? Perkembangan Ilmu Pengetahuan Alam Peran Ilmu Fisika pada Kehidupan

Peran Ilmu Fisika pada Kehidupan Physics for Science and Engineering Physics for Day-to-Day Living Physics for Fun 

Peran Ilmu Fisika pada Kehidupan Physics Products for Science and Engineering

Peran Ilmu Fisika pada Kehidupan Physics products for Day-to-Day Living

Peran Ilmu Fisika pada Kehidupan Physics products for fun

Kuis Carilah ide, bagaimana cara untuk menentukan bahwa sebuah sudut itu siku (90’) dengan bantuan benang dan meteran. Ceritakan keingintahuan kamu tentang cara kerja sebuah benda atau alat.

Motion: What is Motion? What is Force, Speed (Velocity), Acceleration? Newton’s Laws of Motion Newton’s Law of Gravitation Momentum, Torque, Weight

What is Motion? (1)

What is Motion? (2)

What is Motion? (3) Motion is a change of position with respect to time. Motion is relative => it needs a frame of reference

What is Motion? (4) Motion is relative A train is moving. Ask: With respect to what? Answer: With respect to the ground (earth)

We need frame(s) of reference What is Motion? (5) We need frame(s) of reference The Earth rotates (moves) about the Sun. The sun rotates within the Milky Way galaxy.

What is Motion? (6) Understanding of the whole constellation: - A walking passenger moves relatively to the train. The train moves with respect to the earth. The earth moves with respect to the sun. The sun moves with respect to the Milky Way galaxy. The Milky Way galaxy moves with respect to the origin point of the universe. All of those are moving with respect to the origin point of the universe.

What is Motion? (7) Measuring motion Two fundamental components: Change in position Change in time Three important combinations of length and time: Speed Velocity Acceleration

What is Motion? (8) Parabolic Motion

What is Motion? (9) Parabolic Motion

What is Motion? (10) Parabolic Motion in Everyday Life

Motion: What is Motion? What is Force, Speed (Velocity), Acceleration? Newton’s Laws of Motion Newton’s Law of Gravitation Momentum, Torque, Weight

Historical story of forces Aristotle Heavier objects fall faster Objects moving horizontally require continuously applied force Relied on thinking alone Galileo and Newton All objects fall at the same rate No force required for uniform horizontal motion Reasoning based upon measurements

Forces (2) Fundamental Forces Gravitational Force Electromagnetic Force Weak Nuclear Force Force Strong Nuclear Force Force

Forces (3) Other Forces Mechanical Force Kinetic Force Elastic Force Tension Force Normal Force Friction Force

Horizontal motion on land Forces (4) Horizontal motion on land “Natural motion” question: Is a continuous force needed to keep an object moving? No, in the absence of unbalanced retarding forces

Forces (5) Falling objects Free fall - falling under influence of gravity w/o air resistance Distance proportional to time squared Acceleration due to gravity (g) is constant for all objects, that is, 9.8 m/s2 (32 ft/s2)

Speed (1)

Acceleration is an expression used to quote speed change.

Motion: What is Motion? What is Force, Speed (Velocity), Acceleration? Newton’s Laws of Motion Newton’s Law of Gravitation Momentum, Torque, Weight

Three laws of motion First detailed by Newton (1564-1642 AD) Concurrently developed calculus and a law of gravitation Essential idea - forces

Newton’s 1st law of motion “The law of inertia” Every object retains its state of rest or its state of uniform straight-line motion unless acted upon by an unbalanced force

Inertia

Newton’s 2nd law of motion Force applied to a mass causes acceleration More force, more acceleration More mass, less acceleration Unit for Force is “Newton”

Examples - Newton’s 2nd

Newton’s 3rd law of motion “Whenever two objects interact, the force exerted on one object is equal in size and opposite in direction to the force exerted on the other object.”

Motion: What is Motion? What is Force, Speed (Velocity), Acceleration? Newton’s Laws of Motion Newton’s Law of Gravitation Momentum, Torque, Weight

Newton’s law of gravitation Attractive force between all masses Proportional to product of the masses Inversely proportional to separation distance squared Explains why g=9.8m/s2 at earth’s surface Provides centripetal force for orbital motion

Newton’s law of gravitation Gravity provides the condition to allow the moon to orbit around the earth.

Newton’s law of gravitation Gravity provides the condition to allow human-made satellites orbit around the earth too. A geostationary orbit (GEO): 42,164 km (measured from the center of the Earth) or 35,786 km above mean sea level. At this orbit an object rotates and maintains its position with respect to the ground. Such orbits are useful for telecommunications satellites. In practice the satellite drifts out of this orbit because of perturbations such as the solar wind, radiation pressure, variations in the Earth's gravitational field, and the gravitational effect of the Moon and Sun, and thrusters are used to maintain the orbit in a process known as station-keeping.

Motion: What is Motion? What is Force, Speed (Velocity), Acceleration? Newton’s Laws of Motion Newton’s Law of Gravitation Momentum, Torque, Weight

Momentum Important property besides the Newton’s 2nd law Quantity that measures how to stop a moving object.

Conservation of momentum The total momentum of a group of interacting objects remains the same in the absence of external forces Applications: Collisions, analyzing action/reaction interactions

Torque = Moment = Moment of Force Targeted Point of Torque T = F.l Torque = Force x Length of Lever Arm

Torque = Moment = Moment of Force (2) Sebuah benda yang memiliki penyangga hanya di satu sisi akan mengalami efek torsi pada titik penyangga. Sebuah benda yang memiliki penyangga di sua sisi atau lebih tidak mengalami efek torsi. Dalam kehidupan sehari-hari obyek torsi sangat penting untuk diperhatikan, yaitu sbb.: Dalam hal kita memperlakukan obyek torsi sebagai benda yang akan kita lepas / bongkar maka kita menggunakan alat dengan lever arm sepanjang mungkin yang kita miliki. Contoh: Melepas mur menggunakan kunci pas atau kunci inggris yang panjang. Membongkar bermacam-mavam benda menggunakan linggis yang panjang Dan masih banyak lagi

Torque = Moment = Moment of Force (3) Dalam hal kita membuat suatu konstruksi di mana terdapat bagian- bagian tertentu pada konstruksi tersebut yang menahan torsi maka kita usahakan: Usahakan lever arm tidak terlalu panjang Apabila lever arm nya panjang maka kita harus memperkokoh titik obyek torsi. Memperkokoh obyek torsi bia dilakukan dengan teknik penyambungan yang sempurna dan dengan menambahkan penyangga. Contoh: Balkoni gantung diusahakan tidak terlalu panjang Rak buku yang menempel di dinding diusahakan tidak terlalu panjang dan diperkuat menggunakan siku penyangga. Karena sayap pesawat panjang maka bagian persambungan antara sayap dengan badan pesawat haruslah sangat kokoh.

Weight Mass = The amount of matter Weight = force of gravity acting on the mass Kilogram = measure of mass Pounds and Newtons = measure of force

Stability and Comfort Track In example: Track = 1,5m Wheelbase = 3,2m HH = 1m Headhight

Stability and Comfort a = ? a = ? 150 10 Sin a = Bagaimana jika roda kiri mobil terperosok ke bahu jalan sedalam 10 cm? Seberapa miring kah mobil ini? a = ? a = ? 10 150 Sin a =

The Role of Track (1) a = ? Track = 150 10 Problem Track = 150 cm Kedalaman lubang jalan = 10 cm Berapa derajat penumpang terguncang ke kiri? Solution Sin a = 10 / 150 a = ArcSin 0,066 a = 3,82’

The Role of Track (2) a = ? Track = 180 10 Produsen mobil tersebut membuat generasi baru dengan track 1,8m. Apa pengaruhnya? Problem Track = 180 cm Kedalaman lubang jalan = 10 cm Berapa derajat penumpang terguncang ke kiri? Solution Sin a = 10 / 180 = ArcSin 0,0555 = 3,18’ Pengaruhnya adalah bahwa mobil tsb menjadi lebih tahan goncangan (lebih nyaman dikendarai).

The Role of Height (1) Headhight = 140cm Headhight =100 cm Baik SUV maupun Sedan memiliki track 180cm. Ketinggian kepala pengendara SUV kurang lebih 140cm. Ketinggian kepala pengendara SUV kurang lebih 100cm. Mana yang lebih stabil terhadap goncangan? Headhight = 140cm Headhight =100 cm

The Role of Height (2) r r Formulation Sin(0,5a) = 0,5 l / r 0,5 l 0,5 l l = ? 0,5a 0,5a r r Formulation Sin(0,5a) = 0,5 l / r 0,5 l = r. Sin (0,5a) l = 2.r. Sin (0,5a)

The Role of Height (3) Utk SUV l = 2.r. Sin (0,5a) l = 2. 140. Sin (1,59’) l = 280. 0,0278 l = 7,77 cm Headhight = 140cm Utk Sedan l = 2.r. Sin (0,5a) l = 2. 100. Sin (1,59’) l = 200. 0,0278 l = 5,55 cm Headhight =100 cm

Stability and Comfort - Conclusion Untuk sebuah mobil kestabilan terhadap goncangan antara lain bisa diperoleh dengan: Memperjauh jarak antar roda Menjaga rendahnya bodi mobil

Rumus-rumus Gerak Lanjutan Gerak Lurus dengan Kecepatan Tetap Contoh: Mobil yang melaju konstan (gigi netral dan tanpa digas) Rumus Arti V = konstan Kecepatan mobil ybs tetap. V = s / t Kecepatan mobil = jarak yang ditempuh dibagi dengan waktu tempuh t = s / v Waktu tempuh = jarak yang ditempuh dibagi dengan kecepatan s = V.t Jarak tempuh = kecepatan dikalikan waktu tempuh.

Rumus-rumus Gerak Lanjutan B. Gerak Lurus dengan Akselerasi (Percepatan) Contoh: Mobil yang melaju dengan akselerasi yang beraturan (digas secara konstan). Rumus Arti a = F / m Akselerasi bisa diperoleh dengan pemberian gaya kpd mobil tsb (dengan digas). Akselerasi = Gaya dibagi dengan massa. a = (Vt-V0) / t Cara mengukur akselerasi: Akselerasi mobil = perubahan kecepatan dibagi dengan waktu. Vt = V0 + a.t Kecepatan mobil setelah mencapai waktu tertentu = Kecepatan awal + (akselerasi dikalikan dengan waktu). Rumus lain untuk Vt Rumus untuk menghitung jarak tempuh

Kuis Mana yang lebih hemat bahan bakar, mengendarai mobil dengan kencang (dengan akselerasi) sehingga cepat sampai tujuan, atau kah mengendarai mobil dengan kecepatan yang stabil? Mana yang memiliki momentum lebih besar, sebuah sepeda motor bermassa 100kg yang melaju dg kecepatan 50 km/h ataukah sebuah sepeda motor bermassa 80 kg melaju dengan kecepatan 100 km/h?

Kuis Sebuah kerikil dan sebuah batu dijatuhkan dari puncak monas secara bersamaan. Manakah yang akan mencapai tanah lebih dahulu? Seorang polisi menembakkan pistol mengarah ke udara. Apakah yang akan terjadi dengan peluru tersebut seandainya tidak ada gesekan udara? Carilah ide, bagaimana cara membuat sendiri rak buku di kamar kamu dengan kokoh.

Kuis Coba sebutkan alat-alat bantu dasar apa saja yang sering digunakan untuk memudahkan pekerjaan manusia sehari-hari? Seandainya tidak ada gaya gesekan, apa yang terjadi pada sebuah sepeda motor atau mobil yang melaju dengan kecepatan 60 km/h pada jalan yang datar?

Selamat hari ini kalian telah belajar banyak  . Mulai sekarang biasakan lebih sering mengamati benda dan alat yang kalian jumpai sehari-hari, di mana saja. Carilah jawaban atas curiosity kalian. Setiap curiosity yang terjawab akan memberi tambahan life skill kalian yang pasti akan berguna suatu waktu.

References Robert Resnick, David Halliday ,Kenneth S. Krane, “Physics (Volume 1)”, Fifth Edition, John Wiley & Sons, New York, 2002. Douglas G. Giancoli, “Physics for Scientists & Engineers with Modern Physics”, Fourth Edition, Pearson Education , New Jersey, 2009 Tjuk Imawan, Materi Kuliah Pengantar Ilmu Fisika, Universitas Pembangunan Jaya, Tangerang Selatan, 2011

Exercise (1) Hukum Archimedes Sebuah pabrik manufaktur kapal sedang merancang kapal baru. Dikehendaki sedemikian rupa sehingga pada saat kapal diberi beban normal, volume seluruh ruangan kapal yang berada di bawah permuakaan air laut adalah sebesar 8000m3. Apabila berat mati kapal itu sendiri diperkirakan 3000 ton, berapakah daya muat kapal tersebut? (Dengan kata lain berapakah beban normal yang mampu diangkut oleh kapal tersebut?). Gunakan asumsi bahwa 1 liter air laut memiliki berat 1 kg.. Berapa daya muat kapal yang sedang dirancang ini?

Exercise (2) Pengertian Kecepatan dan Percepatan (Akselerasi) Syellia melakukan perjalanan mudik dari Jakarta ke Jogja sejauh 600 km menggunakan sebuah mobil sedan, berangkat dari Jakarta hari Jumat pukul 20.00 dan tiba di Jogja hari Sabtu keesokan harinya pada pukul 18:00. Selama dalam perjalanan Syellia berhenti dua kali masing-masing selama satu jam. Berapakah kecepatan rata-rata Syellia berkendara? Sebuah mobil yang semula berhenti, dipacu dengan ‘ngebut’ sehingga mencapai kecepatan 108 kph hanya dalam waktu 10 detik. Berapakah akselerasi yang telah dialami oleh mobil tersebut? (dalam m/s2).

Exercise (3) Hukum Newton 2 dan Momentum Sebuah mobil sedan berbobot 1 ton dirancang untuk mampu berakselerasi 7,2 kph per detik. Berapa besarkah gaya yang harus diberikan oleh mesin mobil tersebut agar akselerasi tersebut tercapai? Manakah yang mengakibatkan benturan lebih keras : (a) sebuah sepeda motor berkecepatan 50 kph menabrak sebuah truk yang berhenti atau (b) sepeda motor yang sama berkecepatan 80 kph menabrak truk yang sama ? 3. Manakah yang mengakibatkan benturan lebih keras: (a) sebuah mobil sedan bermassa 1 ton berkecepatan 100 kph menabrak sebuah truk yang berhenti atau (b) sebuah bus bermassa 6 ton berkecepatan 50 kph menabrak truk yang sama?