FISIKA XI-GETARAN PADA AYUNAN SEDERHANA

TEORI

Bandul sederhana adalah salah satu bentuk gerka harmonik sederhana. Gerak harmonik sederhana adalah benda bergerak bolak-balik disekitar titik keseimbangannya. Bandul matematis atau ayunan matematis setidaknya menjelaskan bagaimana suatu titik benda digantungkan pada suatu titik tetap dengan tali. Jika ayunan menyimpang sebesar sudut  terhadap garis vertical maka gaya yang mengembalikan :

F = - m . g . sin θ

Untuk θ dalam radial yaitu θ kecil maka sin θ = θ = s/l, dimana s = busur lintasan bola dan l = panjang tali , sehingga   F = −mgs/l
Kalau tidak ada gaya gesekan dan gaya puntiran maka persamaan gaya adalah :

 Ini adalah persamaan differensial getaran selaras dengan periode adalah :

Beban yang diikat pada ujung tali ringan yang massanya dapat diabaikan disebut bandul. Jika beban ditarik kesatu sisi, kemudian dilepaskanmaka beban akan terayun melalui titik keseimbangan menuju ke sisi yang lain. Bila amplitudo ayunan kecil, maka bandul sederhana itu akan melakukan getaran harmonik. Bandul dengan massa m digantung pada seutas tali yang panjangnya l. Ayunan mempunyai simpangan anguler θ dari kedudukan seimbang. Gaya pemulih adalah komponen gaya tegak lurus tali.
F = - m g sin θ
F = m a
maka,
m a = - m g sin θ
a = - g sin θ

Untuk getaran selaras θ kecil sekali sehingga sin θ = θ. Simpangan busur s = l θ atau θ=s/l , maka persamaan menjadi: a= gs/l . Dengan persamaan periode getaran harmonik.

Dimana :
l = panjang tali (meter)
g= percepatan gravitasi (ms-2)
T= periode bandul sederhana (s)
Dari rumus di atas diketahui bahwa periode bandul sederhana tidak bergantung pada massa dan simpangan bandul, melaikan hanya bergantung pada panjang dan percepatan gravitasi, yaitu:

Gerak osilasi yang sering dijumpai adalah gerak ayunan. Jika simpangan osilasi tidak terlalu besar, maka gerak yang terjadi dalam gerak harmonik sederhana. Ayunan sederhana adalah suatu sistem yang terdiri dari sebuah massa dan tak dapat mulur. Jika ayunan ditarik kesamping dari posisi setimbang, dan kemudian dilepasskan, maka massa m akan berayun dalam bidang vertikal kebawah pengaruh gravitasi. Gerak ini adalah gerak osilasi dan periodik. Kita ingin menentukan periode ayunan. Pada gambar di bawah ini, ditunjukkan sebuah ayunan dengan panjang 1, dengan sebuah partikel bermassa m, yang membuat sudut θ terhadap arah vertical. Gaya yang bekerja pada partikel adalah gaya berat dan gaya tarik dalam tali. Kita pilih suatu sistem koordinat dengan satu sumbu menyinggung lingkaran gerak (tangensial) dan sumbu lain pada arah radial. Kemudian kita uraikan gaya berat mg atas komponenkomponen pada arah radial, yaitu mg cos θ, dan arah tangensial, yaitu mg sin θ. Komponen radial dari gaya-gaya yang bekerja memberikan percepatan sentripetal yang diperlukan agar benda bergerak pada busur lingkaran.Komponen tangensial adalah gaya pembalik pada benda m yang cenderung mengembalikan massa keposisi setimbang. Jadi gaya pembalik adalah :

F = −mg sinθ

Perhatikan bahwa gaya pembalik di sini tidak sebanding dengan θ akan tetapi sebanding dengan sin θ. Akibatnya gerak yang dihasilkan bukanlah gerak harmonic sederhana. Akan tetapi, jika sudut θ adalah kecil maka sin θ ≈ θ (radial). Simpangan sepanjang busur lintasan adalah x=lθ , dan untuk sudut yang kecil busur lintasan dapat dianggap sebagai garis lurus. Jadi kita peroleh :

Jadi untuk simpangan yang kecil, gaya pembalik adalah sebanding dengan simpangan, dan mempunyai arah berlawanan. Ini bukan laian adalah persyaratan gerak harmonic sederhana. Tetapan mg/l menggantikan tetapan k pada F=-kx.

Perioda ayunan jika amplitude kecil adalah:

Gaya pemulih muncul sebagai konsekuensi gravitasi terhadap bola bermassa M dalam bentuk gaya gravitasi Mg yang saling meniadakan dengan gaya Mdv/dt yang berkaitan dengan kelembaman. Adapun frekuensi ayunan tidak bergantung kepada massa M.

LEMBAR PERCOBAAN

  A.    Judul Percobaan          :

“Getaran Pada Ayunan Sederhana”

  B.     Tujuan Penrcobaan      :

·         Memahami pengaruh panjang tali, massa beban dan besar sudut pada hasil pengukuran

·         Menentukan percepatan gravitasi dengan metode ayunan fisis

  C.     Alat dan Bahan           :

·         Beban 50 gram ( 1 buah)

·         Beban 100 gram (2 buah)

·         Statif lengkap

·         Penggaris

·         Benang

·         Stopwatch

·         Alat tulis

  D.    Langkah Kerja                        :

1.      Rangkailah alat seperti gambar diatas ini, kemudian katlah ujung beban dengan tali yang berukuran panjang 20 cm, sedangkan ujung tali yang lain diikatkan pada klem statif.

2.      Simpangkan beban pada jarak 5 cm dari titik setimbang, kemudian siapkanlah stopwatch. Lepaskanlah beban yang disimpangkan tersebut, dan bersamaan itu nyalakan stopwatch. Kemudian catatlah waktu yang ditunjukkan oleh stopwatch saat benda sudahbergetar 10 kali.

3.      Lakukan kegiatan seperti nomor 2 tetapi benda disimpangkan sejauh 10 cm dan bergetar sebanyak 10 kali.

4.      Lakukanlah kegiatan 1 dan 2 tetapi dengan mengganti beban menjadi 100 gram, kemudian benda disimpangkan sejauh 5 cm dan catatlah waktu yang diperlukan untuk bergetar 10 kali getaran.

5.      Lakukanlah kegiatan 1 dan 2 tetapi dengan mengganti panjang tali menjadi 40 cm, kemudian benda disimpangkan sejauh 5 cm dan catatlah waktu yang ditunjukkan oleh stopwatch saat benda sudah bergetar 10 kali.

          E.        Hasil Percobaan         :

No.	Panjang Tali	Massa Benda	Simpangan	t	T	T2	G
1	20 cm	50 g	5 cm	10 s	1	1	788,768
2	20 cm	50 g	10 cm	10 s	1	1	788,768
3	20 cm	100 g	5 cm	10 s	1	1	788,768
4	40 cm	50 g	5 cm	12 s	1,2	1,44	1.314,613

           

D. Kesimpulan Percobaan

Pada panjang tali yang sama, semakin banyak ayunan, maka waktu yang diperlukan juga semakin lama dan percepatan gravitasinya tergantung pada periode dan panjang tali. Sedangkan jika panjang tali berbeda maka waktu yang diperlukan untuk melakukan sejumlah ayunan yang sama akan memerlukan waktu yang berbeda pula, dengan ketentuan semakin panjang tali maka akan semakin lama waktu yang diperlukan.