Soal Dan Pembahasan Fisika: Gerak Harmonis Sederhana

بِسْــــــــــــــــمِ اﷲِالرَّحْمَنِ اارَّحِيم

Soal:

1. Jelaskan apa yang dimaksud dengan gerak harmonis sederhana. Berikan contoh nyata dari gerak tersebut di kehidupan sehari-hari.

Jawaban:

Gerak harmonis sederhana adalah gerak bolak-balik yang terjadi pada suatu sistem yang mematuhi hukum Hooke dan memiliki percepatan sebanding dengan perpindahan tetapi berlawanan arah. Gerak ini umumnya terjadi pada sistem pegas yang mengalami getaran. Pada gerak harmonis sederhana, gaya pemulih yang bekerja pada sistem proporsional terhadap perpindahan dari posisi keseimbangan.

Contoh nyata dari gerak harmonis sederhana di kehidupan sehari-hari adalah gerakan bandul pada jam dinding. Ketika bandul digoyangkan dari posisi keseimbangan, ia akan bergetar bolak-balik dengan gerak harmonis sederhana. Gerakan ini dapat dilihat ketika bandul naik dan turun secara teratur dengan periode yang konsisten.

Soal:

2. Jelaskan persamaan gerak untuk gerak harmonis sederhana. Berikan interpretasi fisik dari setiap variabel dalam persamaan tersebut.

Jawaban:

Persamaan gerak untuk gerak harmonis sederhana adalah x = A cos(ωt + φ), di mana x adalah perpindahan, A adalah amplitudo gerakan, ω adalah frekuensi sudut, t adalah waktu, dan φ adalah fase awal gerakan.

Interpretasi fisik dari variabel dalam persamaan tersebut adalah sebagai berikut:

• x adalah perpindahan, yaitu jarak dari posisi keseimbangan. Nilai positif menunjukkan perpindahan ke arah positif, sedangkan nilai negatif menunjukkan perpindahan ke arah negatif.
• A adalah amplitudo gerakan, yaitu jarak maksimum dari posisi keseimbangan. Amplitudo menunjukkan sejauh mana benda bergerak dari titik keseimbangan.
• ω adalah frekuensi sudut, yaitu kecepatan putaran sudut dalam gerak harmonis sederhana. Frekuensi sudut dapat dikaitkan dengan jumlah siklus yang terjadi dalam satu satuan waktu.
• t adalah waktu, yaitu jumlah waktu yang telah berlalu sejak gerakan dimulai.
• φ adalah fase awal gerakan, yaitu posisi awal dari benda pada saat t = 0. Fase ini menentukan posisi awal dari gerakan harmonis sederhana.

Soal:

3. Jelaskan bagaimana energi mekanik dalam gerak harmonis sederhana diperoleh dan dipertahankan. Jelaskan juga apa yang terjadi pada energi saat benda mencapai titik maksimum dan titik minimum dari geraknya.

Jawaban:

Energi mekanik dalam gerak harmonis sederhana terdiri dari energi kinetik (KE) dan energi potensial elastis (PE). Energi mekanik diperoleh ketika energi kinetik dan energi potensial elastis saling berubah.

Saat benda mencapai titik maksimum (amplitudo maksimum), energi kinetiknya nol karena kecepatannya mencapai nilai minimum. Pada saat yang sama, energi potensial elastis mencapai nilai maksimum karena benda berada pada posisi yang jauh dari titik keseimbangan. Jadi, energi mekanik pada titik maksimum sepenuhnya dalam bentuk energi potensial elastis.

Saat benda mencapai titik minimum (amplitudo minimum), energi kinetiknya mencapai nilai maksimum karena kecepatannya maksimum. Pada saat yang sama, energi potensial elastisnya nol karena benda berada pada posisi keseimbangan. Jadi, energi mekanik pada titik minimum sepenuhnya dalam bentuk energi kinetik.

Selama gerak harmonis sederhana, energi mekanik total (KE + PE) tetap konstan, dengan sebagian energi menjadi energi kinetik dan sebagian menjadi energi potensial elastis. Ini menggambarkan prinsip kekekalan energi mekanik dalam gerak harmonis sederhana.