OSILATOR HARMONIK DISUSUN OLEH : KELOMPOK 4 ο ADITYA PUTRA SANJAYA ο KRISTINA SINAGA ο STEPHANIE SISILIA BR SEMBIRING ο VERONICA MF SILALAHI FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS NEGERI MEDAN 2019/2020 KATA PENGANTAR Puji syukur kami panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, atas berkat dan rahmatnya kami dapat menyelesaikan makalah yang berjudul “ Osilator Harmonik” tepat pada waktunya. Oleh karena itu saya mengucapkan terima kasih kepada bapak Prof.Dr.Nurdin Bukit,M.Si dan ibu Dr.Eva Marlina Ginting,M.Si selaku dosen pengampu mata kuliah mekanika semua pihak yang ikut berpartisipasi dalam penyusunan makalah ini. Tak lepas dari kekurangan, kami menyadari bahwa makalah ini masih jauh dari kata sempurna. Oleh karena itu kami mohon maaf atas kesalahan dan kekurangan yang terdapat dalam makalah ini dan kami harapkan kritik dan saran yang membangun demi karya yang lebih baik dimasa mendatang. Semoga makalah ini bermanfaat bagi pembaca dan terutama bagi penulis sendiri. Medan, Septermber 2019 Kelompok 4 i Daftar Isi Kata Pengantar……………………………………………………………................i Daftar Isi………………………………………………………………….................ii BAB I PENDAHULUAN 1.1 LatarBelakang................................................... ................................................... 1 1.2 Rumusan Masalah.................................................................................................1 1.3 Tujuan...................................................................................................................1 BAB II PEMBAHASAN 2.1 Pendahuluan ......................................................................................................... 3 2.2 Osilator Linear dan Non Linear ........................................................................... 3 2.3. Osilator Harmonik Sederhana ............................................................................. 4 2.4. Energi Osilator Harmonik Sederhana ................................................................. 6 2.5. Persamaan Osilasi ............................................................................................... 9 2.6. Persamaan Gerak Osilasi Redaman .................................................................. 10 BAB III PENUTUP 3.1. Kesimpulan ......................................................................................................... 16 3.2. Saran....................................................................................................................16 Daftar Pustaka ......................................................................................................... 17 ii BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Secara fisika, osilator harmonis mendeskripsikan getaran-getaran kecil di sekitar sebuah posisi kesetimbangan stabil, dan merupakan sebuah sistem yang sangat penting di dalam mekanika klasik. Informasi ini menunjukkan bahwa osilator harmonis adalah sebuah sistem fisika, seperti kebanyakan sistem fisika lain yang bergetar. Benda yang bergetar, secara klasik, dapat dimodelkan sebagai osilator harmonis, walaupun pada kenyataanya osilator harmonis itu tidak ada dalam kehidupan sehari-hari. Dalam mekanika kuantum, osilator harmonis sangat penting, misalnya ketika kita mempertimbangkan gerakan sebuah partikel dalam satu dimensi, yaitu getaran dari sebuah molekul diatomik yang inti atomnya bermassa m1 dan m2. Contoh lain sistem yang ditinjau melalui pendekatan osilator harmonis dalam mekanika kuantum adalah vibrasi atom-atom dalam kristal zat padat, yang kemudian akan memperkenalkan kita pada konsep tentang phonon, dan gelombang elektromagnetik yang terkuantisasi, dikenal sebagai photon. Sementara itu, ada contoh-contoh lain yang menarik dan telah dikembangkan melalui mekanika kuantum, seperti optika kuantum, komputasi kuantum, laser, NMR, dsb. Adapaun pembuatan makalah mengenai osilator harmonic ini sangatlah penting untuk dipelajari khusunya bagi mahasiswa yang berada pada jurusan pendidikan fisika. 1.2 Rumusan Masalah 1. Apa yang dimaksud dengan osilator linear dan osilator non linear? 2. Bagaimana sistem osilator harmonic sederhana? 3. Energi apa yang dihasilkan osilator harmonic sederhana? 4. Bagaimana persamaan osilasi dan persamaan gerak osilasi redaman? 1.3 Tujuan 1. Untuk mengetahui osilator linear dan osilator non linear 2. Untuk mengetahui sistem osilator harmonic sederhana 3. Untuk mengetahui energi yang dihasilkan osilator harmonic sederhana 1 4. Untuk mengetahui persamaan osilasi dan persamaan gerak osilasi redaman 2 BAB II PEMBAHASAN 2.1 Pendahuluan Jika sebuah sistem dalam kesetimbangan stabil statis atau dinamis ,ketika sistem tersebut dipindahkan sedikit dari posisi kesetimbangan,gerak osilasi yang dihasilkan disebut gerak harmonik. Untuk menjaga gerak osilasi dalam gesekan,beberapa gaya eksternal harus diterapkan. Sistem berisolasi seperti ini disebut isolator paksa atau dorong. Ketika perpindahan sistem dari kesetimbangan besar,sistem ini tidak lagi linear. Sistem berosilasi seperti ini disebut nonlinear. 2.2 Osilator Linear dan Tidak Linear Pertimbangkan sebuah partikel bermassa m bergerak dalam medan gaya konservatif dengan energi konservatif dengan energi potensial V(x) dari partikel sebagai fungsi dari perpindahan. Untuk medan gaya konservatif,energi total E dari partikel πΈ = πΎ + π = ππππ π‘ππ 1 Jika π₯Μ adalah kecepatan dari partikel, πΈ = 2 ππ₯Μ 2 + π(π₯) Dimana jika kita selesaikan dalam π₯Μ mengahsilkan π₯Μ = ππ¦ ππ‘ 2 = ±√π [πΈ − π(π₯)] Jika πΈ = πΈ0 , kemudian πΈ0 − π(π₯) = 0 dan ,π₯Μ = 0; partikel terletak diam pada kesetimbangan yang stabil pada π₯ = π₯0 . Posisi x(t) dari sebuah partikel bergerak dalam sumur potensial dapat ditemukan dengan mengintegrasikan persamaan yaitu, π π₯2 ππ₯ π‘2 − π‘1 = √ ∫ 2 π₯1 √πΈ − π(π₯) Sedangkan waktu periode T dari satu isolasi adalah π₯2 π = 2(π‘2 − π‘1 ) = √2π ∫ π₯1 3 ππ₯ √πΈ − π(π₯) Misalkan sebuah partikel berosilasi pada titik kesetimbangan π₯0 , dimana potensi minimum adalah π(π₯0 ) pada π₯ = π₯0 maka fungsi potensial dapat dituliskan sebagai : 1 1 4 π(π₯ ′ ) = ππ₯′2 + ∈ π₯ ′ + β― 2 4 οΆ Osilasi Linear Dalam pendekatan pertama,kita dapat mengabaikan semua kecuai yang pertama yaitu: π(π₯) = 1 2 ππ₯ 2 πΉ(π₯) = −ππ₯ π2 π Disini π = ( ππ₯ 2 ) ππΉ π₯−π₯0 = − (ππ₯ ) π₯−π₯0 Sejak (π 2 π ⁄ππ₯ 2 )0 bernilai positif, k juga akan bernilai positif. Oleh karena itu gaya F(x) = - kx selalu diarahkan menuju pusat dan sebanding dengan x. Gaya seperti ini disebut gaya pemulih linear. οΆ Osilasi non linear Berbagai bentuk gaya dan potensial yang diilustrasikan untuk sistem dengan perpindahan yang besar (sehingga tidak ada lagi linear). Untuk sistem non linear,yaitu: πΉ(π₯) = −ππ₯−∈ π₯ 3 Kita harus ingat ∈ yang merupakan jumlah yang sangat kecil dibandingkan dengan k,namun besarnya dan tanda mempengaruhi hubungan linear –kx, gaya yang dihasilkan F(x). 2.3 Osilator Harmonic Sederhana Osilator harmonik linear atau sederhana terdiri dari massa m terikat dengan pegas yang memiliki konstanta gaya k. Sistem semi-massa berosilasi dalam satu dimensi sepanjang sumbu X pada permukaan horizontal tanpa gesekan. Sistem ini memenuhi hukum hooke,maka sistem linear. 1 Mengukur perpindahan X dari posisi kesetimbangan energi potensial V(x) adalah π(π₯) = 2 ππ₯ 2 sementara gaya pemulih F(x) adalah F(x) = -kx 4 Paradigma dari osilator harmonik klasik adalah sebuah benda dengan massa m, yang dipaksa untuk bergetar dengan gaya F dan kontanta k. Gerakannya diatur oleh hukum Hooke: (tentunya dengan mengabaikan gaya friksi) dan solusi umumnya adalah di mana yang merupakan frekuensi (anguler) osilasi. Energi potensialnya adalah merupakan bentuk kurva parabola. Tentunya, tak ada yang sesempurna seperti pada kasus osilator harmonik sederhana ini. Jika kita membentangkan pegas terlalu panjang, bisa-bisa pegas tersebut akan berhenti bergetar karena sudah melewati titik elastisitasnya dan juga hukum Hooke tidak akan berlaku untuk kasus yang demikian. Tetapi praktisnya, potensial dapat didekati dengan fungsi parabola, di dalam titik tetangga dari titik minimum. Formalnya, jika kita mengekspansi V(x) ke dalam deret Taylor di sekitar titik minimum, maka Bagilah dengan V(x0) [Kita juga bisa menambah konstanta sembarang pada V(x)selama tidak mengubah gaya], misalkan yang menggambarkan gerak oslilasi selaras sederhana (di sekitar titik π₯0 ), dengan konstanta pegas efetif π = π′′(π₯0 ) Inilah kenapa oslilator selaras sederhana menjadi sangat penting dalam 5 mekanika kuantum, secara kasat mata gerak osilator adalah selaras sederhana selama nilai amplitudonya kecil. Permasalahan kuantum kali ini adalah menyelesaikan persamaan Shroedinger untuk potensial: Seperti yang telah kita lihat, tujuan kita adalah menyelesaikan persamaan Shroedinger tidak bergantung waktu. Pada kebanyakan literatur, kita akan menjumpai dua pendekatan berbeda untuk permasalahan seperti ini. Yang pertama adalah solusi dengan penekanan langsung pada persamaan diferensial menggunakan metode “ekspansi power series”, cara ini sangat baik karena dapat digunakan untuk menyelesaikan berbagai potensial lain. 2.4 Energi Osilator Harmonic Sederhana Mari periksa energi mekanik dari suatu sistem di mana partikel mengalami gerak harmonik sederhana, seperti sistem balok-pegas. Karena permukaan gesekan, sistem ini terisolasi dan kita berharap total energi mekanik dari sistem akan konstan. Kita asumsikan pegas tak bermassa, sehingga energi kinetik dari sistem sesuai hanya dengan balok. Kita dapat menggunakan Persamaan untuk mengekspresikan energi kinetik balok sebagai: 6 K = ½ mv2 = ½ mο·2A2 sin2(ο·t + ο¦) Energi potensial elastis yang tersimpan dalam pegas untuk setiap perpanjangan x diberikan oleh ½ kx2 . Menggunakan persamaan didapatkan: U= ½ kx2 = ½ kA2 cos2(ο·t + ο¦) Kita melihat bahwa K dan U selalu besaran positif atau nol. Karena ο·2 = k/m, kita dapat mengekspresikan total energi mekanik dari osilator harmonik sederhana sebagai: E = K + U = ½ kA2 [sin2(ο·t + ο¦) + cos2(ο·t + ο¦)] Dari identitas sin2 ο± + cos2 ο± =1, kita melihat bahwa besaran dalam kurung adalah kesatuan. Oleh karena itu, persamaan ini tereduksi menjadi: E = ½ kA2 Artinya, total energi mekanik dari osilator harmonik sederhana adalah konstan dari gerak dan sebanding dengan kuadrat amplitudo. Total energi mekanik adalah sama dengan energi potensi maksimum yang tersimpan dalam pegas ketika x = ο±A karena v = 0 pada titik-titiknya dan tidak ada energi kinetik. Pada posisi kesetimbangan, di mana U = 0 karena x = 0, total energi, semua dalam energi kinetik, lagi ½ kA2. Plot dari energi kinetik dan potensial terhadap waktu diperlihatkan dalam Gambar 15.9a, di mana kita telah mengambil ο¦ = 0. Pada setiap waktu, jumlah dari energi kinetik dan potensial adalah konstan sebesar ½ kA2, energi total sistem. Variasi dari K dan U dengan posisi x dari balok diplot pada Gambar 15.9b. Energi secara terus menerus berubah antara energi potensial yang tersimpan dalam pegas dan energi kinetik balok. Gambar 15.10 menggambarkan posisi, kelajuan, percepatan, energi kinetik, dan energi potensial 7 dari sistem balok-pegas untuk satu periode penuh dari gerak. Sebagian besar ide yang dibahas sejauh ini digabungkan dalam angka penting ini. Pelajari dengan seksama. Akhirnya, kita dapat memperoleh kelajuan balok pada posisi sembarang mengekspresikan energi total sistem di beberapa posisi x sembarang sebagai: E = K + U = ½ mv2 + ½ kx2 = ½ kA2 8 dengan Ketika Anda memeriksa Persamaan di atas untuk melihat apakah itu sesuai dengan kasus yang diketahui, Anda menemukan bahwa ini memverifikasi bahwa kecepatan maksimum pada x = 0 dan nol pada titik balik x = ο±A. 2.5 Persamaan Osilasi Pada gambar di bawah ditunjukkan suatu sistem pegas-massa yang dikenal dengan gaya luar hingga mengalami osilasi paksa. Gaya dorong dari luar diamsumsikan diberikan secara periodic. Bila pada sistem pegas-massa tersebut beban bermassa m, pegas mempunyai kekakuan dengan konstanta pegas k, besar redaman di sekitar sistem dinyatakan oleh faktor redaman b, dan gaya periodic penyebab osilasi dalam F(t), maka menurut hokum kedua Newton persamaan gerak beban selama osilasi berlangsung dinyatakan dalam bentuk : m π2π₯ ππ‘ 2 + π ππ₯ ππ‘ + kx = F (t) 9 Gaya luar periodic F(t) umumnya dalam bentuk fungsi sinus dan fungsi cosinus. Persamaan gerak pada sistem osilasi paksa ini ternyata identik dengan persamaan yang menggambarkan aliran arus bolak-balik (I) dalam sistem RLC ketika dihubungkan dengan sumber bolak-balik V(t) yaitu : L ππ ππ‘ π + RI + = V (t) π Atau dalam persamaan diferensial yang menyatakan aliran muatan q adalah : L π2π ππ‘ 2 +R Dengan I = ππ ππ‘ ππ ππ‘ π + = V (t) π . Besaran C adalah kapasintasi kapasitor yang akan dimuati, L adalah induktansi dari lilitan yang digunakan dan R adalah besar hambatan listrik yang berfungsi sebagai pembatas arus listrik. 2.6 Persamaan Gerak Osilasi Redaman Setiap gerak yang terjadi secara berulang / bolak-balik dalam selang waktu yang sama dan melalui titik kesetimbangan disebut gerak periodik. Karena gerak ini terjadi secara teratur maka disebut juga gerak harmonik. Apabila suatu partikel melakukan gerak periodik pada lintasan sama serta perubahan medan yang periodik maka gerakannya disebut gerak osilasi/ getaran. Bentuk sederhana dari gerak periodik adalah osilasi dari pegas. Karenanya kita menyebutnya gerak harmonis sederhana. Gerak harmonik sederhana disebabkan oleh adanya gaya pemulih atau gaya balik linear (F), yaitu resultan gaya yang arahnya selalu menuju titik kesetimbangan dan besarnya sebanding dengan simpangannya. Gaya pemulih ini arah gaya selalu berlawanan dengan arah simpangan. Sehingga : πΉ = −ππ₯ Dimana : k = konstanta pegas. x = simpangan pegas (m) 10 F = gaya pemulih (N) Jika faktor dan gaya pemulih osilasi di substitusikan dengan hukum II Newton, maka : π²π₯ π²π₯ πΉ = π ππ‘ 2 −ππ₯ = π ππ‘ 2 -kx π²π₯ π ππ‘ 2 + ππ₯ = 0 π2 π₯ ππ‘ 2 π +ππ₯ = 0 π Sehingga π = √π 2π π mg π = √π π π = 2π√ π Dalam keadaan nyata, osilasi lama kelamaan akan melemah menjadi diam (teredam). Hal terseebut karena adanya gaya gesek benda dengan lingkungan. Pengaruh gaya gesek inilah yang disebut dengan gaya non konservatif. Gaya gesek akan menyebabkan amplitudo benda yang berosilasi secara perlahan menurun terhadap waktu. Sehingga benda tidak berosilasi lagi (diam). Dengan kata lain bahwa gaya gesek menyebabkan benda tersebut kembali setimbang. Gaya gesek tersebut dinyatakan dengan : π = −ππ£ π = −π Dengan : R = gaya gesek (N) b = konstanta redaman v = cepat rambat gelombang (m/s) x = simpangan (m) 11 ππ₯ ππ‘ t = waktu (s) Jika faktor gaya gesek dan gaya pemulih osilasi di substitusikan dengan hukum II Newton, maka : π²π₯ ππ₯ π ππ‘² = −ππ₯ − π ππ‘ π²π₯ ππ₯ π π ππ‘² + π ππ‘ + ππ₯ = 0 ; asumsikan π· = ππ‘ (ππ·² + ππ· + π)π₯ = 0 Jadi persamaan karakteristiknya : ππ·² + ππ· + π = 0 π π π·² + π π· + π = 0 Akar dari persamaan ini adalah π π π π π1,2 = − 2π ± √(2π) ² − π ; asumsikan ο = 2π πβ‚β = −ο ± √ο² − π² Dengan ο disebut faktor redaman per satuan massa Sehingga solusinya adalah : ο(π‘) = πΆ1 π ο¬βπ‘ + πΆ2 π ο¬βπ‘ ο(π‘) = πΆ1 π (−ο +√ο ²−π²)π‘ + πΆ2 π (−ο −√ο ²−π²)π‘ ...(1.1) ο(π‘) = π −ο π‘ (πΆ1 π √ο ²−π² + πΆ2 π −√ο ²−π² ) ...(1.2) Dimana : π −ο π‘ adalah faktor redaman. Untuk lebih memahami osilasi teredam ada tiga kasus yang terjadi, yaitu : 1. Apabila ο 2 βͺ ο·2 , maka √ο² − π² = ππ, sehingga persamaan (1.2) menjadi : ο(π‘) = π −ο π‘ (πΆ1 π πο·π‘ + πΆ2 π −πο·π‘ ) dan bila C1=C2, maka : ο(π‘) = πΆπ −ο π‘ (π πο·π‘ + π −πο·π‘ ) ο(π‘) = πΆπ −ο π‘ (π πο·π‘ + π −πο·π‘ ) 12 ...(1.3) ο(π‘) = π΄π −ο π‘ π ππ(ο·π‘ + οͺ) ...(1.4) Pada kasus ini disebut dengan osilasi teredam kurang (underdamped oscilation). Dari persamaan (1.4) tampak bahwa osilasi ini sama dengan osilasi sederhana, namun yang berbeda adalah amplitudonya (berubah secara exponensial. Grafik untuk osilasi teredam kurang adalah sebagai berikut: X t Grafik osilasi teredam kurang 2. Apabila ο 2 β« ο·2 , maka √ο² − π² = πο, sehingga persamaan (1.2) menjadi : ο(π‘) = (πΆ1 π 0 + πΆ2 π −ποπ‘ ) ο(π‘) = π΄ + π΅π −ποπ‘ Osilasi semacam ini disebut osilasi teredam (overdamped oscilation). 3. Apabila ο 2 = ο·2 , maka persamaan (1.2) menjadi : ο(π‘) = π −οπ‘ (πΆ1 π 0 + πΆ2 π 0 ) ο(π‘) = π −οπ‘ (πΆ1 + πΆ2 ) Osilasi ini disebut teredam kritis (critically oscilation). Teredam lebih Teredam kritis 13 Grafik osilasi teredam lebih dan teredam kritis. Untuk konstanta redaman b yang cukup kecil, b² < 4mk dalam kasus teredam kurang maka solusi persamaannya dapat dituliskan: π1,2 = − π π π ± π√ − ( ) ² 2π π 2π π² = √π0 ² − π² π π Dimana π = 2π dan π0 = √π maka, 2ππ = √ π π² − π 4π² Dengan : ω = frekuensi angular redaman ; π = 2ππ π ω0= frekuensi angular alami ; ππ ² = π π² r = konstanta redaman per satuan massa ; π² = 4π Untuk menghitung konstanta redaman pada fluida tertentu digunakan persamaan : π π² 2ππ = √ − ππ 4ππ ² 4π²π² = π π² − ππ 4ππ ² π² π = − 4π²π² 4ππ ² ππ π π² = (4ππ ²) ( − 4π²π²) ππ 14 π π = √(4ππ ²) ( − 4π²π²) ππ π = √4(ππ )² { π 2π 2 −( ) } ππ π π 2π 2 π = 2ππ √ −( ) ππ π 15 BAB III PENUTUP 3.1 Kesimpulan Jika sebuah sistem dalam kesetimbangan stabil statis atau dinamis ,ketika sistem tersebut dipindahkan sedikit dari posisi kesetimbangan,gerak osilasi yang dihasilkan disebut gerak harmonik. Untuk menjaga gerak osilasi dalam gesekan,beberapa gaya eksternal harus diterapkan. Sistem berisolasi seperti ini disebut isolator paksa atau dorong. Ketika perpindahan sistem dari kesetimbangan besar,sistem ini tidak lagi linear. Sistem berosilasi seperti ini disebut nonlinear. Osilator harmonik linear atau sederhana terdiri dari massa m terikat dengan pegas yang memiliki konstanta gaya k. Sistem semi-massa berosilasi dalam satu dimensi sepanjang sumbu X pada permukaan horizontal tanpa gesekan. Sistem ini memenuhi hukum hooke,maka sistem linear. Mengukur perpindahan X dari posisi kesetimbangan energi potensial V(x) adalah π(π₯) = 1 2 ππ₯ 2 sementara gaya pemulih F(x) adalah F(x) = -kx 3.2 Saran Dengan adanya makalah ini, penulis berharap makalah ini dapat dijadikan sebagai bahan referensi dalam memahami dunia fisika khususnya mengenai mekanika. Makalah ini juga dapat dijadikan sebagai bahan ajar. Dan mudah-mudahan dapat bermanfaat dalam kehidupan seharihari. 16 DAFTAR PUSTAKA Bukit, N. Ginting, E. 2015. Mekanika. Unimed Press: Medan https://www.academia.edu/6434338/GETARAN_TEREDAM_2 17