SKL UN IPA 6 : Usaha dan Energi

KOMPETENSI

Mendeskripsikan dasar-dasar mekanika (gerak, gaya, usaha, dan
energi) serta penerapan konsep tekanan dalam kehidupan sehari-hari.

INDIKATOR

Menentukan besaran fisis pada usaha atau energi .

MATERI

USAHA

Usaha adalah hasil kali gaya terhadap perpindahan

W = Usaha (J)

F = gaya (N)

s = perpindahan (m)

Energi

a. Energi Kinetik

Ek = energi kinetik (J)

m = massa benda (kg)

v = kecepatan (m/s)

b. Energi Potensial

Ep = energi potensial (J)

m = massa benda (kg)

g = percepatan gravitasi (m/s²)

h = ketinggian (m)

SOAL

1. Seorang siswa memiliki massa 45 kg menumpang pada kendaraan bak terbuka yang massanya 900 kg jika kendaraan tersebut melaju dengan kecepatan 72 km/jam, maka energi kinetik yang dimiliki siswa tersebut adalah ….

A. 4 kJ

B. 9 kJ

C. 171 kJ

D. 180 kJ

2. Perhatikan gaya-gaya yang bekerja pada benda. Gaya-gaya ini mengakibatkan benda berpindah ke kanan. Usaha sebesar 150 J dilakukan oleh gaya pada ....

3. Perhatikan gambar berikut ni!

Besar usaha yang dilakukan oleh F1 dan F2 adalah ...

A. (30 N + 20 N) x 20 m

B. (30 N - 20 N) x 20 m

C. 30 N x 10 N

D. 20 N x 20 N

4. Perhatikan gambar berikut!

Agar mobil sedan tersebut, berparkir setengah meter di depan bus, berapa besar usaha yang diperlukan .....

A. ­400 N

B. 450 N

C. 475 N

D. 500 N

5. Perhatikan gambar berikut!

Agar mobil B tersusul, maka kecepatan mobil A dua kali lipat kecepatan mobil B, perbandingan antara energi kinetik A dibanding energi kinetik B adalah ....

A. setengah kali

B. sama besar

C. dua kali lebih besar

D. empat kali lebih besar

6. Perhatikan gambar tangga berikut!

Usaha yang diperlukan untuk memindahkan balok dari lantai A ke lantai B adalah ....

A. 15 J

B. 20 J

C. 75 J

D. 95 J

Energi

Matahari sebagai sumber energi terbesar bagi bumi

Matahari merupakan sumber energi terbesar. Tanpa ada matahari, tidak akan ada kehidupan di muka bumi ini. Sinar matahari diperlukan bagi tumbuhan hijau untuk fotosintesis. Hasil fotosintesis berupa karbohidrat dan oksigen dibutuhkan oleh makhluk hidup lain, termasuk manusia.

Energi dan Bentuknya

Tanpa energi tidak ada kehidupan. Tidak ada cahaya, tidak ada bunyi, dan akhirnya tidak ada makhluk yang hidup.

Tanpa energi tidak akan ada gerak. Sehingga dapat dikatakan energi adalah kemampuan untuk melakukan kerja.Satuan energi dalam Si adalah Joule. Satuan yang lain adalah kalori atau kilo kalori (kkal).

Contoh sumber energi yang lain : batu bara, minyak bumi, makanan, bensin dan sebagainya.

Bentuk-bentuk energi :

1. Energi Mekanik

Energi mekanik adalah energi yang berkaitan dengan gerak atau kemampuan untuk bergerak.

2. Energi kalor

Energi kalor adalah energi yang dihasilkan dari gerak internal partikel-partikel dalam suatu zat.

3. Energi Kimia

Energi Kimia adalah energi yang tersimpan dalam suatu bahan.

Contoh : energi pada makanan, bensin atau solar.

4. Energi Cahaya

Energi Cahaya adalah energi yang  dihasilkan oleh radiasi gelombang elektromagnetik.

Contoh : energi dari sinar matahari atau api.

5. Energi Listrik

Energi listrik adalah energi yang dihasilkan oleh muatan listrik yang bergerak melalui suatu penghantar.

Contoh : Energi listrik digunakan untuk menyalakan lampu.

6. Energi Bunyi

Energi bunyi adalah energi yang dihasilkan oleh getaran udara dari sebuah sumber bunyi.

Contoh : bunyi yang dihasilkan dari loudspeaker

7.Energi Nuklir

Energi nuklir adalah energi yang dihasilkan oleh bahan-bahan radioaktif.

Energi Mekanik
Energi mekanik adalah energi yang berkaitan dengan gerak atau kemampuan untuk bergerak. Ada dua macam energi, yaitu energi kinetik dan energi potensial.

1. Energi Kinetik

Energi kinetik adalah energi yang dimiliki benda karena geraknya atau kelajuannya.
Energi kinetik dirumuskan dengan

EK = ¹/₂ m v²

 

EK = energi kinetik (joule)
m = massa benda (kg)
v = kecepatan (m/s)

Contoh :

Tentukan energi kinetik sepeda motor bermassa 100 kg yang bergerak dengan kelajuan 20 m/s?

Penyelesaian  :

Diketahui : 

m = 100 kg

v = 20 m/s

Ditanyakan : EK=?

Jawab :

EK = ¹/₂ m v² = ¹/₂.100.20² =20000 J = 20 kJ

2. Energi potensial

Energi potensial adalah energi yang dimiliki benda karena keadaan atau kedudukannya.

Contoh : air terjun mengandung energi potensial yang akan bisa digunakan untuk menggerakkan turbin.

Besarnya energi potensial dapat dirumuskan dengan :

EP = m g h

EP = energi potensial (joule)
m = massa benda (kg)
g = percepatan gravitasi (m/s²)

h = ketinggian (m)

Contoh Soal

Benda bermassa 3 kg dinaikkan setinggi 5 meter dari tanah. Jika percepatan gravitasi bumi 10 m/s², berapa besar energi potensial bendanya?

Penyelesaian :

Diketahui :

m = 3 kg

g = 10 m/s²

h = 5 m

Ditanya : EP = ?

Jawab :

EP = m g h = 3. 10. 5 = 150 joule

Perubahan Energi 

Energi listrik baru berguna saat berubah menjadi bentuk energi lain. Misalnya pada lampu terjadi perubahan energi dari energi listrik menjadi energi cahaya. Contoh Perubahan energi yang lain :

1. Energi listrik menjadi energi gerak pada mixer dan kipas angin
2. Energi listrik menjadi energi panas pada setrika dan solder
3. Energi potensial menjadi energi kinetik pada gerak jatuh bebas
4. Energi kimia menjadi energi listrik pada baterai atau aki

setrika listrik mengubah energi listrik menjadi energi panas

kipas angin mengubah energi listrik menjadi energi gerak

Pada ayunan terjadi perubahan energi potensial menjadi kinetik (saat di atas)  dan terjadi perubahan energi kinetik menjadi energi potensial (saat di bawah

Hukum Kekekalan Energi

Dari penjelasan di atas mengenai perubahan energi dapat dituliskan suatu hukum, yaitu hukum kekekalan energi yang berbunyi sebagai berikut.

"Energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan, energi hanya berubah dari satu bentuk ke bentuk yang lain"

Contoh pada gerak jatuh bebas

Benda jatuh bebas

Pada gerak jatuh bebas terjadi perubahan energi potensial menjadi energi kinetik. Energi potensial berkurang, energi kinetik bertambah tetapi energi mekanik tetap. 

 

Berikut penjelasannya.

Benda mula-mula diam (kecepatan = 0) sehingga energi kinetiknya sama dengan nol.

Selanjutnya benda makin lama-makin cepat (energi kinetik bertambah) dan semakin ke bawah (energi potensial berkurang). Dan saat mencapai tanah mengalami kecepatan maksimal (energi kinetik terbesar) dan ketinggian nol (energi potensialnya  juga nol).

Yang perlu diperhatikan di sini adalah energi mekanik pada tiap posisi bernilai tetap, yang disebut juga sebagai hukum kekekalan energi mekanik.

Referensi :
Kanginan, Marthen. Sains Fisika 1 B untuk Siswa Kelas VII. Jakarta : Erlangga

Foster, Bob. 2004. Eksplorasi Sains Fisika untuk SMP kelas VII. Erlangga : Jakarta

Purwanto, Budi. 2007. Sains Fisika 2 Konsep dan Penerapannya untuk Kelas VIII SMP dan Mts. Solo : Tiga Serangkai

Sumber Foto :

http://rosyidkusrahmadi.files.wordpress.com/2011/01/matahari.png?w=300&h=180h
http://w21.indonetwork.co.id/pdimage/04/1969904_strika.jpg
https://blogger.googleusercontent.com/img/b/R29vZ2xl/AVvXsEjMEDToeK4qhFVTEGwAjVICfT5HzDoOnUv16AlH05x2nV8j4gYuol8569JWvve7HLwAKzZD0LJrVYU74yZ3-16JcnJInUF5kTNNqrlc5fzgKccmM6JjpxqBJ2bodcGs1OtmwU2phQEW4srK/s1600/ayun.jpg
http://tokokomputer007.com/wp-content/uploads/2009/10/kipas.jpg

Usaha

Seorang anak mendorong lemari yang sangat berat. Sekuat apapun dorongan anak itu, ternyata lemari tidak bergeser. Apakah anak tersebut dikatakan telah berusaha atau melakukan usaha?
Dalam kehidupan sehari-hari anak tersebut dikatakan telah melakukan usaha, artinya anak tersebut telah melakukan suatu tugas atau pekerjaan.

Pengertian usaha berbeda dalam kehidupan sehari-hari berbeda dengan pengertian usaha dalam fisika.
Dalam Fisika, usaha didefinisikan sebagai hasil kali antara gaya dan perpindahan. Jadi, misalkan ada seseorang yang mendorong meja tapi meja tersebut belum bergeser, dikatakan orang tersebut belum melakukan usaha.

Secara matematis, hubungan antara usaha, gaya, dan perpindahan dapat dirumuskan

W = F s

W = usaha (Joule atau kg m²/s²)
F = gaya (Newton)
s = perpindahan (m)

Yang perlu diperhatikan di sini adalah perpindahan benda haruslah searah dengan gaya yang diberikan pada benda.

Seorang anak membawa kotak mainan

Contoh seorang anak kecil yang membawa kotak mainannya seperti pada gambar dikatakan tidak melakukan usaha. Karena arah gaya otot tangannya tegak lurus dengan arah perpindahannya. Arah otot arahnya ke atas, sedangkan perpindahan bebannya ke depan.
Anak tersebut baru dikatakan melakukan usaha ketika dia menurunkan beban tersebut atau saat mengangkat beban. Pada saat mengangkat atau menurunkan bebannya, arah gaya searah dengan arah perpindahannya (vertikal).



Contoh :
1.Sebuah kotak kayu yang terletak di lantai datar didorong dengan gaya 20 N sehingga kotak bergeser sejauh 5 m.
Berapa usaha yang dilakukan oleh gaya tersebut?

Penyelesaian :
Diketahui :
F = 20 N
s = 5 m
Ditanya    :
W = ?
Jawab :
W  = F s
W  = 20 . 5 = 100 J

2. Andi dan Budi mendorong sebuah meja. Andi mendororong  ke kanan dengan gaya 400 N dan Budi mendorong ke kiri dengan
gaya 300 N sehingga meja bergeser ke kanan sejauh 2 m. Berapa usaha yang dilakukan?

Penyelesaian :
Diketahui :
F_A = 400 N ke kanan
F_B = 300 N ke kiri
s  = 2 m
Ditanya     : W = ?
Jawab :
W = (F_A - F_B) . s
  = (400 - 300). 2
  = 100 . 2 = 200 J

Referensi 

Purwanto, Budi. 2007. Sains Fisika 2 Konsep dan Penerapannya untuk Kelas VIII SMP dan Mts. Solo : Tiga Serangkai
Kanginan, Marthen. Sains Fisika 1 B untuk Siswa Kelas VII. Jakarta : Erlangga
http://farm4.static.flickr.com/3018/2614545256_0d98505b8c_m.jpg

Daya

Menaiki tangga

Misalnya Seorang anak yang memiliki massa 50 kg menaiki tangga setinggi 5 meter membutuhkan waktu b sekon. Sehingga usaha yang dilakukannya adalah
W = m . g. h = 50. 10. 5 = 2500 J
Seorang anak lain yang mempunyai massa yang sama menaiki tangga tersebut dan membutuhkan waktu 10 sekon. Usaha keduanya bernilai sama yaitu 2500 J yang tidak tergantung pada waktu yang dibutuhkan. Untuk membedakan waktu yang dibutuhkan suatu benda dalam melakukan perpindahan diperlukan besaran daya .
Daya didefinisikan sebagai usaha yang dilakukan oleh benda setiap detik. Daya ini berhubungan dengan kecepatan dalam melakukan usaha.
Daya dapat dirumuskan dengan :

P = daya (watt)
W = usaha (joule)
t = waktu (sekon)


Contoh :
Seorang anak menaiki tangga setinggi 3 meter membutuhkan waktu 5 sekon. Jika massa anak tersebut 50 kg, maka dibutuhkan usaha sebesar :
W = m g h = 50. 10. 3 = 1500 Joule.
Jika membutuhkan waktu 5 sekon maka dayanya :






Jika suatu saat anak tersebut sakit, sehingga untuk menaiki tangga tersebut membutuhkan waktu lebih panjang, misalnya 10 sekon (dengan menganggap massa anak tesebut masih sama).
Sehingga dayanya :

Dari contoh tersebut dapat diambil kesimpulan bahwa jika waktu yang diperlukan oleh anak tersebut untuk melakukan suatu usaha lebih sedikit maka dikatakan anak tersebut mempunyai daya yang lebih besar.
Sehingga, daya dapat didefinisikan sebagai kecepatan untuk melakukan usaha, dan dirumuskan dengan :

v = kecepatan (m/s)


Selain dalam watt atau kilowatt, satuan daya yang lain dapat dinyatakan dalam bentuk daya kuda (horse power = hp), dengan 1 hp = 746 watt.

Referensi :

Purwanto, Budi. 2007. Sains Fisika 2 Konsep dan Penerapannya untuk Kelas VIII SMP dan Mts. Solo : Tiga Serangkai
Kanginan, Marthen. Sains Fisika 1 B untuk Siswa Kelas VII. Jakarta : Erlangga
http://inikian.files.wordpress.com/2009/08/naik-tangga.jpg?w=300&h=240