ENERGI, USAHA DAN DAYA (2)

 

Usaha dan Daya

 

Secara umum, kata usaha/kerja digunakan untuk menjelaskan aktivitas yang berbeda, fisik dan mental, yang dilakukan orang sehari-hari. Dalam fisika, kerja secara spesifik adalah gerakan dan perpindahan yang menghasilkan sebuah gaya.

 Kerja dikatakan sudah dilakukan ketika gaya menghasilkan gerakan.

Kerja (Usaha)  =  Gaya x jarak perpindahan yang searah gaya

W    =    F x  d

Kerja merupakan besaran skalar. Satuan usaha dalam SI adalah joule (J).

Satu joule usaha telah dilakukan bila sebuah gaya satu newton memindahkan sebuah benda melalui jarak satu meter yang searah gaya.

            Kamu sudah mengetahui bahwa energi dan usaha diukur dalam joule.Ketika kita melakukan usaha , energi digunakan. Jumlah kerja yang dilakukan adalah energi yang ditransfer atau digunakan.

Definisi kerja mengatakan kepada kita bahwa tidak ada kerja yang dilakukan kecuali sebuah gaya menyebabkan sebuah benda berpindah. Dengan kata lain, jika tidak ada perpindahan yang terlihat, tidak ada kerja yang dilakukan. Atlet angkat besi pada gambar di atas, sudah melakukan kerja ketika ia mengangkat beban dari tanah. Tapi, ketika ia berdiri dan menahan beban,dia tidak melakukan kerja meskipun terlihat payah menahan beban.

 

Menurut kamu pemain gitar Alibata, apakah melakukan kerja, bagaimana proses usahanya sampai dia menghasilkan energi bunyi di gitarnya, coba jelaskan bro !

Tabel berikut memperlihatkan jenis-jenis nilai usaha untuk kegiatan usaha yang berbeda.

Kegiatan	Gaya	Jarak tempuh	Usaha yang dilakukan
Membuka Laci	10 N	0,2 m	2 J
Menutup Pintu	15 N	1,0 m	15 J
Mengangkat Tas	30 N	0,5 m	15 J
Melempar Bola	10 N	5,0 m	50 J
Menaiki tangga	500 N	4,0 m	2000 J

 

Contoh 1

Berapa kerja yang dilakukan ketika sebuah kotak didorong dengan gaya 20 N melewati jarak horizontal 3,0 m (perhatikan gambar) ?

Solusi :

Kerja yang dilakukan  =   F  x  d

                                    =  20 N  x  3,0 m

                                    =  60  J

Contoh 2

Sebuah balok kayu ditempatkan pada bidang permukaan yang kasar. Jika gesekan antara balok dengan bidang datar 6 N, berapa kerja yang dilakukan untuk memindahkan balok melalui jarak 1,5 m ?

Solusi :

Gaya yang dibutuhkan untuk memindahkan balok = Gaya yang dibutuhkan untuk mengatasi gesekan  =  6 N

Usaha yang dilakukan   =  F  x  d

                                       =  6 N  x  1,5 m

                                       =  9,0 J

Contoh 3 :

Seorang siswa mengangkat sebuah kotak yang beratnya 50 N melewati ketinggian vertikal 1,1 m lalu berjalan horizontal 2 m pada kelajuan konstan pada saat memegang kotak (lihat gambar). Berapa kerja yang dilakukan siswa ?

Solusi :

Gaya yang dibutuhkan untuk mengangkat balok = Berat kotak =  50 N

Kerja yang dilakukan = F  x  d

                               = 50 N x 1,1 m

                                                                           = 55 J

Untuk gerak horizontal, karena tidak ada percepatan, gaya horizontalnya nol. Usaha yang dilakukan kearah horizontal sama dengan nol

Kerja total yang sudah dilakukan = 55 J.

Daya

Sebuah mobil dengan daya penuh dapat dipercepat daripada mobil yang tanpa daya penuh. Dengan kata lain, mobil dengan daya penuh dapat bekerja lebih baik dalam energi kinetik umumnya, pada kelajuan yang lebih cepat.

Daya didefinisikan sebagai kelajuan dalam melakukan kerja

Ini sama saja dengan kelajuan perubahan energi dari satu bentuk ke bentuk lainnya.

Satuan SI untuk daya adalah watt (W). satu watt sama dengan satu joule per sekon (1 W = 1 Js^-1)

Kadang-kadang kita mendengar orang berbicara tentang membeli AC dengan spesifikasi : satu daya kuda, dua daya kuda, dan seterusnya. Kata ”Daya Kuda” digunakan sebelum satuan SI dikenalkan. Satu daya kuda (1 horse power = 1 hp) sama dengan 750 W. Tabel berikut memperlihatkan beberapa jenis nilai daya.

Sumber	Daya
Radio Bola lampu menyala Atlit berlari Mesin mobil Mesin lorri Mesin pesawat jet Stasiun Daya	3 W 60 W 400 W 50 kW 200 kW 500 kW 2000 MW

                                                                  

 

 

 

 

 

 

 

 

Salah satu cara untuk menghitung daya yang kita miliki adalah dengan menghitungnya ketika kamu menaiki tangga (lihat gambar). Untuk menghitungnya, kamu harus mengetahui berat badanmu dan tinggi tangga. Hasilnya bisa kamu lihat dari contoh berikut.

 

 

 

 

 Contoh 1 :

Seorang anak mempunyai berat 500 N dan dapat berlari menaiki tangga dalam waktu 10 detik. Terdapat 30 tangga dan setiap tangga tingginya 16 cm. Hitung daya anak itu !

Solusi :

Jarak vertikal yang harus dinaiki  =  30 x 0,16 m

                                                      =  4,8 m

Kerja yang dilakukan  =  Gaya x jarak perpindahan

                                    = 500 N x 4,8 m

                                    = 2400 J

 

 

Contoh 2 :

Sebuah lift di pertokoan dapat naik maksimum dengan kapasitas 20 orang , dan dapat naik setinggi 10 m dalam waktu 8 detik.. Lift tsb dan total penumpangnya mempunyai massa 1600 kg. Berapa daya dari motor lift itu ?

Solusi :

Gaya yang dipakai lift = m.g

                                     = 1600 kg x 10 N kg^-1

                                     = 16 000 N

Usaha  =  Gaya x Jarak

            =  16 000 N x 10 m

            =  160 000 J

 

Kegiatan Kelompok (jangan > 5 orang , kan lagi pandemi):

Energi pada Ayunan Sederhana.

Bayangkan kamu sedang bermain ayunan. Apa yang tejadi bila temanmu menghentikanmu dengan cara menahan tali ayunan di tengah-tengah,  ketika kamu melewati titik terendah ? Apakah kamu langsung berhenti atau masih bergerak sampai kamu mencapai ketinggian maksimum ?

Alat dan Bahan :

-          Sebuah pendulum

-          benang wol ( 1 m)

-          penggaris

-          kertas grafik

-          Batang statif vertikal dan penjepit

-          Klem penjepit ke batang, yang panjangnya 30 cm

Membuat Hipotesa :

Pelajari gambar di samping.Bagaimana situasi gambar tersebut dengan penjelasan ayunan yang kamu naiki ? Buatlah hipotesa tentang apa yang terjadi pada gerakan ayunan dan tinggi akhirnya jika suatu penghalang menghentikan ayunan ini.

Tujuan :

1. Buatlah ayunan untuk membandingkan perubahan energi potensial

    dan energi kinetik ketika  ayunan berhenti.

2. Ukur tinggi awal dan tinggi akhir dari pendulum atau beban.

Perencanaan Eksperimen.

1. Setiap kelompok, menuliskan hipotesa , tentukan langkah-langkah

    yang kamu butuhkan. Buat  secara terperinci. Buat juga daftar

    kebutuhan yang kamu perlukan.

2. Jika kamu membutuhkan tabel data, rencanakan dalam buku ipa mu

Langkah Kerja :

1. Rangkai peralatan seperti gambar. Pastikan batang

    penghalang menghalangi tali ayunan.

2. Cari cara untuk mengukur ketinggian awal dan akhir dari

    pendulum. Catat tinggi awal dan tinggi akhir di dalam tabel

3. Pastikan kapan  kamu melepaskan beban dari ketinggian yang

    sama.

4. Cobalah ayunan pertama baik di atas atau di bawah batang  penghalang. Berapa kali kamu mengulangi setiap ayunan untuk memperoleh hasil yang lebih baik?

5. Pastikan guru kamu setuju dengan rencanamu dan kamu memiliki catatan perubahan yang disarankan dalam rencanamu.

Melakukan Eksperimen :

1. Lakukan eksperimen sesuai rencana

2. Pada saat eksperimen, catat hasil observasimu dalam tabel.

Analisis dan Aplikasi :

1. Pada saat pendulum lepas dari ketinggian yang sama dari penghalang, apakah tinggi akhir sama dengan tinggi awalnya ?  Diskusikan penemuan ini dengan menjelaskannya mengapa bisa terjadi atau tidak terjadi .

2. Prediksikan apa yang terjadi jika tinggi mula-mula lebih atas dari penghalang ?

3. Analisa perubahan energinya. Pada posisi yang mana pendulum memiliki energi kinetik terbesar atau energi potensial terbesar?

Langkah berikutnya :

Apa yang akan terjadi jika massa pendulum/beban ditambah ? Coba  lakukan

eksperimennya. Apa efeknya  jika massa beban  bertambah , apakah

ayunannya berhenti atau berkurang ?

Kalau memungkinkan, dibuat video presentasimu ya...

 

 Evaluasi :

I. Pilihan Ganda

1. Kemampuan untuk melakukan usaha disebut ....

    a. daya         b. energi           c. gaya             d. kerja

2. Satuan energi dalam SI adalah . . . .

    a. dyne                    c. newton

    b. joule                    d. watt

3. Energi yang dimiliki benda karena posisinya disebut energi ....

    a. potensial              b. kinetik             c. mekanik               d. termal

4. Ketika sebuah pegas direntangkan dengan tangan kemudian dilepas kembali, maka perubahan energi yang terjadi adalah….
a. Energi mekanik menjadi energi kinetik
b. Energi potensial menjadi energi kinetik
c. Energi kinetik menjadi potensial
d. Energi mekanik menjadi energi potensial

5. Perhatikan gambar!

Sebuah mobil yang menggunakan aki sebagai sumber energi sedang melaju. Urutan perubahan energi yang terjadi pada mobil adalah....
a. energi gerak → energi bunyi → energi listrik
b. energi gerak → energi listrik → energi panas
c. energi kimia → energi panas → energi listrik
d. energi kimia → energi listrik → energi gerak
Sumber soal : Soal UN Fisika SMP 2009

6.  Perhatikan gambar rangkaian bola lampu senter!

Perubahan energi yang terjadi pada saat bola lampu menyala adalah….

a. Energi kimia-->energi kalor-->energi listrik+cahaya
b. Energi listrik-->energi kimia-->energi cahaya+energi kalor
c. Energi listrik-->energi kimia-->energi kalor + energi cahaya
d. Energi kimia-->energi listrik-->energi cahaya+energi kalor
Sumber soal : Soal UN Fisika SMP 2010

7. Peristiwa yang menggambarkan perubahan energi potensial pegas menjadi energi kinetik adalah....
a.buah mangga jatuh dari pohonnya
b. busur yang direntangkan melepaskan anak panah
c. lampu yang dinyalakan dengan baterai
d. aki yang sedang diisi

8. Pada saat pemakaian aki terjadi perubahan energi ....
a. kimia menjadi listrik
b. listrik menjadi kimia
c. kimia menjadi panas
d. panas menjadi kimia

9. Pada saat pengisian aki terjadi perubahan energi ....
a. kimia menjadi listrik
b. listrik menjadi kimia
c. kimia menjadi panas
d. panas menjadi kimia

10. Perhatikan gambar! Sopir sedan ingin memarkir mobilnya tepat 0,5 m di depan mobil truk yang mula-mula berjarak 10 m dari kedudukan sedan. Berapa usaha yang diperlukan

oleh mobil sedan tersebut?

a. 525 J
b. 500 J
c. 495 J
d. 475 J
Sumber soal : Soal UN Fisika SMP

11. Perhatikan gambar! Besarnya usaha yang dilakukan oleh Andi dan Toni agar mobil bisa berpindah sejauh 4 meter jika gaya kedua anak itu masing-masing 50 N dan 70 N adalah....

a. 80 joule
b. 200 joule
c. 280 joule
d. 480 joule
Sumber soal : Soal UN Fisika SMP

12. Seorang sopir menarik mobil yang mogok seperti pada gambar, sehingga mobil tersebut berpindah sejauh 1000 cm. Besarnya usaha adalah....

a. 250 joule
b. 1.000 joule
c. 2.500 joule
d. 250.000 joule
Sumber soal : Soal UN Fisika SMP

13.   Sebuah kotak mendapatkan gaya ke kanan sebesar 36 Newton dan mendapat ke kiri sebesar X Newton sehingga kotak bergeser ke kanan sejauh 5 meter. Jika usaha total yang bekerja pada kotak adalah 120 joule, maka nilai X adalah....
a. 6
b. 8
c. 9
d. 12
Sumber soal : Try out online Fisika usaha dan energi Fisikastudycenter.com

14.   Sebuah balok bermassa 2 kg meluncur pada lantai yang licin. Jika kelajuan balok adalah 10 m/s, maka energi kinetik balok adalah....
a. 5 joule
b. 8 joule
c. 20 joule
d. 100 joule
Sumber soal : Try out online Fisika usaha dan energi Fisikastudycenter.com

15.  Buah kelapa yang bermassa 2 kg tergantung pada pohon yang tingginya 8 m. Jika percepatan gravitasi bumi adalah 10 m/s², maka energi potensial buah kelapa adalah....
a. 20 joule
b. 80 joule
c. 160 joule
d. 220 joule
Sumber soal : Try out online Fisika usaha dan energi Fisikastudycenter.com

16. Seorang anak mendorong tembok, usaha yang dilakukan anak tersebut adalah . . . .

      a. tetap                              c. 0

      b. berubah-ubah                d. 0,6 J

17. Sebuah peluru bermassa 0,01 kg ditembakkan dengan kelajuan 200 m/s.

     Energi kinetik peluru adalah ....

     a. 4 Joule

     b. 200 Joule

     c. 400 Joule

     d. 800 Joule

18. Sebuah benda 1 kg berada pada ketinggian 70 m. Percepatan gravitasi di tempat itu adalah  10 m/s². Energi potensial benda tersebut adalah ....

      a. 0,7 Joule

      b. 7,0 Joule

      c. 70,0 Joule

     d. 700,0 Joule

19. Aji  melakukan usaha untuk mengangkat karung semen sebesar 250 J dalam  waktu 100 sekon. Besar daya Andi adalah . . . .

     a. 1 watt                             c. 2 watt

     b. 1,5 watt                          d. 2,5 watt

20. Sebuah mobil  bermassa 100 kg berubah kelajuannya dari 50 m/s menjadi 60 m/s dalam waktu 5 sekon menempuh jarak 200 m. Besar usaha yang dilakukan adalah ....

     a. 2 × 10⁴ Joule

     b. 4 × 10⁴ Joule

     c. 6 × 10⁴ Joule

     d. 8 × 10⁴ Joule

21. Satuan daya adalah ....

      a. watt                   c. Nm

      b. Joule                  d. N

22. Energi yang diserap lampu pijar selama 100 sekon adalah 1500 J. Daya lampu pijar itu adalah.....

       a. 1500 watt                     c. 100 watt

       b. 1400 watt                     d. 15 watt

23. Dua orang anak sedang melakukan lomba tarik tambang. Gaya A 200 N kekanan dan B 175 N kekiri. Kedua anak bergeser 3 meter, maka besarnya usaha yang dilakukan adalah..............Joule.

      a. 373                    b.200               c. 175              d.75

24.  Sebuah bolam lampu dengan daya 600 watt, mampu menghasilkan energi sebesar 300 J. Lama bolam lampu menyala adalah...........

       a. 0, 5 sekon         b. 240 sekon                c.360 sekon                 d.18000 sekon

25. Seekor burung dengan massa 10 kg terbang dengan kelajuan 8 m s^-1 . Berapa energi kinetiknya ?

      a. 40 J        b. 80 J              c. 320 J            d. 640 J

26. Sebuah generator yang portabel menggunakan bensin sebagai bahan bakarnya, digunakan untuk menyalakan lampu. Yang mana dari berikut ini merupakan perubahan energi selam proses berlangsung ?

      a. kinetik       ->    kimia      ->  listrik     ->     cahaya

      b. kimia       ->     kinetik   ->   listrik     ->     cahaya

      c. listrik       ->      kimia   ->        kinetik   ->     cahaya

      d. kimia       ->      listrik   ->        kinetik   ->     cahaya

27. Sebuah balok yang massanya 5 kg lepas dari ketinggian 4 m pada permukaan bidang miring tanpa gesekan. Jarak yang ditempuh 10 m. Berapa energi kinetik balok di dasar bidang miring ?

       

        a. 20 J          b. 50 J          c. 200 J            d. 500 J                                                     

    

28. Sebuah gaya 30 N bekerja pada sebuah benda sehingga benda bergerak dengan kecepatan tetap 3 m/s sepanjang permukaan horizontal. Daya yang terjadi adalah

a. 90 W

b. 33 W

c. 27 W

d. 10 W

29. Sebuah bola dilepaskan dari keadaan diam dari samping rel berbentuk  kurva seperti terlihat pada gambar. Hambatan udara dan gesekan diabaikan, yang mana dari pernyataan berikut ini, yang benar ?

I. Kecepatan bola di C sama dengan di A

II. Bola mempunyai energi potensial

     maksimum di B

III. Bola tidak akan mencapai ketinggian di       D

a. hanya III

b. I dan III

c. II dan III

d. I, II dan III

30. Sebuah mobil berjalan sepanjang trek tanpa gesekan dari sebuah roller coaster. Pada titik yang mana mobil mencapai kecepatan maksimum ?

         

a. A                    b. B                 c. C                  d. D

 

II. Isilah

1. Energi didefinisikan sebagai .........................................................................

2. Tidak semua energi dapat langsung digunakan, sehingga pemanfaatan energi menggunakan konsep ...............................

3. Energi mekanik adalah energi yang dimiliki suatu benda berkaitan dengan ...................... Energi mekanik terdiri dari .............................. dan .........................................

4. Energi potensial adalah energi yang disebabkan oleh ...........................dengan rumus....................

5.Energi kinetik adalah energi yang dimiliki benda karena kelajuannya. Rumusnya ......................

6.Hukum kekekalan energi menyatakan bahwa energi tidak dapat ......................................atau ................................., melainkan hanya dapat diubah dari suatu bentuk ke bentuk lain.

7.Usaha adalah perkalian antara gaya yang bekerja dengan besarnya ..................................Dalam kaitannya dengan energi, usaha merupakan ......................................

8. Daya adalah besarnya...........................atau perubahan .....................yang terjadi tiap satuan waktu.

9.Daya sebuah lampu adalah 40 W. Energi pada lampu selama 2 menit

   adalah......................J

10.Seorang anak perempuan dengan massa 50 kg lari menaiki tangga setinggi 8 meter. Waktu yang ia perlukan 20 detik. Maka daya yang ia miliki................W

 

III. Essay

1. Apa yang dimaksud dengan energi-energi berikut ini?

a. energi mekanik

b. energi potensial

c. energi kinetik

2. Jelaskan pengaruh massa dan ketinggian pada energi potensial suatu benda!

3. Jelaskan pengaruh massa dan kecepatan pada energi kinetik!

4. Sebuah benda dijatuhkan tanpa kecepatan awal dari ketinggian 70 m. Ketika ketinggian benda 10 m, hitunglah kecepatan benda pada saat itu!

5. Tuliskan contoh-contoh dalam kehidupan sehari-hari yang menunjukkan bahwa energi  tidak hilang, tetapi berubah menjadi bentuk energi lain!

6. Apa yang dimaksud usaha?

7. Tuliskan contoh kejadian-kejadian dalam sehari-sehari yang sering dianggap sebagai usaha, tetapi bukan merupakan usaha dalam IPA!

8. Bagaimana hubungan antara usaha, gaya, dan perpindahan?

9. Seorang anak menarik meja  bermassa 12 kg sejauh 4 m. Hitunglah usaha yang diberikan  anak itu!

10.Sebuah benda yang sedang bergerak mempunyai energi kinetik 500 Joule. Benda tersebut dipercepat hingga energi kinetiknya 800 Joule. Hitunglah usaha yang dilakukan benda tersebut!

 

 Silahkan soal-soalnya dicicipi dulu....