Fisika SMA Kelas Xi Bab 4 Energi, Usaha Dan Daya

Drs. Pristiadi Utomo, M.Pd.

BAB 5 Drs. Pristiadi Utomo, M.Pd. BAB 5 ENERGI, USAHA, DAN DAYA STANDAR KOMPETENSI : Menganalisis gejala alam dan keteraturannya dalam cakupan mekanika benda titik KOMPETENSI DASAR • Setelah pembelajaran, kamu dapat menganalisis hubungan antara usaha, perubahan energi dengan hukum kekekalan energi mekanik • Setelah pembelajaran, kamu dapat menerapkan hukum kekekalan energi mekanik untuk menganalisis gerak dalam kehidupan sehari-hari

•

Sepeda motor memerlukan bahan bakar bensin untuk dapat bergerak di jalan. Setelah mesin dihidupkan gaya mesin mendorong sepeda motor bergerak. Selama berpindah tempat dikatakan sepeda motor melakukan usaha. Usaha sepeda motor adalah perubahan energi kinetik yang dilakukan sepeda motor. Busur yang terentang mengandung energi potensial. Ketika anak panah dilepaskan, energi potensial tersebut berubah menjadi energi kinetik yang dipakai anak panah untuk bergerak. Hukum kekekalan energi mekanik dipenuhi oleh anak panah selama bergerak. Energi dan usaha adalah besaran yang belum terukur waktunya. Daya sudah menyertakan kuantitas waktu karena daya adalah energi tiap satuan waktu.


1

Drs. Pristiadi Utomo, M.Pd. Gerbang Tujuan mempelajari usaha dan energi adalah agar kalian dapat membedakan konsep energi, usaha, dan daya serta mampu mencari hubungan antara usaha dan perubahan energi, sehingga dapat bermanfaat bagi kehidupan sehari-hari.

Matahari sebagai sumber energi utama sangat dibutuhkan bagi segala kehidupan di bumi. Energi matahari dapat ditangkap secara langsung oleh solar sel. Aliran konveksi udara dapat menyebabkan angin yang dapat memutarkan kincir angin. Energi putaran kincir dapat dimanfaatkan untuk memutar mesin-mesin penggilingan atau bahkan turbin pembangkit listrik. Di Indonesia yang kaya akan gunung api dapat memanfaatkan energi panas bumi (geotermal) yang melimpah untuk mencukupi kebutuhan energinya .


2


A.

Usaha Perhatikanlah gambar orang yang sedang menarik balok sejaruh d meter! Orang

tersebut dikatakan telah melakukan kerja atau usaha. Namun perhatikan pula orang yang mendorong dinding tembok dengan sekuat tenaga. Orang yang mendorong dinding tembok dikatakan tidak melakukan usaha atau kerja. Meskipun orang tersebut mengeluarkan gaya tekan yang sangat besar, namun karena tidak terdapat perpindahan kedudukan dari tembok, maka orang tersebut dikatakan tidak melakukan kerja.

Gambar: Usaha akan bernilai bila ada perpindahan

Kata kerja memiliki berbagai arti dalam bahasa sehari-hari, namun dalam fisika kata kerja diberi arti yang spesifik untuk mendeskripsikan apa yang dihasilkan gaya ketika gaya itu bekerja pada suatu benda. Kata ’kerja’ dalam fisika disamakan dengan kata usaha. Kerja atau Usaha secara spesifik dapat juga didefinisikan sebagai hasil kali besar perpindahan dengan komponen gaya yang sejajar dengan perpindahan. Jika suatu gaya F menyebabkan perpindahan sejauh s, maka gaya F melakukan usaha sebesar W, yaitu F α

x

F cos α

s Persamaan usaha dapat dirumuskan sebagai berikut. W = ΣF . s W

= usaha (joule)

F

= gaya yang sejajar dengan perpindahan (N)

s

= perpindahan (m)


3


Jika suatu benda melakukan perpindahan sejajar bidang horisontal, namun gaya yang diberikan

membentuk

sudut

α

terhadap

perpindahan, maka besar usaha yang dikerjakan pada benda adalah : W = F . cos α . s Kerja Mandiri 1. Sebuah benda meluncur di atas papan kasar sejauh 5 m, mendapat perlawanan gesekan dengan papan sebesar 180 newton. Berapa besarnya usaha dilakukan oleh benda tersebut. 2. Gaya besarnya 60 newton bekerja pada sebuah gaya. Arah gaya membentuk sudut 30o dengan bidang horizontal. Jika benda berpindah sejauh 50 m. Berapa besarnya usaha ? Lalu bagaimana menentukan besarnya usaha, jika gaya yang diberikan tidak teratur. Sebagai misal, saat 5 sekon pertama, gaya yang diberikan pada suatu benda membesar dari 2 N menjadi 8 N, sehingga benda berpindah kedudukan dari 3 m menjadi 12 m. Untuk menentukan kerja yang dilakukan oleh gaya yang tidak teratur, maka kita gambarkan gaya yang sejajar dengan perpindahan sebagai fungsi jarak s. Kita bagi jarak menjadi segmen-segmen kecil ∆s. Untuk setiap segmen, rata-rata gaya ditunjukkan dari garis putus-putus. Kemudian usaha yang dilakukan merupakan luas persegi panjang dengan lebar ∆s dan tinggi atau panjang F. Jika kita membagi lagi jarak menjadi lebih banyak segmen, ∆s dapat lebih kecil dan perkiraan kita mengenai kerja yang dilakukan bisa lebih akurat. Pada limit ∆s mendekati nol, luas total dari banyak persegi panjang kecil tersebut mendekati luas dibawah kurva. Jadi usaha yang dilakukan oleh gaya yang

tidak

beraturan

pada

waktu

memindahkan sebuah benda antara dua titik sama dengan luas daerah di bawah kurva. Pada contoh di samping : W = ½ . alas . tinggi W = ½ . ( 12 – 3 ) . ( 8 – 2 ) W = 27 joule


4

Drs. Pristiadi Utomo, M.Pd. Kerja Kelompok Lakukan diskusi tentang besar usaha yang dilakukan suatu benda, jika lintasan tempuh yang dilakukan benda berbeda-beda! Buatlah argumen yang dapat menunjukkan alasanalasan yang dikemukaan, baik dalam bentuk narasi maupun dalam bentuk diagram dan gambar!

B.

Energi Energi merupakan salah satu konsep yang penting dalam sains. Meski energi tidak

dapat diberikan sebagai suatu definisi umum yang sederhana dalam beberapa kata saja, namun secara tradisional, energi dapat diartikan sebagai suatu kemampuan untuk melakukan usaha atau kerja. Untuk sementara suatu pengertian kuantitas energi yang setara dengan massa suatu benda kita abaikan terlebih dahulu, karena pada bab ini, hanya akan dibicarakan energi dalam cakupan mekanika klasik dalam sistem diskrit. Cobalah kalian sebutkan beberapa jenis energi yang kamu kenal ! Apakah energienergi yang kalian kenal bersifat kekal, artinya ia tetap ada namun dapat berubah wujud ? Jelaskanlah salah satu bentuk energi yang kalian kenali dalam melakukan suatu usaha atau gerak! Beberapa energi yang akan dibahas dalam bab ini adalah sebagai berikut. 1.

Energi Potensial Energi potensial adalah energi yang berkaitan dengan kedudukan suatu benda

terhadap suatu titik acuan. Dengan demikian, titik acuan akan menjadi tolok ukur penentuan ketinggian suatu benda. Misalkan sebuah benda bermassa m digantung seperti di bawah ini.

m g

h

Energi potensial dinyatakan dalam persamaan: Ep = m . g . h Ep

= energi potensial (joule)

m

= massa (joule)

g

= percepatan gravitasi (m/s2)

h

= ketinggian terhadap titik acuan (m)


5

Drs. Pristiadi Utomo, M.Pd. Persamaan energi seperti di atas lebih tepat dikatakan sebagai energi potensial gravitasi. Di samping energi potensial gravitasi, juga terdapat energi potensial pegas yang mempunyai persamaan: Ep = ½ . k. ∆x2

atau Ep = ½ . F . ∆x

Ep =

energi potensial pegas (joule)

k

konstanta pegas (N/m)

=

∆x =

pertambahan panjang (m)

F =

gaya yang bekerja pada pegas

(N)

Gambar: Mobil mainan memanfaatkan energi pegas diubah menjadi energi kinetik

Di samping energi potensial pegas, juga dikenal energi potensial gravitasi Newton, yang berlaku untuk semua benda angkasa di jagad raya, yang dirumuskan: Ep = – G Ep

M .m r

= energi potensial gravitasi Newton (joule) selalu bernilai negatif. Hal ini menunjukkan bahwa untuk memindahkan suatu benda dari suatu posisi tertentu ke posisi lain yang jaraknya lebih jauh dari pusat planet diperlukan sejumlah energi (joule)

M

= massa planet (kg)

m

= massa benda (kg)

r

= jarak benda ke pusat planet (m)

G

= tetapan gravitasi universal = 6,672 x 10-11 N.m2/kg2

2.

Energi Kinetik


6

Drs. Pristiadi Utomo, M.Pd. Energi kinetik adalah energi yang berkaitan dengan gerakan suatu benda. Jadi, setiap benda yang bergerak, dikatakan memiliki energi kinetik. Meski gerak suatu benda dapat dilihat sebagai suatu sikap relatif, namun penentuan kerangka acuan dari gerak harus tetap dilakukan untuk menentukan gerak itu sendiri. Persamaan energi kinetik adalah : Ek = ½ m v2 Ek

= energi kinetik (joule)

m

= massa benda (kg)

v

= kecepatan gerak suatu benda (m/s)

Gambar: Energi kimia dari bahan bakar diubah menjadi energi kinetik oleh mobil

3.

Energi Mekanik Energi mekanik adalah energi total yang dimiliki benda, sehingga energi mekanik

dapat dinyatakan dalam sebuah persamaan: Em = Ep + Ek Energi mekanik sebagai energi total dari suatu benda bersifat kekal, tidak dapat dimusnahkan, namun dapat berubah wujud, sehingga berlakulah hukum kekekalan energi yang dirumuskan: Ep1 + Ek1 = Ep2 + Ek2 Mengingat suatu kerja atau usaha dapat terjadi manakala adanya sejumlah energi, maka perlu diketahui, bahwa berbagai bentuk perubahan energi berikut akan menghasilkan sejumlah usaha, yaitu: W =

F.s

W =

m g (h1 – h2)

W =

Ep1 – Ep2

W =

½ m v22 – ½ m v12

W =

½ F ∆x

W =

½ k ∆x2


7

Drs. Pristiadi Utomo, M.Pd. Keterangan : W

= usaha (joule)

F

= gaya (N)

m

= massa benda (kg)

g

= percepatan gravitasi (umumnya 10 m/s2 untuk di bumi, sedang untuk di planet lain dinyatakan dalam persamaan g = G

h1

= ketinggian awal (m)

h2

= ketinggian akhir (m)

v1

= kecepatan awal (m)

v2

= kecepatan akhir (m)

k

= konstanta pegas (N/m)

∆x

= pertambahan panjang (m)

M ) r2

Ep1 = energi potensial awal (joule) Ep2 = energi potensial akhir (joule) Dengan mengkombinasi persamaan-persamaan di atas, maka dapat ditentukan berbagai nilai yang berkaitan dengan energi. Di samping itu perlu pula dicatat tentang percobaan James Prescott Joule, yang menyatakan kesetaraan kalor – mekanik. Dari percobaannya Joule menemukan hubungan antara satuan SI joule dan kalori, yaitu : 1 kalori = 4,185 joule atau 1 joule = 0,24 kalor

Tugas Mandiri Carilah berbagai bentuk energi dan sumber-sumbernya beserta contoh-contohnya. Presentasikan di depan kelas beberapa bentuk energi yang ada di alam semesta. Kemukakan pula cara memanfaatkan energi tersebut dan uraikan kelebihan serta kekurangan dari bentuk energi yang kamu presentasikan!

C. Kaitan Antara Energi dan Usaha Teorema usaha-energi apabila dalam sistem hanya berlaku energi kinetik saja dapat ditentukan sebagai berikut. W = F.s W = m a.s W = ½ m.2as Karena v22 = v21 + 2as dan 2as = v22 - v21 maka W = ½ m (v22 - v21)


8

Drs. Pristiadi Utomo, M.Pd. W = ½ m v22 - ½ m v21 W = ∆Ek Sedangkan teorema kerja-energi apabila dalam sistem hanya berlaku energi potensial gravitasi saja dapat ditentukan sebagai berikut. W = ∆Ep W = mgh2 - mgh1 Sehingga dapat diberlakukan persamaan umum sebagai berikut; ∑ F . s = ∆Ek = ∆Ep Untuk berbagai kasus dengan beberapa gaya dapat ditentukan resultan gaya sebagai berikut. •

Pada bidang datar vo fk

S

- fk . s = ½ m (Vt2 – Vo2) vo

F α

fk

S F cos α - fk . s

•

= ½ m (Vt2 – Vo2)

Pada bidang miring

N

vo

S w sin α

fk α w

- w sin α - fk . s Drs. Pristiadi Utomo, M.Pd.

w cos α

= ½ m (Vt2 – Vo2) 9


F N

vo

β F cos β S

w sin α

fk

α w

(F cos β - w sin α - fk) . s

w cos α

= ½ m (Vt2 – Vo2)

Kerja Mandiri 1. Gaya besarnya 80 newton bekerja pada benda massanya 50 3 kg. Arah gaya membentuk sudut 30o dengan horizontal. Hitung kecepatan benda setelah berpindah sejauh 10 m.

D.

Daya Daya adalah kemampuan untuk mengubah suatu bentuk energi menjadi suatu

bentuk energi lain. Sebagai contoh, jika terdapat sebuah lampu 100 watt yang efisiensinya 100 %, maka tiap detik lampu tersebut akan mengubah 100 joule energi listrik yang memasuki lampu menjadi 100 joule energi cahaya. Semakin besar daya suatu alat, maka semakin besar kemampuan alat itu mengubah suatu bentuk energi menjadi bentuk energi lain. Kerja Kelompok Percobaan Tujuan: Menunjukkan adanya perubahan suatu bentuk energi menjadi energi lain. Metode pelaksanaan: Tempelkan sebuah pegas pada balok yang cukup besar, kemudian di ujung pegas diberi bola kecil. Semua benda di lantai, maka saat bola kecil ditarik dan kemudian dilepaskan, selidikilah perubahan energi apa saja yang terjadi dalam percobaan tersebut. Jika seluruh energi yang masuk diubah menjadi energi dalam bentuk lain, maka dikatakan efisiensi alat tersebut adalah 100 % dan besar daya dirumuskan: P = P

W t = daya (watt)


10

Drs. Pristiadi Utomo, M.Pd. W

= usaha (joule)

t

= waktu (s) Namun mengingat dalam kehidupan sehari-hari sukar ditemukan kondisi ideal,

maka dikenallah konsep efisiensi. Konsep efisiensi yaitu suatu perbandingan antara energi atau daya yang dihasilkan dibandingkan dengan usaha atau daya masukan. Efisiensi dirumuskan sebagai berikut. Wout x 100 % Win

η

=

η

= efisiensi (%)

atau

η =

Pout x 100 % Pin

Wout = usaha yang dihasilkan (joule) Win = usaha yang dimasukkan atau diperlukan (joule) Pout

= daya yang dihasilkan (watt)

Pin

= daya yang dimasukkan atau dibutuhkan (watt)

Kerja Mandiri Selesaiakan permasalahan berikut ini! Berilah gambaran singkat tentang ilustrasi berikut ini! Bergantung pada faktor apa sajakah usaha bangsa Mesir primitif dalam membengun piramid? Berapa daya yang dibutuhkan? Jelaskan pula efisiensinya!

F

∆x

F

Perhatikan contoh-contoh soal berikut! Contoh: 1) Sebuah balok bermassa 1 kg di atas lantai licin. Jika gaya mendatar 2 N digunakan untuk menarik balok, maka tentukan usaha yang dilakukan agar balok berpindah sejauh 3 m!


11

Drs. Pristiadi Utomo, M.Pd. Penyelesaian: W

=

W

=2 . 3

W

= 6 joule

F.s

2) Sebuah balok bermassa 5 kg di atas lantai licin ditarik gaya 4 N membentuk sudut 60° terhadap bidang horisontal. Jika balok berpindah sejauh 2 m, maka tentukan usaha yang dilakukan! Penyelesaian: W

= F . s . cos α

W

= 4 . 2 . cos 60°

W

= 4 joule

3) Sebuah benda diberi gaya dari 3 N hingga 8 N dalam 5 sekon. Jika benda mengalami perpindahan dari kedudukan 2 m hingga 10 m, seperti pada grafik, maka tentukan usaha yang dilakukan! Penyelesaian: Usaha = luas trapesium Usaha = jumlah garis sejajar x ½ . tinggi Usaha = ( 3 + 8 ) x ½ . ( 10 – 2 ) Usaha = 44 joule 4) Buah kelapa bermassa 2 kg berada pada ketinggian 8 m. Tentukan energi potensial yang dimilikibuah kelapa terhadap permukaan bumi! Penyelesaian: Ep = m . g . h Ep = 2 . 10 . 8 Ep = 160 N 5) Sebuah sepeda dan penumpangnya bermassa 100 kg. Jika kecepatan sepeda dan penumpannya 72 km/jam, tentukan energio kinetik yang dilakukan pemiliki sepeda! Penyelesaian: Ek = ½ . m . v2

( v = 72 km/jam = 72 x 1000 m / 3600s)

Ek = ½ . 100 . 202 Ek = 20.000 joule 6) Sebuah pegas dengan konstanta pegas 200 N/m diberi gaya sehingga meregang sejauh 10 cm. Tentukan energi potensial pegas yang dialami pegas tersebut! Penyelesaian: Ep = ½ . k . ∆x2


12

Drs. Pristiadi Utomo, M.Pd. Ep = ½ . 200 . 0,12 Ep = ½ joule 7) Suatu benda pada permukaan bumi menerima energi gravitasi Newton sebesar 10 joule. Tentukan energi potensial gravitasi Newton yang dialami benda pada ketinggian satu kali jari-jari bumi dari permukaan bumi! Penyelesaian: E p2 E p1 E p2 E p1 E p2 10

M .m r22 = M .m −G 2 r1 −G

= =

E p2 =

r12 r22 r12 (2r1 ) 2 10 = 2,5 joule 4

8) Buah kelapa 4 kg jatuh dari pohon setinggi 12,5 m. Tentukan kecepatan kelapa saat menyentuh tanah! Penyelesaian: Kelapa jatuh memiliki arti jatuh bebas, sehingga kecepatan awalnya nol. Saat jatuh di tanah berarti ketinggian tanah adalah nol, jadi: m.g.h1 + ½ . m v12 = m.g.h2 + ½ . m . v22 jika semua ruas dibagi dengan m maka diperoleh : g.h1 + ½ .v12 = g.h2 + ½ . v22 10.12,5 + ½ .02 = 10 . 0 + ½ .v22 125 + 0 = 0 + ½ v22 v2 =

250

v2 = 15,8 m/s


13

Drs. Pristiadi Utomo, M.Pd. 9) Sebuah benda jatuh dari ketinggian 4 m, kemudian melewati bidang lengkung seperempat lingkaran licin dengan jari-jari 2 m. Tentukan kecepatan saat lepas dari bidang lengkung tersebut! Penyelesaian : Bila bidang licin, maka sama saja dengan gerak jatuh bebas buah kelapa, lintasan dari gerak benda tidak perlu diperhatikan, sehingga diperoleh : m.g.h1 + ½ . m v12 = m.g.h2 + ½ . m . v22 g.h1 + ½ .v12 = g.h2 + ½ . v22 10.6 + ½ .02 = 10 . 0 + ½ .v22 60 + 0 = 0 + ½ v22 v2 = 120 v2 = 10,95 m/s 10) Sebuah mobil yang mula-mula diam, dipacu dalam 4 sekon, sehingga mempunyai kecepatan 108 km/jam. Jika massa mobil 500 kg, tentukan usaha yang dilakukan! Penyelesaian: Pada soal ini telah terdapat perubahan kecepatan pada mobil, yang berarti telah terjadi perubahan energi kinetiknya, sehingga usaha atau kerja yang dilakukan adalah : W

= ½ m v22 – ½ m v12

W

= ½ . 500 . 303 – ½ . 500 . 02

W

= 225.000 joule

( catatan : 108 km/jam = 30 m/s)

11) Tentukan usaha untuk mengangkat balok 10 kg dari permukaan tanah ke atas meja setinggi 1,5 m! Penyelesaian: Dalam hal ini telah terjadi perubahan kedudukan benda terhadap suatu titik acuan, yang berarti telah terdapat perubahan energi potensial gravitasi, sehingga berlaku persamaan: W

= m g (h1 – h2)

W

= 10 . 10 . (0 – 1,5)

W

= – 150 joule

Tanda (– ) berarti diperlukan sejumlah energi untuk mengangkat balok tersebut. 12) Sebuah air terjun setinggi 100 m, menumpahkan air melalui sebuah pipa dengan luas penampang 0,5 m2. Jika laju aliran air yang melalui pipa adalah 2 m/s, maka tentukan energi yang dihasilkan air terjun tiap detik yang dapat digunakan untuk menggerakkan turbin di dasar air terjun! Penyelesaian:


14

Drs. Pristiadi Utomo, M.Pd. Telah terjadi perubahan kedudukan air terjun, dari ketinggian 100 m menuju ke tanah yang ketinggiannya 0 m, jadi energi yang dihasilkan adalah : W

= m g (h1 – h2)

Untuk menentukan massa air terjun tiap detik adalah: Q = A.v

(Q = debit air melalui pipa , A = luas penampang , v = laju

aliran air) Q = 0,5 . 2 Q = 1 m3/s Q =

V t

1

V 1

=

(V = volume, t = waktu, dimana t = 1 detik)

V = 1 m3 ρ

m V

=

(ρ = massa jenis air = 1000 kg/m3, m = massa air)

1000

=

m 1

m

=

1000 kg

W

= m g (h1 – h2)

W

= 1000 . 10 . (100 – 0)

W

= 1.000.000 joule

13) Sebuah peluru 20 gram ditembakkan dengan sudut elevasi 30° dan kecepatan awal 40 m/s. Jika gaya gesek dengan udara diabaikan, maka tentukan energi potensial peluru pada titik tertinggi! Penyelesaian: Tinggi maksimum peluru dicapai saat vy = 0 sehingga : vy

=

vo sin α – g .t

0

=

40 . sin 30° – 10 . t

t

=2 s

Sehingga tinggi maksimum peluru adalah : y

= vo . sin α . t – ½ . g . t2

y

= 40 . sin 30° . 2 – ½ . 10 . 22

y

= 20 m

(y dapat dilambangkan h, yang berarti ketinggian)

Jadi energi potensialnya : Ep

=m . g . h

Ep

= 0,02 . 10 . 20

Ep

= 4 joule

(20 gram = 0,02 kg)


15

Drs. Pristiadi Utomo, M.Pd. 14) Sebuah benda bermassa 0,1 kg jatuh bebas dari ketinggian 2 m ke hamparan pasir. Jika benda masuk sedalam 2 cm ke dalam pasir kemudian berhenti, maka tentukan besar gaya rata-rata yang dilakukan pasir pada benda tersebut! Penyelesaian: Terjadi perubahan kedudukan, sehingga usaha yang dialami benda: W

= m g (h1 – h2)

W

= 0,1 . 10 . (2 – 0)

W

= 2 joule

W

=- F . s

2 = - F . 0,02

( 2 cm = 0,02 m)

F = - 100 N tanda (-) berarti gaya yang diberikan berlawanan dengan arah gerak benda! 15) Sebuah mobil bermassa 1 ton dipacu dari kecepatan 36 km/jam menjadi berkecepatan 144 km/jam dalam 4 sekon. Jika efisiensi mobil 80 %, tentukan daya yang dihasilkan mobil! Penyelesaian: Terjadi perubahan kecepatan, maka usaha yang dilakukan adalah: W

= ½ m v22 – ½ m v12 (1 ton = 1000 kg, 144 km/jam = 40 m/s, 36 km/jam = 10

m/s)

W

= ½ 1.000 .(40)2 – ½ 1.000 . (10 )2

W

= 750.000 joule

P

=

W t

P

=

750.000 4

P

= 187.500 watt

η

=

80 % = Pout

Pout Pin Pout 187.500

= 150.000 watt

Soal-soal Ulangan 5 Soal-soal Pilihan Ganda Pilihlah jawaban yang paling tepat!


16

Drs. Pristiadi Utomo, M.Pd. 1.

Sebuah balok ditarik di atas lantai dengan gaya 25 N mendatar sejauh 8 m. Usaha yang dilakukan pada balok adalah ... . a. 25 joule

d. 200 joule

b. 50 joule

e. 250 joule

c. 100 joule 2.

Gaya 40 N digunakan untuk menarik sebuah benda pada lantai datar. Jika tali yang digunakan untuk menarik benda membentuk sudut 45°, sehingga benda berpindah sejauh 4√2 m, maka besar usaha yang dilakukan adalah ... . a. 40 joule

d. 210 √2 joule

b. 120 joule

e. 450 √2 joule

c. 160 joule 3.

Sebuah mobil mainan mempunyai kedudukan yang ditunjukkan oleh grafik pada gambar berikut.

Usaha yang dilakukan mobil mainan untuk berpindah dari titik asal ke kedudukan sejauh 8 meter adalah … . a. 30 joule

d. 46 joule

b. 44 joule

e. 98 joule

c. 45 joule 4.

Sebuah balok bermassa 3 kg didorong ke atas bidang miring kasar. Jika gaya dorong 24 N ke atas sejajar bidang miring dengan kemiringan 37° dan gaya gesek balok dan bidang miring 3 N, sehingga balok berpindah sejauh 2 m, maka usaha total pada balok adalah ... . a. 6 joule

d. 9 joule

b. 7 joule

e. 10 joule

c. 8 joule 5.

Sebuah bola bemassa 1 kg menggelinding dengan kecepatan tetap 4 m/s, maka energi kinetik bola adalah ... . a. 1 joule

d. 4 joule

b. 2 joule

e. 8 joule

c. 3 joule 6.

Energi potensial benda bermassa 6 kg pada ketinggian 5 meter adalah ... . a. 150 joule

d. 450 joule

b. 200 joule

e. 600 joule


17

Drs. Pristiadi Utomo, M.Pd. c. 300 joule 7.

Usaha untuk memindahkan balok bermassa 0,25 kg dari ketinggian 1 m ke ketinggian 6 m adalah ... . a. - 12,5 joule

d. 8,25 joule

b. - 8,25 joule

e. 12,25 joule

c. - 6 joule 8.

Usaha untuk menggerakkan sepeda bermassa 100 kg dari keadaan diam menjadi berkecepatan 18 km/jam adalah ... . a. 12.500 joule

d. 19.500 joule

b. 18.000 joule

e. 20.500 joule

c. 18.500 joule 9.

Kelereng dilempar ke atas dari permukaan tanah dengan kecepatan 8 m/s. Kecepatan kelereng saat ketinggiannya 2 m saat bergerak ke atas adalah ... . a. 3√6 m/s

d. √8 m/s

b. 2√6 m/s

e. √6 m/s

c. 2 m/s 10.

Sebuah balok bermassa 400 gram dijatuhkan dari ketinggian 2 m ke permukaan tanah. Jika di permukaan tanah terdapat pegas dengan konstanta 100 N/m, maka pegas akan tertekan sebesar ... . a. 0,1 m

d. 0,4 m

b. 0,2 m

e. 0,5 m

c. 0,3 m 11.

Agar sebuah motor bermassa 300 kg berhenti dari kecepatan 36 km/jam sejauh 5 m, maka besar gaya pengereman yang perlu dilakukan adalah ... . a. 1.000 N

d. 4.000 N

b. 2.000 N

e. 5.000 N

c. 3.000 N 12.

Sebuah mesin dapat menurunkan benda 10 kg dari ketinggian 4 m ke permukaan tanah dalam 2 sekon. Daya dari mesin tersebut adalah ... . a. 125 watt

d. 275 watt

b. 200 watt

e. 300 wat

c. 250 watt 13.

Sebuah mobil mempunyai mesin dengan kekuatan 1000 daya kuda. Jika 1 hp = 746 watt, maka daya keluaran mesin dengan efisiensi mesin 90 % adalah ... . a. 7,460 . 105 watt

d. 6,714 . 105 watt

b. 7,460 . 104 watt

e. 6,714 . 104 watt

c. 7,460 . 103 watt


18


Air terjun pada ketinggian 40 m mengalirkan air sebanyak 150.000 kg/menit. Jika efisiensi generator 50 %, maka daya yang dihasilkan generator adalah ... . a. 525 kW

d. 450 kW

b. 500 kW

e. 400 kW

c. 475 kW 15.

Benda bermassa 840 gram jatuh dari ketinggian 10 m. Jika seluruh energi potensial benda dapat diubah menjadi kalor (1 kalori = 4,2 joule), maka energi kalor yang terjadi (dalam kalori) adalah ... . a. 5

d. 20

b. 10

e. 30

c. 15 16.

Sebuah benda jatuh bebas dari ketinggian 125 m. Jika energi potensial awalnya 2500 joule, maka : (1) massa benda 2,5 kg (2) benda sampai di tanah setelah 6,25 sekon (3) kecepatan saat mencapai tanah adalah 50 m/s (4) tepat saat menyentuh tanah energi kinetiknya 1250 joule Dari pernyataan di atas yang benar adalah ... . a. (1), (2), dan (3)

d. (4) saja

b. (1) dan (3)

e. semua benar

c. (2) dan (4) 17.

Sebuah motor dengan kecepatan 18 km/jam dalam waktu 5 sekon diberhentikan. Jika massa motor 100 kg, maka: (1) perlambatan motor sebesar 1 m/s2 (2) usaha yang diperlukan untuk menghentikan motor adalah – 1.250 joule (3) gaya rem untuk menghentikan gerak motor sebesar – 100 N (4) motor berhenti setelah menempuh jarak 12,5 m Dari pernyataan di atas yang benar adalah.... a. (1), (2) dan (3)

d. (4) saja

b. (1) dan (3)

e. semua benar

c. (2) dan (4) 18.

Sebuah pegas yang digetarkan, maka pada titik setimbangnya berlaku : (1) Energi kinetik maksimum (2) Energi potensial minimum (3) percepatan nol (4) energi potensial nol Dari pernyataan di atas yang benar adalah.... a. (1), (2) dan (3)


d. (4) saja 19

Drs. Pristiadi Utomo, M.Pd. b. (1) dan (3)

e. semua benar

c. (2) dan (4) 19.

Saat sebuah peluru ditembakkan vertikal ke atas dari permukaan tanah, maka berlaku ... (1) di permukaan tanah energi kinetik minimum (2) di permukaan tanah energi potensial maksimum (3) di titik tertinggi energi kinetik maksimum (4) di titik tertinggi energi potensial maksimum Dari pernyataan di atas yang benar adalah.... a. (1), (2) dan (3)

d. (4) saja

b. (1) dan (3)

e. semua benar

c. (2) dan (4) 20.

Saat sebuah benda mengalami gerak jatuh bebas dari ketinggian h, maka berlaku ... (1) di titik tertinggi energi kinetiknya maksimum (2) di titik tertinggi energi kinetiknya minimum (3) di titik terendah energi potensialnya maksimum (4) di titik terendah energi potensialnya minimum Dari pernyataan di atas yang benar adalah.... a. (1), (2) dan (3)

d. (4) saja

b. (1) dan (3)

e. semua benar

c. (2) dan (4) Jawablah dengan singkat dan jelas! 1.

Sebuah balok dengan massa 5 kg ditarik gaya mendatar 6 N. Tentukan usaha untuk memindahkan balok sejauh 3 m!

2.

Jika balok ditarik gaya 7 N, dan gaya gesek yang menghambat gerak balok 2 N, sehingga balok berpindah 2 m, maka tentukan usaha yang dilakukan!

3.

Tentukan usaha untuk memindahkan buku 200 gram yang terletak di permukaan tanah, agar dapat diletakkan di atas meja setinggi 1,25 m!

4.

Buah apel bermassa 100 gram jatuh dari ketinggian 2 m. Tentukan kecepatan buah apel saat menyentuh tanah!

5.

Tentukan besar usaha yang diperlukan, jika balok bermassa 10 kg di atas lantai licin ditarik gaya 20 N membentuk sudut 63° terhadap horisontal, sehingga balok berpindah sejauh 5 m!

6.

Tentukan energi potensial benda bermassa 2,5 kg pada ketinggian 3 m!

7.

Tentukan energi kinetik benda 3 kg berkecepatan 18 km/jam !


20


Benda 1 kg jatuh bebas dari ketinggian 6,25 m. Tentukan kecepatan benda saat mencapai tanah!

9.

Pada puncak bidang miring licin dengan kemiringan 37° sebuah balok diam dilepaskan. Jika panjang bidang miring 2 m, dan massa balok 0,5 kg, tentukan kecepatan balok di dasar bidang miring!

10.

Sebuah mobil dengan rem blong dan berkecepatan 36 km/jam menaiki tanjakan dengan kemiringan 37°. Berapa besar gaya gesek roda dan jalan tanjakan itu sehingga mobil berhenti?

11.

Akmal menaiki tangga setinggi 4 m dalam waktu 5 sekon. Tentukan daya yang dimiliki Akmal!

12.

Sebuah balok 200 gram dengan kecepatan 2 m/s bergerak di atas lantai datar licin. Jika di depan balok terdapat pegas dengan konstanta 200 N/m, maka tentukan berapa besar pegas akan tertekan hingga balok tersebut berhenti!

13.

Jika benda 2 kg yang bergerak dengan kecepatan 2 m/s dilewatkan pada bidang kasar sehingga berhenti dalam 0,5 m, maka tentukan gaya gesek yang menghentikan balok tersebut!

14.

Jika kelereng 100 gram dilempar Hafidz dengan kecepatan awal 10 m/s, maka tentukan energi potensial kelereng saat ketinggiannya ½ dari ketinggian maksimalnya!

15.

Sebuah peluru bermassa 40 gram ditembakkan Kopral Joko dengan sudut elevasi 53° dan kecepatan awal 20 m/s. Tentukan energi total peluru di titik tertinggi!


21


Rangkuman 1.

Usaha adalah hasil kali resultan gaya dengan perpindahan, dirumuskan sebagai berikut: W = F cos α ⋅ s

2.

Energi kinetik adalah energi yang dimiliki benda bergerak, dirumuskan sebagai berikut: 1 E = mv2 k 2

3.

Energi potensial adalah energi yang dimiliki benda karena posisinya, dirumuskan sebagai berikut: E = m⋅g⋅h p

4.

Energi mekanik adalah jumlah energi potensial dan energi mekanik, dirumuskan sebagai berikut: E

5.

m

= E +E p k

Usaha pada arah mendatar sama dengan perubahan energi kinetik W = ΔE

6.

Usaha pada arah vertikal sama dengan perubahan energi potensial W = ΔE

7.

k

p

Hukum Kekekalan Energi Mekanik Ek1 + Ep1 = Ek 2 + Ep2

8.

Daya adalah energi tiap satuan waktu P = W/t


22


Glosarium •

Daya = energi tiap satuan waktu

•

Energi = kemampuan untuk melakukan usaha

•

Energi kinetik = energi yang dimiliki benda karena kecepatannya.

•

Energi mekanik = energi total yang dimiliki benda.

•

Energi potensial = energi yang dimiliki benda karena kedudukannya.

•

Energi potensial gravitasi = energi yang dimiliki benda karena ketinggian dari pusat bumi.

•

Energi potensial pegas = energi yang dimiliki oleh pegas

•

Gaya = tarikan atau dorongan oleh sumber gaya pada suatu benda.

•

Efisiensi = prosentase perbandingan antara nilai keluaran dengan nilai masukan.

•

Perubahan energi = energi hanya dapat berubah bentuk, tidak bisa hilang dan tidak dapat diciptakan.

•

Usaha = hasil kali antara gaya dan perpindahan.


23

Fisika SMA Kelas Xi Bab 4 Energi, Usaha Dan Daya

Recommend Documents