Usaha dan Energi

Posted on January 8, 2015        Written by Ade

free-waterfalls-wallpaper-paradise-falls_2560x1600_93517

Semua hal yang terjadi dan berlangsung di alam ini memerlukan energi. Energi adalah hal yang memampukan kita dalam melakukan suatu aktivitas. Sumber energi yang utama dari semua aktivitas yang ada di bumi kita adalah berasal dari Matahari. Matahari menghasilkan energi dari proses reaksi nuklir yang terjadi di dalam inti matahari dan membuatnya dapat bersinar sedemikian kuat dimana energi yang diberikan adalah berupa energi panas dan cahaya. Energi panas ini sampai ke bumi dan dapat membuat air menguap lalu menjadi butiran-butiran awan yang kemudian jatuh kembali ke permukaan bumi dalam bentuk hujan. Kemudian air hujan yang jatuh ke dalam aliran sungai mengalir dan kemudian jatuh kembali ke tempat yang rendah berupa air terjun. Apa yang kita lihat ini adalah sebuah proses perubahan energi. Fisika adalah ilmu alam yang membahas tentang energi dan perubahannya. Dalam bagian ini, kita akan belajar konsep tentang Energi serta Usaha.

Di bagian pertama ini, kita akan mempelajari mengenai usaha. Pengertian usaha di dalam fisika tidaklah sama seperti apa yang dipahami oleh orang-orang secara umum. Ketika seorang membawa barang dengan cara menjinjingnya dan kemudian berjalan mendatar maka dikatakan bahwa orang tersebut tidaklah melakukan usaha. Ini salah satu hal yang sering membuat kesalahpahaman (miskonsepsi) terjadi. Lalu bagaimana pemahaman usaha secara Fisika. Silakan lihat dalam video Usaha dan Energi bagian 1.

Sebuah gaya F yang menarik suatu benda akan memberikan usaha sebesar hasil kali gaya yang searah dengan perpindahan benda dikali dengan nilai perpindahan benda tersebut (d). Dengan demikian, Usaha (W) dapat dihitung dengan:

usaha rumus

usaha gambar 1

Secara sederhana, Usaha yang dikerjakan oleh sebuah gaya terhadap suatu benda akan menambah energi yang dimiliki oleh benda tersebut. Jadi misalkan kita mendorong suatu balok yang mula-mula diam, lalu Usaha yang dihasilkan oleh gaya dorong kita sebesar 100 Joule, maka pada keadaan akhir, balok tadi akan memiliki energi sebesar 100 Joule.

Jika mula-mula balok tersebut telah bergerak, sehingga memiliki energi yang dinamakan energi kinetik, misalkan sebesar 20 Joule, maka akibat dari Usaha yang kita berikan dengan besar 100 Joule tadi, maka energi kinetik akhir yang dimiliki oleh balok tersebut adalah sebesar 120 Joule. Namun, jika di dalam gerak benda tersebut terdapat gesekan yang juga menghasilkan usaha, namun bersifat mengurangi energi benda, misalkan sebesar 10 Joule. Maka Energi kinetik akhir dari balok tersebut = 20 + 100 – 10 = 110 Joule. Konsep dasar usaha yang menambah energi atau mengurangi energi benda adalah konsep yang sederhana namun sangat penting, dimana aplikasinya akan banyak kita jumpai pada saat kita belajar tentang konsep-konsep fisika yang berhubungan dengan energi yang dimiliki oleh sebuah benda.

Anggap mula-mula benda memiliki energi kinetik EK1, maka setelah mendapatkan sejumlah energi berupa usaha dari gaya tersebut, maka energi nya berubah menjadi EK2.

usaha rumus2

Sebuah balok yang mula-mula memiliki kecepatan awal v1, ditarik oleh gaya F yang sejajar dengan perpindahan balok, akan memiliki kecepatan akhir v2, dimana dapat dituliskan dalam sebuah persamaan sebagai berikut

usaha rumus3

usaha gambar  2

Silakan melihat video Usaha dan Energi (2/7)

Jika kita menjatuhkan sebuah batu dari suatu ketinggian tertentu, maka pada batu tersebut akan terdapat gaya berat sebesar massa batu dikalikan dengan percepatan gravitasi. Ketika batu tersebut bergerak jatuh, maka gaya berat ini akan menghasilkan usaha pada batu dan memberi tambahan energi kinetik pada batu tersebut. Dengan menghitung besar jarak yang ditempuh batu jika ia dijatuhkan dari ketinggian h1 ke h2 maka kita kemudian mendapati bahwa ada suatu nilai energi yang tetap yang dimiliki batu tersebut ketika ia bergerak jatuh. Energi tersebut dinamakan Energi Mekanik dimana pada bagian ini nilainya adalah sebesar jumlah total dari energi kinetik benda dengan energi potensial benda tersebut. Tentu konsep ini menjadi dasar dari apa yang dinamakan sebagai Hukum Kekekalan Energi. Secara sederhana energi hanya berubah dari satu bentuk ke bentuk yang lain.

Silakan melihat video Usaha dan Energi (3/7)

Ada dua jenis energi yang akan sering kita gunakan dalam perhitungan di bagian ini, yakni energi potensial dan energi kinetik. Energi Potensial, merupakan energi yang dimiliki oleh suatu benda karena kedudukan atau posisi benda tersebut terhadap suatu posisi acuan. Apabila tanah kita anggap sebagai posisi acuan ketinggian (h=0), maka benda yang berada pada ketinggian h dari permukaan bumi (pada jarak yang cukup dekat dengan permukaan bumi), akan memiliki energi potensial EP sebesar m.g.h.

Pada video Usaha dan Energi (4/7) ini kita akan mempelajari lebih mendalam tentang nilai h di dalam energi potensial m.g.h yang dimiliki benda.

Yang kedua adalah Energi kinetik merupakan energi yang dimiliki benda karena gerak benda tersebut. Pada benda bermassa m dan bergerak dengan besar kecepatan v, maka benda akan memiliki energi kinetik EK sebesar ½ m.v2.

Selanjutnya, kita akan melihat beberapa video pembahasan contoh soal yang memadukan konsep usaha dan energi dengan konsep fisika yang sudah kita pelajari, seperti gaya centripetal dan tumbukan.

Usaha dan Energi (5/7)

Usaha dan Energi (6/7)

Usaha dan Energi (7/7)

Nah, bagian yang terakhir dari topik usaha dan energi ini adalah sebuah grafik yang menggambarkan gaya dan jarak yang ditempuh benda. Ketika sebuah benda ditarik atau didorong oleh sebuah gaya mendatar dan bergerak pada bidang horizontal sehingga bergerak menempuh sebuah perpindahan (jarak) sebesar d. Maka kita dapat menggambarkan grafik antara gaya terhadap perpindahan (jarak) tersebut sebagai berikut

luas daerah usaha

Ada sebuah besaran yang bisa kita dapatkan dari grafik di atas, yakni nilai Usaha dari gaya tersebut, dimana dari grafik ini, maka usaha adalah sama dengan luas daerah yang berada di bawah grafik gaya terhadap suatu jarak.

Latihan soal Usaha dan Energi

1. Tiga balok identik A, B dan C bergerak seperti pada gambar. Manakah dari ketiganya yang mendapat Usaha yang terbesar dari gaya gravitasi ? Anggap balok dilepaskan tanpa kecepatan awal.

soal1

2. Sebuah balok bermassa m dilepaskan dari posisi 1 pada ketinggian 4r, tanpa kecepatan awal, dimana r adalah jari-jari lintasan loop (lihat gambar). Lintasan licin. Berapakah besar Energi Kinetik balok saat berada di posisi 2 (puncak loop)?

soal2

3. Sebuah planet bermassa m mengelilingi matahari menurut lintasan elips, planet tersebut bergerak dari satu tempat ke tempat lainnya dengan kelajuan di tempat masing-masing adalah v1 dan v2. Berapakah besar usaha yang diakibatkan oleh gaya gravitasi dari matahari pada planet tersebut pada gerakan tadi ?

soal3

4. Sebuah benda ditembakkan dari tanah dengan kecepatan awal V0 dan memiliki energi kinetik EK0 dan menempuh lintasan parabola, pada saat benda mencapai titik tertinggi, manakah dari pernyataan di bawah ini yang benar menurutmu?

soal1

EK saat dititik tertinggi sama dengan EK mula-mula
EK saat di titik tertinggi sama besarnya dengan EP di titik tertinggi tersebut.
EK saat di titik tertinggi besarnya hanya sebagian dari EK mula-mula.
EK di titik tertinggi besarnya Nol.

5. Seorang pemain skate board menuruni bidang yang licin dari suatu ketinggian h, tanpa kecepatan awal dan melintas di lintasan lengkung seperti pada gambar, lalu menanjak di bukit yang memiliki kelengkungan R. Apabila pemain skateboard tersebut tepat meninggalkan lintasan di puncak bukit, tentukan nilai ketinggian mula-mula h (dalam R, jari-jari kelengkungan bukit)!

soal2

6. Sebuah balok yang diam didorong oleh gaya 10 Newton di atas lintasan yang kasar. Apabila gaya 10 Newton tersebut hanya bekerja sepanjang setengah lintasan kasar itu dan akhirnya balok berhenti di titik akhir dari lintasan kasar tersebut. Berapakah besar gaya gesek (anggap nilainya tetap) yang bekerja pada balok dari lantai tersebut?

soal3

7. Tiga bola identik A, B dan C ditembakkan dengan kelajuan yang sama pada sudut berbeda seperti pada gambar. Jika mereka bergerak dan mencapai suatu ketinggian yang sama (garis putus-putus pada gambar). Bola manakah yang memiliki Energi Kinetik terbesar pada ketinggian tersebut? Mengapa demikian ? (Anggap kelajuan awal mereka cukup untuk dapat sampai ke ketinggian tersebut)

soal2

8. Tiga bola identik A,B dan C ditembakkan dengan kelajuan awal yang sama Vo dengan arah yang berbeda dari ketinggian yang sama seperti pada gambar. Pada saat mereka sampai di tanah, Bola manakah yang memiliki Energi kinetik yang paling besar ? Mengapa demikian?

soal1

9. Seorang pemain skate board bergerak dari suatu ketinggian awal h tanpa kecepatan awal dan menuruni lintasan licin seperti pada gambar, setelah sampai di bawah, besar kelajuannya adalah v. Apabila ia menginginkan kelajuan saat di bawah menjadi dua kali semula, 2v, maka pada ketinggian berapa kali ketinggian awal-kah, ia harus memulai geraknya ?

soal3a

10. Ada sebuah bola yang ditembakkan sehingga bergerak dalam lintasan parabola (llihat gambar, lengkungan putus-putus berwarna biru). Jika di udara ada gesekan udara, Menurutmu, manakah lintasan gerak yang akan terjadi pada bola?
A, B atau sama seperti jika tidak ada gesekan.

soal1

11. Sebuah balok dari keadaan diam didorong dengan gaya 10 Newton dan mula-mula bergerak di lintasan licin, jika balok kemudian memasuki lintasan yang kasar yang panjangnya sama dengan lintasan licin tadi, lalu tepat berhenti di akhir lintasan ini, Berapakah besar gaya gesek yang bekerja pada balok ?

soal 2

12. Sebuah balok bergerak di lintasan melingkar yang kasar, jika lintasan memberi gesekan 10 N dalam arah berlawanan gerak balok, dan panjang keliling lingkaran 50 meter, berapakah Usaha yang diakibatkan oleh gaya gesek pada balok setelah ia bergerak 1 putaran dan kembali ke tempat semula ?

soal3

13. Hulk dan Ironman sedang bertarung. Nah, Ironman berhasil mengangkat Hulk dan ingin memindahkan dari puncak bangunan satu ke yang lain (lihat gambar). Jika berat total mereka 10000 N, berapakah usaha yang diperlukan oleh roket Ironman untuk dapat memindahkan tubuh mereka berdua ?

ironman1

14. Dalam cerita, Superman memiliki kekebalan terhadap peluru. Anggap saat Superman ditembak peluru, maka tubuhnya memberi suatu gaya tahan (gesek) terhadap peluru yang nilainya tetap. Jika massa peluru yang ditembakkan adalah 100 gram dan peluru hanya menghantam tubuh Superman dengan kecepatan 50 m/s dan tertahan sejauh 1 mm di tubuh Superman hingga peluru tersebut berhenti. Berapakah besar gaya gesek yang bekerja pada peluru tersebut?

man-of-steel-henry-cavill-superman-

15. Sebuah balok dilepaskan dari suatu ketinggian h tanpa kecepatan awal di lintasan lengkung yang licin. Saat balok tiba di bawah, balok memasuki lintasan mendatar yang kasar. Apabila Usaha dari gaya gesek membuat energi balok berkurang 75 %, dan kemudian balok memasuki lintasan lengkung yang licin di sebelahnya, berapakah ketinggian maksimum yang dicapai balok tersebut (dalam h)?

soal3

16. Sebuah balok dengan massa 5 kg  bergerak dengan kelajuan tetap 2 m/s melalui sebuah lembah dan bukit dengan kelengkungan seperti pada gambar. Berapakah besar gaya normal pada balok tersebut pada saat ia sedang berada di dasar lembah dan pada saat berada di puncak bukit?

circular4

17. Sebuah bandul dengan massa 1 kg dan panjang 50 cm dilepaskan dari sebuah kemiringan sudut θ = 30°. Berapakah nilai tegangan tali saat bandul berada di dasar lintasannya?

centripetal2

18. Sebuah balok menuruni sebuah kubah yang berbentuk setengah bola dengan permukaan yang licin. Jika balok meninggalkan lintasan pada suatu posisi dengan sudut θ. Tentukan nilai sudut q pada saat balok meninggalkan lintasan di sana!

centripetal1

19. Sebuah bandul bermassa m dengan panjang l diayunkan dari sebuah posisi horizontal seperti pada gambar. Jika pada jarak 2l/3 di bawah poros bandul terdapat sebuah paku sehingga bandul berayun kembali ke atas (lihat gambar). Tentukan besar tegangan bandul tersebut pada saat ia mencapai posisi tertingginya!

centripetal3

20. Sebuah bola menuruni bidang miring yang licin dan sampai di dasar bidang miring dengan kecepatan 5 m/s. Jika mula-mula bola yang dilepas di atas bidang miring tersebut memiliki kecepatan awal 5 m/s, berapakah besar kecepatan v saat bola tiba di dasar bidang ?

dua bola

21. Sebuah benda bermassa 2 kg bergerak mendapat suatu gaya sehingga menghasilkan percepatan seperti pada gambar di samping berapakah usaha total pada benda akibat gaya tersebut dari detik ke-1 sampai dengan detik ke-3 !

grafik at

22. Sebuah balok meluncur dari suatu ketinggian h di lintasan licin (diukur dari posisi terendah lintasan kasar, lihat gambar). Kemudian memasuki lintasan kasar yang punya koefisien gesek (m). Lalu menaiki lintasan kasar tersebut yang miring dengan sudut θ.
Nyatakan perbandingan nilai h dan ymax yang dicapai balok tadi (Dalam m dan θ) !

meluncur

23. Sebuah balok dilepaskan tanpa kecepatan awal pada sebuah lintasan yang kasar dan menuruni lintasan tersebut hingga tiba di posisi 2.  Jika beda ketinggian antara posisi 1 dan 2 adalah sebesar h dan antara kedua posisi tersebut terdapat jarak horizontal sebesar d. Tentukan besar kecepatan balok tersebut saat tiba di posisi 2!

Friction3

24. Sebuah benda bergerak dalam lintasan melingkar dengan ditarik oleh suatu gaya F yang besar dan arahnya tetap dari posisi 1 ke posisi 2. Jika massa benda tersebut 1 kg, besar gaya F = 25 N, sudut θ = 30° dan besar α = 53°. Jika besar kelajuan benda tersebut di posisi 1 = 20 m/s. Tentukan kelajuan benda saat sampai di posisi 2!

Friction4

25. Ayunan Newton, sebuah mainan yang sangat menarik yang “dapat” dianggap mendemonstrasikan hukum kekekalan momentum dan kekekalan energi mekanik. Bola pertama pada ayunan Newton diangkat dan dilepaskan tanpa kecepatan awal dari ketinggian h dan menumbuk bola2 lainnya yang identik, Jika bola terakhir kembali dan menumbuk bola2 di antaranya hingga bola pertama, berapakah ketinggian yang akan dicapai bola pertama kembali ?

Soal 1 Newton Cradle
A. h/5
B. h
C. lebih tinggi dari h

26. Dua buah bola pertama di ayunan Newton diangkat dan dilepaskan dari sebuah ketinggian dan dilepaskan tanpa kecepatan awal sehingga menumbuk bola-bola lain. Manakah bola yang nantinya akan terangkat setelah tumbukan?

Soal 2 Newton Cradle
A. Bola 5
B. Bola 4 dan 5
C. Bola 3, 4 dan 5

27. Lihat gambar, Tiga bola pada Ayunan Newton diangkat dan dilepas, apakah yang akan terjadi pada bola ke 3 “setelah tumbukan” ?

Soal 3 Newton Cradle
A. Diam.
B. Bergerak ke kanan.
C. Bergerak ke kiri.

28. James Bond mengendarai Aston Martin DBS hijau menghampiri seorang penjahat yang mengendarai mobil sport berwarna kuning dengan arah tegak lurus seperti pada gambar. Anggap massa total mobil dan orang untuk keduanya adalah sama, yakni 2000 kg dan Bond melaju dengan kelajuan 60 m/s dan penjahat melaju dengan kelajuan 80 m/s, kemudian mereka bertabrakan secara tidak elastik sama sekali (keduanya bergerak bersama).

Soal4
Tentukan besar kelajuan mereka setelah bertabrakan!
Tentukan besar energi yang hilang saat tabrakan !

 

Silakan lihat ringkasan dan kartu belajar tentang Usaha & Energi di sini:



One thought on “Usaha dan Energi”

Leave a Reply


Calendar

September 2017
M T W T F S S
« May    
 123
45678910
11121314151617
18192021222324
252627282930  

Support Us

Galileo To Einstein is entirely supported and maintained by generous people who are very passionate about education. We will always improve its service and keep it for free for

View details

Sitemap