MATERI PENDALAMAN UN 2012-2013 FISIKA
Usaha
Dalam kehidupan
sehari-hari
·
“Aku
sudah berusaha keras agar dapat lulus ujian”,
·
“Agar
sukses kita harus berusaha dan berdoa”,
·
“Usaha
yang dilakukan Pak Tani ternyata berhasil”,
·
Pengertian
usaha tersebut di atas berbeda dengan pengertian usaha pada Fisika.
·
Pengertian
usaha pada Fisika:
Jika gaya F bekerja pada suatu benda
sehingga benda tersebut berpindah sejauh S, maka dikatakan bahwa usaha atau
kerja yang telah dilakukan adalah:
W
= F . S
·
Pada kejadian di atas
arah perpindahan benda sama dengan arah gaya
·
Dengan demikian
dikatakan bahwa usaha merupakan hasil perkalian antara jarak perpindahan benda
dengan gaya
·
Satuan usaha = satuan gaya (newton) x satuan jarak
(meter).
·
Satuan usaha = newton meter, disingkat N.m atau disebut joule
(disingkat J).
·
Besarnya usaha yang
dilakukan tergantung pada besar gaya
·
Semakin besar gaya
·
Jadi untuk menentukan
ada atau tidak adanya usaha
yang dilakukan harus dilihat 2 hal, yaitu kemana
arah gaya
·
Jika perpindahan benda searah dengan gaya yang bekerja pada benda tersebut maka
dikatakan ada usaha yang
dilakukan oleh gaya
·
Atau dapat dikatakan:
jika ada gaya/komponen gaya yang searah dengan perpindahan benda maka
dikatakan ada usaha yang
dilakukan oleh gaya
Contoh:
1.
Seorang pekerja bangunan yang sedang menaiki tangga
sambil memanggul beban. Dia memberikan gaya
2. Jika pekerja bangunan
tersebut bergerak mendatar sambil memanggul beban, apakah dia juga melakukan
usaha? Pekerja memberikan gaya dengan arah ke atas untuk mengimbangi berat
beban, tetapi beban berpindah mendatar. Arah
perpindahan beban dan arah gaya
3. Seorang tukang bakso mendorong gerobaknya dengan gaya
Jawab:
Pada peristiwa ini arah gaya
W = F x S
= 30 (N) x 15 (m)
= 450 (N.m)
= 450 joule
= 450 J
Jadi usaha yang dilakukan
oleh tukang bakso adalah 450 J.
Energi
·
Berasal
dari manakah energi yang ada di dalam tubuh kita? Tentu saja dari makanan yang kita makan, karena makanan
merupakan salah satu sumber energi.
·
Sumber
energi utama bagi makhluk hidup di bumi adalah matahari. Matahari memancarkan
cahaya dan panas ke permukaan bumi. Energi cahaya yang berasal dari matahari
dimanfaatkan oleh tumbuhan untuk berfotosintesis.
·
Panas
yang dipancarkan matahari juga menyebabkan air yang ada di permukaan bumi
menguap dan bergerak ke atas membentuk awan.
·
Akibat
suhu yang rendah, jumlah awan semakin banyak, sampai suatu saat keadaannya
jenuh, maka terjadilah hujan. Karena
terletak di tempat yang tinggi, air hujan memiliki energi potensial
gravitasi.
·
Aliran
air yang ada di permukaan bumi dapat dibendung dan dialirkan ke waduk.
Selanjutnya dialirkan untuk menggerakkan turbin yang dapat digunakan sebagai
pembangkit listrik.
Bentuk-bentuk energi
Energi potensial
·
Energi potensial terdiri dari energi potensial gravitasi,
energi potensial pegas, dan energi potensial listrik.
·
Pada bagian ini kita hanya akan membahas energi potensial gravitasi atau sering ditulis secara
singkat menjadi energi potensial saja.
·
Energi potensial gravitasi merupakan
energi yang dimiliki oleh suatu benda karena kedudukannya dari permukaan bumi. Semakin tinggi
kedudukan benda dari permukaan bumi, semakin besar energi potensial yang
dimiliki benda itu.
|
Keterangan:
m : massa benda
h : jarak benda
dari permukaan bumi
g : percepatan gravitasi bumi ( 9,8 ms-2
)
( atau dituliskan 9,8 m/s2 )
(g = 9,8 ms-2 )
Contoh:
1. Sebuah bola besi dengan
massa 5 kg digantungkan setinggi 10 m di atas tanah. Berapakah
energi potensial yang dimiliki bola tersebut?
Penyelesaian:
Ep =
m . g . h
= 5 (kg) . 9,8 (m/s2) . 10 (m)
= 490 (kg) (m/s2) (m)
= 490 joule (joule dapat ditulis secara
singkat dengan J)
Jadi
bola tersebut memiliki energi potensial sebesar 490 J.
Energi Kinetik
·
Suatu benda dikatakan
memiliki energi kinetik jika benda itu sedang bergerak.
|
·
Jika
benda tersebut kemudian berhenti, maka benda itu tidak memiliki energi kinetik
lagi.
·
Besar
energi kinetik suatu benda ditentukan oleh kecepatan gerak benda itu.
·
Semakin
besar kecepatan gerak benda, semakin besar energi kinetiknya.
·
Sebuah
benda bermassa m dan bergerak dengan
kecepatab v, memiliki energi kinetik sebesar:
Contoh:
1. Sebuah bola dengan massa 2 kg menggelinding dengan kecepatan 4
m/s. Berapakah energi kinetik bola itu?
Penyelesaian:
Ek =
½ m v 2
= ½ . 2 (kg) . (4 m/s) 2
= 16 (kg) (m/s2) (m)
= 16 joule
Jadi bola tersebut memiliki energi kinetik sebesar 16 J.
Energi Kalor (Energi Panas)
Matahari
selain memancarkan cahaya juga memancarkan panas ke bumi. Panas yang
dipancarkan matahari dimanfaatkan oleh manusia untuk menjemur pakaian, menjemur
hasil pertanian, mengeringkan ikan hasil tangkapan para nelayan dan sebagainya.
Energi panas juga dapat dihasilkan oleh kayu yang dibakar, gesekan antara
gergaji dengan besi yang dipotong, bahkan gesekan antara dua telapak tangan
kita.
Energi Kimia
Kita mampu bekerja, berjalan, berlari, dan melakukan
aktivitas yang lain karena tubuh kita memiliki energi. Dari manakah energi yang
kita miliki? Pada waktu kita lapar, badan terasa lemah. Namun setelah makan,
badan kembali segar dan kuat. Hal ini menunjukkan bahwa makanan yang kita makan
merupakan sumber energi bagi tubuh kita. Energi yang tersimpan di dalam bahan
makanan merupakan energi kimia. Bensin, minyak tanah, solar, dan batubara
merupakan contoh lain bahan yang memiliki energi kimia. Mengapa bahan-bahan
bakar tersebut dikatakan memiliki energi kimia? Diskusikan dengan temanmu!
Energi
Listrik
Energi listrik merupakan energi yang paling populer,
karena bentuk energi ini paling banyak dimanfaatkan. Selain itu energi listrik
mudah diubah menjadi bentuk energi yang lain. Energi listrik dapat dimanfaatkan
untuk penerangan, untuk menggerakkan mesin-mesi di pabrik, untuk memanaskan
air, untuk memasak, dan sebagainya.
Energi listrik dapat dinyatakan dalam satuan:
§ watt-sekon atau joule (J)
§ watt-jam atau wh (watt-hour) atau Kwh (kilowatt-hour).
Sebagai contoh:
§ Pada lampu listrik tertulis daya 15 watt, artinya jika lampu listrik tsb dinyalakan, maka lampu tersebut
menggunakan energi sebesar 15 joule setiap detik (sekon).
§ Lampu listrik memiliki daya 40 watt menyala selama 1 jam, artinya lampu tsb telah menggunakan energi
sebesar 40 wh.
§ Lampu listrik memiliki daya 100 watt menyala selama 10
jam, artinya lampu tsb telah menggunakan energi sebesar 1000 wh atau 1 kwh.
Energi
Mekanik
Energi mekanik merupakan penjumlahan energi potensial dan
energi kinetik. Sebagai contoh jika seseorang meletakkan bola di tempat yang
tinggi, kemudian bola tersebut menggelinding ke bawah. Pada saat bola berada di
tempat yang tinggi dan diam, ia memiliki energi potensial gravitasi. Ketika
bergerak pada bidang miring, bola memiliki energi potensial dan energi gerak.
Pada saat bergerak di permukaan tanah, bola hanya memiliki energi kinetik.
Peristiwa ini dapat digambarkan sebagai berikut:
Bola memiliki energi potensial + energi kinetik
Bola memiliki energi kinetik
Bola memiliki
energi potensial
Sumber energi
Sumber energi adalah sesuatu yang menghasilkan energi.
Baterai sebagai sumber energi listrik dihasilkan oleh reaksi kimia yang terjadi
di dalamnya. Kedua kutub baterai yang berbeda potensialnya jika dihubungkan
dengan penghantar listrik dan bolam akan menyebabkan elektron bergerak dari
kutub negatip melalui penghantar dan bolam menuju kutub positip.
Sebaliknya arus listrik mengalir dari kutub positip
melalui penghantar dan bolam menuju kutub negatip. Arus listrik yang ditimbulkan akan memijarkan wolfram
dalam lampu pijar. Pada baterai yang dihubungkan dengan lampu pijar terjadi
perubahan energi kimia menjadi energi listrik, energi listrik menjadi cahaya
dan panas. Contoh sumber energi kimia yang lain adalah makanan. Makanan yang
kita makan membuat kita mampu bekerja.
Matahari merupakan sumber energi yang utama bagi
kehidupan di bumi. Matahari menghasilkan energi cahaya dan panas yang dapat
diubah menjadi berbagai bentuk energi lain yang sangat berguna bagi kehidupan.
Energi matahari sangat bermanfaat untuk manusia, antara lain:
·
Membantu
tumbuhan hijau melakukan fotosintesis. Pada peristiwa ini energi dari matahari
berubah menjadi energi kimia di dalam tumbuhan.
·
Dapat
membangkitkan listrik jika dikenakan pada sel surya (sel fotovoltaik). Beberapa
negara telah memanfaatkan energi matahari untuk menggerakkan mobil dengan
bantuan sel surya.
Dapatkah kalian menyebutkan contoh sumber energi yang
lain? Diskusikan dengan temanmu!
Hubungan antara Energi dan
Usaha
·
Energi diperlukan untuk melakukan usaha.
·
Untuk melakukan usaha yang lebih besar diperlukan energi
yang lebih besar juga.
·
Sebagai contoh, jika
kamu mendorong lemari, maka lemari tidak dapat berpindah jauh. Hal ini
disebabkan karena kamu tidak memiliki cukup energi untuk menghasilkan gaya
·
Namun, jika kamu
mendorong lemari itu bersama teman-temanmu maka lemari dapat berpindah cukup
jauh. Dapat terjadi demikian, karena semakin banyak orang energinya semakin
besar.
·
Untuk mengangkat benda yang berat diperlukan banyak
energi. Misalnya, mengangkat meja memerlukan lebih banyak energi daripada
mengangkat sebuah buku.
·
Dengan demikian, tentu saja untuk mengangkat meja, usaha
yang harus dilakukan lebih besar daripada mengangkat sebuah buku.
Daya
Pembahasan tentang daya dapat
dimulai dengan cerita tentang dua
orang tukang panggul beras A dan B yang sedang menaikkan beras dalam karung
dari lantai ke atas truk. Setiap karung beras massanya 50 kg dan tinggi bak
truk 1,5 m. Dalam waktu 10 menit, A sudah mampu menaikkan 15 karung beras ke
atas truk, sedangkan B baru mampu menaikkan 10 karung.
Pada
kejadian tersebut, setiap menaikkan 1 karung beras tukang panggul melakukan
usaha sebesar:
W = (Berat 1 karung beras) x
tinggi bak truk
= (50m kg x 9,8
m/s2 ) x 1,5 m
= 490 N x 1,5 m
= 735 joule
Karena tukang panggul A mampu
menaikkan 15 karung beras, maka usaha yang dilakukan oleh A adalah 735 joule x
15 = 11025 joule.
Sedangkan tukang panggul B
hanya mampu menaikkan 10 karung beras, sehingga usaha yang dilakukan oleh B
adalah 735 joule x 10 = 7350 joule.
Jadi dalam rentang waktu yang
sama (10 menit) tukang panggul A telah melakukan usaha lebih besar daripada
tukang panggul B. Dengan kata lain, tukang
panggul A melakukan usaha lebih cepat daripada tukang panggul B. Dengan demikian dikatakan bahwa tukang
panggul A memiliki daya lebih besar daripada tukang panggul B.
Sampai di sini diharapkan
siswa sudah lebih memahami bahwa daya merupakan kecepatan (kelajuan) melakukan
usaha. Daya merupakan usaha yang
dilakukan setiap satuan waktu, dan dituliskan sebagai:
Usaha yang dilakukan W
Daya = -------------------------- ---- atau P =
------
Waktu yang diperlukan t
Satuan usaha joule
Satuan daya = ---------------------- = -------- = watt (W)
Satuan waktu detik
Pada contoh di atas, dalam waktu 10 menit (600 detik)
tukang panggul A melakukan usaha sebesar 11025 J.
11025
J
Jadi daya tukang panggul A = ---------------------- = 18,375 watt
600
detik
Dalam waktu yang sama tukang panggul B melakukan usaha
sebesar 7350 J.
7350
J
Jadi daya tukang panggul B = ---------------------- = 12,25 watt
600
detik
Contoh lain, misalnya daya listrik. Pada lampu listrik tertulis daya 15 watt, 25 watt, dan 60 watt, dsb. Apakah artinya?
- Jika lampu listrik 15 watt dinyalakan, maka lampu tersebut menggunakan
energi sebesar 15 joule setiap detik (sekon).
- Demikian juga lampu listrik 60 watt yang sedang menyala, setiap detik
lampu tersebut menggunakan energi sebesar 60 joule.
- Energi listrik tersebut sebagian besar berubah menjadi energi cahaya,
dan sebagian kecil berubah menjadi energi panas.
- Dari contoh ini kita juga dapat mengatakan bahwa daya merupakan laju
perubahan energi.
Daya sering juga dinyatakan dalam daya kuda atau horse power (hp)
atau PK.
- Pada alat
pendingin ruangan (AC) selalu dituliskan berapa daya alat tersebut, misalnya ½ PK, ¾ PK, 1 PK, 2 PK, dan sebagainya.
- PK singkatan dari Paarde Kracht
= horse power (hp)
- 1 PK atau 1 daya
kuda (1 hp) = 746 watt.
LATIHAN
1. Seorang pekerja menarik beban 20 kg vertikal
ke atas setinggi 5 meter dengan tali melalui katrol. Berapa usaha yang
dilakukan oleh orang tersebut? (Gunakan percepatan gravitasi bumi, g = 9,8 m/s2).
Jawaban
Pada kejadian ini pekerja menarik beban dengan gaya sebesar
berat beban.
Berat beban = m x g
= 20 (kg) x 9,8
(m/s2)
= 196 (kg) (m/s2)
= 196 newton
= 196 N
Usaha yang dilakukan oleh pekerja
W =
F x S
= 196 (N) x 5 (m)
=
980 N.m
=
980 joule è = 980 J
2. Jika pada soal nomor 1 di atas waktu yang diperlukan
untuk menarik beban 20 kg setinggi 5 meter adalah 10 detik, berapakah daya
pekerja itu?
Usaha yang dilakukan 980 joule
Daya =
-------------------------- ---- =
------------- = 98 watt
Waktu yang diperlukan
10 detik
3. Seorang tukang mengangkat semen 30 kg menaiki
tangga setinggi 10 meter dalam waktu 2 menit. Berapakah daya tukang tersebut
dalam mengangkat semen? (Gunakan percepatan gravitasi bumi, g = 9,8 m/s2).
Usaha
yang dilakukan oleh tukang
W = F x S F
= Berat semen
= 30 kg x 9,8 m/s2
= 294 N
=
294 (N) x 10 (m)
=
2940 J
2940 joule
Daya =
------------------ = 24,5 watt
120 detik
HUKUM KEKEKALAN ENERGI MEKANIK
Ep1 + Ek 1 = Ep2 +
Ek 2
m . g . h1 + ½ m V1 2 = m . g . h2 + ½ m V2 2
Jumlah energi potensial
dan energi kinetik mula-mula sama dengan jumlah energi potensial dan
energi kenitik akhir.
TUGAS/PR:
1. Sebuah benda m = 2 kg diangkat vertikal ke atas
setinggi 10 meter di atas permukaan tanah.
a. Berapa usaha yang dilakukan untuk
mengangkat benda tsb? 196 J
b. Berapa energi potensial benda tsb? 196 J
Jika benda tsb kemudian
dilepaskan,
c. Berapa kecepatannya
sesaat sebelum menyentuh tanah? 14 m/s
d. Berapa energi
kinetiknya sesaat sebelum menyentuh tanah? 196 J
2. Ketika seorang anak dengan bobot 40 kg mendaki
tebing, energi potensialnya bertambah menjadi 9800 joule. Berapa tinggi tebing
yang didaki tsb? ( 25 meter)
3. Sebuah bola besi berbobot (massa) 1 kg jatuh
dari ketinggian 10 m ke dalam bak berisi pasir. Bola besi tsb berhenti setelah
masuk pasir sedalam 2 cm.
a. Berapa kecepatan bola besi sesaat
sebelum menyentuh pasir?
b. Berapa energi kinetik bola besi sesaat
sebelum menyentuh pasir?
c. Berapa gaya penghambat rata-rata dari
pasir?
a. V = 14 m/s
b. Ek = 98 J
c. F = - 4900 N
Sumber : Bpk. Joko S
Comments
Post a Comment