Materi Pelajaran Fisika : Contoh Soal Usaha dan Energi

Zona Pelajar. Contoh Soal Usaha dan Energi : Materi Ajar Fisika SMA kelas X, XI, XII semester 1 dan 2. Baik zona pelajar akan update materi pelajaran fisika, yang akan di bahas di sini adalah meteri usaha dan energi yang mencakup, pengertian usaha, definisi energi, contoh soal usaha dan energi, macam-macam energi, hubungan usaha dan energi, Hukum Kekekalan Energi Mekanik, serta rumus rumus lengkap usaha dan energi.

A. Usaha

Usaha dalam fisika didefinisikan sebagai perkalian antara besarnya gaya yang menyebabkan benda berpindah dengan besarnya perpindahan benda yang searah dengan arah gaya tersebut. Secara
matematis dapat ditulis sebagai berikut.
W = F x s

Keterangan :
W= Usaha (J)
F = Gaya yang beraksi pada benda (N)
s= jarak pergeseran (m)
B. Energi

Energi adalah kemampuan untuk melakukan usaha. Hukum kekekalan energi menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan dan dimusnahkan melainkan hanya dapat diubah bentuknya. Perubahan energi terjadi ketika usaha sedang dilakukan. Misalnya, ketika Anda melakukan usaha dengan mendorong meja hingga meja tersebut bergeser. Pada saat proses usaha sedang berlangsung, sebagian energi kimia yang tersimpan dalam tubuh Anda diubah menjadi energi mekanik. Di sini Anda berfungsi sebagai pengubah energi (konverter energi).

1. Energi Kinetik

Energi kinetik merupakan energi yang dimiliki oleh benda karena geraknya. Secara umum energi kinetik suatu benda yang memiliki massa m dan bergerak dengan kecepatan v dirumuskan oleh persamaan berikut.

2. Energi Potensial

Energi potensial diartikan sebagai energi yang dimiliki benda karena keadaan atau kedudukan (posisinya). Misalnya, energi pegas (per), energi ketapel, energi busur, dan energi air terjun. Selain itu, energi potensial juga dapat diartikan sebagai energi yang tersimpan dalam suatu benda. Misalnya energi kimia dan energi listrik. Contoh energi kimia adalah energi minyak bumi dan energi nuklir.

Energi suatu benda karena kedudukannya dinamakan energi potensial. Bila energi potensial dilambangkan dengan Ep, maka persamaan matematisnya adalah sebagai berikut.

C. Hubungan Usaha dan Energi

Misalnya sebuah balok yang mempunyai massa m bergerak dengan
kecepatan awal vo. Karena pengaruh gaya F, maka balok setelah t detik
kecepatannya menjadi vt dan berpindah sejauh s.


Perhatikan Gambar 5.4! Apabila gaya yang diberikan kepada balok besarnya tetap, maka persamaan yang berlaku adalah sebagai berikut.


Usaha yang dilakukan oleh gaya F adalah


Persamaan di atas merupakan hubungan antara usaha dengan energi kinetik. Hubungan tersebut secara fisis dikatakan bahwa usaha yang dilakukan oleh gaya sama dengan perubahan energi kinetik benda.

Bagaimana hubungan usaha dan Energi Potensial? Secara matematis dapat dinyatakan sebagai berikut.


D.Hukum Kekekalan Energi Mekanik

Energi mekanik didefinisikan sebagai penjumlahan antara energi kinetik dan energi potensial.

Misalkan terdapat suatu benda yang dijatuhkan dari ketinggian ha diatas tanah. Pada ketinggian tersebut benda memiliki Epa = mgha terhadap tanah dan Eka= 0. Kemudian dalam selang waktu t benda jatuh sejauh hb (jarak benda dari tanah ha – hb). Persamaan energi mekaniknya menjadi seperti berikut.


Berdasarkan rumus jatuh bebas, benda yang jatuh sejauh hB memiliki kecepatan sebesar


karena itu


Persamaan di atas membuktikan bahwa energi mekanik yang dimiliki oleh suatu benda adalah kekal (tetap). Pernyataan ini disebut hukum kekekalan energi mekanik. Hukum kekekalan energi mekanik dapat dirumuskan sebagai berikut.


Perlu digaris bawahi bahwa hukum kekekalan energi mekanik berlaku hanya jika tidak ada energi yang hilang akibat adanya gaya konservatif. Misalnya akibat gesekan udara maupun gesekan antara dua bidang yang bersentuhan.

Gaya konservatif adalah gaya yang tidak bergantung pada lintasan, tetapi hanya ditentukan oleh keadaan awal dan akhir.

Berikut Contoh Soal Materi Usaha dan Energi :

1. Sebuah balok ditarik gaya F = 120 N yang membentuk sudut 37o terhadap arah horizontal.

Jika balok bergeser sejauh 10 m, tentukan usaha yang dilakukan pada balok!

Pembahasan:


2. Balok bermassa 2 kg berada di atas permukaan yang licin dipercepat dari kondisi diam hingga bergerak dengan percepatan 2 m/s2.

Tentukan usaha yang dilakukan terhadap balok selama 5 sekon!

Pembahasan
Terlebih dahulu dicari kecepatan balok saat 5 sekon, kemudian dicari selisih energi kinetik dari kondisi awak dan akhirnya:


3. Benda 10 kg hendak digeser melalui permukaan bidang miring yang licin seperti gambar berikut!

Tentukan usaha yang diperlukan untuk memindahkan benda tersebut!

Pembahasan
Mencari usaha dengan selisih energi potensial :


4. Perhatikan grafik gaya (F) terhadap perpindahan (S) berikut ini!

Tentukan besarnya usaha hingga detik ke 12!

Pembahasan
Usaha = Luasan antara garis grafik F-S dengan sumbu S, untuk grafik di atas luasan berupa trapesium
W = 1/2(12 + 9) x 6
W = 1/2 (21)(6)
W = 63 joule

5. Sebuah mobil bermassa 5.000 kg sedang bergerak dengan kelajuan 72 km/jam mendekati lampu merah.

Tentukan besar gaya pengereman yang harus dilakukan agar mobil berhenti di lampu merah yang saat itu berjarak 100 meter dari mobil! (72 km/jam = 20 m/s)

Pembahasan:


6. Sebuah tongkat yang panjangnya 40 cm dan tegak di atas permukaan tanah dijatuhi martil 10 kg dari ketinggian 50 cm di atas ujungnya. Bila gaya tahan rata-rata tanah 103 N, maka banyaknya tumbukan martil yang perlu dilakukan terhadap tongkat agar menjadi rata dengan permukaan tanah adalah ...
A. 4 kali
B. 5 kali
C. 6 kali
D. 8 kali
E. 10 kali

Pembahasan
Dua rumus usaha yang terlibat disini adalah:
Pada martil :

W = m g Δ h

Pada tanah oleh gaya gesekan:

W = F S

Cari kedalaman masuknya tongkat (S) oleh sekali pukulan martil:

F S = mgΔh
(103) S = 10 (10)(0,5)
S = 50/1000 = 5/100 m = 5 cm

Jadi sekali jatuhnya martil, tongkat masuk tanah  sedalam 5 cm. Untuk tongkat sepanjang 40 cm, maka jumlah jatuhnya martil:
n = 40 : 5 = 8 kali

Rangkuman Rumus Usaha dan Energi :

Semoga artikel ini bermanfaat, jika ada yang salah pada materi di atas, mohon koreksinya pada form komentar facebook di bawah. Semangat.

Iklan Atas Artikel

Iklan Tengah Artikel 1

Iklan Tengah Artikel 2

Iklan Bawah Artikel