Header Ads

ads header

Fisika Kelas 11-Materi Usaha dan Energi

September 24, 2016
Usaha yang dilakukan oleh sebuah gaya konstan pada suatu benda adalah hasil kali gaya tersebut dengan perpindahan titik dimana gaya itu bekerja.
Secara matematis ditulis:
W = F cos θ . s = F s cos θ
Dimana:
W = usaha yang dilakukan (joule = J)
F = gaya yang bekerja (newton = N)
s = perpindahan (meter = m)
θ = sudut antara arah gaya dengan arah mendatar/arah gerak benda
Usaha merupakan besaran skalar. Dalam SI usaha dinyatakan dengan Newton meter (Nm) atau disebut joule (J). Satu joule adalah usaha yang dilakukan oleh sebuah gaya yang konstan sebesar satu Newton kepada sebuah benda jika benda tersebut bergerak melalui jarak satu meter searah gaya tersebut.
Ada tiga keadaan khusus dari usaha yaitu:
  1. Gaya sejajar dengan perpindahan, yang berarti θ = 0o dimana cos 0o = 1 sehingga berlaku :
W = F . s
  1. Gaya tegak lurus dengan arah perpindahan, yang berarti θ = 90o dimana cos 90o = 0 sehingga berlaku :

W = 0
  1. Gaya berlawanan dengan perpindahan, yang berarti θ = 180o dimana cos 180o = -1 sehingga berlaku :
W = – F . s
Sebuah benda berada pada bidang datar. Pada benda tersebut bekerja sebuah gaya mendatar sebesar 20 N sehingga mengalami perpindahan sejauh 2 m. Berapa usaha yang dilakukan oleh gaya tersebut?
Penyelesaian:
Dik:     F = 20 N
            s = 2 m
Dit:      W = ….?
Jawab:
            W = F . s
                 = 20 . 2 = 40 J
Bila  pada saat gaya bekerja pada benda, kemudian pada benda tersebut bekerja pula sebuah gaya gesekan yang arahnya berlawanan, maka besarnya usaha yang dilakukan oleh gaya tersebut dinyatakan dengan:
W = (F – fg) . s
Dimana:
W = usaha (J)
F = gaya (N)
fg = gaya gesekan (N)
s = perpindahan (m)
Jika beberapa buah gaya bekerja pada suatu benda, maka usaha yang dilakukan oleh resultan beberapa gaya yang bertitik tangkap sama, adalah sama dengan jumlah aljabar usaha yang dilakukan oleh masing-masing gaya.
W = R . s cos α      atau     W = W1 + W2
Dimana:
W = usaha yang dilakukan oleh beberapa gaya
R = resultan gaya-gaya yang bekerja
s = jarak perpindahan
α = sudut dalam resultan gaya
Sedangkan besarnya W1 dan W2 dapat diketahui melalui persamaan berikut:
W1 = F1 . s . cos α1       dan     W2 = F2 . s . cos α2
Dimana:
W1 = usaha yang dilakukan gaya 1
W2 = usaha yang dilakukan gaya 2
F1 = gaya 1
F2 = gaya 2
α1 = sudut yang dibentuk gaya 1 dengan bidang datar
α2 = sudut yang dibentuk gaya 2 dengan bidang datar
Kerjakan soal-soal di bawah ini dengan baik dan benar!
  1. Apa yang dimaksud dengan usaha?
Jawab: ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………
  1. Apa definisi satu joule?
Jawab: ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………
  1. Sebuah kotak besi bermassa 20 kg berada di atas lantai licin dan didorong dengan gaya mendatar 50 N sehingga bergerak sejauh 2 m. Hitung usaha yang dilakukan gaya tersebut!
Penyelesaian:
Dik            : ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
Dit             :
………………………………………………………………………………………………………………………
Jawab: ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………
  1. Seorang ibu menggendong anaknya yang memiliki berat 130 N kemudian berjalan keliling di taman kota dan menempuh jarak sejauh 150 meter. Berapa usaha ibu itu?
Penyelesaian:
Dik            : ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
Dit             :
………………………………………………………………………………………………………………………
Jawab: ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………
  1. Sebuah gaya sebesar 200 N bekerja pada sebuah kereta dorong dengan membentuk sudut sebesar 30o terhadap arah mendatar sehingga kereta berpindah sejauh 10 m. Hitung usaha yang dilakukan!
Penyelesaian:
Dik            : ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
Dit             :
………………………………………………………………………………………………………………………
Jawab: ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………
  1. Perhatikan gambar di bawah ini! Jika F1 = 50 N, F2 = 25 N dan peti berpindah sejauh 5 meter, hitung usaha total yang dilakukan!
Penyelesaian:
Dik            : ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
Dit             :
………………………………………………………………………………………………………………………
Jawab: ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………
  1. Sebuah arca seberat 150 N berada di atas lantai goa yang kasar dengan koefisien gesekan 0,3. Jika arca didorong dengan gaya 200 N dan arca berpindah sejauh 8 m, hitung usaha yang dilakukan untuk memindahkan arca!
Penyelesaian:
Dik            : ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
Dit             :
………………………………………………………………………………………………………………………
Jawab: ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………
  1. Perhatikan gambar di bawah ini! Jika F1 = 100 N dan F2 = 120 N dan benda berpindah sejauh 6 meter, hitung usaha yang dilakukan!
Penyelesaian:
Dik            : ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
Dit             :
………………………………………………………………………………………………………………………
Jawab: ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………
  1. Jika benda pada soal nomor 8 memiliki berat 100 N dan berada di atas lantai kasar yang memiliki koefisien gesekan 0,2, berapa usaha yang dilakukan?
Penyelesaian:
Dik            : ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
Dit             :
………………………………………………………………………………………………………………………
Jawab: ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………
  1. Perhatikan gambar di bawah ini! Jika F1 = 100 N dan F2 = 120 N dan benda berpindah sejauh 6 meter, hitung usaha yang dilakukan!
Penyelesaian:
Dik            : ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
Dit             :
………………………………………………………………………………………………………………………
Jawab: ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………
Energi suatu benda adalah suatu ukuran kesanggupan benda tersebut untuk melakukan suatu usaha. Energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan tetapi energi dapat diubah dari satu bentuk energi ke bentuk energi yang lain. Satuan untuk mengukur energi adalah joule (J).
  • Energi Potensial Gravitasi
Energi potensial adalah energi yang dimiliki oleh benda karena pengaruh tempat atau kedudukan benda tersebut. Energi potensial disebut juga sebagai energi diam karena benda yang berada dalam keadaan diam dapat memiliki energi potensial. Jika sebuah benda bergerak atau berubah posisinya maka benda tersebut mengalami perubahan energi potensial.
Energi potensial benda yang disebabkan oleh gaya gravitasi disebut energi potensial gravitasi yang dirumuskan dengan:
Ep = m . g . h
Dimana:
Ep = energi potensial gravitasi (J)
m = massa benda (kg)
g = percepatan gravitasi (m/s2)
h = ketinggian benda pada titik acuan (m)
Usaha yang dilakukan oleh gaya berat sebuah benda sama dengan pengurangan energi potensial benda tersebut.
W = – ΔEp = – (Ep2 – Ep1) = – (mgh2 – mgh1) = mg (h1 – h2)
Sedangkan usaha yang diperlukan untuk melawan gaya berat dirumuskan dengan:
W = m . g . h




  1. Sebuah benda berada pada ketinggian 20 m dari permukaan tanah, lalu benda tersebut jatuh bebas. Massa benda 1 kg dan percepatan gravitasi bumi di tempat itu 10 m/s2. Berapa usaha yang dilakukan gaya berat hingga sampai di tanah?
Penyelesaian:
Dik:           h1 = 20 m
                  m = 1 kg
                  g = 10 m/s2
                  h2 = 0
Dit:            W = …………?
Jawab:
                        W = mg (h1 – h2) = 1 . 10 (20 – 0) = 200 J
  1. Berapakah usaha yang diperlukan untuk memindahkan sebuah benda yang memiliki massa sebesar 10 kg dari lantai ke atas sebuah meja yang tingginya 1,2 m, jika percepatan gravitasi bumi di tempat itu 10 m/s2?
Penyelesaian:
Dik:           m = 10 kg
                  h = 1,2 m
                  g = 10 m/s2
Dit:            W = …………?
Jawab:
                  W = m . g . h = 10 . 10 . 1,2 = 120 J
  • Energi Kinetik
Energi kinetik adalah energi yang dimiliki oleh suatu benda karena pengaruh gerakannya. Jadi setiap benda yang bergerak memiliki energi kinetik. Energi kinetik benda yang bergerak adalah energi benda yang dimiliki oleh benda karena geraknya (kecepatannya) yang secara matematis dirumuskan dengan:
Ek = ½ mv2
Dimana:
Ek = energi kinetik (J)
m = massa benda (kg)
v = kecepatan benda (m/s)
Usaha yang dilakukan oleh suatu gaya terhadap sebuah benda sama dengan penambahan energi kinetik dari benda tersebut.
W = Î”Ek =  (Ek2 – Ek1) = (½ mv22 – ½ mv12) = ½ m (v22 – v12)
  1. Sebuah peluru memiliki massa 20 gram bergerak dengan kecepatan 50 m/s. Tentukan energi kinetik peluru pada waktu itu!
Penyelesaian:
Dik:           m = 20 g = 2 . 10-2 kg
                  v = 50 m/s
Dit             Ek = ………?
Jawab:
                        Ek = ½ mv2 = ½ . 2 . 10-2 . 502 = 25 J
  1. Sebuah benda memiliki massa 4 kg mula-mula dalam keadaan diam pada sebuah bidang datar yang licin. Kemudian pada benda tersebut bekerja sebuah gaya sehingga kecepatannya menjadi 8 m/s. Tentukan usaha yang dilakukan oleh gaya tersebut!
Penyelesaian:
Dik:           m = 4 kg
                  vo = 0
                  vt = 8 m/s
Dit:            W = ………..?
Jawab:
                  W =  Î”Ek = ½ m (v22 – v12) = ½ . 4 . (82 – 02) = 128 J
  • Hukum Kekekalan Energi Mekanik
Pada sistem yang terisolasi (pada sistem ini hanya bekerja gaya berat dan tidak ada gaya luar yang bekerja) maka berlaku energi mekanik total sistem bernilai tetap.
Secara matematis:
EmA = EmB
EpA + EkA = EpB + EkB
mghA + ½ mvA2 = mghB + ½ mvB2
  1. Sebuah benda bermassa 5 kg dalam keadaan diam berada pada ketinggian 40 cm dari permukaan tanah. Jika percepatan gravitasi bumi di tempat itu 10 m/s2, tentukan besarnya energi mekanik benda tersebut!
Penyelesaian:
Dik:           m = 5 kg
                  v = 0
                  h = 40 cm = 0,4 m
                  g = 10 m/s2
Dit:            Em = ………?
Jawab:
                  Em = Ep + Ek = mgh + ½ mv2
                         = (5 . 10 . 0,4) + 0 = 20 J
  1. Sebuah benda dilemparkan ke atas secara vertikal dengan kecepatan awal 10 m/s. Tentukan tinggi maksimum benda jika percepatan gravitasi bumi di tempat itu 10 m/s2!
Penyelesaian:
Dik:           h1 = 0
v1 = 10 m/s
                  g = 10 m/s2
                  v2 = 0 (di titik tertinggi)
Dit:            h2 = ………?
Jawab:
                        Em1 = Em2
Ep1 + Ek1 = Ep2+ Ek2
mgh1 + ½ mv12 = mgh2 + ½ mv22
                  0 + ½ . m . 102 = m . 10 . h2 + 0
                  50 = 10 h2
                  h2 = 5 m
  1. Kerjakan soal-soal di bawah ini dengan baik dan benar!
  2. Apa yang dimaksud dengan energi?
Jawab:
………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
  1. Apa yang dimaksud dengan energi potensial?
Jawab:
………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
  1. Apa yang dimaksud dengan energi kinetik?
Jawab:
………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
  1. Bagaimanakah hubungan antara usaha dengan energi?
Jawab:
………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
  1. Bagaimanakah bunyi hukum kekekalan energi mekanik?
Jawab:
………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………






  1. Pilihlah jawaban yang paling benar!
  2. Sebuah benda dengan massa 1 kg, dilemparkan vertical ke atas dengan kecepatan awal 40 m/s. Bila g = 10 m/s2, besarnya energi kinetic saat ketinggian benda mencapai 20 m adalah……….
  3. 300 J b. 400 J                        c. 500 J                        d. 600 J                       e. 700 J
  4. Sebuah benda bermassa 4 kg, mula-mula diam, kemudian bergerak lurus dengan percepatan 3 m/s2. Usaha yang diubah menjadi energi kinetic setelah 2 sekon adalah…….
  5. 6 joule b. 12 joule c. 24 joule        d. 48 joule       e. 72 joule
  6. Sebuah batu bermassa 450 gram terletak di atas meja yang tingginya 0,5 m. Jika g = 10 m/s2, usaha yang dikerjakan seseorang bila ia memindahkan batu itu ke bawah kursi yang tingginya 2 m adalah………
  7. 6,75 J b. 11,25 J c. 675 J            d. 6750 J         e. 11.250 J
  8. Suatu benda dijatuhkan pada ketinggian 120 m dari tanah, bila g = 10 m/s2 dan massa benda 2 kg, maka energi kinetic benda pada ketinggian 20 m dari tanah adalah……..
  9. 40.000 J b. 4.000 J c. 2.400 J         d. 2.000 J        e. 400 J
  10. Sebuah batu yang massanya 0,2 kg dilemparkan vertical ke atas sehingga mencapai ketinggian maksimum 10 m. Jika percepatan gravitasi bumi di tempat itu 10 m/s2, maka besarnya energi potensial batu pada ketinggian tersebut adalah……..
  11. 2 J b. 10 J c. 20 J              d. 100 J           e. 200 J
Daya adalah laju usaha yang dilakukan terhadap waktu. Secara matematis daya dirumuskan dengan:
P =
Dimana :
P = daya (watt)
W = usaha atau energi (J)
t = waktu (s)
Daya yang dihasilkan oleh sebuah mesin yang mempunyai gaya F untuk menghasilkan kecepatan v besarnya:
P = Fv
Efisiensi = daya guna, secara matematis dirumuskan dengan:
η = x 100%
Dimana:
η = efisiensi
P1 = daya masukan
P2 = daya keluaran
Satuan daya lainnya yaitu:
            1 HP (horse power = daya kuda) = 746 watt
            1 kilowatt (kW) = 1000 watt
Usaha dapat juga dinyatakan dengan kWh (kilowatt hour) dimana 1 kWh = 1000 watt. 1 jam = 3,6 . 106 J.
Kerjakan soal-soal di bawah ini dengan baik dan benar!
  1. Apa yang dimaksud dengan daya?
Jawab:
………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
  1. Apa yang dimaksud dengan efisiensi?
Jawab:
………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
  1. Sebuah mesin mampu menghasilkan daya 1,5 HP. Berapa besarnya daya ini jika dinyatakan dalam kilowatt?
Jawab:
………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
  1. Seorang pekerja dapat melakukan usaha sebesar 600 J dalam waktu 1 menit. Hitung daya yang dimiliki pekerja tersebut!
Penyelesaian:
Dik            : ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
Dit             :
………………………………………………………………………………………………………………………
Jawab: ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………
  1. Seseorang yang bermassa 60 kg menaiki tangga yang tingginya 15 m dalam waktu 2 menit. Jika g = 9,8 m/s2, hitung daya yang dikeluarkan orang itu!
Penyelesaian:
Dik            : ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
Dit             :
………………………………………………………………………………………………………………………
Jawab: ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………
  1. Sebuah balok kayu bermassa 25 kg didorong dengan gaya mendatar F sehingga berpindah sejauh 10 m. Jika usaha yang dihasilkan adalah 1000 J, hitung besarnya gaya F!
Penyelesaian:
Dik            : ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
Dit             :
………………………………………………………………………………………………………………………
Jawab: ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………
  1. Dua buah gaya masing-masing F1 = 120 N dan F2 = 200 N bekerja berlawanan arah pada sebuah patung. Jika ternyata patung berpindah sejauh 2 meter searah F2, hitung usaha yang dilakukan oleh kedua gaya tersebut!
Penyelesaian:
Dik            : ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
Dit             :
………………………………………………………………………………………………………………………
Jawab: ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………
  1. Seorang anak menarik mobil-mobilan dengan seutas tali. Jika gaya yang diberikan anak tersebut terhadap mobil-mobilan adalah 25 N dan membentuk sudut 60o terhadap bidang mendatar, dan mobil-mobilan berpindah sejauh 4 m, hitung usaha yang dilakukan anak tersebut!
Penyelesaian:
Dik            : ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
Dit             :
………………………………………………………………………………………………………………………
Jawab: ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………
  1. Seorang karyawan sedang mendorong sebuah peti kayu bermassa 20 kg dengan gaya 200 N sehingga peti berpindah sejauh 5 meter. Jika karyawan tersebut melakukan usaha sebesar 700 J, hitung besarnya gaya gesek yang dialami peti!
Penyelesaian:
Dik            : ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
Dit             :
………………………………………………………………………………………………………………………
Jawab: ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………
  1. Sebuah peti kayu bermassa 40 kg berada pada ketinggian 2 meter dari tanah. Hitung energi potensial yang dimiliki peti tersebut jika percepatan gravitasi bumi di tempat itu adalah 10 m/s2!
Penyelesaian:
Dik            : ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
Dit             :
………………………………………………………………………………………………………………………
Jawab: ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………
  1. Sebuah peluru bermassa 250 gram ditembakkan dengan kecepatan 15 m/s. Hitung energi kinetik yang dimiliki peluru tersebut!
Penyelesaian:
Dik            : ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
Dit             :
………………………………………………………………………………………………………………………
Jawab: ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………
  1. Sebuah peluru ditembakkan dari atas tanah dengan kecepatan 40 m/s. Berapa ketinggian maksimum yang dicapai peluru?
Penyelesaian:
Dik            : ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
Dit             :
………………………………………………………………………………………………………………………
Jawab: ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………
  1. Seorang anak melemparkan buah mangga bermassa 150 gram dari atas pohonnya yang setinggi 2 meter. Jika kecepatan yang diberikan anak itu pada buah mangga adalah 1 m/s, berapa kecepatan buah mangga ketika sampai di tanah?
Penyelesaian:
Dik            : ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
Dit             :
………………………………………………………………………………………………………………………
Jawab: ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………
  1. Untuk soal nomor 8, berapa kecepatan buah mangga ketika mencapai ketinggian 1 meter dari tanah?
Penyelesaian:
Dik            : ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
Dit             :
………………………………………………………………………………………………………………………
Jawab: ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………
  1. Sebuah mesin forklift mampu memindahkan barang-barang bermassa 40 kg dari ketinggian 1 meter ke atas sebuah bangunan setinggi 2,5 meter dalam waktu 0,5 menit. Jika percepatan gravitasi di tempat itu sebesar 10 m/s2, hitung daya yang dimiliki mesin!
Penyelesaian:
Dik            : ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
Dit             :
………………………………………………………………………………………………………………………
Jawab: ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………

Post a Comment

No comments

Subscribe to: Post Comments ( Atom )