USAHA dan PESAWAT SEDERHANA
A. Usaha
Usaha merupakan hasil kali antara gaya dan perpindahan. Suatu benda mengalami usaha jika terjadi perpindahan. Misalnya Joko mendorong meja dengan gaya sebesar 100 N sehingga menyebabkan meja bergeser 50 cm dari tempat semula. Hal ini dikatakan Joko melakukan usaha. Joko mendorong tembok dengan gaya 200 N dan tembok diam. Berarti usaha yang dilakukan Joko sama dengan nol karena tembok tidak mengalami perpindahan. Satuan usaha adalah Joule. Satu joule di definisikan sebagai usaha yang dilakukan gaya sebesar 1N untuk memindahkan benda sejauh 1 m dalam arah yang sama dengan gaya. Usaha dirumuskan dengan :
W = F.S
Keterangan:
W = usaha (Joule)
F = gaya (N)
S= perpindahan (m)
Contoh soal:
1. Sebuah benda didorong oleh dua anak dengan gaya seperti gambar berikut!
Berapa usaha yang dilakukan oleh kedua gaya itu bersama-sama?
Pemecahan masalah:
F1 = 20 N ke kiri
F2 = 30 N ke kanan
S = 20 m
Ditanya: W . . ..?
Jawab:
W = ∑F.s
W = (30 – 20).20
W = 10.20
W = 200 Joule
Sehingga usaha yang dilakukan ke dua gaya adalah 200 J dan benda bergerak ke arah kanan
2. Perhatikan gambar!
Jika usaha bersama gaya – gaya tersebut terhadap benda 18.000 J, berapa jauh benda berpindah?
Pemecahan masalah:
F1 = 600 N ke kiri
F2 = 600 N ke kiri
F3 = 1500 N ke kanan
W = 18.000 J
Ditanya s.....?
Jawab:
W = ∑F.s
18.000 = (1500 –(600+600)). S
18.000 = (1500 – 1200).s
18.000 = 300.s
18.000/300 = s
60 = s
Jadi benda berpindah sejauh 60 m ke kanan
3. Seorang anak mengayuh sepeda yang semula diam dengan gaya 240 N sehingga sepeda berpindah sejauh 4 m. Jika massa sepeda dengan anak adalah 15 kg, berpakah kecepatan gerak sepeda tersebut?
Pemecahan masalah
F = 240 N
S = 4 m
m = 30 kg
Ditanya: v. . .?
Jawab:
W = F.s
F.s =m.a.s
240.4 = 30.a.4
8 = a
Pada peristiwa tersebut terjadi GLBB maka rumusnya menjadi:
Vt = 8
Sehingga
kecepatan sepeda sebesar 8 m
Hubungan
usaha dengan energi
Energi diartikan sebagai kemampuan untuk melakukan usaha. Misalnya Edo mendorong almari sehingga almari
bisa berpindah. Dalam hal ini Edo melakukan usaha karena Edo mengeluarkan gaya
(gaya otot) untuk mendorong meja dan akibat gaya yang diberikan Edo terhadap
almari terjadi perpindahan. Pada saat Edo melakukan usaha juga terjadi
perubahann energi yakni perubahan energi
kimia yang tersimpan dalam tubuhnya sehingga berubah menjadi energi dalam otot
yang berubah menjadi gaya otot. Selain energi kimia ada bentuk energi yang lain
misalnya energi kalor, energi kinetik,
energi potensial, energi mekanik.
Energi Kinetik: Energi ini dimiliki oleh benda yang bergerak
Ek = ½ m.
Keterangan:
m=massa (kg)
v = kecepatan (m/s)
Ek = energi kinetik (Joule)
Energi potensial: energi yang dimiliki oleh benda yang memiliki
ketinggian tertentu
Rumus energi potensial (Ep):
Ep = m.g.h
Ep = energi potensial (Joule)
m= massa (kg)
g = percepatan gravitasi (m/s2)
h = ketinggian (m)
Energi Mekanik (Em): penjumlahan energi potensial dan energi
kinetik
Em = Ep + Ek
Contoh soal
1.Sebuah bola bermassa 2 kg menggelinding dengan kecepatan 15
m/s. Berapakah energi kinetik yang dialami bola?
Diketahui:
m= 2 kg
v = 15 m/s
Ditanya Ek.....?
Jawab: Ek = ½ m.v2
Ek = ½.
2.152
Ek =
½.2.225
Ek = 225
joule
2.Sebuah balok kayu yang massanya 4 kg jatuh dari atas meja yang
tingginya 5 meter. Berapa energi potensial yang dialami balok kayu saat di atas
meja? (percepatan gravitasi 10 m/s2).
Diketahui:
Massa (m) = 4 kg
Ketinggian (h) = 5 m
Percepatan grafitasi (g) = 10 m/s2
Ditanya . . ..Ep?
Jawab :
Ep = m.g.h
Ep = 4.10.5
Ep = 200
Joule
Jadi energi potensialnya 200 Joule
3. Seorang anak akan meloncat dari papan loncat kolam renang
yang memiliki ketinggian 5 m. Massa peloncat indah = 60 kg dan memiliki
percepatan grafitasi 10 m/s2. Tentukan:
a.Energi potensial saat siap-siap meloncat!
b. energi kinetik saat siap –siap meloncat!
c. energi mekanik saat siap –siap loncat!
d. Energi potensial pada saat anak pada ketinggian 2m dari
tanah!
e. energi kinetik pada saat anak pada ketinggian 2 m dari tanah!
f. Energi potensial saat anak berada di kolam!
g. energi kinetik pada saat anak berada di kolam!
Diketahui:
h = 5 m
m = 60 kg
g =10 m/s2
Ditanya:
a. Ep tertingggi........?
b. Ek tertinggi......?
c. Em tertinggi....?
d. Ep, h =2 m......?
e. Ek, h = 2m.......?
f. Ek dikolam?
Jawab:
a) Ep1 = m.g.h
= 60. 10. 5
= 3000 Joule
b)
Energi kinetik di titik tertinggi adalah adalah nol
c)
Energi mekanik di titik tertinggi
Em1 = Ep+Ek
Em1 = 3.000 + 0
Em1 = 3.000 Joule
d)
Ep pada ketinggian 2 meter adalah
Ep = m . g. H
Ep = 60.10 2
Ep = 1200 Joule
e)
Energi kinetik pada ketinggian 2m
(Em1 = energi mekanik di titik tertinggi, Em2
= energi mekanik pada ketinggian 2m)
Em1 =Em2
Ep1+ Ek1 = Ep2
+ Ek2
m.g.h1 + Ek1
= m.g.h2 + Ek2
60.10.5 + 0 =60.10.2 +Ek2
3000 = 1200 + Ek2
3000 – 1200 = Ek2
1800 = Ek2
f)Energi
kinetik di kolam
Em3 = energi mekanik di kolam
Em1 =Em3
3.000 = Ek3 +Ep3
3.000 = Ek3 + 0
3.000 = Ek3
PESAWAT
SEDERHANA
Adalah
alat/pesawat yang dibuat untuk mempermudah pekerjaan manusia.
A.
Jenis pesawat sederhana, pesawat sederhana macamnya:
1.
Pengungkit/tuas: adalah pesawat sederhana yang tersusun atas titik beban, titik
tumpu dan titik kuasa. Berdasarkan letak titik tumpu, titik kuasa dan titik
beban, tuas dibedakan menjadi:
a.
Tuas jenis I. Titik tumpu terletak antara titik kuasa dan titik beban. Contohnya: gunting, jungkat –
jungkit, linggis, pencabut paku.
b.
Tuas jenis II. Titik Beban terletak antara titik tumpu dan titik kuasa.
Contohnya: alat pemotong kertas,pemeceh kemiri, pembuka tutup botol, gerobak
beroda satu/angkong.
c.
Tuasa jenis III. Titik kuasa terletak antara titik beban dan titik tumpu.
Contohnya: pancing, sekop, pinset, staples, sumpit mie, penjepit roti.
Bagian
–bagian dari tuas:
Jarak
antara titik beban dengan titik tumpu disebut lengan beban (lb)
sedangkan jarak antara titik tumpu dengan titik kuasa dinamakan lengan kuasa
(lk). Sehingga pada tuas berlaku rumus:
Keterangan:
W
: beban (N)
F
= Gaya kuasa (N)
𝓁k = lengan kuasa (m)
𝓁b = lengan beban (m)
KM
= keuntungan mekanis
Contoh
soal:
Pak
Budi hendak memindahkan batu yang beratnya mencapai 600 N. Pak Budi menggunakan
tuas yang memiliki panjang lengan kuasa 2 meter dan lengan beban 1 meter.
Hitunglah gaya minimal agar pak Budi dapat mengangkat batu tersebut?
Diketahui:
W
= 600 N
𝓁k = 2 m
𝓁b = 1 m
Ditanya:
F...........?
Jawab:
W.𝓁b = F.𝓁k
600
. 1= F.2
300
= F
Jadi,
gaya yang dibutuhkan pak Budi sebesar 300 N
Ridwan
(30 Kg) dan Hamidi (25 kg) sedang bermain jungkat – jungkit. Apabila Ridwan
duduk 0,5 m dari titik tumpu, posisi duduk Hamidi dari titik tumpu agar
keduanya seimbang adalah . . . .
Diketahui:
mR
= 30 kg, WR = m.g ↔ WR = 30.10 = 300 N (ingat g = 10 m/s2)
mH
= 25 kg, WH = m.g ↔ WH = 25.10 = 250 N
𝓁R = 0,5 m
Ditanya:
𝓁H.
. ..?
Jawab:
Disini
berat ridwan lebih besar dari pada berat
Hamid, sehingga Ridwan sebagai titik
beban dan Hamid sebagai titik kuasa. Sehingga:
W.𝓁b = F.𝓁k
300.
0,5 = 250.𝓁H
0,6
= 𝓁H
Sehingga
Hamid harus duduk pada jarak 0,6 m dari titik tumpu.
2.
Katrol
Katrol
merupakan sebuah pesawat sederhana yang terdiri dari roda beralur, dimana
seutas tali/rantai bisa bergerak ulang alik.
Macam
– macam katrol
Contoh
soal:
Perhatikan
gambar!
Seorang anak yang menaiki flying fox seperti gambar. Jika massa anak 30 kg. Berapa gaya minimal untuk mengangkat anak tersebut? g = 10 m/s2
Diketahui:
m = 30 kg ↔ W = m.g
W
= 30.10
W
= 300 N
Ditanya
F . . ..?
Jawab:
KM
=2
W/F
= 2
W
= 2F
300
= 2.F
300/2
= F
150
= F
Jadi gaya yang diperlukan untuk mengangkat anak tersebut adalah 150 N.
Pak Aldi menimba air di sumur dengan menggunakan katrol tetap. Jika berat ember dan air adalah 100 N, berapakah gaya tarik yang dikerjakan Pak Aldi?
Diketahui: W = 100 N
Ditanya: F . ...?
Jawab:
Konsep katrol yang dipakai oleh pak Aldi adalah katrol tetap sehingga keuntungan mekanisnya satu (KM = 1), sehingga besarnya gaya kuasa = beban (F = W).
Jadi gaya tarik yang dikerjakan Pak Aldi adalah 100 N.
3. Bidang miring
Bidang miring merupakan bidang datar yang diletakkan miring dan membentuk sudut tertentu dengan terhadap lantai.
Rumus pada bidang miring:
KM
=
Keterangan
KM = keuntungan mekanik
W = berat benda (N)
F = gaya kuasa (N)
s = panjang bidang miring (m)
h = tinggi bidang miring (m)
Contoh bidang miring: sekrup (Peralatan yang memanfaatkan prinsip sekrup ialah: baut, mur, mikrometer sekrup, alat pengapit, dongkrak sekrup, tangga); baji,(prinsip baji digunakan untuk peralatan paku, pasak, peniti, jarum, pahat, pisau, kapak).
Contoh soal:
Edo hendak menaikkan peti ke atas truk yang tingginya 0,5 m dengan menggunakan papan yang panjangnya 5 meter. Jika berat peti 900 N. Tentukan:
a. Keuntungan mekanis secara teoritis!
b. gaya minimum yang diperlukan untuk menarik peti tersebut!
Diketahui: h = 2 m
s = 0,5 m
W = 900 N
Ditanya: a) KM . . .?
b) F . . . ?
Jawab:
KM = s/h
KM = 5/0,5
KM = 10
b) s/h =W/F
5/0,5 = 900/F
900.0,5 / 5 = F
90 N = F
Papan miring sepanjang 2,5 meter digunakan untuk jalur mendorong benda untuk dinaikkan ke tempat yang ketinggiannya 1,5 m. Jika gaya dorong 90 N, hitung berat benda yang didiring!
Diketahui: s = 2,5 m
h = 1,5 m
F = 90 N
Ditanyakan: W. . .?
Jawab:
W = 150 N
Untuk memperjelas konsep pesawat sederhana kalian bisa lihat vidio berikut!
B. Prinsip kerja pesawat sederhana pada otot dan rangka manusia
Pada sistem gerak manusia memiliki prinsip kerja dari tuas dimana tulang sebagai titik kuasa, sendi sebagai titik tumpu dan otot sebagai gaya. Ketika kita sedang jinjit maka, ujung telapak kaki sebagai titik tumpu, pangkal telapak kaki sebagai titik kuasa dan tengah – tengah telapak kaki sebagai titik beban.