Siap OSN (KSN) IPA SMP TAHUN 2023 : Usaha dan Energi

USAHA DAN ENERGI

A.     Pengertian energi

Dalam ilmu fisika, energi didefinisikan sebagai kemampuan untuk melakukan usaha. Satuan energi dalam Sistem Internasional (SI) adalah joule, disingkat J. Dalam bidang kedokteran, atau teknologi pangan, energi sering dinyatakan dalam satuan kalori atau kilokalori. Hubungan antara kalori dan joule dinamakan tara kalor mekanik.

1 kalori = 4, 185 joule ≈  4,2 joule

1 joule ≈ 0,24 kalori

B.      Bentuk-bentuk energi

1.       Energi mekanik

Energi kinetik : energi yang dimiliki oleh suatu benda karena geraknya. Energi kinetik suatu benda besarnya berbanding lurus dengan massa benda dan kuadrat kecepatannya, atau tepatnya dirumuskan :

E_k = ½ mv²

m : massa benda (kg)

v : kecepatan benda (m/s)

E_K : energi kinetik benda (kg.m²/s²) atau {(kg.m/s²).(m)} atau (N.m) atau (joule) atau (J)

Energi Potensial Gravitasi : energi yang dimiliki oleh suatu benda bermassa karena letaknya terhadap sumber medan gravitasi (misal terhadap bumi), karena adanya gaya gravitasi.  Letak suatu benda bermassa terhadap sumber medan gravitasi bergantung pada titik acuan. Untuk suatu daerah/tempat dimana gravitasi bumi dianggap konstan, titik acuan biasanya permukaan bumi.

Energi potensial gravitasi besarnya berbanding lurus dengan massa benda, letak ketinggian benda, dan gravitasi setempat, yang dirumuskan :

E_p = mgh

m : massa benda (kg)

g : percepatan gravitasi (m/s²)

h : ketinggian benda terhadap titik acuan (m)

E_P : energi potensial gravitasi benda {(kg).(m/s²).(m)} atau (N.m) atau (joule) atau (J)

Energi mekanik = energi potensial + energi kinetik

E_M = E_p + E_k = mgh + ½mv²

Hukum Hooke:

Sebuah pegas jika ditarik/ditekan dengan gaya luar F (atau gaya pegasnya F_pegas),sehingga panjangnya bertambah/berkurang sebesar X, selama pegasnya masih elastis maka besar perubahan panjang pegas berbanding lurus dengan besar gaya tersebut, sering diungkapkan dalam persamaan:

F_pegas = -kx  (tanda negatif menyatakan arah gaya pegas berlawanan dengan arah simpangan)

Dengan:

F_pegas : gaya (N)

F :perubahan panjang pegas (m)

x : konstanta gaya pegas (N/m)

Energi potensial elastis : energi yang dimiliki suatu benda bermassa terhadap titik acuan karena adanya gaya elastis / gaya pegas. Titik acuannya biasanya titik kesetimbangan.

Energi potensial pegas dirumuskan:

                                                 E_p = ½kx²

Energi potensial listrik : energi yang dimiliki oleh suatu benda bermuatan listrik karena letaknya terhadap sumber medan listrik, karena adanya gaya listrik. Energi potensial listrik akan dibahas secara khusus pada pokok bahasan Listrik Statis.

Energi mekanik = energi kinetik + energi potensial

2.       Energi panas (kalor) : energi yang dihasilkan oleh energi kinetik partikel-partikel penyusun benda. Makin tinggi suatu benda partikel-partikel penyusun benda akan bergerak semakin cepat, energi kinetik partikel-partikel semakin besar, energi panas benda semakin besar.

3.       Energi Listrik

Energi listrik sebenarnya adalah energi potensial listrik yakni energi yang dimiliki oleh suatu benda bermuatan listrik karena letaknya terhadap sumber medan listrik, karena adanya gaya listrik. Batere dan aki adalah contoh sumber energi listrik. Muatan-muatan listrik dapat disimpan pada baterai dan aki, muatan-muatan tersebut menyimpan energi yang dinamakan energi potensial listrik atau energi listrik.

4.       Energi kimia : energi yang berasal dari reaksi kimia senyawa-senyawa. Misalnya energi yang tersimpan di dalam bahan makanan, minuman, bahan bakar minyak, batu bara, kayu,dll. Sebenarnya energi yang tersimpan tersebut adalah energi potensial juga.

5.       Energi bunyi : energi yang dihasilkan oleh benda-benda yang bergetar. Misal : senar bergetar, membran selaput suara bergetar, permukaan drum/bedug bergetar, dll. Jika suatu benda bergetar maka benda pasti memiliki energi kinetik dan energi potensial elastis, dengan demikian energi bunyi termasuk energi mekanik (memiliki energi kinetik dan energi potensial).

6.       Energi cahaya : energi yang dihasilkan oleh adanya radiasi gelombang elektromagnetik pada  frekuensi dan panjang gelombang cahaya tampak. Misal cahaya dari lampu pijar, cahaya dari matahari, dll.

C.     Hukum Kekekalan Energi Mekanik

Hukum kekekalan energi : energi tidak dapat diciptakan, tidak dapat dimusnahkan, energi hanya dapat berubah bentuk dari bentuk yang satu ke bentuk yang lain.

Jika sebuah benda dijatuhkan dari tempat yang sangat tinggi, maka ketinggian benda berkurang (berarti energi potensial gravitasi berkurang), namun kecepatan benda bertambah (berarti energi kinetik benda bertambah). Sebaliknya jika benda dilempar vertikal ke atas, maka energi potensial gravitasi bertambah, namun energi kinetiknya berkurang. Dari contoh tersebut jumlah antara energi kinetik dengan energi potensial gravitasinya ( energi mekanik) tetap. Jika diungkapkan dalam persamaan :

Energi mekanik = tetap

Energi mekanik awal = Energi mekanik akhir

E_k1 + E_p1 = E_k2 + E_p2

½mv₁² + mgh₁ = ½mv₂² + mgh₂

(Hukum Kekekalan Energi Mekanik pada kasus medan gravitasi)

Latihan Soal

1.     Untuk meningkatkan laju sebuah benda menjadi 2 kali lajunya semula diperlukan usaha sebesar . . . .

A.     4 kali energi kinetiknya mula-mula

B.     3 kali energi kinetiknya mula-mula

C.     2 kali energi kinetiknya mula-mula

D.     1 kali energi kinetiknya mula-mula

 

2.     Mobil yang massanya 1500 kg sedang bergerak dengan laju 36 km/jam di jalan datar dan lurus. Mobil dipercepat hingga lajunya menjadi 72 km/jam. Usaha yang dipergunakan untuk mempercepat mobil tersebut adalah … .

A.     22 500 joule

B.     31 500 joule

C.     37 500 joule

D.     225 000 joule

3.     Ali yang tubuhnya bermassa 60 kg ingin menaiki tangga dari lantai A ke lantai B yang berjarak 75 m. Jika percepatan gravitasi bumi di tempat tersebut 10 m/s², maka usaha yang dilakukan oleh Ali sebesar ....

4.     Sebuah arena loncat indah menggunakan alas berpegas sebagai pemberi gaya dorong ke atas terhadap atlet untuk memulai loncatan. Pada saat seorang atlet melompat ke atasnya dengan gaya 500 N, pegas memendek sepanjang 4 cm. Besar energi potensial yang diberikan pegas untuk mendorong atlet itu adalah :

A.     20

B.     10 joule

C.     5 joule

D.     2 joule

 

5.     Sebuah balok 150 g digantung pada pegas yang konstanta pegasnya 10 N/m di atas lantai seperti ditunjukkan pada gambar di bawah.

Mula-mula balok ditahan pada posisi pegas dalam keadaan tidak teregang. Pada keadaan ini jarak antara permukaan balok dengan lantai 10 cm. Kemudian balok dilepas. Kecepatan balok ketika menumbuk lantai adalah .... (anggap g = 10 m/s²).

A.     ⅔√3 m/s

B.     ⅓√3 m/s

C.     ½√3 m/s

D.    2√3 m/s

6.     Sebuah pegas digantung bebas. Saat diberi beban 500 gram pegas bertambah panjang 5 cm. Konstanta pegas dan energi potensial pegas tersebut adalah … .

A.     75 N/m dan 0,600 J

B.     80 N/m dan 0,100 J

C.     100 N/m dan 0,125 J

D.     125 N/m dan 0,230 J

7.     Benda 0,6 kg diletakkan pada salah satu ujung pegas yang konstanta pegasnya 100 N/m dan ujung pegas lainnya melekat pada statif. Benda ditarik 8 cm kemudian dilepaskan sehingga bergetar. Saat pegas menyimpang 2 cm dari titik seimbang, energi kinetik benda adalah … .

A.     0,34 joule

B.     0,3 joule

C.     0,32 joule

D.     0,64 joule

8.     Sebuah benda memiliki energi mekanik tetap, energi kinetik semakin besar, dan energi potensial gravitasi semakin kecil.

Benda tersebut dalam keadaan  . . . .

A.     diam

B.     bergerak ke bawah

C.     bergerak ke atas

D.     bergerak ke atas dipercepat

9.     Jika sebuah balok bergerak menuruni bidang miring kasar, maka … .

A.     usaha gaya gravitasi pada balok lebih besar dari perubahan energi potensial balok

B.     energi mekaniknya bertambah

C.     jumlah energi kinetik dan energi potensialnya berkurang

D.     usaha gaya gesek sama dengan perubahan energi kinetik balok

10.  Sebuah kubus yang massanya M₁ = 600 gram meluncur dengan laju awal nol pada sebuah talang berbentuk seperempat lingkaran berjari-jari 20 cm dari titik A ke Titik B. Karena permukaan talang kasar, energi mekanik benda ketika sampai di B berkurang 20%. Dari titik B kubus melanjutkan geraknya pada bidang datar licin yang berujung di titik C yang terletak 1 meter di atas permukaan tanah. Akhirnya kubus jatuh ke tanah. 

Jika percepatan gravitasi g = 10 ms^-2, maka jarak horizontal yang dicapai kubus setelah lepas dari titik C adalah … .

A.     80 cm

B.     20√10  cm 

C.     70 cm

D.     6√10 cm

11.   Sebuah keping persegi panjang yang panjangnya P, lebarnya L dan massanya m, mula-mula berdiri vertikal pada lantai datar dengan bagian panjang sejajar lantai. Usaha untuk mengubah posisi keping agar lebarnya sejajar lantai adalah … .

A.     mgL/2

B.     mgP/2

C.     mg(P-L)/2

D.     mg(P-L/2)

 

 

Share this post