BAB USAHA DAN ENERGI

Transkripsi

1 BAB USAHA DAN ENERGI. Seorang anak mengangkat sebuah kopor dengan gaya 60 N. Hitunglah usaha yang telah dilakukan anak tersebut ketika: (a anak tersebut diam di tempat sambail menyangga kopor di atas kepalanya. (b anak tersebut mengangkat kopor dan bergerak sejauh 0 meter. (a Ketika anak mengangkat kopor di atas kepala tetapi diam di tempat: F 60 N, s 0 Maka W F s (60 N (0 W 0 (b Ketika bergerak sejauh 0 m F 60 N, s 0 m Maka W F s (60 N (0 m W 600 joule Perhatikan: Pada kasus (a, walaupun anak pada kasus (b mengeluarkan keringat untuk menahan kopor di atas kepalanya, tetap ia dikatakan tidak melakukan usaha.. Sebuah kereta mainan ditarik oleh seorang anak kecil dengan gaya sebesar 5 N dengan arah membentuk sudut Jika kereta mainan tersebut bergerak sejauh 0 m, berapakah usaha yang telah dilakukan oleh anak kecil tersebut? Dengan menggunakan Persamaan (5., diperoleh W F s cos (5 N (0 m cos J 3. Seorang siswa yang sedang berdiri di dekat jendela pada lantai 4 sebuah gedung bertingkat memegang sebuah buku teks fisika yang cukup berat, yang massanya kg. Ia menahan buku tersebut dengan tangannya sehingga ia merasakan lelah pada otot lengannya (lihat gambar. (a Berapakah usaha yang dilakukan siswa tersebut ketika menahan buku tersebut dengan lengannya selama menit? (b Berapakah usaha yang dilakukan oleh gaya gravitasi pada saat buku tersebut dijatuhkan gravitasi pada saat buku tersebut dijatuhkan oleh siswa dan bergerak ke bawah sejauh 4 m? (a Meskipun siswa tersebut merakan lelah pada ototnya ketika menahan buku yang bermassa kg tersebut, namun dia tidak melakukan usaha pada buku tersebut, karena buku tersebut tidak

2 berpindah tempat. W F s W F (0 W 0 (b Ketika buku jatuh ke bawah, dengan mengabaikan gaya gesekan udara, maka gaya yang bekerja pada buku adalah gaya gravitasi, yang tidak lain adalah berat buku tersebut, F m g. W F s (m g s ( kg (9,8 m/s (4 m W 78,4 J 4. Tentukan besar usaha pada setiap kasus dengan metode grafik. (a Sebuah gaya sebesar 5 N bekerja pada benda sehingga menyebabkan benda berpindah sejauh 5 meter. (b Sebuah gaya yang besarnya berubah-ubah bekerja pada sebuah benda, menyebabkan benda berpindah sejauh 0 m dengan grafiknya seperti di samping (a W Luas daerah yang diarsir (5 N x (5 m 75 J (b W Luas daerah yang diarsidr luas I + luas II (6 N (5 m + (6 N (5 m 5 m 75 J 5. Gaya yang diperlukan untuk menarik sebuah tali busur sampai pada jarak tertentu dari posisi awalnya dapat digambarkan dengan grafik sebagai berikut. Dari gambar tersebut tampak bahwa gaya yang diperlukan sebanding dengan jarak yang ditempuh tali busur dihitung dari posisi awalnya. Hitunglah usaha yang diperlukan untuk menarik tali busur tersebut sampai pada jarak sejauh 5 cm. Untuk menghitung besarnya usaha yang dilakukan, kita perlu menghitung luas daerah di bawah grafik. Dari grafik tampak bahwa pada saat jarak tali busur 30 cm, gaya yang

3 dikerjakan sama dengan 00 N. Bayangkan sebuah segitiga siku-siku yang panjang alasnya 5 cm dan tingginya 00 N. Maka, usaha yang dilakukan sama dengan W (0,5 m (00 N,5 J 6. Sebuah balok kayu yang besar didorong oleh 3 orang. Orang pertama mendorong dengan gaya F 00 N, orang kedua dengan gaya F 50 N, dan orang ketiga dengan gaya F 3 00 N. Hitung total usaha yang dilakukan oleh ketiga orang tersebut bila balok berpindah sejauh 6 meter. Cara pertama adalah dengan menghitung usaha yang dilakukan oleh masing-masing orang, Orang pertama : W F s (00 N (6 m 600 J Orang kedua : W F s (50 N (6 m 900 J Orang ketiga : W F s (00 N (6 m 00 J Usaha total W total W + W + W J J + 00 J 700 J Cara kedua dengan menghitung resultan gaya ketiga orang tersebut F total F + F + F 00 N + 50 N + 00 N F total 450 N Dengan menggunakan Persamaan (5.3 didapatkan W total F total s (450 N (6 m 700 J W total 7. Dua anak sedang berebut untuk memindahkan sebuah peti ke tempat sesuai dengan yang mereka inginkan. Akhirnya keduanya memutuskan untuk menarik peti tersebut dengan tali ke kanan, sedangkan anak kedua ingin memindahkan peti ke kiri, seperti tampak pada gambar. Akhirnya, peti berpindah sejauh 5 m ke kanan. Hitung usaha masing-masing anak. Berapakah usaha totalnya? 3 Penyelesaian Usaha anak pertama W F s (300 N (5 m W 500 J Usaha anak kedua W F s (60 N (-5 m J W

4 Tanda minus pada perpindahan menandakan bahwa perpindahan benda berlawanan arah dengan gaya yang dilakukan anak kedua. Usaha total kedua anak: W total W + W (500 J + (- 300 J 00 J W total 8. Sebuah benda bermassa kg berada pada ketinggian 5 m di atas tanah. Berapakah energi potensial gravitasinya? (g 0 m/s Jika dalam soal kita tidak diminta menghitung energi potensial gravitasi terhadap bidang acuan tertentu, biasanya dianggap bahwa bidang acuan yang digunakan adalah permukaan tanah. EP mgh ( kg (0 m/s (5 m EP 800 J 9. Sebuah benda bermassa m 50 kg dilemparkan dengan kecepatan awal sama dengan nol. Berapakah energi kinetik benda pada saat kecepatannya 8 m/s? EK mv (50 kg (8 m/s EK 600 J 0. Sebuah batu bermassa 0,4 kg dilempar vertikal ke atas dengan kelajuan awal 0 m/s. Hitung: (a energi potensial gravitasi batu ketika berada di puncak lintasannya, (b energi kinetik benda ketika sesaat sebelum menumbuk tanah. (g 0 m/s (a Pada saat berada di puncak lintasan, kelajuan benda v P 0. Dengan menggunakan rumus v v 0 -g -0 m/s ah v ( 0 m/s h 0 P v 0, dengan a g 0 m/s (0m / s h 0 m Berarti, ketinggian maksimum batu adalah h 0 m, sehingga energi potensial gravitasi yang dimiliki pada ketinggian maksimum ini adalah EP mgh (0,4 kg(0 m/s EK 80 J (b Batu akan menumbuk tanah dengan kecepatan yang sama dengan kecepatan awalnya, yaitu 0 m/s. Dengan demikian, energi kinetiknya pada saat itu adalah EK mv (0,4 kg(0 m/s EK 80 J 4

5 . Hitunglah energi potensial elastik sistempegas berikut. Jika massa 5 kg digantungkan pada pegas ke tiga, pertambahan panjang total ketiga pegas sama dengan cm. Sesuai Persamaan (7 + + k k k 4k s k s 7 4k 4 k s k 7 Berdasarkan hukum Hooke F kx mg k s x (5 kg (9,8 m/s 7 4 k ( x 0 - m k 780 N/m Berdasarkan Persamaan (5.6, energi potensial pegas EP kx Karena ketiga pegas disusun seri, maka konstanta gaya pegas totalnya sama dengan 7 4 atau k s k k 4 7 s k 4 k s (780 N/m 445,7 N/m 7 EP k s x (445,7 N/m ( x0 m EP,7 J. Sebuah hukum bermassa 5 kg jatuh menggelinding pada suatu lereng bukit dengan kecepatan awal sama dengan nol, seperti ditunjukkan pada gambar. Hitunglah EP dan EK batu ketika berada pada ketinggian 0 m, 5 m, 0 m, 5 m, dan di permukaan datar B. 5 Pada ketinggian h 0 m, kecepatan batu sama dengan nol, sehingga satu-satunya energi mekanik yang dimiliki batu adalah energi potensialnya.

6 EP 0 m mgh 0 m (5 kg (9,8 m/s (0 m EP0 m 980 J Energi kinetik EK 0 m 0 karena kecepatan batu sama dengan nol. Berarti, pada ketinggian 0 m ini energi mekanik batu adalah EM EP + EK EM 980 J Pada ketinggian h 5 m, EP mgh 5 m 5 m (5 kg (9,8 m/s (5 m EP0 m 735 J Energi kinetik EK 5 m dapat kita hitung dengan menggunakan persamaan umum utuk energi mekanik. EM EP + EK EK EM EP Dengan demikian, EK EM EP 5 m 5 m 980 J J EK5 m 45 J Dengan cara yang sama seperti di atas untuk ketinggian-ketinggian yang lain, akan kita peroleh tabel EP, EK, dan EM untuk masing-masing ketinggian seperti berikut. h EP EK EM EP + EK 0 m 980 J J 5 m 735 J 45 J 980 J 0 m 490 J 490 J 980 J 5 m 45 J 735 J 980 J 0 m 0 J 980 J 980 J 3. Sebuah batu yang massanya,5 kg dijatuhkan dari atas sebuah bangunan yang tingginya 0 m (liaht gambar 6 Hitunglah: (a Energi potensial gravitasi dan energi kinetik batu pada saat dijatuhkan. (b Energi potensial gravitasi dan energi kinetik batu pada saat batu di posisi setengah perjalanannya ke tanah. (c Energi potensial gravitasi dan energi kinetik batu pada saat mencapai tanah. (d Kelajuan batu ketika menumbuk tanah. (a Energi potensial gravitasi: EP mgh (5 kg (9,8 m/s (0 m EP 47 J

7 Energi kinetik: EK mv (5 kg (0 EK 0 (b Karena energi yang dimiliki batu bersifat kekal, maka total energi potensial dan energi kinetiknya selalu tetap. Ketika batu berada di setengah perjalanan, berarti ketinggiannya 5 m. Energi potensial gravitasi : EP mgh (,5 kg (9,8 m/s (5 m EP 73,5 J (c Pada saat berada sampai di tanah, energi total yang dimiliki batu adalah tetap, yaitu 47 J. Energi potensial gravitasi: EP mgh (,5 kg (9,8 m/s (0 m EP 0 J Energi kinetik: EP + EK 47 J 0 + EK 47 j EK 47 J (d Ada dua cara untuk menjawab soal ini. Cara : Dari jawaban (c kita dapatkan EK 47 J EK mv 47 J (,5 (v 47 v 96 v 4 m/s Cara : Kita asumsikan posisi awal batu saat akan dijatuhkan sebagai kedudukan dan posisi akhir batu di tanah sebagai kedudukan. Sesuai hukum kekekalan energi mekanik: EP + EK EP + EK mgh v v v v + gh mv gh 4 m/s (9,8(0 mgh + mv 4. Dua buah balok bermassa m dan m yang awalnya diam diikatkan pada tali ringan melalui sebuah katrol yang licin. Hitung kelajuan balok jika balok yang lebih berat telah bergerak sejauh h ke bawah. (Peralatan seperti pada gambar ini disebut mesin Atwood, yang digunakan untuk mengukur percepatan gravitasi Bumi pada abad 8. 7

8 Pada awalnya, kelajuan awal balok sama dengan nol (v 0, dan kita pilih energi potensial di titik awal sama dengan nol. Dengan demikian, energi mekanik awal: EM akhir mv + mv + mgh m gh Karena EM akhir EM awal, maka mv + mv + mgh m gh 0 ( m + m v ( m m gh ( m m v gh ( m + m Untuk pengukuran percepatan gravitasi Bumi, digunakan persamaan gerak untuk percepatan konstan v v0 v h v ah a a ( m m Jadi : v gh ( m + m ( m m ah gh ( m + m ( m m a g ( m + m ( m + m atau g a ( m m Dalam percobaan, nilai a diukur sehingga nilai g bisa dihitung 5. Sebuah balok kecil bermassa 0,3 kg bergerak pada sebuah lantai yang licin (gesekan diabaikan dengan kelajuan,5 m/s (lihat gambar. 8 Balok tersebut akhirnya menumbuk sebuah pegas yang memiliki konstanta pegas 3,0 x 0 3 N/m. (a Berapakah energi mekanik total yang dimiliki oleh sistem balok-pegas ini? (b Berapakah energi kinetik balok ketika pegas tertekan sejauh cm? (a Sebelum balok mengenai pegas, energi mekanik total yang dimiliki sistem sama dengan energi kinetik balok. EM EK balok mv (0,3 kg(,5 m/s EM 0,94 J

9 (b Ketika pegas tertekan sejauh x cm 0,0 m, maka energi potensial yang dimiliki pegas dapat kita hitung dengan Persamaan (5.6 EP kx Sesuai dengan hukum kekekalan energi mekanik, EP + EK EP + EK 0 + 0,94 J kx + EK Perhatikan bahwa dalam persamaan diatas, EP 0 karena pegas berada dalam posisi awal tidak tertekan. Persamaan di atas bisa kita selesaikan 0,94 J kx + EK 3 0,94 J (3,0 x 0 N/m (0,0 + EK EK 0,94 J - 0,5 J EK 0,79 J 6. Berapakah kelajuan awal yang harus dimiliki oleh sebuah satelit pada saat diluncurkan dari permukaan Bumi agar satelit tersebut dapat lepas dari pengaruh gaya gravitasi Bumi? Untuk bisa lepas dari pengaruh gravitasi Bumi, satelit harus memiliki energi kinetik yang cukup besar sehingga bisa mencapai jarak yang tak terhingga dari Bumi. Satelit harus memiliki energi kinetik awal yang sangat besar untuk melawan gaya tarik Bumi. Kecepatan awal minimum satelit yang berkaitan dengan usahanya untuk bisa lepas dari pengaruh gravitasi Bumi disebut kecepatan lepas (escape velocity. Kita tinjau posisi awal satelit sebagai kedudukan dan posisi akhir satelit di jarak tak terhingga sebagai kedudukan. EM EM EP + EK EP + EK EP adalah energi potensial awal. Titik h 0 harus kita tentukan di pusat Bumi, sehingga EP adalah energi potensial satelit di permukaan Bumi. Besar energi potensial EP dapat dituliskan sebagai GM B M s EP RB Dengan G konstanta gravitasi Bumi, M B massa Bumi, m s masa satelit, dan R B jarijari Bumi. Di kedudukan akhir, energi kinetik saltelit EK 0 karena kita asumsikan satelit berhenti, sedangkan energi potensial satelit EP 0 karena sudah tidak ada lagi pengaruh gravitasi Bumi. Sesuai hukum kekekalan energi mekanik, maka bisa dituliskan bahwa EM EM GM Bms msv R msv v GM + R GM R B B B B B m s 9

10 Jika kita masukkan nilai-nilai untuk G 6,67 x 0 - N m kg -, M B 5,98 x 0 4 kg dan R B 6,37 x 0 6 m maka akan kita peroleh v, km/s 7. Sebuah mesin pengerek (lihat gambar digunakan untuk mengangkat sebuah benda bermassa 00 kg dengan kelajuan konstan 0 cm/s. Berapakah daya yang dimiliki oleh mesin tersebut dinyatakan dalam satuan watt dan horsepower? 0 Dalam soal ini kecepatan sudah diketahui, sehingga kita bisa langsung menggunakan Persamaan (5. alih-laih Persamaan (5.0 P Fv Dalam kasus ini, gaya yang bekerja adalah gaya berat benda, yaitu F mg. Dengan demikian P mgv (00 kg (9,8 m/s (0 cm/s (00 kg (9,8 m/s (0, m/s P 98 W Dengan faktor konversi hp 746 watt, maka P (98 W ( hp/746w P 0,3 hp 8. Dua buah alat penyedot debu (vacuum cleaner memiliki daya masing-masing hp dan 0,5 hp. (a berpakah usaha yang dapat dilakukan masing-masing alat ini dalam waktu 3 menit dinyatakan dalam satuan joule? (b jika untuk menyedot debu dalam suatu ruangan kedua alat ini melakukan usaha 97 kj, berapakah lama waktu yang diperlukan oleh masing0masing alat ini untuk menyelesaikan pekerjaan tersebut? Keuda alat memiliki daya yang dinyatakan dalam satuan hp. P hp 746 W P 0,5 hp 373 W (a Dari Persamaan (5.0, kita bisa menghitung usaha yang dilakukan masing-masing alat. W P t ( hp (3 menit (746 W (80 s,34 x 0 5 J W P t (0,5 hp (3 menit (373 W (80 s 0,67 x 0 5 J Perhatikan bahwa alat yang dayanya lebih kecil melakukan usaha yang lebih kecil juga. (b Untuk menghitung waktu yang diperlukan, kita menggunakan Persamaan (0 3 W 97 x 0 J t 30 s P 746 J 3 W 97 x 0 J t 60 s P 373 W Perhatikan bahwa alat yang dayanya lebih kecil melakukan usaha dalam waktu yang lebih lama.

11 9. Sebuah mesin yang efisiensinya 80% memiliki daya masukan 600 W. Berapa besarkah kerja yang bisa dilakukan mesin ini dalam waktu 30 sekon? Karena efisiensi dan daya masukan diketahui, maka kita bisa menghitung daya output. P out P in P out (80 % (600 W P out 480 W Kerja output yang dilakukan kita hitung dengan persamaan W out (480 W (30 s W out,4 x 0 4 J