fisika kelas x: usaha dan energi
DESCRIPTION
Materi KBM-on 1000guru.net (http://kbm-on.1000guru.net) Fisika Kelas X: Usaha dan EnergiTRANSCRIPT
Fisika Kelas X 1000guru.net 1 Fisika Kelas X 1000guru.net 1
Usaha dan Energi
• Konsep Usaha/Kerja dan Daya dalam Fisika
• Hubungan Usaha dan Energi
• Hukum Konservasi Energi
Fisika Kelas X 1000guru.net 2 Fisika Kelas X 1000guru.net 2
Usaha dan Energi dalam Fisika
Usaha/kerja di dalam fisika bukanlah usaha yang terkait dengan “mencari nafkah”
Usaha dalam fisika terkait dengan perubahan energi
Fisika Kelas X 1000guru.net 3 Fisika Kelas X 1000guru.net 3
Definisi Usaha (oleh gaya konstan)
𝐹
𝑑
Usaha adalah perkalian dari gaya konstan yang sejajar dengan arah perpindahan benda.
𝑊 = 𝐹. 𝑑 W : work
d : distance
𝐹 𝛼
𝐹cos𝛼 𝑊 = 𝐹cos𝛼 . 𝑑
Fisika Kelas X 1000guru.net 4 Fisika Kelas X 1000guru.net 4
Definisi Usaha • Satuan Usaha:
Sistem Internasional (SI) atau MKS: Joule Sistem CGS: erg
1 joule = 107erg
• Jika ada beberapa gaya yang bekerja pada sebuah benda, maka total usaha yang dilakukan pada benda tersebut adalah jumlah dari usaha yang dilakukan setiap gaya.
𝐹1 𝐹2
𝐹3
𝑑
𝑊 = 𝐹1cos 𝛼 . 𝑑 + 𝐹2 cos 𝛽 . 𝑑 + 𝐹3 cos 𝛾 . 𝑑
Fisika Kelas X 1000guru.net 5 Fisika Kelas X 1000guru.net 5
Contoh Soal #1:
Sebuah balok berada bidang datar. Karena pengaruh gaya 140 N, balok tersebut mengalami perpindahan mendatar sejauh 5 m, berapa usaha yang dilakukan pada balok ini apabila:
(a) Gaya mendatar (b) Gaya membentuk sudut 60o terhadap bidang datar
Jawab:
(a) 𝑊 = 𝐹 . 𝑑 = 140 N × 5 m = 700 joule
(b) 𝑊 = 𝐹 cos 𝛼 . 𝑑 = 140 cos 60∘ ×5 = 140.1
2× 5 = 350 joule
Fisika Kelas X 1000guru.net 6 Fisika Kelas X 1000guru.net 6
Contoh Soal #2:
Gaya sebesar 40 N bekerja pada sebuah benda dan menyebabkan benda berpindah tempat sejauh 80 cm pada bidang datar. Jika usaha yang dilakukannya adalah 25,6 joule, berapakah sudut yang dibentuk gaya terhadap bidang?
Jawab:
𝑊 = 𝐹 cos 𝛼 . 𝑑
cos 𝛼 =𝑊
𝐹. 𝑑 =
25,6 joule
40 N × 0,8 m
Gunakan satuan SI
=25,6
32= 0,8
𝛼 = 37∘
5
4
3
37o
cos 37∘ =4
5= 0,8
Fisika Kelas X 1000guru.net 7 Fisika Kelas X 1000guru.net 7
Usaha dan Daya
Daya adalah usaha yang dilakukan tiap satuan waktu.
𝑃 =𝑊
𝑡
P : power
t : time
Satuan:
Daya watt
Usaha joule
Waktu sekon
Selain watt, ada beberapa satuan non-SI yang sering digunakan untuk menyatakan daya
1 hp = 1 DK = 1 PK = 746 watt (hp = horse power, DK = daya kuda, PK = paarden kracht)
Ada juga satuan usaha non-SI selain erg, yaitu kwh.
1 kwh = 1 kilowatt hour = 1000 watt . 3600 sekon = 3,6 x 106 joule
Fisika Kelas X 1000guru.net 8 Fisika Kelas X 1000guru.net 8
Contoh Soal #3:
Sebuah mesin pengangkat barang dapat mengangkat balok yang massanya 3 ton setinggi 10 meter dalam waktu 20 detik. Berapa daya mesin tersebut jika percepatan gravitasi 10 m/s2?
Jawab: Usaha yang dilakukan di sini terkait perpindahan ke arah vertikal untuk melawan gaya berat. Untuk menghitung daya, kita hitung dulu usaha ini.
𝑑 F = m . g
𝑊 = 𝐹. 𝑑 = 𝑚𝑔𝑑
= 3000 kg . 10 m/s2. 10 m
= 300.000 joule
Daya:
Fisika Kelas X 1000guru.net 9 Fisika Kelas X 1000guru.net 9
Definisi Energi
• Suatu sistem dikatakan mempunyai energi jika sistem tersebut mempunyai kemampuan untuk melakukan usaha.
• Besarnya energi suatu sistem sama dengan besarnya usaha yang mampu ditimbulkan oleh sistem tersebut. Satuan energi sama dengan satuan usaha (joule)
• Prinsip usaha-energi
Usaha adalah transfer energi yang dilakukan oleh gaya-gaya yang bekerja pada benda).
• Beberapa macam energi: energi mekanik (kinetik + potensial), energi panas, energi listrik, nuklir, dll…
Fisika Kelas X 1000guru.net 10 Fisika Kelas X 1000guru.net 10
Energi kinetik
Energi kinetik: energi yang dimiliki oleh setiap benda yang bergerak dengan kecepatan tertentu.
𝑎 =𝑣2 − 𝑣1
𝑡 𝑑 = 𝑣 . 𝑡 =
𝑣1 + 𝑣22
. 𝑡
𝑣1
Dari pelajaran kinematika, kita bisa hitung percepatan dan perpindahan:
Lalu, bagaimana merumuskan energi kinetiknya?
posisi mula-mula
𝑑
𝑣2 posisi akhir
Fisika Kelas X 1000guru.net 11 Fisika Kelas X 1000guru.net 11
Energi kinetik
𝑎 =𝑣2 − 𝑣1
𝑡 𝑑 = 𝑣 . 𝑡 =
𝑣1 + 𝑣22
. 𝑡
𝑣1
𝑑
𝑣2
Modifikasi rumus 𝑑:
𝑑 =𝑣1 + 𝑣2
2.𝑣2 − 𝑣1
𝑎
Modifikasi rumus 𝑎 untuk dapatkan 𝑡:
𝑡 =𝑣2 − 𝑣1
𝑎
posisi mula-mula posisi akhir
Fisika Kelas X 1000guru.net 12 Fisika Kelas X 1000guru.net 12
Energi kinetik
𝑣1
𝑑
𝑣2
𝑑 =𝑣1 + 𝑣2
2.𝑣2 − 𝑣1
𝑎 =
(𝑣2)2 − (𝑣1)
2
2𝑎
2𝑎. 𝑑 = 𝑣22 − 𝑣1
2
𝐹. 𝑑 =𝑚
2(𝑣2
2 − 𝑣12)
→ 2𝐹
𝑚. 𝑑 = 𝑣2
2 − 𝑣12
𝑊 =1
2𝑚𝑣2
2 −1
2𝑚𝑣1
2
posisi mula-mula posisi akhir
Fisika Kelas X 1000guru.net 13 Fisika Kelas X 1000guru.net 13
Energi kinetik
𝑣1 𝑣2
𝑊 =1
2𝑚𝑣2
2 −1
2𝑚𝑣1
2
𝐸𝐾 =1
2𝑚𝑣2
= 𝐸𝐾2 − 𝐸𝐾1
Energi kinetik: energi yang dimiliki oleh setiap benda bermassa yang bergerak dengan kecepatan tertentu.
posisi mula-mula posisi akhir
𝑊 = 𝐸𝐾2 − 𝐸𝐾1 Transfer usaha energi kinetik
Fisika Kelas X 1000guru.net 14 Fisika Kelas X 1000guru.net 14
Contoh Soal #4:
Berapa besar energi kinetik suatu benda yang bergerak dengan kecepatan 20 m/s jika massa benda 1000 kg? Berapa usaha konstan yang perlu diberikan pada benda tersebut agar dapat berhenti?
Jawab: 𝐸𝐾 =1
2𝑚𝑣2 =
1
2(1000)(202)
= 500 × 400 = 𝟐𝟎𝟎. 𝟎𝟎𝟎 𝐣𝐨𝐮𝐥𝐞
𝑊 = 𝐸𝐾2 − 𝐸𝐾1
Usaha:
(akhir) (mula-mula) Keadaan akhir: berhenti 𝑣2 = 0 𝐸𝐾2 = 0 joule
Keadaan mula-mula: bergerak 𝑣1 = 20 m/s 𝐸𝐾1 = 200.000 joule
= 0 − 200.000 = −𝟐𝟎𝟎. 𝟎𝟎𝟎 𝐣𝐨𝐮𝐥𝐞 (usaha oleh gesekan bernilai negatif)
Fisika Kelas X 1000guru.net 15 Fisika Kelas X 1000guru.net 15
Sebuah benda dengan massa sebesar M bergerak di atas lantai kasar dengan kecepatan mula-mula sebesar 10 m/s. Jika besarnya koefisien gesekan 0,25, hitunglah jarak yang ditempuh benda hingga ia berhenti dengan asumsikan percepatan gravitasi g = 10 m/s2.
Contoh Soal #5:
Jawab:
𝑊 = 𝐸𝐾2 − 𝐸𝐾1
Usaha:
(akhir) (mula-mula) Keadaan akhir: berhenti 𝑣2 = 0 𝐸𝐾2 = 0
Keadaan mula-mula:
bergerak 𝑣1 = 10 m/s 𝐸𝐾1 =1
2𝑚𝑣1
2
=1
2𝑀 × 102 = 50𝑀
= 0 − 50𝑀 = −𝟓𝟎𝑴
• Hitung dulu usaha W = EK2 – EK1 • Dari rumus W = F.d bisa diperoleh jarak • F di kasus ini adalah gaya gesek: F = µ . N = µ . M g
𝑊 = 𝐹. 𝑑 = −𝜇.𝑀𝑔 . 𝑑 = −0,25𝑀. 10 . 𝑑 = −𝟐, 𝟓 𝑴. 𝒅
⇒ −50 𝑀 = −2,5 𝑀𝑑 ⇒ 𝒅 =𝟓𝟎
𝟐, 𝟓= 𝟐𝟎 𝐦𝐞𝐭𝐞𝐫
Fisika Kelas X 1000guru.net 16 Fisika Kelas X 1000guru.net 16
Energi potensial gravitasi
Energi potensial gravitasi: energi yang dimiliki suatu benda karena ketinggiannya di atas permukaan bumi .
ℎ1
F = m . g
ℎ2
ketinggian
mula-mula
ketinggian
akhir
𝑑
Usaha yang dilakukan di sini terkait dengan gaya gravitasi (gaya berat)
𝑊 = 𝐹. 𝑑
= 𝑚𝑔. 𝑑
= 𝑚𝑔(ℎ1 − ℎ2)
= 𝑚𝑔ℎ1 −𝑚𝑔ℎ2
𝑊 = 𝐸𝑃1 − 𝐸𝑃2
𝐸𝑃 = 𝑚𝑔ℎ
Fisika Kelas X 1000guru.net 17 Fisika Kelas X 1000guru.net 17
Sebuah tangki penampung air terletak pada ketinggian 8 m. Jika massa tanki beserta isinya 1200 kg, berapakah besarnya energi potensial tangki tersebut? Selanjutnya, jika kita ingin menyedot air dari tangki tersebut ke ketinggian 12 m selama 1 menit, berapa daya listrik yang diperlukan? (Asumsikan percepatan gravitasi 10 m/s2)
Contoh Soal #6:
Jawab: 𝐸𝑃 = 𝑚𝑔ℎ = 1200 kg × 10m s2 × 8 m
= 96.000 joule Selanjutnya, daya bisa dihitung jika diketahui usaha: 𝑊 = 𝐸𝑃1 − 𝐸𝑃2
𝐸𝑃1 awal = 96.000 joule
𝐸𝑃2 akhir = 𝑚𝑔ℎ2 = 1200 × 10 × 12 = 144.000 joule
𝑊 = 𝐸𝑃1 − 𝐸𝑃2 = 96.000 − 144.000 = −48.000 joule
𝑃 =𝑊
𝑡=48.000 joule
60 sekon Daya: = 𝟖𝟎𝟎 𝐰𝐚𝐭𝐭
Fisika Kelas X 1000guru.net 18 Fisika Kelas X 1000guru.net 18
Konservasi Energi Mekanik
Energi mekanik: kombinasi energi kinetik & energi potensial.
ℎ1
F = m . g
ℎ2
ketinggian
mula-mula
ketinggian
akhir
𝑣1
𝑣2
F = m . g
𝑊 = 𝐸𝑃1 − 𝐸𝑃2 𝑊 = 𝐸𝐾2 − 𝐸𝐾1
𝐸𝐾2 − 𝐸𝐾1 = 𝐸𝑃1 − 𝐸𝑃2
𝐸𝐾2 + 𝐸𝑃2 = 𝐸𝐾1 + 𝐸𝑃1
𝐸𝑀2 = 𝐸𝑀1 𝐸𝑀 = 𝐸𝐾 + 𝐸𝑃
Energi mekanik akhir sama seperti
Energi mekanik awal
Fisika Kelas X 1000guru.net 19 Fisika Kelas X 1000guru.net 19
Sebuah bandul didorong hingga mencapai ketinggian 1,8 m kemudian dilepaskan hingga bergerak dengan kecepatan v seperti pada gambar di bawah. Jika percepatan gravitasi 10 m/s2, maka berapakah besar kecepatan v?
Contoh Soal #7:
𝑣
Jawab: 𝐸𝐾2 + 𝐸𝑃2 = 𝐸𝐾1 + 𝐸𝑃1
Gunakan prinsip konservasi EM
Posisi 2
Posisi 1
ℎ2
ℎ1
1,8 m
1
2𝑚𝑣2 +𝑚𝑔ℎ2 = 0 +𝑚𝑔ℎ1 1
2𝑣2 + 𝑔ℎ2 = 𝑔ℎ1
1
2𝑣2 = 𝑔(ℎ1−ℎ2)
𝑣2 = 2𝑔(ℎ1−ℎ2) → 𝑣 = 2𝑔(ℎ1 − ℎ2)
𝑣 = 2 × 10 × 1,8 = 36 = 𝟔 𝐦/𝐬