bab 9 energi dan usaha - · pdf filecontoh, cahaya adalah salah ... energi mekanik hukum...

261 Bab 9 Energi dan Usaha 261

Energi dan UsahaBAB 9

A. EnergiB. Pesawat Sederhana

Sumber: http://www.nightglow.gsfc.nasa.gov

262 IPA SMP Kelas VIII

Peta

Ko

nse

p E

nerg

i da

n U

saha

Peta Konsep

en

ergi

ener

gi

pote

nsia

l

jika

ada

usah

a

dapa

t men

ghas

ilka

n

gaya

ener

gi

kine

tik

sear

ah d

enga

n

perp

inda

han

cepa

tnya

dit

entu

kan

oleh

dapa

t

beru

bah

bent

uk

mis

alny

a

men

jadi

Huk

um k

ekek

alan

en

ergi

berl

aku

daya

dipe

rmud

ah d

enga

n

pesa

wat

sed

erha

na

peng

ungk

it ka

trol

dapa

t ber

upa

roda

dan

po

ros

bida

ng

miri

ng

sekr

up

baji


Bagaimana cara kamu menggunakan energi setiap hari? Setiap aktivitas yang kamulakukan akan memerlukan pengeluaran energi yang tersimpan dalam tubuhmu. Beberapakegiatan, misalnya olah raga naik turun tangga memerlukan lebih banyak energi dibandingyang lain. Dalam Bab ini kamu akan mempelajari beberapa bentuk energi, usaha atau kerja,serta peralatan yang memudahkan kerja. Lakukan Kegiatan Penyelidikan di bawah ini, untukmenyelidiki keterkaitan aktivitas dengan penggunaan energi. Amatilah pula bagaimana kamubergantung pada sumber energi yang ada dalam dirimu.

1. Berdiri dan angkat kedua lenganmu setinggi pinggang, dan buka telapak tanganmu.Mintalah temanmu meletakkan beberapa buku pada tanganmu.

2. Angkatlah buku-buku tersebut hingga setinggi bahu, kemudian turunkan lagi tanganmu.Sekarang cobalah menahan buku tersebut.

3. Mintalah teman sekelasmu menambahkan 2 buku lagi. Ulangi kegiatan mengangkat bukutersebut.

4. Sambil tetap membawa buku, berjalanlah beberapa langkah di dalam kelas.5. Ulangilah kegiatan nomor empat, namun dengan menaiki undak-undakan yang ada di

sekolahmu.

Sumber: Dok. Penulis.

Energi dan UsahaBABBABBABBABBAB99999

Pikirkan energi yang terlibat saat kamu mencoba kegiatan berikut ini.

Kegiatan Penyelidikan

Kegiatan manakah yangmemerlukan banyak energi?Paparkan pemikiranmu, mengapakegiatan tersebut lebih banyakmemerlukan energi didalamJurnal IPAmu.


Apakah energi Itu?Kamu tentunya telah mengetahui berbagai contoh energi

yang dimanfaatkan saat ini. Hampir semua yang kamu lihatatau kerjakan melibatkan energi. Energi itu sesuatu yangagak misterius. Kamu tidak dapat menciumnya. Dalambanyak kejadian kamu tidak dapat melihatnya. Sebagaicontoh, cahaya adalah salah satu bentuk energi, dan tanpacahaya kamu tidak mampu melihat apapun. Kamu tidakdapat melihat listrik, tetapi kamu dapat melihat akibatnyasaat menyalakan lampu, dan kamu dapat merasakanakibatnya pada panas yang dihasilkan oleh kumparanpemanggang kue. Kamu tidak dapat melihat energi dalammakanan pada Gambar 9.1, tetapi kamu dapat melihat danmerasakan akibatnya ketika otot-ototmu menggunakanenergi tersebut untuk bergerak.

Energi – Penyebab PerubahanJika sebuah bola kasti terbang di udara dan memecahkan

jendela, bola tersebut jelas mengubah jendela! Ketika sebuahbenda mempunyai kemampuan mengubah lingkungannya,dikatakan benda itu memiliki energi. Bola kasti mempunyaienergi dan melakukan usaha terhadap jendela menyebabkan

Kata-kata IPAenergi

energi kinetikenergi potensialenergi mekanik

hukum kekekalan energiusahadaya

Gambar 9.1Makanan yang bergizi dan seimbangmemberikan “bahan bakar” bagi tubuh.Energi yang tersimpan dalam makanandiubah dalam bentuk yang dapatdigunakan tubuh.

Sumber: http://www.sinarharapan.co.id.

EnergiA


jendela bergerak. Singkatnya, penggunaan energimelibatkan perubahan.

Secara tradisional, energi didefinisikan sebagaikemampuan untuk melakukan usaha, yakni menyebabkansesuatu berpindah. Tetapi ketika usaha ditunjukkan, selaluada perubahan. Hubungan ini memberikan definisi umumyang berguna. Energi adalah kemampuan untukmenyebabkan perubahan.

Perubahan bentuk energiJika kamu meminta teman-temanmu untuk memberikan

contoh-contoh energi, kamu mungkin akan mendapatkanjawaban yang berbeda-beda. Beberapa diantaranyamungkin menunjuk energi dalam api. Teman lain mungkinmemberikan energi yang dibutuhkan untuk lomba lari.Energi terjadi pada berbagai bentuk yang berbeda. Apimemiliki energi panas dan energi cahaya. Lemak yangtersimpan dalam tubuhmu mengandung energi kimia.

Sebagai penyebab berubahnya benda-benda, energi itusendiri seringkali mengalami perubahan dari satu bentukke bentuk lain. Perubahan bentuk energi terjadi di sekitarmusetiap hari. Ketika mobil terletakdi tempat panas sepanjang hari,energi gelombang cahaya berubahmenjadi energi panas yangmenghangatkan bagian dalammobil itu. Dalam api unggunseperti Gambar 9.2, energi kimiadi dalam kayu berubah menjadienergi cahaya dan energi panas.Selama perubahan bentuk,misalnya saat cahaya berubahmenjadi panas, banyaknya energitetap sama. Tak ada energi yanghilang atau bertambah. Hanyabentuk energi yang berubah, bukanbanyaknya energi.

Pemanfaatan perubahanbentuk energi, lebih lanjut dapatkamu pelajari pada bagianberikutnya.

Gambar 9.2Dalam api unggun, energi kimia dalamkayu diubah, atau berubah bentuk,menjadi energi panas dan cahaya.



Energi kinetik dan potensialTelah kamu ketahui bahwa energi dapat berada

dalam berbagai bentuk, misalnya cahaya, panas, dangerak. Sekarang bayangkan sebuah batu yang diam dipuncak tebing. Apabila batu tersebut didorong danbergerak, maka batu tersebut akan jatuh, dan bergerakmakin lama makin cepat. Batu yang bergerak tersebutmemiliki energi kinetik. Pada saat batu diam di puncakbukit, batu tersebut memiliki energi potensial.

Energi Kinetik: pada Benda Bergerak

Biasanya, ketika kamu berpikir tentang energi,kamu berpikir tentang gerak. Energi kinetik adalahenergi dalam bentuk gerak. Roda sepeda yangberputar, anak-anak yang berlari dalam Gambar 9.3,dan plastik yang melayang semuanya memiliki energikinetik. Berapa besarnya? Energi ini bergantung padamassa dan kecepatan benda yang bergerak.

Semakin besar massa benda yang bergerak, energikinetiknya juga semakin besar. Demikian juga semakin cepatbenda bergerak, energi kinetiknya semakin besar. Truk yangbergerak pada 100 km/jam dalam Gambar 9.4 memilikienergi kinetik lebih besar dibanding sepeda motor yangbergerak dengan kelajuan yang sama. Tetapi sepeda motortersebut memiliki energi kinetik lebih besar daripada sepedamotor sejenis yang bergerak pada 80 km/jam.

Energi Potensial GravitasiEnergi tidak harus melibatkan gerakan. Walaupun tak

bergerak, suatu benda dapat memiliki energi yang tersimpan

Gambar 9.4Energi kinetik tiap-tiap kendaraan berbedakarena energi kinetik bergantung padamassa dan kecepatan.

Gambar 9.3Anak-anak yang sedang berlari inimenggunakan banyak energi. Kegiatanmacam apakah yang hanyamembutuhkan sedikit energi?

100 km/jam

100 km/jam80 km/jam


Sumber: cf. McLaughin & Thomson, 1997.


padanya, yang berpotensi menyebabkan perubahan jikaterdapat kondisi-kondisi tertentu. Energi potensial adalahenergi yang tersimpan. Besar energi potensial pada suatubenda bergantung pada kedudukannya atau kondisinya.

Pot bunga yang terletak di ambang jendela lantai duamemiliki energi potensial gravitasi karena kedudukannya.Jika terdapat sesuatu yang membuat pot tersebut bergeserdari ambang jendela, gravitasi menyebabkan pot tersebutjatuh ke tanah. Saat jatuh, energi potensial pot tersebutberubah menjadi energi kinetik.

Energi potensial pot bunga dalam Gambar 9.5berhubungan dengan jaraknya terhadap permukaan tanah.Lebih tinggi kedudukannya, energi potensialnya juga lebih besar.Pot bunga yang terletak pada lantai lima memiliki energipotensial lebih besar dibanding dengan pot pada lantai dibawahnya.

Jika pot bunga jatuh, gaya gravitasimempercepat gerak jatuhnya. Semakin tinggipot tersebut, kecepatan akhirnya juga semakinbesar. Jadi pot bunga yang jatuh dari lantaiyang lebih tinggi akan memiliki kecepatanlebih besar dan energi kinetik lebih besarketika tiba di permukaan tanah dibandingkandengan pot serupa yang jatuh dari lantai yanglebih rendah.

Besar energi potensial gravitasi padasebuah benda juga bergantung pada massabenda tersebut. Semakin besar massa sebuah benda,energi potensial gravitasi benda tersebut jugasemakin besar. Pot bermassa 10 kg yang beradapada lantai dua memiliki energi potensialgravitasi lebih besar daripada pot 5 kg yangterletak pada tempat yang sama.

Kamu telah mempelajari energi kinetikdan beberapa perubahan energi potensial.Perubahan lain energi potensial akandidiskusikan pada bagian berikutnya dalamsubbab ini. Gambar 9.5

Benda-benda yang dapat jatuh memilikisalah satu bentuk energi yaitu potensial.

Sungai berarus derasdan gletser yangbergerak perlahansama-sama memilikienergi kinetik. Batuanyang terletak setimbangdi bukit memiliki energipotensial. Buathipotesis yangmenunjukkan contoh-contoh lain energikinetik dan energipotensial di alam.

Sumber:cf. McLaughin & Thomson, 1997; cf.risko12057054.wordpress.com.


Kekekalan EnergiMungkin kamu pernah menaiki ayunan seperti yang

dinaiki anak pada Gambar 9.6. Cobalah ingat lagi sepertiapa mengayun maju dan mundurnya, tinggi dan rendahnya.Sekarang pikirkan tentang perubahan energi pada masing-masing gerakan tersebut.

Ayunan dimulai dengan suatu dorongan untukmembuatmu bergerak, yakni untuk memberikan sejumlah

energi kinetik padamu. Saatayunan naik, energi kinetikberubah menjadi energipotensial. Pada titik tertinggi,energi potensialnya juga terbesar.Kemudian, saat ayunan turun,energi potensial berubahmen-jadi energi kinetik.Pada titik terendahnya,energi kinetik-nya terbesardan energi potensialnyaterkecil.

Gambar 9.6Penunggang ayunan ini mengalamiperubahan energi saat ayunan bergerak

A) Pada titiktertingginya, energimekanik berupaenergi potensial.

B) Saat ia mengayunmenuju bagianterendah, ia semakincepat dan energikinetiknya bertambah.Karena ke-tinggiannyaberkurang, pada saatitu energi potensialnyaberkurang.

C) Saat ketinggiannyabertambah pada sisilainnya, ayunan mulaimelambat dan kehilanganenergi kinetik. Saatketinggiannya bertambah,energi potensialnya jugabertambah.

D) Saat ia mencapaititik tertinggi danbersiap-siap untukmengayun lagi padaarah sebaliknya,energi mekanikayunan berupaenergi potensial.



Gambar 9.7Gravitasi menghasilkan gaya yangmenggerakkan papan luncur menurunipapan cekung. Perubahan energi apayang terjadi?

Ketika ayunan berlangsung maju dan mundur, energidiubah dari kinetik ke potensial ke kinetik, berlanjut danberlangsung terus-menerus. Secara bersamaan, energipotensial dan kinetik ayunan membentuk energi mekanik.Energi mekanik adalah jumlah energi kinetik dan energipotensial dalam suatu sistem.

Kekekalan Energi – Hukum AlamIlmuwan telah mempelajari bahwa pada situasi tertentu,

energi dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk lain, tetapienergi totalnya tetap. Dengan kata lain, energi adalah kekal.Fakta ini dikenal sebagai hukum alam. Sesuai hukumkekekalan energi, energi dapat berubah bentuk, tetapi tidakdapat diciptakan dan dimusnahkan pada kondisi biasa.Hukum ini berlaku untuk sistem tertutup, yakni energi tidakmemasuki atau meninggalkan sistem itu.

Misalkan hukum kekekalan energi diterapkan kepadaayunan. Dapatkah kamu memperkirakan apakah ayunanbergerak maju mundur selamanya? Kamu tahu hal ini tidakterjadi. Ayunan melambat dan akhirnya berhenti. Kemanaperginya energi tersebut?

Gesekan dan hambatan udara selalu bekerja padaayunan dan penunggangnya, yang juga dialami oleh pemainskate pada Gambar 9.7. Gaya-gaya tersebut menyebabkanenergi mekanik ayunan berubah menjadi energipanas. Pada setiap gerakan ayunan, suhuayunan, penunggangnya, dan udara disekitarnya bertambah sedikit. Jadi energimekanik tidak hilang, tetapi berubahmenjadi energi panas.

Sumber: McLaughin & Thomson, 1997.

Kereta luncur mengangkatkamu tinggi-tinggi daritanah dan jugamenggerakkan kamupada kelajuan tinggi.Tubuhmu mengalamiberbagai perubahanenergi kinetik dan energipotensial. Buatlahhipotesis di titik manatubuhmu memiliki energikinetik terbesar.


Energi pada Tubuh ManusiaEnergi dalam bentuk apakah yang dapat kamu temukan

dalam tubuh manusia? Dengan tangan kananmu, pegangdan rasakan bahu kirimu. Saat melakukan gerakansederhana, kamu terlibat dalam pengubahan energi potensialkimia yang tersimpan dalam tubuhmu menjadi energikinetik berupa gerakan tanganmu saat melakukan usaha.Apakah bahumu terasa hangat oleh tanganmu? Sebagianenergi potensial yang tersimpan dalam tubuhmu digunakanuntuk menjaga suhu dalam tubuh konstan. Sebagian energijuga diubah menjadi panas yang terbuang ke lingkungansekitar. Walau-pun istirahat, orang dalam Gambar 9.8memerlukan pengubahan energi.

Proses kimia dan fisika yang kompleks juga tundukterhadap hukum-hukum fisika, termasuk hukum kekekalanenergi. Energi yang tersimpan dalam tubuhmu (misalnyaberupa lemak) berkurang ketika usaha yang dilakukan ataupanas terbuang dari tubuhmu ke lingkungan sekitarmu.Untuk menjaga berat badan yang sehat, kamu harusmenyeimbangkan antara energi yang diperoleh denganenergi yang dikeluarkan dari tubuhmu sebagai usaha ataupanas.

Makanan – Energi Potensial Kimia KitaApa yang kamu makan untuk sarapan pagi ini?

Tubuhmu sibuk mengubah secara kimia makananmumenjadi molekul-molekul yang dapat bereaksi denganoksigen dan digunakan sebagai bahan bakar. Walaupunkamu tidak sarapan pagi ini, tubuhmu mengubah energi

yang tersimpan dalamlemak untuk kebutuhanmendadak sampai kamumakan lagi. Kamu mung-kin akrab dengan Kalorimakanan, yaitu satuanyang digunakan ahlinutrisi untuk mengukurberapa banyak energi yangkita dapatkan darimakanan tertentu. SatuKalori (dengan huruf kbesar) sama dengan satu

Gambar 9.8Orang ini tetap menggunakan energiwalaupun sedang istirahat. Jelaskanuntuk apakah penggunaan energidalam tubuhnya.



kilokalori atau sekitar 4180 joule. Setiap gram lemak yangdikonsumsi seseorang menyediakan energi 9 Kalori.Karbohidrat dan protein masing-masing menyediakanenergi sekitar 4 Kalori per gram.

Mengapa tubuhmu memerlukan sumber energi?Makanan menyediakan bahan bakar yang digunakan untukmenjaga suhu tubuh agar konstan, untuk membantu organ-organ tubuh, dan melakukan usaha saat kamumenggerakkan tubuhmu. Tabel 5-1 menunjukkanbanyaknya energi yang digunakan dalam melakukanberbagai aktivitas. Energi yang diperlukan masing-masingorang bergantung pada berbagai faktor seperti ukurantubuh, usia, jenis kelamin, faktor keturunan, dan tingkataktivitas sehari-hari. Dalam sub bab berikutnya, kamu akanmempelajari sumber-sumber dan penggunaan energi danbentuk-bentuk energi yang berbeda.

Setelah kamu memahami pengertian energi, energikinetik, dan energi potensial, terapkan lebih lanjutpemahamanmu dengan melakukan Kegiatan 9.1.

Tabel 5-1

Tidur 48 56 64Duduk 72 84 96Makan 84 98 112Berdiri 96 112 123Berjalan 180 210 240Bermain tenis 380 420 460Balap sepeda 500 600 700Berlari 700 850 1000

Energi yang Digunakan Selama 1 Jam (Kalori)

Jenis KegiatanUkuran Tubuh

Kecil Sedang Besar

PenggunaanMatematika

Satu bungkus kecilkentang goreng me-ngandung sekitar 270Kalori. Dengan meng-gunakan Tabel 5-1,hitunglah berapa menitkamu harus berjalanuntuk “membakar” Kaloriini.


PermasalahanBagaimanakah kamu menggunakan sebuahmodel untuk menjawab pertanyaan tentangsituasi ayunan seperti yang dipaparkan diatas?

Merumuskan HipotesisPelajari gambar peralatan di samping. Apakahgambar ini mirip dengan situasi yangdipaparkan dalam pengantar di atas?Susunlah hipotesis mengenai apa yang terjadipada gerak ayunan dan ketinggian akhir jikaayunan dihentikan oleh penghalang melintang.

TujuanMampu merangkai ayunan untukmembandingkan perubahan energipotensial dan kinetik saat ayunandihentikan.Mampu mengukur ketinggian mula-muladan ketinggian akhir sebuah bandulayunan.

Alat dan Bahan yang MungkinDigunakan

statif dan klembatang berklem, 30 cmbandul ayunanbenang (1 m)mistarkertas grafik

Petunjuk KeselamatanYakinlah bahwa landasan cukup beratsehingga peralatan itu tidak roboh.


Merancang Sendiri PercobaanmuEnergi pada AyunanBayangkan dirimu berayun dalam ayunan. Apa yang akan terjadi seandainyatemanmu menghentikanmu dengan menahan tali ayunan pada bagian tengahnyasaat kamu melintas pada titik terendah? Apakah kamu akan langsung berhenti ataukahmeneruskan gerakanmu hingga mencapai ketinggian maksimum?

PERSIAPAN


1. Sebagai satu kelompok, tulis hipotesis kalian dan buaturutan langkah-langkah yang kamu perlukan untukmengujinya. Buat secara terperinci. Buat pula daftarperalatan yang kamu perlukan.

2. Jika kamu memerlukan tabel data, rancanglah tabel tersebutdalam buku IPA-mu.

Menguji Rancangan1. Susun peralatan seperti yang ditunjukkan dalam gambar.

Yakinlah bahwa batang penahan berpotongan dengan taliayunan.

2. Temukan cara untuk mengukur ketinggian mula-mula danakhir dari ayunan itu. Catat ketinggian mula-mula dan akhirdalam tabel data.

3. Putuskan bagaimana kamu akan melepaskan bandul dariketinggian yang sama.

4. Yakinkan bahwa kamu mencoba awalan ayunanmu baik diatas dan di bawah ketinggian batang penahan. Berapakalikah kamu sebaiknya mengulangi setiap jenis ayunan?

9. Yakinlah bahwa gurumu menyetujui rancanganmu dankamu telah memasukkan perubahan yang disarankandalam rancanganmu.

1. Lakukan percobaan sesuai rencana.2. Saat percobaan berlangsung, tulis hasil-hasil pengamatan

yang kamu lakukan dan lengkapi tabel dalam buku IPA-mu.

Analisis dan Aplikasi1. Ketika bandul dilepas dari ketinggian yang sama dengan

tinggi penahan, apakah ketinggian akhir dari bandul samadengan ketinggian awalnya? Komunikasikan denganmenjelaskan mengapa ya atau mengapa tidak.

2. Ramalkan, apa yang akan terjadi bila ketinggian awalnyalebih tinggi dari penahan?

3. Analisislah perpindahan energinya. Pada posisi manakahbandul memiliki energi kinetik terbesar? Energi potensialterbesar?

Apa yang terjadi jikamassa banduldiperbesar? Coba-lah. Apa pengaruhbertambahnyamassa penung-gangterhadap orang yangmeng-hentikanayunan?

Selanjutnya

MERENCANAKAN PERCOBAAN


MELAKSANAKAN PERCOBAAN


Apakah usaha Itu?Bagi sebagian besar orang, kata usaha atau kerja berarti

sesuatu yang mereka lakukan untuk memperoleh uang.Dalam arti ini usaha dapat berupa mencatat pesananmakanan di restoran atau berangkat mengajar atau kerjakantor. Pengertian usaha dalam fisika berbeda denganpengertian usaha dalam kehidupan sehari-hari. Dalamfisika, agar usaha berlangsung, gaya harus dikerahkan hinggamenempuh jarak tertentu.

Menghitung UsahaDalam kasus berikut usaha manakah yang lebih banyak

kamu lakukan, mengangkat sebungkus permen dari lantaike keranjang ataukah mengangkat setumpuk buku melintasijarak yang sama? Manakah usaha yang lebih banyakdilakukan oleh wanita pada Gambar 9.9, mengangkat bukusetinggi pinggangnya ataukah mengangkat buku hingga di

atas kepalanya? Besar usaha yangdilakukan bergantung pada besar danarah gaya yang dikerahkan danperpindahan benda selama gayadikenakan.

Ketika sebuah gaya bekerja padaarah yang sama dengan arah gerak benda,usaha dapat dihitung dengan cara

usaha = gaya x jarak W = F x d

Gambar 9.9Usaha (kerja) dilakukan terhadap buku ketika buku itudiangkat dari lantai. Pemuda tersebut tidak melakukanusaha terhadap bukunya.



Usaha, seperti halnya energi,bersatuan joule. Joule adalah namailmuwan Inggris, James PrescottJoule. Satu joule sama dengan satunewton-meter (N.m), yakni besarnyausaha yang dilakukan ketika gayasatu newton bekerja sepanjang satumeter. Orang dalam Gambar 9.10 itusedang melakukan usaha.

Dalam masalah di bawah ini,kamu diharapkan berlatih untukmenghitung usaha yang dilakukanoleh gaya tetap.

Menghitung UsahaSoal Contoh:Ransel siswa beratnya 30 N. Seorang siswa mengangkatnya dari lantai ke meja yangtingginya 1,5 m. Berapakah usaha yang dilakukan terhadap ransel tersebut?

Langkah-langkah Pemecahan Masalah:1. Apa yang diketahui? Berat ransel, F = 30 N; jarak, d = 1,5 m2. Apa yang tidak diketahui? Usaha, W3. Gunakan persamaan W = F x d4. Penyelesaian: W = 30 N x 1,5 m

= 45 N.m = 45 JSoal-soal Latihan:1. Seorang tukang kayu mengangkat balok 450 N setinggi 120 cm. Berapakah usaha

yang dilakukan terhadap balok itu?2. Seorang penari mengangkat balerina 400 N di atas kepalanya pada jarak 1,4 m

dan menahannya selama beberapa detik. Berapakah usaha yang dilakukanpenari itu pada saat mengangkat balerina? Selama menahan balerina di atas

kepalanya?

Gambar 9.10Bagaimanakah kamu meng-hitungusaha yang dilakukan orang ini?


Penggunaan Matematika


Terdapat 2 faktor yang harus diingat bila memutuskanapakah terdapat usaha yang dilakukan: benda harus bergerak,dan arah gerakannya tidak tegak lurus dengan arah gaya yangdikerahkan. Jika kamu mengangkat setumpuk buku darilantai, kamu melakukan usaha terhadap buku itu. Bukutersebut bergerak ke atas, sesuai arah gaya yang dikerahkan.Jika kamu menahan buku itu, tidak ada usaha yangdilakukan terhadap buku. Gaya ke atas tetap dikerahkan(untuk menjaga buku agar tidak jatuh), tetapi tidak adagerakan yang terjadi. Demikian juga jika kamu menentengbuku melintasi lantai dengan kecepatan tetap. Kamu tidakmelakukan usaha terhadap buku itu. Kejadian ini sepertianak pada Gambar 9.11, yang tidak melakukan usahaterhadap tas ranselnya. Gaya yang bekerja terhadap bukutetap ke atas, atau vertikal, tetapi gerakan kamu melintasilantai adalah mendatar atau horisontal.

Perhatikan bahwa pada saat usaha dilakukan padasebuah benda, selalu terjadi perubahan gerakan pada bendaitu. Telah kamu ketahui bahwa gerak merupakan salah satubentuk energi. Jadi usaha merupakan pemindahan energimelalui gerak.

DayaMisalkan kamu dan temanmu mengangkat kotak-kotak

dari lantai ke atas rak. Berat kotak-kotak itu sama, tetapitemanmu mampu mengangkat kotak lebih cepat daripadakamu. Temanmu mengangkat kotak dalam waktu 15 sekon,sedangkan kamu 20 sekon. Apakah usaha yang kalianlakukan sama? Ya. Hal ini benar, karena berat kotak samadan jaraknya juga sama. Perbedaannya hanyalah waktuyang kalian perlukan untuk melakukan usaha.

Temanmu memiliki daya lebih besar daripada kamu.Daya adalah cepatnya usaha dilakukan. Dengan kata laindaya adalah usaha yang dilakukan tiap satuan waktu. Untukmenghitung daya, bagilah usaha yang dilakukan denganwaktu yang diperlukan untuk melakukan usaha.

Gambar 9.11Usaha yang dilakukan anak initerhadap tas sama dengan nol,walaupun tas ransel yang dibawanyaberpindah tempat. Hal ini disebabkanarah gaya yang dikerahkan anak ituterhadap benda tidak searah denganperpindahan benda.

F

d

usaha

waktudaya =

W

tP =




Daya diukur dalam satuan watt, sesuai nama James Watt, yangmenemukan mesin uap. Satu watt (W) adalah satu joule per sekon.Daya satu watt relatif kecil, kurang lebih sama dengan daya untukmengangkat segelas air dari lututmu ke mulutmu dalam waktu satusekon. Karena watt merupakan satuan yang kecil, untuk daya yanglebih besar seringkali dinyatakan dalam kilowatt. Satu kilowatt (kW)sama dengan 1000 watt.

Besar daya berbagai peralatan dituliskan dalam satuan watt. Besardaya ini dapat digunakan untuk membandingkan cepatnya mesinmelakukan usaha. Jika besar usaha yang sama dilakukan dengankecepatan berbeda, diperlukan mesin dengan daya yang berbeda.Pelajarilah contoh soal di bawah ini untuk melihat bagaimana usahadan daya berkaitan, kemudian kerjakan soal-soal latihannya.

Menghitung DayaSoal Contoh:Seorang pemain akrobat mengangkat rekannya, yang beratnya 450 N, setinggi 1,0 mdalam waktu 3,0 sekon. Berapakah daya yang diperlukan?

Langkah-langkah Pemecahan Masalah:1. Apa yang diketahui? Gaya, F = 450 N

jarak, d = 1,0 mwaktu, t = 3,0 s

2. Apa yang tidak diketahui? daya, P

3. Pilih persamaan

4. Penyelesaian:

Soal-soal Latihan:1. Berapakah daya yang diperlukan seseorang yang beratnya 50 N untuk menaiki tangga

setinggi 3 m dalam waktu 5 sekon?Bantuan Strategi: watt adalah satuan turunan. Satuan-satuan apakah yangmenyusunnya?

2. Sebuah mesin pengeruk dengan daya 50 kW mengerjakan gaya 5000 N untuk

mendorong tanah sejauh 200 meter. Berapakah waktu yang diperlukan mesin itu?Bantuan Strategi: atur kembali persamaannya.

W

tP =

F x d

t =

P = = 150 W450 N x 1,0 m

3,0 s


1. Bayangkan kamu berdiri di atas anak tangga dan kamu menjatuhkanbola basket. Pantulan pertama adalah yang tertinggi. Masing-masing pantulansesudahnya akan semakin kecil hingga bola berhenti memantul. Jelaskan perubahanenergi yang terjadi, dimulai saat bola jatuh.

2. Peserta suatu lomba memenangkan hadiah dengan mendorong bola boling sejauh 20 m.Usaha yang dilakukan sebesar 1470 J. Berapakah besar gaya yang dikerahkan orang itu?

3. Misalkan kamu mengangkat seember air yang beratnya 150 N setinggi 1,5 m dalam waktu2 s. Berapakah daya yang kamu perlukan?

4. Berpikir Kritis: Berbagai diskusi difokuskan terhadap kebutuhan tentang mengendaraimobil yang lebih efisien dan menggunakan sedikit listrik. Jika hukum kekekalan energibenar, mengapa orang menaruh perhatian terhadap penggunaan energi?

Intisari Sub Bab

Bina KeterampilanMembandingkan dan Membedakan

Bandingkan dan bedakan usaha dalam arti sehari-hari dengan definisi ilmiah.Beri contoh usaha dalam istilah sehari-hari yang bukan termasuk usaha menurutarti ilmiah.

Tubuhmu menggunakan energi untuk menggerakkankamu memasuki kamar. Dari manakah asal energi ini? DalamJurnal IPA-mu, tulislah sebuah paragraf yang memaparkan darimanakah kebutuhan energimu ini. Runut balik perubahan-perubahan energi tersebut sebanyak yang kamu bisa.


Apakah kamu menggunakan pesawat atau mesin hariini? Kamu mungkin mengetahui bahwa sepeda adalahsebuah mesin. Peraut pensil dan pembuka botol juga mesin.Jika kamu memutar pegangan pintu atau mencangkul tanah,kamu telah menggunakan mesin. Mesin atau pesawatadalah peralatan yang memudahkan kerja/usaha.

Pesawat Sederhana

Sebagian pesawat dijalankan oleh motor listrik ataumotor bakar; sebagian lagi dijalankan oleh manusia.Pesawat sederhana adalah peralatan yang melakukanusaha dengan hanya satu gerakan. Gambar 9.12memperlihatkan contoh-contoh berbagai jenis pesawatsederhana. Kamu akan belajar jenis-jenis pesawat ini lebihbanyak pada bagian berikutnya.

Gambar 9.12Contoh-contoh pesawat sederhanayang dapat dijumpai di berbagaitempat.

saat olah ragaCB

di dapurA

pada pekerjaan bangunanC

Sumber: McLaughin & Thomson, 1997


Pesawat Sederhana B

Kata-kata IPApesawat

pesawat sederhanagaya kuasagaya beban

pesawat idealkeuntungan mekanik

pengungkittumpuan

lengan kuasalengan beban

katrolroda dan porosbidang miring

sekrupbaji


jarak kuasa

jarak beban

Terdapat dua jenis usaha saat pesawat digunakan: usahakepada pesawat dan usaha oleh pesawat. Usaha kepadapesawat disebut usaha masukan (Win) dan usaha olehpesawat disebut usaha keluaran (Wout). Ingatlah kembalibahwa usaha adalah perkalian antara gaya dengan jarak saatgaya bekerja: W = F × d. Usaha masukan adalah perkalian

Keuntungan Pesawat SederhanaMisalkan kamu ingin membuka kotak

kayu berpaku dengan pengumpil. Kamumenyelipkan ujung pengumpil itu dibawah papan kayu dan menekan ke bawahpegangannya. Kamu melakukan usahaterhadap pengumpil dan pengumpilmelakukan usaha terhadap papan kayu.

Pesawat memudahkan kerja/usaha denganmengubah besar gaya yang kamu kerahkan, arahgaya, atau keduanya. Gambar 9.13memperlihatkan bagaimana pengumpilmengubah besar dan arah gaya saat kamumencoba mengangkat papan.

Mengatasi Gravitasi danGesekan

Ketika kamu menggunakan pesawat sederhana, kamumencoba menggerakkan sesuatu yang sulit digerakkan.Sebagai contoh, ketika kamu menggunakan sepotong kayuuntuk menggerakkan sebongkah batu, kamu bekerjamelawan gravitasi, yakni berat batu. Ketika kamumenggunakan pengumpil untuk membuka tutup kotak,kamu bekerja melawan gaya gesek, yaitu gesekan antarapaku-paku di tutup kotak dan kotaknya.

Mengerahkan Gaya danMelakukan Usaha

Dua gaya dilibatkan saat sebuah pesawat digunakanuntuk melakukan usaha. Gaya yang dikenakan kepadapesawat disebut gaya kuasa (Fk). Gaya yang dikerahkan olehpesawat untuk mengatasi hambatan disebut gaya beban (Fb).Dalam contoh tutup kotak tadi, kamu mengerahkan gayakuasa pada pegangan pengumpil. Gaya beban berupa gayapengumpil terhadap tutup kotak.

Gambar 9.13Pengumpil ini digunakan untukmenggandakan gaya kuasa danmembuka kotak. Tetapi gaya kuasaharus bekerja pada jarak yang lebihjauh daripada jarak beban.

Sumber: McLaughin & Thomson, 1997


antara gaya kuasa dengan jarak saat gaya bekerja: Win = Fk ×dk. Usaha keluaran adalah hasil kali gaya beban dengan jarakgerak beban: W out = Fb × db.

Ingatlah bahwa usaha merupakan pemindahan energimelalui gerak, sedangkan energi selalu kekal. Jadi, kamutidak akan pernah mendapatkan usaha keluaran daripesawat lebih besar dari usaha yang kamu berikan. Dengankata lain Wout tidak pernah lebih besar daripada Win.Kenyataannya, jika pesawat digunakan, sebagian energidiubah menjadi panas karena gesekan. Jadi Wout selalu lebihkecil daripada Win.

Walaupun pesawat yang sempurna tidak pernah dapatdibuat, kita dapat membayangkan pesawat tanpa gesekan.Tidak ada energi yang diubah menjadi panas oleh pesawatini. Pada pesawat ideal, usaha masukan sama dengan usahakeluaran. Untuk pesawat ideal

Win = Wout

Fk × dk = Fb × db

Dalam banyak kejadian, pesawat melipatgandakan gayabeban: Fb lebih besar daripada Fk. Jadi, agar Win sama denganWout, gaya kuasa harus bergerak lebih jauh daripada gayabeban: dk harus lebih besar daripada db.

Keuntungan MekanikPikirkan lagi kegiatan membuka tutup kotak tadi.

Perpindahan pegangan pengumpil (dk) lebih besar daripadaperpindahan ujung pengumpil (db). Jadi, ujung pengumpilmengerjakan gaya beban (Fb) lebih besar daripada gayakuasa (Fk) yang kamu kerahkan.

Bilangan yang menunjukkan berapa kali lipat pesawatmenggandakan gaya disebut keuntungan mekanik (KM)pesawat itu. Untuk menghitung keuntungan mekanik, kamubagi gaya beban dengan gaya kuasa.

KM = =gaya beban Fb

gaya kuasa Fk


Beberapa pesawat tidak menggandakan gaya. Pesawatitu hanya mengubah arah gaya kuasa. Sebagai contoh, bilakamu menarik ke bawah tali kerekan sumur, maka timbaakan naik. Hanya arah gaya yang berubah; gaya kuasa dangaya beban sama, jadi keuntungan mekaniknya 1.

Pesawat-pesawat lain, seperti sekop, memilikikeuntungan mekanik kurang dari 1. Pesawat itu digunakanuntuk mempercepat gerak beban. Kamu akan belajar lebihlanjut tentang berbagai jenis pesawat sederhana pada bagianberikutnya.

Kerjakan soal di bawah ini untuk mengetahui bagaimanakeuntungan mekanik dikaitkan dengan gaya kuasa dan gayabeban. Selanjutnya, lakukan Kegiatan 9.2 untuk menerapkanpemahamnmu tentang pesawat sederhana.

Menghitung Keuntungan MekanikSoal Contoh:Seorang pekerja mengerahkan gaya kuasa 20 N untuk mencongkel jendela yang memilikigaya hambat 500 N. Berapa keuntungan mekanik linggisnya?

Langkah-langkah Pemecahan Masalah1. Apa yang diketahui?

Gaya beban, Fb = 500NGaya kuasa, Fk = 20 N

2. Apa yang tidak diketahui?Keuntungan mekanik, KM

3. Pilih persamaan

4. Penyelesaian:

Soal Latihan:Carilah gaya kuasa yang diperlukan untuk mengangkat batu 2000 N, dengan menggunakantongkat yang keuntungan mekaniknya 10.

500 N

20 NKM = = 25

Fb

FkKM =


Burung-burung terbangdengan menggunakansayap-sayapnya bergerakmelalui udara. Tentukangaya kuasa dan gayabeban pada “pesawatsederhana” ini denganmenggambarkannya danmemberi tanda padagambarmu.


MasalahBagaimanakah kamu memanfaatkan pesawatsederhana untuk membuat sebuah gedungyang dapat dimasuki oleh pengendara kursiroda?

Merumuskan HipotesisCurahkan ide-ide bersama kelompok-mu danbuatlah sebuah hipotesis tentang bagaimanakamu dapat menyelesaikan masalah di atas.

TujuanMampu menerapkan pesawat sederhanadalam perancangan pembangunangedung.Mampu menjelaskan maksud penggunaantiap-tiap pesawat sederhana, termasukkeuntungan mekaniknya.

Bahan yang Mungkin Diperlukankertas manilapenggarispensilspidol

PERSIAPAN


Merancang Sendiri PercobaanmuJalan Masuk untuk Setiap OrangJika kamu berada di kursi roda atau tidak mampu menaiki tangga, mampukahkamu memasuki rumah atau sekolahmu dan berkeliling di dalamnya? Seharusnyasetiap bangunan dapat dimasuki oleh setiap orang, termasuk yang mengendaraikursi roda. Dalam percobaan ini, kamu akan menggunakan pesawat sederhanauntuk merancang rumah, sekolah, atau kantor-kantor yang dapat dimasuki olehpengendara kursi roda.


1. Buatlah kesepakatan tentang jenis gedungyang hendak kalian rancang. Buatlah dia-gram kasar gedung itu dengan pensil padakertasmu.

2. Hasilkan paling tidak tiga hal yangmembantu bangunanmu dapat dimasukidan mudah digunakan oleh pengendarakursi roda. Dua diantaranya harusmenggunakan pesawat sederhana.

3. Lihatlah pesawat sederhana yang lebihmendetil pada Subbab 2-2.

4. Dalam diagrammu, buatlah sketsa pulabagaimana dan di mana tiga bantuan itudigunakan.

Mengecek Rencana1. Sebelum kamu menggambar final

rancanganmu, yakinlah bahwakelompokmu telah menyepakatirancanganmu.

2. Mengapa bangunanmu menjadi sulitdimasuki tanpa dilengkapi dengan bantuankhusus itu? Pikirkan gedung yang tidakdapat dimasuki pengendara kursi rodasebagai kontrol.

3. Jelaskan bagaimana kamu dapatmemperoleh keuntungan mekanik terbesardari tiap pesawat sederhanamu. Sebagaicontoh, jika kamu menggunakan bidangmiring, apakah papan yang panjang atauyang pendek, atau papan berundak lebihefektif? mengapa?

4. Yakinlah bahwa gurumu menyetujuirancanganmu dan kamu telahmenyertakan semua perubahan yangdisarankan beliau.

1. Gambarlah rancangan final sejelas-jelasnya padakertas manila.

2. Yakinlah kamu telah memberi label (tanda) pada hal yangmembantu pengendara kursi roda. Diskusikan apa gunatiap pesawat sederhana pada rancanganmu. Siapkanuntuk mempresentasikan rancanganmu di muka kelas.

Analisis dan Penerapan1. Komunikasikan rancanganmu di kelas dan

analisislah rancangan kelompok lain. Bantuan apayang sering digunakan?

2. Temukan paling sedikit dua pesawat sederhana padakursi roda dan diskusikan dimana pesawat ituditemukan di kursi roda.

3. Rancanganmu adalah gedung baru yang dapatdimasuki oleh pengendara kursi roda. Simpulkanapakah metodemu dapat digunakan pada gedung lamasehingga pengendara kursi roda dapat memasukinya.

Selanjutnya

Lakukan pengamat-an pada bangunan disekitarmu. Adakahrintangan yang mem-buat orang berkursiroda tidak dapatmemasukinya? Hal-hal apa yangseharusnya kamuamati? Kamu dapatmengamati empatkelompok bangunan:rumah, sekolah,bangunan swasta,dan bangunanpemerintah.

MERANCANG PERCOBAAN

MELAKUKAN PERCOBAAN


Jenis-jenis PesawatSederhana

Pengungkit atau TuasJika kamu pernah menaiki gerobak, membuka tutup

botol, atau mengayunkan raket, kamu telah menggunakanpengungkit atau tuas. Pengungkit adalah batang yang dapatberputar terhadap titik tetap. Titik tetap pada pengungkitdisebut tumpuan. Bagian pengungkit yang dikenai gayakuasa disebut lengan kuasa. Bagian pengungkit yangmengerjakan gaya beban disebut lengan beban.

Misalkan kamu menggunakan pembuka ban untukmembuka ban dari roda. Kamu dapat melihat dalamGambar 9.14, peleg roda berfungsi sebagai tumpuan. Kamumenekan lengan kuasa pembuka ban ke bawah. Pembukaban berputar terhadap tumpuan, dan lengan bebanmengerjakan gaya kepada ban, sehingga ban terangkat keatas.

gaya kuasa(tangan)

lengan kuasalengan beban

gaya beban (ban)

tumpuan (peleg)

Gambar 9.14Pembuka ban digunakan sebagaipengungkit untuk melepas ban dari roda.Apa yang berfungsi sebagai tumpuan?

Sumber: McLaughin & Thomson, (1997)


Keuntungan Mekanik Pengungkit

Pengungkit memudahkan usaha dengan meng-gandakan gaya kuasamu dan mengubah arah gayamu.Kamu telah mempelajari bahwa keuntungan mekanikpesawat dapat dihitung dengan membagi gaya bebandengan gaya kuasa. Setelah melakukan kegiatan dalam LabMini 9.1, kamu juga dapat menggunakan panjang lenganpengungkit untuk menemukan keuntungan mekanikpengungkit. Panjang lengan kuasa adalah jarak daritumpuan sampai titik bekerjanya gaya kuasa. Panjanglengan beban adalah jarak dari tumpuan sampai dengantitik bekerjanya gaya beban. Sesuai dengan Lab Mini 9.1,keuntungan mekanik pengungkit dapat pula dicari denganpersamaan:

Keuntungan Mekanik PengungkitSoal Contoh :Seorang anak menggunakan sebatang besi untuk mengangkat tutup lubang got yangberatnya 65 N. Panjang lengan kuasa pengungkit itu 60 cm. Sedangkan panjang lenganbeban 10 cm. Berapakah keuntungan mekanik batang itu?

Langkah-langkah Pemecahan Masalah:1. Apa yang diketahui? Lengan kuasa, Lk = 60 cm

Lengan beban, Lb = 10 cm2. Apa yang tidak diketahui? Keuntungan mekanik, KM

3. Pilih persamaannya.

4. Penyelesaian:

Soal-soal Latihan:1. Kamu menggunakan bambu 140 cm sebagai pengungkit untuk mengangkat batu besar.

Batu itu 20 cm dari tumpuan. Berapakah KM pengungkit itu?2. Sebuah dayung perahu memiliki tangkai pegangan 50 cm dari tumpuan dan daun dayung

125 cm dari tumpuan. Berapakah keuntungan mekanik dayung itu?

panjang lengan kuasa Lkpanjang lengan beban LB

KM = =

Berlatihlah menghitung keuntungan mekanikpengungkit dengan mengerjakan soal-soal berikut ini.

LkLB

60 cm

10 cmKM = = 6,0

KM =

Lab Mini 9.1

Keuntungan mekanik1. Dapatkan sebuah sistem

pengungkit dan neracapegas.

2. Pasanglah beban pada titikbeban dan berikan gayapada titik kuasa, sehinggabeban terangkat. Ukurlahgaya beban dan gaya kuasa.

3. Ukurlah jarak lengan bebandan lengan kuasa.

AnalisisBagilah panjang lengan kuasadengan panjang lengan beban.Bandingkan hasilnya dengangaya beban dibagi gaya kuasa.



B K

T

(c) Jenis Ketiga: Gayakuasa terletak di antaragaya beban dantumpuan. Lengan kuasaselalu lebih pendekdaripada lengan beban,sehingga pengungkit initidak dapat melipatkangaya dan keuntungan me-kaniknya selalu kurang dari satu.Pada gambar orang menyekop di samping, titik tumpuannyaadalah tangan kanan. Manakah titik beban dan titik kuasanya?

Gambar 9.15Jenis pengungkit dibedakan atasposisi gaya kuasa, gaya beban, dantumpuan. Peng-gunaannya jugaberbeda-beda.

K B

T

Jenis-Jenis PengungkitTerdapat tiga jenis pengungkit. Jenis-jenis pengungkit

ini didasarkan pada posisi gaya kuasa, gaya beban, dantumpuan. Gambar 9.15 memperlihatkan ketiga jenispengungkit itu.

B

KT



(a) Jenis Pertama: Pengungkit ini, dengantumpuan terletak antara gaya kuasa dangaya beban, biasanya digunakan untukmelipatkan gaya. Jika gaya kuasadikenakan pada lengan yang lebih pendekpada pengungkit, pengungkit itu dapat jugadigunakan untuk melipatkan jarak.Sumber: McLaughin & Thomson, 1997.

(b) Jenis Kedua: Beban terletak antaragaya kuasa dan tumpuan. Pengungkit iniselalu melipatkan gaya.


Menarik dengan KatrolPernahkah kamu melihat seseorang menaikkan

bendera pada tiang bendera? Sebuah katrol digunakanuntuk menempatkan bendera di puncak tiang. Katroladalah roda beralur dengan sebuah tali atau rantaiyang lewat pada alur itu. Katrol memudahkan kitamelakukan kerja, seperti yang kamu pahami jikamelakukan kegiatan dalam Lab Mini 9.2.

Penempatan Katrol

Katrol dapat tetap atau bebas. Katrol tetapdilekatkan pada sesuatu yang tidak bergerak, misalnyaatap, dinding, atau pohon. Katrol tetap, seperti yangdigunakan orang pada puncak tiang bendera, dapatmengubah arah gaya kuasa. Ketika kamu menarik kebawah pada lengan kuasanya dengan tali, katrol itumenaikkan benda yang dihubungkan dengan lenganbeban. Keuntungan mekanik katrol tetap sama dengan1. Jadi, katrol tetap tunggal tidak menggandakan gayakuasa.

Katrol bebas dikaitkan pada beban yang hendakdiangkat, diperlihatkan Gambar 9.16. Perbedaanantara katrol tetap dan katrol bebas ditunjukkan padaGambar 9.17. Tidak seperti katrol tetap, katrol bebasmelipatkan gaya. Oleh karena itu keuntunganmekaniknya lebih besar daripada 1. Padak e n y a t a a n n y a ,keuntungan mekanikkatrol bebas tunggal samadengan 2. Ini berarti gayakuasa 1 N akan me-ngangkat beban 2 N.Sesuai dengan hukumkekekalan energi, jarakkuasa-nya harus dua kalilebih besar dari jarakbeban.

Gambar 9.16Pekerja konstruksi katrol untukmemperlancar pekerjaannya,bahkan untuk keselamatannya.


Bagaimanakah Katrol Memudah-kan Kerja?

Prosedur1. Ikatlah salah satu ujung tali pada

tongkat. Belitkan ujung lain melilitipipa lain (lihat Gambar A).

2. Lakukan oleh 3 orang. Dua orangmenahan kuat-kuat tongkatmendatar di tangannya, keduatongkat terpisah sekitar 30 cm.Orang ketiga memegang ujungtali dan berusaha menarik keduatongkat sehingga mendekat.

3. Belitkan lagi tali itu ke tongkatpertama (B). Apa yang terjadisekarang jika orang ke tigaberusaha menarik kedua tongkatsehingga mendekat?

4. Belitkan tali itu satu atau dualilitan lagi melalui kedua tongkat(C) dan ulangi percobaan itu.

Analisis1. Bagaimanakah kesamaan

kegiatan ini dengan sistemkatrol? Bagaimana meningkatkankeuntungan mekanik pada katroltongkat ini?

2. Apakah pesawat ini melipatkanenergi orang yang menarik?Jelaskan, mengapa ya ataumengapa tidak!

A B

C

Lab Mini 9.2


Katrol GabunganKatrol tetap dan bebas dapat digabungkan untuk

membuat sistem katrol yang disebut katrol gabungan.Bergantung pada jumlah katrol yang digunakan, katrolgabungan dapat memiliki keuntungan mekanik yang besar.Keuntungan mekanik katrol gabungan sama dengan jumlahtali yang menyokong berat beban. Seperti ditunjukkanGambar 9.17, ada 4 tali menyokong berat beban.

Katrol, Sebuah PengungkitPerhatikan Gambar 9.18. Bekerjanya katrol mirip dengan

pengungkit jenis pertama, namun menggunakan tali sebagaibatang. Sumbu katrol berfungsi seperti tumpuan. Dua sisikatrol berlaku sebagai lengan kuasa dan lengan beban.

Roda dan PorosPerhatikan baik-baik peraut pensil pada Gambar 9.19.

Dapatkah kamu mengenalinya sebagai pesawat sederhana?Apakah peraut itu mempermudah usaha kita? Peraut pensilitu terdiri dari dua lingkaran, roda (lingkaran besar) danporos (lingkaran kecil). Engkol (Gambar A) sebenarnyaberupa roda.

Gambar 9.17Keuntungan mekanik pada tiap sistemkatrol dapat ditemukan denganmenghitung tali yang menarik gayabeban ke atas, ditunjukkan oleh anakpanah.

Gambar 9.18Bekerjanya katrol mirip denganpengungkit jenis pertama.

KM = 1Katrol Tetap Tunggal

KM = 2Katrol Bebas Tunggal

KM = 4Katrol Gabungan

gaya kuasa gaya beban

lenganbeban

lengankuasa

tumpuan

Sumber: McLaughin & Thomson, 1997)


Jika kamu meraut pensil, kamu mengerahkan gayakuasa kepada roda (kamu memutar engkol). Gambar Bmemperlihatkan roda yang lebih kecil, atau poros. Di dalamperaut pensil, poros dihubungkan dengan pisau peraut. Jikakamu mengerjakan gaya kepada roda dengan memutarengkol, poros akan berputar, dan pisau peraut akan merautpensil.

Roda dan Poros adalah pesawat sederhana yangmengandung dua roda dengan ukuran berbeda yangberputar bersamaan. Gaya kuasa biasanya dikerahkankepada roda yang besar, atau roda. Roda yang lebih kecil,yang disebut poros, mengerjakan gaya beban. Dapatkahkamu menemukan roda dan poros pada Gambar 9.20?

Gambar 9.19Peraut pensil adalah contoh roda danporos. Engkolnya sebagai roda. Dapatkahkamu melihat porosnya?

Gambar 9.20Dapatkah kamu menemukan rodadan poros pada obeng dan pedalsepeda ini?

A B

roda roda

poros

Sumber: http://www.babaflash.com.

Sumber: McLaughin & Thomson, 1997)



Bidang MiringMisalkan kamu harus

memindahkan kotak yang beratdari halaman ke beranda. Apakahkamu memilih langsung me-ngangkatnya ataukah mendo-rongnya melalui jalur melandaiseperti Gambar 9.21? Jalur itumembuat kerjamu lebih mudah.Jalur itu adalah sebuah sebuahbidang miring, sebuah per-mukaan melandai yang di-gunakan untuk menaikkan benda.

Besar usaha yang dilakukan pada kotak sama denganbila kamu mengangkat langsung kotak itu. Namun ingatlahbahwa usaha memiliki dua hal: gaya dan jarak. Jika kamumengangkat langsung, jaraknya pendek, tetapi gayanyabesar. Dengan menggunakan bidang miring, kamu harusmelewati jarak lebih jauh, tetapi kamu mengerahkan sedikitgaya.

Sesuai dengan Lab Mini 9.3, Kamu dapat menghitungkeuntungan mekanik bidang miring dengan cara

Gambar 9.21Papan miring ini adalah contoh sebuahbidang miring.

Gambar 9.22Keuntungan mekanik bidangmiring dapat dihitung denganmembagi jarak landaiandengan ketinggiannya.


panjang bidang miring l

ketinggian h

jarak kuasajarak beban

KM =

= =


Keuntungan mekanik1. Dapatkan sebuah bidang

miring dan neraca pegas.2. Kaitkan beban pada neraca

pegas, lalu angkatlah bebantersebut secara langsung.Catat penunjukan skala padaneraca pegas.

3. Ulangi langkah 2, namumdengan cara menarik bebanmelalui bidang miring.

3. Ukurlah panjang bidang mir-ing dan ketinggian bidangmiring.

AnalisisBagilah panjnag bidang miringdan ketinggian bidang miring.Bandingkan hasilnya dengangaya beban dibagi gaya kuasa.

Lab Mini 9.3

panjang bidang miring

ketinggian


SekrupSekrup dan baji, Gambar 9.23, adalah contoh

bidang miring yang bergerak. Sekrup adalahbidang miring yang diputarkan pada tabungsecara spiral. Jika kamu mengamati sebuahsekrup, kamu akan lihat uliran berupa bidangmiring yang bergerak dari ujung sekrup hinggadekat puncaknya. Saat kamu memutar sekrup,uliran seolah-olah menarik sekrup ke dalamkayu. Sebenarnya, bidang miring pada sekrup itubergeser melalui kayu.

BajiBaji adalah bidang miring dengan satu atau dua sisi

miring. Kapak, pisau, dan pahat adalah contoh-contohnya.Baji merupakan bidang miring yang bergerak. Benda-bendadiam di suatu tempat saat baji melaluinya.

Mungkin kamu telah memahami bahwa enam jenispesawat sederhana yang telah kita bahas merupakan variasidari dua pesawat sederhana saja, yakni pengungkit danbidang miring. Saat kamu melakukan kegiatan sehari-hari,carilah contoh-contoh tiap pesawat sederhana. Dapatkahkamu menceritakan bagaimana pesawat itu mempermudahusaha?

Aturlah informasi tentang jenis-jenis pesawat sederhana ke dalam sebuah tabel.Tabel itu mencakup: jenis pesawat sederhana, contohnya, serta penjelasan singkatbagaimana bekerjanya pesawat itu. Kamu dapat memasukkan informasi lain jikakamu anggap perlu.

Gambar 9.23Sekrup berulir dan pisaumerupakan bidang miringyang khusus.

1. Berilah satu contoh untuk tiap-tiap jenis pesawat sederhana.Carilah contoh-contoh yang berbeda dengan yang di buku ini.

2. Jelaskan mengapa berbagai pesawat sederhana sesungguhnya hanya variasi daridua pesawat sederhana.

3. Berpikir Kritis: Kapankah gesekan pada bidang miring menjadi sangat berguna?

Sumber: http://www.taunton.com.

Sumber: http://www.bartleby.com.

Intisari Subbab

Bina KeterampilanMembuat dan Menggunakan Tabel


A. Energi1. Energi merupakan sebuah kemampuan untuk menimbulkan perubahan. Energi dapat

berbentuk gerak (energi kinetik) atau dapat disimpan (energi potensial).2. Energi berada dalam berbagai bentuk, dan dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk

lain tanpa kehilangan energi total.3. Kerja adalah pemindahan energi melalui gerak. Kerja terjadi jika gaya menghasilkan

gerakan sesuai arah gaya tersebut.

B. Pesawat sederhana1. Pesawat dapat memudahkan kerja dengan mengubah besar gaya yang dikenakan

padanya, arah gaya itu, atau kedua-duanya.2. Berapa kali pesawat melipatkan gaya yang dikerjakan padanya merupakan

keuntungan mekanik pesawat itu. Jenis pesawat sederhan antara lain pengungkit,katrol, roda dan poros, bidang miring, baji, dan sekrup.

3. Masing-masing pesawat sederhana memiliki persamaan khusus untuk menghitungkeuntungan mekanik-nya. Tiap persamaan berkaitan dengan jarak lengan kuasa dibagidengan jarak lengan beban.

Pasangkan Kata-kata Kunci IPA berikut (tidaksemua kata kunci digunakan) dengan pernyataandi bawahnya.a. energib. energi potensialc. energi kinetikd. hukum kekekalan energie. energi mekanikf. usahag. energi air terjunh. gas alam

1. kemampuan untuk menimbulkanperubahan

2. energi gerak3. Pada kondisi normal, energi tidak dapat

diciptakan atau dimusnahkan4. perpindahan energi melalui gerakan5. energi yang tersimpan6. energi kinetik dan potensial total suatu

bahan7. termasuk sumber energi yang tidak

dapat diperbarui

Evaluasi

Rangkuman

Reviu Perbendaharaan Kata

ENERGI


Pilihlah kata atau frase yang dapat melengkapikalimat atau menjawab pertanyaan berikut.1. Satuan energi dalam sistem SI adalah

a. kilogramb. newtonc. jouled. kelvin

2. Jika kecepatan suatu benda meningkat, ...benda juga meningkat.a. energi kinetikc. suhub. massad. energi potensial

3. Manakah yang tidak menyatakan kerjayang dilakukan terhadap batu?a. mengangkat batub. menggenggam batuc. melemparkan batud. menjatuhkan batu

4. Banyaknya energi kinetik dan potensialdalam sistem tertutup disebut ....a. kalor jenisb. energi tersimpanc. energi mekanikd. massa

5. Energi kinetik berbanding lurus dengan....a. volumeb. massac. gayad. posisi

6. Energi apakah yang bergantung padaletak suatu benda?a. Energi kinetikb. Energi potensialc. Energi panasd. Suhu

7. Bensin, solar, dan gas alam me-nyimpanenergi ....a. panasb. kimiac. mekanikd. potensial gravitasi

8. Pita karet yang teregang memiliki energi....a. potensialb. kinetikc. panasd. kimia

9. Energi gerak adalah energi ....a. potensialb. kinetikc. panasd. kimia

10. Besar energi potensial gravitasibergantung pada ....a. kelajuan dan berat bendab. waktu dan beratc. percepatan dan waktud. berat dan ketinggian

Pengecekan Konsep

Pemahaman Konsep

Jawablah pertanyaan berikut dalam buku IPA-mudengan kalimat yang lengkap.11. Jelaskan dua ciri energi potensial.

Bagaimanakah energi ini berbedadengan energi kinetik?

12 Jelaskan perubahan energi pada bandulayunan. Jelaskan bagaimana energi inikekal, walaupun ayunan bergerak makinpelan.

Berpikir Kritis

13. Sitorus melompat setinggi 0,8 m.Berapakah kerja yang dilakukan Sitorus,bila beratnya 600 N?

14. Seorang pemain kasti berlari sambilmembawa bola, dan kemudianmelemparkannya ke temannya. Jelaskankerja yang dilakukannya terhadap bolaitu.

15. Seekor beruang di kebun binatang tidurdi kandangnya. Seorang pengunjungberkomentar, ”Lihat beruang tolol itu. Iatak punya energi sedikitpun”. Setujukahkamu? Jelaskan jawabanmu.


Membuat Grafik: Pilihlah kegiatanpermainan atau kendaraan di pasar malamyang dapat kamu nikmati. Buatlah grafikperubahan energi kinetik dan energipotensial selama kegiatanmu. Tempatkanwaktu pada sumbu mendatar.

1. peralatan yang meneruskan kerjadengan satu kali gerakan

2. gaya yang dikerahkan oleh pesawat3. sebuah batang yang berputar terhadap

titik tetap4. gaya beban dibagi dengan gaya kuasa5. titik tetap sebuah pengungkit6. bidang miring yang mengelilingi

silinder7. Dua roda berbeda ukuran yang berputar

bersama8. bidang miring yang bergerak melalui

sebuah benda

Pasangkan Kata-kata Kunci IPA berikut (tidaksemua kata kunci digunakan) dengan pernyataandi bawahnya.

a. lengan kuasab. gaya kuasac. tumpuand. bidang miringe. pengungkitf. pesawatg. keuntungan mekanikh. lengan bebani. gaya bebanj. sekrupk. pesawat sederhanal. bajim. roda dan poros

Pilihlah kata atau frase yang melengkapi kalimatatau menjawab pertanyaan.1. Manakah yang tidak dilakukan pesawat?

a. melipatkan gayab. melipatkan energic. mengubah arah gayad. melakukan kerja

2. Pada pesawat ideal, kerja masukan ...kerja keluaran.a. sama denganb. lebih besarc. lebih kecild. tidak bergantung

3. Berapa kali pesawat melipatkan gayamerupakan ... pesawat itu.a. efisiensib. dayac. keuntungan mekanikd. beban

4. Untuk menaikkan beban 4 m, tali kuasapada katrol tetap tunggal harus bergerak....a. 1 mb. 2 mc. 4 md. 8 m

5. Keuntungan mekanik katrol kombinasiyang memiliki lima tali yang menahanbeban adalah ....a. 2,5b. 5c. 10d. 25

6. Pada roda dan poros, gaya beban biasanyadikerjakan oleh ....a. porosb. roda yang lebih besarc. pedald. engkol

Pengembangan Keterampilan

PESAWAT SEDERHANA

Reviu Perbendaharaan Kata

Pengecekan Konsep


7. Keuntungan mekanik bidang miring yangpanjangnya 8 m dan tingginya 2 m adalah....a. 2b. 4c. 8d. 16

8. Keuntungan mekanik bidang miringdapat ditingkatkan dengan ....a. menambah panjangnyab. menambah tingginyac. mengurangi panjangnyad. mengganti bebannya

9. Dua gaya yang terlibat dalam penggunaanpesawat adalah ....a. kuasa dan tumpuanb. gesekan dan tumpuanc. kuasa dan beband. kuasa dan tumpuan

10.Pengungkit yang titik beban terletak diantara titik tumpu dan titik kuasamisalnya terdapat pada pada ....a. jungkitanb. sekopc. pintu berengseld. pengumpil

membuat kerjamu paling mudah?Mengapa?

15. Apa perbedaan antara sekrup yangulirnya rapat dan sekrup yang ulirannyaagak jarang?

16. Seorang pembalap mengerahkan gaya250 N ke pedal sepedanya. Jika rodasepeda itu memberikan gaya 200 N padapermukaan jalan, berapakah keuntunganmekanik sepeda itu?

Pemahaman Konsep

11. Jelaskan dan beri contohnya tiga carayang dilakukan pesawat sederhanasehingga mempermudah kerja.

12. Bedakan katrol tetap tunggal dan katrolbebas tunggal, dan jelaskan keuntunganpenggunaan masing-masing katrol.

13. Jelaskan mengapa mempertajam pisaumengubah keuntungan mekaniknya.

14. Kamu ditugasi untuk memindahkankotak yang cukup berat ke rak 1 m di ataslantai. Ada tiga papan yang dapatkamu gunakan. Papan pertamapanjangnya 2 m, papan kedua 2,5 m , danpapan ketiga 3 m. Papan manakah yang

Berpikir Kritis

17. Seorang anak dan bapaknya menaikijungkitan. Ketika tumpuan berada ditengah-tengahnya, anak itu tidak dapatmengangkat bapaknya. Ke manakahtumpuan digerakkan agar keduanyadapat berjungkat-jungkit? Jelaskan.

18. Kamu memiliki dua buah obeng. Obengpertama panjang dengan pegangan kecil,sedangkan yang kedua pendek denganpegangan besar. Obeng manakah yangkamu pilih untuk memasukkan sekrupke dalam papan? jelaskan alasanmu.

19. Dengan menggunakan papan yangpanjangnya 4 m, pekerja mengerahkangaya 1250 N untuk memindahkan kotakke langit-langit yang tingginya 2 m.Berapakah berat kotak itu?

20. Kamu sedang menolong seseorang yangmengganti ban mobilnya. Denganmenggunakan dongkrak seperti gambardi bawah ini, kamu dapat mengangkatbagian belakang mobil hanya dengansatu tangan. Apakah dongkrak itumelipatkan gaya ataukah jarak?Bagaimanakah panjang lengan dongkrakmempengaruhi penggunaannya?


24. Pengukuran dalam SI: Satuan dayadalam SI adalah watt, merupakan satuanturunan. Dengan menggunakan definisidaya, runutlah rumus untuk menghitungdaya dan carilah satuan dasar daya dalamsistem SI (dalam m, kg, dan s).

25. Penemuan: Buatlah gambar rancanganpesawat sederhana untuk membantu or-ang cacat. Paparkan pesawat sederhanayang kamu manfaatkan, dan ceritakanapa yang dikerjakan pesawat tersebut.

21. Mengurutkan: Buatlah daftar untukmenunjukkan bagaimana beberapapeawat sederhana pada sepeda bekerjasehingga sepeda bergerak. Mulailahdengan kaki mengerahkan gaya padapedal sepeda.

22. Membuat dan Menggunakan Grafik:Pengungkit ideal memiliki panjanglengan kuasa 40 cm. Hitunglah gayakuasa yang diperlukan untukmengangkat benda 10 N dengan panjanglengan beban: 80 cm, 40 cm, 20 cm, dan10 cm. Buatlah diagram garis yangmengkaitkan panjang lengan bebanterhadap gaya kuasa. Jelaskan hubunganantara dua besaran ini.

23. Menginterpretasikan Ilustrasi Ilmiah:Pelajarilah diagram gambar galah padagambar di bawah ini dan jawablahpertanyaan berikut.a. Jenis pesawat apakah yang

ditunjukkan oleh diagram itu?b. Menyatakan apakah panah yang

panjang itu?c. Menyatakan apakah titik A?d. Menunjukkan apakah jarak AC? jarak

AB?e. Berapakah KM pesawat itu?f. Bagaimanakah pesawat ini

memudahkan kerja?

Pengembangan Keterampilan Penilaian Kinerja

pesawatsederhana

jenis bidangmiring

misalnya misalnya

dapat berupa dapat berupa

26. Peta Konsep: lengkapilah peta konseppesawat sederhana berikut ini denganmenggunakan istilah-istilah: bidang mir-ing, pengungkit, jenis-jenis pengungkit, katrol,sekrup, baji, dan roda berporos.

bab 9 energi dan usaha - · pdf filecontoh, cahaya adalah salah ... energi mekanik hukum...

Documents