Tajuk 6 : Kerja Dan Mesin Ringkas

6.1 Kerja

>Tenaga ialah keupayaan melakukan kerja.

>Kerja dilakukan oleh satu daya apabila titik tindakan daya disesarkan. Kerja dan tenaga diukur dalam unit yang sama, Joule (J).

Kerja yang dilakukan (Joule, J) = Daya (Newton, N) x Sesaran (meter, m)

W = F.s kos θ

>Jika sudut di antara daya F dan sesaran s ialah θ, komponen daya pada arah sesaran s ialah F kos θ. Oleh itu,

Kerja = ( F kos θ ) s

= Fs kos θ

>Unit bagi F, s dan kerja :

Kerja = Fs

Kerja dalam joule (J) Daya dalam newton (N) Sesaran dalam meter (m)

>Berat suatu objek berjisim m ialah mg. Untuk menaikkan objek itu, suatu daya F = mg perlu dikenakan. Kerja perlu dilakukan untuk menaikkan suatu jisim m sehingga ketinggian h. Kerja = Fs ( s = h, F = mg )

Kerja = mgh

Jisim dalam kg g = pecutan gravity Tinggi dalam m

=10 ms¯²

6.2 Mesin Ringkas Dan Mesin Majmuk

>Mesin ringkas ialah alat yang membantu kita melakukan kerja. Ia membantu kita dengan mengubah jumlah daya ke atas objek dan mengubah arah daya.

1

Kerja Dan Mesin Ringkas

Kerja Mesin Ringkas Dan Mesin Majmuk

Faedah Mekanikal Dan Kecekapan

Mesin Manusia Berjalan

TUAS

>Tuas dibuat daripada papan atau bar yang diletakkan di atas fulkrum.

>Tuas membantu melakukan kerja dengan lebih mudah, membawa atau menggerakkan objek yang berat dan membuat kerja-kerja seperti mengangkat objek, membuka tudung tin atau botol dan mencabut paku.

>Tuas terdiri daripada tiga bahagian iaitu fulkrum, beban dan sebatang rod.

>Fulkrum diletakkan dekat dengan beban, sedikit daya diperlukan untuk menggerakkan beban.

>Fulkrum diletakkan jauh dengan beban, lebih banyak daya diperlukan untuk menggerakkan beban.

Jenis-jenis tuas

i. Tuas Kelas Pertamaii. Tuas kelas Keduaiii. Tuas Kelas Ketiga

2

2. Satah Condong

2. Satah Condong

Jenis-Jenis Mesin Ringkas

Ringkas

Jenis-Jenis Mesin Ringkas

Ringkas6. Takal6. Takal

TuasTuas

7. Gear7. Gear

5. Roda Dan Gandar

5. Roda Dan Gandar

4. Skru4. Skru

3. Baji3. Baji

i. Tuas Kelas Pertama- Fulkrum terletak di tengah-tengah beban dan daya.

Jongkang-Jongkit Tukul Kuku Kambing Sudu

Gunting, Playar dan Pengumpil.

ii. Tuas Kelas Kedua

>Beban terletak di antara fulkrum dengan daya. 

3

Kereta Sorong, Pembuka Botol, Pemotong Kertas Dan Pemecah Buah Keras.

iii. Tuas Kelas Ketiga

>Daya terletak di antara beban dengan fulkrum.

Joran memancing, Pemegang Ais, Penyapu, Tangan Dan Kayu Pemukul besbol

2. Satah Condong

>Satah condong merupakan permukaan sendeng untuk memudahkan kerja terutamanya mengalihkan objek dari tempat yang rendah ke tempat yang lebih tinggi.

4

>Satah condong perlu ditetapkan pada suatu sudut tertentu, bukannya secara tegak, berlawanan dengan permukaan melintang.

>Kelebihan satah condong, ia hanya memerlukan daya yang sedikit untuk menolak objek daripada mengangkatnya secara menegak tetapi perlu melalui jarak yang agak jauh untuk menggerakkan beban.

Alat dan keadaan yang menggunakan prinsip satah condong.

3. Baji

>Baji adalah satu atau dua satah condong pada hujung yang tajam digunakan untuk mengangkat, memisahkan, memotong, menggerakkan, memegang, memberhentikan objek atau membahagikan dua objek dengan mengenakan daya ke atasnya.

5

>Daya yang kecil, dikenakan pada bahagian yang lebih lebar pada baji dan menolak bahagian tajam ke dalam sesuatu, akan menghasilkan daya yang kuat untuk menolak bahagian tersebut mengarah ke luar.

>Semakin tajam hujung baji, lebih mudah untuk bergerak ke dalam dan memisahkan objek. Untuk memisahkan sesuatu dengan lebih lebar, perlu menolak baji lebih jauh ke dalam.

Alat yang menggunakan prinsip baji.

4. Skru

>Skru ialah satah condong disekeliling paku atau shaf untuk memegang bahan-bahan bersama-sama, menebuk lubang, memasang beberapa objek dan mengenakan daya pada sesuatu objek.

6

>Skru bertindak sebagai mesin ringkas apabila daya dikenakan pada bahagian bulatan yang lebih besar pada skru.

>Pergerakan hujung skru ke dalam kayu merupakan rintangan daya. Setiap satu putaran lengkap pemutar skru menghasilkan satu pergerakan bebenang skru ke dalam kayu. Jarak antara dua bebenang bersebelahan atau berdekatan dipanggil sebagai ‘pitch’.

Alat yang menggunakan konsep skru

5. Roda dan gandar - roda yang berputar yang membantu menggerakkan dan mengangkat objek atau barang dengan mudah dan cepat.

7

>Ia terdiri daripada roda yang bersaiz besar dan berbentuk bulatan dan gandar (sebatang rod) yang bercantum antara satu sama lain.

>Roda sentiasa bergerak pada jarak yang lebih jauh berbanding gandar. Daya yang dikenakan pada roda akan digandakan apabila ia dipindahkan pada gandar, melalui jarak yang lebih dekat berbanding roda.

Alat yang menggunakan prinsip roda dan gandar

6. Takal

> Takal ialah roda yang mempunyai alur dihujungnya untuk memegang tali dan kabel. Takal bekerja dengan dua cara iaitu dengan mengubah arah daya, membuatkan ia lebih mudah untuk mengangkat objek ke paras yang lebih tinggi atau mengubah jumlah daya.

>Tiga jenis sistem takal iaitu takal tetap, takal bergerak dan takal bergabung (kombinasi takal-takal tetap dan bergerak).

8

i. Takal tetap

>Gandar takal tetap pada satu tempat, roda tidak bergerak dan beban diikat pada satu hujung tali sementara daya dikenakan pada hujung tali yang satu lagi. 

>Takal tetap hanya mengubah arah daya untuk melakukan kerja ke atas beban. Ia tidak meningkatkan saiz daya. Daya yang dikenakan adalah sama dengan berat beban yang ditarik ke atas.

>Apabila tali ditarik ke bawah, beban akan ditarik ke atas. Jarak pergerakan beban adalah sama dengan jarak daya yang dikenakan.

Menaik dan menurunkan bendera Mengangkat objek yang berat

ii.  Takal bergerak

>Gandar takal bebas bergerak bersama-sama dengan beban pada arah yang sama. Hujung tali disambungkan pada satu titik tetap, manakala daya dikenakan pada hujung yang satu lagi. Takal tidak mengubah arah daya untuk melakukan kerja ke atas beban.

9

>Daya pada hujung tali menggandakan daya ke atas beban. Takal bergerak mengurangkan daya berbanding berat beban. Jarak pergerakan daya yang dikenakan adalah lebih jauh berbanding beban.

iii. Takal bergabung -kombinasi takal tetap dan takal bergerak dalam satu sistem takal.

>Fungsinya memudahkan kerja kerana daya yang diperlukan untuk mengangkat beban adalah kurang daripada separuh berat beban.

Kren menggunakan takal tetap dan takal bergerak untuk mengangkat beban yang berat.

7. Gear

>Gear adalah pengubahsuaian roda dan gandar. Gear terdiri daripada roda yang mempunyai gigi atau bergerigi.

10

>Gear memudahkan pergerakan, membantu mengubah arah pergerakan dan kelajuan.

> Gear gabungan terdiri daripada ‘gear pemutar’ dan ‘gear pengikut’ berputar mengikut arah berlawanan. Gear yang bersaiz besar berputar sekali, gear yang bersaiz kecil berputar berkali-kali dengan lebih cepat tetapi berputar dengan daya yang lebih besar.

> Jika ditambah gear ketiga, ini akan menyebabkan ‘gear pemutar’ dan ‘gear pengikut’ berputar pada arah yang sama.

>Saiz dan bilangan gigi gear menentukan jenis kerja yang boleh dilakukan. Daya pada gear bersaiz besar mengakibatkan gear bersaiz kecil berputar dengan lebih cepat tetapi dengan daya yang kecil. Daya pada gear yang bersaiz kecil akan memutarkan gear yang bersaiz lebih besar dengan lebih perlahan tetapi ia akan mempunyai daya yang lebih besar. Jarak antara gigi gear dipanggil sebagai ‘pitch’.

11

Basikal Pemutar Telur Jam Tangan

Mesin Majmuk

>Dua atau lebih mesin ringkas yang berfungsi bersama membentuk mesin bergabung atau mesin majmuk.

Kelebihan melakukan kerja dengan bantuan mesin :>Kehidupan harian menjadi lebih mudah dan memudahkan kita bergerak ke tempat lain>Membantu melaksanakan dan menyelesaikan masalah kerja dengan lebih senang, cepat  dan menjimatkan masa serta mengangkat objek yang sangat berat.

Contoh – contoh mesin majmuk

1. Basikal terdiri daripada mesin ringkas roda dan gandar, gear, tuas dan skru.

2. Kereta sorong terdiri daripada mesin ringkas roda dan gandar, tuas dan satah condong.

12

3. Gunting terdiri daripada mesin ringkas baji dan tuas.

4. Pemukul telur terdiri daripada mesin ringkas roda dan gandar, tuas dan gear.

5. Pengasah pensil terdiri daripada mesin ringkas baji dan roda dan gandar.

13

6. Joran pancing terdiri daripada mesin ringkas tuas dan roda dan gandar.

7. Kren terdiri daripada mesin ringkas tuas, takal dan gear.

8. Jam mekanikal terdiri daripada mesin ringkas gear, skru dan roda dan gandar.

9. Penebuk lubang tangan terdiri daripada mesin ringkas skru, baji dan roda dan gandar.

14

6.3 Faedah Mekanikal Dan Kecekapan

>Mesin ringkas unggul tidak mempunyai kehilangan disebabkan geseran atau kekenyalan. Jadi kecekapannya adalah 100%. Jika wujud geseran atau kekenyalan di dalam sistem, kecekapan akan jadi lebih rendah. Kerja input akan jadi lebih besar daripada kerja output.

>Ada dua jenis faedah mekanikal iaitu Faedah_Mekanikal Unggul (Ideal Mechanical Advantage) dan Faedah Mekanikal Sebenar (Actual Mechanical Advantage)

>Dalam fizik, faedah mekanikal unggul adalah untuk mesin unggul. IMA mesin boleh dicari dengan formula berikut :-

IMA = de ÷ dr dimana

– de sama dengan jarak usaha (effort distance) dan dr sama dengan jarak rintangan (resistance distance).

>Dalam fizik, faedah mekanikal sebenar adalah untuk mesin sebenar. AMA untuk mesin boleh dicari dengan menggunakan formula berikut :-

AMA * = Fr ÷ Fe dimana

-Fr sama dengan daya rintangan (resistance force) dan Fe sama dengan daya usaha (effort force) sebenar.

>Faedah mekanikal adalah faktor dimana mesin menggandakan daya yang dikenakan. Ia boleh dikira untuk mesin-mesin ringkas menggunakan formula berikut:

MA = (jarak dimana daya dikenakan) ÷ (jarak dimana beban digerakkan)

MA = de / dr

6.4 Mesin Manusia Berjalan

Sistem tuas di dalam badan kita mempunyai 4 bahagian asas iaitu tulang, sumber daya (pengecutan otot), fulkrum (sendi-sendi boleh gerak di antara tulang temulang) dan rintangan (berat badan atau objek yang di angkat). Bila kita berjalan punggung kita bertindak sebagai fulkrum. Pusat jisim badan bergerak sebagai rintangan disekeliling fulkrum. Panjang jejari bulatan adalah panjang tuas yang dibentuk oleh tulang-tulang kaki. Untuk meningkatkan halaju berjalan, punggung dihayun ke atas untuk meningkatkan jejari.

15

Daya Dalam Bendalir

1. Menghubungkaitkan ketumpatan dengan keapungan suatu bahan

1.1 Konsep Ketumpatan

- Ketumpatan adalah merujuk kepada jisim per unit isipadu sesuatu bahan. Persamaan bagi ketumpatan adalah :

- Unit SI bagi ketumpatan ialah kg/m atau kgm- .

- Ketumpatan sesuatu bahan bergantung kepada dua faktor iaitu : a, Jisim

Lebih besar jisim,semakin besar ketumpatan.

b, Isipadu

Lebih besar isipadu,semakin kecil keumpatan.

Jadual di bawah menunjukkan contoh pelbagai jenis bahan-bahan.

Keadaan Jirim Contoh Ketumpatan ( g/cm )

platinum 21.50emas 19.30plumbum 11.30tembaga 8.90

16

pepejal besi 7.90zink 7.10aluminium 2.70ais 0.92gabus 0.24

cecair

merkuri 13.60Air laut 0.03Air tulin(pada 40 c) 1.00petrol 0.80alkohol 0.79

gasudara 0.00129hidrogen 0.00009

- Pepejal yang mempunyai ketumpatan yang lebih rendah daripada ketumpatan sesuatu cecair akan terapung pada permukaan cecair tersebut. - Pepejal yang mempunyai ketumpatan yang lebih tinggi daripada ketumpatan sesuatu cecair akan tenggelam dalam cecair tersebut.

Contoh perbandingan ketumpatan antara dua pepejal

17

Cara untuk membandingkan ketumpatan antara dua pepejal di atas ialah:

1. Jika gabus terapung di atas air,maka gabus adalah kurang tumpat daripada air.

2. Jika zink tenggelam di dalam air,maka zink adalah lebih tumpat daripada air.

Contoh perbandingan ketumpatan antara tiga jenis cecair

Cara untuk membandingkan ketumpatan antara dua cecair yang tidak bercampur

1. Jika petrol terapung di atas air,maka petrol adalah kurang tumpat daripada air.2. Jika merkuri tenggelam di dalam air,maka merkuri adalah lebih tumpat daripada air.

1.2 Konsep Keapungan

- Keapungan(buoyancy) jirim pula adalah merujuk kepada sama ada jirim itu terapung atau tenggelam dalam jirim yang lain.Keapungan sesuatu jasad adalah bergantung kepada ketumpatannya.

18

- Prinsip keapungan menyatakan bahawa berat sesuatu jasad yang terapung di permukaan cecair adalah sama nilai dengan berat cecair yang tersesar oleh jasad itu.

Berat Objek Yang Terapung = Berat Bendalir Yang Disesarkan

1.3 Prinsip keapungan dalam cecair adalah :

a) satu jasad akan timbul atau naik apabila daya tujah ke atas melebihi berat jasad .

b) suatu jasad akan tenggelam atau turun ke bawah apabila berat jasad melebihi

daya tujah ke atas.

c) suatu jasad akan terapung atau pegun dalam cecair apabila daya tujah ke atas

sama dengan berat jasad.

2. Menyatakan prinsip-prinsip Pascal dan aplikasinya

2.1 Prinsip Pascal

Prinsip Pascal menyatakan bahawa tekanan yang dikenakan ke atas suatu bendalir boleh dipindahkan ke seluruh cecair itu secara seragam dengan magnitud yang sama ke semua arah dalam bendalir itu.

2.2 Hukum Pascal pada tekanan satu titik

19

Pascal menyatakan bahawa magnitud tekanan pada suatu titik di dalam bendalir statik adalah sama dari semua arah.Harus diingat bahawa tekanan adalah berbentuk skala,iaitu ia mempunyai magnitud sahaja.

2.3 Aplikasi Prinsip Pascal

a. Brek Hidraulik

Sistem brek kereta menggunakan brek hidraulik.Dalam brek hidraulik,tekanan dipindah melalui cdecair dari pedal brek ke roda-roda kereta apabila pedal brek ditekan.

Terdapat dua jenis brek dalam kereta iaitu:

1. brek piring yang dugunakan pada roda hadapan,dan 2. brek dram yang digunakan pada roda belakang.

20

Apabila pedal dipijak oleh kaki,omboh dalam silinder induk mengenakan satu daya ke atas minyak brek.Tekanan yang terhasil daripada silinder induk dipindahkan dengan kekuatan yang sama melalui saluran paip kepada silinder roda.Silinder-silinder roda berkembang dan menyebabkan omboh-ombohnya menolak gesel brek pada gelendung-gelendung brek pada roda.Geseran yang terhasil antara gesel brek dengan gelendung brek pada rod menyebabkan kereta itu berhenti.

b. Jek Hidraulik

Apabila pemegang ditarik,omboh kecil akan ditolak ke dalam.Tekanan cecair itu menutup injap Q dan membuka injap P.Satu daya yang dihasilkan oleh tekanan cecair itu akan menolak omboh besar itu naik sedikit.Apabila pemegang dilepaskan,omboh kecil akan ditarik keluar dan menghasilkan kawasan vakum di ruang omboh kecil itu.Berat omboh besar akan menutup injap P.

3. Menyatakan prinsip-prinsip Archimedes dan aplikasinya

3.1 Prinsip Archimedes dan daya tujah ke atas

- Oleh kerana tekanan cecair bertambah dengan kedalaman cecair,maka satu objek yang direndam separuh atau sepenuhnya dalam satu bendalir akan

21

mengalami daya tujahan yang lebih tinggi di bahagian bawahnya dan daya yang lebih kecil di sebelah pinsip Archimedes menyatakan bahawa jasad yang

direndam separuh atau sepenuhnya dalam bendalir akan mengalami satu daya tujah ke atas yang sama dengan magnitudnya dengan berat cecair yang disesarkan oleh jasad tersebut bawahnya perbezaan daya adalah daya bersih iaitu daya tujah ke atas.

3.2 Faktor yang mempengaruhi daya tujah ke atas :

Ø Isipadu jasad-

jasad yang lebih besar saiznya akan ditindakkan oleh daya tujah yang lebih besar.

Ø Ketumpatan cecair-

Cecair yang lebih tumpat akan menghasilkan daya tujah yang lebih besar.

Ø Kekuatan medan graviti-

Medan graviti yang lebih kuat akan menghasilkan daya tujah yang lebih besar

3.4 Aplikasi prinsip-prinsip Archimedes

a. Hidrometer

22

Hidrometer ialah satu peranti yang digunakan untuk mengukur ketumpatan cecair.

- Terdiri daripada satu bebuli yang mengandungi butir-butir plumbum yang berfungsi untuk menetapkannya dalam keadaan terapung dalam cecair.

- Apabila diletakkan dalam tempat yang lebih tumpat,hidrometer akan ter- apung dengan lebih tinggi kerana daya tujah yang bertindak ke atasnya adalah lebih besar.Dalam cecair yang lebih tumpat,hidrometer akan tenggelam dengan lebih dalam kerana daya tujah ke atas adalah lebih kecil.Berdasarkan prinsip keapungan ini,skala hidrometer boleh ditentukan.

b. Kapal Selam

- Kapal selam mempunyai sebuah tangki pengimbang yang besar dan boleh digunakan untuk mengawal kedudukan serta kedalaman kapal dari permukaan air.

23

- Kapal ini menyelam ke dalam laut dengan memasukkan air ke dalam tangki pengimbang supaya beratnya melebihi daya tujah ke atas.Untuk timbul,udara termampat digunakan untuk memaksa air untuk keluar daripada tangki pengimbang supaya daya tujah ke atasnya melebihi beratnya.

4. Menyatakan prinsip-prinsip Bernoulli dan aplikasinya.

4.1 Prinsip-prinsip Bernoulli

- Prinsip ini diasaskan oleh Daniel Bernoulli.Prinsip ini menyatakan bahawa dalam suatu sistem pengaliran yang mantap,tekanan bendalir menjadi rendah apabila laju pengaliran bendalir bertambah dan begitu jugalah sebaliknya.Udara adalah satu contoh bendalir yang mematuhi prinsip Bernoulli.

- Jika udara ditiup di permukaan kertas,maka aliran udara yang laju menghasilkan satu kawasan bertekanan rendah di bahagian atas kertas.Udara di bahagian bawah permukaan kertas tidak bergerak dan mempunyai tekanan yang lebih tinggi.Ini menghasilkan satu daya angkat yang menolak kertas itu ke atas.

4.2 Aplikasi prinsip-prinsip Bernoulli

a. Aerofoil

Penerbangan kapal terbang adalah bergantung kepada bentuk aerofoil yang terdapat pada bahagian sayap dan ekor kapal terbang.Apabila sayap berbentuk aerofoil bergerak dalam udara,pengaliran udara adalah lebih laju dibandingkan atasnya dan akan menghasilkan satu kawasan yang bertekanan rendah.Peng- aliran udara yang lebih perlahan di bahagian bawah akan menghasilkan satu kawasan yang bertekanan tinggi.Perbezaan tekanan di bahagian atas dan bawah menghasilkan satu daya angkat yang membolehkan kapal terbang terangkat dan terbang di udara.

24

b. Penunu Bunsen

- Apabila penunu bunsen disambungkan kepada satu bekalan gas, aliran gas yang laju ke dalam penunu bunsen akan menghasilkan satu kawasan yang bertekanan rendah.

- Tekanan atmosfera yang lebih tinggi di bahagian luar penunu bunsen menyebabkan udara disedut masuk serta bercampur dengan gas.

- Campuran ini memungkinkan pembakaran yang lengkap dan menghasilkan nyalaan yang bersih,panas dan kurang berkilau serta tidak berjelaga.

25

c.Karburator

- Karburator adalah satu bahagian enjin di mana udara dicampur dengan petrol pada kadar yang betul supaya pembakaran dalam enjin berlaku.

- Udara yang mengalir melalui pengawal udara,iaitu pemcekik,dipaksa mengalir melalui satu bahagian yang sempit.

Udara yang bergerak dengan laju melalui kecerutan menghasilkan satu tekanan rendah pada kawasan kecerutan itu.Perbezaan tekanan menyebabkan tekanan atmosfera dalam ruang petrol menolak petrol keluar melalui jet itu.Petrol akan bercampur dengan udara sebelum dimasukkan ke dalam silinder enjin untuk pembakaran.

Menurut prinsip Beenoulli,kelajuan udara yang lebih tinggi di sini menghasilkan satu kawasan bertekanan rendah.Maka petrol yang berada pada tekanan atmosfera akan disembur keluar melalui jet dan bercampur dengan udara.

26