Memanfaatkan Usaha, Energi, dan Pesawat Sederhana

Usaha-energi-pesawat sederhana: bentuk usaha, daya (laju usaha), hukum kekekalan energi mekanik (kinetik+potensial), tuas-katrol-bidang miring-roda berporos, keuntungan mekanis.

Tujuan Pembelajaran (7)

IPA-D.PI9Menganalisis hubungan konsep usaha dan energi.
IPA-D.PI9.1Memetakan wujud usaha yang hadir di keseharian lewat perpindahan suatu benda.
IPA-D.PI9.2Mengamati aktivitas mendorong benda sembari memaknai konsep daya (laju usaha).
IPA-D.PI9.3Menerapkan hukum kekekalan energi mekanik (kinetik beserta potensial) pada persoalan sederhana.
IPA-D.PI10Menganalisis data hasil pengukuran terhadap aspek fisis yang berkaitan dengan pesawat sederhana serta pemanfaatannya dalam kehidupan sehari-hari.
IPA-D.PI10.1Memetakan ragam pesawat sederhana (tuas, katrol, bidang miring, roda berporos) beserta prinsip kerjanya.
IPA-D.PI10.2Menetapkan keuntungan mekanis pesawat sederhana sembari penerapannya pada perkakas keseharian (gunting, katrol, baut, palu).

Memanfaatkan Usaha, Energi, dan Pesawat Sederhana

Pernahkah kamu mendorong meja, mengangkat galon, menaiki tangga, menimba air, atau memakai gunting? Kegiatan-kegiatan itu terlihat biasa, tetapi semuanya dapat dijelaskan dengan konsep fisika. Ada gaya, perpindahan, energi, waktu, dan alat sederhana yang membuat pekerjaan lebih mudah dilakukan.

Pada bab ini kamu akan mempelajari usaha, daya, energi kinetik, energi potensial, energi mekanik, dan pesawat sederhana. Kamu juga akan menghubungkan rumus dengan situasi nyata, misalnya mengapa gerobak beroda lebih mudah didorong, mengapa jalan menanjak dibuat berkelok, dan mengapa katrol dapat membantu mengangkat beban.

Siswa mengamati gerobak, bidang miring, katrol, dan model kincir air sebagai pengantar usaha energi dan pesawat sederhana

Tujuan Pembelajaran

Setelah mempelajari bab ini, kamu diharapkan mampu:

Menjelaskan konsep usaha sebagai hasil gaya yang menyebabkan perpindahan.
Menghitung usaha menggunakan hubungan $W=F\cdot s$ .
Menjelaskan bahwa daya adalah laju melakukan usaha atau menggunakan energi.
Menghitung daya menggunakan hubungan $P=\frac{W}{t}$ .
Menjelaskan energi sebagai kemampuan melakukan usaha.
Membedakan energi kinetik, energi potensial, dan energi mekanik.
Menggunakan rumus $E_k=\frac{1}{2}mv^2$ , $E_p=mgh$ , dan $E_m=E_k+E_p$ pada soal sederhana.
Menjelaskan perubahan energi pada contoh seperti gerobak, buah jatuh, roller coaster, dan kincir air.
Menjelaskan prinsip pesawat sederhana dan keuntungan mekanis.
Mengidentifikasi katrol, roda berporos, bidang miring, dan pengungkit dalam kehidupan sehari-hari.
Menentukan keuntungan mekanis sederhana pada katrol, roda-poros, bidang miring, dan pengungkit.
Mengaitkan pesawat sederhana dengan sistem gerak manusia.

Pertanyaan Pemantik

Gunakan pertanyaan berikut untuk memulai penyelidikan.

Mengapa mendorong benda berat belum tentu disebut usaha jika bendanya tidak berpindah?
Dua orang memindahkan beban yang sama sejauh jarak yang sama, tetapi waktunya berbeda. Mengapa dayanya dapat berbeda?
Mengapa benda yang bergerak lebih cepat memiliki energi kinetik lebih besar?
Mengapa benda di tempat lebih tinggi dapat menyimpan energi potensial lebih besar?
Mengapa jalan pegunungan dibuat berkelok-kelok, bukan lurus curam?
Mengapa gunting, pembuka botol, katrol, dan roda dapat mempermudah pekerjaan?

Gambaran Kegiatan

Pada bab ini kamu akan mengamati contoh kegiatan sehari-hari, membaca diagram gaya dan perpindahan, menghitung usaha dan daya, serta menelusuri perubahan energi pada gerak benda. Kamu juga akan mengidentifikasi alat bantu di sekitarmu yang termasuk pesawat sederhana.

Di akhir bab, kamu dapat merancang gagasan alat atau model sederhana, misalnya lintasan roller coaster kardus atau kincir air mini. Rancangan itu perlu dijelaskan dengan alasan ilmiah: gaya apa yang bekerja, energi apa yang berubah, dan pesawat sederhana apa yang dimanfaatkan.

Teori: Usaha, Energi, dan Pesawat Sederhana

Dalam fisika, kata "usaha" tidak selalu sama dengan usaha dalam percakapan sehari-hari. Seseorang dapat merasa sangat lelah saat mendorong tembok, tetapi jika tembok tidak berpindah, usaha fisikanya bernilai nol. Sebaliknya, ketika gaya membuat benda berpindah, energi dapat berpindah atau berubah bentuk.

A. Usaha dan Perpindahan

Usaha terjadi ketika gaya menyebabkan benda berpindah searah atau memiliki komponen searah perpindahan. Besar usaha bergantung pada gaya dan perpindahan benda.

Gerobak bermuatan didorong hingga berpindah dengan panah gaya dan perpindahan

Secara sederhana:

W=F\cdot s

Keterangan:

$W$ adalah usaha dengan satuan joule, $\mathrm{J}$ .
$F$ adalah gaya dengan satuan newton, $\mathrm{N}$ .
$s$ adalah perpindahan dengan satuan meter, $\mathrm{m}$ .

Contoh: sebuah gerobak didorong dengan gaya $50\ \mathrm{N}$ hingga berpindah $4\ \mathrm{m}$ . Usaha yang dilakukan adalah:

W=50\ \mathrm{N}\times 4\ \mathrm{m}=200\ \mathrm{J}

Jika gaya sudah diberikan tetapi benda tidak berpindah, maka $s=0\ \mathrm{m}$ dan usaha bernilai:

W=F\cdot 0=0\ \mathrm{J}

Itulah sebabnya mendorong benda yang tidak bergerak belum dihitung sebagai usaha dalam pengertian fisika.

B. Daya

Daya menunjukkan seberapa cepat usaha dilakukan atau seberapa cepat energi digunakan. Dua orang dapat melakukan usaha yang sama, tetapi orang yang menyelesaikannya lebih cepat memiliki daya lebih besar.

Dua siswa memindahkan benda pada lintasan yang sama dengan waktu berbeda untuk membandingkan daya

Rumus daya:

P=\frac{W}{t}

Keterangan:

$P$ adalah daya dengan satuan watt, $\mathrm{W}$ .
$W$ adalah usaha atau energi dengan satuan joule, $\mathrm{J}$ .
$t$ adalah waktu dengan satuan sekon, $\mathrm{s}$ .

Contoh: usaha $300\ \mathrm{J}$ dilakukan selama $10\ \mathrm{s}$ . Dayanya:

P=\frac{300\ \mathrm{J}}{10\ \mathrm{s}}=30\ \mathrm{W}

Jika usaha yang sama dilakukan dalam waktu $5\ \mathrm{s}$ , dayanya menjadi:

P=\frac{300\ \mathrm{J}}{5\ \mathrm{s}}=60\ \mathrm{W}

Jadi, waktu yang lebih singkat membuat daya lebih besar jika usaha yang dilakukan sama.

C. Kegiatan yang Termasuk Usaha

Untuk menentukan apakah suatu kegiatan termasuk usaha, periksa dua hal: ada gaya dan ada perpindahan. Jika salah satu tidak ada, usaha fisika tidak terjadi.

Perbandingan aktivitas mendorong kotak berpindah, membawa beban berjalan, dan mendorong dinding tidak berpindah

Contoh yang termasuk usaha:

Mendorong meja hingga bergeser.
Mengangkat ember dari lantai ke meja.
Menarik gerobak sampai berpindah.
Menaiki tangga sambil membawa tas.

Contoh yang bukan usaha dalam pengertian fisika:

Mendorong tembok yang tidak berpindah.
Menahan benda diam pada posisi yang sama.
Duduk sambil memegang buku tanpa memindahkannya.

Dalam kehidupan nyata, tubuh tetap dapat menggunakan energi saat menahan beban. Namun, usaha mekanik pada benda dihitung dari gaya yang menyebabkan perpindahan benda.

D. Energi dan Energi Kinetik

Energi adalah kemampuan melakukan usaha. Benda yang bergerak memiliki energi kinetik. Makin besar massa benda dan makin besar kecepatannya, makin besar energi kinetiknya.

Gerobak bergerak pelan dan cepat untuk menunjukkan energi kinetik bergantung pada massa dan kecepatan

Rumus energi kinetik:

E_k=\frac{1}{2}mv^2

Keterangan:

$E_k$ adalah energi kinetik dengan satuan $\mathrm{J}$ .
$m$ adalah massa dengan satuan kilogram, $\mathrm{kg}$ .
$v$ adalah kecepatan dengan satuan $\mathrm{m/s}$ .

Contoh: benda bermassa $10\ \mathrm{kg}$ bergerak dengan kecepatan $2\ \mathrm{m/s}$ . Energi kinetiknya:

E_k=\frac{1}{2}\times 10\ \mathrm{kg}\times (2\ \mathrm{m/s})^2=20\ \mathrm{J}

Kecepatan berpengaruh kuat karena dikuadratkan. Jika kecepatan menjadi dua kali, energi kinetik menjadi empat kali, selama massanya tetap.

E. Energi Potensial

Benda yang berada pada ketinggian memiliki energi potensial gravitasi. Energi ini bergantung pada massa benda, percepatan gravitasi, dan ketinggian dari acuan.

Buah di pohon dan benda di rak tinggi menunjukkan energi potensial karena ketinggian

Rumus energi potensial gravitasi:

E_p=mgh

Keterangan:

$E_p$ adalah energi potensial dengan satuan $\mathrm{J}$ .
$m$ adalah massa dengan satuan $\mathrm{kg}$ .
$g$ adalah percepatan gravitasi, sekitar $9{,}8\ \mathrm{m/s^2}$ atau sering dibulatkan menjadi $10\ \mathrm{m/s^2}$ .
$h$ adalah ketinggian dengan satuan $\mathrm{m}$ .

Contoh: benda bermassa $2\ \mathrm{kg}$ berada pada ketinggian $3\ \mathrm{m}$ , dengan $g=10\ \mathrm{m/s^2}$ . Energi potensialnya:

E_p=2\ \mathrm{kg}\times 10\ \mathrm{m/s^2}\times 3\ \mathrm{m}=60\ \mathrm{J}

Semakin tinggi posisi benda, semakin besar energi potensialnya. Saat benda jatuh, energi potensial dapat berubah menjadi energi kinetik.

F. Energi Mekanik dan Kekekalan Energi

Energi mekanik adalah jumlah energi kinetik dan energi potensial.

Model roller coaster kardus menunjukkan perubahan energi potensial menjadi energi kinetik

Rumus energi mekanik:

E_m=E_k+E_p

Pada lintasan roller coaster sederhana, bola di titik tinggi memiliki energi potensial besar. Saat bola turun, energi potensial berkurang dan energi kinetik bertambah. Saat bola naik lagi, sebagian energi kinetik berubah kembali menjadi energi potensial.

Dalam model ideal tanpa gesekan, energi mekanik total tetap. Dalam keadaan nyata, sebagian energi berubah menjadi panas dan bunyi karena gesekan, sehingga gerak dapat makin lambat.

G. Air sebagai Sumber Energi

Air yang berada di tempat tinggi menyimpan energi potensial. Ketika air mengalir turun, energi potensial berubah menjadi energi kinetik. Aliran air dapat memutar kincir atau turbin, lalu gerak putar dapat dimanfaatkan untuk menghasilkan listrik.

Air dari bendungan mengalir memutar turbin dan generator sebagai contoh perubahan energi

Rantai perubahan energi pada PLTA dapat diringkas sebagai:

E_p\ \text{air} \rightarrow E_k\ \text{aliran air} \rightarrow E_m\ \text{turbin} \rightarrow E\ \text{listrik}

Contoh ini menunjukkan bahwa energi tidak hilang begitu saja. Energi berubah bentuk sehingga dapat dimanfaatkan untuk kebutuhan manusia.

H. Pesawat Sederhana dan Keuntungan Mekanis

Pesawat sederhana adalah alat yang membantu mempermudah pekerjaan. Alat ini dapat memperbesar gaya, mengubah arah gaya, atau memperpanjang lintasan agar gaya yang diperlukan menjadi lebih kecil.

Kumpulan pesawat sederhana: katrol, roda berporos, bidang miring, dan pengungkit

Keuntungan mekanis menyatakan perbandingan gaya keluaran terhadap gaya masukan:

KM=\frac{\text{gaya keluaran}}{\text{gaya masukan}}

Jika $KM$ besar, alat membantu memperkecil gaya masukan yang diperlukan. Namun, bukan berarti energi menjadi gratis. Biasanya gaya yang lebih kecil dibayar dengan jarak tarikan atau lintasan yang lebih panjang.

I. Katrol

Katrol adalah roda beralur yang dilalui tali. Katrol dapat mengubah arah gaya dan pada susunan tertentu dapat mengurangi gaya yang diperlukan untuk mengangkat beban.

Perbandingan katrol tetap, katrol bebas, dan katrol majemuk dengan tali dan beban

Jenis katrol:

Katrol tetap memiliki poros yang tidak berpindah. Katrol ini terutama mengubah arah gaya. Keuntungan mekanis idealnya $KM=1$ .
Katrol bebas bergerak bersama beban. Gaya kuasa idealnya dapat menjadi sekitar setengah berat beban, sehingga $KM=2$ .
Katrol majemuk menggabungkan katrol tetap dan bebas. Keuntungan mekanis idealnya dapat diperkirakan dari jumlah tali penopang beban.

Contoh: jika katrol majemuk memiliki $4$ tali penopang dan gaya kuasa $8\ \mathrm{N}$ , beban ideal yang dapat ditopang:

F_{\text{beban}}=KM\times F_{\text{kuasa}}=4\times 8\ \mathrm{N}=32\ \mathrm{N}

J. Roda dan Poros

Roda dan poros bekerja bersama. Roda yang lebih besar diputar untuk menggerakkan poros yang lebih kecil, atau sebaliknya. Prinsip ini digunakan pada roda kendaraan, gagang pintu, setir, dan alat pemutar.

Roda dan poros pada gerobak serta gagang pintu menunjukkan perbandingan jari-jari

Keuntungan mekanis ideal roda dan poros dapat ditulis:

KM=\frac{r_{\text{roda}}}{r_{\text{poros}}}

Jika jari-jari roda $20\ \mathrm{cm}$ dan jari-jari poros $5\ \mathrm{cm}$ , maka:

KM=\frac{20\ \mathrm{cm}}{5\ \mathrm{cm}}=4

Roda juga dapat memperkecil gesekan saat benda dipindahkan. Itulah sebabnya gerobak beroda lebih mudah dipindahkan daripada kotak yang digeser langsung di lantai.

K. Bidang Miring

Bidang miring adalah permukaan yang dibuat miring untuk memindahkan beban ke ketinggian tertentu. Gaya yang diperlukan menjadi lebih kecil, tetapi lintasan menjadi lebih panjang.

Peti didorong menaiki papan miring ke bak truk dengan gaya lebih kecil dan lintasan lebih panjang

Keuntungan mekanis ideal bidang miring:

KM=\frac{l}{h}

Keterangan:

$l$ adalah panjang bidang miring.
$h$ adalah tinggi bidang miring.

Contoh: papan sepanjang $5\ \mathrm{m}$ digunakan untuk menaikkan beban ke bak setinggi $1\ \mathrm{m}$ . Keuntungan mekanis idealnya:

KM=\frac{5\ \mathrm{m}}{1\ \mathrm{m}}=5

Bidang miring ada pada tangga, jalan menanjak berkelok, sekrup, pisau, kapak, dan ramp kursi roda. Semakin landai bidang miring, gaya yang diperlukan makin kecil, tetapi jarak tempuh makin panjang.

L. Pengungkit

Pengungkit atau tuas adalah batang kaku yang berputar pada titik tumpu. Bagian penting pengungkit adalah titik tumpu, titik beban, dan titik kuasa.

Tiga jenis pengungkit dengan contoh gunting, pembuka botol, dan pinset

Jenis pengungkit:

Jenis pertama: titik tumpu berada di antara beban dan kuasa, misalnya jungkat-jungkit, gunting, dan linggis.
Jenis kedua: beban berada di antara titik tumpu dan kuasa, misalnya pembuka botol dan gerobak dorong.
Jenis ketiga: kuasa berada di antara titik tumpu dan beban, misalnya pinset dan lengan manusia saat mengangkat benda.

Keuntungan mekanis pengungkit dipengaruhi oleh perbandingan lengan kuasa dan lengan beban:

KM=\frac{l_{\text{kuasa}}}{l_{\text{beban}}}

Jika lengan kuasa lebih panjang daripada lengan beban, gaya yang diperlukan dapat menjadi lebih kecil.

M. Tuas pada Tubuh Manusia

Sistem gerak manusia juga memanfaatkan prinsip tuas. Tulang berperan seperti batang, sendi menjadi titik tumpu, otot memberi gaya kuasa, dan bagian tubuh atau benda yang diangkat menjadi beban.

Lengan manusia dan kaki berjinjit sebagai contoh tuas pada sistem gerak tubuh

Contoh:

Kepala yang ditopang leher dapat dipandang sebagai tuas jenis pertama.
Kaki saat berjinjit dapat dipandang sebagai tuas jenis kedua.
Lengan bawah saat mengangkat benda sering dipandang sebagai tuas jenis ketiga.

Prinsip tuas membantu kita memahami mengapa posisi beban, sendi, dan otot memengaruhi besar gaya yang dibutuhkan tubuh. Karena itu, cara mengangkat beban yang benar penting untuk mengurangi risiko cedera.