Kinematikia Gerak

Pernahkah Anda melihat atau mengamati pesawat terbang yang mendarat di landasannya? Berapakah jarak tempuh hingga pesawat tersebut berhenti? Ketika Anda menjatuhkan sebuah batu dari ketinggian tertentu, berapa waktu yang dibutuhkan hingga mencapai permukaan tanah? Semua pertanyaan tersebut berhubungan dengan gerak yang akan dibahas dalam Materi Pelajaran Kinematika Gerak.


A. Pendahuluan dan Pengertian
Gerak adalah satu kata yang digunakan untuk menjelaskan aksi, dinamika, atau terkadang gerakan dalam kehidupan sehari-hari. Suatu benda  dikatakan bergerak apabila kedudukannya berubah terhadap acuan/posisi tertentu. Suatu benda dikatakan bergerak bila posisinya setiap saat berubah terhadap suatu acuan tertentu. Konsep mengenai gerak yang dirumuskan dan dipahami saat ini didasarkan pada kajian Galileo dan Newton. Cabang ilmu fisika yang mempelajari tentang gerak disebut mekanika. Mekanika terdiri dari kinematika dan dinamika.

Kinematika adalah ilmu yang mempelajari bagaimana gerak dapat terjadi tanpa memperdulikan penyebab terjadinya gerak tersebut. Sedangkan dinamika adalah ilmu yang mempelajari gerak dengan menganalisis seluruh penyebab yang menyebabkan terjadinya gerak tersebut. Seperti apa yang menyebabkan sebuah bulu ayam jatuh tidak bersamaan dengan kertas yang diremas. Padahal menurut Galileo semua benda akan jatuh bersamaan jika dijatuhkan dari ketinggian yang sama.

B. Gerak Lurus
Gerak lurus adalah gerakan suatu benda/obyek yang lintasannya berupa garis lurus (tidak berbelok-belok). Dapat pula jenis gerak ini disebut sebagai suatu translasi beraturan. Pada rentang waktu yang sama terjadi perpindahan yang besarnya sama. Seperti gerak kereta api di rel yang lurus.

1. Posisi

Posisi atau kedudukan adalah suatu kondisi vektor yang merepresentasikan keberadaan satu titik terhadap titik lainnya yang bisa dijabarkan dengan koordinat kartesius, dengan titik (0,0) adalah titik yang selain dua titik tersebut namun masih berkolerasi atau salah satu dari dua titik tersebut.

2. Jarak dan Perpindahan

Jarak adalah panjang lintasan sesungguhnya yang ditempuh oleh suatu benda dalam waktu tertentu mulai dari posisi awal dan selesai pada posisi akhir. Jarak merupakan besaran skalar karena tidak bergantung pada arah. Oleh karena itu, jarak selalu bernilai positif. Besaran jarak adalah ‘s’.
Perpindahan adalah perubahan posisi atau kedudukan suatu benda dari keadaan awal ke keadaan akhirnya. Perpindahan merupakan besaran vektor(untuk lebih jelasnya, simak gambar di bawah). Perpindahan hanya mempersoalkan jarak antar kedudukan awal dan akhir suatu objek. Besaran perpindahan adalah ‘d’. Untuk mengetahui perbedaan antara jarak dan perpindahan, mari kita simak gambar dibawah ini:

Heri dan Dita setiap pagi berangkat sekolah bersama-sama. Heri menempuh jarak 700 m, yaitu menempuh 300 m dari rumahnya menuju rumah Dita dan menempuh lagi 400 m dari rumah Dita menuju sekolah. Namun, perpindahan Heri sejauh 500 m dari rumahnya menuju sekolah.

3. Kelajuan dan Kecepatan

Kelajuan adalah besarnya kecepatan suatu objek. Kelajuan tidak memiliki arah sehingga termasuk besaran skalar. Rumus kelajuan adalah sebagai berikut:

Keterangan:

v = kelajuan rata-rata (m/s)

s = jarak (m)

t = waktu tempuh (s)

Satuan diatas menggunakan SI. Sedangkan jika anda ingin menggunakan satuan km/h. Maka rubah saja satuan jarak menjadi ‘k’ dan waktu tempuh menjadi ‘h’.

Kecepatan adalah besaran vektor yang menunjukkan seberapa cepat benda berpindah. Kecepatan juga bisa berarti kelajuan yang mempunyai arah. Misal sebuah mobil bergerak ke timur dengan kecepatan 60 km/jam. Rumus kecepatan tidak jauh berbeda dengan rumus kelajuan bahkan bisa dikatakan sama. Rumusnya adalah sebagai berikut:

Keterangan:

v = kecepatan rata-rata (m/s)

s = perpindahan (m)

t = selang waktu (s)

4. Gerak Lurus Beraturan

Gerak lurus beraturan (GLB) adalah gerak yang lintasannya lurus dan kecepatannya tetap. Cara menghitung jarak dari suatu gerak beraturan. Yaitu dengan mengalikan kecepatan(m/s) dengan selang waktu(s).

Keterangan:

v = kecepatan rata-rata (m/s)

s = perpindahan (m)

t = selang waktu (s)

 

5. Gerak Lurus Berubah Beraturan

Gerak lurus berubah beraturan (GLBB) adalah gerak yang lintasannya lurus dan kecepatannya berubah secara beraturan/berpola. Ada dua kemungkinan GLBB, yaitu GLBB dipercepat dan GLBB diperlambat. Rumus GLBB dituliskan sebagai berikut.

Keterangan:

vt  = kecepatan akhir atau kecepatan setelah t sekon (m/s)

v0 = kecepatan awal (m/s)

a = percepatan (m/s2)

t = selang waktu (s)

s = jarak tempuh (m)

Selain itu, anda juga bisa menghitung jarak tempuh yang dialami benda yang bergerak lurus berubah beraturan dengan rumus luas matematika.

Percepatan adalah perubahan kecepatan dalam satuan waktu tertentu. Percepatan termasuk besaran vektor. Satuan SI percepatan adalah m/s². Percepatan bisa bernilai positif dan negatif. Bila nilai percepatan positif, hal ini menunjukkan bahwa kecepatan benda yang mengalami percepatan positif ini bertambah (dipercepat). Sedangkan bila negatif, hal ini berarti kecepatannya menurun (diperlambat). Jika gerak suatu benda lurus dan kecepatannya tidak berubah, maka resultan percepatannya adalah 0. Rumus percepatan adalah sebagai berikut.

Keterangan:

a = percepatan rata-rata (m/s2)

= perubahan kecepatan (m/s)

= selang waktu (s)

C. GLBB dalam Kehidupan

1. Gerak Jatuh Bebas

Gerak jatuh bebas adalah gerak sebuah objek yang jatuh dari ketinggian tanpa kecepatan awal yang dipengaruhi oleh gaya gravitasi. Benda-benda yang jatuh bebas di ruang hampa mendapat percepatan yang sama. Benda-benda tersebut jika di kenyataan mungkin disebabkan karena gaya gesek dengan udara. Rumus-rumus gerak jatuh bebas adalah sebagai berikut.

Keterangan:

vt = kecepatan saat t sekon (m/s)

g = percepatan gravitasi bumi (9,8 m/s2)

h = jarak yang ditempuh benda (m)

t = selang waktu (s)

 

2. Gerak Vertikal ke Bawah

Gerak Vertikal ke bawah adalah gerak suatu benda yang dilemparkan vertikal ke bawah dengan kecepatan awal dan dipengaruhi oleh percepatan. Rumus-rumus gerak vertikal ke bawah adalah sebagai berikut.

Keterangan:

h = jarak/perpindahan (m)

v0 = kecepatan awal (m/s)

vt = kecepatan setelah t (m/s)

g = percepatan gravitasi (9,8 m/s2)

t = selang waktu (s)

 

3. Gerak Vertikal ke Atas

Gerak vertikal ke atas adalah gerak suatu benda yang dilempar vertikal ke atas dengan kecepatan awal tertentu (v₀) dan percepatan g saat kembali turun. Rumus gerak vertikal ke atas adalah sebagai berikut.






Di titik tertinggi benda, kecepatan benda adalah nol. Persamaan yang berlaku di titik tertinggi adalah sebagai berikut.

Keterangan:

tnaik = selang waktu dari titik pelemparn hingga mencapai titik tertinggi (s)

v0 = kecepatan awal (m/s)

g = percepatan gravitasi (9,8 m/s2)

hmaks = jarak yang ditempuh hingga titik tertinggi (m)

Saat mulai turun, persamaannya sama seperti gerak jatuh bebas. Rumusnya adalah:



Jadi, dapat disimpulkan bahwa waktu saat naik sama dengan waktu saat turun.



sumber: http://hedisasrawan.blogspot.com/2012/08/kinematika-gerak-versi-lengkap.html

Konsep Fisika di dalam Komik Naruto???

 Pernahkah terpikir oleh kita semua, bahwa ternyata di dalam komik yang satu ini memiliki konsep fisika. ya, komik tersebut adalah Naruto.

              Kita tahu salah satu proses perpindahan kalor adalah konveksi. Proses ini terjadi tidak hanya pada zat cair, tapi juga pada gas. Ciri dari konveksi adalah adanya gerakan memutar partikel-partikel yang menyusun zat cair atau gas. Namun sulit juga mengambarkan gerakan partikel pada gas. Beda halnya pada zat cair yang jelas-jelas bisa dilihat oleh mata.
Ternyata konsep di atas bisa dijelaskan dengan hal-hal yang lebih menarik tanpa harus berpegang teguh pada buku yang terkesan membosankan dan monoton. untuk menjelaskan hal di atas kita menerangkan hal-hal yang lebih bersifat nyata dan diterima dengan mudah oleh siswa, salah satunya dengan membuat perandaian seperti: balon yang diisi udara lalu dipanaskan. Pasti akan meledakkan? Nah, ini disebabkan karena partikel udara atau gas di dalam balon bergerak-gerak.”

ternyata hal tersebut dijelaskan juga dalam kartun naruto lho. . .

Bagi yang tidak mengikuti komik atau serial Naruto, saya ceritakan sedikit. Jadi begini, Naruto adalah murid ninja yang sedang mempelajari banyak jurus sebelum melawan musuh-musuhnya. Salah satu jurus yang dia pelajari adalah Rasengan. Jurus dengan membuat pusaran cakra pada tangannya. Dalam sesi latihan bersama gurunya, Naruto menggunakan media balon. Jadi balon akan diisi cakra, kemudian cakranya dibuat pusaran. Beberapa pusaran bergerak sangat cepat, alhasil beberapa kali balon meledak.

Maaf ya, namanya juga cerita komik, wajar kalau sangat mengada-ada dan penuh fantasi. Sekali lagi mohon dimaklumi. Oh iya, cakra itu semacam tenaga dalam. Oleh si pengarang, cakra digambar menyerupai angin. Oleh karena itulah,  ibaratkan saja cakra sebagai angin atau gas. Jadi, kalau energi panas di dalam balon semakin besar, partikel-partikel gas akan bergerak semakin cepat. Kalau lebih besar akan lebih cepat. Lebih besar lagi, lebih cepat lagi. Hingga akhirnya partikel-partikel mampu merobek permukaan balon dan meledak.

Itulah sekelumit tentang fisika yang ternyata juga digunakan dalam media komik. Sempat mengikuti komik dan serial kartun di TV ternyata tidak selamanya buruk, komik yang dikarang terutama orang Jepang, sering memasukan beberapa fenomena ilmiah. Meski dalam presentase yang kecil.
Jadi jangan berpandangan kalau komik itu selalu berdampak negatif yaa... kita ambil  manfaat dari semua yang ada di alam ini....
semoga bermanfaat,...

sumber :  http://faktaunikdalamilmufisika4214.blogspot.com/

Usaha dan Energi

Tahukah kamu bahwa tanpa energi yang diciptakan Tuhan tidak akan ada kehidupan. Matahari, angin, sungai, dan bahkan alam ini tidak akan ada. Energi terdapat di mana-mana dan dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk lain. Energilah yang melatarbelakangi setiap kejadian. Jadi, apakah energi itu?

Semua makhluk hidup membutuhkan energi untuk kelangsungan hidup mereka. Tumbuhan dan hewan memperoleh energi dari alam untuk pertumbuhan dan kelestariannya. Manusia memanfaatkan energi yang berasal dari otot mereka untuk kegiatan sehari-hari seperti berjalan dan berlari. Manusia telah mengembangkan berbagai cara pemanfaatan energi yang tersedia untuk meningkatkan kualitas hidup mereka.

A. Pengertian Energi
Setiap saat manusia memerlukan energi yang sangat besar untuk menjalankan kegiatannya sehari-hari, baik untuk kegiatan jasmani maupun kegiatan rohani. Berpikir, bekerja, belajar, dan bernyanyi memerlukan energi yang besar. Kamu membutuhkan berjuta-juta kalori setiap harinya untuk melakukan kegiatan dalam kehidupan sehari-hari. Oleh karena itu, disarankan setiap pagi sebelum berangkat sekolah, kamu harus makan terlebih dahulu. Dengan demikian, tubuhmu cukup energi untuk melakukan kegiatan di sekolah dan untuk menjaga kesehatanmu.

Ketika kamu sakit dan nafsu makanmu hilang, tubuhmu akan lemas karena energi dalam tubuhmu berkurang. Jika demikian, kegiatan rutin sehari-harimu akan terganggu bahkan kegiatan ibadahmu pun akan terganggu. Menurutmu, apakah energi itu?

Berdasarkan jawabanmu, kemampuan untuk melakukan sesuatu itulah yang disebut energi. Sesuatu itu dikatakan sebagai kerja atau usaha. Jadi, energi adalah kemampuan untuk melakukan kerja atau usaha. Satuan energi dalam Sistem Internasional (SI) adalah joule (J). Satuan energi dalam sistem yang lain adalah kalori, erg, dan kWh (kilo watt hours). Kesetaraan joule dengan kalor adalah sebagai berikut. 1 kalori = 4,2 joule atau 1 joule = 0,24 kalori

B. Bentuk-Bentuk Energi
Energi yang paling besar adalah energi matahari. Tuhan telah menciptakan Matahari khusus untuk kesejahteraan umat manusia. Jarak Matahari ke Bumi yang telah diatur pada jarak 149.600 juta kilometer memungkinkan energi panas yang diterima manusia di Bumi tidak membahayakan. Energi panas dari sinar matahari sangat bermanfaat bagi Bumi dan dapat menghasilkan energi-energi yang lain di muka Bumi ini. Caranya adalah dengan mengubah energi matahari menjadi energi yang lain, seperti energi kimia, energi listrik, energi bunyi, dan energi gerak.

1. Energi Kimia
Energi kimia adalah energi yang tersimpan dalam persenyawaan kimia. Makanan banyak mengandung energi kimia yang sangat bermanfaat bagi tubuh manusia. Energi kimia pun terkandung dalam bahan minyak bumi yang sangat bermanfaat untuk bahan bakar. Baik energi kimia dalam makanan maupun energi kimia dalam minyak bumi berasal dari energi matahari.

Energi cahaya matahari sangat diperlukan untuk proses fotosintesis pada tumbuhan sehingga mengandung energi kimia. Tumbuhan dimakan oleh manusia dan hewan sehingga mereka akan memiliki energi tersebut. Tumbuhan dan hewan yang mati milyaran tahun yang lalu menghasilkan minyak bumi. Energi kimia dalam minyak bumi sangat bermanfaat untuk menggerakkan kendaraan, alat-alat pabrik, ataupun kegiatan memasak.

2. Energi Listrik
Energi listrik merupakan salah satu bentuk energi yang paling banyak digunakan. Energi ini dipindahkan dalam bentuk aliran muatan listrik melalui kawat logam konduktor yang disebut arus listrik. Energi listrik dapat diubah menjadi bentuk energi yang lain seperti energi gerak, energi cahaya, energi panas, atau energi bunyi. Sebaliknya, energi listrik dapat berupa hasil perubahan energi yang lain, misalnya dari energi matahari, energi gerak, energi potensial air, energi kimia gas alam, dan energi uap.

3. Energi Panas
Sumber energi panas yang sangat besar berasal dari Matahari. Sinar matahari dengan panasnya yang tepat dapat membantu manusia dan makhluk hidup lainnya untuk hidup dan berkembang biak. Energi panas pun merupakan hasil perubahan energi yang lain, seperti dari energi listrik, energi gerak, dan energi kimia. Energi panas dimanfaatkan untuk membantu manusia melakukan usaha seperti menyetrika pakaian, memasak, dan mendidihkan air.

4. Energi Mekanik
Ketika kamu memerhatikan sebuah mangga yang bergantung di pohonnya, mungkin kamu mengharapkan buah mangga tersebut jatuh dari pohonnya. Mengapa buah mangga itu dapat jatuh dari pohonnya? Untuk melakukan kerja supaya dapat jatuh dari pohonnya, buah mangga harus memiliki energi. Energi apakah itu? Ketika buah mangga jatuh, dia bergerak ke bawah sampai mencapai tanah. Energi apakah yang terkandung ketika buah mangga bergerak jatuh?

Dari peristiwa tersebut terdapat dua buah jenis energi yang saling memengaruhi, yaitu energi yang diakibatkan oleh ketinggian dan energi karena benda bergerak. Energi akibat perbedaan ketinggian disebut energi potensial gravitasi, sedangkan energi gerak disebut energi kinetik (energi gerak). Energi mekanik merupakan penjumlahan dari energi potensial dan energi kinetik. Secara matematis persamaan energi mekanik dapat dituliskan sebagai berikut.
Em = Ep + Ek dengan:
Em = energi mekanik (J)
Ep = energi potensial (J)
Ek = energi kinetik (J)

a. Energi Potensial
Telah kamu ketahui bahwa energi potensial gravitasi adalah energi akibat perbedaan ketinggian. Apakah energi ini diakibatkan oleh ketinggian saja? Buah kelapa yang bergantung di pohonnya menyimpan suatu energi yang disebut energi potensial. Energi potensial yang dimiliki buah kelapa diakibatkan oleh adanya gaya tarik bumi sehingga jatuhnya selalu menuju ke pusat Bumi.

Energi potensial akibat gravitasi Bumi disebut energi potensial gravitasi. Energi potensial gravitasi pun bisa diakibatkan oleh tarikan benda-benda lain seperti tarikan antarplanet. Adapun energi potensial yang dimiliki suatu benda akibat pegas atau karet yang kamu regangkan disebut energi potensial pegas.

Energi potensial gravitasi dimiliki oleh benda yang berada pada ketinggian tertentu dari permukaan bumi. Energi potensial pegas muncul akibat adanya perbedaan kedudukan dari titik kesetimbangannya. Titik kesetimbangan adalah titik keadaan awal sebelum benda ditarik. Besarnya energi potensial gravitasi sebanding dengan ketinggian (h) dan massa benda (m). Ep h dan Ep m. Selain kedua besaran itu, energi potensial gravitasi dipengaruhi oleh percepatan gravitasi (g) sehingga dapat dibuat persamaan energi potensial gravitasi sebagai berikut.
Ep = mgh dengan:
Ep = energi potensial (J)
m = massa benda (kg)
g = konstanta gravitasi (m/s2)
h = ketinggian (m)

b. Energi Kinetik
Suatu ketika, ada seorang pelaut malang yang terdampar di pulau kecil. Dia berpikir hanya dengan tiga cara dia dapat mencari bantuan. Pertama, dia dapat menerbangkan layang-layang dan berharap ada kapal yang melihat layang-layang tersebut. Kedua, dia menyimpan pesan dalam botol dan membiarkannya mengapung di atas air sampai ada orang yang menemukannya. Ketiga, dia membuat rakit untuk mencoba pergi dari pulau itu.

Gagasan pelaut itu bergantung pada satu jenis energi yang bekerja, yaitu energi akibat gerakan angin yang akan membuat layangan dapat mengapung, botol dapat bergerak dibawa ombak, dan rakit dapat melaju. Sesuatu yang bergerak, misalnya angin dan air, memiliki kemampuan yang dapat digunakan untuk menarik atau mendorong sesuatu.

Energi yang dimiliki oleh benda yang bergerak disebut energi kinetik. Kamu pun memiliki energi kinetik apabila bergerak. Ketika kamu menaiki sepeda dengan laju yang besar, tiba-tiba dihadapanmu terdapat batu besar yang menghalangi jalan. Tanpa ragu-ragu, kamu akan segera mengerem sepedamu. Sesaat badanmu terhentak sampai akhirnya berhenti. Hentakan yang kamu rasakan pada saat mengerem sepedamu itu disebut energi kinetik. Jika kamu mengajak temanmu menaiki sepeda tersebut, tentu kamu akan lebih keras lagi mengerem sepedamu. Oleh karena massa orang yang menaiki sepeda lebih besar dari sebelumnya, dapat diambil kesimpulan bahwa energi kinetik bergantung pada massa benda dan kecepatan benda tersebut. Secara matematis, energi kinetik suatu benda dapat ditulis sebagai berikut: Ek = ½ mv dengan:
Ek = energi kinetik (J)
m = massa (kg)
v = kecepatan (m/s)

C. Perubahan Bentuk-Bentuk Energi
Energi tidak dapat diciptakan dan juga tidak dapat dimusnahkan, tetapi hanya dapat diubah dari satu bentuk ke bentuk yang lain. Pada umumnya, manfaat energi akan terlihat setelah berubah bentuk menjadi energi yang lain. Misalnya, energi listrik akan bermanfaat ketika berubah bentuk menjadi energi cahaya atau panas.

Matahari sebagai sumber energi terbesar yang diciptakan Tuhan telah mengalami beberapa perubahan bentuk energi yang sangat bermanfaat bagi kehidupan umat manusia. Misalnya, energi panas dan energi cahaya matahari menyinari tumbuhan sehingga tumbuhan dapat melakukan fotosintesis. Dengan demikian, tumbuhan memiliki energi kimia. Tumbuhan dimakan manusia atau hewan sehingga manusia atau tumbuhan memiliki energi untuk melakukan usaha.

Energi dapat diubah dari satu bentuk energi ke bentuk energi yang lain. Energi kimia yang terkandung dalam batu baterai dapat mengalirkan muatan listrik jika dihubungkan dengan kabel. Jika aliran listrik tersebut melalui sebuah lampu, lampu akan menyala dan lama kelamaan lampu menjadi panas. Pada peristiwa tersebut, telah terjadi beberapa perubahan energi, antara lain energi kimia, energi listrik, energi cahaya, dan energi panas. Ketika kedua telapak tanganmu digosok-gosokkan, lama-kelamaan telapak tanganmu akan terasa panas. Hal ini menunjukkan bahwa pada telapak tanganmu telah terjadi perubahan energi dari energi gerak menjadi energi panas.

D. Hukum Kekekalan Energi
Berasal dari manakah energi yang kamu gunakan untuk melakukan kegiatan sehari-hari? Berubah menjadi energi apakah yang telah kamu gunakan tersebut? Apakah manusia dapat membuat mesin yang dapat melakukan kerja terus menerus tanpa menggunakan bahan bakar? Pertanyaan-pertanyaan tersebut merupakan beberapa pertanyaan yang berhubungan dengan energi yang mungkin sering kamu tanyakan pada dirimu sendiri.

Coba kamu lemparkan sebuah bola vertikal ke atas dan amati sampai jatuh lagi ke lantai. Ketika bola bergerak ke atas, kecepatan bola semakin lama semakin melambat dan ketinggian bola semakin besar. Pada ketinggian tertentu, bola berhenti sesaat dan kembali lagi ke bawah dengan kecepatan yang semakin besar. Peristiwa tersebut menunjukkan bahwa energi gerak semakin lama semakin kecil sampai menjadi nol ketika berhenti sesaat pada ketinggian tertentu. Ke manakah energi gerak tersebut?

Energi gerak (Ek) tersebut ternyata berubah menjadi energi potensial gravitasi (Ep) sampai akhirnya mencapai maksimum. Begitu pula sebaliknya, energi potensial gravitasi semakin kecil ketika bola tersebut bergerak ke bawah. Adapun energi geraknya semakin besar dan mencapai maksimum ketika sampai di lantai, tetapi energi potensial gravitasinya menjadi nol ketika sampai di lantai. Setelah diam di lantai, semua energi mekanik benda habis. Tahukah kamu, kemana perginya? Apakah yang dapat kamu simpulkan? Adakah energi yang hilang?

Kegiatan tersebut menunjukkan bahwa energi bersifat kekal. Energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan, tetapi dapat diubah dari satu bentuk energi menjadi bentuk energi yang lain. Pernyataan tersebut dikenal dengan Hukum Kekekalan Energi. Telah kamu ketahui bahwa energi mekanik merupakan penjumlahan dari energi potensial dan energi kinetik: Em = Ep + Ek

Apabila benda selama bergerak naik dan turun hanya dipengaruhi oleh gaya gravitasi, besar energi mekanik selalu tetap. Dengan kata lain, jumlah energi potensial dan energi kinetik selalu tetap. Pernyataan itu disebut Hukum Kekekalan Energi Mekanik.

E. Usaha
Dalam kehidupan sehari-hari, pengertian usaha identik dengan kemampuan untuk meraih sesuatu. Misalnya, usaha untuk bisa naik kelas atau usaha untuk mendapatkan nilai yang besar. Namun, apakah pengertian usaha menurut ilmu Fisika?

Ketika benda didorong ada yang berpindah tempat dan ada pula yang tetap di tempatnya. Ketika kamu mendorong atau menarik suatu benda, berarti kamu telah memberikan gaya pada benda tersebut. Oleh karena itu, usaha sangat dipengaruhi oleh dorongan atau tarikan (gaya). Menurut informasi tersebut, jika setelah didorong benda itu tidak berpindah, gayamu tidak melakukan usaha. Dengan kata lain, usaha juga dipengaruhi oleh perpindahan. Dengan demikian, dapat disimpulkan bahwa usaha dihasilkan oleh gaya yang dikerjakan pada suatu benda sehingga benda itu berpindah tempat.

Bagaimanakah ketika kamu mendorong dinding kelasmu? Apakah dinding berpindah tempat? Walaupun kamu telah sekuat tenaga mendorongnya, tetapi dinding tetap ditempatnya. Oleh sebab itu, menurut Fisika gayamu dikatakan tidak melakukan usaha.

Apabila gaya disimbolkan dengan F dan perpindahan dengan s, secara matematis usaha dituliskan dalam persamaan berikut: W = F s dengan:
W = usaha (J)
F = gaya (N)
s = perpindahan (m)

Usaha memiliki satuan yang sama dengan energi, yaitu joule. Dengan ketentuan bahwa 1 joule sama dengan besar usaha yang dilakukan oleh gaya sebesar 1 N dengan perpindahan 1 m.

Kamu sudah mengetahui usaha yang dilakukan untuk memindahkan sebuah benda ke arah horisontal, tetapi bagaimanakah besarnya usaha yang dilakukan untuk memindahkan sebuah benda ke arah vertikal? Memindahkan benda secara vertikal memerlukan gaya minimal untuk mengatasi gaya gravitasi bumi yang besarnya sama dengan berat suatu benda. Secara matematis gaya tersebut dapat ditulis sebagai berikut: F = m g

Karena perpindahan benda ke arah vertikal sama dengan ketinggian benda (h), usaha yang dilakukan terhadap benda tersebut sebagai berikut.
W = F s
W = m g h dengan:
W = usaha (J)
m = massa (kg)
g = percepatan gravitasi (N/kg)
h = perpindahan atau ketinggian (m)

F. Hubungan antara Usaha dan Energi
Kamu sudah mengetahui bahwa energi adalah kemampuan melakukan usaha. Definisi tersebut menunjukkan bahwa usaha memiliki kaitan yang erat dengan energi.

Ketika gayamu berusaha mendorong mobil sehingga bergerak, berarti telah terjadi perubahan energi dari energi yang dikeluarkan olehmu menjadi energi gerak. Jadi, dapat disimpulkan bahwa ketika gaya melakukan usaha pada sebuah benda maka akan terjadi perubahan energi pada benda tersebut. Usaha yang dilakukan pada sebuah benda yang bergerak horisontal menyebabkan perubahan energi kinetik. Dengan demikian, besarnya usaha sama dengan perubahan energi kinetik benda. Secara matematis ditulis sebagai berikut.
W = Δ Ek
W = Ek2 – Ek1 dengan:
W = usaha (J)
Ek = perubahan energi kinetik (J)
Ek2 = energi kinetik akhir (J)
Ek1 = energi kinetik awal (J)

Ketika kamu mengangkat sebuah balok, kamu akan memberikan gaya dorong terhadap balok. Pada saat ke atas, berlaku:
Wtangan = Ftangan . s = m g h

Saat ke bawah:
Wgravitasi = Fgravitasi . s = –m g h
Usaha yang dilakukan oleh gaya gravitasi bumi (benda yang bergerak vertikal) sama dengan perubahan energi potensial gravitasi. Secara matematis ditulis sebagai berikut.
W = Δ Ep
W = Ep2 – Ep1
W = m g (h2 – h1) dengan:
W = usaha (J)
ΔEp = perubahan energi potensial (J)
Ep1 = energi potensial awal (J)
Ep2 = energi potensial akhir (J)

sumber: http://macam-macamrumusfisika.blogspot.com/p/usaha-dan-energi.html

Kumpulan soal dan pembahasan Fisika Dasar 1

Ada nih beberapa contoh soal dan pembahasan yang telah penulis kutip dari buku Fisika dasar jilid 1 karangan Tipler... semoga bermanfaat......

1.        Soal: Hitunglah jumlah dari 1,040 dan 0,2134!

      

       Jawaban:                             

     Bilangan pertama 1,040 hanya mempunyai tiga angka signifikan dibelakang koma, sedangkan bilangan kedua 0,2134 mempunyai empat angka di belakang koma. Menurut aturan, jumlah hanya dapat mempunyai tiga angka signifikan dibelakang koma desimal. Jadi kita peroleh

                             1,040 + 0,2134 = 1,253

2.  Sebuah gaya tertentu menghasilkan percepatan 5m/s² pada benda standar. Jika gaya yang sama dikenakan pada benda kedua, gaya itu menghasilkan percepatan 15m/s² . berapakah massa benda kedua, dan berapakah besarnya gaya itu?

       Penyelesaian :

Diketahui: a₁ = 5m/s²

                      a₂ = 15m/s²

ditanya : m₂ ?

              F ?

Jawaban:

 Karena percepatan benda kedua adalah 3 kali percepatan benda standar yang dipengaruhi gaya yang sama, massa benda kedua adalah ⅓ massa benda standar atau 0,33 kg.

Jadi m = 0,33 kg

F = m . a

F = (1 kg).( 5m/s²)

F = 5N

3. Sebuah balok 4 kg diam pada saat t = 0. Sebuah gaya tunggal konstan yang horizontal F_x  bekerja pada balok. Pada t = 3 s balok telah berpindah 2,25 m. Hitunglah gaya F_{x .}

Penyelesaian:

Diketahui: t = 3s

               Δx = 2,25 m

Ditanya: F_x

Jawaban :

   Δx = ½ a.t²

     a =

       a =

     a = 0,500 m/s²

F = m.a

F = (4) (0,500)

F = 2,00 N

4. Sebuah kotak 4 kg dinaikkan dari keadaan diam sejauh 3 m oleh gaya luar ke atas sebesar 60 N. Carilah

(a)    kerja yang dilakukan oleh gaya luar tersebut,

(b)   kerja yang dilakukan oleh gravitasi, dan

(c)    kelajuan akhir kotak

penyelesaian :

diketahui: m = 4 kg

                Δy = 3 m

                  F = 60 N

jawaban :            

(a)    Gaya luar ada dalam arah gerak (θ = 0^o), sehingga kerja yang dilakukan olehnya bernilai positif:

W_luar = F_luar . Cos 0^o. Δy

         = 60 N . 1 . 3m

         = 180 J

(b)   Gaya gravitasi berlawanan dengan arah gerak (θ = 180^o), sehingga kerja yang dilakukan oleh gaya gravitasi adalah negatif;

W_g = m.g. Cos 180^o . Δy

      = 4 kg . 9,8 N/kg . (-1) . 3 m

      = -118 J

Jadi, kerja total yang dilakukan pada kotak adalah

W_total = 180 J – 118 J

          = 62 J

Dengan menggunakan teorema kerja-energi dengan v_i = 0, kita dapatkan

W_total = 62 J =  mv_f² -   mv_i²  =  mv_f²

(c)    Dengan demikian kelajuan akhir kotak adalah

v_f  =

     =

     = 5,57 m/s

5. Sebuah partikel diberi perpindahan Δs = 2 m i – 5 m j sepanjang garis lurus. Selama perpindahan itu, sebuah gaya konstan F = 3 N i + 4 N j bekerja pada partikel. Carilah kerja yang dilakukan oleh gaya dan komponen gaya dalam arah perpindahan.

Penyelesaian :

Diketahui : Δs = 2 m i – 5 m j

                   F  = 3 N i + 4 N j

Ditanya : W, F dalam arah perpindahan

Jawab :

       W = F . Δs

            = (3 N i + 4 N j) . (2 m i – 5 m j)

            = 6 Nm – 20 Nm

            = -14 Nm

       Dinyatakan dalam besar gaya dan perpindahan, kerja adalah

            W = F . Δs = F cos θ Δs

       Komponen gaya dalam arah perpindahan adalah F cos θ, yang sama dengan kerja dibagi besar perpindahan. Δs kita dapatkan dari

       Δs. Δs = (Δs)²

                     = ( 2 m i – 5 m j) . ( 2 m i – 5 m j)

                = 4 m² + 25 m²

                = 29 m²

         Sehingga Δs =  m. Jadi, komponen F dalam arah perpindahan adalah

            F cos θ =  =  = -2,60 N

        Komponen gaya dalam arah perpindahan adalah negatif sehingga kerja yang dilakukan juga bernilai negatif.

6. Sebuah motor yang kecil digunakan untuk memberi daya pada sebuah lift yang menaikkan beban bata yang beratnya 800 N sampai ketinggian 10 m dalam 20 s. Berapakah daya minimum yang harus disediakan motor tersebut?

Penyelesaian:

Diketahui:

F = 800 N

h = 10 m

t = 20 s

ditanya: P minimum ?

jawaban:

V = 

    =   

    = 0,5 m/s

P = F . V

   = 800 . 0,5

   = 400 Nm/s

   = 400 J/s = 400 W

7. Koefisien restitusi untuk baja pada baja diukur dengan menjatuhkan sebuah bola baja pada pelat baja yang ditempelkan secara erat dengan bumi. Jika bola dijatuhkan dari ketinggian 3 m dan memantul sampai ketinggian 2,5 m, berapakah koefisien restitusinya?

Penyelesaian:                   

Diketahui: h_i = 3 m, h_f = 2,5 m

Ditanya: e ?

Jawab:

V_i =  

     =

     = 7,67 m/s

V_f  =

     =

     = 7,00 m/s

e =  

   =

   = 0,913

8. Perkirakan gaya yang dikerjakan oleh sabuk pengaman pada pengemudi mobil 80 kg ketika mobil yang semula bergerak dengan kelajuan 25 m/s (sekitar 56 mi/j), menabrak benda yang diam!

Penyelesaian:

Diketahui:

Misal s = 1 m

m = 80 kg

V = 25 m/s

Kelajuan rata-rata selama tumbukan adalah separuh kelajuan mula-mula yaitu 12,5 m/s

Ditanya: F ?

Jawaban:

Δt =  

     = 0,08 s

a_rata-rata =  

            =

            = 312 m/s²

F _rata-rata = m . a_rata-rata

                = (80) . (312)

            = 25.000 N

9. Perkirakan gaya yang dikerjakan oleh sabuk pengaman pada pengemudi mobil 80 kg ketika mobil yang semula bergerak dengan kelajuan 25 m/s (sekitar 56 mi/j), menabrak benda yang diam!

Penyelesaian:

Diketahui:

Misal s = 1 m

m = 80 kg

V = 25 m/s

Kelajuan rata-rata selama tumbukan adalah separuh kelajuan mula-mula yaitu 12,5 m/s

Ditanya: F ?

Jawaban:

Δt =  

     = 0,08 s

a_rata-rata =  

            =

            = 312 m/s²

F _rata-rata = m . a_rata-rata

                = (80) . (312)

            = 25.000 N

10. Sebuah komedi putar berjari-jari 2 m dan bermomen inersia 500 kg.m²  berputar terhadap suatu sumbu putar yang licin. Komedi putar itu melakukan satu putaran tiap 5 s. Seorang anak yang massanya 25 kg yang semula berdiri di pusat berjalan keluar arah tepi. Carilah kelajuan angular baru komedi putar itu!

Penyelesaian:

Diketahui :      R = 2 m

                        I  = 500 kg.m²

                                Putaran = 5 s

                        m = 25 kg

ditanya : ω_f      

Jawaban:

I_c = m . R²

    = (25 kg)(2 m²)

    = 100 kg.m²

    L_i = L_f

I_m ω_i = I_m ω_f + I_c ω_f = (I_m + I_c ) ω_f

    ω_f =  ω_i

      ω_f =

    ω_{f =}  ω_i                   

Karena komedi putar semula melakukan satu putaran tiap 5 s, kecepatan angularnya mula-mula adalah  put/s atau 0,4 π rad/s. Karena itu kecepatan angular akhir adalah

            ω_f           =   put/s

                        =  put/s

11. Seorang anak yang sama pada soal nomor 1 berlari sepanjang jejak tangensial terhadap tepi komedi putar, yang semula diam dengan kelajuan awal v = 2,5 m/s dan melompat di komedi putar. Berapakah kecepatan angular akhir anak dan komedi putar itu bersama-sama?

penyelesaian :

Diketahui : v = 2,5 m/s

                  m = 25

                  R = 2 m

Momentum angular anak mula-mula relatif terhadap poros komedi putar adalah,

L_i    = m.v.R

       = 25 kg . 2,5 m/s . 2 m

       = 125 kg.m²/s                  

Ketika anak itu berada dalam komedi putar, momentum angular anak ditambah komedi putar adalah

                        L_f     = (I_c + I_m ) ω_f

                  = ( 100 kg.m² + 500 kg.m² ) ω_f

Dengan mengambil momentum angular akhir sama dengan momentum angular mula-mula di dapatkan

            ( 600 kg.m² ) ω_f = 125 kg.m²/s

                        ω_f =

                        ω_f = 0,208 rad/s

12. Sebuah beban 60 N dipegang ditangan dengan lengan bawah membuat sudut 90^o. Otot bisep mengerjakan gaya F_m yang berada pada 3,4 cm dari titik putar O di sambungan siku. Dengan mengabaikan berat lengan dan tangan, berapakah besarnya  F_m  jika jarak dari beban ke titik putar adalah 30 cm?

Penyelesaian

Diketahui: w = 60 N

                              α = 90^o

                                      x_i = 3,4 cm

                              x = 30 cm

ditanya : F_m

jawaban :

         F_{m .} x_i  = w . x

F_m (3,4 cm) = (60 N) (30 cm )

              F_m =

              F_m = 529 N

13. Jika jarak rata-rata Jupiter dari matahari adalah 5,20 satuan astronomi (AU), dengan 1 AU = 1,50 x 10¹¹ m 93,0 x 10⁶ mil adalah jarak rata-rata antara bumi dan matahari. Berapakah periode Jupiter?

Penyelesaian :

Diketahui: r_e = 1SA

                  r_j = 5,20 SA

ditanya : T_j

jawaban:

  =

  =

  =

T_j   = 5,20 ^3/2  . T_e

 T_j  = 11,9 . 1 tahun

T_j    = 11,9 tahun

14. Hitunglah gaya tarik antara dua bola, masing-masing bermassa 1 kg, bila pusat-pusatnya berjarak pisah 10 cm.

Penyelesaian :                   

Diketahui: G = 6,67 x 10^-11  N.m²/kg²

                      m_i = m₂ = 1 kg

                  r   = 10 cm = 0,1 m

ditanya : F

jawaban :

F =  

F =

F = 6,67 x 10^-9  N.m²/kg²

15. Carilah kelajuan lepas di permukaan Merkurius, yang mempunyai massa           M = 3,31 x 10²³ kg dan jari-jari R = 2,24 Mm

Penyelesaian:

Diketahui : M = 3,31 x 10²³ kg

                    R = 2,24 Mm = 2,24 x 10⁶ m

                    G = 6,67 x 10^-11  N.m²/kg²

Ditanya : v_e

Jawaban:

            v_e =  

           v_e =

           v_e  = 4,25 x 10³ m/s

                v_e   =  4,25 km/s

16. Sebuah bata timah hitam berukuran ( 5 x 10 x 20) cm. Kerapatan timah adalah 11,3 x 10³ kg/m³ dan gravitasi sama dengan 9,81 N/kg. Berapakah beratnya?

Penyelesaian :

Diketahui : p x l x t = ( 5 x 10 x 20) cm

                  ρ  = 11,3 x 10³ kg/m³

                         g =  9,81 N/kg

Ditanya : W                                            

Jawaban:

V = p x l x t

    = ( 5 x 10 x 20) cm

    = 1000 cm³

     = 10 ^-3 m³

m = ρ . V

    = (11,3 x 10³ kg/m³ ) (10 ^-3 m³)

    = 11,3 kg

W = m . g                                  

     = (11,3 kg ) (9,81 N/kg)

     = 111 N

17. Otot bisep seseorang mempunyai luas penampang maksimum 12 cm. Berapakah tegangan otot ketika memberikan gaya sebesar 300 N ?

Penyelesaian                                    

Diketahui : A = 12 cm = 1,2 x 10 ^-3 m²

                    F = 300 N

Ditanya : tegangan ?                  

Jawaban :                            

             Tegangan =

                         =

                        = 2,5 x 10⁵ N/ m²

18. Pengisap besar pada sebuah dongkrak hidrolik mempunyai jari-jari 20 cm. Berapakah gaya yang harus diberikan pada pengisap kecil berjari-jari 2 cm untuk mengangkat sebuah mobil yang bermasssa 1500 kg?

Penyelesaian

Diketahui:

            R₁ = 2 cm

            R₂ = 20 cm

            m = 1500 kg

ditanya : F₁

jawaban:

berat mobil = m . g

                   = 1500 . 9,81

                   = 1,47 x 10⁴ N

            F₁ =  F₂

                 =  . m.g

                 =  1,47 x 10⁴ N

              = 147 N        

19. Berat jenis emas adalah 19,3. Jika mahkota yang dibuat dari emas murni beratnya 8 N di udara, berapa beratnya bila mahkota ini tenggelam di air?

Penyelesaian:

Diketahui:

            ρ = 19,3

            W udara = 8 N

ditanya : W air

jawaban:

       ρ =  

W hilang =

               =

               = 0,415 N

Jadi berat mahkota saat tenggelam di air adalah

            W udara – W hilang

            = 8 N – 0,415 N

            = 7,59 N

20. Darah mengalir dari pembuluh darah yang besar dengan jari-jari 0,3 cm, di mana kelajuannya 10 cm/s, ke dalam daerah di mana jari-jari berkurang  menjadi 0,2 cm karena penebalan dinding (arteriosclerosis). Berapakah kelajuan darah di bagian yang lebih kecil?

Penyelesaian:                                                      

Diketahui :

            R₁ = 0,3 cm

            R₂ = 0,2 cm

            V₁ = 10 cm/s

Ditanya : V₂

Jawaban:                     

V₂ =  V₁

                 =  . V₁

                 =  10 cm/s

              =   10 cm/s

              = 22,5 cm/s

21. Sebuah benda 3 kg yang dihubungkan pada sebuah pegas berosilasi dengan amplitudo 4 cm dan periode 2 s. Berapakah energi total benda tersebut?

Penyelesaian:

Diketahui :

            m = 3 kg

            A = 4 cm = 0,04 m

            T = 2 s       

Ditanya : E total

Jawaban :

            T = 2π

             k =

           k =

             k = 29,6 N/m

jadi E total adalah                     

E total =  kA²

E total =  (29,6 N/m) (0,04 m)²

E total = 2,37 x 10^-2 J

22. Carilah periode bandul yang panjangnya 1 m!

Penyelesaian:

Diketahui:

            L = 1 m

            g = 9,81 m/s²

ditanya: T

jawaban:

            T = 2π

            T = 2π

             T = 0,64 s

23. Hitunglah laju bunyi di udara pada

a.       0^oC

b.      20^oC

Penyelesaian

Diketahui:

            R = 8,31 J/mol.K  (tetapan)

            M = 29 x 10^-3 kg/mol  (tetapan)

              γ = 1,4

a.    Temperatur mutlak yang bersesuaian dengan temperatur 0^oC adalah

            T = t_c +273

               = 273 K

Dengan demikian laju bunyi pada 0^oC adalah

                        V =

          V =

            V = 331 m/s

b.    Untuk mendapatkan laju pada 20^oC = 293 K, kita memperhatikan bahwa laju bunyi sebanding dengan akar kuadrat temperatur mutlak. Dengan demikian, nilainya pada suhu 293 K, V₂₉₃, dapat dihubungkan dengan nilainya pada suhu 273 K, V₂₇₃, melalui

 =

                               V =  (331 m/s)

                               V = 343 m/s

24. Frekuensi sebuah klakson mobil adalah 400 Hz. Berapakah frekuensi yang teramati jika mobil bergerak melalui udara tenang menuju penerima diam dengan laju V_s = 34 m/s? Ambillah laju bunyi di udara 340 m/s.

Penyelesaian

Diketahui :

             f₀ = 400 Hz

            V_s = 34 m/s

             V = 340 m/s

Ditanya : f’

Jawaban:

             λ_f =

           λ_f =

              λ_f = m

              λ_f = 0,765 m

jadi, frekuensi yang teramati adalah

            f’ =

           f’ =

            f’= 444 Hz   

25.    Berapa volume yang ditempati 1 mol gas pada temperatut 0^oC dan tekanan 1 atm?

Penyelesaian:

Diketahui

            n = 1 mol

            R = 0,0821 L.atm/mol.K

            T = 0 + 273 = 273 K

            P = 1 atm

Ditanya: V

Jawaban :

            V =

             V =

              V = 22,4 L