Fisika Brain - Pembahasan soal fisika tentang usaha dan energi kinetik. Kumpulan soal ini membahas tentang hubungan usaha dengan perubahan energi kinetik dan perubahan kecepatan benda. Soal pilihan berganda ini disusun sedemikian rupa agar dapat membantu murid memahami hubungan antara usaha dan perubahan energi kinetik serta beberapa besaran lain yang biasa muncul seperti kecepatan, waktu, ketinggian, dan sebagainya.
Model soal yang akan dibahas pada kesempatan ini antaralain menentukan hubungan antara usaha dan perubahan energi kinetik, menentukan energi kinetik benda di bidang miring kasar, menentukan usaha yang diubah menjadi energi kinetik, menentukan kecepatan benda jika perubahan energi kinetiknya diketahui, dan menentukan gaya yang menyebabkan energi kinetik benda berubah jika usahanya diketahui.
A. -1000 J
B. -500 J
C. 400 J
D. 500 J
E. 1000 J
Petunjuk penyelesaian:
Jika gaya yang bekerja pada sebuah benda menyebabkan kecepatan benda berubah, maka benda akan mengalami perubahan energi kinetik. Dalam hal ini, usaha yang dilakukan oleh gaya tersebut sama dengan perubahan energi kinetik yang dialami benda.
⇒ W = ΔEk
⇒ W = ½ m (Vt2 - Vo2)
Keterangan :
W = usaha yang dilakukan oleh gaya (J)
m = massa benda (kg)
Vt = kecepatan benda setelah t detik (m/s)
Vo = kecepatan mula-mula benda (m/s).
Berdasarkan soal :
Dik : m = 4 kg, Vo = 30 m/s, g = 10 m/s2, t = 1 s
Dit : W = .... ?
Kecepatan benda setelah t detik:
⇒ Vt = Vo - gt
⇒ Vt = 30 - 10(1)
⇒ Vt = 30 - 10
⇒ Vt = 20 m/s
Usaha yang dilakukan:
⇒ W = ½ m (Vt2 - Vo2)
⇒ W = ½ 4 (202 - 302)
⇒ W = 2 (400 - 900)
⇒ W = 2 (400 - 900)
⇒ W = 2 (-500)
⇒ W = -1000 J
Tanda negatif menunjukkan bahwa gaya yang melakukan usaha berlawanan arah dengan arah perpindahan benda. Dalam hal ini, gaya yang melakukan usaha adalah gaya berat.
Contoh #2
Sebuah mobil yang mula-mula bergerak dengan kecepatan 20 m/s diperlambat dengan perlambatan 2 m/s². Jika massa mobil tersebut adalah 1 ton, maka perubahan energi kinetik mobil pada detik kelima adalah ...
A. -150 kJ
B. -100 kJ
C. 50 kJ
D. 100 kJ
E. 250 kJ
Lihat jawaban >>
A. 36 Joule
B. 24 Joule
C. 12 Joule
D. 10 Joule
E. 5 Joule
Petunjuk penyelesaian:
Karena benda meluncur pada bidang miring yang kasar, maka selain mengalami gaya berat, benda uga mengalami gaya gesekan. Jika digambarkan, maka gaya yang bekerja pada benda akan terlihat seperti gambar di bawah ini.
Kita hanya meninjau gaya yang melakukan usaha, yaitu gaya yang sejajar dengan arah perpindahannya. Gaya yang melakukan usaha dalam hal ini sesuai dengan gambar adalah komponen gaya berat dalam sumbu-x (mg sin θ) dan gaya gesekan.
Usaha total yang dilakukan oleh gaya berat dan gaya gesekan ini nilainya sama dengan perubahan energi kinetik benda. Sehingga untuk kasus bidang miring kasar seperti ini, berlaku:
⇒ W = ΔEk
⇒ ∑F.s = Ekt - Eko
Kertangan :
∑F = resultan gaya yang bekerja pada benda (N)
s = perpindahan benda (m)
Ekt = energi kinetik benda setelah t detik (J)
Eko = energi kinetik mula-mula benda (J).
Berdasarkan soal:
Dik : m = 2 kg, s = 3 m, θ = 30o, fg = 6 N, Vo = 0
Dit : Ek = .... ?
Hubungan energi kinetik dan usaha:
⇒ ∑F.s = Ekt - Eko
⇒ (mg sin 30o - fg) . s = Ekt - 0
⇒ {2(10)(½) - 6} . 3 = Ekt
⇒ (10 - 6} . 3 = Ekt
⇒ 12 = Ekt
⇒ Ekt = 12 J
Contoh #4
Sebuah benda bermassa m bergerak jatuh bebas dari ketinggian h di atas permukaan tanah. Jika percepatan gravitasi adalah g, maka perbandingan energi potensial dan energi kinetik benda saat ketinggiannya sepertiga dari ketinggian awal adalah ....
A. 1 : 2
B. 1 : 3
C. 2 : 1
D. 2 : 3
E. 3 : 1
Lihat jawaban >>
A. 16 kJ
B. 18 kJ
C. 24 kJ
D. 36 kJ
E. 50 kJ
Petunjuk penyelesaian:
Mobil yang mula-mula diam menjadi bergerak dengan percepatan tertentu karena ada gaya yang bekerja pada mobil tersebut. Gaya tersebut menyebabkan mobil mengalami perubahan energi kinetik. Usaha yang dilakukan oleh gaya tersebut diubah menjadi energi kinetik.
Karena pada soal belum diketahui kecepatan akhir mobil, maka kita harus mencari Vt terleih dahulu. Sesuai dengan konsep GLBB, kecepatan benda pada detik ke-t dapat dihitung dengan rumus berikut:
⇒ Vt = Vo + at
Keterangan :
Vt = kecepatan setelah t detik (m/s)
Vo = kecepatan awal benda (m/s)
a = percepatan benda (m/s2)
t = waktu (s).
Berdasarkan soal:
Dik : m = 500 kg, Vo = 0, a = 2 m/s2, t = 4 s
Dit : W = ... ?
Kecepatan mobil setelah 4 detik:
⇒ Vt = Vo + at
⇒ Vt = 0 + 2(4)
⇒ Vt = 8 m/s
Usaha yang diubah menjadi energi kinetik:
⇒ W = ΔEk
⇒ W = ½ m (Vt2 - Vo2)
⇒ W = ½ 500 (82 - 02)
⇒ W = 250 (64)
⇒ W = 16.000 J
⇒ W = 16 kJ
Contoh #6
Tiga buah gaya masing-masing 20 N, 40 N, dan 50 N bekerja pada tiga buah benda dan menyebabkan perpindahan masing-masing 10 meter, 20 meter, dan 5 meter. Jika ditotalkan, maka usaha yang dilakukan oleh ketiga gaya tersebut adalah ....
A. 1850 J
B. 1650 J
C. 1500 J
D. 1400 J
E. 1250 J
Lihat jawaban >>
A. 20 m/s
B. 25 m/s
C. 40 m/s
D. 45 m/s
E. 50 m/s
Petunjuk penyelesaian:
Gaya yang bekerja pada benda menyebabkan benda tersebut mengalami perubahan kecepatan dari mula-mula diam menjadi bergerak. Oleh karena itu, usaha yang dilakukan oleh gaya tersebut akan sama dengan perubahan energi kinetik benda.
Berdasarkan soal:
Dik : m = 4 kg, Vo = 0, W = 800 J
Dit : Vt = ... ?
Hubungan usaha dan energi kinetik:
⇒ W = ΔEk
⇒ W = ½ m (Vt2 - Vo2)
⇒ 800 = ½ 4 (Vt2 - 02)
⇒ 800 = 2 Vt2
⇒ Vt2 = 800/2
⇒ Vt2 = 400
⇒ Vt = 20 m/s
Contoh #8
Untuk pembangkit listrik tenaga air, pemerintah memanfaatkan air terjun setinggi 40 meter. Setiap detik, air mengalir sebanyak 20 m3. Jika daya rata-rata yang dihasilkan oleh generator adalah 4.800 kW, maka efisiensi generator tersebut adalah ....
A. 80%
B. 70%
C. 60%
D. 55%
E. 50%
Lihat jawaban >>
A. 10 N
B. 16 N
C. 24 N
D. 30 N
E. 54 N
Petunjuk penyelesaian:
Pada soal dijelaskan bahwa gaya yang bekerja menyebabkan perubahan energi kinetik benda sebab gaya menyebabkan kecepatan benda berubah. Usaha oleh gaya tersebut sama dengan perubahan energi kinetik benda.
Untuk menentukan besar gaya yang bekerja, kita dapat memanfaatkan konsep GLBB dan hukum Newton. Pertama kita harus menentukan percepatan yang dialami benda dengan menggunakan konsep GLBB:
⇒ Vt = Vo + at
Setelah nilai percepatan diperoleh, kita dapat menentukan besar gaya menggunakan hukum II Newton, yaitu:
⇒ F = m.a
Keterangan :
F = gaya yang bekerja (N)
m = massa benda (kg)
a = percepatan benda (m/s2)
Berdasarkan soal:
Dik : Vo = 0, t = 5 s, W = 400 J, m = 8 kg
Dit : F = .... ?
Kecepatan benda setelah t detik:
⇒ W = ½ m (Vt2 - Vo2)
⇒ 400 = ½ 8 (Vt2 - 0)
⇒ 400 = 4Vt2
⇒ Vt2 = 100
⇒ Vt = 10 m/s
Percepatan yang dilamai benda:
⇒ Vt = Vo + at
⇒ 10 = 0 + a(5)
⇒ 10 = 5a
⇒ a = 2 m/s2
Gaya yang melakukan usaha :
⇒ F = m.a
⇒ F = 8 (2)
⇒ F = 16 N
Contoh #10
Jika sebuah gaya yang melakukan usaha sebesar 300 Joule menyebabkan kecepatan benda (m = 2 kg) berubah menjadi 20 m/s, maka kecepatan awal benda tersebut adalah ...
A. 15 m/s
B. 12 m/s
C. 10 m/s
D. 5 m/s
E. 0
Petunjuk penyelesaian:
Dik : m = 2 kg, W = 300 J, Vt = 20 m/s
Dit : Vo = ...?
Hubungan usaha dan energi kinetik:
⇒ W = ½ m (Vt2 - Vo2)
⇒ 300 = ½ 2 (202 - Vo2)
⇒ 300 = 400 - Vo2
⇒ Vo2 = 400 - 300
⇒ Vo2 = 100
⇒ Vo = 10 m/s
Model soal yang akan dibahas pada kesempatan ini antaralain menentukan hubungan antara usaha dan perubahan energi kinetik, menentukan energi kinetik benda di bidang miring kasar, menentukan usaha yang diubah menjadi energi kinetik, menentukan kecepatan benda jika perubahan energi kinetiknya diketahui, dan menentukan gaya yang menyebabkan energi kinetik benda berubah jika usahanya diketahui.
Contoh #1 : Hubungan Usaha & Perubahan Energi Kinetik
Sebuah benda bermassa 4 kg bergerak vertikal ke atas dengan kecepatan awal 30 m/s. Jika percepatan gravitasi 10 m/s2, maka besar usaha yang dilakukan pada benda setelah benda bergerak selama 1 detik adalah ....A. -1000 J
B. -500 J
C. 400 J
D. 500 J
E. 1000 J
Petunjuk penyelesaian:
Jika gaya yang bekerja pada sebuah benda menyebabkan kecepatan benda berubah, maka benda akan mengalami perubahan energi kinetik. Dalam hal ini, usaha yang dilakukan oleh gaya tersebut sama dengan perubahan energi kinetik yang dialami benda.
⇒ W = ΔEk
⇒ W = ½ m (Vt2 - Vo2)
Keterangan :
W = usaha yang dilakukan oleh gaya (J)
m = massa benda (kg)
Vt = kecepatan benda setelah t detik (m/s)
Vo = kecepatan mula-mula benda (m/s).
Berdasarkan soal :
Dik : m = 4 kg, Vo = 30 m/s, g = 10 m/s2, t = 1 s
Dit : W = .... ?
Kecepatan benda setelah t detik:
⇒ Vt = Vo - gt
⇒ Vt = 30 - 10(1)
⇒ Vt = 30 - 10
⇒ Vt = 20 m/s
Usaha yang dilakukan:
⇒ W = ½ m (Vt2 - Vo2)
⇒ W = ½ 4 (202 - 302)
⇒ W = 2 (400 - 900)
⇒ W = 2 (400 - 900)
⇒ W = 2 (-500)
⇒ W = -1000 J
Tanda negatif menunjukkan bahwa gaya yang melakukan usaha berlawanan arah dengan arah perpindahan benda. Dalam hal ini, gaya yang melakukan usaha adalah gaya berat.
Jawaban : A
Sebuah mobil yang mula-mula bergerak dengan kecepatan 20 m/s diperlambat dengan perlambatan 2 m/s². Jika massa mobil tersebut adalah 1 ton, maka perubahan energi kinetik mobil pada detik kelima adalah ...
A. -150 kJ
B. -100 kJ
C. 50 kJ
D. 100 kJ
E. 250 kJ
Lihat jawaban >>
Contoh #3 : Energi Kinetik Benda di Bidang Miring Kasar
Sebuah kotak bermassa 2 kg meluncur dari bagian atas bidang miring kasar yang panjangnya 3 meter. Jika kemiringan bidang adalah 30o terhadap horizontal dan gaya gesekan antara kotak dengan permukaan bidang adalah 6 N, maka energi kinetik kotak tersebut ketika sampai di dasar bidang miring adalah ....A. 36 Joule
B. 24 Joule
C. 12 Joule
D. 10 Joule
E. 5 Joule
Petunjuk penyelesaian:
Karena benda meluncur pada bidang miring yang kasar, maka selain mengalami gaya berat, benda uga mengalami gaya gesekan. Jika digambarkan, maka gaya yang bekerja pada benda akan terlihat seperti gambar di bawah ini.
Kita hanya meninjau gaya yang melakukan usaha, yaitu gaya yang sejajar dengan arah perpindahannya. Gaya yang melakukan usaha dalam hal ini sesuai dengan gambar adalah komponen gaya berat dalam sumbu-x (mg sin θ) dan gaya gesekan.
Usaha total yang dilakukan oleh gaya berat dan gaya gesekan ini nilainya sama dengan perubahan energi kinetik benda. Sehingga untuk kasus bidang miring kasar seperti ini, berlaku:
⇒ W = ΔEk
⇒ ∑F.s = Ekt - Eko
Kertangan :
∑F = resultan gaya yang bekerja pada benda (N)
s = perpindahan benda (m)
Ekt = energi kinetik benda setelah t detik (J)
Eko = energi kinetik mula-mula benda (J).
Berdasarkan soal:
Dik : m = 2 kg, s = 3 m, θ = 30o, fg = 6 N, Vo = 0
Dit : Ek = .... ?
Hubungan energi kinetik dan usaha:
⇒ ∑F.s = Ekt - Eko
⇒ (mg sin 30o - fg) . s = Ekt - 0
⇒ {2(10)(½) - 6} . 3 = Ekt
⇒ (10 - 6} . 3 = Ekt
⇒ 12 = Ekt
⇒ Ekt = 12 J
Jawaban : C
Sebuah benda bermassa m bergerak jatuh bebas dari ketinggian h di atas permukaan tanah. Jika percepatan gravitasi adalah g, maka perbandingan energi potensial dan energi kinetik benda saat ketinggiannya sepertiga dari ketinggian awal adalah ....
A. 1 : 2
B. 1 : 3
C. 2 : 1
D. 2 : 3
E. 3 : 1
Lihat jawaban >>
Contoh #5 : Usaha yang Diubah Menjadi Energi Kinetik
Sebuah mobil bermassa 500 kg yang mula-mula diam, bergerak lurus dengan percepatan konstan sebesar 2 m/s2. Usaha yang diubah menjadi energi kinetik setelah 4 detik sama dengan ....A. 16 kJ
B. 18 kJ
C. 24 kJ
D. 36 kJ
E. 50 kJ
Petunjuk penyelesaian:
Mobil yang mula-mula diam menjadi bergerak dengan percepatan tertentu karena ada gaya yang bekerja pada mobil tersebut. Gaya tersebut menyebabkan mobil mengalami perubahan energi kinetik. Usaha yang dilakukan oleh gaya tersebut diubah menjadi energi kinetik.
Karena pada soal belum diketahui kecepatan akhir mobil, maka kita harus mencari Vt terleih dahulu. Sesuai dengan konsep GLBB, kecepatan benda pada detik ke-t dapat dihitung dengan rumus berikut:
⇒ Vt = Vo + at
Keterangan :
Vt = kecepatan setelah t detik (m/s)
Vo = kecepatan awal benda (m/s)
a = percepatan benda (m/s2)
t = waktu (s).
Berdasarkan soal:
Dik : m = 500 kg, Vo = 0, a = 2 m/s2, t = 4 s
Dit : W = ... ?
Kecepatan mobil setelah 4 detik:
⇒ Vt = Vo + at
⇒ Vt = 0 + 2(4)
⇒ Vt = 8 m/s
Usaha yang diubah menjadi energi kinetik:
⇒ W = ΔEk
⇒ W = ½ m (Vt2 - Vo2)
⇒ W = ½ 500 (82 - 02)
⇒ W = 250 (64)
⇒ W = 16.000 J
⇒ W = 16 kJ
Jawaban : A
Tiga buah gaya masing-masing 20 N, 40 N, dan 50 N bekerja pada tiga buah benda dan menyebabkan perpindahan masing-masing 10 meter, 20 meter, dan 5 meter. Jika ditotalkan, maka usaha yang dilakukan oleh ketiga gaya tersebut adalah ....
A. 1850 J
B. 1650 J
C. 1500 J
D. 1400 J
E. 1250 J
Lihat jawaban >>
Contoh #7 : Menentukan Kecepatan Benda Jika Usaha Diketahui
Sebuah gaya bekerja pada sebuah benda bermassa 4 kg yang mula-mula diam sehingga menyebabkan benda tersebut bergerak. Jika usaha yang dilakukan oleh gaya tersebut adalah 800 Joule, maka kecepatan benda tersebut saat bergerak adalah ....A. 20 m/s
B. 25 m/s
C. 40 m/s
D. 45 m/s
E. 50 m/s
Petunjuk penyelesaian:
Gaya yang bekerja pada benda menyebabkan benda tersebut mengalami perubahan kecepatan dari mula-mula diam menjadi bergerak. Oleh karena itu, usaha yang dilakukan oleh gaya tersebut akan sama dengan perubahan energi kinetik benda.
Berdasarkan soal:
Dik : m = 4 kg, Vo = 0, W = 800 J
Dit : Vt = ... ?
Hubungan usaha dan energi kinetik:
⇒ W = ΔEk
⇒ W = ½ m (Vt2 - Vo2)
⇒ 800 = ½ 4 (Vt2 - 02)
⇒ 800 = 2 Vt2
⇒ Vt2 = 800/2
⇒ Vt2 = 400
⇒ Vt = 20 m/s
Jawaban : A
Untuk pembangkit listrik tenaga air, pemerintah memanfaatkan air terjun setinggi 40 meter. Setiap detik, air mengalir sebanyak 20 m3. Jika daya rata-rata yang dihasilkan oleh generator adalah 4.800 kW, maka efisiensi generator tersebut adalah ....
A. 80%
B. 70%
C. 60%
D. 55%
E. 50%
Lihat jawaban >>
Contoh #9 : Gaya yang Mengubah Energi Kinetik Benda
Sebuah benda yang mula-mula diam dikenai gaya sehingga bergerak dengan kecepatan tertentu selama 5 detik. Jika usaha yang dilakukan oleh gaya terhadap benda adalah 400 Joule dan massa benda 8 kg, maka besar gaya tersebut adalah ....A. 10 N
B. 16 N
C. 24 N
D. 30 N
E. 54 N
Petunjuk penyelesaian:
Pada soal dijelaskan bahwa gaya yang bekerja menyebabkan perubahan energi kinetik benda sebab gaya menyebabkan kecepatan benda berubah. Usaha oleh gaya tersebut sama dengan perubahan energi kinetik benda.
Untuk menentukan besar gaya yang bekerja, kita dapat memanfaatkan konsep GLBB dan hukum Newton. Pertama kita harus menentukan percepatan yang dialami benda dengan menggunakan konsep GLBB:
⇒ Vt = Vo + at
Setelah nilai percepatan diperoleh, kita dapat menentukan besar gaya menggunakan hukum II Newton, yaitu:
⇒ F = m.a
Keterangan :
F = gaya yang bekerja (N)
m = massa benda (kg)
a = percepatan benda (m/s2)
Berdasarkan soal:
Dik : Vo = 0, t = 5 s, W = 400 J, m = 8 kg
Dit : F = .... ?
Kecepatan benda setelah t detik:
⇒ W = ½ m (Vt2 - Vo2)
⇒ 400 = ½ 8 (Vt2 - 0)
⇒ 400 = 4Vt2
⇒ Vt2 = 100
⇒ Vt = 10 m/s
Percepatan yang dilamai benda:
⇒ Vt = Vo + at
⇒ 10 = 0 + a(5)
⇒ 10 = 5a
⇒ a = 2 m/s2
Gaya yang melakukan usaha :
⇒ F = m.a
⇒ F = 8 (2)
⇒ F = 16 N
Jawaban : B
Jika sebuah gaya yang melakukan usaha sebesar 300 Joule menyebabkan kecepatan benda (m = 2 kg) berubah menjadi 20 m/s, maka kecepatan awal benda tersebut adalah ...
A. 15 m/s
B. 12 m/s
C. 10 m/s
D. 5 m/s
E. 0
Petunjuk penyelesaian:
Dik : m = 2 kg, W = 300 J, Vt = 20 m/s
Dit : Vo = ...?
Hubungan usaha dan energi kinetik:
⇒ W = ½ m (Vt2 - Vo2)
⇒ 300 = ½ 2 (202 - Vo2)
⇒ 300 = 400 - Vo2
⇒ Vo2 = 400 - 300
⇒ Vo2 = 100
⇒ Vo = 10 m/s
Jawaban : C
0 comments :
Post a Comment