Fisika Brain - Pembahasan soal fisika tentang usaha, gaya berat, dan gaya gesekan. Kumpulan soal ini membahas tentang hubungan antara usaha, gaya berat atau gaya gravitasi, dan gaya gesekan. Soal-soal ini disusun sedemikian rupa untuk membantu murid memahami konsep usaha dan gaya dan memahami cara menentukan usaha total yang dilakukan oleh beberapa gaya terhadap sebuah benda.
Beberapa model soal yang akan dibahas antaralain menentukan hubungan usaha, gaya berat, dan gaya gesekan, menentukan usaha yang dilakukan beberapa gaya di bidang miring, menentukan pengaruh gaya gesekan terhadap besar gaya untuk melakukan usaha, menentukan usaha total yang dilakukan oleh beberapa gaya dalam bidang miring.
A. 240 Joule
B. 200 Joule
C. 150 Joule
D. 100 Joule
E. 80 Joule
Petunjuk penyelesaian :
Ketika benda bermassa m diletakkan di atas bidang miring dan meluncur ke bawah sepanjang bidang miring tersebut, maka gaya yang melakukan usaha untuk memindahkan benda adalah gaya berat benda tersebut. Karena benda bergerak di bidang miring, maka arah gaya berat membentu sudut tertentu terhadap bidang.
Gay berat benda yang arahnya ke bawah harus diproyeksikan terlebih dahulu untuk melihat gaya mana yang menyebabkan benda meluncur. Pada bidang miring, gaya yang melakukan usaha (gaya yang searah dengan arah gerak) adalah komponen gaya berat dalam arah x (wx).
Dengan demikian, besar usaha yang dilakukan oleh gaya berat dapat dihitung dengan rumus berikut:
⇒ W = Fx . s
⇒ W = w.sin θ . s
⇒ W = m.g.sin θ . s
Keterangan :
W = usaha yang dilakukan oleh gaya berat (J)
Fx = komponen gaya yang searah dengan arah perpindahan (N)
w = gaya berat benda (N)
m = massa benda (kg)
g = percepatan gravitasi (m/s2)
s = perpindahan benda (m)
θ = kemiringan bidang.
Berdasarkan soal :
Dik : m = 5 kg, s = 8 m, g = 10 m/s2, θ = 37o
Dit : W = .... ?
Usaha yang dilakukan oleh gaya berat:
⇒ W = m.g.sin 37o . s
⇒ W = 5 (10) (3/5) . 8
⇒ W = 30 (8)
⇒ W = 240 Joule.
Contoh #2
Andi menjatuhkan sebuah batu bermassa 2 kg dari ketinggian 20 meter sehingga batu bergerak jatuh bebas. Jika percepatan gravitasi 10 m/s2, maka kecepatan batu setelah berpindah sejauh 5 meter dari posisi awalnya adalah ....
A. 10√3 m/s
B. 10 m/s
C. 8 m/s
D. 5√3 m/s
E. 5 m/s
A. 150 Joule
B. 200 Joule
C. 400 Joule
D. 600 Joule
E. 800 Joule
Petunjuk penyelesaian :
Pada soal disebutkan bahwa buruh tersebut mendorong beban dengan gaya 600 N melewati bidang miring licin (gesekan diabaikan). Karena ada gaya dorong, maka beban tersebut mengalami dua gaya selama perpindahannya, yaitu gaya berat dan gaya dorong.
Dari gambar di atas dapat kita lihat bahwa gaya yang melakukan usaha adalah gaya dorong (F) dan komponen gaya berat dalam arah x (wx). Kedua gaya tersebut arahnya saling berlawanan sehingga usaha total selama proses tersebut adalah :
⇒ W = ∑F . s
⇒ W = (F - w.sin θ) . s
Keterangan :
W = usaha yang dilakukan oleh gaya berat (J)
∑F = resultan gaya yang berkerja pada benda (N)
F = gaya dorong yang diberikan (N)
w = gaya berat benda (N)
s = perpindahan benda (m)
θ = kemiringan bidang.
Berdasarkan soal:
Dik : s = 3 m, w = 800 N, F = 600 N, θ = 30o
Dit : W = ... ?
Cara pertama:
Usaha yang dilakukan oleh gaya dorong:
⇒ W1 = F . s
⇒ W1 = 600 (3)
⇒ W1 = 1800 Joule
Usaha yang dilakukan oleh gaya berat:
⇒ W2 = w.sin 30o. s
⇒ W2 = 800 (1/2) . 3
⇒ W2 = 1200 J
Usaha total oleh gaya dorong dan gaya berat:
⇒ W = W1 - W2
⇒ W = 1800 - 1200
⇒ W = 600 Joule.
Cara kedua:
⇒ W = (F - w.sin 30o) . s
⇒ W = {600 - 800(1/2)} . 3
⇒ W = 200 (3)
⇒ W = 600 Joule.
Contoh #4
Sebuah bola pejal bermassa 1 kg dilempar vertikal ke atas dari permukaan tanah dengan kecepatan awal 40 m/s. Jika percepatan gravitasi di tempat itu adalah 10 m/s2, maka besar energi kientik bola saat mencapai ketinggian 20 meter di atas permukaan tanah adalah ....
A. 600 J
B. 500 J
C. 300 J
D. 200 J
E. 100 J
A. 100 J
B. 124 J
C. 148 J
D. 164 J
E. 224 J
Petunjuk penyelesaian:
Karena bidang miringnya kasar maka akan ada gaya gesekan yang mempengaruhi perpindahan benda. Dengan demikian ada dua gaya yang bekerja pada benda yaitu gaya berat dan gaya gesekan. Hubungan antara usaha, gaya berat, dan gaya gesek pada bidang miring adalah:
⇒ W = ∑F . s
⇒ W = (w.sin θ - fg) . s
⇒ W = (w.sin θ - μ.w.cos θ) . s
⇒ W = (m.g.sin θ - μ.m.g.cos θ) . s
Keterangan :
W = usaha total yang diberikan pada benda (J)
w = berat benda (N)
fg = gaya gesekan antara benda dan bidang (N)
m = massa benda (kg)
g = percepatan gravitasi (m/s2)
θ = sudut kemiringan bidang.
Berdasarkan soal :
Dik : m = 40 kg, s = 0,5 m, μ = 0.3, θ = 53o
Dit : W = ... ?
Usaha total oleh gaya berat dan gaya gesek:
⇒ W = (m.g.sin 53o - μ.m.g.cos 53o) . s
⇒ W = {40(10) (4/5) - 0,3 (40)(10) (3/5)} . 0,5
⇒ W = (320 - 72) . 0,5
⇒ W = 248 (0,5)
⇒ W = 124 Joule.
Contoh #6
Jika untuk memindahkan sebuah kotak yang beratnya 400 N ke atas sebuah lemari dibutuhkan energi sebesar 800 Joule, maka tinggi lemari tersebut adalah ....
A. 1 meter
B. 1,5 meter
C. 2 meter
D. 2,5 meter
E. 3 meter
A. 564 J
B. 654 J
C. 721 J
D. 756 J
E. 816 J
Petunjuk penyelesaian:
Sama seperti contoh #5, soal ini juga membahas hubungan antara usaha, gaya berat dan gaya gesek. Karena benda mengalami dua gaya, yaitu gaya berat dan gaya gesek, maka usaha total yang dialami benda adalah resultan gaya dikali perpindahan benda.
Berdasarkan soal:
Dik : w = 600 N, s = 2 m, fg = 72 N, θ = 53o
Dit : W = .... ?
Cara pertama:
Usaha yang dilakukan oleh gaya berat:
⇒ W1 = w.sin 53o. s
⇒ W1 = 600 (4/5) . 2
⇒ W1 = 960 Joule
Usaha yang dilakukan oleh gaya gesekan:
⇒ W2 = fg . s
⇒ W2 = 72 (2)
⇒ W2 = 144 Joule
Usaha total oleh gaya berat dan gesekan:
⇒ W = W1 - W2
⇒ W = 960 - 144
⇒ W = 816 Joule.
Cara kedua:
⇒ W = (w.sin 53o - fg) . s
⇒ W = {600 (4/5) - 72} . 2
⇒ W = (480 - 72) . 2
⇒ W = 408 (2)
⇒ W = 816 Joule.
Contoh #8
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
A. 120J
B. 136 J
C. 148 J
D. 164 J
E. 172 J
Petunjuk penyelesaian:
Pada soa diketahui koefisien gesekan antara kota dan bidang. Itu artinya selain ada gaya berat, benda juga mengalami gaya gesekan yang arahnya berlawanan dengan arah gerak kotak.
Usaha total yang dibutuhkan untuk memindahkan benda melalui bidang miring kasar dapat dihitung dengan rumus berikut ini:
⇒ W = ∑F . s
Dengan ∑F adalah resultan gaya yang bekerja pada benda. Karena benda mengalami tiga gaya, yaitu gaya dorong, gaya berat, dan gaya gesekan, maka usaha totalnya menjadi:
⇒ W = (F - w.sin θ - fg) . s
⇒ W = (F - w.sin θ - μ.w.cos θ) . s
⇒ W = (F - m.g.sin θ - μ.m.g.cos θ) . s
Keterangan :
W = usaha total yang diberikan pada benda (J)
F = gaya dorong (N)
w = berat benda (N)
fg = gaya gesekan antara benda dan bidang (N)
m = massa benda (kg)
g = percepatan gravitasi (m/s2)
θ = sudut kemiringan bidang.
Berdasarkan soal:
Dik : F = 300 N, m = 20 kg, μ = 0.2, s = 1 m, θ = 37o
Dit : W = ... ?
Cara Pertama:
Usaha yang dilakukan oleh gaya dorong:
⇒ W1 = F . s
⇒ W1 = 300 (1)
⇒ W1 = 300 J
Usaha yang dilakukan oleh gaya berat:
⇒ W2 = w.sin 37o. s
⇒ W2 = 20(10)(3/5) . 1
⇒ W2 = 120 J
Usaha yang dilakukan oleh gaya gesek:
⇒ W3 = (μ.m.g.cos 37o) . s
⇒ W3 = 0,2.(20)(10)(4/5) . 1
⇒ W3 = 32 J
Total usaha yang dialami benda:
⇒ W = W1 - W2 - W3
⇒ W = 300 - 120 - 32
⇒ W = 148 J.
Cara Kedua :
Usaha total yang dilakukan beberapa gaya:
⇒ W = (F - m.g.sin 37o - μ.m.g.cos 37o) . s
⇒ W = {300 - 20(10)(3/5) - 0,2(20)(10)(4/5)} . 1
⇒ W = 300 - 120 - 32
⇒ W = 148 J.
Contoh #10
Sebuah pompa air dapat menaikkan 20 liter air dari sumur sedalam 4 meter setiap menitnya. Jika pompa menyemburkan air dengan kecepatan 10 m/s, maka daya pompa tersebut adalah ....
A. 300 watt
B. 250 watt
C. 150 watt
D. 100 watt
E. 80 watt
Beberapa model soal yang akan dibahas antaralain menentukan hubungan usaha, gaya berat, dan gaya gesekan, menentukan usaha yang dilakukan beberapa gaya di bidang miring, menentukan pengaruh gaya gesekan terhadap besar gaya untuk melakukan usaha, menentukan usaha total yang dilakukan oleh beberapa gaya dalam bidang miring.
Contoh #1 : Usaha Oleh Gaya Berat di Bidang Miring
Sebuah papan licin yang panjangnya 8 meter dimanfaatkan sebagai bidang miring dengan kemiringan 37o. Dari ujung puncak bidang miring dilepaskan sebuah kotak bermassa 5 kg sehingga kotak meluncur ke bawah dan menyentuh lantai. Jika percepatan gravitasi 10 m/s2, maka usaha yang dilakukan oleh gaya berat untuk memindahkan kotak dari atas ke lantai adalah ...A. 240 Joule
B. 200 Joule
C. 150 Joule
D. 100 Joule
E. 80 Joule
Petunjuk penyelesaian :
Ketika benda bermassa m diletakkan di atas bidang miring dan meluncur ke bawah sepanjang bidang miring tersebut, maka gaya yang melakukan usaha untuk memindahkan benda adalah gaya berat benda tersebut. Karena benda bergerak di bidang miring, maka arah gaya berat membentu sudut tertentu terhadap bidang.
Gay berat benda yang arahnya ke bawah harus diproyeksikan terlebih dahulu untuk melihat gaya mana yang menyebabkan benda meluncur. Pada bidang miring, gaya yang melakukan usaha (gaya yang searah dengan arah gerak) adalah komponen gaya berat dalam arah x (wx).
Dengan demikian, besar usaha yang dilakukan oleh gaya berat dapat dihitung dengan rumus berikut:
⇒ W = Fx . s
⇒ W = w.sin θ . s
⇒ W = m.g.sin θ . s
Keterangan :
W = usaha yang dilakukan oleh gaya berat (J)
Fx = komponen gaya yang searah dengan arah perpindahan (N)
w = gaya berat benda (N)
m = massa benda (kg)
g = percepatan gravitasi (m/s2)
s = perpindahan benda (m)
θ = kemiringan bidang.
Berdasarkan soal :
Dik : m = 5 kg, s = 8 m, g = 10 m/s2, θ = 37o
Dit : W = .... ?
Usaha yang dilakukan oleh gaya berat:
⇒ W = m.g.sin 37o . s
⇒ W = 5 (10) (3/5) . 8
⇒ W = 30 (8)
⇒ W = 240 Joule.
Jawaban : A
Contoh #2
Andi menjatuhkan sebuah batu bermassa 2 kg dari ketinggian 20 meter sehingga batu bergerak jatuh bebas. Jika percepatan gravitasi 10 m/s2, maka kecepatan batu setelah berpindah sejauh 5 meter dari posisi awalnya adalah ....
A. 10√3 m/s
B. 10 m/s
C. 8 m/s
D. 5√3 m/s
E. 5 m/s
Contoh #3 : Usaha Oleh Gaya Dorong dan Gaya Berat
Seorang buruh memanfaatkan papan licin sepanjang 3 meter sebagai bidang miring untuk memindahkan beban seberat 800 N ke atas truk. Jika kemiringan bidang adalah 30o dan gaya dorong yang diberikan adalah 600 N, maka usaha total untuk memindahkan beban tersebut adalah ....A. 150 Joule
B. 200 Joule
C. 400 Joule
D. 600 Joule
E. 800 Joule
Petunjuk penyelesaian :
Pada soal disebutkan bahwa buruh tersebut mendorong beban dengan gaya 600 N melewati bidang miring licin (gesekan diabaikan). Karena ada gaya dorong, maka beban tersebut mengalami dua gaya selama perpindahannya, yaitu gaya berat dan gaya dorong.
Dari gambar di atas dapat kita lihat bahwa gaya yang melakukan usaha adalah gaya dorong (F) dan komponen gaya berat dalam arah x (wx). Kedua gaya tersebut arahnya saling berlawanan sehingga usaha total selama proses tersebut adalah :
⇒ W = ∑F . s
⇒ W = (F - w.sin θ) . s
Keterangan :
W = usaha yang dilakukan oleh gaya berat (J)
∑F = resultan gaya yang berkerja pada benda (N)
F = gaya dorong yang diberikan (N)
w = gaya berat benda (N)
s = perpindahan benda (m)
θ = kemiringan bidang.
Berdasarkan soal:
Dik : s = 3 m, w = 800 N, F = 600 N, θ = 30o
Dit : W = ... ?
Cara pertama:
Usaha yang dilakukan oleh gaya dorong:
⇒ W1 = F . s
⇒ W1 = 600 (3)
⇒ W1 = 1800 Joule
Usaha yang dilakukan oleh gaya berat:
⇒ W2 = w.sin 30o. s
⇒ W2 = 800 (1/2) . 3
⇒ W2 = 1200 J
Usaha total oleh gaya dorong dan gaya berat:
⇒ W = W1 - W2
⇒ W = 1800 - 1200
⇒ W = 600 Joule.
Cara kedua:
⇒ W = (F - w.sin 30o) . s
⇒ W = {600 - 800(1/2)} . 3
⇒ W = 200 (3)
⇒ W = 600 Joule.
Jawaban : D
Contoh #4
Sebuah bola pejal bermassa 1 kg dilempar vertikal ke atas dari permukaan tanah dengan kecepatan awal 40 m/s. Jika percepatan gravitasi di tempat itu adalah 10 m/s2, maka besar energi kientik bola saat mencapai ketinggian 20 meter di atas permukaan tanah adalah ....
A. 600 J
B. 500 J
C. 300 J
D. 200 J
E. 100 J
Contoh #5 : Hubungan Usaha, Gaya Berat, dan Gaya Gesek
Sebuah benda bermassa 40 kg diletakkan di bagian atas bidang miring kasar yang kemiringannya 53o. Jika koefisien gesekan antara benda dan permukaan bidang adalah 0,3 dan benda tersebut meluncur sejauh 0,5 meter, maka usaha total yang dialami benda tersebut adalah ....A. 100 J
B. 124 J
C. 148 J
D. 164 J
E. 224 J
Petunjuk penyelesaian:
Karena bidang miringnya kasar maka akan ada gaya gesekan yang mempengaruhi perpindahan benda. Dengan demikian ada dua gaya yang bekerja pada benda yaitu gaya berat dan gaya gesekan. Hubungan antara usaha, gaya berat, dan gaya gesek pada bidang miring adalah:
⇒ W = ∑F . s
⇒ W = (w.sin θ - fg) . s
⇒ W = (w.sin θ - μ.w.cos θ) . s
⇒ W = (m.g.sin θ - μ.m.g.cos θ) . s
Keterangan :
W = usaha total yang diberikan pada benda (J)
w = berat benda (N)
fg = gaya gesekan antara benda dan bidang (N)
m = massa benda (kg)
g = percepatan gravitasi (m/s2)
θ = sudut kemiringan bidang.
Berdasarkan soal :
Dik : m = 40 kg, s = 0,5 m, μ = 0.3, θ = 53o
Dit : W = ... ?
Usaha total oleh gaya berat dan gaya gesek:
⇒ W = (m.g.sin 53o - μ.m.g.cos 53o) . s
⇒ W = {40(10) (4/5) - 0,3 (40)(10) (3/5)} . 0,5
⇒ W = (320 - 72) . 0,5
⇒ W = 248 (0,5)
⇒ W = 124 Joule.
Jawaban : B
Contoh #6
Jika untuk memindahkan sebuah kotak yang beratnya 400 N ke atas sebuah lemari dibutuhkan energi sebesar 800 Joule, maka tinggi lemari tersebut adalah ....
A. 1 meter
B. 1,5 meter
C. 2 meter
D. 2,5 meter
E. 3 meter
Contoh #7 : Usaha Oleh Gaya Berat dan Gaya Gesek
Sebuah balok seberat 600 N meluncur pada bidang miring sepanjang 2 meter dan menyentuh dasar. Jika gaya gesek antara balok dan permukaan bidang adalah 72 N dan kemiringan bidang adalah 53o, maka usaha total yang dilakukan pada balok tersebut adalah ....A. 564 J
B. 654 J
C. 721 J
D. 756 J
E. 816 J
Petunjuk penyelesaian:
Sama seperti contoh #5, soal ini juga membahas hubungan antara usaha, gaya berat dan gaya gesek. Karena benda mengalami dua gaya, yaitu gaya berat dan gaya gesek, maka usaha total yang dialami benda adalah resultan gaya dikali perpindahan benda.
Berdasarkan soal:
Dik : w = 600 N, s = 2 m, fg = 72 N, θ = 53o
Dit : W = .... ?
Cara pertama:
Usaha yang dilakukan oleh gaya berat:
⇒ W1 = w.sin 53o. s
⇒ W1 = 600 (4/5) . 2
⇒ W1 = 960 Joule
Usaha yang dilakukan oleh gaya gesekan:
⇒ W2 = fg . s
⇒ W2 = 72 (2)
⇒ W2 = 144 Joule
Usaha total oleh gaya berat dan gesekan:
⇒ W = W1 - W2
⇒ W = 960 - 144
⇒ W = 816 Joule.
Cara kedua:
⇒ W = (w.sin 53o - fg) . s
⇒ W = {600 (4/5) - 72} . 2
⇒ W = (480 - 72) . 2
⇒ W = 408 (2)
⇒ W = 816 Joule.
Jawaban : E
Contoh #8
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
Contoh #9 : Usaha Total Oleh Beberapa Gaya di Bidang Miring
Sebuah kotak bermassa 20 kg diletakkan di bidang datar. Seorang anak mendorong kotak tersebut ke atas menggunakan bidang miring dengan gaya sebesar 300 N. Jika koefisien gesekan antara kotak dan permukaan bidang miring adalah 0,2 dan kemiringan bidang adalah 37o, maka usaha total yang dibutuhkan untuk memindahkan kotak sejauh 1 meter adalah ....A. 120J
B. 136 J
C. 148 J
D. 164 J
E. 172 J
Petunjuk penyelesaian:
Pada soa diketahui koefisien gesekan antara kota dan bidang. Itu artinya selain ada gaya berat, benda juga mengalami gaya gesekan yang arahnya berlawanan dengan arah gerak kotak.
Usaha total yang dibutuhkan untuk memindahkan benda melalui bidang miring kasar dapat dihitung dengan rumus berikut ini:
⇒ W = ∑F . s
Dengan ∑F adalah resultan gaya yang bekerja pada benda. Karena benda mengalami tiga gaya, yaitu gaya dorong, gaya berat, dan gaya gesekan, maka usaha totalnya menjadi:
⇒ W = (F - w.sin θ - fg) . s
⇒ W = (F - w.sin θ - μ.w.cos θ) . s
⇒ W = (F - m.g.sin θ - μ.m.g.cos θ) . s
Keterangan :
W = usaha total yang diberikan pada benda (J)
F = gaya dorong (N)
w = berat benda (N)
fg = gaya gesekan antara benda dan bidang (N)
m = massa benda (kg)
g = percepatan gravitasi (m/s2)
θ = sudut kemiringan bidang.
Berdasarkan soal:
Dik : F = 300 N, m = 20 kg, μ = 0.2, s = 1 m, θ = 37o
Dit : W = ... ?
Cara Pertama:
Usaha yang dilakukan oleh gaya dorong:
⇒ W1 = F . s
⇒ W1 = 300 (1)
⇒ W1 = 300 J
Usaha yang dilakukan oleh gaya berat:
⇒ W2 = w.sin 37o. s
⇒ W2 = 20(10)(3/5) . 1
⇒ W2 = 120 J
Usaha yang dilakukan oleh gaya gesek:
⇒ W3 = (μ.m.g.cos 37o) . s
⇒ W3 = 0,2.(20)(10)(4/5) . 1
⇒ W3 = 32 J
Total usaha yang dialami benda:
⇒ W = W1 - W2 - W3
⇒ W = 300 - 120 - 32
⇒ W = 148 J.
Cara Kedua :
Usaha total yang dilakukan beberapa gaya:
⇒ W = (F - m.g.sin 37o - μ.m.g.cos 37o) . s
⇒ W = {300 - 20(10)(3/5) - 0,2(20)(10)(4/5)} . 1
⇒ W = 300 - 120 - 32
⇒ W = 148 J.
Jawaban : C
Contoh #10
Sebuah pompa air dapat menaikkan 20 liter air dari sumur sedalam 4 meter setiap menitnya. Jika pompa menyemburkan air dengan kecepatan 10 m/s, maka daya pompa tersebut adalah ....
A. 300 watt
B. 250 watt
C. 150 watt
D. 100 watt
E. 80 watt
0 comments :
Post a Comment