Soal dan Jawaban Tentang Laju Energi Daya, Gaya dan Kecepatan

Fisika Brain - Pembahasa soal fisika tentang laju energi atau daya. Kumpulan soal ini membahas tentang hubungan antara daya, gaya, dan kecepatan. Soal pilihan berganda ini disusun sedemikian rupa untuk membantu murid memahami konsep laju energi atau daya, melihat hubungan antara daya dan kecepatan, serta mengidentifikasi beberapa besaran yang umum digunakan seperti gaya, kecepatan, waktu, energi, usaha, dan sebagainya.

Beberapa model soal yang akan dibahas antaralain menentukan hubungan daya, gaya dan kecepatan, menentukan daya yang dihasilkan suatu mesin, menentukan efisiensi mesin jika daya dan energinya diketahui, menentukan kecepatan jika daya diketahui, dan menentukan hubungan daya dengan perubahan energi kinetik benda.

Contoh #1 : Hubungan Daya, Gaya dan Kecepatan

Sebuah benda dikenai gaya sehingga bergerak dengan kecepatan 10 m/s selama 2 detik. Jika usaha yang dilakukan oleh gaya tersebut adalah 800 Joule, maka besar gaya yang dialami oleh benda tersebut adalah ....
A. 20 N
B. 40 N
C. 50 N
D. 60 N
E. 80 N

Petunjuk penyelesaian:
Secara matematis, laju energi atau daya merupakan hasil bagi antara usaha dengan waktu. Daya menyatakan besarnya energi yang digunakan persatuan waktu.
⇒ P = W/t

Keterangan :
P = daya yang dihasilkan (W)
W = usaha yang dikerjakan (J)
t = waktu (s)

Jika sebuah gaya yang bekerja pada sebuah benda menyebabkan benda bergerak dengan kelajuan tertentu, maka daya yang dihasilkan oleh gaya tersebut sama dengan hasil kali gaya dengan kecepatan benda.
⇒ P = F . v

Keterangan :
P = daya yang dihasilkan (W)
F = gaya yang bekerja (N)
v = kecepatan benda (m/s).

Berdasarkan soal:
Dik : v = 10 m/s, t = 2 s, W = 800 J
Dit : F = .... ?

Dengan menggunakan konsep daya tersebut, maka:
⇒ W/t = F.v
⇒ W = F . v . t
⇒ 800 = F (10) (2)
⇒ 800 = 20F
⇒ F = 800/20
⇒ F = 40 N

Jawaban : B

Contoh #2
Jika daya yang dihasilkan oleh mesin pesawat saat pesawat mengudara dengan kecepatan 500 m/s adalah 10.000 kW, maka gaya dorong yang diberikan oleh mesin pesawat tersebut adalah ....
A. 30.000 N
B. 20.000 N
C. 15.000 N
D. 10.000 N
E. 8.000 N

Petunjuk penyelesaian:
Dik : P = 10.000 kW = 10.000.000 W, v = 500 m/s
Dit : F = ... ?

Besar gaya dorong yang diberikan mesin:
⇒ P = F . v
⇒ 10.000.000 = F . 500
⇒ F = 10.000.000/500
⇒ F = 20.000 N

Jawaban : B

Contoh #3 : Daya yang Dihasilkan Pompa

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. 30 watt
B. 50 watt
C. 65 watt
D. 70 watt
E. 80 watt

Petunjuk penyelesaian:
Dalam proses ini terapat dua kondisi, yaitu kondisi pertama pompa menaikkan air dan menyebabkan air berubah ketinggian. Dalam hal ini terjadi perubahan energi potensial. Kondisi kedua, pompa menyemburkan air dengan kecepatan tertentu. Dalam hal ini terjadi perubahan energi kinetik.

Karena ada dua proses, maka daya yang dihasilkan oleh pompa adalah:
⇒ P = (W₁ + W₂)/t

Keterangan :
P = daya yang dihasilkan (W)
W₁ = usaha pada proses pertama (J)
W₂ = usaha pada proses kedua (J)

Berdasarkan soal:
Dik :V = 20 L, h = 4 m, t = 60 s, Vt = 10 m/s
Dit : P = ... ?

Usaha pada proses pertama:
⇒ W₁ = m.g.Δh
⇒ W₁ = V.ρ .g Δh
⇒ W₁ = 20 (1) (10) 4
⇒ W₁ = 800 J

Usaha pada proses kedua:
⇒ W₂ = ½ m (Vt² - Vo²)
⇒ W₂ = ½ 20(1) (10² - 0)
⇒ W₂ = 10 (100)
⇒ W₂ = 1000 J

Daya yang dihasilkan pompa:
⇒ P = (W₁ + W₂)/t
⇒ P = (800 + 1000)/60
⇒ P = 1800/60
⇒ P = 30 W

Jawaban : A

Contoh #4
Perhatikan grafik di bawah ini!

Jika waktu yang dibutuhkan untuk mencapai perpindahan 10 meter adalah 3 detik, maka daya yang digunakan dalam proses tersebut adalah ...
A. 42 Watt
B. 36 Watt
C. 24 Watt
D. 14 Watt
E.  8 Watt

Petunjuk penyelesaian:
Jika diberikan grafik F-vs-s, maka usaha yang dilakukan adalah sama dengan luas grafik. Pada grafik di atas, bentuk grafiknya adalah trapesium, maka usaha yang dilakukan sama dengan luas trapesium.
⇒ W = luas trapesium
⇒ W = ½ (jumlah sisi sejajar) . t
⇒ W = ½ (10 + 4) . 6
⇒ W = 7 . 6
⇒ W = 42 J

 Daya yang digunakan:
⇒ P = W/t
⇒ P = 42/3
⇒ W = 14 W

Jawaban : D

Contoh #5 : Menentukan Efisiensi Jika Daya Diketahui

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%

Petunjuk penyelesaian:
Dik : h = 40 m, V = 20 m³ = 20.000 L, P = 4.800 kW, t = 1 s
Dit : η = ... ?

Massa air yang mengalir setiap detik:
⇒ m = V . ρ
⇒ m = 20.000 . 1
⇒ m = 20.000 kg

Usaha yang dilakukan:
⇒ W = m.g.Δh
⇒ W = 20.000 (10) 40
⇒ W = 8.000.000 J

Efisiensi generator:
⇒ P = η W/t
⇒ 4.800.000 = η 8000.000/1
⇒ 4.800.000 = 8.000.000 η
⇒ η = 0,6
⇒ η = 60%

Jawaban : C

Contoh #6
Jika mesin sebuah mobil mampu menghasilkan gaya dorong sebesar 800 N, maka kecepatan mobil saat mobil menggunakan daya sebesar 32.000 W adalah ....
A. 50 m/s
B. 40 m/s
C. 30 m/s
D. 20 m/s
E. 10 m/s

Petunjuk penyelesaian:
Dik : F = 800 N, P = 32.000 W
Dit : v = ... ?

Kecepatan mobil:
⇒ P = F . v
⇒ 32.000 = 800 . v
⇒ v = 32.000/800
⇒ v = 40 m/s

Jawaban : B

Contoh #7 : Hubungan Daya dan Perubahan Energi Kinetik

Sebuah mobil bermassa 1 ton dipercepat dari 10 m/s menjadi 40 m/s dalam waktu 20 detik. Daya yang digunakan mobil untuk melakukan percepatan tersebut adalah ....
A. 45,0 kW
B. 37,5 kW
C. 25,0 kW
D. 15,4 kW
E. 10,5 kW

Petunjuk penyelesaian:
Daya atau laju energi merupakan besar usaha yang dilakukan persatuan waktu. Dalam kasus percepatan, mobil mengalami perubahan kecepatan dan mengalami perubahan energi kinetik sehingga usaha yang dilakukan sama dengan perubahan energi kinetik mobil tersebut.

Berdasarkan soal:
Dik : m = 1 ton = 1000 kg, Vo = 10 m/s, Vt - 40 m/s, t = 20 s
Dit : P = ...?

Usaha yang dilakukan dalam proses tersebut:
⇒ W = ΔEk
⇒ W = ½ m (Vt² - Vo²)
⇒ W = ½ 1000 (40² - 10²)
⇒ W = 500 (1600 - 100)
⇒ W = 500 (1500)
⇒ W = 750.000 J

Daya yang digunakan:
⇒ P = W/t
⇒ P = 750.000/20
⇒ P = 37.500 W
⇒ P = 37,5 kW

Jawaban : B

Contoh #8 : Menentukan Kecepatan Jika Daya Diketahui

Sebuah mobil menggunakan daya sebesar 40 kW untuk melakukan percepatan dalam waktu 20 detik. Jika massa mobil 1 ton dan kecepatan mobil setelah dipercepat adalah 50 m/s, maka kecepatan awal mobil tersebut adalah ....
A. 50 m/s
B. 40 m/s
C. 30 m/s
D. 20 m/s
E. 15 m/s

Petunjuk penyelesaian:
Sama seperti soal sebelumnya, soal ini dapat diselesaikan dengan melihat hubungan antara usaha, energi kientik, dan daya. Usaha yang dilakukan untuk mempercepat mobil tersebut sama dengan perubahan energi kinetik mobil sehingga daya yang digunakan adalah:
⇒ P = W/t
⇒ P = ΔEk/t

Keterangan :
P = daya yang digunakan (W)
ΔEk = perubahan energi kinetik (J)
t = waktu (s)

Berdasarkan soal:
Dik : m = 1 ton = 1000 kg, P = 40 kW = 40.000 W, t = 20 s, Vt = 50 m/s
Dit : Vo = ... ?

Usaha yang dilakukan:
⇒ P = W/t
⇒ W = P . t
⇒ W = 40.000 . 20
⇒ W = 800.000 J

Kecepatan awal mobil:
⇒ W = ½ m (Vt² - Vo²)
⇒ 800.000 = ½ 1000 (50² - Vo²)
⇒ 800.000 = 500 (2.500 - Vo²)
⇒ 800.000 = 1.250.000 - 500 Vo²
⇒ 500 Vo² = 1.250.000 - 800.000
⇒ 500 Vo² = 450.000
⇒ Vo² = 450.000/500
⇒ Vo² = 900
⇒ Vo = 30 m/s

Jawaban : C

FacebookGoogle+