Bab 2. Usaha dan Pesawat Sederhana dalam kehidupan Sehari-Hari (Materi 1 : Usaha)

Kompetensi Dasar :
Pengetahuan

3.3 Menjelaskan konsep usaha, pesawat sederhana, dan penerapannya dalam kehidupan sehari-hari, serta hubungannya dengan kerja otot pada struktur rangka manusia.

Keterampilan

4.3 Menyajikan hasil penyelidikan atau pemecahan masalah tentang manfaat penggunaan pesawat sederhana dalam kehidupan sehari-hari.

Tujuan Pembelajaran :

Setelah mengikuti proses pembelajaran daring, peserta didik dapat :

1. Mendeskripsikan syarat terjadinya usaha menurut fisika dengan benar.

2. Mengidentifikasi jenis-jenis usaha menurut fisika dengan benar.

3. Menyebutkan contoh penerapan tiap jenis usaha dalam kehidupan sehari-hari dengan benar.

4. Menganalisis usaha oleh beberapa gaya dengan benar.

5. Mendeskripsikan pengertian daya dengan benar.

6. Menganalisis hubungan usaha dan energi dengan benar.

7. Menerapkan perhitungan konsep usaha dalam kehidupan sehari-hari dengan benar.

Assalamualaikum Wr. Wb

Anak-anak, sebelum kita belajar IPA hari ini, jangan lupa untuk berdoa terlebih dahulu. Dengan doa dan upaya kalian yang sungguh-sungguh, Pak Arief yakin kalian akan mampu menguasai materi hari ini. Berikut Peta Konsep materi yang akan kita pelajari.

PETA KONSEP

APERSEPSI

Sebelum melanjutkan membaca ringkasan materi, silakan disimak dulu video berikut ini untuk memberikan gambaran mengenai materi yang akan kita pelajari.

RINGKASAN MATERI

A. Usaha

Dalam fisika, usaha erat kaitannya dengan gaya dan perpindahan. Sebelum tahu pengertian, contoh dan penerapan usaha, coba analisis pernyataan-pernyataan berikut!

• Budi mendorong meja sehingga berpindah sejauh 30 cm.
• Doni mendorong mobil mogok tetapi tidak berpindah sedikitpun.
• Ibnu mendorong dinding dan pasti tidak akan bergerak apalagi berpindah.

Dari pernyataan di atas, maka dapat dianalisis :

• Budi dikatakan telah melakukan usaha sedangkan Doni maupun Ibnu tidak melakukan usaha, meskipun telah memberikan gaya atau dorongan terhadap masing-masing benda.
• Ketiga anak (Budi, Doni dan Ibnu) sudah memberikan gaya terhadap benda namun hanya Budi yang dikatakan telah melakukan usaha.
• Hal ini dikarenakan suatu gaya (tarikan atau dorongan) telah melakukan usaha terhadap benda apabila benda telah mengalami perpindahan yang segaris kerja dengan arah gaya yang diberikan.
• Nah, kata kuncinya disini, benda berpindah. Budi telah melakukan usaha dengan memberikan dorongan terhadap meja sehingga benda berpindah tempat (sejauh 30 cm). Sedangkan Doni dan Ibnu tidak melakukan usaha terhadap mobil dan dinding karena baik mobil maupun dinding tidak berpindah tempat.

Berdasarkan analisis tersebut, maka dapat disimpulkan :

• Usaha merupakan sejumlah gaya yang bekerja pada suatu benda sehingga menyebabkan benda berpindah segaris kerja dengan arah gaya.
• Syarat terjadinya suatu usaha, yaitu:
  1. Adanya gaya yang bekerja pada suatu benda.
  2. Adanya perpindahan yang dialami benda tersebut yang segaris kerja dengan arah gaya.
• Usaha dilambangkan dengan huruf W dengan satuan SI nya Joule (Nm).
• Usaha dapat ditulis dalam persamaan :
  

  
• Semakin besar gaya yang diberikan pada benda, maka semakin besar pula usaha yang dihasilkan. Semakin besar perpindahan benda, maka semakin besar pula usaha yang dihasilkan.

Keterangan :

W= usaha (J)

F=gaya (N)

s= perpindahan (m)

Contoh Soal :

1. Seorang anak mendorong meja dengan gaya 30 N sehingga meja berpindah sejauh 5 m. Berapakah usaha yang dilakukan anak tersebut?

Penyelesaian

Diketahui : F = 30 N

                  s = 5 m

Ditanyakan : W = ...?

Jawab :

W = F . s

    = 30 . 5 

    = 150 J

Jadi, usaha yang dilakukan anak tersebut adalah 150 J.

2. Sebuah balok berada pada lantai licin dan ditarik oleh gaya F = 40 Newton. Jika usaha yang dilakukan oleh gaya kepada balok adalah 800 joule, hitunglah besar perpindahan balok!

Penyelesaian

Diketahui : F = 40 N

                  W = 800 J

Ditanyakan : s = ...?

Jawab :

W = F . s => s = W/F

                       = 800/40 

                       = 20 m

Jadi, besar perpindahan balok adalah 20 m.

B. Jenis-Jenis Usaha 

Ada 3 jenis usaha antara lain :

1. Usaha Positif

• Usaha bernilai positif jika gaya (F) searah dengan perpindahan (s).
• Contohnya, buah kelapa yang jatuh dari sebuah pohon, Buah tersebut jatuh karena gaya gravitasi Bumi menarik buah tersebut. Usaha yang dilakukan oleh gaya gravitasi ini bernilai positif karena arah gaya dan perpindahan sama-sama ke bawah.

2. Usaha Negatif

• Usaha bernilai negatif jika gaya (F) berlawanan arah dengan perpindahan (s).
• Contohnya, usaha yang dilakukan oleh gaya gesek pada suatu benda.

3. Usaha Nol

• Usaha nol jika gaya yang bekerja (F) tegak lurus dengan perpindahan (s) atau gaya yang bekerja (F) tidak menyebabkan perpindahan (s).
• Usaha yang dilakukan tidak memberikan dampak perubahan / perpindahan.
• Contohnya, seseorang membawa benda dengan menggunakan tangan, ini berarti bahwa arah gaya untuk menahan benda adalah ke atas, kemudian orang tersebut berjalan ke depan berarti arah gaya adalah tegak lurus perpindahannya.
• Contoh lain, usaha yang dilakukan seorang anak mendorong almari yang sangat berat dan almari tidak bergeser atau seseorang mendorong tembok, disebut usaha nol (sia-sia).

C. Usaha oleh Beberapa Gaya

• Jika pada suatu benda bekerja lebih dari satu gaya (banyak gaya), maka usaha yang dilakukan adalah penjumlahan (resultan) semua gaya yang bekerja pada benda itu.
• Persamaannya ditulis:

            W = ΣF . s 

Keterangan :

W= usaha (J)

ΣF=resultan gaya (N)

s= perpindahan (m)

Contoh Soal :

1. Tiga buah gaya masing-masing F1 = 20 N, F2 = 30 N dan F3 = 15 N bekerja pada sebuah benda yang terletak pada suatu permukaan lantai seperti gambar berikut.

Jika benda berpindah ke kanan sejauh 2 meter, tentukan usaha yang dilakukan pada benda oleh ketiga gaya tersebut!

Penyelesaian

Diketahui : F1 = 20 N

                  F2 = 30 N

                  F3 = 15 N

Ditanyakan : W = ...?

Jawab :

W = ΣF . s

    = (F1 + F2 - F3) . s
    = (20 + 30 - 15) . 2
    = 35 . 2
    = 70 J

Jadi, usaha yang dilakukan pada benda oleh ketiga gaya tersebut adalah 70 J.

2. Usaha total yang dilakukan oleh dua buah gaya F1 dan F2 pada sebuah benda adalah 100 joule. 

Jika perpindahan benda adalah 5 meter ke arah kiri, tentukan besarnya gaya F2!

Penyelesaian

Diketahui : F1 = 10 N

                  s = 5 m

Ditanyakan : F2 = ...?

Jawab :

         W = ΣF . s

         W = (F2 − F1) . s
      100 = (F2 − 10) . 5

100 / 5  = F2 − 10
        20 = F2 − 10
        F2 = 20 + 10
        F2 = 30 N

Jadi, besarnya gaya F2 yang dilakukan pada benda  adalah 30 N.

D. Daya

• Daya (P) adalah kecepatan dalam melakukan usaha. Atau bisa juga disebut besarnya usaha dalam setiap satuan waktu. 
• Satuan daya adalah Joule/sekon (J/s). 1 J/s setara dengan Watt.
• Satuan daya lainnya yang sering digunakan adalah PK atau HP dimana 1 PK atau 1 HP = 746 Watt.
• Daya dapat ditulis dalam persamaan :

• Semakin besar daya yang dimiliki oleh suatu benda, semakin besar pula kemampuan benda tersebut untuk mengubah suatu bentuk energi menjadi bentuk energi lain.

Keterangan :
P = daya (J/s) atau (Watt)
W = usaha (J)
t = waktu (s)
F = gaya (N)
v = kecepatan (m/s)

Contoh Soal :

1. Beni mendorong kereta belanja dengan gaya sebesar 250 N sehingga kereta belanjanya maju ke depan sejauh 50 m. Waktu yang diperlukan Beni untuk mendorong kereta belanja tersebut adalah 50 sekon. Tentukan:

a. besar usaha yang dilakukan oleh Beni untuk mendorong kereta belanja,
b. daya yang dilakukan Beni untuk mendorong kereta belanja.
Penyelesaian :
Diketahui:
F = 250 N
s = 50 m
t = 50 s
Ditanyakan: a. W = ?

                    b. P = ?
Jawab:
a. Besar usaha (W)
    W = F . s
    W = 250 . 50 
    W = 12.500 J

b. Besar daya (P)
    P = W/t
    P = 12.500 /50 
    P = 250 J/s

2. Seorang anak menarik meja dengan gaya 40 N sehingga berpindah sejauh 10 meter dalam waktu 0,5 sekon. Tentukan daya anak tersebut !

Penyelesaian :
Diketahui : F = 40 N

                  s = 10 m 

                  t = 0,5 sekon.
Ditanyakan : P = ....?
Jawab:
P = W/t

P = F.s / t

   = 40 . 10 / 0,5 
   = 400/0,5
   = 800 J/s

3. Suatu benda yang ditarik dengan gaya 5 N kemudian bergerak pada kecepatan 2 m/s. Hitunglah daya benda tersebut!

Penyelesaian:
Diketahui: F = 5 N 

                   v = 2 m/s
Ditanyakan: P =?
Jawab:
P = F . v
   = 5 ⋅ 2
   = 10 watt
Jadi, daya benda tersebut adalah 10 watt.
E. Hubungan antara Energi dengan Usaha

• Dalam ilmu fisika, energi adalah kemampuan untuk melakukan usaha.
• Usaha dan energi memiliki berhubungan erat karena usaha merupakan perubahan energi yang terjadi pada suatu benda atau objek termasuk perubahan energi kinetik dan energi potensial.

1. Hubungan Usaha dengan Energi Kinetik

• Energi kinetik adalah energi yang dimiliki oleh benda yang bergerak karena adanya kecepatan.

• Hubungannya dengan usaha
  
  Besar usaha sama dengan perubahan energi kinetik apabila sebuah benda mengalami perubahan kelajuan.
  

Keterangan :

Ek = Energi Kinetik (Joule)

m = massa benda (kg)

v= kecepatan (m/s)

2. Hubungan Usaha dengan Energi Potensial

• Energi potensial adalah energi yang dimiliki suatu benda dikarenakan kedudukan/ketinggiannya.

• Hubungannya dengan usaha
  
  Besar usaha sama dengan perubahan energi potensial apabila sebuah benda mengalami perubahan ketinggian.

Keterangan :

Ep=Energi Potensial (Joule)

m= massa  benda (kg)

g= percepatan gravitasi bumi (m/s²)

h= ketinggian benda (m)

Contoh Soal :

1. Diketahui sebuah benda bermassa 10 kg bergerak dengan kecepatan 20 m/s. Lalu kecepatannya meningkat hingga 30 m/s selama 5 sekon. Tentukan usaha dan daya yang bekerja pada benda tersebut!

Penyelesaian:
Diketahui :
m = 10 kg
v1 = 20 m/s
v2 = 30 m/s

t = 5 s
Ditanyakan : a. W = ?

                     b. P = ?
Jawab :

a. Usaha yang bekerja pada benda

W = ΔEk
W = Ek2 – Ek1

W = (½ m v2² ) – (½ m v1²)
W = ½ m (v2² – v1²)
W = ½ .10 . (30² – 20²)
W = 5 . (900 – 400)
W = 5 (500)
W = 2.500 J

b. Daya yang bekerja pada benda

P = W/t

P = 2.500 /5 
P = 500 J/s

Jadi, usaha dan daya yang bekerja pada benda tersebut adalah 2.500 J dan 500 J/s.

2. Seorang anak memindahkan sebuah buku dari lantai ke atas meja. Massa buku adalah 300 gram dan tinggi meja dari lantai adalah 80 cm.

Jika percepatan gravitasi bumi adalah 10 m/s² , tentukan usaha yang diperlukan!

Penyelesaian :

Diketahui :
m = 300 g = 0,3 kg
h2 = 80 cm = 0,8 m
h1 = 0 (di lantai, tidak mempunyai ketinggian)

g = 10 m/s²
Ditanyakan : W = ?

Jawab : 

W = Δ Ep

W = Ep2 – Ep1

W = (mgh2 ) – (mgh1)

W = mg (h2–h1)

W = 0,3 . 10  (0,8 - 0)

W = 2,4 J

Jadi, usaha yang diperlukan adalah 2,4 J.

REFERENSI

• Video referensi :
Beberapa video referensi terkait materi bisa dilihat dengan cara klik pada gambar. 

PENUGASAN MANDIRI

• Tugas dikerjakan di buku tugas dilengkapi cara mengerjakan (Diketahui, Ditanyakan Jawab) kemudian difoto.
• Tugas dikumpulkan melalui WA ke nomor HP Pak Arief maksimal 1 hari setelah pemberian tugas.
• Jangan lupa sampaikan salam dan perkenalkan diri dulu saat mengirimkan tugas.

Soal Latihan

1. Nanda melakukan usaha sebesar 800 J untuk menggeser lemari sejauh 2 m selama 4 sekon. Tentukan gaya dan daya yang diberikan Nanda pada lemari tersebut!

2.  Tiga buah gaya masing-masing F1 = 10 N, F2 = 30 N dan F3 = 5 N bekerja pada sebuah benda yang terletak pada suatu permukaan lantai seperti gambar berikut.

Jika benda berpindah ke kanan sejauh 5 meter, tentukan usaha yang dilakukan pada benda oleh ketiga gaya tersebut!

3. Barang dagangan di toko bermassa 30 kg dipindahkan dengan kecepatan awal 2 m/s menggunakan troli. Kemudian, pemindahan dipercepat menjadi 4 m/s dalam waktu 10 sekon. Tentukan :

a. Usaha untuk memindahkan barang dagangan tersebut

b. Daya untuk memindahkan barang dagangan tersebut

SOAL HOTS 

Jika dikerjakan mendapat poin tambahan, jika tidak dikerjakan tidak apa-apa

Perahu didayung dengan kecepatan awal 1 m/s. Para pendayung melakukan percepatan 0,2 m/s²  selama 10 sekon. Jika massa sistem 600 kg, tentukan daya yang dilakukan para pendayung untuk menambah kecepatan perahu!

(Ingat rumus GLBB!!!)

~ Tetap Semangat Belajar IPA #dirumahaja ~