Belajar IPA #dirumahaja: Bab 2. Usaha dan Pesawat Sederhana dalam kehidupan Sehari-Hari (Materi 2 : Pesawat Sederhana)

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 pengertian pesawat sederhana dengan benar.

2. Mengidentifikasi jenis-jenis pesawat sederhana dengan benar.

3. Menjelaskan prinsip kerja pengungkit (tuas) dengan benar.

4. Mengidentifikasi jenis-jenis pengungkit (tuas) dengan benar.

5. Menyebutkan contoh tiap jenis pengungkit (tuas) dalam kehidupan sehari-hari dengan benar.

6. Menjelaskan prinsip kerja bidang miring dengan benar.

7. Menyebutkan contoh bidang miring dalam kehidupan sehari-hari dengan benar.

8. Menjelaskan prinsip kerja katrol dengan benar.

9. Mengidentifikasi jenis-jenis katrol dengan benar.

10. Menyebutkan manfaat tiap jenis katrol dalam kehidupan sehari-hari dengan benar.

11. Menjelaskan prinsip kerja roda bergigi dengan benar.

12. Menyebutkan manfaat roda bergigi dalam kehidupan sehari-hari dengan benar.

13. Menerapkan perhitungan konsep pesawat sederhana 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

Dalam kehidupan sehari-hari, pasti kalian sering menggunakan suatu alat untuk meringankan pekerjaan. Alat-alat itu merupakan bagian dari pesawat sederhana. Tahukah kalian apa itu pesawat sederhana? Tahukah kamu bagaimana cara kerja alat–alat tersebut sehingga dapat mempermudah semua pekerjaan kalian? Selanjutnya akan dibahas lebih jauh apa itu pesawat sederhana. Sebagai contoh, jika kalian mengangkat sebuah drum ke atas bak mobil pick up. Karena berat, maka kalian menggunakan papan dalam posisi miring tepat menempel pada bak mobil, jadi mengangkat drum ke atas bak mobil akan menjadi lebih ringan.

A. Pengertian Pesawat Sederhana

Pesawat sederhana adalah peralatan yang bisa memudahkan pekerjaan manusia.
Mempermudah pekerjaan manusia yang dimaksudkan di sini adalah memudahkannya melakukan usaha, meskipun besarnya usaha yang dilakukan adalah tetap.
Kemudahan dalam melakukan usaha dapat diidentifikasi dengan besarnya keuntungan mekanis dari pesawat sederhana tersebut, semakin besar keuntungan mekanisnya maka semakin mudah orang tersebut dalam melakukan usaha.
Dengan menggunakan pesawat sederhana, orang dapat melakukan pekerjaan lebih baik, lebih mudah, lebih cepat dan lebih murah.
Dalam kehidupan sehari-hari orang menggunakan pesawat sederhana untuk tujuan-tujuan berikut:

Mengubah energi
Memindahkan energi
Memperbesar kecepatan
Mengubah arah

Secara umum, pesawat sederhana dibagi menjadi empat, yaitu pengungkit (tuas), bidang miring, katrol dan roda berporos.

B. Pengungkit (Tuas)

Pengungkit (Tuas) digunakan untuk mengungkit beban.
Prinsip kerja pengungkit adalah dengan gaya kecil, beban berat mampu dipindahkan.
Konsep tuas dapat dilihat melalui gambar berikut:

Bagian-bagian tuas

Berdasarkan gambar di atas, terlihat bagian-bagian pada tuas antara lain :

W (berat) adalah bagian dimana beban yang akan dipindahkan diletakkan
F (kuasa) adalah bagian dimana gaya kuasa (gaya yang diberikan manusia) diletakkan
T (titik tumpu) adalah bagian dari tuas yang tidak bergerak
lb (lengan beban) adalah jarak antara titik tumpu dengan beban
lk (lengan kuasa) adalah jarak antara titik tumpu dengan kuasa

Berdasarkan gambar di atas, tuas akan mengalami keseimbangan ketika memenuhi persamaan berikut:

Keuntungan mekanis dari tuas dituliskan dalam persamaan berikut:

Keterangan :

W = beban (N)

F = kuasa (N)

lb = lengan beban (m)

lk = lengan kuasa (m)

KM = keuntungan mekanis

Berdasarkan persamaan di atas, untuk memperbesar keuntungan mekanis pada tuas dapat dilakukan dengan cara : memperpanjang lengan kuasa atau memperpendek lengan beban.

Berdasarkan tata letak titik tumpu, beban, dan kuasa, tuas dibedakan menjadi tiga yakni tuas jenis I, tuas jenis II, dan tuas jenis III.
1. Tuas Jenis I

Ciri : Titik tumpu (T) terletak di antara beban (W) dan kuasa (F).

Contoh tuas jenis I antara lain gunting, tang, alat pencabut paku, jungkat-jungkit, linggis dll.

2. Tuas Jenis II

Ciri : Beban (W) terletak di antara titik tumpu (T) dan kuasa (F).

Contoh tuas jenis kedua antara lain pemotong kertas, pembuka tutup botol, pemecah kemiri, gerobak pasir, dll

3. Tuas Jenis III

Ciri : Kuasa (F) terletak di antara titik tumpu (T) dan beban (W).

Contoh tuas jenis ketiga antara lain penjepit kue, sekop, stapler, pinset , alat pancing, lengan saat memegang benda dll

Contoh Soal :

1. Untuk mengangkat sebuah batu seberat 12.500 N, digunakan tuas dengan panjang lengan beban 30 cm dan panjang lengan kuasa 150 cm. Hitunglah gaya yang diperlukan untuk mengangkat batu dan keuntungan mekanisnya!

Penyelesaian :

Diketahui :

w = 12.500 N

lb = 30 cm

lk = 150 cm

Ditanyakan : a. F = ?

b. KM = ?

Jawab :

a. Gaya yang diperlukan untuk mengangkat batu :

w . lb = F . lk

12.500 . 30 = F . 150

F = 2.500 N

Jadi, gaya yang diperlukan untuk mengangkat batu tersebut adalah 2.500 N.

b. Keuntungan mekanis tuas :

KM = w/F

KM = 12.500 / 2.500

KM = 5

atau

KM = lk/lb

KM = 150 / 30

KM = 5

Jadi, keuntungan mekanis tuas adalah 5.

2. Heri dan Nada bermain jungkat-jungkit seperti gambar berikut !

Jarak antara Heri dan titik tumpu adalah 30 cm. Jika massa Heri dan Nada berturut-turut 20 kg dan 25 kg, maka tentukan jarak Nada dari titik tumpu agar jungkat-jungkit menjadi seimbang!

Penyelesaian :

Diketahui:

lH = 30 cm

mH= 20 kg => wH = m.g = 20 . 10 = 200 N

mN = 25 kg => wN = m.g = 25 . 10 = 250 N

Ditanyakan : IN =…?

Jawab :

wH . lH = wN . IN

200 . 30 = 250 . IN

6000 = 250 IN

IN = 24 cm

Jadi, jarak Nada dari titik tumpu agar jungkat-jungkit menjadi seimbang adalah 24 cm.

3. Sebuah batu sebesar 600 N akan dipindahkan dengan tuas yang panjangnya 2 m. Untuk membuat sistem pengungkit digunakan sebuah batu sebagai tumpuan. Jika jarak titik tumpu terhadap beban 0,5 m. Hitunglah gaya yang diperlukan untuk menggerakkan batu tersebut beserta keuntungan mekanisnya!

Penyelesaian :

Diketahui :

Panjang tuas = l = 2 m

lb = 0,5 m

lk = l - lb = 2 – 0,5 = 1,5 m

w = 600 N

Ditanyakan : a. F = ?

b. KM = ?

Jawab:

a. Gaya yang diperlukan untuk menggerakkan batu :

w . lb = F . lk

600 . 0,5 = F . 1,5

300 = 1,5 F

F = 200 N

Jadi, gaya yang diperlukan untuk menggerakkan batu tersebut adalah 200 N.

b. Keuntungan mekanis tuas :

KM = w/F

KM = 600 / 200

KM = 3

atau

KM = lk/lb

KM = 1,5 / 0,5

KM = 3

Jadi, keuntungan mekanis tuas adalah 3.

4. Perhatikan gambar pengungkit di bawah ini!

Beban kemudian digeser 10 cm mendekati titik tumpu, agar tuas berada pada posisi seimbang. Tentukan berapa gaya kuasanya sekarang!

Penyelesaian :

Diketahui :

Sebelum digeser :

lb = 25 cm

w = 480 N

F = 160 N

Setelah digeser:

lb = 25 – 10 = 15 cm

lk = 75 cm

w = 480 N

Ditanyakan : F = ?

Jawab:

Menentukan lengan kuasa sebelum beban digeser :

w . lb = F . lk

480 . 25 = 160 . lk

lk = 75 cm

Menentukan gaya kuasa setelah beban digeser :

w . lb = F . lk

480 . 15 = F . 75

480 = 5F

F = 96 N

Jadi, gaya kuasa yang harus diberikan agar tuas tetap seimbang adalah 96 N (mengurangi 64 N dari gaya kuasa awal).

C. Bidang Miring

Bidang miring adalah pesawat sederhana yang berupa papan/bidang yang dibuat miring. Hal itu bertujuan untuk memperkecil usaha saat memindahkan beban yang berat.
Prinsip kerja bidang miring adalah mempermudah usaha, tetapi tidak mengurangi usaha yang dilakukan.
Semakin landai bidang miring, gaya yang diberikan semakin kecil. Sebaliknya, semakin curam bidang miring, gayanya semakin besar.

Perhatikan gambar berikut!

Keterangan:

F = gaya (N)

w = beban (N)

h = tinggi bidang miring (m)

s = panjang bidang miring (m)

KM = keuntungan mekanis

Secara matematis, hubungan antara F, w, h, dan s dirumuskan sebagai berikut:

Keuntungan mekanis dari bidang miring dituliskan dalam persamaan berikut:

Keuntungan mekanis pada bidang miring dapat diperbesar dengan cara memperpanjang jarak bidang miring (s) atau membuat bidang miring menjadi semakin landai.
Contoh peralatan yang memanfaatkan prinsip bidang miring adalah membantu memindahkan benda ke dalam truk, tangga selalu di pasang miring, jalan di daerah pegunungan dibuat berkelok kelok, pisau, kapak, sekrup, dan sebagainya.

Contoh Soal :

1. Dua orang pria mendorong sebuah peti seberat 600 N. Pria ini menggunakan sebuah papan dengan panjang 4 m yang digunakan sebagai bidang miring.

Jika jarak permukaan tanah dan bak truk 2 m, hitunglah besar gaya yang diperlukan dan keuntungan mekanis penggunaan bidang miring ini!

Penyelesaian :

Diketahui :

w = 600 N

h = 2 m

s = 4 m

Ditanyakan : a. F =…?

b. KM = ?

Jawab :

a. Gaya yang diperlukan :

w . h = F . s

600 . 2 = F . 4

1.200 = 4F

F = 300 N

Jadi, gaya yang diperlukan adalah 300 N.

b. Keuntungan mekanis bidang miring :

KM = w/F

KM = 600 / 300

KM = 2

atau

KM = s/h

KM = 4 / 2

KM = 2

Jadi, keuntungan mekanis tuas adalah 2.

2. Pak Seno akan memindahkan sebuah kardus berisi buku ke atas rak setinggi 1,2 m. Agar tidak terlalu berat memindahkan kardus tersebut, Pak Seno mengambil sebuah papan sepanjang 150 cm untuk dijadikan bidang miring. Untuk memindahkan kardus tersebut, gaya yang dibutuhkan Pak Seno hanya 400 N. Tentukan berat kardus yang dipindahkan dan keuntungan mekanisnya !

Penyelesaian:

Diketahui :

F = 400 N

h = 1,2 m

s = 150 cm = 1,5 m

Ditanyakan : a. w = ?

b. KM = ?

Jawab :

a. Berat kardus yang dipindahkan :

w . h = F . s

w . 1,2 = 400 . 1,5

w = 500 N

Jadi, berat kardus yang dipindahkan adalah 500 N.

b. Keuntungan mekanis bidang miring :

KM = w/F

KM = 500 / 400

KM = 1,25

atau

KM = s/h

KM = 1,5 / 1,2

KM = 1,25

Jadi, keuntungan mekanis tuas adalah 1,25.

D. Katrol

Katrol adalah pesawat sederhana berupa roda beralur yang dikelilingi oleh tali.
Prinsip kerja katrol adalah mengubah arah kerja gaya sehingga beban bisa terangkat dengan mudah.
Katrol memiliki kesamaan dengan pengungkit yaitu terdiri dari titik tumpu, titik kuasa, dan titik beban.

(a) katrol tetap, (b) katrol bebas, (c) katrol majemuk

Secara umum, katrol dibagi menjadi tiga, yaitu sebagai berikut.

1. Katrol Tetap

Katrol tetap adalah katrol yang posisinya selalu tetap saat digunakan.
Pada prinsipnya katrol tetap sama dengan pengungkit jenis I, yakni titik tumpu berada di antara titik beban dan titik kuasa.
Katrol jenis ini biasa digunakan sebagai pengerek timba di sumur, tiang bendera, dll.
Contoh katrol tetap bisa dilihat pada gambar berikut.

Berdasarkan gambar di atas :

O = titik tumpu
B = titik beban
A = titik kuasa.
OB = lengan beban
OA = lengan kuasa.

Pada katrol tetap berlaku rumus tuas, yaitu:

Karena lengan beban sama dengan lengan kuasa (lb = lk), maka gaya kuasa sama dengan beban yang diangkat, dirumuskan:
F = w

Keuntungan mekanis katrol tetap, dirumuskan sebagai berikut:

Nilai keuntungan mekanis sama dengan 1 menunjukkan bahwa besar gaya kuasa (F) sama dengan berat beban (w). Hal ini berarti tidak mendapat keuntungan mekanis jika ditinjau dari besar gaya kuasa yang digunakan. Akan tetapi, kemudahan yang didapat dari penggunaan katrol tetap adalah terletak pada perubahan arahnya kuasa, yakni mengubah gaya angkat menjadi gaya tarik.

Contoh Soal :

1. Sebuah katrol tetap digunakan untuk menimba air. Jika setiap air dalam timba massanya 10 kg, berapa kuasa yang dibutuhkan?

Penyelesaian :

Diketahui:
m = 10 kg

g = 10 m/s²

Ditanyakan: F= ?

Jawab:

Berat air dalam timba:

w = m. g = 10 . 10 = 100 N

Pada katrol tetap berlaku F=w, maka :

F = w = 100 N

Jadi, kuasa yang dibutuhkan untuk menimba air tersebut adalah 100 N.

2. Sebuah katrol tetap digunakan untuk mengangkat beban sebesar 50 N. Jika lengan kuasanya 15 m. Berapakah gaya yang perlu dikeluarkan dan berapakah panjang lengan bebannya?

Penyelesaian :

Diketahui:

w = 50 N

lk = 15 m

Ditanyakan: a. F = ?

b. lb = ?

Jawab :

a. Gaya yang perlu dikeluarkan:

Pada katrol tetap berlaku F=w, maka :

F = w = 50 N

Jadi, gaya yang dikeluarkan untuk mengangkat beban adalah 50 N.

b. Panjang lengan beban:

Karena lengan beban sama dengan lengan kuasa (lb = lk), maka lb = lk = 15 m

Jadi, panjang lengan beban katrol adalah 15 meter.

2. Katrol Bergerak

Katrol bergerak adalah katrol yang ikut bergerak/berubah posisi saat digunakan.
Katrol jenis ini biasa dipakai untuk mengangkat adonan semen ke lantai atas pada saat pembangunan gedung atau rumah.
Contoh katrol bebas bisa dilihat pada gambar berikut:

Berdasarkan gambar di atas :

B = titik tumpu
O = titik beban
A = titik kuasa
BO = lengan beban
BA = lengan kuasa.

Pada katrol bergerak juga berlaku rumus tuas yaitu:

Karena panjang lengan kuasa dua kali panjang lengan beban (lk = 2.lb), maka gaya kuasa sama dengan setengah kali beban yang diangkat, dirumuskan:

F = 1/2 w

Keuntungan mekanis katrol bergerak, dirumuskan sebagai berikut:

Nilai 2 pada keuntungan mekanis katrol bebas menunjukkan apabila mengangkat beban dengan berat tertentu maka dibutuhkan gaya kuasa sebesar setengah kali berat beban tersebut.

Contoh Soal :

1. Perhatikan gambar katrol berikut!

Berapakah gaya kuasa yang dibutuhkan untuk mengangkat papan tersebut!

Penyelesaian :

Diketahui : w = 20 N

Ditanyakan : F =…?

Jawab :

Katrol di atas merupakan jenis katrol bergerak. Keuntungan mekanis katrol bergerak adalah 2, sehingga gaya kuasanya adalah :

Jadi, gaya kuasanya adalah 10 N.

2. Sebuah katrol bergerak digunakan untuk mengangkat beban. Jika gaya yang diperlukan untuk mengangkat beban tersebut 300 N, berapakah massa beban jika g = 10 m/s²?

Penyelesaian :

Diketahui:

F = 300 N

g = 10 m/s²

Ditanyakan: m = ?

Jawab:

F = 1/2 w

w = 2 . F

= 2 . 300

= 600 N

w = m . g => m = w/g

= 600/10

= 60 kg

Jadi, massa beban tersebut adalah 60 kg.

3. Katrol Majemuk/Sistem Katrol/Katrol Takal

Katrol majemuk adalah perpaduan antara katrol tetap dan katrol bergerak (minimal 2 katrol).
Semakin banyak katrol yang digunakan, semakin mudah digunakan untuk mengangkut suatu barang.
Katrol majemuk/sistem katrol/katrol takal ini biasa digunakan untuk mengangkat beban yang sangat berat seperti pada mobil derek kecil bisa menderek mobil yang besar-besar sehingga dengan menggunakan katrol jenis ini gaya kuasa yang digunakan dapat diminimalkan.
Contoh katrol majemuk bisa dilihat pada gambar berikut.

Katrol majemuk di atas terdiri dari dua katrol bergerak dan 1 katrol tetap. Ketiga katrol dihubungkan oleh sebuah tali sedemikian sehingga terbentuk tiga lilitan tali sesuai nomor di atas, yaitu 1, 2, dan 3. Oleh karena itu, keuntungan mekanisnya = 3.
Keuntungan mekanis pada katrol majemuk bergantung pada jumlah tali yang menanggung beban tersebut.

Contoh Soal :
Perhatikan gambar di bawah ini!

Berapakah gaya yang diperlukan untuk menarik beban?
Penyelesaian :

Diketahui:
w = 60 N

Ditanyakan: F = ?
Jawab:

Perhatikan katrol warna merah tepat di atas beban, ada 3 tali yang menarik beban, sehingga jumlah tali (n) = 3.

KM = W/F
n = w/F

3 = 60/F
F = 60/3

= 20 N

Jadi, gaya yang diperlukan untuk menarik beban adalah 20 N.

2. Sebuah benda yang beratnya 2.000 N akan diangkat dengan katrol majemuk (takal). Jika gaya (kuasa) yang dikerjakan hanya 400 N, berapakah banyaknya tali yang menanggung beban tersebut ?

Penyelesaian :
Diketahui:
w = 2.000 N
F = 400 N

Ditanyakan: n = ?
Jawab:
KM = w/F
n = 2.000/400
= 5

Jadi, banyaknya tali yang menanggung beban tersebut adalah 5 buah.

E. Roda Berporos/Roda Bergandar

Roda berporos merupakan roda yang dihubungkan dengan sebuah poros yang dapat berputar bersama-sama.

Kegunaaan roda berporos yaitu untuk menggeser benda agar lebih ringan dan memperkecil gaya gesek.

Prinsip kerja roda berporos memanfaatkan perbedaan jari-jari antara dua roda yang mempunyai satu poros. Jadi, roda berporos terdiri dari dua roda yang berbeda jari-jarinya dan berputar bersamaan. Gaya kuasa biasanya dikerahkan kepada roda yang besar sedangkan roda yang lebih kecil mengerjakan gaya beban.

Salah satu contoh roda pada kehidupan sehari-hari adalah rautan pensil. Peraut pensil merupakan pesawat sederhana yang terdiri dari dua lingkaran, lingkaran besar disebut dengan engkol dan poros lingkaran kecil dihubungkan dengan pisau peraut.

Roda berporos merupakan salah satu jenis pesawat sederhana yang banyak ditemukan pada alat-alat seperti setir mobil, setir kapal, roda sepeda, roda kendaraan bermotor, dan gerinda.

Keuntungan mekanis yang diperoleh dari roda dan poros dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut.

Keterangan:

R = jari-jari roda (m)

r = jari-jari poros (N)

KM = keuntungan mekanis

Kecepatan yang dihasilkan oleh sepeda misalnya, diperoleh dari perbandingan antara jari-jari roda dan jari-jari poros (gir). Misalnya, pada sepeda balap. Jika gir belakang disetel pada jari-jari terkecil maka sepeda akan melaju dengan kencang. Jika gir roda belakang disetel pada jari-jari yang besar maka laju sepeda balap akan melambat.

Contoh Soal :

Andi ingin memindahkan barang menggunakan roda bergandar. Jika jari-jari poros 4 cm dan roda yang dipakai berjari-jari 20 cm, hitunglah keuntungan mekanis roda berporos tersebut!

Penyelesaian :
Diketahui:
R = 20 cm
r = 4 cm

Ditanyakan: n = ?
Jawab:
KM = R/r
= 20/4
= 5

Jadi, keuntungan mekanis roda berporos tersebut adalah 5.