Usaha, Energi dan Daya
Usaha dan Energi
Fisika SMA — Usaha, Energi, Daya, Efisiensi, dan Soal Literasi Interaktif
Daftar Isi
A. Usaha
Bayangkan situasi ini:
"Kamu mendorong meja hingga berpindah tempat. Kamu merasa lelah karena telah melakukan usaha. Namun, jika kamu mendorong tembok sekuat tenaga dan tembok tidak bergerak, secara fisika kamu tidak melakukan usaha karena tidak ada perpindahan."
"Kamu mendorong meja hingga berpindah tempat. Kamu merasa lelah karena telah melakukan usaha. Namun, jika kamu mendorong tembok sekuat tenaga dan tembok tidak bergerak, secara fisika kamu tidak melakukan usaha karena tidak ada perpindahan."
Definisi Usaha:
Usaha adalah hasil kali gaya dengan perpindahan benda searah dengan gaya. Usaha merupakan besaran skalar.
Usaha adalah hasil kali gaya dengan perpindahan benda searah dengan gaya. Usaha merupakan besaran skalar.
\[
W = F \times s \times \cos \theta
\]
- \(W\) = usaha (Joule / J)
- \(F\) = gaya yang bekerja (N)
- \(s\) = perpindahan benda (m)
- \(\theta\) = sudut antara gaya dan perpindahan
Kasus Khusus Usaha:
- Jika \(\theta = 0°\) (gaya searah perpindahan): \(W = F \times s\)
- Jika \(\theta = 90°\) (gaya tegak lurus perpindahan): \(W = 0\)
- Jika \(\theta = 180°\) (gaya berlawanan arah perpindahan): \(W = -F \times s\)
Contoh Usaha dalam Kehidupan Sehari-hari
Mendorong Troli
Tangan memberi gaya searah dengan gerak troli
Mengangkat Beban
Gaya angkat searah dengan perpindahan ke atas
Mengayuh Sepeda
Gaya kayuhan menghasilkan usaha untuk bergerak
Mobil Melaju
Mesin melakukan usaha untuk menggerakkan mobil
Mendorong Tembok
Usaha = 0 karena tidak ada perpindahan
Membawa Ember
Jika berjalan horizontal, usaha = 0 (gaya tegak lurus perpindahan)
B. Energi
Definisi Energi:
Energi adalah kemampuan suatu benda untuk melakukan usaha. Energi merupakan besaran skalar dan satuannya Joule (J).
Energi adalah kemampuan suatu benda untuk melakukan usaha. Energi merupakan besaran skalar dan satuannya Joule (J).
1. Energi Potensial (\(EP\))
Energi Potensial Gravitasi:
Energi yang dimiliki benda karena posisi atau ketinggiannya.
Energi yang dimiliki benda karena posisi atau ketinggiannya.
\[
EP = m \times g \times h
\]
- \(m\) = massa benda (kg)
- \(g\) = percepatan gravitasi (m/s²)
- \(h\) = ketinggian benda (m)
2. Energi Kinetik (\(EK\))
Energi Kinetik:
Energi yang dimiliki benda karena gerakan atau kecepatannya.
Energi yang dimiliki benda karena gerakan atau kecepatannya.
\[
EK = \frac{1}{2} \times m \times v^2
\]
- \(m\) = massa benda (kg)
- \(v\) = kecepatan benda (m/s)
3. Energi Mekanik (\(EM\))
Energi Mekanik:
Jumlah dari energi potensial dan energi kinetik suatu benda.
Jumlah dari energi potensial dan energi kinetik suatu benda.
\[
EM = EP + EK
\]
4. Hukum Kekekalan Energi Mekanik
Bunyi Hukum Kekekalan Energi Mekanik:
"Jika tidak ada gaya luar yang bekerja pada sistem (seperti gesekan), maka energi mekanik sistem adalah konstan."
\[ EM_1 = EM_2 \] \[ EP_1 + EK_1 = EP_2 + EK_2 \]
"Jika tidak ada gaya luar yang bekerja pada sistem (seperti gesekan), maka energi mekanik sistem adalah konstan."
\[ EM_1 = EM_2 \] \[ EP_1 + EK_1 = EP_2 + EK_2 \]
Contoh Energi dalam Kehidupan Sehari-hari
Energi Potensial
Buah di pohon memiliki energi potensial karena ketinggiannya
Energi Kinetik
Pelari memiliki energi kinetik karena bergerak
Energi Mekanik
Roller coaster mengubah energi potensial menjadi kinetik
Kekekalan Energi
Bola yang jatuh: EP berkurang, EK bertambah, EM tetap
C. Daya
Definisi Daya:
Daya adalah usaha yang dilakukan per satuan waktu. Daya mengukur seberapa cepat usaha dilakukan.
Daya adalah usaha yang dilakukan per satuan waktu. Daya mengukur seberapa cepat usaha dilakukan.
\[
P = \frac{W}{t}
\]
\[
P = F \times v
\]
- \(P\) = daya (Watt / W)
- \(W\) = usaha (J)
- \(t\) = waktu (s)
- \(F\) = gaya (N)
- \(v\) = kecepatan (m/s)
Satuan Daya:
\(1 \text{ Watt} = 1 \text{ J/s}\)
\(1 \text{ HP (Horse Power)} = 746 \text{ Watt}\)
\(1 \text{ kWh} = 3,6 \times 10^6 \text{ J}\) (untuk energi listrik)
\(1 \text{ Watt} = 1 \text{ J/s}\)
\(1 \text{ HP (Horse Power)} = 746 \text{ Watt}\)
\(1 \text{ kWh} = 3,6 \times 10^6 \text{ J}\) (untuk energi listrik)
Contoh Daya dalam Kehidupan Sehari-hari
Lampu
Lampu 10 W lebih terang dari lampu 5 W
Mobil
Mobil sport memiliki daya besar untuk akselerasi cepat
Atlet
Atlet melakukan usaha lebih cepat daripada orang biasa
Kipas Angin
Kipas 50 W menghasilkan angin lebih kencang daripada 20 W
Mesin
Mesin dengan daya besar dapat mengangkat beban lebih cepat
Setrika Listrik
Setrika 300 W lebih cepat panas daripada 150 W
D. Efisiensi atau Daya Guna Pengubah Energi
Definisi Efisiensi:
Efisiensi adalah perbandingan antara energi keluaran (yang berguna) dengan energi masukan (total) dikali 100%.
Efisiensi adalah perbandingan antara energi keluaran (yang berguna) dengan energi masukan (total) dikali 100%.
\[
\eta = \frac{E_{keluar}}{E_{masuk}} \times 100\%
\]
\[
\eta = \frac{P_{keluar}}{P_{masuk}} \times 100\%
\]
- \(\eta\) = efisiensi (%)
- \(E_{keluar}\) = energi yang berguna (J)
- \(E_{masuk}\) = energi total yang diberikan (J)
Perhatikan:
- Efisiensi selalu < 100% karena selalu ada energi yang hilang (gesekan, panas, dll)
- Semakin tinggi efisiensi, semakin baik alat tersebut
- Contoh: Motor listrik (90%), Lampu LED (80%), Mesin bensin (25%)
Contoh Efisiensi dalam Kehidupan Sehari-hari
Lampu LED
Efisiensi ~80% (20% hilang sebagai panas)
Mesin Mobil
Efisiensi ~25% (75% hilang sebagai panas)
Panel Surya
Efisiensi ~15-20%
PLTA
Efisiensi ~90% (sangat efisien)
Motor Listrik
Efisiensi ~90%
Kompor Gas
Efisiensi ~60-70%
E. Contoh Soal Literasi
Literasi:
Soal-soal berikut disajikan dalam bentuk cerita kehidupan sehari-hari untuk melatih kemampuan literasi sains dan penerapan konsep usaha dan energi dalam kehidupan nyata.
Soal-soal berikut disajikan dalam bentuk cerita kehidupan sehari-hari untuk melatih kemampuan literasi sains dan penerapan konsep usaha dan energi dalam kehidupan nyata.
Soal Literasi 1 (Usaha Mendaki Gunung)
Cerita:
Seorang pendaki dengan massa 60 kg mendaki gunung setinggi 500 m. (\(g = 10\) m/s²)
a. Berapa energi potensial pendaki di puncak?
b. Berapa usaha yang dilakukan pendaki untuk mencapai puncak?
Seorang pendaki dengan massa 60 kg mendaki gunung setinggi 500 m. (\(g = 10\) m/s²)
a. Berapa energi potensial pendaki di puncak?
b. Berapa usaha yang dilakukan pendaki untuk mencapai puncak?
J
J
Jawaban Benar:
\(EP = 300.000\) J | \(W = 300.000\) J
Penyelesaian:
a. \(EP = m \times g \times h = 60 \times 10 \times 500 = 300.000\) J
b. Usaha = perubahan energi potensial = \(300.000\) J
\(EP = 300.000\) J | \(W = 300.000\) J
Penyelesaian:
a. \(EP = m \times g \times h = 60 \times 10 \times 500 = 300.000\) J
b. Usaha = perubahan energi potensial = \(300.000\) J
Soal Literasi 2 (Daya Lampu)
Cerita:
Sebuah lampu 40 W digunakan selama 5 jam setiap hari.
a. Berapa energi listrik yang digunakan dalam 1 hari?
b. Jika tarif listrik Rp 1.500 per kWh, berapa biaya listrik selama 1 hari?
Sebuah lampu 40 W digunakan selama 5 jam setiap hari.
a. Berapa energi listrik yang digunakan dalam 1 hari?
b. Jika tarif listrik Rp 1.500 per kWh, berapa biaya listrik selama 1 hari?
J
Rp
Jawaban Benar:
\(E = 720.000\) J | Biaya = Rp 300
Penyelesaian:
a. \(E = P \times t = 40 \times (5 \times 3600) = 40 \times 18.000 = 720.000\) J
atau \(40 \times 5 = 200\) Wh = 0,2 kWh
b. Biaya = \(0,2 \times 1.500 = 300\) Rupiah
\(E = 720.000\) J | Biaya = Rp 300
Penyelesaian:
a. \(E = P \times t = 40 \times (5 \times 3600) = 40 \times 18.000 = 720.000\) J
atau \(40 \times 5 = 200\) Wh = 0,2 kWh
b. Biaya = \(0,2 \times 1.500 = 300\) Rupiah
F. Latihan Soal Interaktif
Kerjakan soal-soal berikut dengan mengisi kotak jawaban,
lalu klik Cek Jawaban untuk mengetahui kebenarannya!
Panduan Menambahkan Soal Baru & Gambar:
1. Menambahkan Gambar:
Ganti URL gambar pada tag
Ganti URL gambar pada tag
<img src="URL_GAMBAR_ANDA" alt="Deskripsi Gambar">
2. Menambahkan Soal Baru:
Copy blok
Copy blok
<div class="soal-interaktif" id="soalX">, ganti X dengan nomor soal,
dan tambahkan fungsi JavaScript sesuai pola.
Skor Anda
0 / 7
1 Usaha Mendorong Kotak
Sebuah gaya 50 N mendorong kotak sejauh 4 meter searah dengan gaya.
Berapa usaha yang dilakukan?
J
Jawaban Benar:
\(W = 200\) J
Penyelesaian:
\(W = F \times s = 50 \times 4 = 200\) J
\(W = 200\) J
Penyelesaian:
\(W = F \times s = 50 \times 4 = 200\) J
2 Energi Potensial Benda
Sebuah benda bermassa 3 kg berada pada ketinggian 8 m. (\(g = 10\) m/s²)
Berapa energi potensial benda?
J
Jawaban Benar:
\(EP = 240\) J
Penyelesaian:
\(EP = m \times g \times h = 3 \times 10 \times 8 = 240\) J
\(EP = 240\) J
Penyelesaian:
\(EP = m \times g \times h = 3 \times 10 \times 8 = 240\) J
3 Energi Kinetik Mobil
Sebuah mobil bermassa 1.000 kg bergerak dengan kecepatan 20 m/s.
Berapa energi kinetik mobil?
J
Jawaban Benar:
\(EK = 200.000\) J
Penyelesaian:
\(EK = \frac{1}{2} \times m \times v^2 = 0,5 \times 1.000 \times 20^2 = 200.000\) J
\(EK = 200.000\) J
Penyelesaian:
\(EK = \frac{1}{2} \times m \times v^2 = 0,5 \times 1.000 \times 20^2 = 200.000\) J
4 Kekekalan Energi Mekanik
Sebuah bola bermassa 2 kg dilepaskan dari ketinggian 10 m. (\(g = 10\) m/s²)
Berapa kecepatan bola saat menyentuh tanah?
m/s
Jawaban Benar:
\(v = 14,14\) m/s
Penyelesaian:
\(EM_1 = EM_2 \Rightarrow EP_1 = EK_2\)
\(m \times g \times h = \frac{1}{2} \times m \times v^2\)
\(2 \times 10 \times 10 = 0,5 \times 2 \times v^2\)
\(200 = v^2 \Rightarrow v = \sqrt{200} = 10\sqrt{2} \approx 14,14\) m/s
\(v = 14,14\) m/s
Penyelesaian:
\(EM_1 = EM_2 \Rightarrow EP_1 = EK_2\)
\(m \times g \times h = \frac{1}{2} \times m \times v^2\)
\(2 \times 10 \times 10 = 0,5 \times 2 \times v^2\)
\(200 = v^2 \Rightarrow v = \sqrt{200} = 10\sqrt{2} \approx 14,14\) m/s
5 Daya
Sebuah mesin melakukan usaha 2.400 J dalam waktu 40 detik.
Berapa daya mesin tersebut?
W
Jawaban Benar:
\(P = 60\) W
Penyelesaian:
\(P = \frac{W}{t} = \frac{2.400}{40} = 60\) W
\(P = 60\) W
Penyelesaian:
\(P = \frac{W}{t} = \frac{2.400}{40} = 60\) W
6 Efisiensi
Sebuah motor listrik menerima energi 500 J dan menghasilkan energi berguna 400 J.
Berapa efisiensi motor tersebut?
%
Jawaban Benar:
\(\eta = 80\%\)
Penyelesaian:
\(\eta = \frac{E_{keluar}}{E_{masuk}} \times 100\% = \frac{400}{500} \times 100\% = 80\%\)
\(\eta = 80\%\)
Penyelesaian:
\(\eta = \frac{E_{keluar}}{E_{masuk}} \times 100\% = \frac{400}{500} \times 100\% = 80\%\)
7 Usaha dengan Sudut
Sebuah gaya 80 N menarik benda sejauh 5 m dengan sudut 60° terhadap arah perpindahan.
(\(\cos 60° = 0,5\)) Berapa usaha yang dilakukan?
J
Jawaban Benar:
\(W = 200\) J
Penyelesaian:
\(W = F \times s \times \cos \theta = 80 \times 5 \times 0,5 = 200\) J
\(W = 200\) J
Penyelesaian:
\(W = F \times s \times \cos \theta = 80 \times 5 \times 0,5 = 200\) J