Contoh Soal Pendahuluan Pada Usaha dan Daya
Contoh Soal Pendahuluan Pada Usaha dan Daya - Kita sudah tahu dari definisinya bahwa energi adalah kapasitas suatu sistem untuk menampilkan usaha. Namun, apakah tepatnya usaha itu dan bagaimana usaha berkaitan dengan energi kinetik dan energi potensial?
Pertama, kita mendefinisikan bahwa suatu gaya telah bekerja pada suatu objek ketika terjadi perpindahan tempat dimana kontak antara gaya dengan objek terjadi, pada arah gaya, yang dapat didiskripsikan dengan persamaan berikut
(1) Dimana Δx adalah perpindahan.
Pada kasus dimana gaya mempunyai arah yang sama dengan arah perpindahan objek, maka dapat disimpulkan bahwa gaya telah menampilkan suatu usaha, yang berarti gaya membuat kecepatan benda bertambah, dan pada waktunya, energi juga akan menyesuaikan diri ikut bertambah.
Disisi lain, bila gaya berlawanan arah dengan arah gerakan objek, maka hasil usaha suatu gaya pada suatu objek akan menjadi negatif. Oleh karena itu, gaya mengkonsumsi usaha, dan sebagai hasilnya, kecepatan dan energi menjadi berkurang.
Perlu ditegaskan, bahwa pada kasus dimana gaya membentuk sudut dengan adanya perpindahan objek, maka definisi matematika dari usaha menjadi
(2). Karena itu, berkaitan dengan usaha dan daya, kita dapat menyimpulkan bahwa usaha suatu gaya dapat mengekspresikan transportasi energi dari satu objek ke objek yang lain, juga mengekspresikan perubahan energi yang sama dari satu bentuk ke bentuk yang lain.
Mari kita tinjau contoh berikut sebagaimana yang digambarkan pada gambar di bawah ini.
Sebuah objek dengan energi kinetik awal 10 J bergerak dengan kecepatan tetap searah dengan garis bebas gesekan (sumbu x). Pada suatu titik, suatu gaya F diterapkan pada objek yang dengan sendirinya mempengaruhi kecepatan objek. Setelah jangka waktu t, energi kinetiknya sekarang adalah 20 J.
Pertanyaannya, darimanakah objek memperoleh energi tambahan sebesar 10 J?
Energi tambahan 10 J mencitrakan usaha dari gaya yang diterapkan pada objek tersebut. Prinsip kinetik menyatakan bahwa perbedaan antara energi kinetik awal dengan energi kinetik akhir suatu benda adalah sama dengan jumlah usaha gaya yang berlaku pada objek tersebut.
Energi tambahan 10 J mencitrakan usaha dari gaya yang diterapkan pada objek tersebut. Prinsip kinetik menyatakan bahwa perbedaan antara energi kinetik awal dengan energi kinetik akhir suatu benda adalah sama dengan jumlah usaha gaya yang berlaku pada objek tersebut.
3). Karena itu, bila tidak ada gaya (seperti gaya gravitasi, gaya elastis, ataupun gesekan) yang mempengaruhi suatu objek, maka kecepatan objek juga tidak akan berubah.
.
Lebih lanjut, konsep tentang usaha sering diasosikan dengan energi potensial. Secara spesifik, energi potensial U adalah setara dengan usaha suatu gaya yang diterapkan pada suatu objek. Ini harus terjadi untuk suatu gaya memindahkan objek dari posisi dimana energi potensialnya adalah nol (U=OJ) ke posisi X, yang dalam dalam istilah matematika dikenal dengan
Karena itu, usaha yang positif akan menunjukkan bahwa energi potensial telah dirubah ke bentuk energi yang lain, yang dengan sendirinya menerangkan lambangnya yang negatif. Sebagai contoh, usaha suatu gaya yang mengulur sebuah pegas dari nol ke cacat bentuk X, maka hasil perubahan bentuk energinya akan menjadi:
(5). Terakhir, kita perlu juga mendefinisikan istilah Daya. Daya secara sederhana dapat digambarkan sebagai tingkat kecepatan dimana suatu usaha dilangsungkan, atau tingkat kecepatan dimana suatu energi berubah dari satu bentuk ke bentuk yang lain.
(6). Persamaan ini mendefiniskan bahwa semakin tinggi kecepatan usaha yang ditampilkan oleh suatu gaya, maka semakin besar pula nilai daya resultannya (semakin cepat energi terkuras). Unit tenaga adalah Watt (W). Pada jaman dahulu, satuan tenaga adalah ergs per detik. Ergs juga dapat digunakan untuk mengukur usaha.
S1
Asumsikan bahwa suatu objek bergerak sejajar dengan sumbu X, dan gaya sebesar F=10 N diterapkan pada objek dengan arah tegak lurus. Berapakah besar usaha dari gaya setelah terjadi pepindahan Δx=1 m? Harap diingat definisi dari usaha!
S2
Suatu gaya diterapkan pada objek seperti yang terlihat pada gambar di atas, yang membentuk sudut 600 dengan sumbu X. Bila usaha yang terbentuk setelah terjadi perpindahan sejauh 500 cm adalah 10 J, berapakah besar gaya?
S3
Seorang pria melempar bolanya ke atas dengan kecepatan awal sebesar 10 m/detik seperti yang terlihat pada gambar di atas. Bila total jumlah usaha karena tarikan gaya gravitasi adalah -20 J sampai bola berhenti (di ketinggian maksimum), maka carilah besar massa bola.
S4
Sekali lagi, cobalah mengasumsikan gambar berikut dimana sebuah bola dilempar ke atas dan mencapai ketinggian maksimum h = 5m. Berapakah kecepatan bola ketika bola tersebut memantul kembali ke titik darimana bola diluncurkan? Anggap bahwa daya percepatan gravitasi adalah 10 m/detik2.
S5
Pada gambar berikut yang manakah jumlah usaha yang diproduksi suatu gaya adalah negatif? Anak panah berwarna hitam mewakili arah gaya, sedangkan anak panah berwarna merah mewakili arah perpindahan benda.
S6
Sebuah mesin beroperasi di suatu laboratorium dan merubah energi sebesar 3000 J menjadi listrik dalam waktu 5 menit. Berapakah besar daya mesin tersebut?
S7
Anggap suatu gaya mendatar diterapkan pada suatu objek, dengan massa m, yang merekat di tembok seperti yang terlihat pada gambar di atas. Kalimat berikut manakah yang benar?
S8
Yang manakah dari persamaan berikut yang bukan merupakan unit untuk menghitung Daya?
S9
Seorang atlit angkat berat mengangkat beban seberat 500 N dan berjalan sejauh 10 m dalam waktu 5 detik. Berapakah besar jumlah daya yang dihasilkan?
S10
Kalimat berikut manakah yang tidak mewakili contoh suatu usaha?