IPA · Bab 9 Energi dan Usaha

Rinie Pratiwi

24/08/2021 14:36:00

SMP 8 KTSP

Daftar Isi

Bab 1 Pertumbuhan dan Perkembangan Manusia Bab 2 Sistem Gerak pada Manusia Bab 3 Sistem Pencernaan Manusia Bab 4 Sistem Pernapasan dan Peredaran Darah Manusia Bab 5 Sistem Kehidupan Tumbuhan Bab 6 Partikel partikel Materi Bab 7 Bahan Kimia dalam Kehidupan Bab 8 Gaya dan Tekanan Bab 9 Energi dan Usaha Bab 10 Gelombang dan Bunyi Bab 10 Cahaya dan Alat Optik

Halaman

261

Bab 9

Energi dan Usaha

261

Energi dan Usaha

BAB 9

A. Energi

B. Pesawat Sederhana

Sumber: http://www.nightglow.gsfc.nasa.gov

262

IPA SMP

Kelas VIII

Peta Konsep Energi dan Usaha

Peta Konsep

energi

potensial

jika ada

usaha

dapat menghasilkan

gaya

energi

kinetik

searah dengan

perpindahan

cepatnya ditentukan

berubah bentuk

misaln

men

adi

Hukum kekekalan

energi

berlaku

daya

dipermudah dengan

pesawat sederhana

pengungkit

katrol

dapat berupa

roda dan

poros

bidang

miring

sekrup

baji

263

Bab 9

Energi dan Usaha

263

Bagaimana cara kamu menggunakan energi setiap hari? Setiap aktivitas yang kamu

lakukan akan memerlukan pengeluaran energi yang tersimpan dalam tubuhmu. Beberapa

kegiatan, misalnya olah raga naik turun tangga memerlukan lebih banyak energi dibanding

yang lain. Dalam Bab ini kamu akan mempelajari beberapa bentuk energi, usaha atau kerja,

serta peralatan yang memudahkan kerja. Lakukan Kegiatan Penyelidikan di bawah ini, untuk

menyelidiki keterkaitan aktivitas dengan penggunaan energi. Amatilah pula bagaimana kamu

bergantung pada sumber energi yang ada dalam dirimu.

1. Berdiri dan angkat kedua lenganmu setinggi pinggang, dan buka telapak tanganmu.

Mintalah temanmu meletakkan beberapa buku pada tanganmu.

2. Angkatlah buku-buku tersebut hingga setinggi bahu, kemudian turunkan lagi tanganmu.

Sekarang cobalah menahan buku tersebut.

3. Mintalah teman sekelasmu menambahkan 2 buku lagi. Ulangi kegiatan mengangkat buku

tersebut.

4. Sambil tetap membawa buku, berjalanlah beberapa langkah di dalam kelas.

5. Ulangilah kegiatan nomor empat, namun dengan menaiki undak-undakan yang ada di

sekolahmu.

Sumber: Dok. Penulis.

Energi dan Usaha

BABBAB

BAB

Pikirkan energi yang terlibat saat kamu mencoba kegiatan berikut ini.

Kegiatan Penyelidikan

Kegiatan manakah yang

memerlukan banyak energi?

Paparkan pemikiranmu, mengapa

kegiatan tersebut lebih banyak

memerlukan energi didalam

Jurnal IPAmu.

264

IPA SMP

Kelas VIII

Apakah energi Itu?

Kamu tentunya telah mengetahui berbagai contoh energi

yang dimanfaatkan saat ini. Hampir semua yang kamu lihat

atau kerjakan melibatkan energi. Energi itu sesuatu yang

agak misterius. Kamu tidak dapat menciumnya. Dalam

banyak kejadian kamu tidak dapat melihatnya. Sebagai

contoh, cahaya adalah salah satu bentuk energi, dan tanpa

cahaya kamu tidak mampu melihat apapun. Kamu tidak

dapat melihat listrik, tetapi kamu dapat melihat akibatnya

saat menyalakan lampu, dan kamu dapat merasakan

akibatnya pada panas yang dihasilkan oleh kumparan

pemanggang kue. Kamu tidak dapat melihat energi dalam

makanan pada

Gambar 9.1

, tetapi kamu dapat melihat dan

merasakan akibatnya ketika otot-ototmu menggunakan

energi tersebut untuk bergerak.

Energi – Penyebab Perubahan

Jika sebuah bola kasti terbang di udara dan memecahkan

jendela, bola tersebut jelas mengubah jendela! Ketika sebuah

benda mempunyai kemampuan mengubah lingkungannya,

dikatakan benda itu memiliki energi. Bola kasti mempunyai

energi dan melakukan usaha terhadap jendela menyebabkan

Kata-kata IPA

energi

energi kinetik

energi potensial

energi mekanik

hukum kekekalan energi

usaha

daya

Gambar 9.1

Makanan yang bergizi dan seimbang

memberikan “bahan bakar” bagi tubuh.

Energi yang tersimpan dalam makanan

diubah dalam bentuk yang dapat

digunakan tubuh.

Sumber: http://www.sinarharapan.co.id.

Energi

265

Bab 9

Energi dan Usaha

265

jendela bergerak. Singkatnya, penggunaan energi

melibatkan perubahan.

Secara tradisional, energi didefinisikan sebagai

kemampuan untuk melakukan usaha, yakni menyebabkan

sesuatu berpindah. Tetapi ketika usaha ditunjukkan, selalu

ada perubahan. Hubungan ini memberikan definisi umum

yang berguna. Energi adalah kemampuan untuk

menyebabkan perubahan.

Perubahan bentuk energi

Jika kamu meminta teman-temanmu untuk memberikan

contoh-contoh energi, kamu mungkin akan mendapatkan

jawaban yang berbeda-beda. Beberapa diantaranya

mungkin menunjuk energi dalam api. Teman lain mungkin

memberikan energi yang dibutuhkan untuk lomba lari.

Energi terjadi pada berbagai bentuk yang berbeda. Api

memiliki energi panas dan energi cahaya. Lemak yang

tersimpan dalam tubuhmu mengandung energi kimia.

Sebagai penyebab berubahnya benda-benda, energi itu

sendiri seringkali mengalami perubahan dari satu bentuk

ke bentuk lain. Perubahan bentuk energi terjadi di sekitarmu

setiap hari. Ketika mobil terletak

di tempat panas sepanjang hari,

energi gelombang cahaya berubah

menjadi energi panas yang

menghangatkan bagian dalam

mobil itu. Dalam api unggun

seperti

Gambar 9.2

, energi kimia

di dalam kayu berubah menjadi

energi cahaya dan energi panas.

Selama perubahan bentuk,

misalnya saat cahaya berubah

menjadi panas, banyaknya energi

tetap sama. Tak ada energi yang

hilang atau bertambah.

Hanya

bentuk energi yang berubah, bukan

banyaknya energi

Pemanfaatan perubahan

bentuk energi, lebih lanjut dapat

kamu pelajari pada bagian

berikutnya.

Gambar 9.2

Dalam api unggun, energi kimia dalam

kayu diubah, atau berubah bentuk,

menjadi energi panas dan cahaya.

Sumber: Dok. Penulis.

266

IPA SMP

Kelas VIII

Energi kinetik dan potensial

Telah kamu ketahui bahwa energi dapat berada

dalam berbagai bentuk, misalnya cahaya, panas, dan

gerak. Sekarang bayangkan sebuah batu yang diam di

puncak tebing. Apabila batu tersebut didorong dan

bergerak, maka batu tersebut akan jatuh, dan bergerak

makin lama makin cepat. Batu yang bergerak tersebut

memiliki

energi kinetik

. Pada saat batu diam di puncak

bukit, batu tersebut memiliki

energi potensial

Energi Kinetik: pada Benda Bergerak

Biasanya, ketika kamu berpikir tentang energi,

kamu berpikir tentang gerak.

Energi kinetik

adalah

energi dalam bentuk gerak. Roda sepeda yang

berputar, anak-anak yang berlari dalam

Gambar 9.3

dan plastik yang melayang semuanya memiliki energi

kinetik. Berapa besarnya? Energi ini bergantung pada

massa dan kecepatan benda yang bergerak.

Semakin besar massa benda yang bergerak, energi

kinetiknya juga semakin besar. Demikian juga semakin cepat

benda bergerak, energi kinetiknya semakin besar. Truk yang

bergerak pada 100 km/jam dalam

Gambar 9.4

memiliki

energi kinetik lebih besar dibanding sepeda motor yang

bergerak dengan kelajuan yang sama. Tetapi sepeda motor

tersebut memiliki energi kinetik lebih besar daripada sepeda

motor sejenis yang bergerak pada 80 km/jam.

Energi Potensial Gravitasi

Energi tidak harus melibatkan gerakan. Walaupun tak

bergerak, suatu benda dapat memiliki energi yang tersimpan

Gambar 9.4

Energi kinetik tiap-tiap kendaraan berbeda

karena energi kinetik bergantung pada

massa dan kecepatan.

Gambar 9.3

Anak-anak yang sedang berlari ini

menggunakan banyak energi

. Kegiatan

macam apakah yang hanya

membutuhkan sedikit energi?

100 km/jam

80 km/jam

Sumber: Dok. Penulis.

Sumber: cf. McLaughin & Thomson, 1997.

267

Bab 9

Energi dan Usaha

267

padanya, yang berpotensi menyebabkan perubahan jika

terdapat kondisi-kondisi tertentu.

Energi potensial

adalah

energi yang tersimpan. Besar energi potensial pada suatu

benda bergantung pada kedudukannya atau kondisinya.

Pot bunga yang terletak di ambang jendela lantai dua

memiliki energi potensial gravitasi karena kedudukannya.

Jika terdapat sesuatu yang membuat pot tersebut bergeser

dari ambang jendela, gravitasi menyebabkan pot tersebut

jatuh ke tanah. Saat jatuh, energi potensial pot tersebut

berubah menjadi energi kinetik.

Energi potensial pot bunga dalam

Gambar 9.5

berhubungan dengan jaraknya terhadap permukaan tanah.

Lebih tinggi kedudukannya, energi potensialnya juga lebih besar

Pot bunga yang terletak pada lantai lima memiliki energi

potensial lebih besar dibanding dengan pot pada lantai di

bawahnya.

Jika pot bunga jatuh, gaya gravitasi

mempercepat gerak jatuhnya. Semakin tinggi

pot tersebut, kecepatan akhirnya juga semakin

besar. Jadi pot bunga yang jatuh dari lantai

yang lebih tinggi akan memiliki kecepatan

lebih besar dan energi kinetik lebih besar

ketika tiba di permukaan tanah dibandingkan

dengan pot serupa yang jatuh dari lantai yang

lebih rendah.

Besar energi potensial gravitasi pada

sebuah benda juga bergantung pada

massa

benda

tersebut.

Semakin besar massa sebuah benda,

energi potensial gravitasi benda tersebut juga

semakin besar

. Pot bermassa 10 kg yang berada

pada lantai dua memiliki energi potensial

gravitasi lebih besar daripada pot 5 kg yang

terletak pada tempat yang sama.

Kamu telah mempelajari energi kinetik

dan beberapa perubahan energi potensial.

Perubahan lain energi potensial akan

didiskusikan pada bagian berikutnya dalam

subbab ini.

Gambar 9.5

Benda-benda yang dapat jatuh memiliki

salah satu bentuk energi yaitu potensial.

Sungai berarus deras

dan gletser yang

bergerak perlahan

sama-sama memiliki

energi kinetik. Batuan

yang terletak setimbang

di bukit memiliki energi

potensial. Buat

hipotesis

yang

menunjukkan contoh-

contoh lain energi

kinetik dan energi

potensial di alam.

Sumber:cf. McLaughin & Thomson, 1997; cf.

risko12057054.wordpress.com.

268

IPA SMP

Kelas VIII

Kekekalan Energi

Mungkin kamu pernah menaiki ayunan seperti yang

dinaiki anak pada

Gambar 9.6

. Cobalah ingat lagi seperti

apa mengayun maju dan mundurnya, tinggi dan rendahnya.

Sekarang pikirkan tentang perubahan energi pada masing-

masing gerakan tersebut.

Ayunan dimulai dengan suatu dorongan untuk

membuatmu bergerak, yakni untuk memberikan sejumlah

energi kinetik padamu. Saat

ayunan naik, energi kinetik

berubah menjadi energi

potensial. Pada

titik tertinggi

energi potensialnya

juga

terbesar

Kemudian, saat ayunan turun,

energi potensial berubah

men-jadi energi kinetik.

Pada

titik terendahnya

energi kinetik-nya terbesar

dan

energi potensialnya

terkecil

Gambar 9.6

Penunggang ayunan ini mengalami

perubahan energi saat ayunan bergerak

Pada titik

tertingginya, energi

mekanik berupa

energi potensial.

Saat ia mengayun

menuju bagian

terendah, ia semakin

cepat dan energi

kinetiknya bertambah.

Karena ke-tinggiannya

berkurang, pada saat

itu energi potensialnya

berkurang.

Saat ketinggiannya

bertambah pada sisi

lainnya, ayunan mulai

melambat dan kehilangan

energi kinetik. Saat

ketinggiannya bertambah,

energi potensialnya juga

bertambah.

Saat ia mencapai

titik tertinggi dan

bersiap-siap untuk

mengayun lagi pada

arah sebaliknya,

energi mekanik

ayunan berupa

energi potensial.

Sumber: Dok. Penulis.

269

Bab 9

Energi dan Usaha

269

Gambar 9.7

Gravitasi menghasilkan gaya yang

menggerakkan papan luncur menuruni

papan cekung.

Perubahan energi apa

yang terjadi?

Ketika ayunan berlangsung maju dan mundur, energi

diubah dari kinetik ke potensial ke kinetik, berlanjut dan

berlangsung terus-menerus. Secara bersamaan, energi

potensial dan kinetik ayunan membentuk energi mekanik.

Energi mekanik adalah jumlah energi kinetik dan energi

potensial dalam suatu sistem.

Kekekalan Energi – Hukum Alam

Ilmuwan telah mempelajari bahwa pada situasi tertentu,

energi dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk lain, tetapi

energi totalnya tetap. Dengan kata lain, energi adalah kekal.

Fakta ini dikenal sebagai hukum alam. Sesuai hukum

kekekalan energi, energi dapat berubah bentuk, tetapi tidak

dapat diciptakan dan dimusnahkan pada kondisi biasa.

Hukum ini berlaku untuk sistem tertutup, yakni energi tidak

memasuki atau meninggalkan sistem itu.

Misalkan hukum kekekalan energi diterapkan kepada

ayunan. Dapatkah kamu memperkirakan apakah ayunan

bergerak maju mundur selamanya? Kamu tahu hal ini tidak

terjadi. Ayunan melambat dan akhirnya berhenti. Kemana

perginya energi tersebut?

Gesekan dan hambatan udara selalu bekerja pada

ayunan dan penunggangnya, yang juga dialami oleh pemain

skate

pada

Gambar 9.7

. Gaya-gaya tersebut menyebabkan

energi mekanik ayunan berubah menjadi energi

panas. Pada setiap gerakan ayunan, suhu

ayunan, penunggangnya, dan udara di

sekitarnya bertambah sedikit. Jadi energi

mekanik tidak hilang, tetapi berubah

menjadi energi panas.

Sumber: McLaughin & Thomson, 1997.

Kereta luncur mengangkat

kamu tinggi-tinggi dari

tanah dan juga

menggerakkan kamu

pada kelajuan tinggi.

Tubuhmu mengalami

berbagai perubahan

energi kinetik dan energi

potensial. Buatlah

hipotesis

di titik mana

tubuhmu memiliki energi

kinetik terbesar.

270

IPA SMP

Kelas VIII

Energi pada Tubuh Manusia

Energi dalam bentuk apakah yang dapat kamu temukan

dalam tubuh manusia? Dengan tangan kananmu, pegang

dan rasakan bahu kirimu. Saat melakukan gerakan

sederhana, kamu terlibat dalam pengubahan energi potensial

kimia yang tersimpan dalam tubuhmu menjadi energi

kinetik berupa gerakan tanganmu saat melakukan usaha.

Apakah bahumu terasa hangat oleh tanganmu? Sebagian

energi potensial yang tersimpan dalam tubuhmu digunakan

untuk menjaga suhu dalam tubuh konstan. Sebagian energi

juga diubah menjadi panas yang terbuang ke lingkungan

sekitar. Walau-pun istirahat, orang dalam

Gambar 9.8

memerlukan pengubahan energi.

Proses kimia dan fisika yang kompleks juga tunduk

terhadap hukum-hukum fisika, termasuk hukum kekekalan

energi. Energi yang tersimpan dalam tubuhmu (misalnya

berupa lemak) berkurang ketika usaha yang dilakukan atau

panas terbuang dari tubuhmu ke lingkungan sekitarmu.

Untuk menjaga berat badan yang sehat, kamu harus

menyeimbangkan antara energi yang diperoleh dengan

energi yang dikeluarkan dari tubuhmu sebagai usaha atau

panas.

Makanan – Energi Potensial Kimia Kita

Apa yang kamu makan untuk sarapan pagi ini?

Tubuhmu sibuk mengubah secara kimia makananmu

menjadi molekul-molekul yang dapat bereaksi dengan

oksigen dan digunakan sebagai bahan bakar. Walaupun

kamu tidak sarapan pagi ini, tubuhmu mengubah energi

yang tersimpan dalam

lemak untuk kebutuhan

mendadak sampai kamu

makan lagi. Kamu mung-

kin akrab dengan Kalori

makanan, yaitu satuan

yang digunakan ahli

nutrisi untuk mengukur

berapa banyak energi yang

kita dapatkan dari

makanan tertentu. Satu

Kalori (dengan huruf k

besar) sama dengan satu

Gambar 9.8

Orang ini tetap menggunakan energi

walaupun sedang istirahat. Jelaskan

untuk apakah penggunaan energi

dalam tubuhnya.

Sumber: McLaughin & Thomson, 1997.

271

Bab 9

Energi dan Usaha

271

kilokalori atau sekitar 4180 joule. Setiap gram lemak yang

dikonsumsi seseorang menyediakan energi 9 Kalori.

Karbohidrat dan protein masing-masing menyediakan

energi sekitar 4 Kalori per gram.

Mengapa tubuhmu memerlukan sumber energi?

Makanan menyediakan bahan bakar yang digunakan untuk

menjaga suhu tubuh agar konstan, untuk membantu organ-

organ tubuh, dan melakukan usaha saat kamu

menggerakkan tubuhmu.

Tabel 5-1

menunjukkan

banyaknya energi yang digunakan dalam melakukan

berbagai aktivitas. Energi yang diperlukan masing-masing

orang bergantung pada berbagai faktor seperti ukuran

tubuh, usia, jenis kelamin, faktor keturunan, dan tingkat

aktivitas sehari-hari. Dalam sub bab berikutnya, kamu akan

mempelajari sumber-sumber dan penggunaan energi dan

bentuk-bentuk energi yang berbeda.

Setelah kamu memahami pengertian energi, energi

kinetik, dan energi potensial, terapkan lebih lanjut

pemahamanmu dengan melakukan

Kegiatan 9.1.

Tabel 5-1

Tidur

Duduk

Makan

112

Berdiri

112

123

Berjalan

180

210

240

Bermain tenis

380

420

460

Balap sepeda

500

600

700

Berlari

700

850

1000

Energi yang Digunakan Selama 1 Jam (Kalori)

Jenis Kegiatan

Ukuran Tubuh

Kecil

Sedang

Besar

Penggunaan

Matematika

Satu bungkus kecil

kentang goreng me-

ngandung sekitar 270

Kalori. Dengan meng-

gunakan

Tabel 5-1

hitunglah berapa menit

kamu harus berjalan

untuk “membakar” Kalori

ini.

272

IPA SMP

Kelas VIII

Permasalahan

Bagaimanakah kamu menggunakan sebuah

model untuk menjawab pertanyaan tentang

situasi ayunan seperti yang dipaparkan di

atas?

Merumuskan Hipotesis

Pelajari gambar peralatan di samping. Apakah

gambar ini mirip dengan situasi yang

dipaparkan dalam pengantar di atas?

Susunlah hipotesis mengenai apa yang terjadi

pada gerak ayunan dan ketinggian akhir jika

ayunan dihentikan oleh penghalang melintang.

Tujuan

Mampu merangkai ayunan untuk

membandingkan perubahan energi

potensial dan kinetik saat ayunan

dihentikan.

Mampu mengukur ketinggian mula-mula

dan ketinggian akhir sebuah bandul

ayunan.

Alat dan Bahan yang Mungkin

Digunakan

statif dan klem

batang berklem, 30 cm

bandul ayunan

benang (1 m)

mistar

kertas grafik

Petunjuk Keselamatan

Yakinlah bahwa landasan cukup berat

sehingga peralatan itu tidak roboh.

Sumber: McLaughin & Thomson, 1997.

Merancang Sendiri Percobaanmu

Energi pada Ayunan

ayangkan dirimu berayun dalam ayunan. Apa yang akan terjadi seandainya

temanmu menghentikanmu dengan menahan tali ayunan pada bagian tengahnya

saat kamu melintas pada titik terendah? Apakah kamu akan langsung berhenti ataukah

meneruskan gerakanmu hingga mencapai ketinggian maksimum?

PERSIAPAN

273

Bab 9

Energi dan Usaha

273

1. Sebagai satu kelompok, tulis hipotesis kalian dan buat

urutan langkah-langkah yang kamu perlukan untuk

mengujinya. Buat secara terperinci. Buat pula daftar

peralatan yang kamu perlukan.

2. Jika kamu memerlukan tabel data, rancanglah tabel tersebut

dalam buku IPA-mu.

Menguji Rancangan

1. Susun peralatan seperti yang ditunjukkan dalam gambar.

Yakinlah bahwa batang penahan berpotongan dengan tali

ayunan.

2. Temukan cara untuk mengukur ketinggian mula-mula dan

akhir dari ayunan itu. Catat ketinggian mula-mula dan akhir

dalam tabel data.

3. Putuskan bagaimana kamu akan melepaskan bandul dari

ketinggian yang sama.

4. Yakinkan bahwa kamu mencoba awalan ayunanmu baik di

atas dan di bawah ketinggian batang penahan. Berapa

kalikah kamu sebaiknya mengulangi setiap jenis ayunan?

Yakinlah bahwa gurumu menyetujui rancanganmu dan

kamu telah memasukkan perubahan yang disarankan

dalam rancanganmu.

1. Lakukan percobaan sesuai rencana.

2. Saat percobaan berlangsung, tulis hasil-hasil pengamatan

yang kamu lakukan dan lengkapi tabel dalam buku IPA-mu.

Analisis dan Aplikasi

1. Ketika bandul dilepas dari ketinggian yang sama dengan

tinggi penahan, apakah ketinggian akhir dari bandul sama

dengan ketinggian awalnya?

Komunikasikan

dengan

menjelaskan mengapa ya atau mengapa tidak.

Ramalkan,

apa yang akan terjadi bila ketinggian awalnya

lebih tinggi dari penahan?

Analisislah

perpindahan energinya. Pada posisi manakah

bandul memiliki energi kinetik terbesar? Energi potensial

terbesar?

Apa yang terjadi jika

massa bandul

diperbesar? Coba-

lah. Apa pengaruh

bertambahnya

massa penung-gang

terhadap orang yang

meng-hentikan

ayunan?

Selanjutnya

MERENCANAKAN PERCOBAAN

Sumber: McLaughin & Thomson, 1997.

MELAKSANAKAN PERCOBAAN

274

IPA SMP

Kelas VIII

Apakah usaha Itu?

Bagi sebagian besar orang, kata

usaha

atau

kerja

berarti

sesuatu yang mereka lakukan untuk memperoleh uang.

Dalam arti ini usaha dapat berupa mencatat pesanan

makanan di restoran atau berangkat mengajar atau kerja

kantor. Pengertian usaha dalam fisika berbeda dengan

pengertian usaha dalam kehidupan sehari-hari. Dalam

fisika, agar usaha berlangsung,

gaya harus dikerahkan hingga

menempuh jarak tertentu

Menghitung Usaha

Dalam kasus berikut usaha manakah yang lebih banyak

kamu lakukan, mengangkat sebungkus permen dari lantai

ke keranjang ataukah mengangkat setumpuk buku melintasi

jarak yang sama? Manakah usaha yang lebih banyak

dilakukan oleh wanita pada

Gambar 9.9,

mengangkat buku

setinggi pinggangnya ataukah mengangkat buku hingga di

atas kepalanya? Besar usaha yang

dilakukan bergantung pada

besar

dan

arah gaya

yang dikerahkan dan

perpindahan

benda selama gaya

dikenakan.

Ketika sebuah

gaya bekerja pada

arah yang sama dengan arah gerak benda

usaha dapat dihitung dengan cara

usaha

gaya

jarak

Gambar 9.9

Usaha (kerja) dilakukan terhadap buku ketika buku itu

diangkat dari lantai. Pemuda tersebut tidak melakukan

usaha terhadap bukunya.

Sumber: Dok. Penulis.

275

Bab 9

Energi dan Usaha

275

Usaha, seperti halnya energi,

bersatuan joule. Joule adalah nama

ilmuwan Inggris, James Prescott

Joule. Satu joule sama dengan satu

newton-meter (N.m), yakni besarnya

usaha yang dilakukan ketika gaya

satu newton bekerja sepanjang satu

meter. Orang dalam

Gambar 9.10

itu

sedang melakukan usaha.

Dalam masalah di bawah ini,

kamu diharapkan berlatih untuk

menghitung usaha yang dilakukan

oleh gaya tetap.

Menghitung Usaha

Soal Contoh:

Ransel siswa beratnya 30 N. Seorang siswa mengangkatnya dari lantai ke meja yang

tingginya 1,5 m. Berapakah usaha yang dilakukan terhadap ransel tersebut?

Langkah-langkah Pemecahan Masalah:

1. Apa yang diketahui?

Berat ransel,

= 30 N; jarak,

= 1,5 m

2. Apa yang tidak diketahui?

Usaha,

3. Gunakan persamaan

4. Penyelesaian:

= 30 N x 1,5 m

= 45 N.m = 45 J

Soal-soal Latihan:

1. Seorang tukang kayu mengangkat balok 450 N setinggi 120 cm. Berapakah usaha

yang dilakukan terhadap balok itu?

2. Seorang penari mengangkat balerina 400 N di atas kepalanya pada jarak 1,4 m

dan menahannya selama beberapa detik. Berapakah usaha yang dilakukan

penari itu pada saat mengangkat balerina? Selama menahan balerina di atas

kepalanya?

Gambar 9.10

Bagaimanakah kamu meng-hitung

usaha yang dilakukan orang ini?

Sumber: Dok. Penulis.

Penggunaan Matematika

276

IPA SMP

Kelas VIII

Terdapat 2 faktor yang harus diingat bila memutuskan

apakah terdapat usaha yang dilakukan:

benda harus bergerak

dan

arah gerakannya tidak tegak lurus dengan arah gaya yang

dikerahkan

. Jika kamu mengangkat setumpuk buku dari

lantai, kamu melakukan usaha terhadap buku itu. Buku

tersebut bergerak ke atas, sesuai arah gaya yang dikerahkan.

Jika kamu menahan buku itu, tidak ada usaha yang

dilakukan terhadap buku. Gaya ke atas tetap dikerahkan

(untuk menjaga buku agar tidak jatuh), tetapi tidak ada

gerakan yang terjadi. Demikian juga jika kamu menenteng

buku melintasi lantai dengan kecepatan tetap. Kamu tidak

melakukan usaha terhadap buku itu. Kejadian ini seperti

anak pada

Gambar 9.11

, yang tidak melakukan usaha

terhadap tas ranselnya. Gaya yang bekerja terhadap buku

tetap ke atas, atau vertikal, tetapi gerakan kamu melintasi

lantai adalah mendatar atau horisontal.

Perhatikan bahwa pada saat usaha dilakukan pada

sebuah benda, selalu terjadi perubahan gerakan pada benda

itu. Telah kamu ketahui bahwa gerak merupakan salah satu

bentuk energi. Jadi usaha merupakan pemindahan energi

melalui gerak.

Daya

Misalkan kamu dan temanmu mengangkat kotak-kotak

dari lantai ke atas rak. Berat kotak-kotak itu sama, tetapi

temanmu mampu mengangkat kotak lebih cepat daripada

kamu. Temanmu mengangkat kotak dalam waktu 15 sekon,

sedangkan kamu 20 sekon. Apakah usaha yang kalian

lakukan sama? Ya. Hal ini benar, karena berat kotak sama

dan jaraknya juga sama. Perbedaannya hanyalah waktu

yang kalian perlukan untuk melakukan usaha.

Temanmu memiliki daya lebih besar daripada kamu.

Daya adalah cepatnya usaha dilakukan. Dengan kata lain

daya adalah usaha yang dilakukan tiap satuan waktu

. Untuk

menghitung daya, bagilah usaha yang dilakukan dengan

waktu yang diperlukan untuk melakukan usaha.

Gambar 9.11

Usaha yang dilakukan anak ini

terhadap tas sama dengan nol,

walaupun tas ransel yang dibawanya

berpindah tempat. Hal ini disebabkan

arah gaya yang dikerahkan anak itu

terhadap benda tidak searah dengan

perpindahan benda.

usaha

waktu

daya =

Sumber: Dok. Penulis.

277

Bab 9

Energi dan Usaha

277

Penggunaan Matematika

Daya diukur dalam satuan watt, sesuai nama James Watt, yang

menemukan mesin uap. Satu watt (W) adalah satu joule per sekon.

Daya satu watt relatif kecil, kurang lebih sama dengan daya untuk

mengangkat segelas air dari lututmu ke mulutmu dalam waktu satu

sekon. Karena watt merupakan satuan yang kecil, untuk daya yang

lebih besar seringkali dinyatakan dalam kilowatt. Satu kilowatt (kW)

sama dengan 1000 watt.

Besar daya berbagai peralatan dituliskan dalam satuan watt. Besar

daya ini dapat digunakan untuk membandingkan cepatnya mesin

melakukan usaha. Jika besar usaha yang sama dilakukan dengan

kecepatan berbeda, diperlukan mesin dengan daya yang berbeda.

Pelajarilah contoh soal di bawah ini untuk melihat bagaimana usaha

dan daya berkaitan, kemudian kerjakan soal-soal latihannya.

Menghitung Daya

Soal Contoh:

Seorang pemain akrobat mengangkat rekannya, yang beratnya 450 N, setinggi 1,0 m

dalam waktu 3,0 sekon. Berapakah daya yang diperlukan?

Langkah-langkah Pemecahan Masalah:

1. Apa yang diketahui?

Gaya,

= 450 N

jarak,

= 1,0 m

waktu,

t =

3,0 s

2. Apa yang tidak diketahui?

daya,

3. Pilih persamaan

4. Penyelesaian:

Soal-soal Latihan:

1. Berapakah daya yang diperlukan seseorang yang beratnya 50 N untuk menaiki tangga

setinggi 3 m dalam waktu 5 sekon?

Bantuan Strategi:

watt adalah satuan turunan. Satuan-satuan apakah yang

menyusunnya?

2. Sebuah mesin pengeruk dengan daya 50 kW mengerjakan gaya 5000 N untuk

mendorong tanah sejauh 200 meter. Berapakah waktu yang diperlukan mesin itu?

Bantuan Strategi:

atur kembali persamaannya.

= 150 W

450 N x 1,0 m

3,0 s

278

IPA SMP

Kelas VIII

1. Bayangkan kamu berdiri di atas anak tangga dan kamu menjatuhkan

bola basket. Pantulan pertama adalah yang tertinggi. Masing-masing pantulan

sesudahnya akan semakin kecil hingga bola berhenti memantul. Jelaskan perubahan

energi yang terjadi, dimulai saat bola jatuh.

2. Peserta suatu lomba memenangkan hadiah dengan mendorong bola boling sejauh 20 m.

Usaha yang dilakukan sebesar 1470 J. Berapakah besar gaya yang dikerahkan orang itu?

3. Misalkan kamu mengangkat seember air yang beratnya 150 N setinggi 1,5 m dalam waktu

2 s. Berapakah daya yang kamu perlukan?

Berpikir Kritis:

Berbagai diskusi difokuskan terhadap kebutuhan tentang mengendarai

mobil yang lebih efisien dan menggunakan sedikit listrik. Jika hukum kekekalan energi

benar, mengapa orang menaruh perhatian terhadap penggunaan energi?

Intisari Sub Bab

Bina Keterampilan

Membandingkan dan Membedakan

Bandingkan dan bedakan usaha dalam arti sehari-hari dengan definisi ilmiah.

Beri contoh usaha dalam istilah sehari-hari yang bukan termasuk usaha menurut

arti ilmiah.

Tubuhmu menggunakan energi untuk menggerakkan

kamu memasuki kamar. Dari manakah asal energi ini? Dalam

Jurnal IPA-mu, tulislah sebuah paragraf yang memaparkan dari

manakah kebutuhan energimu ini. Runut balik perubahan-

perubahan energi tersebut sebanyak yang kamu bisa.

279

Bab 9

Energi dan Usaha

279

Apakah kamu menggunakan pesawat atau mesin hari

ini? Kamu mungkin mengetahui bahwa sepeda adalah

sebuah mesin. Peraut pensil dan pembuka botol juga mesin.

Jika kamu memutar pegangan pintu atau mencangkul tanah,

kamu telah menggunakan mesin.

Mesin

atau

pesawat

adalah peralatan yang memudahkan kerja/usaha.

Pesawat Sederhana

Sebagian pesawat dijalankan oleh motor listrik atau

motor bakar; sebagian lagi dijalankan oleh manusia.

Pesawat sederhana adalah peralatan yang melakukan

usaha dengan hanya satu gerakan.

Gambar 9.12

memperlihatkan contoh-contoh berbagai jenis pesawat

sederhana. Kamu akan belajar jenis-jenis pesawat ini lebih

banyak pada bagian berikutnya.

Gambar 9.12

Contoh-contoh pesawat sederhana

yang dapat dijumpai di berbagai

tempat.

saat olah raga

di dapur

pada pekerjaan bangunan

Sumber: McLaughin & Thomson, 1997

Sumber: Dok. Penulis.

Pesawat Sederhana

Kata-kata IPA

pesawat

pesawat sederhana

gaya kuasa

gaya beban

pesawat ideal

keuntungan mekanik

pengungkit

tumpuan

lengan kuasa

lengan beban

katrol

roda dan poros

bidang miring

sekrup

baji

280

IPA SMP

Kelas VIII

jarak kuasa

jarak beban

Terdapat dua jenis usaha saat pesawat digunakan: usaha

kepada

pesawat dan usaha

oleh

pesawat. Usaha kepada

pesawat disebut usaha masukan (

) dan usaha oleh

pesawat disebut usaha keluaran (

out

). Ingatlah kembali

bahwa usaha adalah perkalian antara gaya dengan jarak saat

gaya bekerja:

. Usaha masukan adalah perkalian

Keuntungan Pesawat Sederhana

Misalkan kamu ingin membuka kotak

kayu berpaku dengan pengumpil. Kamu

menyelipkan ujung pengumpil itu di

bawah papan kayu dan menekan ke bawah

pegangannya. Kamu melakukan usaha

terhadap pengumpil dan pengumpil

melakukan usaha terhadap papan kayu.

Pesawat memudahkan kerja/usaha dengan

mengubah besar gaya yang kamu kerahkan, arah

gaya, atau keduanya.

Gambar 9.13

memperlihatkan bagaimana pengumpil

mengubah besar dan arah gaya saat kamu

mencoba mengangkat papan.

Mengatasi Gravitasi dan

Gesekan

Ketika kamu menggunakan pesawat sederhana, kamu

mencoba menggerakkan sesuatu yang sulit digerakkan.

Sebagai contoh, ketika kamu menggunakan sepotong kayu

untuk menggerakkan sebongkah batu, kamu bekerja

melawan gravitasi, yakni berat batu. Ketika kamu

menggunakan pengumpil untuk membuka tutup kotak,

kamu bekerja melawan gaya gesek, yaitu gesekan antara

paku-paku di tutup kotak dan kotaknya.

Mengerahkan Gaya dan

Melakukan Usaha

Dua gaya dilibatkan saat sebuah pesawat digunakan

untuk melakukan usaha. Gaya yang dikenakan kepada

pesawat disebut

gaya kuasa (

)

. Gaya yang dikerahkan oleh

pesawat untuk mengatasi hambatan disebut

gaya beban (

Dalam contoh tutup kotak tadi, kamu mengerahkan gaya

kuasa pada pegangan pengumpil. Gaya beban berupa gaya

pengumpil terhadap tutup kotak.

Gambar 9.13

Pengumpil ini digunakan untuk

menggandakan gaya kuasa dan

membuka kotak. Tetapi gaya kuasa

harus bekerja pada jarak yang lebih

jauh daripada jarak beban.

Sumber: McLaughin & Thomson, 1997

281

Bab 9

Energi dan Usaha

281

antara gaya kuasa dengan jarak saat gaya bekerja:

. Usaha keluaran adalah hasil kali gaya beban dengan jarak

gerak beban:

out

Ingatlah bahwa usaha merupakan pemindahan energi

melalui gerak, sedangkan energi selalu kekal. Jadi, kamu

tidak akan pernah mendapatkan usaha keluaran dari

pesawat lebih besar dari usaha yang kamu berikan. Dengan

kata lain

out

tidak pernah lebih besar daripada

Kenyataannya, jika pesawat digunakan, sebagian energi

diubah menjadi panas karena gesekan. Jadi

out

selalu lebih

kecil daripada

Walaupun pesawat yang sempurna tidak pernah dapat

dibuat, kita dapat membayangkan pesawat tanpa gesekan.

Tidak ada energi yang diubah menjadi panas oleh pesawat

ini. Pada

pesawat ideal

, usaha masukan sama dengan usaha

keluaran. Untuk pesawat ideal

out

Dalam banyak kejadian, pesawat melipatgandakan gaya

beban:

lebih besar daripada

. Jadi, agar

sama dengan

out

, gaya kuasa harus bergerak lebih jauh daripada gaya

beban:

harus lebih besar daripada

Keuntungan Mekanik

Pikirkan lagi kegiatan membuka tutup kotak tadi.

Perpindahan pegangan pengumpil (

) lebih besar daripada

perpindahan ujung pengumpil (

b). Jadi, ujung pengumpil

mengerjakan gaya beban (

b) lebih besar daripada gaya

kuasa (

k) yang kamu kerahkan.

Bilangan yang menunjukkan berapa kali lipat pesawat

menggandakan gaya disebut

keuntungan mekanik (KM)

pesawat itu. Untuk menghitung keuntungan mekanik, kamu

bagi gaya beban dengan gaya kuasa.

KM =

gaya beban

gaya kuasa

282

IPA SMP

Kelas VIII

Beberapa pesawat tidak menggandakan gaya. Pesawat

itu hanya mengubah arah gaya kuasa. Sebagai contoh, bila

kamu menarik ke bawah tali kerekan sumur, maka timba

akan naik. Hanya arah gaya yang berubah; gaya kuasa dan

gaya beban sama, jadi keuntungan mekaniknya 1.

Pesawat-pesawat lain, seperti sekop, memiliki

keuntungan mekanik kurang dari 1. Pesawat itu digunakan

untuk mempercepat gerak beban. Kamu akan belajar lebih

lanjut tentang berbagai jenis pesawat sederhana pada bagian

berikutnya.

Kerjakan soal di bawah ini untuk mengetahui bagaimana

keuntungan mekanik dikaitkan dengan gaya kuasa dan gaya

beban. Selanjutnya, lakukan

Kegiatan 9.2

untuk menerapkan

pemahamnmu tentang pesawat sederhana.

Menghitung Keuntungan Mekanik

Soal Contoh:

Seorang pekerja mengerahkan gaya kuasa 20 N untuk mencongkel jendela yang memiliki

gaya hambat 500 N. Berapa keuntungan mekanik linggisnya?

Langkah-langkah Pemecahan Masalah

1. Apa yang diketahui?

Gaya beban,

= 500N

Gaya kuasa, F

= 20 N

2. Apa yang tidak diketahui?

Keuntungan mekanik, KM

3. Pilih persamaan

Penyelesaian:

Soal Latihan:

Carilah gaya kuasa yang diperlukan untuk mengangkat batu 2000 N, dengan menggunakan

tongkat yang keuntungan mekaniknya 10.

500 N

20 N

KM =

Penggunaan Matematika

Burung-burung terbang

dengan menggunakan

sayap-sayapnya bergerak

melalui udara. Tentukan

gaya kuasa dan gaya

beban pada “pesawat

sederhana” ini dengan

menggambarkannya dan

memberi tanda pada

gambarmu.

283

Bab 9

Energi dan Usaha

283

Masalah

Bagaimanakah kamu memanfaatkan pesawat

sederhana untuk membuat sebuah gedung

yang dapat dimasuki oleh pengendara kursi

roda?

Merumuskan Hipotesis

Curahkan ide-ide bersama kelompok-mu dan

buatlah sebuah hipotesis tentang bagaimana

kamu dapat menyelesaikan masalah di atas.

Tujuan

Mampu menerapkan pesawat sederhana

dalam perancangan pembangunan

gedung.

Mampu menjelaskan maksud penggunaan

tiap-tiap pesawat sederhana, termasuk

keuntungan mekaniknya.

Bahan yang Mungkin Diperlukan

kertas manila

penggaris

pensil

spidol

PERSIAPAN

Sumber: McLaughin & Thomson, 1997.

Merancang Sendiri Percobaanmu

Jalan Masuk untuk Setiap Orang

Jika kamu berada di kursi roda atau tidak mampu menaiki tangga, mampukah

kamu memasuki rumah atau sekolahmu dan berkeliling di dalamnya? Seharusnya

setiap bangunan dapat dimasuki oleh setiap orang, termasuk yang mengendarai

kursi roda. Dalam percobaan ini, kamu akan menggunakan pesawat sederhana

untuk merancang rumah, sekolah, atau kantor-kantor yang dapat dimasuki oleh

pengendara kursi roda.

284

IPA SMP

Kelas VIII

1. Buatlah kesepakatan tentang jenis gedung

yang hendak kalian rancang. Buatlah dia-

gram kasar gedung itu dengan pensil pada

kertasmu.

2. Hasilkan paling tidak tiga hal yang

membantu bangunanmu dapat dimasuki

dan mudah digunakan oleh pengendara

kursi roda. Dua diantaranya harus

menggunakan pesawat sederhana.

3. Lihatlah pesawat sederhana yang lebih

mendetil pada Subbab 2-2.

4. Dalam diagrammu, buatlah sketsa pula

bagaimana dan di mana tiga bantuan itu

digunakan.

Mengecek Rencana

1. Sebelum kamu menggambar final

rancanganmu, yakinlah bahwa

kelompokmu telah menyepakati

rancanganmu.

2. Mengapa bangunanmu menjadi sulit

dimasuki tanpa dilengkapi dengan bantuan

khusus itu? Pikirkan gedung yang tidak

dapat dimasuki pengendara kursi roda

sebagai kontrol.

3. Jelaskan bagaimana kamu dapat

memperoleh keuntungan mekanik terbesar

dari tiap pesawat sederhanamu. Sebagai

contoh, jika kamu menggunakan bidang

miring, apakah papan yang panjang atau

yang pendek, atau papan berundak lebih

efektif? mengapa?

Yakinlah bahwa gurumu menyetujui

rancanganmu dan kamu telah

menyertakan semua perubahan yang

disarankan beliau.

1. Gambarlah rancangan final sejelas-jelasnya pada

kertas manila.

2. Yakinlah kamu telah memberi label (tanda) pada hal yang

membantu pengendara kursi roda. Diskusikan apa guna

tiap pesawat sederhana pada rancanganmu. Siapkan

untuk mempresentasikan rancanganmu di muka kelas.

Analisis dan Penerapan

Komunikasikan

rancanganmu di kelas dan

analisislah

rancangan kelompok lain. Bantuan apa

yang sering digunakan?

Temukan

paling sedikit dua pesawat sederhana pada

kursi roda dan

diskusikan

dimana pesawat itu

ditemukan di kursi roda.

3. Rancanganmu adalah gedung baru yang dapat

dimasuki oleh pengendara kursi roda.

Simpulkan

apakah metodemu dapat digunakan pada gedung lama

sehingga pengendara kursi roda dapat memasukinya.

Selanjutnya

Lakukan pengamat-

an pada bangunan di

sekitarmu. Adakah

rintangan yang mem-

buat orang berkursi

roda tidak dapat

memasukinya? Hal-

hal apa yang

seharusnya kamu

amati? Kamu dapat

mengamati empat

kelompok bangunan:

rumah, sekolah,

bangunan swasta,

dan bangunan

pemerintah.

MERANCANG PERCOBAAN

MELAKUKAN PERCOBAAN

285

Bab 9

Energi dan Usaha

285

Jenis-jenis Pesawat

Sederhana

Pengungkit atau Tuas

Jika kamu pernah menaiki gerobak, membuka tutup

botol, atau mengayunkan raket, kamu telah menggunakan

pengungkit atau tuas.

Pengungkit

adalah batang yang dapat

berputar terhadap titik tetap. Titik tetap pada pengungkit

disebut

tumpuan

. Bagian pengungkit yang dikenai gaya

kuasa disebut

lengan kuasa

. Bagian pengungkit yang

mengerjakan gaya beban disebut

lengan beban

Misalkan kamu menggunakan pembuka ban untuk

membuka ban dari roda. Kamu dapat melihat dalam

Gambar 9.14,

peleg roda berfungsi sebagai tumpuan. Kamu

menekan lengan kuasa pembuka ban ke bawah. Pembuka

ban berputar terhadap tumpuan, dan lengan beban

mengerjakan gaya kepada ban, sehingga ban terangkat ke

atas.

gaya kuasa

(tangan)

lengan kuasa

lengan beban

gaya beban

(ban)

tumpuan

(peleg)

Gambar 9.14

Pembuka ban digunakan sebagai

pengungkit untuk melepas ban dari roda.

Apa yang berfungsi sebagai tumpuan?

Sumber: McLaughin & Thomson, (1997)

286

IPA SMP

Kelas VIII

Keuntungan Mekanik Pengungkit

Pengungkit memudahkan usaha dengan meng-

gandakan gaya kuasamu dan mengubah arah gayamu.

Kamu telah mempelajari bahwa keuntungan mekanik

pesawat dapat dihitung dengan membagi gaya beban

dengan gaya kuasa. Setelah melakukan kegiatan dalam

Lab

Mini 9.1,

kamu juga dapat menggunakan panjang lengan

pengungkit untuk menemukan

keuntungan mekanik

pengungkit.

Panjang lengan kuasa

adalah jarak dari

tumpuan sampai titik bekerjanya gaya kuasa.

Panjang

lengan beban

adalah jarak dari tumpuan sampai dengan

titik bekerjanya gaya beban. Sesuai dengan

Lab Mini 9.1

keuntungan mekanik pengungkit dapat pula dicari dengan

persamaan:

Keuntungan Mekanik Pengungkit

Soal Contoh :

Seorang anak menggunakan sebatang besi untuk mengangkat tutup lubang got yang

beratnya 65 N. Panjang lengan kuasa pengungkit itu 60 cm. Sedangkan panjang lengan

beban 10 cm. Berapakah keuntungan mekanik batang itu?

Langkah-langkah Pemecahan Masalah:

1. Apa yang diketahui?

Lengan kuasa,

= 60 cm

Lengan beban,

= 10 cm

2. Apa yang tidak diketahui? Keuntungan mekanik,

3. Pilih persamaannya.

4. Penyelesaian:

Soal-soal Latihan:

1. Kamu menggunakan bambu 140 cm sebagai pengungkit untuk mengangkat batu besar.

Batu itu 20 cm dari tumpuan. Berapakah

pengungkit itu?

2. Sebuah dayung perahu memiliki tangkai pegangan 50 cm dari tumpuan dan daun dayung

125 cm dari tumpuan. Berapakah keuntungan mekanik dayung itu?

panjang lengan kuasa

panjang lengan beban

KM =

Berlatihlah menghitung keuntungan mekanik

pengungkit dengan mengerjakan soal-soal berikut ini.

60 cm

10 cm

KM =

6,0

KM =

Lab Mini 9.1

Keuntungan mekanik

1. Dapatkan sebuah sistem

pengungkit dan neraca

pegas.

2. Pasanglah beban pada titik

beban dan berikan gaya

pada titik kuasa, sehingga

beban terangkat.

Ukurlah

gaya beban dan gaya kuasa.

Ukurlah

jarak lengan beban

dan lengan kuasa.

Analisis

Bagilah panjang lengan kuasa

dengan panjang lengan beban.

Bandingkan

hasilnya dengan

gaya beban dibagi gaya kuasa.

Penggunaan Matematika

287

Bab 9

Energi dan Usaha

287

Gaya

kuasa terletak di antara

gaya beban dan

tumpuan. Lengan kuasa

selalu lebih pendek

daripada lengan beban,

sehingga pengungkit ini

tidak dapat melipatkan

gaya dan keuntungan me-

kaniknya selalu kurang dari satu.

Pada gambar orang menyekop di samping, titik tumpuannya

adalah tangan kanan. Manakah titik beban dan titik kuasanya?

Gambar 9.15

Jenis pengungkit dibedakan atas

posisi gaya kuasa, gaya beban, dan

tumpuan. Peng-gunaannya juga

berbeda-beda.

Jenis-Jenis Pengungkit

Terdapat tiga jenis pengungkit. Jenis-jenis pengungkit

ini didasarkan pada posisi gaya kuasa, gaya beban, dan

tumpuan.

Gambar 9.15

memperlihatkan ketiga jenis

pengungkit itu.

Sumber: Dok. Penulis.

(a) Jenis Pertama:

Pengungkit ini, dengan

tumpuan terletak antara gaya kuasa dan

gaya beban, biasanya digunakan untuk

melipatkan gaya. Jika gaya kuasa

dikenakan pada lengan yang lebih pendek

pada pengungkit, pengungkit itu dapat juga

digunakan untuk melipatkan jarak.

Sumber: McLaughin & Thomson, 1997.

(b) Jenis Kedua:

Beban terletak antara

gaya kuasa dan tumpuan. Pengungkit ini

selalu melipatkan gaya.

288

IPA SMP

Kelas VIII

Menarik dengan Katrol

Pernahkah kamu melihat seseorang menaikkan

bendera pada tiang bendera? Sebuah katrol digunakan

untuk menempatkan bendera di puncak tiang.

Katrol

adalah roda beralur dengan sebuah tali atau rantai

yang lewat pada alur itu. Katrol memudahkan kita

melakukan kerja, seperti yang kamu pahami jika

melakukan kegiatan dalam

Lab Mini 9.2.

Penempatan Katrol

Katrol dapat tetap atau bebas.

Katrol tetap

dilekatkan pada sesuatu yang tidak bergerak, misalnya

atap, dinding, atau pohon. Katrol tetap, seperti yang

digunakan orang pada puncak tiang bendera, dapat

mengubah arah gaya kuasa. Ketika kamu menarik ke

bawah pada lengan kuasanya dengan tali, katrol itu

menaikkan benda yang dihubungkan dengan lengan

beban. Keuntungan mekanik katrol tetap sama dengan

1. Jadi, katrol tetap tunggal tidak menggandakan gaya

kuasa.

Katrol bebas

dikaitkan pada beban yang hendak

diangkat, diperlihatkan

Gambar 9.16.

Perbedaan

antara katrol tetap dan katrol bebas ditunjukkan pada

Gambar 9.17

. Tidak seperti katrol tetap, katrol bebas

melipatkan gaya. Oleh karena itu keuntungan

mekaniknya lebih besar daripada 1. Pada

kenyataannya,

keuntungan mekanik

katrol bebas tunggal sama

dengan 2. Ini berarti gaya

kuasa 1 N akan me-

ngangkat beban 2 N.

Sesuai dengan hukum

kekekalan energi, jarak

kuasa-nya harus dua kali

lebih besar dari jarak

beban.

Gambar 9.16

Pekerja konstruksi katrol untuk

memperlancar pekerjaannya,

bahkan untuk keselamatannya.

Sumber: Dok. Penulis.

Bagaimanakah Katrol Memudah-

kan Kerja?

Prosedur

1. Ikatlah salah satu ujung tali pada

tongkat. Belitkan ujung lain meliliti

pipa lain (lihat Gambar A).

2. Lakukan oleh 3 orang. Dua orang

menahan kuat-kuat tongkat

mendatar di tangannya, kedua

tongkat terpisah sekitar 30 cm.

Orang ketiga memegang ujung

tali dan berusaha menarik kedua

tongkat sehingga mendekat.

3. Belitkan lagi tali itu ke tongkat

pertama (B). Apa yang terjadi

sekarang jika orang ke tiga

berusaha menarik kedua tongkat

sehingga mendekat?

4. Belitkan tali itu satu atau dua

lilitan lagi melalui kedua tongkat

Analisis

1. Bagaimanakah kesamaan

kegiatan ini dengan sistem

katrol? Bagaimana meningkatkan

keuntungan mekanik pada katrol

tongkat ini?

2. Apakah pesawat ini melipatkan

energi orang yang menarik?

Jelaskan, mengapa ya atau

mengapa tidak!

Lab Mini 9.2

289

Bab 9

Energi dan Usaha

289

Katrol Gabungan

Katrol tetap dan bebas dapat digabungkan untuk

membuat sistem katrol yang disebut

katrol gabungan

Bergantung pada jumlah katrol yang digunakan, katrol

gabungan dapat memiliki keuntungan mekanik yang besar.

Keuntungan mekanik katrol gabungan sama dengan jumlah

tali yang menyokong berat beban. Seperti ditunjukkan

Gambar 9.17

, ada 4 tali menyokong berat beban.

Katrol, Sebuah Pengungkit

Perhatikan

Gambar 9.18.

Bekerjanya katrol mirip dengan

pengungkit jenis pertama, namun menggunakan tali sebagai

batang. Sumbu katrol berfungsi seperti tumpuan. Dua sisi

katrol berlaku sebagai lengan kuasa dan lengan beban.

Roda dan Poros

Perhatikan baik-baik peraut pensil pada

Gambar 9.19.

Dapatkah kamu mengenalinya sebagai pesawat sederhana?

Apakah peraut itu mempermudah usaha kita? Peraut pensil

itu terdiri dari dua lingkaran,

roda

(lingkaran besar) dan

poros

(lingkaran kecil). Engkol

(Gambar A)

sebenarnya

berupa roda.

Gambar 9.17

Keuntungan mekanik pada tiap sistem

katrol dapat ditemukan dengan

menghitung tali yang menarik gaya

beban ke atas, ditunjukkan oleh anak

panah.

Gambar 9.18

Bekerjanya katrol mirip dengan

pengungkit jenis pertama.

= 1

Katrol Tetap Tunggal

= 2

Katrol Bebas Tunggal

= 4

Katrol Gabungan

gaya kuasa

gaya beban

lengan

beban

lengan

kuasa

tumpuan

Sumber: McLaughin & Thomson, 1997)

290

IPA SMP

Kelas VIII

Jika kamu meraut pensil, kamu mengerahkan gaya

kuasa kepada roda (kamu memutar engkol).

Gambar B

memperlihatkan roda yang lebih kecil, atau poros. Di dalam

peraut pensil, poros dihubungkan dengan pisau peraut. Jika

kamu mengerjakan gaya kepada roda dengan memutar

engkol, poros akan berputar, dan pisau peraut akan meraut

pensil.

Roda dan Poros

adalah pesawat sederhana yang

mengandung dua roda dengan ukuran berbeda yang

berputar bersamaan. Gaya kuasa biasanya dikerahkan

kepada roda yang besar, atau

roda

. Roda yang lebih kecil,

yang disebut

poros

, mengerjakan gaya beban. Dapatkah

kamu menemukan roda dan poros pada

Gambar 9.20

Gambar 9.19

Peraut pensil adalah contoh roda dan

poros. Engkolnya sebagai roda.

Dapatkah

kamu melihat porosnya?

Gambar 9.20

Dapatkah kamu menemukan roda

dan poros pada obeng dan pedal

sepeda ini?

roda

poros

Sumber: http://www.babaflash.com.

Sumber: McLaughin & Thomson, 1997)

Sumber: McLaughin & Thomson, 1997.

291

Bab 9

Energi dan Usaha

291

Bidang Miring

Misalkan kamu harus

memindahkan kotak yang berat

dari halaman ke beranda. Apakah

kamu memilih langsung me-

ngangkatnya ataukah mendo-

rongnya melalui jalur melandai

seperti

Gambar 9.21

? Jalur itu

membuat kerjamu lebih mudah.

Jalur itu adalah sebuah sebuah

bidang miring, sebuah per-

mukaan melandai yang di-

gunakan untuk menaikkan benda.

Besar usaha yang dilakukan pada kotak sama dengan

bila kamu mengangkat langsung kotak itu. Namun ingatlah

bahwa usaha memiliki dua hal: gaya dan jarak. Jika kamu

mengangkat langsung, jaraknya pendek, tetapi gayanya

besar. Dengan menggunakan bidang miring, kamu harus

melewati jarak lebih jauh, tetapi kamu mengerahkan sedikit

gaya.

Sesuai dengan

Lab Mini 9.3

, Kamu dapat menghitung

keuntungan mekanik bidang miring dengan cara

Gambar 9.21

Papan miring ini adalah contoh sebuah

bidang miring.

Gambar 9.22

Keuntungan mekanik bidang

miring dapat dihitung dengan

membagi jarak landaian

dengan ketinggiannya.

Sumber: Dok. Penulis.

panjang bidang miring

ketinggian

jarak kuasa

jarak beban

KM =

= =

panjang bidang miring

ketinggian

Sumber: Dok. Penulis.

Keuntungan mekanik

1. Dapatkan sebuah bidang

miring dan neraca pegas.

2. Kaitkan beban pada neraca

pegas, lalu angkatlah beban

tersebut secara langsung.

Catat penunjukan skala pada

neraca pegas.

3. Ulangi langkah 2, namum

dengan cara menarik beban

melalui bidang miring.

Ukurlah

panjang bidang mir-

ing dan ketinggian bidang

miring.

Analisis

Bagilah panjnag bidang miring

dan ketinggian bidang miring.

Bandingkan

hasilnya dengan

gaya beban dibagi gaya kuasa.

Lab Mini 9.3

292

IPA SMP

Kelas VIII

Sekrup

Sekrup dan baji,

Gambar 9.23

, adalah contoh

bidang miring yang bergerak. Sekrup adalah

bidang miring yang diputarkan pada tabung

secara spiral. Jika kamu mengamati sebuah

sekrup, kamu akan lihat uliran berupa bidang

miring yang bergerak dari ujung sekrup hingga

dekat puncaknya. Saat kamu memutar sekrup,

uliran seolah-olah menarik sekrup ke dalam

kayu. Sebenarnya, bidang miring pada sekrup itu

bergeser melalui kayu.

Baji

Baji adalah bidang miring dengan satu atau dua sisi

miring. Kapak, pisau, dan pahat adalah contoh-contohnya.

Baji merupakan bidang miring yang bergerak. Benda-benda

diam di suatu tempat saat baji melaluinya.

Mungkin kamu telah memahami bahwa enam jenis

pesawat sederhana yang telah kita bahas merupakan variasi

dari dua pesawat sederhana saja, yakni pengungkit dan

bidang miring. Saat kamu melakukan kegiatan sehari-hari,

carilah contoh-contoh tiap pesawat sederhana. Dapatkah

kamu menceritakan bagaimana pesawat itu mempermudah

usaha?

Aturlah informasi tentang jenis-jenis pesawat sederhana ke dalam sebuah tabel.

Tabel itu mencakup: jenis pesawat sederhana, contohnya, serta penjelasan singkat

bagaimana bekerjanya pesawat itu. Kamu dapat memasukkan informasi lain jika

kamu anggap perlu.

Gambar 9.23

Sekrup berulir dan pisau

merupakan bidang miring

yang khusus.

1. Berilah satu contoh untuk tiap-tiap jenis pesawat sederhana.

Carilah contoh-contoh yang berbeda dengan yang di buku ini.

2. Jelaskan mengapa berbagai pesawat sederhana sesungguhnya hanya variasi dari

dua pesawat sederhana.

Berpikir Kritis:

Kapankah gesekan pada bidang miring menjadi sangat berguna?

Sumber: http://www.taunton.com.

Sumber: http://www.bartleby.com.

Intisari Subbab

Bina Keterampilan

Membuat dan Menggunakan Tabel

293

Bab 9

Energi dan Usaha

293

A. Energi

1. Energi merupakan sebuah kemampuan untuk menimbulkan perubahan. Energi dapat

berbentuk gerak (energi kinetik) atau dapat disimpan (energi potensial).

2. Energi berada dalam berbagai bentuk, dan dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk

lain tanpa kehilangan energi total.

3. Kerja adalah pemindahan energi melalui gerak. Kerja terjadi jika gaya menghasilkan

gerakan sesuai arah gaya tersebut.

B. Pesawat sederhana

1. Pesawat dapat memudahkan kerja dengan mengubah besar gaya yang dikenakan

padanya, arah gaya itu, atau kedua-duanya.

2. Berapa kali pesawat melipatkan gaya yang dikerjakan padanya merupakan

keuntungan mekanik pesawat itu. Jenis pesawat sederhan antara lain pengungkit,

katrol, roda dan poros, bidang miring, baji, dan sekrup.

3. Masing-masing pesawat sederhana memiliki persamaan khusus untuk menghitung

keuntungan mekanik-nya. Tiap persamaan berkaitan dengan jarak lengan kuasa dibagi

dengan jarak lengan beban.

Pasangkan Kata-kata Kunci IPA berikut (tidak

semua kata kunci digunakan) dengan pernyataan

di bawahnya.

a. energi

b. energi potensial

c. energi kinetik

d. hukum kekekalan energi

e. energi mekanik

usaha

g. energi air terjun

h. gas alam

1. kemampuan untuk menimbulkan

perubahan

2. energi gerak

3. Pada kondisi normal, energi tidak dapat

diciptakan atau dimusnahkan

4. perpindahan energi melalui gerakan

5. energi yang tersimpan

6. energi kinetik dan potensial total suatu

bahan

7. termasuk sumber energi yang tidak

dapat diperbarui

Evaluasi

Rangkuman

Reviu Perbendaharaan Kata

ENERGI

294

IPA SMP

Kelas VIII

Pilihlah kata atau frase yang dapat melengkapi

kalimat atau menjawab pertanyaan berikut.

1. Satuan energi dalam sistem SI adalah

a. kilogram

b. newton

c. joule

d. kelvin

2. Jika kecepatan suatu benda meningkat, ...

benda juga meningkat.

a. energi kinetik

c. suhu

b. massa

d. energi potensial

3. Manakah yang tidak menyatakan kerja

yang dilakukan terhadap batu?

a. mengangkat batu

b. menggenggam batu

c. melemparkan batu

d. menjatuhkan batu

4. Banyaknya energi kinetik dan potensial

dalam sistem tertutup disebut ....

a. kalor jenis

b. energi tersimpan

c. energi mekanik

d. massa

5. Energi kinetik berbanding lurus dengan

....

a. volume

b. massa

c. gaya

d. posisi

6. Energi apakah yang bergantung pada

letak suatu benda?

a. Energi kinetik

b. Energi potensial

c. Energi panas

d. Suhu

7. Bensin, solar, dan gas alam me-nyimpan

energi ....

a. panas

b. kimia

c. mekanik

d. potensial gravitasi

8. Pita karet yang teregang memiliki energi

....

a. potensial

b. kinetik

c. panas

d. kimia

9. Energi gerak adalah energi ....

a. potensial

b. kinetik

c. panas

d. kimia

10. Besar energi potensial gravitasi

bergantung pada ....

a. kelajuan dan berat benda

b. waktu dan berat

c. percepatan dan waktu

d. berat dan ketinggian

Pengecekan Konsep

Pemahaman Konsep

Jawablah pertanyaan berikut dalam buku IPA-mu

dengan kalimat yang lengkap.

11. Jelaskan dua ciri energi potensial.

Bagaimanakah energi ini berbeda

dengan energi kinetik?

12 Jelaskan perubahan energi pada bandul

ayunan. Jelaskan bagaimana energi ini

kekal, walaupun ayunan bergerak makin

pelan.

Berpikir Kritis

13. Sitorus melompat setinggi 0,8 m.

Berapakah kerja yang dilakukan Sitorus,

bila beratnya 600 N?

14. Seorang pemain kasti berlari sambil

membawa bola, dan kemudian

melemparkannya ke temannya. Jelaskan

kerja yang dilakukannya terhadap bola

itu.

15. Seekor beruang di kebun binatang tidur

di kandangnya. Seorang pengunjung

berkomentar, ”Lihat beruang tolol itu. Ia

tak punya energi sedikitpun”. Setujukah

kamu? Jelaskan jawabanmu.

295

Bab 9

Energi dan Usaha

295

Membuat Grafik:

Pilihlah kegiatan

permainan atau kendaraan di pasar malam

yang dapat kamu nikmati. Buatlah grafik

perubahan energi kinetik dan energi

potensial selama kegiatanmu. Tempatkan

waktu

pada sumbu mendatar.

1. peralatan yang meneruskan kerja

dengan satu kali gerakan

2. gaya yang dikerahkan oleh pesawat

3. sebuah batang yang berputar terhadap

titik tetap

4. gaya beban dibagi dengan gaya kuasa

5. titik tetap sebuah pengungkit

6. bidang miring yang mengelilingi

silinder

7. Dua roda berbeda ukuran yang berputar

bersama

8. bidang miring yang bergerak melalui

sebuah benda

Pasangkan Kata-kata Kunci IPA berikut (tidak

semua kata kunci digunakan) dengan pernyataan

di bawahnya.

a. lengan kuasa

b. gaya kuasa

c. tumpuan

d. bidang miring

e. pengungkit

pesawat

g. keuntungan mekanik

h. lengan beban

gaya beban

sekrup

k. pesawat sederhana

baji

m. roda dan poros

Pilihlah kata atau frase yang melengkapi kalimat

atau menjawab pertanyaan.

1. Manakah yang tidak dilakukan pesawat?

a. melipatkan gaya

b. melipatkan energi

c. mengubah arah gaya

d. melakukan kerja

2. Pada pesawat ideal, kerja masukan ...

kerja keluaran.

a. sama dengan

b. lebih besar

c. lebih kecil

d. tidak bergantung

3. Berapa kali pesawat melipatkan gaya

merupakan ... pesawat itu.

a. efisiensi

b. daya

c. keuntungan mekanik

d. beban

4. Untuk menaikkan beban 4 m, tali kuasa

pada katrol tetap tunggal harus bergerak

....

a. 1 m

b. 2 m

c. 4 m

d. 8 m

5. Keuntungan mekanik katrol kombinasi

yang memiliki lima tali yang menahan

beban adalah ....

a. 2,5

b. 5

c. 10

d. 25

6. Pada roda dan poros, gaya beban biasanya

dikerjakan oleh ....

a. poros

b. roda yang lebih besar

c. pedal

d. engkol

Pengembangan Keterampilan

PESAWAT SEDERHANA

Reviu Perbendaharaan Kata

Pengecekan Konsep

296

IPA SMP

Kelas VIII

7. Keuntungan mekanik bidang miring yang

panjangnya 8 m dan tingginya 2 m adalah

....

a. 2

b. 4

c. 8

d. 16

8. Keuntungan mekanik bidang miring

dapat ditingkatkan dengan ....

a. menambah panjangnya

b. menambah tingginya

c. mengurangi panjangnya

d. mengganti bebannya

9. Dua gaya yang terlibat dalam penggunaan

pesawat adalah ....

a. kuasa dan tumpuan

b. gesekan dan tumpuan

c. kuasa dan beban

d. kuasa dan tumpuan

10.Pengungkit yang titik beban terletak di

antara titik tumpu dan titik kuasa

misalnya terdapat pada pada ....

a. jungkitan

b. sekop

c. pintu berengsel

d. pengumpil

membuat kerjamu paling mudah?

Mengapa?

15. Apa perbedaan antara sekrup yang

ulirnya rapat dan sekrup yang ulirannya

agak jarang?

16. Seorang pembalap mengerahkan gaya

250 N ke pedal sepedanya. Jika roda

sepeda itu memberikan gaya 200 N pada

permukaan jalan, berapakah keuntungan

mekanik sepeda itu?

Pemahaman Konsep

11. Jelaskan dan beri contohnya tiga cara

yang dilakukan pesawat sederhana

sehingga mempermudah kerja.

12. Bedakan katrol tetap tunggal dan katrol

bebas tunggal, dan jelaskan keuntungan

penggunaan masing-masing katrol.

13. Jelaskan mengapa mempertajam pisau

mengubah keuntungan mekaniknya.

14. Kamu ditugasi untuk memindahkan

kotak yang cukup berat ke rak 1 m di atas

lantai. Ada tiga papan yang dapat

kamu gunakan. Papan pertama

panjangnya 2 m, papan kedua 2,5 m , dan

papan ketiga 3 m. Papan manakah yang

Berpikir Kritis

17. Seorang anak dan bapaknya menaiki

jungkitan. Ketika tumpuan berada di

tengah-tengahnya, anak itu tidak dapat

mengangkat bapaknya. Ke manakah

tumpuan digerakkan agar keduanya

dapat berjungkat-jungkit? Jelaskan.

18. Kamu memiliki dua buah obeng. Obeng

pertama panjang dengan pegangan kecil,

sedangkan yang kedua pendek dengan

pegangan besar. Obeng manakah yang

kamu pilih untuk memasukkan sekrup

ke dalam papan? jelaskan alasanmu.

19. Dengan menggunakan papan yang

panjangnya 4 m, pekerja mengerahkan

gaya 1250 N untuk memindahkan kotak

ke langit-langit yang tingginya 2 m.

Berapakah berat kotak itu?

20. Kamu sedang menolong seseorang yang

mengganti ban mobilnya. Dengan

menggunakan dongkrak seperti gambar

di bawah ini, kamu dapat mengangkat

bagian belakang mobil hanya dengan

satu tangan. Apakah dongkrak itu

melipatkan gaya ataukah jarak?

Bagaimanakah panjang lengan dongkrak

mempengaruhi penggunaannya?

297

Bab 9

Energi dan Usaha

297

24.

Pengukuran dalam SI:

Satuan daya

dalam SI adalah watt, merupakan satuan

turunan. Dengan menggunakan definisi

daya,

runutlah rumus untuk menghitung

daya dan carilah satuan dasar daya dalam

sistem SI (dalam m, kg, dan s).

25.

Penemuan:

Buatlah gambar rancangan

pesawat sederhana untuk membantu or-

ang cacat. Paparkan pesawat sederhana

yang kamu manfaatkan, dan ceritakan

apa yang dikerjakan pesawat tersebut.

21.

Mengurutkan:

Buatlah daftar untuk

menunjukkan bagaimana beberapa

peawat sederhana pada sepeda bekerja

sehingga sepeda bergerak. Mulailah

dengan kaki mengerahkan gaya pada

pedal sepeda.

22.

Membuat dan Menggunakan Grafik:

Pengungkit ideal memiliki panjang

lengan kuasa 40 cm. Hitunglah gaya

kuasa yang diperlukan untuk

mengangkat benda 10 N dengan panjang

lengan beban: 80 cm, 40 cm, 20 cm, dan

10 cm. Buatlah diagram garis yang

mengkaitkan

panjang lengan beban

terhadap

gaya kuasa

. Jelaskan hubungan

antara dua besaran ini.

23.

Menginterpretasikan Ilustrasi Ilmiah:

Pelajarilah diagram gambar galah pada

gambar di bawah ini dan jawablah

pertanyaan berikut.

a. Jenis pesawat apakah yang

ditunjukkan oleh diagram itu?

b. Menyatakan apakah panah yang

panjang itu?

c. Menyatakan apakah titik A?

d. Menunjukkan apakah jarak AC? jarak

AB?

e. Berapakah

pesawat itu?

f. Bagaimanakah pesawat ini

memudahkan kerja?

Pengembangan Keterampilan

Penilaian Kinerja

pesawat

sederhana

jenis bidang

miring

misalnya

dapat berupa

26.

Peta Konsep:

lengkapilah peta konsep

pesawat sederhana berikut ini dengan

menggunakan istilah-istilah:

bidang mir-

ing, pengungkit, jenis-jenis pengungkit, katrol,

sekrup, baji,

dan

roda berporos.