Aplikasi Usaha dan Energi dalam Kehidupan Sehari-hari Berserta Contoh soal dan Pembahasan

By a Guy Who Teaches Physics for Fun
Pada artikel ini kita akan membahas beberapa aktivitas yang sebenarnya dapat kita analisis dengan konsep usaha dan energi. Silakan lanjut membaca untuk melihat 3 aplikasi usaha dan energi pada aktivitas sehari-hari.
Share on whatsapp
Share on facebook
Share on twitter
Share on telegram
Bagikan ke Teman Anda

Bungee Jumping

Salah satu aktivitas yang merupakan aplikasi dari konsep usaha dan energi adalah bungee jumping. Bungee jumping sendiri memanfaatkan energi potensial gravitasi dan energi potensial pegas.
Di bawah ini adalah contoh permasalahan di mana kita akan menggunakan konsep usaha dan energi untuk menganalisis pergerakan yang Bungee Jumper alami.
Anda dapat menggeser gambar di atas.
Perhatikan gambar di atas. Onggy berada pada ketinggian 55 meter dan akan meloncat ke bawah. Onggy terikat dengan tali elastis yang bersifat layaknya pegas dengan konstanta 110 N/m dan memilik panjang awal 10 meter. Pada ketinggian dari permukaan berapa pegas mampu menghentikan gerak jatuh Onggy (v=0 m/s)?

Penyelesaian:

Pada kasus ini kita akan mencari ketinggian di mana onggy akhirnya mencapai kecepatan v=0 m/s. Ini berarti seluruh perubahan energi potensial Onggy akan menjadi energi potensial pegas.
Pada gambar kita mengetahui bahwa bahwa L+x+h_2=55 \;\text{meter} dan h_1-h_2=x+10. Selanjutnya kita masukkan operasikan rumus.
\begin{aligned} -\Delta Ep=&E_{p(pegas)}\\ -mg\Delta h=&\frac{1}{2}kx^2\\ -(65)(9,8)(h_2-h_1)=&\frac{1}{2}(110)x^2\\ (65)(9,8)(x+10)=&\frac{1}{2}(110)x^2\\ 637x + 6370=&55x^2 \end{aligned}
Kita pecahkan persamaan kuadrat dan mendapatkan x_1=18 dan x_2=-6,43. Ini berarti pegas memanjang sejauh 18 meter ke bawah atau 6,43 meter ke atas. Peristiwa yang terjadi adalah pegas memanjang ke bawah sepanjang 18 meter sehingga kita dapat menemukan tinggi h_2 sebagai berikut.
\begin{aligned} L+x+h_2=&55\\ 10+18+h_2=&55\\ h_2=&27\; \text{meter} \end{aligned}
Demikian kita dapatkan Onggy berhenti jatuh pada ketinggian 27 meter di atas permukaan air.

Runaway Truck Ramp

Aplikasi usaha dan energi Tanjakkan darurat untuk truk yang rem blong
Aplikasi usaha dan energi berikutnya adalah tanjakkan darurat yang truk dapat gunakan ketika mengalami rem rusak. Fasilitas ini disebut sebagai “Runaway Truck Ramp“.
*Klik teks biru untuk melihat video di youtube.
Sebuah truk bermuatan berat memiliki massa 15 ton. Truk tersebut mengalami rem blong dan akan menggunakan tanjakan darurat untuk menghentikan gerak truk tersebut. Truk menanjak dan kemudian berhenti pada ketinggian 14,73 meter. Tentukan kecepatan awal truk tepat sebelum menanjak(gaya gesek diabaikan).

Penyelesaian:

Kita dapat gunakan rumus konservasi energi mekanik untuk menyelesaikan permasalahan ini. Pengoperasian matematisnya adalah sebagai berikut.
\begin{aligned} mgh_1 + \frac{1}{2}m{v_1}^2=&mgh_2+\frac{1}{2}m{v_2}^2\\ mg(0)+\frac{1}{2}(15000){v_1}^2=&(15000)(9,81)(14,73)+\frac{1}{2}m{0}^2\\ {v_1}^2=&(9,81)(14,73)(2)\\ {v_1}\approx&17 \text{m/s} \end{aligned}
Demikian kita dapatkan kecepatan awal truk adalah sekitar 17 m\s atau 61 km/jam. Tanjakkan darurat mengubah energi kinetik truk(2 juta joule) menjadi energi potensial secara aman. Tanpa tanjakkan tersebut energi sebesar 2 juta joule tersebut akan menghancurkan mobil-mobil di jalan berserta infrastruktur sipil.
Di dunia nyata, permukaan tanjakkan darurat biasanya adalah tanah atau pasir guna memanfaatkan gaya gesek agar truk dapat terhenti lebih cepat. Terdapat pula penggunaan kolam pasir sebagai alternatif yang truk dapat gunakan dalam keadaan darurat.

Kalori pada makanan

Kalori nasi yang sudah dimasak 100gram setara 130 kcal
Ternyata aplikasi usaha dan energi juga ada pada nasi yang Anda makan. Energi dalam makanan yang berupa kalori digunakan oleh tubuh Anda untuk beraktivitas dalam kehidupan.
Otak Anda memiliki daya sebesar 22 Watt ketika beraktivitas normal. Ketika Anda mengerjakan ulangan fisika yang sangat susah daya otak Anda meningkat menjadi 30 Watt. Jika Anda mengerjakan ulangan fisika selama 90 menit, berapa banyak nasi(gram) yang otak Anda perlukan? 10 gram nasi memiliki 13 kcal atau 54392 Joule. Jika energi yang Anda habiskan untuk ulangan Anda gunakan untuk mendaki gunung, perkirakan ketinggian yang Anda dapat capai(anggap massa tubuh Anda 60 kg).

Penyelesaian:

Pertama mari kita hitung dulu energi yang Anda habiskan untuk mengerjakan ulangan fisika.
\begin{aligned} W=&Pt\\ =&(30)(90)(60)\\ =&162000\;\text{Joule} \end{aligned}
Selanjutnya kita dapat hitung banyak nasi yang Anda butuhkan.
\begin{aligned} \text{nasi}=&162000\;\text{Joule}\;\frac{10\;\text{gram}}{54392\; \text{Joule}}\\ \approx&\;30 \;\text{gram} \end{aligned}
Jadi otak Anda memerlukan sebanyak 30 gram dari nasi yang Anda makan. Selanjutnya kita menghitung ketinggian yang Anda capai jika energi tersebut Anda gunakan untuk mendaki sebagai berikut.
\begin{aligned} \text{Energi Ulangan}=&\Delta Ep\\ 162000=&mgh\\ h=&\frac{162000}{(9,81)(60)}\\ =&275\; \text{meter} \end{aligned}
Demikian kita dapatkan ketinggian 275 meter.
Perlu kita tahu bahwa ketika Anda mengerjakan ujian Anda juga menghabiskan energi untuk menjaga suhu tubuh Anda, mengerakkan pensil, membaca, dan lain-lain sehingga sebenarnya Anda menghabiskan lebih banyak energi. Begitu juga dengan menanjak gunung, Anda memerlukan banyak energi untuk mempertahankan suhu tubuh Anda dari hawa dingin pegunungan sehingga usaha yang Anda lakukan ketika mendaki gunung sebenarnya lebih dari sekedar \Delta Ep
Share on whatsapp
Share on facebook
Share on twitter
Share on telegram
Bagikan ke Teman Anda
Pos Terkait

Tinggalkan Balasan