Soal dan Pembahasan Usaha dan Energi Kelas X SMA

By a Guy Who Teaches Physics for Fun
Top page

10 Soal Usaha dan Energi Fisika Kelas X SMA Berserta Penyelesaiannya.

Kami memberikan 10 contoh soal dan pembahasan usaha dan energi yang dapat Anda gunakan untuk latihan sebelum ujian. Silakan simak dan pelajari.

• Soal Usaha pada Bidang Datar

Soal dan Pembahasan Usaha Pada Bidang Datar
Perhatikan gambar. Joseph sedang bermain selancar sambil memegang tali yang terhubung dengan speedboat. Tali tersebut memberikan gaya 40 N dan membentuk sudut sebesar 35^o dan joseph bergerak lurus searah dengan speedboat. Joseph bergerak sejauh 25 meter. Hitunglah usaha yang Joseph alami.
Penyelesaian:
Kasus di atas merupakan kasus usaha pada bidang datar. Kita dapat menyelesaikan permasalahan ini dengan cara sebagai berikut.
\begin{aligned} W=&F cos(\theta)s\\ =&40 \;cos(35^o)\; 25\\ =&707,1 \; \text{Joule} \end{aligned}

• Soal Energi Potensial Gravitasi

Soal dan Pembahasan energi potensial
Sebuah derek jangkung menghabiskan 58860 Joule energi untuk mengangkat sebuah blok bangunan bermassa 300 kg dari dataran( h_o=0). Berapakah ketinggian blok bangunan tersebut.
Penyelesaian:
Gunakan rumus energi potensial gravitasi untuk mendapatkan ketinggian blok sebagai berikut.
\begin{aligned} E_p=&mgh\\ 58860=&(300)(9,81)h\\ h=&\frac{58860}{(300)(9,81)}\\ h=&20 \; \text{m} \end{aligned}

• Soal Energi Kinetik

Kereta bermassa 400 ton memiliki energi kinetik sebesar 8 \times 10^7 Joule. Tentukan kecepatan kereta tersebut.
Penyelesaian:
Kita langsung gunakan rumus energi kinetik sebagai berikut.
\begin{aligned}E_k=&\frac{1}{2}mv^2\\ 8\times 10^7=&\frac{1}{2}(4\times 10^5)v^2\\ v^2=&400\\ v=&20 \; \text{m/s} \end{aligned}

• Soal Grafik Usaha

Soal dan pembahasan grafik usaha
Sebuah benda awalnya diam bermassa 15kg bergerak sebagaimana grafik di atas. Tentukan kecepatan benda tersebut pada posisi x=\;8 meter.
Penyelesaian:
Grafik di atas merupakan grafik usaha. Kita dapat menghitung luasan di bawah grafik untuk mendapatkan total usaha.
\begin{aligned} W=&\;\text{Luas di bawah grafik}\\ W=&(2\times 10)+(3\times 4)+(\frac{3\times 6}{2})+(3\times 4)\\ W=&53 \; \text{Joule} \end{aligned}
Selanjutnya kita gunakan rumus hubungan usaha dan energi.
\begin{aligned} W=&\Delta E_k\\ 53=&\frac{1}{2}mv^2\\ 53=&\frac{1}{2}(15)v^2\\ v^2=&\frac{106}{15}\\ v=&2,65\; \text{m/s} \end{aligned}

• Soal Usaha Oleh Gaya Konservatif

Soal dan Pembahasan hubungan usaha dan energi
Perhatikan gambar di atas. Sebuah benda pada ketinggian 12 meter akan menuruni sebuah lembah. Berapakah kecepatan benda ketika sampai di dataran( h=0 meter)(tidak gaya gesek)
Penyelesaian:
Benda gerak akibat gaya konservatif(gaya gravitasi) tanpa ada gaya non konservatif. Kita dapat menggunakan rumus usaha oleh gaya konservatif untuk menyelesaikan permasalahan ini.
\begin{aligned} W=-\Delta E_p=&\Delta E_k\\ mg(h_1-h_2)=&\frac{1}{2}mv^2\\ g(h_1-h_2)=&\frac{1}{2}v^2\\ 9,81(12-0)2=&v^2\\ v=&15,34\;\text{m} \end{aligned}

• Soal Usaha Pada Bidang Miring Berlaku Gaya Non Konservatif

Soal dan Pembahasan usaha ketika gaya non konservatif berlaku
Sebuah benda bermassa 2kg dengan kecepatan 20 m/s tepat akan menanjak sebuah bidang miring yang memiliki sudut 30^o. Bidang miring memiliki koefisien gesek kinetik sebesar 0,2. Tentukan ketinggian di mana benda tersebut berhenti.
Penyelesaian:
Pada kasus ini, benda mengalami gaya konservatif dan gaya non konservatif secara bersamaan. Oleh karena itu,  kita perlu menggunakan rumus usaha ketika berlaku gaya non konservatif berikut.
\begin{aligned} W_{nk}=\Delta Ek+\Delta Ek \end{aligned}
Pertama kita cari \Delta E_k
\begin{aligned} \Delta E_k=&\frac{1}{2}m({v_2}^2-{v_1}^2)\\ =&\frac{1}{2}(2)(0-20^2)\\ =&-400\; \text{Joule}\\ \end{aligned}
Berikutnya kita cari \Delta E_p
\begin{aligned} \Delta E_p=&mg(h_2-h_1)\\ =&(2)(9,81)(h_2-0)\\ =&19,62 h_2 \\ \end{aligned}
Selanjutnya kita cari \Delta W_{nk}
\begin{aligned} W_nk=&\;fk\;s\;cos(180^o)\\ =&\;-mg \cos (\theta)\mu_k \; \frac{h}{\sin (\theta)}\\ =&\;-(2)(9,81)\cos (30^o) (0,2)\frac{h_2}{\sin (30^o)} \\ =&\;-6,80h_2 \end{aligned}
Terakhir kita hubungkan semua sebagai berikut.
\begin{aligned} W_nk=&\Delta E_p + \Delta E_k\\ -6,80h_2=&19,62h_2-400\\ 26,4h_2=&400 \\ h_2 \approx&15 \;\text{m} \end{aligned}

• Soal Usaha Dan Energi Pada Bandul

Soal dan Pembahasan Usaha dan Energi Bandul
Perhatikan gambar di atas. Sebuah bola bermassa 50 gram berada pada posisi A dan tepat akan dilepas. Kemudian bola dilepas dan mencapai posisi B. Apabila tidak ada gaya gesek berlaku dan massa tali di abaikan, tentukan kecepatan bola pada titik B.
Penyelesaian:
Pada kasus ini berlaku hukum konservasi energi mekanik. Kita dapat selesaikan dengan cara berikut.
\begin{aligned} EM_A=&EM_B\\ Ek_A+Ep_A=&Ek_B+Ep_B\\ 0+mg(0,06)=&mg(0,02)+\frac{1}{2}m{v_B}^2 \\ v_B=&\sqrt{2g(0,04)}\\ v_B\approx&0,9 \; \text{m/s} \end{aligned}

• Soal Usaha dan Energi Pegas

Soal dan Pembahasan usaha pegas
Sebuah benda bermassa 1 kg terhubung dengan pegas (k=140 N/m) ditarik sejauh 0,5 meter dari titik kesetimbangannya dan kemudian dilepaskan. Tentukan kecepatan maksimum benda tersebut.
Penyelesaian:
Kita dapat menyelesaikan permasalahan ini dengan menggunakan rumus usaha pegas ketika ditarik sejauh \Delta x.
\begin{aligned} W=&\frac{1}{2}k\Delta x^2\\ =&\frac{1}{2}(140)(0,5^2)\\ =&17,5 \;\text{Joule} \\ \end{aligned}
Benda akan mencapai kecepatan maksimum ketika benda tersebut mencapai titik equilibrium pegas. Pada posisi tersebut seluruh usaha yang penarik berikan berubah menjadi energi kinetik. Secara matematis kita tuliskan sebagai berikut.
\begin{aligned} W=&\Delta Ek\\ 17,5=&\frac{1}{2}m({v_2}^2-{v_1}^2)\\ v_2=&\sqrt{(2)(17,5)} \\ v_2=&5,9 \;\text{m/s} \end{aligned}

• Soal Daya

Daya maksimum sebuah mobil listrik adalah 120 kwatt. Mobil tersebut memiliki baterai yang menyimpan energi sebesar 3,6 \times 10^8 Joule. Apabila mobil tersebut bergerak dengan daya maksimum, berapakah waktu sampai energi mobil habis?
Penyelesaian:
Kita dapat menyelesaikan soal ini dengan menggunakan rumus daya P=\frac{W}{\Delta t} sebagai berikut.
\begin{aligned} t=&\frac{W}{P}\\ =&\frac{3,6 \times 10^8}{12 \times 10^4}\\ =&3000 \;\text{detik} \\ \end{aligned}

• Soal Usaha Pada Bidang Miring dan Ada Pegas

Soal dan Pembahasan Usaha dan Energi menantang
Perhatikan gambar di atas. Sebuah benda bermassa 0,6 kg meluncur sejauh 5 meter pada bidang miring yang memiliki sudut 30^o. Benda tersebut kemudian menumbuk sebuah pegas yang memiliki konstanta k=1000 N/m. Tentukan perubahan panjang pegas tersebut.
Penyelesaian:
Pada kasus ini seluruh perubahan energi potensial benda akan berubah menjadi energi potensial pegas. Sehingga kita dapat menyelesaikannya sebagai berikut.
\begin{aligned} \frac{1}{2}k\Delta x^2=&mg(h+\Delta x \sin (30^o))\\ \frac{1}{2}1000\Delta x^2=&(0,6)(9,81)(s \sin(30^o)+\frac{1}{2}\Delta x)\\ 5000 \Delta x^2=&14,715+2,943\Delta x \\ \Delta x_1=&0,1745\; \text{m}\\ \Delta x_2=&-0,1686\; \text{m} \end{aligned}
Pada kasus ini x_1= 0,1745 berarti pegas memendek 0,1745 meter sedangkan x_2= -0,1686 berarti pegas memanjang 0,1686 meter. Kita lihat pada kasus ini pegas memendek akibat tertumbuk dengan benda. Oleh karena itu kita gunakan x_1=0,1745 meter sebagai jawaban terakhir.
Share on whatsapp
Share on facebook
Share on twitter
Share on telegram
Bagikan ke Teman Anda
Pos Terkait

Tinggalkan Balasan