Bahan Ajarku

GAYA, USAHA, DAN ENERGI

MODUL

Disusun Guna Memenuhi Tugas

Mata Kuliah: Telaah Kurikulum SMP/MTs

Dosen Pengampu:  Arsini, M.Sc.

 

Disusun oleh:

Khusnul Kholifah             (103611007)

FAKULTAS TARBIYAH

INSTITUT AGAMA ISLAM NEGERI WALISONGO

SEMARANG

2012

BAB I

GAYA

1.1.Gaya dan Jenis-jenis Gaya

Jika kamu perhatikan dengan saksama, banyak benda-benda yang ada di sekelilingmu tidak pernah diam. Di kota-kota besar terlihat berbagai jenis kendaraan berlalu lalang di jalan raya. Di udara pesawat terbang melesat dari suatu tempat ke tempat lainnya. Bahkan di sungai atau di laut pun perahu-perahu melesat di permukaan air. Kamu tentu tahu bahwa kendaraan-kendaraan tersebut dikendalikan oleh mesin sehingga menghasilkan gaya, baik berupa dorongan atau tarikan, untuk menggerakkan kendaraan itu. Akan tetapi, bagaimanakah mesin menghasilkan gaya sehingga kendaraan dapat bergerak?

Selain itu, bagaimana dengan gerakan benda-benda dan gejala-gejala yang ada di alam? Mengapa angin bertiup dan air sungai mengalir? Mengapa bulan mengelilingi bumi dan bumi mengelilingi matahari? Apakah semua benda tersebut ditarik atau didorong dengan gaya?

A.    Pengertian Gaya

Pernahkah kamu bermain ayunan? Bagaimanakah usahamu agar ayunan dapat berayun tinggi? Tentu kamu harus menggerakkan kaki dan badan sehingga ayunan dapat melayang semakin tinggi. Gerakan kaki dan badanmu adalah usaha dalam memberikan dorongan atau tarikan pada ayunan agar tetap berayun.

Ketika kamu menarik buku dan mendorong pensil di atas mejamu, ternyata buku dan pensil bergerak atau berpindah tempat. Begitu pula ketika kamu menarik kedua ujung penggarismu, tarikan mengubah bentuk penggaris menjadi melengkung. Tarikan dan dorongan yang kamu berikan pada benda disebut gaya. Apakah gaya yang kamu berikan memiliki arah? Tentu, gaya memiliki arah. Ketika kamu mendorong ke depan, benda pun akan bergerak ke depan. Jadi, gaya dapat dikatakan sebagai tarikan atau dorongan.

Gaya dapat menyebabkan sebuah benda berubah bentuk, berubah posisi, berubah kecepatan, berubah panjang atau volume, dan juga berubah arah. Sebuah gaya disimbolkan dengan huruf F singkatan dari Force.

Satuan gaya dalam Satuan Internasional (SI) adalah Newton (N) yang merupakan penghormatan bagi seorang ilmuwan Fisika Inggris bernama Sir Isaac Newton (1642-1727).

B.     Jenis-Jenis Gaya

Tuhan telah memberikan anugerah kepada kamu berupa otot sehingga setiap saat kamu dapat melakukan kerja. Misalnya mandi, makan, menulis, minum, atau mengangkat benda-benda. Semua kegiatan tersebut kamu lakukan dengan memberi tarikan dan dorongan pada benda-benda itu sehingga dapat berubah bentuk, kecepatan, panjang, atau arah. Ketika kamu mendorong sebuah mobil, kamu telah memberikan gaya. Dorongan tersebut menyebabkan mobil dapat bergerak dan berpindah tempat.

Gaya dibedakan menjadi dua jenis, yaitu gaya yang bekerja melalui sentuhan langsung dan gaya yang bekerja tidak melalui sentuhan langsung. Gaya yang bekerja melalui sentuhan langsung disebut gaya sentuh, sedangkan gaya yang bekerja tidak melalui sentuhan langsung disebut gaya tak sentuh. Adapun pengaruh gaya pada benda, antara lain dapat menggerakkan benda serta mengubah bentuk, kecepatan, dan arah gerak benda.

C.     Mengukur Gaya

Ketika kamu memberikan tarikan atau dorongan pada sebuah benda, tentu kamu tidak tahu seberapa besar tarikan atau dorongan yang kamu berikan. Untuk dapat mengetahui besar gaya yang kamu berikan, diperlukan suatu alat ukur. Alat ukur gaya yang paling sederhana dan dapat mengukur secara langsung adalah neraca pegas (dinamometer).

D.    Penjumlahan Gaya dan Pengaruhnya pada Benda

Apakah gaya memiliki arah? Coba kamu jatuhkan sebuah benda. Apakah yang terjadi? Ke arah manakah benda tersebut jatuh? Tariklah sebuah benda di mejamu. Ke manakah benda itu bergerak? Coba belokkan arah tarikanmu. Apakah arah gerak benda juga mengikuti gaya tariknya? Dari contoh tersebut, kamu dapat menyimpulkan bahwa gaya termasuk besaran yang memiliki nilai dan arah yang kamu kenal dengan besaran vektor. Sebuah besaran gaya dapat digambarkan dengan sebuah anak panah.

E.     Gaya Gesek

Alangkah menyenangkan apabila kamu ke sekolah naik sepeda. Selain hemat biaya, kamu juga sehat karena berolah raga. Tetapi, kamu harus hati-hati karena banyak kendaraan di jalan raya. Ketika kamu sampai ke sekolah, tentu kamu akan menarik rem tangan agar sepeda tersebut dapat berjalan perlahan, lalu akhirnya berhenti.

Mengapa ketika kamu menarik rem, sepedamu dapat berhenti? Tentu ada tarikan atau dorongan yang berlawanan dengan arah gerakmu sehingga sepedamu berhenti. Di manakah itu terjadi? Ternyata, dorongan atau tarikan itu terjadi sebagai hasil gesekan antara karet rem dan pelek pada roda sepeda yang bergesekan. Gaya seperti ini disebut gaya gesek. Gaya gesek termasuk gaya sentuh karena hasil persentuhan langsung dua permukaan yang bergesekan.

Gaya gesek terjadi akibat dua permukaan benda saling bergesekan. Arah gaya gesek selalu melawan kecenderungan geraknya. Arah gaya gesek melawan gaya tariknya. Besarnya gaya gesek akan selalu sama dengan gaya tariknya ketika benda belum bergerak.

Gaya gesek tersebut dinamakan dengan gaya gesek statis. Jika kamu menarik dengan gaya 10 N dan balok tepat akan bergerak, besar gaya gesek adalah 10 N dan disebut dengan gaya gesek statis maksimum. Ketika kamu menariknya dengan gaya 6 N dan balok belum bergerak, besarnya gaya gesek statis adalah 6 N (belum mencapai maksimal).

1.      Mengurangi Gaya Gesek

Besarnya gaya gesek bergantung pada kekasaran permukaan benda yang bergesekan. Semakin kasar permukaan yang bergesekan, semakin besar pula gaya geseknya. Itulah yang menyebabkan kamu harus memakai alas sepatu yang bergerigi agar kamu dapat berjalan dengan mantap. Gaya gesek pun dapat terjadi di udara dan di air. Keadaan inilah yang membuat motor boat atau pesawat terbang selalu dirancang runcing di bagian depannya. Hal tersebut dilakukan untuk mengurangi gaya gesek air atau udara.

Pernahkah kamu berpikir mengapa sepedamu atau mobilmu menggunakan roda? Apakah manfaatnya? Perkembangan ilmu dan teknologi sedikit demi sedikit telah membantu manusia untuk mengetahui bagaimana cara mempermudah usaha.

Salah satunya adalah memperkecil gaya gesek dengan menggunakan roda. Pada perkembangannya roda terbuat dari batu, lalu kayu sampai akhirnya terbuat dari ban karet pada zaman sekarang.

2.      Gaya Gesek yang Menguntungkan dan Merugikan

Dalam kehidupan sehari-hari kamu tentu mengenal bahwa gaya gesek ada yang menguntungkan dan ada pula yang merugikan. Menguntungkan dan merugikannya gaya gesek bergantung pada keadaan. Misalnya, apabila kamu sedang berjalan, kamu tentu memilih permukaan yang kasar. Mengapa? Karena kamu akan kesulitan apabila berjalan di jalan yang licin. Dalam kejadian ini, gaya gesek menguntungkan bagi manusia. Mengapa ban mobil dibuat bergerigi? Tentu hal ini dibuat supaya mobil dapat bergerak dengan baik. Pada kejadian ini pun gaya gesek sangat menguntungkan. Namun, apabila jalannya terlalu kasar, ban mobil akan cepat habis sehingga hal ini merugikan secara ekonomi.

Roda gigi sepedamu harus terus dipelihara dengan cara memberinya pelumas. Mengapa hal itu kamu lakukan? Pada peristiwa tersebut gaya gesek merugikan atau menguntungkan? Apabila roda gigimu penuh karat, kamu akan sulit mengayuh sepeda. Hal tersebut membuktikan gaya gesek sangat merugikan sehingga untuk memperkecil gaya gesek kamu harus memberinya pelumas.

Hukum Newton

1.      Hukum I Newton

Ilmuwan terkenal Yunani, Aristoteles, mengatakan bahwa gerak selalu disebabkan oleh gaya (berupa tarikan atau dorongan). Gerobak bergerak karena ditarik oleh seekor kuda, kapal layar bergerak karena didorong oleh angin. Jadi, gerak selalu disebabkan oleh gaya luar yang bekerja pada benda. Jika pada benda yang bergerak sama sekali tidak ada gaya luar yang bekerja maka suatu waktu benda akan kembali ke keadaan alaminya, yaitu diam. Benda tidak mungkin terus bergerak karena dirinya sendiri.

a.      Haruskah gaya luar diberikan agar benda terus bergerak?

Pertanyaan ini mengusik benak Galileo. Untuk memperoleh jawabannya, dia melakukan pengujian. Dia membuat suatu lintasan lengkung yang cukup licin. Kemudian, dia menjatuhkan sebuah bola pada lintasan lengkung tersebut. Dia mengamati bola bergerak turun dan mendaki lengkungan kanan sampai hampir sama dengan ketinggiannya semula (Gambar 1.33.a). apa yang terjadi jika sudut kemiringan lintasan kanan diperkecil? Ternyata, untuk mencapai ketinggiannya semula, bola akan menempuh jarak yang lebih jauh (Gambar 1.33b). bagaimana jika lintasan kanan dibuat mendatar? Ternyata, bola menempuh jarak yang sangat jauh dengan kelajuan yang hampir tetap (Gambar 1.33c).

Mengapa bola yang bergerak pada bidang mendatar pada Gambar 1.33c akhirnya berhenti? Galileo menyatakan bahwa bola diberhentikan oleh gaya gesekan (baik gesekan oleh permukaan bidang dengan bola maupun gesekan oleh udara). Jika gesekan udara dan gesekan antarpermukaan diabaikan (tidak ada) maka tidak ada gaya yang bekerja pada bola, dan gerak bola dengan kelajuan tetap pada lintasan lurus dapat terus dipertahankan tanpa memerlukan gaya luar.

Isaac Newton mengkaji ulang pengamatan dan kesimpulan Galileo. Dari sini ia menyatakan hukum gerak pertamanya, yang disebut hukum I Newton. Dari terjemahan buku asli Newton, Principia, hukum I Newton berbunyi sebagai berikut.

(a)                                          (b)                                                    (c)

Gambar 1.33 (a) sebuah bola yang menuruni lengkungan kiri akan mendaki lengkungan kanan sampai ketinggiannya semula. (b) begitu sudut kemiringan lengkungan kanan dikurangi, bola harus menempuh jarak yang lebih jauh untuk sampai ke ketinggiannya semula. (c) begitu lengkungan kanan mendatar maka bola akan menempuh jarak sangat jauh dengan kelajuan yang hampir tidak berubah.

Tiap benda terus dalam keadaan diamnya atau terus dalam keadaan gerak teraturnya dengan kelajuan tetap pada garis lurus, kecuali jika benda itu dipaksa untuk mengubah keadaannya (diam atau bergerak) oleh gaya-gaya yang dikerjakan padanya.

b.      Haruskah tak ada gaya yang bekerja agar benda terus bergerak lurus beraturan?

Tidak ada gaya yang bekerja pada suatu benda sama artinya dengan gaya yang bekerja pada benda sama dengan nol. Gaya sama dengan nol dapat dihasilkan oleh dua gaya atau lebih yang bekerja pada suatu benda, asalkan gaya-gaya itu seimbang. Syarat gaya-gaya itu seimbang dinyatakan oleh resultan gaya sama dengan nol (ditulis ).

Dengan demikian, hukum I Newton dapat juga dinyatakan dalam bahasa resultan gaya nol sebagai berikut.

Jika resultan gaya pada suatu benda sama dengan nol maka benda yang mula-mula diamakan terus diam (mempertahankan keadaan diam), sedangkan jika benda mula-mula bergerak akan terus bergerak dengan kecepatan tetap (mempertahankan keadaan bergeraknya).

            Secara matematis, hukum I Newton dinyatakan sebagai

untuk benda diam atau benda bergerak dengan kecepatan tetap

 

                                                                                                                                    (1-2)

            Pada Gambar 1.34 ditunjukkan beberapa kasus di mana resultan gaya .

(a)     Tak ada gaya bekerja        (b) Pada benda bekerja                                      (c) Pada benda bekerja gaya-

Pada benda ( ).             gaya-gaya mendatar yang                               gaya mendatar dan vertikal

                                                      Seimbang ( ).                                          Yang seimbang ( ).

Gambar 1.34 Beberapa kasus di mana resultan gaya .

Taukah kamu?

Mengapa Mobil perlu Mesin? Ketika mobil sedang melaju dan mesinnya dimatikan, apa yang akan terjadi? Gesekan, baik oleh angin maupun permukaan jalan, akan memperlambat mobil sampai akhirnya berhenti sendiri. Jika mesin tidak mati, agar kelajuan tetap, supir harus menginjak pedal gas untuk memberi gaya maju yang seimbang dengan total gaya gesekan. Jelaskan mesin diperlukan untuk memberi gaya maju pada mobil agar mobil dapat mempertahankan kelajuannya. Seandainya gesekan tidak ada maka mobil tidak memerlukan mesin. Untuk mengawali gerak mobil, hanya perlu orang kuat seperti Superman untuk mendorong mobil mencapai kecepatan tertentu. Begitu kecepatan ini dicapai, Superman tidak diperlukan lagi karena mobil akan terus bergerak dengan kelajuan ini. Untuk menghentikan mobil, diperlukan beberapa orang kuat untuk memberi gaya perlambatan.

2.      Hukum II Newton

Hukum I Newton berkaitan dengan gerak benda ketika resultan gaya pada benda sama dengan nol ( ). Dalam kasus ini kecepatan benda adalah tetap, dan kita katakan bahwa benda tidak mengalami percepatan (atau percepatan = 0).

Bagaimana jika pada benda bekerja sebuah gaya atau bekerja beberapa gaya yang resultannya tidak nol? Dalam kasus ini kecepatan benda akan berubah, dan kita katakan bahwa benda mengalami percepatan.

a.       Bagaimana hubungan antara percepatan dan resultan gaya?

Gambar 1.40 Menyelidiki pengaruh resultan Gaya terhadap percepatan, dengan menjaga massa benda tetap dan besar Gaya diubah-ubah.

Bayangkan kamu mendorong sebuah balok es di atas permukaan mendatar yang licin (gaya gesekan diabaikan). Satu-satunya gaya yang bekerja pada balok es adalah gaya dorongan. Misalnya ketika kamu mendorong dengan gaya P dihasilkan percepatan .

Gambar 1.40

Ketika kamu memperbesar gaya dorongmu dua kali lipat menjadi 2P, ternyata dihasilkan percepatan yang juga dua kali lipat, yaitu . Ketika kamu meningkatkan gaya dorongmu tiga kali lipat menjadi 3P, ternyata dihasilkan percepatan yang juga tiga kali lipat, yaitu , seperti ditunjukkan pada Gambar 1.40. dapatlah disimpulkan bahwa percepatan berbanding lurus dengan resultan gaya yang bekerja pada benda.

b.      Bagaimana hubungan antara percepatan dengan massa benda?

Gambar 1.41 menyelidiki pengaruh massa benda terhadap percepatan, dengan menjaga Gaya tetap dan massa diubah-ubah.

Ukuran kemampuan benda mempertahankan keadaan diam atau keadaan geraknya adalah inersia. Ini sama saja artinya bahwa percepatan benda dipengaruhi oleh inersianya; sedangkan kualitas inersia benda diukur oleh massanya. Dengan demikian, percepatan berhubungan dengan massa.

                                                                                            Gambar 1.41

Untuk menentukan hubungan percepatan dengan massa benda, gaya dorongmu harus kamu jaga tetap. Seperti kasus sebelumnya ketika kamu mendorong sebuah balok es dengan gaya P dihasilkan percepatan . Ketika massa kamu perbesar dua kali lipat, yaitu menjadi dua balok es, ternyata dihasilkan percepatan  atau  kali semula. Ketika massa kamu perbesar tiga kali lipat, yaitu menjadi tiga balok es, ternyata dihasilkan percepatan  atau  kali semula, seperti ditunjukkan pada Gambar 1.41. dapatlah disimpulkan bahwa percepatan berbanding terbalik dengan massa benda.

c.       Pernyataan hukum II Newton

Newton menggabung dua kesimpulan yang telah diberikan dan menyatakan hukum II Newton yang berbunyi sebagai berikut.

Percepatan yang dihasilkan oleh resultan gaya yang bekerja pada suatu benda berbanding lurus dengan resultan gaya, searah dengan resultan gaya, dan berbanding terbalik dengan massa benda.

Secara matematis, hukum II Newton dinyatakan sebagai

Hukum II Newton          

atau

                                                                

(1-3)

Gambar 1.42 Segitiga rumus Newton, .

     Hukum II Newton di atas dapat dinyatakan dalam bentuk segitiga rumus Newton, seperti ditunjukkan pada Gambar 1.42.

d.      Apa satuan SI untuk Gaya

Satuan SI untuk gaya adalah newton (disingkat N), untuk massa adalah kg, dan untuk percepatan adalah . Jika satuan-satuan ini kamu masukkan ke dalam persamaan (1-3) maka kamu dapat menyatakan Newton dalam satuan-satuan dasar.

Berdasarkan hubungan satuan di atas, kita dapat mendefinisikan 1 newton sebagai berikut.

Satuan newton (ditulis 1 N) didefinisikan sebagai gaya yang menghasilkan percepatan ketika gaya ini diberikan pada benda bermassa 1 kg.

3.      Hukum III Newton

Hukum III Newton menjelaskan bahwa munculnya gaya aksi dan reaksi. Maksudnya, jika ada sebuah gaya diberikan pada sebuah benda, maka benda tersebut akan memberikan gaya yang besar pada kita.

Contohnya sebuah benda diletakkan di permukaan datar, maka gaya berat benda tersebut akan dilawan oleh permukaan datar dengan gaya yang sama dengan berat benda tersebut.

Aksi dan reaksi sama besar dan berlawanan arah. Oleh karena itu, temanmu menyatakan bahwa kedua gaya ini akan saling meniadakan, sehingga membentuk keseimbangan. Benarkah pernyataan temanmu ini?

                                    Gambar 1.47

Jika dua benda A dan B berinteraksi, sebagai aksi adalah benda A mengerjakan gaya pada benda B (diberi lambang ). kasus ini ditunjukkan pada Gambar 1.47.

Perhatikan secara saksama, aksi  bekerja pada benda B, dan reaksi  bekerja pada benda A. jelaslah bahwa aksi dan reaksi bekerja pada dua benda yang berbeda. Aksi dan reaksi tidak pernah bekerja pada satu benda, sehingga aksi dan reaksi tidak mungkin saling meniadakan. Dengan kata lain, aksi dan reaksi tidak pernah membentuk keseimbangan. Ingat, keseimbangan terjadi antara lain jika dua gaya sama besar dan berlawanan arah bekerja pada satu benda (bukan pada dua benda berbeda).

BAB II

USAHA DAN ENERGI

1.3. USAHA DAN ENERGI

Usaha

Kata usaha sudah tidak asing lagi bagi kita. Apa sebenarnya usaha itu? Sering kali kita mendengar orang berkata bahwa untuk mencapai suatu tujuan tertentu maka kita harus melakukan kerja atau usaha. Dalam fisika, usaha didefinisikan sebagai hasil kali antara besarnya gaya yang diberikan pada benda dengan besar perpindahan benda tersebut. Usaha merupakan besaran skalar karena tidak memiliki arah dan hanya memiliki besar. Usaha dalam fisika dikatakan bernilai jika usaha yang dilakukan menghasilkan perubahan kedudukan. Ketika sebuah gaya bekerja pada suatu benda sehingga menimbulkan perpindahan benda, dikatakan bahwa gaya melakukan usaha pada benda tersebut. Jika gaya sebesar F yang dapat menyebabkan balok berpindah sejauh s terletak pada sebuah garis lurus maka besarnya usaha W dapat dirumuskan sebagai berikut.

Keterangan:

W        : usaha (Nm atau J)

F          : gaya (N)

S          : perpindahan (m)

Hubungan antara Energi dengan Usaha

Sebelumnya telah disebutkan bahwa energi adalah kemampuan untuk melakukan usaha. Bayangkan sebuah bola berada di atas lantai. Bola tersebut kemudian digerakkan ke atas dengan gaya F, akibatnya bola berpindah setinggi h. Hal ini berarti kita melakukan usaha untuk memindahkan bola dari lantai sampai setinggi h. Ketika bola bergerak, bola memiliki energi kinetik. Pada saat bola berada setinggi h, bola memiliki energi potensial. Besarnya usaha yang diperlukan untuk memindahkan bola sama dengan selisih energi kinetiknya atau selisih energi potensialnya. Jadi, dapat disimpulkan bahwa besarnya usaha sama dengan besarnya perubahan energi pada benda.

Daya

Daya adalah perubahan energi potensial atau energi kinetik tiap satu satuan waktu. Dengan demikian, daya didefinisikan sebagai usaha yang dilakukan tiap satuan waktu. Daya merupakan besaran fisika yang mempunyai satuan J/s atau watt. Secara matematis daya dapat dituliskan sebagai berikut.

Keterangan:

P          : daya (J/s atau watt)

t           : waktu (s)

Semakin besar daya yang dimiliki oleh suatu benda, semakin besar pula kemampuan benda tersebut untuk mengubah suatu bentuk energi menjadi bentuk energi lain.

Latihan Yuk!!

1. Apa yang dimaksud dengan usaha dalam fisika?
2. Untuk menggeser lemari sejauh 1,5 m, seorang anak melakukan usaha sebesar 800 J. Berapakah gaya yang diberikan anak tersebut pada lemari?
3. Berapa besar perpindahan yang dilakukan oleh gaya 300 N jika gaya tersebut melakukan usaha sebesar 1.200 J?
4. Apa yang dimaksud dengan daya? Bagaimana rumus daya dan apa satuannya?
5. Sebuah benda memiliki daya 140 watt. Jika usaha yang dilakukan sebesar 6.400 J, berapa menitkah usaha itu dilakukan?
6. Sebuah lampu yang memiliki daya 40 watt dinyalakan selama 1,5 jam. Berapa besar usaha yang diperlukan?

Hukum Kekekalan Energi

Sebelumnya kita telah mempelajari perubahan bentuk energi. Pada materi perubahan bentuk energi telah disebutkan bahwa energi tidak hilang atau habis, namun mengalami perubahan menjadi bentuk energi lain. Energi juga tidak dapat dimunculkan tanpa menimbulkan perubahan bentuk energi lainnya. Banyaknya energi yang berubah menjadi bentuk energi lain sama dengan banyaknya energi yang berkurang sehingga total energi dalam sistem tersebut adalah tetap. Dengan demikian, dapat kita simpulkan bahwa energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan, energi hanya dapat berubah bentuk menjadi bentuk energi lain. Pernyataan ini dikenal sebagai hukum kekekalan energi.

Perubahan Bentuk Energi

Suatu bentuk energi dapat berubah menjadi bentuk energi yang lain. Perubahan bentuk energi yang biasa dimanfaatkan sehari-hari antara lain sebagai berikut:

• Energi listrik menjadi energi panas. Contoh perubahan energi listrik menjadi energi panas terjadi pada mesin pemanas ruangan, kompor listrik, setrika listrik, heater, selimut listrik, dan solder.
• Energi mekanik menjadi energi panas. Contoh perubahan energi mekanik menjadi energi panas adalah dua buah benda yang bergesekan. Misalnya, ketika kamu menggosok-gosokkan telapak tanganmu maka kamu akan merasa panas.
• Energi mekanik menjadi energi bunyi. Perubahan energi mekanik menjadi energi bunyi dapat terjadi ketika kita bertepuk tangan atau ketika kita memukulkan dua buah benda keras.
• Energi kimia menjadi energi listrik. Perubahan energi pada baterai dan aki merupakan contoh perubahan energi kimia menjadi energi listrik.
• Energi listrik menjadi energi cahaya dan kalor. Perubahan energi listrik menjadi energi cahaya dan kalor terjadi pada berpijarnya bohlam lampu. Seperti telah disebutkan sebelumnya bahwa energi cahaya biasanya disertai bentuk energi lainnya, misalnya kalor. Coba dekatkan tanganmu ke bohlam lampu yang berpijar! Lama kelamaan tanganmu akan merasa semakin panas.
• Energi cahaya menjadi energi kimia. Perubahan energi cahaya menjadi energi kimia dapat kita amati pada proses pemotretan hingga terbentuknya foto.

Latihan Yuk!!

1. Carilah benda-benda di sekitarmu dan jelaskan tentang perubahan energi yang terjadi pada benda tersebut!

Energi Mekanik                  

Besarnya energi mekanik merupakan penjumlahan antara besarnya energi kinetik dengan energi potensial. Energi mekanik yang dimiliki suatu benda dapat ditulis secara matematis sebagai berikut.

Keterangan:

       : Energi Mekanik (J)

        : Energi Kinetik (J)

        : Energi Potensial (J)

• Energi Kinetik

Setiap benda yang bergerak memiliki energi kinetik. Dengan demikian, energi kinetik adalah energi yang dimiliki suatu benda karena geraknya. Misalnya, angin yang bertiup dapat menggerakkan kincir angin. Energi yang dimiliki oleh benda yang bergerak disebut dengan energi kinetik. Kita tahu bahwa motor melaju lebih cepat daripada truk. Hal ini disebabkan massa motor lebih kecil dibandingkan massa truk. Akibatnya, untuk dapat melaju lebih cepat truk tersebut membutuhkan energi yang lebih besar. Jadi, semakin besar massa suatu benda maka energi kinetiknya akan semakin besar. Semakin cepat benda itu bergerak, energi kinetiknya juga semakin besar. Besarnya energi kinetik suatu benda ditentukan oleh besar massa benda dan kecepatan geraknya. Hubungan antara massa benda (m), kecepatan (v), dan energi kinetik ( ) dituliskan secara matematis dalam rumus berikut.

Keterangan:

m         : massa (kg)

v          : kecepatan benda (m/s)

• Energi Potensial

Energi potensial adalah energi yang dimiliki suatu benda karena kedudukannya terhadap tanah. Misalnya, pada peristiwa jatuhnya buah mangga. Ketika buah mangga terjatuh, buah mangga tersebut memiliki energi kinetik karena geraknya. Akan tetapi ketika buah mangga masih berada di pohon, buah mangga tersebut memiliki energi potensial karena kedudukannya terhadap tanah. Sedangkan, saat buah mangga menyentuh tanah, energi potensialnya nol karena kedudukannya terhadap tanah nol. Semakin besar massa benda maka semakin besar energi potensial yang dimilikinya. Semakin tinggi letaknya, energi potensial yang dimiliki juga semakin besar. Besarnya energi potensial dapat dirumuskan sebagai berikut.

Keterangan:

g          : percepatan gravitasi bumi ( ) (g = 10 )

h          : ketinggian (m)

Latihan Yuk!!

1. Apa yang dimaksud dengan energi kinetik?
2. Sebuah mobil bergerak dengan kecepatan 72 km/jam ke arah utara. Jika energi kinetik mobil tersebut 30.000 joule, berapa massa mobil tersebut?
3. Apa yang dimaksud dengan energi potensial suatu benda?
4. Buah kelapa yang memiliki massa 1 kg jatuh dari atas pohon yang tingginya 4 m. Berapakah energi potensial yang dimiliki buah kelapa?
5. Sebuah bola jatuh dari ketinggian 8 m. Jika energi potensial yang dialami bola adalah 10 joule, berapa massa bola tersebut?
6. Seorang anak sedang naik sepeda ke arah barat. Jika massa anak dan sepeda tersebut 50 kg dan energi kinetiknya 625 joule, berapa kecepatan mereka?

1.4. Pesawat Sederhana

Setiap hari kamu pasti selalu melakukan usaha. Ada yang mudah dan ada pula yang sulit. Oleh karena itu, kadang-kadang kamu memerlukan suatu alat sederhana yang dapat membantumu melakukan usaha. Alat itu disebut dengan pesawat sederhana. Misalnya, kamu akan menancapkan paku pada kayu, tentu akan sulit tanpa palu. Begitu pula ketika kamu akan membuka baut, akan kesulitan apabila tanpa bantuan kunci pembukanya. Pesawat sederhana banyak sekali jenisnya dan semuanya dibuat untuk memudahkan kamu melakukan usaha. Prinsip kerja pesawat sederhana dikelompokkan menjadi beberapa bagian, di antaranya tuas, katrol, dan bidang miring. Marilah kita bahas satu persatu.

1. Tuas

Beberapa anak yang sedang bermain Jungkat-jungkit. Jungkat-jungkit adalah sejenis pesawat sederhana yang disebut pengungkit atau tuas. Tuas memiliki banyak kegunaan, di antaranya adalah untuk mengangkat atau memindahkan benda yang berat.

Tuas yang digunakan orang untuk memindahkan sebuah batu yang berat. Berat beban yang akan diangkat disebut gaya beban ( ) dan gaya yang digunakan untuk mengangkat batu atau beban disebut gaya kuasa ( ). Jarak antara penumpu dan beban disebut lengan beban ( ) dan jarak antara penumpu dengan kuasa disebut lengan kuasa ( ).

.  = .

Hubungan antara besaran-besaran tersebut menunjukkan bahwa perkalian gaya kuasa dan lengan kuasa ( ) sama dengan gaya beban dikalikan dengan lengan beban ( ). Artinya besar usaha yang dilakukan kuasa sama dengan besarnya usaha yang dilakukan beban. Oleh sebab itu, pada tuas berlaku persamaan sebagai berikut:

dengan:
   = gaya kuasa (N)
   = gaya beban (N)
    = lengan kuasa (m)
    = lengan beban (m)

Keuntungan pada pesawat sederhana disebut Keuntungan Mekanis (KM). Secara umum keuntungan mekanis didefinisikan sebagai perbandingan gaya beban dengan gaya kuasa sehingga keuntungan mekanis pada tuas atau pengungkit bergantung pada panjang masing-masing lengan. Semakin panjang lengan kuasanya, semakin besar keuntungan mekanisnya. Secara matematis keuntungan mekanis ditulis sebagai berikut:

Berdasarkan letak titik tumpunya, tuas atau pengungkit diklasifikasikan menjadi tiga golongan, yaitu sebagai berikut:

a.       Tuas Golongan Pertama

Titik tumpu berada di antara titik beban dan titik kuasa. Contohnya gunting, tang, pemotong, gunting kuku, dan linggis.

b.      Tuas Golongan Kedua

Titik beban berada di antara titik tumpu dan titik kuasa. Contoh tuas jenis ini, di antaranya adalah gerobak beroda satu, pemotong kertas, dan pelubang kertas.

c.       Tuas Golongan Ketiga

Titik kuasa berada di antara titik tumpu dan titik beban. Contoh tuas jenis ini adalaah lengan, alat pancing dan sekop.

2. Katrol

Katrol digunakan untuk mengambil air atau mengangkat beban yang berat. Katrol merupakan pesawat sederhana yang dapat memudahkan melakukan usaha. Katrol dibedakan menjadi tiga jenis, yaitu katrol tetap, katrol bergerak, dan katrol berganda.

a. Katrol Tetap

Bagian-bagian katrol tetap diperlihatkan pada gambar berikut:

keterangan:
   = gaya beban
   = gaya kuasa
    = AO = lengan beban
    = OB = lengan kuasa
Katrol berfungsi untuk membelokkan gaya sehingga berat beban tetap sama dengan gaya kuasanya tetapi dapat dilakukan dengan mudah. Keuntungan mekanis katrol tetap sama dengan satu. Katrol tetap digunakan untuk menimba air.
.  = .
Oleh karena
 =
 =
sehingga keuntungan mekanisnya adalah 1

b. Katrol Tunggal Bergerak

Prinsip katrol tunggal bergerak hampir sama dengan tuas jenis kedua, yaitu titik beban berada di antara titik tumpu dan titik kuasa. Dengan demikian, berlaku persamaan sebagai berikut:  =
Jadi, keuntungan mekanis katrol tunggal bergerak adalah 2

c. Katrol Majemuk atau Katrol Berganda

Manusia selalu berusaha mencari tahu bagaimana caranya agar benda-benda yang relatif besar dan berat dapat diangkat dengan kerja yang dilakukan lebih mudah. Dengan prinsip katrol bergerak, hal tersebut mudah dilakukan. Katrol majemuk merupakan gabungan dari beberapa katrol sehingga kerja yang dilakukan semakin mudah.

Keuntungan mekanis dari katrol majemuk bergantung pada banyaknya tali yang dipergunakan untuk mengangkat beban. Pada Gambar di bawah ini dapat kamu lihat empat tali digunakan untuk mengangkat beban. Jadi, keuntungan mekanisnya sama dengan 4. Jika kamu akan mengangkat beban 100 N, cukup dengan gaya 25 N saja benda sudah terangkat.

3. Bidang Miring

Ketika di pasar, mungkin kamu p\ernah melihat orang yang sedang menaikkan drum berisi minyak ke atas sebuah truk. Pesawat sederhana apakah yang mereka gunakan? Bidang miring merupakan alat yang sangat efektif untuk memudahkan kerja.

Keuntungan mekanis bidang miring bergantung pada panjang landasan bidang miring dan tingginya. Semakin kecil sudut kemiringan bidang, semakin besar keuntungan mekanisnya atau semakin kecil gaya kuasa yang harus dilakukan. Keuntungan mekanis bidang miring adalah perbandingan panjang (l) dan tinggi bidang miring (h).

Dalam kehidupan sehari-hari, penggunaan bidang miring terdapat pada tangga, lereng gunung, dan jalan di daerah pegunungan. Semakin landai tangga, semakin mudah untuk dilalui. Sama halnya dengan lereng gunung, semakin landai lereng gunung maka semakin mudah untuk menaikinya, walaupun semakin jauh jarak tempuhnya. Jalan-jalan di pegunungan dibuat berkelok-kelok dan sangat panjang. Hal ini dilakukan untuk mendapatkan keuntungan mekanis yang cukup besar agar kendaraan dapat menaikinya dengan mudah.

a. Baji

Baji adalah pesawat sederhana yang prinsip kerjanya sama dengan bidang miring. Baji merupakan dua bidang miring yang disatukan. Baji terbuat dari bahan keras, misalnya besi atau baja. Baji digunakan untuk membelah kayu, membelah batu, atau benda keras lainnya. Semakin tipis bentuk baji, semakin mudah kerja yang dilakukan.

b. Sekrup

Sekrup adalah alat yang digunakan untuk memudahkan kerja. Sekrup merupakan bidang miring yang dililitkan pada sebuah tabung sehingga lilitannya berbentuk spiral. Jarak antara ulir-ulir lilitan sekrup disebut interval sekrup. Untuk membuktikan bahwa sekrup merupakan penerapan bidang miring, kamu bisa mempraktikkan cara berikut. Buatlah bidang miring dengan kertas, lalu gulung kertas tersebut pada sebuah pensil. Bagaimanakah hasilnya?

Pesawat sederhana yang sering kamu jumpai dalam kehidupan sehari-hari yang prinsip kerjanya berdasarkan sekrup adalah dongkrak mobil mekanik, paku ulir, dan baut

BAB III

TEKANAN

1.5. Tekanan

Dua orang yang kekuatan ototnya sama memasang paku pada sebuah kayu, yang satu menggunakan paku yang ujungnya runcing dan yang lain menggunakan paku yang ujungnya tumpul. Ternyata, paku yang ujungnya runcing akan menancap lebih dalam daripada paku yang ujungnya tumpul. Mengapa paku yang ujungnya tumpul tidak dapat menancap lebih dalam daripada paku yang ujungnya runcing? Apakah peristiwa tersebut memiliki hubungan dengan konsep tekanan?

Jika kamu perhatikan, balon udara dan kapal selam memiliki ukuran yang relatif sangat besar. Namun demikian, balon udara mampu terbang dan melayang ke angkasa, sedangkan kapal selam dapat dikendalikan supaya mampu tenggelam, melayang, bahkan mengapung di permukaan laut. Mengapa hal itu bisa terjadi? Prinsip apakah yang berlaku pada balon udara dan kapal selam? Pelajarilah bab ini dengan saksama karena kamu akan menemukan jawabannya.

A. Pengertian Tekanan

Berhati-hatilah jika kamu memegang benda tajam, seperti pisau atau jarum. Mengapa demikian? Benda-benda tersebut selain sangat dibutuhkan untuk memudahkan melakukan usaha, juga dapat menyebabkan tubuh kamu terluka. Adapun pisau tumpul ataupun jarum tanpa ujung runcing sukar untuk dapat digunakan melakukan kerja. Mengapa demikian?

Apabila kamu perhatikan kaki-kaki unggas, seperti ayam, itik, ataupun burung yang lainnya, ternyata memiliki bentuk yang berbeda-beda. Mengapa demikian? Tuhan telah menciptakan kaki binatang tersebut sedemikian rupa sesuai dengan fungsinya. Ada yang berfungsi untuk berjalan, mencengkeram, dan berenang. Jika ayam dan itik berjalan di jalan yang berlumpur, ternyata kedua bekas kaki unggas tersebut memiliki kedalaman yang berbeda. Bekas kaki apakah yang lebih dalam?

Beberapa peristiwa tersebut sangat berhubungan dengan salah satu konsep Fisika, yaitu tekanan. Jadi, apakah tekanan itu?

B. Tekanan pada Zat Padat

Ketika kamu mendorong uang logam di atas plastisin, berarti kamu telah memberikan gaya pada uang logam. Besarnya tekanan uang logam pada plastisin bergantung pada besarnya dorongan (gaya) yang kamu berikan dan luas bidang tekannya. Semakin besar gaya tekan yang kamu berikan, semakin besar pula tekanan yang terjadi. Namun, semakin besar luas bidang tekan suatu benda maka semakin kecil tekanan yang terjadi. Dengan demikian, tekanan berbanding lurus dengan gaya tekan dan berbanding terbalik dengan luas bidang tekan. Secara matematis, besaran tekanan dapat dituliskan dalam persamaan sebagai berikut:

dengan:

P        = tekanan ( )
F        = gaya tekan (N)
A       = luas bidang ( )

Satuan tekanan dalam Sistem Internasional (SI) adalah . Satuan ini juga disebut pascal (Pa). 1 Pa = 1 . Setelah mengetahui bahwa besar tekanan dipengaruhi oleh gaya dan luas bidang, sekarang kamu dapat menjelaskan mengapa bekas kaki ayam lebih dalam daripada bekas kaki itik jika keduanya berjalan di atas lumpur. Untuk memudahkan usaha (kerja), kamu harus membuat pengiris bawang (pisau) atau jarum lebih runcing. Oleh sebab itu, dengan memperkecil luas bidang tekan merupakan upaya untuk memperbesar tekanan. Alat-alat berikut sengaja dibuat dengan memperkecil luas bidang tekanannya untuk mendapatkan tekanan yang jauh lebih besar.

C. Tekanan pada Zat Cair

Berenang adalah kegiatan yang sangat menyenangkan. Ketika kamu mencoba untuk menyelam ke dasar kolam, semakin dalam kamu menyelam maka kamu akan merasa gaya yang menekan ke tubuhmu semakin besar. Kamu dapat menyimpulkan bahwa semakin dalam posisi zat yang diam maka semakin besar tekanannya berarti tekanan hidrostatis sebanding dengan kedalaman (h).

Bagaimanakah tekanan hidrostatis pada kedalaman tertentu untuk jenis zat cair berbeda? Apakah sama? Kamu sudah mengetahui bahwa yang membedakan suatu jenis zat tertentu adalah massa jenis. Semakin besar massa jenis suatu zat cair, semakin besar pula tekanan pada kedalaman tertentu. Dengan kata lain, tekanan suatu zat cair sebanding dengan besarnya massa jenis.

Oleh karena itu, dapat dikatakan bahwa tekanan berbanding lurus dengan massa jenis zat cair dan kedalaman di dalam zat cair. Pada umumnya, tekanan pada kedalaman yang sama dalam zat cair yang serba sama adalah sama. Pada dunia teknik bendungan, para arsitek membuat suatu bendungan dengan memperhitungkan tekanan hidrostatis. Hal ini ditunjukkan dengan semakin menebalnya dinding bendungan ke arah dasar permukaan air.

D. Tekanan Udara

Tuhan Yang Mahakuasa telah menciptakan langit sebagai "atap yang terpelihara" yang disebut atmosfer. Atmosfer ini diciptakan Tuhan dengan sesempurna mungkin sehingga dapat menjaga dari seluruh kemungkinan yang dapat merusak bumi yang kamu cintai ini. Misalnya, meteor-meteor yang jatuh ke bumi akan hangus terbakar digesek oleh lapisan atmosfer, angin matahari yang sangat berbahaya bagi manusia dibelokkan oleh medan magnet bumi serta radiasi ultraviolet yang juga berbahaya sebagian diserap oleh atmosfer sehingga kadarnya jadi bermanfaat bagi manusia. Dengan kata lain, atmosfer atau disebut juga udara diciptakan khusus untuk kehidupan manusia. Atmosfer memiliki tekanan seperti halnya zat cair.

Tekanan udara sangat memengaruhi cuaca. Terjadinya angin merupakan salah satu hal yang disebabkan oleh perbedaan tekanan atmosfer di dua daerah yang berdekatan. Angin bersifat meratakan tekanan udara. Semakin besar perbedaan tekanan udaranya, semakin kencang angin yang berhembus sehingga terjadi keseimbangan tekanan. Perbedaan tekanan ini dipicu oleh perbedaan suhu akibat pemanasan sinar matahari.

LATIHAN SOAL DAN PEMBAHASAN

1.      Benda dikatakan bergerak terhadap pengamat jika ...

A.    kedudukan benda berubah terhadap pengamat

B.     kedudukan benda dekat terhadap pengamat

C.     kedudukan benda jauh terhadap pengamat

D.    benda memiliki kecepatan

 Jawaban: A

Benda dikatakan bergerak jika kedudukannya berubah. Sedangkan benda yang memiliki kecepatan belum tentu dia bergerak terhadap pengamat, karena bisa saja pengamat memiliki kecepatan yang sama, sehingga kedudukan benda terhadap pengamat tidak berubah.

2.      Sebuah bola ditendang hingga dia bergerak. Bola akan mengalami gerak lurus berubah beraturan jika ...

A.    percepatan sama dengan nol

B.     kecepatan tetap

C.     tidak memiliki percepatan

D.    percepatan nilainya negatif

Jawaban: D

Sebuah benda dikatakan mengalami gerak lurus berubah beraturan jika memiliki percepatan, baik itu bernilai positif ataupun bernilai negatif.

3.      Selain mengakibatkan perubahan bentuk, gaya yang dikenakan pada sesuatu akan membuat sesuatu tersebut mengalami perubahan ...

A.    volume

B.     massa

C.     percepatan

D.    kecepatan

Jawaban: D

Gaya yang dikenakan pada sesuatu akan menyebabkan perubahan kecepatan pada sesuatu.

4.      Sebuah benda bermassa 2 kg dijatuhkan dari ketinggian 10 m. Maka energi kinetik saat benda menyentuh tanah adalah ...

A.    200 J

B.     100 J

C.     50 J

D.    40 J

Jawaban: A

Kita gunakan kekekalan energi mekanik. Pada saat ketinggiannya 10 m maka energi potensialnya maksimal, sedangkan energi kinetiknya sama dengan nol. Hal ini berkebalikan jika benda berada di permukaan, maka energi kinetik maksimal energi potensial sama dengan nol. Dengan demikian besarnya energi kinetik di permukaan sama dengan besar energi potensial pada 10 m.

Maka energi kinetik di permukaan sama dengan 200 J

5.      Sebuah pengungkit memiliki panjang 25 m. Ada dua beban yang massanya 20 kg dan 5 kg. Panjang lengan kuasa dan lengan beban agar pengungkit itu setimbang adalah ...

A.    20 m dan 5 m

B.     5 m dan 20 m

C.     10 m dan 15 m

D.    15 m dan 10 m

Jawaban: A

Untuk mencari lengan kuasa dan lengan beban kita gunakan persamaan sebagai berikut.

Maka lengan kuasa dan lengan beban berturut-turut adalah 20 m dan 5 m.

6.      Sebuah bis bermassa 0,5 ton melaju dengan kecepatan 72 km/jam. Di depan bis tersebut ada Superman yang berusaha menghentikan bis. Gaya yang diperlukan oleh Superman untuk menghentikan bis tersebut sampai berhenti pada jarak 50 km adalah ...

A.    200 N

B.     1000 N

C.     2000 N

D.    3000 N

Jawaban: C

Ubah terlebih dahulu kecepatan 72 km/jam menjadi 20 m/s. Kemudian cari percepatan. Untuk mencari gaya, maka percepatan dikalikan dengan massa bis.

Gaya yang digunakan Superman adalah 2000 N

7.      Balok besi bermassa 2 kg diikat tali yang panjangnya 0,5 m. Kemudian balok tersebut diputar dengan kecepatan tetap 2 m/s. Tegangan tali yang dirasakan saat balok kayu berada di bawah adalah ...

A.    46 N

B.     37 N

C.     36 N

D.    29 N

Jawaban: C

Tegangan tali saat balok di titik terbawah adalah merupakan penjumlahan antara berat balok dengan gaya sentrifugal (gaya yang arahnya keluar, gaya ini disebabkan karena benda melakukan gerak melingkar). Persamaannya adalah sebagai berikut.

Tegangan tali pada titik terbawah adalah 36 N

8.      Bola Naga di Bumi memiliki berat sebesar 50 N. Jika dia dibawa ke planet Namex yang massanya 2 kali massa Bumi dan jari-jarinya setengah jari-jari Bumi. Berat bola Naga di planet Namex adalah ...

A.    400 N

B.     200 N

C.     100 N

D.    40 N

Jawaban: A

Gaya gravitasi dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut.

Gunakan perbandingan untuk mencari besar gaya gravitasi di Planet Namex sebagai berikut.

Berat bola Naga di planet Namex adalah 400 N

9.      Christiano Ronaldo menendang bola vertikal ke atas hingga mencapai tinggi maksimum 20 m, setelah itu bola kembali ke Bumi lagi. Setelah itu bola kembali ke Bumi lagi. Kecepatan benda tersebut pada ketinggian 15 m adalah ...

A.    10 m/s

B.     20 m/s

C.     30 m/s

D.    40 m/s

Jawaban: A

Untuk lebih mudahnya kita gunakan hukum kekekalan energi.

Kecepatan bola pada ketinggian 15 m adalah 10 m/s

DAFTAR PUSTAKA

Kanginan, Marthen, IPA FISIKA untuk SMP Kelas VIII, Jakarta: Erlangga, 2002.

Prasodjo, Budi, dkk, Fisika SMP Kelas VIII, Jakarta: Yudhistira, 2010.

Sugiyono, Vany, Fisika Menyongsong OSN SMP, Yogyakarta: Pustaka Pelajar, 2010.

Wijaya, Agung, dkk, Cerdas Belajar IPA untuk SMP/MTs Kelas VIII, Jakarta: Grasindo Gramedia Widiasarana Indonesia, 2009.