Contoh Soal Fisika SMA Tentang Usaha dan Energi Lengkap dengan Gambar dan Latihan Soalnya
diperlukan koneksi internet untuk dapat melihat gambar soal dan jawaban!!
Contoh Soal dan Pembahasan tentang Usaha dan Energi, Materi Fisika kelas 2 SMA. Mencakup hubungan usaha, gaya dan perpindahan, mencari usaha dari selisih energi kinetik, menentukan usaha dari selisih energi potensial, tanda positif negatif pada usaha, usaha total, dan membaca grafik F − S.
Soal No. 1
Sebuah balok ditarik gaya F = 120 N yang membentuk sudut 37o terhadap arah horizontal seperti diperlihatkan pada gambar berikut ini.
Jika balok bergeser sejauh 10 m, tentukan usaha yang dilakukan pada balok!
Pembahasan
Soal No. 2
Balok bermassa 2 kg berada di atas permukaan yang licin dipercepat dari kondisi diam hingga bergerak dengan percepatan 2 m/s2.
Tentukan usaha yang dilakukan terhadap balok selama 5 sekon!
Pembahasan
Terlebih dahulu dicari kecepatan balok saat 5 sekon, kemudian dicari selisih energi kinetik dari kondisi awak dan akhirnya:
Soal No. 3
Benda 10 kg hendak digeser melalui permukaan bidang miring yang licin seperti gambar berikut!
Tentukan usaha yang diperlukan untuk memindahkan benda tersebut!
Pembahasan
Mencari usaha dengan selisih energi potensial :
Soal No. 4
Perhatikan grafik gaya (F) terhadap perpindahan (S) berikut ini!
Tentukan besarnya usaha hingga detik ke 12!
Pembahasan
Usaha = Luasan antara garis grafik F-S dengan sumbu S, untuk grafik di atas luasan berupa trapesium
W = 1/2(12 + 9) x 6
W = 1/2 (21)(6)
W = 63 joule
(Thanks tuk Rora http://r-kubik-tu-rora.blogspot.com/ atas koreksinya)
Soal No. 5
Sebuah mobil bermassa 5.000 kg sedang bergerak dengan kelajuan 72 km/jam mendekati lampu merah.
Tentukan besar gaya pengereman yang harus dilakukan agar mobil berhenti di lampu merah yang saat itu berjarak 100 meter dari mobil! (72 km/jam = 20 m/s)
Pembahasan
Soal No. 6
Sebuah tongkat yang panjangnya 40 cm dan tegak di atas permukaan tanah dijatuhi martil 10 kg dari ketinggian 50 cm di atas ujungnya. Bila gaya tahan rata-rata tanah 103 N, maka banyaknya tumbukan martil yang perlu dilakukan terhadap tongkat agar menjadi rata dengan permukaan tanah adalah….
A. 4 kali
B. 5 kali
C. 6 kali
D. 8 kali
E. 10 kali
(Soal UMPTN 1998)
Pembahasan
Dua rumus usaha yang terlibat disini adalah:
Pada martil :
W = m g Δ h
Pada tanah oleh gaya gesekan:
W = F S
Cari kedalaman masuknya tongkat (S) oleh sekali pukulan martil:
F S = mgΔh
(103) S = 10 (10)(0,5)
S = 50/1000 = 5/100 m = 5 cm
Jadi sekali jatuhnya martil, tongkat masuk tanah sedalam 5 cm. Untuk tongkat sepanjang 40 cm, maka jumlah jatuhnya martil:
n = 40 : 5 = 8 kali
Soal No. 7
Sebuah balok berada pada sebuah bidang miring dengan koefisien gesekan 0,1 seperti diperlihatkan gambar berikut.
Balok turun ke bawah untuk tinjauan 5 meter.
Tentukan:
a) gaya-gaya yang bekerja pada balok
b) usaha masing-masing gaya pada balok
c) usaha total
Gunakan g = 10 m/s2, sin 53o = 0,8, cos 53o = 0,6, W (huruf besar) untuk lambang usaha, dan w (kecil) untuk lambang gaya berat.
Pembahasan
a) gaya-gaya yang bekerja pada balok
gaya normal (N), gaya berat (w) dengan komponennya yaitu w sin 53° dan w cos 53°, gaya gesek Fges
b) usaha masing-masing gaya pada balok
Dengan bidang miring sebagai lintasan (acuan) perpindahan:
-Usaha oleh gaya Normal dan komponen gaya berat w cos 53°
Usaha kedua gaya bernilai nol (gaya tegak lurus lintasan)
-Usaha oleh komponen gaya berat w sin 53°
W = w sin 53° . S
W = mg sin 53° . S
W = (6)(10)(0,8)(5) = + 240 joule
(Diberi tanda positif, arah mg sin 53° searah dengan pindahnya balok.)
-Usaha oleh gaya gesek
Cari besar gaya gesek terlebih dahulu
fges = μ N
fges = μ mg cos 53°
fges = (0,1) (6)(10)(0,6) = 0,36 N 3,6 N
W = − fges S = − 3,6 (5) = − 18 joule
(Diberi tanda negatif, arah gaya gesek berlawanan dengan arah pindahnya balok)
c) usaha total
Wtotal = +240 joule − 18 joule = + 222 joule
Thanks to gita atas masukannya,..penempatan koma sudah diubah.
Soal No. 8
Sebuah balok bermassa 2 kg berada pada sebuah bidang miring kasar seperti diperlihatkan gambar berikut.
Balok didorong ke atas oleh gaya F = 25 N hingga bergeser ke atas untuk tinjauan sejauh 5 meter. Gaya gesek yang terjadi antara balok dengan bidang miring sebesar 3 N. Kemiringan bidang 53° terhadap horizontal.
Tentukan beserta tanda positif atau negatifnya:
a) usaha oleh gaya F
b) usaha oleh gaya gesek
c) usaha oleh gaya berat
d) usaha total
Pembahasan
a) usaha oleh gaya F
W = F . S = + 25 (5) = + 125 joule
b) usaha oleh gaya gesek
W = − f . S = − 3(5) = − 15 joule
c) usaha oleh gaya berat
W = − mg sin 53° . S = − (2)(10)(0,8)(5) = − 80 joule
d) usaha total
Wtotal = + 125 − 15 − 80 = 30 joule
Soal No.9
Benda seberat 10 N berada pada bidang miring yang licin dengan sudut kemiringan 30°. Bila benda meluncur sejauh 1 m, maka usaha yang dilakukan gaya berat adalah….
A. 10 sin 30° joule
B. 10 cos 30° joule
C. 10 sin 60° joule
D. 10 tan 30° joule
E. 10 tan 60° joule
(Dari soal Ebtanas 1990)
Pembahasan
Usaha oleh gaya berat
W = mg sin θ
Dari soal telah diketahui bahwa (mg) = 10 Newton dan θ = 30°, sehingga
W = 10 sin 30° joule
Soal No.10
Sebuah benda massanya 2 kg jatuh bebas dari puncak gedung bertingkat yang tingginya 100 m. Apabila gesekan dengan udara diabaikan dan g = 10 m s–2 maka usaha yg dilakukan oleh gaya berat sampai pada ketinggian 20 m dari tanah adalah…..
A. 200 joule
B. 400 joule
C. 600 joule
D. 1.600 joule
E. 2.400 joule
(Dari soal Ebtanas 1992)
Pembahasan
Usaha, perubahan energi potensial gravitasi:
W = mgΔ h
W = 2 x 10 x (100 − 20)
W = 1600 joule
Soal No.11
Sebuah mobil dengan massa 1 ton bergerak dari keadaan diam. Sesaat kemudian kecepatannya 5 m s–1. Besar usaha yang dilakukan oleh mesin mobil tersebut adalah…
A. 1.000 joule
B. 2.500 joule
C. 5.000 joule
D. 12.500 joule
E. 25.000 joule
(Dari Ebtanas 1994)
Pembahasan
Usaha perubahan energi kinetik benda:
W = 1/2 m Δ(v2)
W = 1/2 x 1000 x 52
W = 12 500 joule
Catatan:
Jika diketahui dua buah kecepatan atau v, maka v nya dikuadratkan dulu baru dikurangkan, bukan dikurangkan terus dikuadratkan!.
Soal No.12
Sebuah benda massa 5 kg berada di bagian atas bidang miring yang licin.
Jika kecepatan awal benda adalah 2 m/s tentukan usaha yang terjadi saat benda mencapai dasar bidang miring, gunakan percepatan gravitasi bumi di tempat itu g = 10 m/s2 dan sin 53o = 4/5!
Pembahasan
Cara pertama:
Usaha = selisih energi kinetik benda
Saat kecepatannya 2 m/s, energi kinetiknya adalah:
Ek = 1/2 mv2 = 1/2 (5)22 = 10 joule
Berikutnya harus tahu kecepatan benda saat tiba dibawah, cari dulu percepatannya
Percepatan benda pake hukum newton
ΣF = ma
mg sin 53° = ma
g sin 53° = a
10 × 4/5 = a
a = 8 m/s2
Kecepatan benda, rumus glbb:
Vt2 = Vo2 + 2aS
Vt2 = 22 + 2(8)(10)
Vt2 = 4 + 160 = 164 m/s
Di sini dibiarkan dalam bentuk Vt2 saja, karena nanti diperlukan Vt2 .
Saat sampai di bawah, energi kinetiknya adalah:
Ek = 1/2 mv2 = 1/2 (5)(164)= 410 joule
Sehingga,
Usaha = selisih energi kinetik benda
W = 410 − 10 = 400 joule
Cara kedua:
W = selisih energi potensial benda
W = mgΔh
W = 5(10)(10 sin 53°) W = 50 (10)(4/5) = 400 joule
Cara ketiga:
W = F S (gaya dikali perpindahan)
yang jadi gaya F = mg sin 53°
perpindahannya S = 10 m
Jadinya
W = (mg sin 53°) S
W = 5 (10)(4/5)(10) = 400 joule
Ketiga cara menghasilkan jawaban yang sama.
Latihan Soal
1) Perhatikan gambar berikut ini. Sebuah peluru bermassa m kilogram ditembakkan dengan kelajuan awal νo menenpuh lintasan parabolik.
Saat kedudukan peluru di titik A dan titik B:
(1) energi potensial peluru di titik A sama dengan energi potensial di titik B
(2) kelajuan peluru di titik A sama dengan kelajuan peluru di titik B
(3) energi mekanik peluru di titik A sama dengan energi mekanik di titik B
(4) besar momentum peluru di titik A sama dengan besar momentum di titik B
Pernyataan yang benar adalah…
A. 1, 2 dan 3
B. 1 dan 3
C. 2 dan 4
D. 4
E. 1, 2, 3 dan 4
2) Sebuah benda bermassa 25 kg terletak pada bidang miring tanpa gesekan dengan sudut 60° terhadap garis mendatar. Jika percepatan gravitasi 10 m.s−2 dan benda bergeser sejauh 2 meter ke arah bawah maka usaha yang dilakukan oleh gaya berat adalah….
A. 125 joule
B. 125√3 joule
C. 250 joule
D. 250√3 joule
E. 375 joule
3) Sebuah benda jatuh bebas dari ketinggian 10 m di atas tanah. Jika Ep adalah energi potensial benda dan Ek adalah energi kinetik benda maka saat posisi benda 3 m di atas tanah berlaku….
A. Ep : Ek = 3 : 10
B. Ep : Ek = 10 : 3
C. Ep : Ek = 3 : 7
D. Ep : Ek = 7 : 3
E. Ep : Ek = 10 : 7
4) Budi menarik kotak dengan seutas tali seperti diperlihatkan gambar berikut ini.
Jika tegangan pada tali sebesar 200 N maka usaha yang dilakukan Budi untuk memindahkan benda sejauh 4 meter adalah….
A. 400 joule
B. 800 joule
C. 1200 joule
D. 2000 joule
E. 4000 joule
5) Sebuah benda dengan massa 1 kg dilemparkan vertikal ke atas dengan kecepatan awal 40 m.s−1. Bila percepatan gravitasi g = 10 m.s−2, besar energi saat ketinggian benda mencapai 20 m adalah….
A. 300 J
B. 400 J
C. 500 J
D. 600 J
E. 700 J
6) Besarnya usaha yang dilakukan untuk memindahkan benda sesuai grafik berikut sejauh 12 meter adalah….
A. 26,25 joule
B. 52,50 joule
C. 78,75 joule
D. 105 joule
E. 131,25 joule
7) Sebuah benda yang bermassa 100 g jatuh bebas vertikal dari ketinggian 2 m ke hamparan pasir. Jika benda itu masuk sedalam 2 cm ke dalam pasir sebelum berhenti, gaya rata-rata yang dilakukan pasir untuk menghambat benda besarnya sekitar….
A. 30 N
B. 50 N
C. 60 N
D. 90 N
E. 100 N
8) Sebuah truk bermassa 5 ton sedang melaju di jalan raya pada kelajuan 8 m/s. Sopir truk melakukan pengereman dan truk berhenti setelah menempuh jarak 20 meter. Gaya rata-rata yang dihasilkan oleh rem truk tersebut adalah….
A. 4 kN
B. 5 kN
C. 6 kN
D. 7 kN
E. 8 kN
9) Sebuah gaya F = (4i + 6j) N melakukan usaha dengan titik tangkapnya berpindah menurut r = (8i + aj) m dan vektor i dan j berturut-turut adalah vektor satuan searah dengan sumbu x dan sumbu y pada koordinat kartesian. Bila usaha itu bernilai 36 J, maka nilai a sama dengan….
A. 1
B. 2
C. 3
D. 4
E. 5
10) Sebuah gaya F = (2i + 3j) N melakukan usaha dengan titik tangkapnya berpindah menurut r = (6i + 5j) m dengan vektor i dan j berturut-turut adalah vektor satuan searah dengan sumbu x dan sumbu y pada koordinat kartesian. Besar usaha yang dilakukan gaya tersebut adalah….joule
A. 10
B. 12
C. 15
D. 18
E. 27
11) Sebuah palu bermassa 2 kg dan berkecepatan 20 m/s menghantam sebuah paku sehingga paku ini masuk ke dalam kayu 5 cm. Besar gaya tahanan yang disebabkan kayu adalah….
A. 400 N
B. 800 N
C. 4000 N
D. 8000 N
E. 40000 N
12) Grafik berikut menyatakan gaya yang bekerja pada suatu benda bermassa 2 kg pada selang waktu 4 sekon.
Jika benda tersebut mula-mula diam, maka besarnya energi kinetik setelah 4 sekon adalah….joule
A. 50
B. 100
C. 200
D. 300
E. 400