Contoh soal dan Pembahasan Usaha dan Energi Mekanik, Potensial

Primalangga - Contoh  soal dan pembahasan Usaha dan Energi Kelas 10. pada kelas X semseter 2 kita akan membahas tentang usaha dan energi, materi pembelajaran disini mencakup  contoh soal dan pembahasan usaha dan energi, contoh soal usaha dan energi dan penyelesaiannya, dasar teori usaha pada bidang miring, materi usaha dan energi, contoh soal energi mekanik untuk lebih jelasnya mari kita bahas bersama

Contoh soal dan pembahasan usaha dan energi

Soal No. 1

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. 2

Sebuah balok ditarik gaya F = 120 N yang membentuk sudut 37^o terhadap arah horizontal seperti diperlihatkan pada gambar berikut ini.

Jika balok bergeser sejauh 10 m, tentukan usaha yang dilakukan pada balok!

Pembahasan 

Soal No.3

Sebuah peluru 20 gram ditembakkan dengan sudut elevasi 30° dan kecepatan awal 40 m/s. Jika gaya gesek dengan udara diabaikan, maka tentukan energi potensial peluru pada titik tertinggi!

pembahasan:

Tinggi maksimum peluru dicapai saat vy = 0 sehingga :

v_y = v_o sin a – g .t

0 = 40 . sin 30° – 10 . t

t = 2 s

Sehingga tinggi maksimum peluru adalah :

y = v_o . sin a . t – ½ . g . t²

y = 40 . sin 30° . 2 – ½ . 10 . 2²

y = 20 m (y dapat dilambangkan h, yang berarti ketinggian)

Jadi energi potensialnya :

E_p = m . g . h (20 gram = 0,02 kg)

E_p = 0,02 . 10 . 20

E_p = 4 joule

Soal No. 4

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. 5

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. 6

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

W_total = + 125 − 15 − 80 = 30 joule

Soal No.7

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.8

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 53^o = 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:

V_t² = Vo² + 2aS

V_t² = 2² + 2(8)(10)

V_t² = 4 + 160 = 164 m/s

Di sini dibiarkan dalam bentuk V_t² saja, karena nanti diperlukan V_t² .

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.

Soal No.

Sebuah balok bermassa 1 kg di atas lantai licin. Jika gaya mendatar 2 N digunakan untuk menarik balok, maka tentukan usaha yang dilakukan agar balok berpindah sejauh 3 m!

Penyelesaian:

W = F . s

W = 2 . 3

W = 6 joule

Soal No. 9

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

Soal No. 10

Sebuah balok bermassa 5 kg di atas lantai licin ditarik gaya 4 N membentuk sudut 60° terhadap bidang horisontal. Jika balok berpindah sejauh 2 m, maka tentukan usaha yang dilakukan!

pembahasan

W = F . s . cos a

W = 4 . 2 . cos 60°

W = 4 joule

Soal No. 11

Sebuah benda diberi gaya dari 3 N hingga 8 N dalam 5 sekon. Jika benda mengalami perpindahan dari kedudukan 2 m hingga 10 m, seperti pada grafik, maka tentukan usaha yang dilakukan

pembahasan

Usaha = luas trapesium

Usaha = jumlah garis sejajar x ½ . tinggi

Usaha = ( 3 + 8 ) x ½ . ( 10 – 2 )

Usaha = 44 joule

Soal No. 12

Buah kelapa bermassa 2 kg berada pada ketinggian 8 m. Tentukan energi potensial yang dimilikibuah kelapa terhadap permukaan bumi!

pembahasan

Ep = m . g . h

Ep = 2 . 10 . 8

Ep = 160 N

Soal No. 13

Sebuah sepeda dan penumpangnya bermassa 100 kg. Jika kecepatan sepeda dan penumpannya 72 km/jam, tentukan energio kinetik yang dilakukan pemiliki sepeda!

pembahasan

E_k = ½ . m . v² ( v = 72 km/jam = 72 x 1000 m / 3600s)

E_k = ½ . 100 . 20²

E_k = 20.000 joule

Soal No. 14

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. 15

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. 16

Buah kelapa 4 kg jatuh dari pohon setinggi 12,5 m. Tentukan kecepatan kelapa saat menyentuh tanah!

pembahasan

Kelapa jatuh memiliki arti jatuh bebas, sehingga kecepatan awalnya nol. Saat jatuh di tanah berarti ketinggian tanah adalah nol, jadi:

m.g.h₁ + ½ . m v₁² = m.g.h₂ + ½ . m . v₂²

jika semua ruas dibagi dengan m maka diperoleh :

g.h₁ + ½ .v₁² = g.h₂ + ½ . v₂²

10.12,5 + ½ .0² = 10 . 0 + ½ .v₂²

125 + 0 = 0 + ½ v₂²

v₂ =

v₂ = 15,8 m/s

Soal No. 17

Sebuah benda jatuh dari ketinggian 4 m, kemudian melewati bidang lengkung seperempat lingkaran licin dengan jari-jari 2 m. Tentukan kecepatan saat lepas dari bidang lengkung tersebut!

Penyelesaian :

Bila bidang licin, maka sama saja dengan

gerak jatuh bebas buah kelapa, lintasan

dari gerak benda tidak perlu diperhatikan,

sehingga diperoleh :

m.g.h₁ + ½ . m v₁² = m.g.h₂ + ½ . m . v₂²

g.h₁ + ½ .v₁² = g.h₂ + ½ . v₂²

10.6 + ½ .0² = 10 . 0 + ½ .v₂²

60 + 0 = 0 + ½ v₂²

v₂ =

v₂ = 10,95 m/s

10) Sebuah mobil yang mula-mula diam, dipacu dalam 4 sekon, sehingga mempunyai kecepatan 108 km/jam. Jika massa mobil 500 kg, tentukan usaha yang dilakukan!

pembahasan

Pada soal ini telah terdapat perubahan kecepatan pada mobil, yang berarti telah terjadi perubahan energi kinetiknya, sehingga usaha atau kerja yang dilakukan adalah :

W = ½ m v₂² – ½ m v₁²

W = ½ . 500 . 30³ – ½ . 500 . 0² ( catatan : 108 km/jam = 30 m/s)

W = 225.000 joule

Soal No. 17

Tentukan usaha untuk mengangkat balok 10 kg dari permukaan tanah ke atas meja setinggi 1,5 m!

pembahasan

Dalam hal ini telah terjadi perubahan kedudukan benda terhadap suatu titik acuan, yang berarti telah terdapat perubahan energi potensial gravitasi, sehingga berlaku persamaan:

W = m g (h₁ – h₂)

W = 10 . 10 . (0 – 1,5)

W = – 150 joule

Tanda (– ) berarti diperlukan sejumlah energi untuk mengangkat balok tersebut.

Baca juga : Contoh soal dan pembahasan fisika kelas 11 lengkap dengan latihan soalnya

Sekian dulu ya contoh soal dan pembahasan usaha dan energi kelas 10.  materi ini juga berkaitan dengan contoh soal dan pembahasan usaha dan energi, contoh soal usaha dan energi dan penyelesaiannya, dasar teori usaha pada bidang miring, materi usaha dan energi, contoh soal energi mekanik untuk lebih jelasnya mari kita bahas bersama