10 Soal & Pembahasan Usaha dan Energi (bagian 1) ǀ Pilihan Ganda

Usaha (work) adalah perubahan energi. Pada bab ini, kita akan lekat dengan bahasan energi, baik energi mekanik, potensial, kinetik, internal, dan hukum kekekalan. Inilah 10 soal & pembahasan usaha dan energi (bagian 1) pilihan ganda.

Baca sebelumnya : 10 Soal & Pembahasan Hukum Gravitasi Newton (bagian 1) ǀ Pilihan Ganda

Pilihlah jawaban yang tepat dari pilihan di bawah ini.

1. Balok bermassa 2 kg didorong dengan gaya 2 N sehingga berpindah sejauh 2 m. Usaha yang telah dilakukan untuk memindahkan balok sebesar . . .

A. 2 J

B. 4 J

C. 6 J

D. 8 J

E. 10 J

Pembahasan :

Diketahui :

F = 2 N

s = 2 m

Ditanya : usaha (W)

W = F.s = 2.2 = 4 Joule

Jawaban B

Untuk soal nomor 2 dan 3!

Benda bermassa 500 gr didorong oleh gaya 16 N dengan sudut 60^osehingga berpindah sejauh 2,5 m.

2. Usaha yang dilakukan oleh gaya 16 N adalah . . .

A. 16 J

B. 20 J

C. 32 J

D. 40 J

E. 48 J

Pembahasan :

Diketahui :

F = 16 N

θ = 60^o

cos θ = 0,5

x = s = 2,5 m

Ditanya : usaha (W)

W = F cos θ.s = 16(0,5)(2,5) = 20 Joule

Jawaban B

3. Usaha yang dilakukan oleh gaya berat benda tersebut adalah . . .

A. 0

B. 1,00 J

C. 1,25 J

D. 2,00 J

E. 2,50 J

Pembahasan :

Karena tidak ada perpindahan benda terhadap sumbu y (vertikal), maka usaha yang dikerjakan gaya berat (gaya gravitasi) adalah nol, kecuali terperosok ke dalam sebuah lubang.

Jawaban A

4. Perhatikan gambar berikut!

Partikel bergerak lurus secara horizontal. Usaha total yang dilakukan partikel untuk berpindah sejauh 15 m adalah . . .

A. 10 J

B. 15 J

C. 30 J

D. 45 J

E. 60 J

Pembahasan :

Usaha = Gaya x Perpindahan

Mencari nilai usaha dari grafik gaya F dan perpindahan s adalah dengan cara mencari luas permukaan di bawah kurva.

Kurva terdiri dari ruang 1 dan 3 yang berbentuk segitiga siku-siku, dan ruang 2 yang berbentuk persegi panjang.

W_total = L₁ + L₂ + L₃

W_total = (1/2)(5)(3) + (5)(3) + (1/2)(5)(3) = 30 joule

Jawaban C

5. Gaya gravitasi bekerja antara Matahari dan bumi. Jika kita asumsikan orbit bumi terhadap matahari adalah lingkaran, maka usaha oleh gaya gravitasi pada interval waktu yang pendek adalah . . .

A. positif

B. negatif

C. nol

D. tidak dapat ditentukan

E. sama dengan gayanya

Pembahasan :

Usaha akan bernilai nol, jika tidak ada perpindahan posisi. Misal, Ani lari mengelilingi lapangan satu putaran penuh, maka usaha yang ia lakukan adalah nol. Hal ini karena ia kembali ke posisi awal, sehingga perpindahan posisinya adalah nol.

Gaya dorong benda yang berpindahan ke kanan di atas lantai memiliki usaha. Tetapi, gaya berat (gravitsi) benda yang arahnya ke pusat bumi tidak membuat benda berpindah terhadap arah vertikal.

Kita simpulkan bahwa usaha yang dilakukan gaya berat (gravitasi) adalah nol, tetapi gaya dorong tidak nol.

Pada kasus di atas, Matahari menarik Bumi dengan gaya gravitasinya. Tetapi, Bumi tidak jatuh menumbuk Matahari. Usaha yang dilakukan gaya gravitasi disini adalah nol karena perpindahan nya tegak lurus terhadap gaya.

Jawaban C

6. Kereta belanja meluncur pada bidang miring karena hentakan angin. Kemudian, seorang ibu mendorong kereta tersebut dengan gaya F = 20i + 30j N. Kereta mengalami perpindahan s = 3i + 4j meter. besar usaha oleh gaya untuk memindahkan kereta adalah . . .

A. 120 J

B. 150 J

C. 180 J

D. 200 J

E. 240 J

Pembahasan :

Usaha (W) adalah Gaya (F) dikali perpindahan (s). Soal di atas menyajikan nilai gaya dan perpindahan yang tidak biasa. Kita dapat menggunakan sifat perkalian dot product, mengingat usaha adalah hasil product dari pekalian dot (titik).

F = A_x + A_y + A_z, jika dikali dengan, s = B_x + B_y + B_z hasilnya adalah W = (A_x . B_x) + (A_y . B_y) + (A_z . B_z)

Diketahui :

F = 20i + 30 j dan s = 3i + 4j

Ditanya : usaha (W)

W = (A_x + A_y). (B_x + B_y)

W = (20i + 30j). (3i + 4j)

W = (A_x . B_x) + (A_y . B_y)

W = (20 . 3) + (30 . 4)

W = 60 + 120 = 180 J

Jawaban C

7. Kelereng bermassa 20 g bergerak dengan kecepatan 3,6 km/ jam. Besar energi kinetik yang dimiliki oleh kelereng tersebut adalah . . .

A. 10^-2 J

B. 10^-1 J

C. 10⁰ J

D. 10¹ J

E. 10² J

Pembahasan :

Diketahui :

m = 20 g = 20 x 10^-3 kg

v = 3,6 km/jam = 1 m/s

Ditanya : energi kinetik (E_k)

E_k = (1/2)mv²

E_k = (1/2)(20 x 10^-3)(1)

E_k = 1 x 10^-2 Joule

Jawaban A

8. Pernyataan yang benar mengenai hukum kekekalan energi adalah . . .

A. Hukum kekekalan energi terjadi pada sistem non konservatif

B. Hukum kekekalan energi menunjukkan bahwa energi kinetik sistem kekal

C. Hukum kekekalan energi menunjukkan bahwa energi potensial sistem kekal

D. Hukum kekekalan energi menunjukkan bahwa energi mekanik sistem kekal

E. Hukum kekekalan energi menunjukkan bahwa perubahan energi internal sistem sama dengan energi kinetiknya

Pembahasan :

Hukum kekekalan energi dan hukum kekekalan energi mekanik itu sedikit berbeda. Hukum kekekekalan energi mekanik mengharuskan sistem terisolasi dan bebas dari hambatan (gaya gesek udara atau medium).

Sedangkan, hukum kekekalan energi mutlak atau umum. Misal, energi diberikan untuk mendorong suatu bola. Lama-lama bola tersebut berhenti. Energi tadi berubah menjadi energi internal (panas) akibat gesekan permukaan bola dan lantai yang kasar, bukan hilang atau habis.

Kita akan fokus pada hukum kekekalan energi secara umum. Saat benda berada dalam kondisi mulai bergerak, energi kinetiknya maksimum dan energi internal (panas) akibat gesekan masih nol. Saat energi kinetik menurun, artinya benda berangsur melambat karena gesekan permukaan.

Kondisi ini energi internal (panas) yang muncul akibat gesekan semakin tinggi.

Jawaban E

Untuk soal nomor 9 sampai 11!

Kelapa bermassa 200 g berada pada ketinggian 10 m di atas tanah.

9. Energi yang dimiliki kelapa tersebut adalah . . .

A. 10 J

B. 15 J

C. 20 J

D. 25 J

E. 30 J

Pembahasan :

Diketahui :

m = 200 g = 0,2 kg

h = 10 m

Ditanya : energi potensial (E_p)

E_p = m.g.h

E_p = (0,2)(10)(10) = 20 J

Jawaban C

10. Jika kemudian kelapa jatuh, maka kecepatan kelapa saat tepat akan menyentuh permukaan tanah adalah . . .

A. 10

B. 10√2

C. 20

D. 20√2

E. 25

Pembahasan :

Saat benda tepat hendak menyentuh tanah, kita anggap energi potensialnya nol dan energi kinetiknya maksimum. Pada kasus ini, kita kondisikan sistem terisolasi, sehingga keadaan dapat terbalik.

Saat energi kinetik nol, energi potensial maksimum.

Diketahui :

*Pada ketinggian h = 10 m,

E_p = 20 J; E_k = 0

*Pada ketinggan h = 0 m,

E_p = 0; E_k = 20 J

*Kecepatan (v) benda tepat sebelum menyentuh tanah

E_k = (1/2)mv²

v = √(2.E_k/m)

v = √((2)(20)/0,2))

v = √(200)

v = 10√(2) m/s