A. KONSEP USAHA

Seringkali kita mendengar kata usaha dalam kehidupan sehari-hari.  Menurut Kamus Besar Bahasa Indonesia, adalah kegiatan dengan mengerahkan tenaga, fikiran, atau badan untuk mencapai suatu maksud. Sedangkan dari sudut pandang IPA fisika usaha adalah proses perubahan energi, yang melibatkan perpindahan (bergerak) suatu benda karena ada gaya yang mempengaruhi. Dari kedua pengertian tentang usaha, jelas terdapat perbedaan. Jika ditinjau dari konsep kita sehari-hari lebih menekankan pada proses, sedangkan pada konsep fisika, disebut melakukan usaha jika ada perpindahan benda. Misalnya ada seorang anak mencoba menggeser lemari dengan sekuat tenaga ternyata lemari tidak bergerak atau berpindah tempat, jika ditinjau dari kamus atau konsep kita secara umum, maka anak tersebut tetap dikatakan sudah melakukan usaha atau dengan kata sudah berusaha, karena sudah melibatkan tenaga dan mungkin pikiran, tetapi hasilnya lemari belum bergeser. Tetapi dari konsep fisika, anak tersebut belum melakukan usaha karena lemari tidak bergerak atau berpindah tempat.

Dari uraian di atas, jelas sudah bahwa konsep fisika tentang usaha melibatkan 2 faktor yaitu : Gaya (F) dan Perpindahan (S). Lalu bagaimanakah hubungan antara usaha, gaya dan perpindahan? Untuk melukiskan hubungan antara ketiga besaran tersebut, ada dua contoh sebagai berikut :

Contoh pertama : Dua orang anak saling mendorong meja dengan arah berlawanan, anak pertama mempunya bobot (massa) sebesar 40 kg, sedangkan anak kedua 50 kg, ternyata meja bergeser ke arah anak pertama sejauh 1 meter.

Dari contoh tersebut dapat di analisa bahwa mengapa benda bergerak atau bergeser ke arah anak pertama, karena massa anak kedua lebih besar daripada massa anak pertama, sehingga usaha yang dilakukan lebih besar anak kedua. Akibat usaha lebih besar pada anak kedua maka meja bergerak ke arah anak pertama. Jadi dapat disimpulkan bahwa semakin besar gaya (dalam contoh tersebut adalah gaya otot lengan) maka semakin besar pula usahanya.

Contoh Kedua : Dua orang anak dengan bobot yang sama melakukan usaha mendorong kursi dengan jarak yang berbeda. Anak pertama mendorong kursi sejauh 2 meter dan menghasilkan usaha sebesar 1000J, sedangkan anak kedua mendorong kursi sejauh 4 meter dan menghasilkan usaha sebesar 2000J.

Dari contoh kedua, jelas bahwa anak kedua  melakukan usaha lebih besar daripada anak pertama karena jaraknya lebih jauh. Jadi dapat disimpulkan bahwa semakin besar perpindahan suatu benda, maka semakin besar pula usaha yang dilakukan.

Dari kedua uraian di atas maka dapat disimpulkan bahwa usaha berbanding lurus dengan gaya dan perpindahannya, artinya semakin besar gaya dan semakin besar perpindahan maka usaha yang dihasilkan juga semakin besar. Hubungan seperti itu dirumuskan sebagai berikut :

W = ∑F . s

Keterangan :

• W = Usaha (Joule)
• ∑F = Jumlah (Resultan) Gaya (Newton)
• s = Jarak atau perpindahan (meter)

Contoh Soal dan Pembahasan :

Soal No. 1
Perhatikan gambar berikut, sebuah kotak ditarik dengan gaya F sebesar 12 Newton.

Kotak berpindah 4 meter ke kanan dari posisi semula.

Tentukan usaha yang dilakukan gaya pada kotak tersebut!

Pembahasan

Usaha = gaya x perpindahan
W = F x S
W = 12 x 4
W = 48 joule

Soal No. 2
Sebuah balok berada pada lantai licin dan ditarik oleh gaya F = 40 Newton. Jika usaha yang dilakukan oleh gaya kepada balok adalah 680 joule, hitunglah besar perpindahan balok!

Pembahasan
Usaha = gaya x perpindahan
W = F x S
680 = 40 x S
S = 680 / 40
S = 17 meter

Soal No. 3
Usaha yang diperlukan untuk memindahkan sebuah benda dalam lintasan mendatar sejauh 13 meter sebesar 15,6 joule. Tentukan besar gaya yang harus diberikan pada benda!

Pembahasan
Usaha = gaya x perpindahan
W = F x S
15,6 = F x 13
F = 15,6 / 13
F = 1,2 Newton

Soal No. 4
Dua buah gaya masing-masing F₁ = 10 N dan F₂ = 5 N bekerja pada sebuah benda yang terletak pada suatu permukaan lantai. Jika benda berpindah ke kanan sejauh 5 meter, tentukan usaha yang dilakukan pada benda oleh kedua gaya tersebut!

Pembahasan
W = (F₁ + F₂) x S
W = (10 + 5) x 5
W = 15 x 5
W = 75 joule

Soal No. 5
Seorang siswa yang beratnya 450 Newton menaiki tangga yang memiliki ketinggian 3 m. Siswa tersebut memerlukan waktu 6 detik untuk sampai ke atas. Tentukan daya yang dikeluarkan siswa untuk kegiatan tersebut!

Pembahasan
Hubungan Daya (P) dan Usaha (W) serta waktu (t) :

P = W / t

dimana

W = Usaha (joule) , jangan keliru sebagai berat karena lambang berat w juga!

W = (gaya berat siswa) x (perpindahan siswa) = 450 x 3 = 1350 joule

Dengan demikian :
P = W/t
P = 1350 / 6
P = 225 watt

Soal No. 6
Dalam 2 menit sebuah lampu menggunakan energi listrik sebanyak 3000 joule. Tentukan daya lampu tersebut!

Pembahasan
Ubah menit menjadi detik, 2 menit = 120 detik

P = W/t
P = 3000 / 120
P = 25 watt

B. PESAWAT SEDERHANA

Pesawat sederhana adalah suatu alat yang digunakan untuk mempermudah melakukan usaha. Pesawat sederhana terdiri atas, katrol, roda berporos, bidang miring, dan pengungkit.

1. Katrol

Katrol adalah sebuah roda yang sekelilingnya diberi tali dan dipakai untuk mempermudah pekerjaan manusia. Ada berbagai macam katrol, yaitu katrol tetap, katrol bebas, dan katrol majemuk.

• Katrol tetap berfungsi untuk mengubah arah gaya tidak menggandakan gaya kuasa. Keuntungan mekanis untuk katrol tetap sama dengan 1.
• Katrol bebas berfungsi untuk melipat gandakan gaya, sehingga gaya pada kuasa yang diberikan untuk mengangkat benda menjadi setengah dari gaya beban. Keuntungan mekanis untuk katrol bebas sama dengan 2.
• Katrol majemuk merupakan katrol gabungan dari katrol tetap dan katrol bebas yang dirangkai menjadi satu sistem yang terpadu. Katrol majemuk biasa digunakan dalam bidang industri untuk mengangkat benda-benda yang berat. Keuntungan mekanis untuk katrol bebas sama dengan jumlah katrol.

2. Roda Berporos

Roda berporos merupakan pesawat sederhana yang terdiri atas sebuah poros yang melekat pada pusat roda yang lebih besar sehingga roda dan poros dapat berputar bersama-sama. Roda berporos memiliki fungsi untuk mempercepat gaya. Contoh penerapan pesawat sederhana jenis roda berporos adalah pada kursi roda, sepeda, mobil, dan sepatu roda.

4. Bidang Miring

Bidang miring merupakan bidang datar yang diletakkan miring atau membentuk sudut tertentu sehingga dapat memudahkan gerak benda. Bidang miring mampu mengubah gaya dan jarak. Contoh penerapan bidang miring adalah tangga, sekrup, dan pisau.

Keuntungan mekanis bidang miring adalah

KM = W/F 

atau

KM = l/h

Keterangan:

KM = keuntungan mekanis

W = berat beban (N)

F = gaya kuasa (N)

l = panjang bidang miring

h = tinggi bidang miring

4. Pengungkit/Tuas

Jenis-Jenis Pengungkit

Pengungkit merupakan pesawat sederhana yang dibuat dari sebatang benda yang keras (seperti balok kayu, batang bambu, atau batang logam) yang digunakan untuk mengangkat atau mencongkel benda. Pengungkit dapat memudahkan usaha dengan cara menggandakan gaya kuasa dan mengubah arah gaya.

Sistem kerja pengungkit terdiri atas tiga bagian, yaitu bagian beban, titik tumpu, dan kuasa. Berdasarkan posisi bagian-bagian sistem kerjanya, maka pengungkit dikelompokkan menjadi tiga yaitu pengungkit jenis pertama, pengungkit jenis kedua, dan pengungkit jenis ketiga.

a. Pengungkit Jenis Pertama

Pengungkit jenis pertama memiliki titik tumpu yang berada di antara beban dan kuasa. Semakin panjang lengan kuasa, maka semakin kecil gaya yang diperlukan untuk mengungkit beban tersebut. Contoh pengungkit jenis pertama, yaitu gunting, tang, linggis, dan palu pencabut paku.

b. Pengungkit Jenis Kedua

Pengungkit jenis kedua memiliki beban yang berada di antara titik tumpu dan kuasa. Contoh pengungkit jenis kedua yaitu gerobag dorong, pembuka kaleng, pemotong kertas, dan pemecah biji.

c. Pengungkit Jenis Ketiga

Pada pengungkit jenis ketiga, posisi kuasa berada di antara titik tumpu dan beban. Contoh pengungkit jenis ketiga yaitu sekop, jepitan, dan lengan bawah saat membawa beban.

Rumus Tuas

Untuk menyelesaikan soal-soal tuas, kita harus mengetahui beberapa istilah.

Rumus yang akan digunakan adalah :

Keterangan :

F = Gaya (Kg.m/s² atau Newton)

Lk = Lengan Beban (m)

Lb = Lengan Kuasa (M)

W = Beban (Kg.m/s² atau Newton)

KM = Keuntungan mekanik (Tanpa Satuan)

Contoh Soal dan Pembahasan

1. Seorang anak sedang mengungkit sebuah batu.

Tentukan gaya yang diperlukan anak!

Penyelesaian :

Diketahui :

Beban w = 360 N

Lengan beban Lb = 20 cm

Lengan kuasa Lk = 80 cm

Ditanyakan gaya yang diperlukan (F)?

Jawab :

w.Lb = F.Lk

F = w.Lb/Lk

F = 360.20/80

F = 90 N

Besarnya gaya yang diperlukan anak sebesar 90 N.

2. Perhatikan gambar dibawah ini!

Besar Kuasa (F)?

Penyelesaian :

Diketahui :

Beban w = 1000 N

Lengan beban Lb = 0,5 m

Lengan kuasa Lk = 2 m

Ditanyakan gaya yang diperlukan (F)?

Jawab :

w.Lb = F.Lk

F = w.Lb/Lk

F = 1000.0,5/2

F = 250 N

Besarnya kuasa sebesar 90 N.

3. Perhatikan gambar!

Keuntungan mekanis dari tuas tersebut adalah…

Penyelesaian :

Diketahui :

Beban w = 75 N

Kuasa F = 7,5 N

Lengan beban Lb = 5 cm

Lengan kuasa Lk = 50 cm

Ditanyakan :

Keuntungan mekanis (KM)?

Jawab.

Cara 1

KM = w/F

KM = 75/7,5

KM = 10

Cara 2

KM = Lk/Lb

KM = 50/5

KM = 10

Besarnya keuntungan mekanis sebesar 10.

4. Perhatikan gambar berikut ini!

Besar gaya yang diperlukan untuk mengungkit batu adalah ….

Penyelesaian :

Diketahui :

Massa batu m = 120 Kg

Gravitasi bumi, g = 10 m/s2

Beban w = m.g = 120.10 N = 1200 N

Lengan beban Lb = 20 cm

Lengan kuasa Lk = 80 cm

Ditanyakan :

Besar gaya (F)?

Jawab

w.Lb = F.Lk

F = w.Lb/Lk

F = 1200.20/80

F = 300 N

Besarnya gaya yang diperlukan untuk mengungkit batu sebesar 300 N.

5. Perhatikan gambar pengungkit di bawah ini!

Beban kemudian digeser 10 cm mendekati titik tumpu. Agar tuas berada pada posisi seimbang

maka kuasanya ….

Penyelesaian :

Diketahui :

Lengan beban: Lb = 25 cm

Berat beban: w = 480 N

Gaya: F = 160 N

Menghitung lengan kuasa sebelum benda di geser:

Kemudian, benda digeser 10 cm mendekati titik tumpu. Sehingga, diketahui keterangan berikut.

Lengan beban: Lb = 25 cm – 10 cm = 15 cm

Lengan kuasa (Lk) = 75 cm

Berat beban (w) = 480 Newton

Menghitung gaya (F) agar tuas berada pada posisi seimbang:

Menghitung besar gaya yang perlu dikurangi:

= 160 N – 96 N

= 64 N

Jadi, agar tuas berada pada posisi seimbang maka kuasanya dikurangi 64 N.

6. Sebuah benda diletakkan di atas tuas seperti gambar di bawah ini!

Saat titik tumpu digeser 10 cm mendekati beban, supaya tuas tetap seimbang yang dilakukan

adalah …

Penyelesaian :

Diketahui :

Lengan beban awal (LB) = 30 cm

Lengan kuasa awal (LK) = belum diketahui

Beban (W) = 600 N

Kuasa (F) = 200N

Kita cari terlebih dahulu panjang lengan kuasa sebelum titik tumpu digeser.

Selanjutnya, setelah titik tumpu digeser 10 cm mendekati beban maka lengan kuasa bertambah

10 cm dan lengan beban berkurang 10 cm.

LK baru = 90 cm + 10 cm = 100 cm

LB baru = 30 cm – 10 cm = 20 cm

Namun, hal tersebut menyebabkan tuas tidak seimbang. Agar tetap seimbang, maka lengan kuasa

perlu kita geser. Untuk menentukan pergeserannya, kita hitung dengan menggunakan LB baru =

20 cm.

Itu artinya, lengan kuasa yang semula 100 cm dari titik tumpu harus digeser menjadi 60 cm. Panjang     pergeserannya adalah:

100 cm – 60 cm = 40 cm