10 Contoh soal usaha dan energi lengkap dengan pembahasannya, mudah dipahami

Brilio.net - Usaha dan energi merupakan konsep fundamental dalam ilmu fisika yang erat kaitannya dengan berbagai aktivitas sehari-hari. Kedua konsep ini saling berhubungan dan berperan penting dalam menjelaskan fenomena pergerakan benda di sekitar kita. Usaha didefinisikan sebagai energi yang dikeluarkan untuk memindahkan suatu objek, sementara energi adalah kemampuan untuk melakukan usaha tersebut.

Dalam konteks fisika, usaha terjadi ketika gaya yang diberikan pada suatu benda mengakibatkan perpindahan. Contoh sederhana usaha dapat dilihat pada aktivitas mendorong atau menarik benda, di mana gaya yang diaplikasikan menyebabkan objek berpindah posisi. Besarnya usaha yang dilakukan bergantung pada besarnya gaya yang diberikan dan jarak perpindahan benda.

Energi, di sisi lain, memiliki berbagai bentuk yang dapat berubah dari satu jenis ke jenis lainnya. Dua jenis energi yang sering dibahas dalam konteks usaha dan energi adalah energi potensial dan energi kinetik. Energi potensial berkaitan dengan posisi atau kedudukan benda, sedangkan energi kinetik berhubungan dengan gerak benda.

Rumus Usaha:

Usaha (W) didefinisikan sebagai hasil perkalian antara gaya (F) yang bekerja pada suatu benda dengan perpindahan (s) yang dialami benda tersebut. Secara matematis, rumus usaha dapat dituliskan sebagai:

W = F × s

Di mana:
W = Usaha (Joule)
F = Gaya (Newton)
s = Perpindahan (meter)

Penting untuk dicatat bahwa usaha hanya terjadi jika ada perpindahan benda. Jika gaya yang diberikan tidak menyebabkan benda berpindah, maka tidak ada usaha yang dilakukan.

foto: unsplash.com

Rumus Energi:

Energi terbagi menjadi dua jenis utama dalam konteks usaha dan energi, yaitu energi potensial dan energi kinetik.

1. Energi Potensial (Ep):

Energi potensial gravitasi adalah energi yang dimiliki benda karena posisinya terhadap suatu titik acuan. Rumusnya adalah:

Ep = m × g × h

Di mana:
Ep = Energi potensial (Joule)
m = Massa benda (kg)
g = Percepatan gravitasi (m/s²)
h = Ketinggian benda dari titik acuan (m)

2. Energi Kinetik (Ek):

Energi kinetik adalah energi yang dimiliki benda karena geraknya. Rumusnya adalah:

Ek = ½ × m × v²

Di mana:
Ek = Energi kinetik (Joule)
m = Massa benda (kg)
v = Kecepatan benda (m/s)

Berikut brilio.net himpun contoh usaha dan energi beserta pembahasannya dari berbagai sumber pada Rabu (14/8).

Contoh soal usaha dan pembahasannya.

foto: pixabay.com

1. Sebuah kotak ditarik dengan gaya 50 N sejauh 10 meter. Berapakah usaha yang dilakukan?

Pembahasan:
Diketahui:
F = 50 N
s = 10 m

Ditanya: W = ?

Jawab:
W = F × s
W = 50 N × 10 m
W = 500 Joule

Jadi, usaha yang dilakukan adalah 500 Joule.

2. Seorang pekerja mendorong gerobak dengan gaya 75 N. Jika gerobak berpindah sejauh 20 meter, berapakah usaha yang dilakukan pekerja tersebut?

Pembahasan:
Diketahui:
F = 75 N
s = 20 m

Ditanya: W = ?

Jawab:
W = F × s
W = 75 N × 20 m
W = 1.500 Joule

Jadi, usaha yang dilakukan pekerja adalah 1.500 Joule.

3. Sebuah mobil didorong dengan gaya 200 N dan berpindah sejauh 5 meter. Hitunglah usaha yang dilakukan!

Pembahasan:
Diketahui:
F = 200 N
s = 5 m

Ditanya: W = ?

Jawab:
W = F × s
W = 200 N × 5 m
W = 1.000 Joule

Jadi, usaha yang dilakukan adalah 1.000 Joule.

4. Jika diketahui usaha yang dilakukan untuk memindahkan sebuah benda adalah 750 Joule dan gaya yang diberikan sebesar 150 N, berapakah jarak perpindahan benda tersebut?

Pembahasan:
Diketahui:
W = 750 Joule
F = 150 N

Ditanya: s = ?

Jawab:
W = F × s
s = W ÷ F
s = 750 Joule ÷ 150 N
s = 5 meter

Jadi, jarak perpindahan benda tersebut adalah 5 meter.

Contoh soal energi dan pembahasannya.

foto: Unsplash.com

Contoh soal energi potensial:

1. Sebuah bola bermassa 2 kg diletakkan di atas rak dengan ketinggian 3 meter. Jika percepatan gravitasi adalah 10 m/s², berapakah energi potensial bola tersebut?

Pembahasan:
Diketahui:
m = 2 kg
h = 3 m
g = 10 m/s²

Ditanya: Ep = ?

Jawab:
Ep = m × g × h
Ep = 2 kg × 10 m/s² × 3 m
Ep = 60 Joule

Jadi, energi potensial bola tersebut adalah 60 Joule.

2. Sebuah buku dengan massa 0,5 kg berada di atas meja setinggi 1,5 meter. Hitunglah energi potensial buku tersebut jika percepatan gravitasi adalah 9,8 m/s²!

Pembahasan:
Diketahui:
m = 0,5 kg
h = 1,5 m
g = 9,8 m/s²

Ditanya: Ep = ?

Jawab:
Ep = m × g × h
Ep = 0,5 kg × 9,8 m/s² × 1,5 m
Ep = 7,35 Joule

Jadi, energi potensial buku tersebut adalah 7,35 Joule.

3. Jika sebuah objek memiliki energi potensial sebesar 490 Joule dan berada pada ketinggian 10 meter, berapakah massa objek tersebut? (g = 9,8 m/s²)

Pembahasan:
Diketahui:
Ep = 490 Joule
h = 10 m
g = 9,8 m/s²

Ditanya: m = ?

Jawab:
Ep = m × g × h
m = Ep ÷ (g × h)
m = 490 Joule ÷ (9,8 m/s² × 10 m)
m = 5 kg

Jadi, massa objek tersebut adalah 5 kg.

Contoh soal energi kinetik:

1. Sebuah mobil bermassa 1.000 kg melaju dengan kecepatan 20 m/s. Berapakah energi kinetik mobil tersebut?

Pembahasan:
Diketahui:
m = 1.000 kg
v = 20 m/s

Ditanya: Ek = ?

Jawab:
Ek = ½ × m × v²
Ek = ½ × 1.000 kg × (20 m/s)²
Ek = ½ × 1.000 kg × 400 m²/s²
Ek = 200.000 Joule

Jadi, energi kinetik mobil tersebut adalah 200.000 Joule.

2. Sebuah bola golf bermassa 0,05 kg dipukul hingga melaju dengan kecepatan 50 m/s. Hitunglah energi kinetik bola golf tersebut!

Pembahasan:
Diketahui:
m = 0,05 kg
v = 50 m/s

Ditanya: Ek = ?

Jawab:
Ek = ½ × m × v²
Ek = ½ × 0,05 kg × (50 m/s)²
Ek = ½ × 0,05 kg × 2.500 m²/s²
Ek = 62,5 Joule

Jadi, energi kinetik bola golf tersebut adalah 62,5 Joule.

3. Sebuah peluru bermassa 10 gram ditembakkan dengan energi kinetik sebesar 500 Joule. Berapakah kecepatan peluru tersebut?

Pembahasan:
Diketahui:
m = 10 gram = 0,01 kg
Ek = 500 Joule

Ditanya: v = ?

Jawab:
Ek = ½ × m × v²
v² = (2 × Ek) ÷ m
v² = (2 × 500 Joule) ÷ 0,01 kg
v² = 100.000 m²/s²
v = √100.000 m/s
v = 316,23 m/s

Jadi, kecepatan peluru tersebut adalah 316,23 m/s.