Modul IPA-Fisika04

Modul 4

Mata Pelajaran : IPA Fisika
Kelas / Semester : 2 (dua)
Materi : 1. Gaya dan Percepatan
2. Usaha dan Energi
3. Tekanan

Standar Kompetensi
1. Memahami peranan usaha, gaya, dan energi dalam kehidupan sehari-hari

Kompetensi Dasar
1. Mengidentifikasikan jenis-jenis gaya, penjumlahan gaya dan pegaruhnya pada suatu benda yang dikenai gaya
2. Menerapkan hokum Newton untuk menjelaskan berbagai peristiwa dalam kehidupan sehari-hari.
3. Menjelaskan hubungan bentuk energi dan perubahannya, dan penerapannya dalam kehidupan sehari-hari.
4. Melakukan percobaan tentang pesawat sederhanadan penerapannya dalam kehidupan sehari-hari.
5. Menyelidiki tekanan pada benda zat padat, cair, dan gas serta penerapannya dalam kehidupan sehari-hari.

Tata Cara Mempelajari Modul
Bacalah materi dengan cermat.
Kerjakan evaluasi dengan sungguh-sungguh.
Cocokkan jawaban anda dengan kunci jawaban.
Lakukan Penilaian pribadi.

Materi Belajar

A. Gaya
Adalah suatu tarikn atau dorongan.
Gaya sentuh adalah gaya yang bekerja jika bersentuhan, contohnya : gaya otot, gaya gesekan.
Gaya tak sentuh adalah gaya yang bekerja tanpa menyentuh, contohnya : gaya grvitasi, gaya listrik.

Gaya berat adalah gaya yang dipengaruhi oleh massa benda dan percepatan gravitasi. Gayaberat di semua tempat tidak sama, massa mempunyai harga yang sama di semua tempat.
w = m . g w = gaya berat (newton)
m = massa benda (kg)
g = percepatan gravitasi (m/s2)
contoh soal :
Massa Narto di Bumi 60 kg. Jika percepatan gravitasi bumi 9,8 m/s2 dan percepatan gravitasi bulan seperenam percepatan gravitasi bumi, tentukan :
a. massa Narto di bulan b. berat Narto di bumi
c. berat Narto di bulan d. berat narto yang hilang jika ia pergi ke bulan

Jawab :
Diket : mbm = 60 kg
gbm = 9,8 m/s2
gbln = 1/6 gbm = 1/6 . 9,8 m/s2
a. Massa suatu benda di mana-mana tetap c. Wbln = mbln . gbln
Massa di bulan = mbln = mbm = 60 . ( 1/6 . 9,8)
= 60 kg = 98 N
b. Wbm = mbm . gbm d. Kehilangan berat = wbm – wbln
= 60 . 9,8 = 588 - 98 = 588 N = 490 N

Penjumlahan Gaya
Gaya adalah suatu besaran yang selain memiliki besar, juga memiliki arah (= besaran vector). Gaya dapat dilukiskan dengan diagram vector, yang berupa sebuah anak panah, yang memiliki titik tangkap, ujung, panjang dan arah. Titik tangkap anak panah menyatakan titik di mana gaya F bekerja. Panjang anak panah menyatakan nilai atua besar atau besar gaya dan arah anak panah menyatakan arah gaya.


contoh :
+ = + =
A B R F - B R

B. HUKUM NEWTON
Hukum I Newton, “Jika resultan gaya pada suatu benda sama dengan nol maka benda yang mula-mula diam akan terus diam (mempertahankan keadaan diam), sedangkan jika benda mula-mula bergerak akan terus bergerak dengana kecepatan tetap (mempertahankan keadaan bergeraknya)”. 20 N
 F = 0

30 N 30 N


20 N

Hukum II Newton, “Percepatan yang dihasilkan oleh resultan gaya yang bekerja pada sebuah benda berbanding lurus dengan resultan gaya, searah dengan resultan gaya, dan berbanding terbalik dengan massa benda”.

a =(∑F)/m atau  F = m . a, m = massa benda (kg)
a = percepatan benda (m/s2)
contoh :
Sebuah benda mempunyai massa 3,5 kg mengalami percepatan 4,0 m/s2. Berapakah gaya yang bekerja pada benda tersebut ?
Jawab
diket : m = 3,5 kg F = m . a
a = 4,0 m/s2 F = 3,5 . 4,0
dtanaya : F = ? F = 14 N

Sebuah mesin balap mampu mneghasilkan gaya 10 000 N. Berapa percepatan mobil balap itu jika massa mobil 1 500 kg dan total gesekan permukaan jalan dan gesekan angin adalah 1000 N ?
Jawab :
diket : F = 10 000 N a = F/m
m = 1 500 kg a = 9000/1500
f = 1 000 N
ditanaya : a = ? a = 6 m/s2
F = F – f
= 10 000 – 1 000
= 9 000 N

Hukum III Newton, “Untuk setiap aksi, ada suatu reaksi yang sama besar tapi berlawanan arah”
aksi = - reaksi

60 N 60 N


Gaya aksi reaksi tidak pernahbekerja pada satu benda, melainkan pada dua benda. Sehingga gaya aksi dan reaksi tidak saling meniadakan.


C. Energi
Energi adalah kemampuan untuk melakukan usaha. Bentuk-bentuk energi :
1. Energi Bunyi
adalah energy yang dihasilkan oleh getaran partikel-partikel udara di sekitar sebuah sumber bunyi. Contoh : gendang yang ditabuh, ketika radio beroperasi, dll.
2. Energi Kalor
adalah energy yang dihasilkan oleh gerak internal partikel-partikel dalam suatu zat.
3. Energi Cahaya
adalah energi yang dihasilkan oleh radiasi gelombang elektromagnetik.
4. Energi Listrik
adalah energi yang dihasilkan oleh muatan listrik yang bergerak melalui suatu penghantar.


5. Energi Nuklir
adalah energi yang dihasilkan oleh reaksi inti dari bahan radioaktif.
6. Energi Kinetik
adalah energi yang dimiliki benda yang bergerak.
Ek = 1/2 m v2, dimana : Ek = energi kinetik (Joule)
m = massa (kg)
v = kecepatan (m/s2)
contoh :
Sepeda yang massanya 10 kg dikendarai oleh pengendara dengan massa 50 kg bergerak dengan kelajuan 5 m/s. Tentukan energi kinetik nya !
Jawab :
msepeda = 10 kg Ek = 1/2 mv2
mpengendara = 50 kg = 1/2 60 . 52
v = 5 m/s = 30 . 25
mtotal = 10 + 50 = 750 J
= 60 kg
ditanaya : Ek =?

7. Energi Potensial
adalah energi yang dimiliki benda yang mempunyai kedudukan/ketinggian. Jika acuannya adalah bumi maka energinya disebut energi potensial gravitasi
Ep = m g h dimana : Ep = Energi potensial (Joule)
m = massa (kg)
g = percepatan gravitasi (m/s2)
h = kedudukan / ketinggi (m)
contoh :
Sebuah balok yang bermassa 5 kg berada pada ketinggian 7 meter (g = 10 m/s2), berapakah energi potensial yang dialami balok tersebut ?

Jawab : Ep = m . g . h
diket : m = 5 kg = 5 . 10 . 7
g = 10 m/s2 = 350 J
h = 7 m
ditanya : Ep = ?

8. Energi Mekanik
adalah energi yang berkaitan dengan gerak benda. Energi mekanik merupakan jumlah dari energi kinetik dan energi potensial.
Ep = Ek + Ep

Hukum Kekekalan Energi
Konversi adalah perubahan bentuk energi dari satu bentuk ke bentuk lainnya.
Konverter adalah alat atau benda yang melakukan konversi energi.
Hukum Kekekalan energi menyatakan, “Energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan, Energi hanya dapat diubah dari satu bentuk ke bentuk yang lain”.

d. Usaha
adalah hasil kali gaya dengan perpindahan benda yang searah dengan gaya.

W = F . s dimana : W = usaha (N m atau J)
F = gaya (N)
s = perpindahan (m)
contoh :
Seoarang mendorong peti dengan gaya 60 Newton sehingga peti berpindah searah gaya sejauh 4 meter. Berapakah usaha yang dilakukan orang tersebut ?
Jawab:
diket : F = 60 N mendatar W = F . s
s = 4 m searah F = 60 . 4
ditanya : W = ? = 240 Nm

Seorang mengangkat peti dengan gaya 60 N sehingga peti bergeser menjauh ke arah mendatar sejauh 2 meter. Berapakah usaha yang dilakukan orang tersebut ?





Jawab :
diket : F = 60 N ke atas W = F . s
s = 2 m mendatar = 60 . 0
dit : W = ? = 0 J

Ketika F searah dengan perpindahan maka usaha yang dilakukan oleh gaya adalah positif. Jika F berlawanan dengan perpindahan s, maka usaha yang dilakukan oleh gaya adalah negatif.

W = -F . s

Jika gaya yang bekerja pada suatu benda lebih dari satu, maka usaha total sama dengan

Ftotal = F1 + F2 + … + Fn


W = Ftotal . s atau


W = W1 + W2 + … +Wn dimana,

W1 = F1 . s, W2 = F2 .s,

contoh :
Sebuah mobil dengan berat 1 000 N yang mula-mula diam, didorong oleh Dinda dengan gaya 50 N dan Zalfa dengan gaya 80 N ke kanan, serta Salsabila dengan gaya 100 N ke kiri. Mobil berpindah sejauh 5 m.
a. Kemana arah perpindahan mobil?
b. Berapa usaha yang dilakukan oleh Dinda, Zalfa, dan Salsabila ?
c. Berapa usaha total yang dilakukan ketiga orang tersebut ?

Jawab:
a) F ke kanan = (50 + 80) N Ftotal = 130 - 100
= 130 N = 30 N ke kanan
F ke kiri = 100 N Berati mobil berpindah ke kanan

b) WDinda = FDinda . s WZalfa = FZalfa . s
= 50 . 5 = 80 . 5
= 250 N = 400 N

WSalsabila = FSalsabila .s
= -100 . 5
= - 500 N

c) Wtotal = WDinda + WZalfa + WSalsabila
= 250 + 400 + (- 500)
= 150 J

e. Daya
Adalah Usaha yang dilakukan gaya tiap satuan waktu.

P = W/t dimana, P = Daya (watt = W)
W= Usaha (J)
t = waktu (s)
Satu Watt (1 W) adalah besar daya ketika usaha satu joule dilakukan dalam selang waktu satu sekon.
1 Watt = 1 Joule / sekon
1 hp = 750 W
contoh :
Sebuah ketel memiliki daya 2 kW. Berapa joule energi yang diubah selama 10 sekon ?
Jawab :
diket : P = 2 kW W = P . t
= 2 000 W W = 2 000 . 10
t = 10 s W = 20 000 J
ditanya : W = ? W = 20 kJ




f. Pesawat Sederhana
Adalah alat yang mempermudah melakukan usaha.
1. Tuas
Adalah pesawat sederhana yang berbentuk batang keras sempit yang dapat berputar disekitar satu titik. Titik ini disebut titik tumpu.
Keuntungan Mekanis = Beban/Kuasa = W/F = lF/lW

F x lF = W x lW dimana, F = Kuasa W = Beban
lF = lengan kuasa lW = lengan beban
Macam-macam tuas :
a. Tuas kelas I
Beban titik tumpu Kuasa

lengan beban lengan kuasa

b. Tuas kelas II

titik tumpu beban kuasa


c. Tuas kelas III

beban kuasa titik tumpu


contoh :
Sebuah linggis digunakan untuk memindahkan sebongkah batu yang terletak di tanah. Ujung linggis disisipkan di bawah batu, kemudian linggis ditumpu pada jarak 1 m dari ujung linggi yang disusupkan ke tanah. Jika berat batu 300 N dan panjang linggis 4m berapakah :
a. kuasa minimum
b. keuntungan mekanis tuas
c. jauh batu terangkat jika titik kuasa turun 1 m

jawab :
a) beban x lengan beban = kuasa x lengan kuasa
300 x 1 m = F x 3 m
300 = 3 F
F = 300 / 3
F = 100 N
b) Keuntungan mekanis = (Lengan kuasa)/(Lengan Beban)
= 3m / 1m
= 3
c) WF = F . lF = 100 . 1 = 100 J
WW= W . lW = 300 . lW = 300 lW
WF = WW
100 = 300 lW
lW = 100 / 300
= 1/3 m

2. Katrol
Keuntungan mekanis katrol : Beban/Kuasa = W/F
a. Katrol Diam


Keuntungan mekanis :1/1 = 1











b. Katrol Bergerak
F = 0
2F – w = 0
F = w/2

Keuntungan Mekanis = w/F

= w/(w/2)

= 2


c. Sistem Katrol
F = 0
3F – w = 0
3F = w
F = w/3

Keuntungan Mekanis = W/F
= W/(w/3)

= 3

3. Bidang Miring
Adalah suatu permukaan miring yang penampangnya berbentuk segitiga.

Keuntungan mekanis = panjang/tinggi = l/h

Keuntungan mekanis =beban/kuasa

contoh :








Jawab :
Keuntungan mekanis = l/h =3/0,6 = 5

Keuntungan mekanis = w/F

5 = w/200
w = 5 . 20
w = 1 000 N

g. Tekanan
1. Tekanan pada Zat Pada
Tekanan adalah gaya persatuan luas. atau dengan persamaan

p = F/A dimana, p = tekanan (N/m2 atau Pascal)
F = gaya (Newton)
A = luas permukaan (m2)
1 Pascal (Pa) adalah tekanan yang dilakukan oleh gaya satu newton pada luas permukaan satu meter persegi.


contoh :
Seorang wanita dengan massa 80 kg bertumpu pada salah satu kakinya memberikan tekanan 40 k Pa. Hitunglah luas permukaan sepatu yang di pakai wanita tersebut !

Jawab :
diket : m = 80 kg P = F/A
p = 40 k Pa
= 40 000 Pa A = F/P
ditanya : A = ?
F = m . g A = 800/(40 000)
= 80 . 10
= 800 N = 1/50 m2 = 1/50 . 10 000 cm2 = 200 cm2

2. Tekanan pada Zat Cair
Menurut Hukum Pascal, “Tekanan yang diberikan pada zat cair dalam ruang tertutup diteruskan ke segala arah dengan sama besar”.

p1 = p2

F1/A1 = F2/A2

Jika permukaan berupa lingkaran A =  r2

A = 1/4  d2
Penerapan dalam keseharian :
Rem hidrolik
Mesin hidrolik pengangkat mobil
Dongkrak hidrolik

Contoh :
Sebuah dongkrak hidrolik memiliki silinder kecil berdiameter 5 cm dan silinder besar berdiameter 30 cm. Bila silinder kecil ditekan dengan gaya 200 N, berapa gaya angkat yang dihasilkann pada silinder besa ?

Jawab :
Diket : dk = 5 cm 200 = Fb
db = 30 cm 52 302
Fk = 200 N
Ditanya : Fb = ? Fb = 25/900 . 200
Fk Fb
= Fb = 7 200 N
1/4  dk2 1/4  db2

Fk Fb
=
dk2 db2

3. Bejana Berhubungan
Pada bejana berhubungan selalu berlaku, “permukaan zat cair yang sejenis dalam suatu bejana berhubungan selalu mendatar dan sama tinggi”.
Tekanan pada zat cair berlaku :

p =  . g . h , dimana : p = tekanan (N/m atau Pascal)
= massa jenis zat cair (kg/m3)
g = percepatan gravitasi ( =10 m/s2)
h = tinggi zat cair (m)


Pada bejana berhubungan selalu berlaku

p1 = p2

1 . g . h1 = 2 . g . h2

1 . h1 = 2 . h2


contoh :





Jawab :
air . hair = raksa . hraksa

1000 . 20 = 13 600 . hraksa

hraksa = (20 000)/(13 600) = 18,5 cm


4. Gaya Apung
Adalah selisih berat benda di udara dengan berat benda di dalam zat cair. atau dengan persamaan :

gaya apung = wudara – wzat cair

Menurut Archimedes, “Suatu benda yang dicelupkan sebagian atau seluruhnya di dalam zat cair akan mengalami gaya apung yang besarnya sama dengan berat zat cair yang dipindahkan oleh benda tersebut”. Hal tersebut di atas dikenal dengan Hukum Archimedes.

contoh :
Sebuah balok berukuran 0,2 m x 0,1 m x 0,3 m digantung vertikal pada seutas tali kawat ringan. Tentukan gaya apung balok ketika balok ini :
a. dicelupkan seluruhnya dalam minyak ( = 800 kg/m3)
b. dicelupkan 3/4 bagian dalam air ( = 1000 kg/m3)

Jawab :
V balok = 0,2 x 0,1 x 0,3 = 0,006 m3
g = 10 m/s2
a) Vbalok tercelup = 0,006 m3

Berat minyak yang dipindahkan = Vbalok tercelup . minyak . g
= 0,006 . 800 . 10
= 48 N

b) Vbalok tercelup = 3/4 . 0,006 = 0,0045 m3

Berat air yang dipindahkan = Vbalok tercelup . air . g
= 0,0045 . 1000 . 10
= 45 N

Tenggelam
Tenggelam terjadi jika massa jenis rata-rata benda lebih besar dari pada massa jenis zat cair

Melayang
Melayang terjadi jika massa jenis rata-rata benda sama dengan massa jenis zat cair.

Mengapung
Mengapung terjadi jika massa jenis rata-rata benda lebih kecil dari pada massa jenis zat cair

Penerapan dalam kehidupan sehari-hari :
a. jembatan ponton
b. hidrometer
c. kapal laut
d. kapal selam
e. balon udara

Soal
1. Perubahan yang ditimbulkan oleh gaya adalah :
1. benda diam menjadi bergerak 4. arah gerak berubah
2. massa benda berubah 5. bentuk dan ukuran benda berubah
3. berat benda berubah
Pernyataan yang benar sesuai dengan nomor :
a. 1, 2, 3 c. 3, 4, 5
b. 2, 3, 4 d. 1, 4, 5

2. Percepatan gravitasi di Bulan diperkirakan 1/6 kali percepatan gravitasi di Bumi. Jika berat Didi di bumi 480 N, beratnya di bulan adalah ....
a. 16 N c. 80 N
b. 48 N d. 288 N

3.




4.






5. Peristiwa keseharian yang berkaitan dengan hukum I Newton adalah ....
a. ketika sopir menekan pedal gas, mobil bergerak lebih cepat
b. ketika roket menyemburkan gas dari ekornya, roket terdorong ke atas
c. ketika sopir bus mengerem secara mendadak, orang yang sedang berdiri dalam bus terdorong ke depan
d. ketika dengan satu dorongan kamu mendorong batu bata di atas lantai, batu bata bergerak menempuh jarak tertentu kemudian berhenti

6. Jika percepatan gravitasi bumi 9,8 m/s2 maka berat 5 kg beras adalah ....
a. 19,6 N c. 49,0 N
b. 39,2 N d. 51,0 N

7. Manakah yang terbaik menjelaskan urut-urutan perubahan energi yang terjadi pada lampu senter ?
a. kimia – cahaya – listrik c. Listrik – kimia – cahaya
b. kimia – listrik – cahaya d. Listrik – cahaya – kimia

8. Konverter energi yang mengubah energi listrik menjadi energi bunyi adalah ....
a. aki c. Teko listrik
b. dinamo d. Telepon

9. Sebuah balok kayu ditarik sepanjang bidang mendatar oleh gaya 8 N hingga bergerak dengan kelajuan tetap 15 m/s. Usaha yang dilakukan oleh gaya itu selama 6 sekon adalah…
a. 720 J c. 48 J
b. 120 J d. 20 J

10.








11. Gambar tuas di bawah ini yang keuntungan mekanisnya terbesar adalah ….
a. c.




b. d.




12. Ketiga katrol berikut ini digunakan untuk menaikkan beban yang sama, w.













Jika P, Q, dan R adalah kuasa yang harus diberikan untuk menaikkan beban, pernyataan yang benar adalah ….
a. P > Q > R c. P > Q = R
b. P = Q > R d. P = Q = R

13.






14. Sebuah batu bata memiliki ukuran 4 cm x 10 cm x 20 cm. Tekanan paling kecil yang dilakukan batu bata adalah jika batu bata berdiri pada permukaan horizontal dengan sisi yang berukuran ….
a. 4 cm x 10 cm c. 10 cm x 20 cm
b. 4 cm x 20 cm d. 4 cm x 15 cm

15. Dalam suatu ruangan tertutup terdapat gas dengan tekanan 4000 Pa. Pada dinding seluas 0,5 dm2 di dalam ruangan bekerja gaya sebesar ….
a. 2 N c. 200 N
b. 20 N d. 2000 N

16. Alat yang bekerja berdasarkan prinsip pascal :
1. dongkrak mobil 3. kursi pasien dokter gigi
2. alat suntik 4. pompa air
pernyataan yang benar adalah ….
a. 1, 2 dan 3 c. 2 dan 4
b. 1 dan 3 d. 1, 2, 3, dan 4

17. Mesin hidrolik pengangkat mobil memiliki luas penghisap masing-masing 1 000 cm2 dan 2 cm2. Agar dapat mengangkat mobil yang beratnya 15 000 N, besar gaya yang harus diberikan pada penghisap kecil adalah ….
a. 10 N c. 30 N
b. 20 N d. 45 N

18.






19. Alat yang bekerja berdasarkan hukum Archimedes :
1. balon biasa yang ditiup 3. hydrometer
2. rakit 4. kapal terbang
pernyataan yang benar adalah ….
a. 1, 2, dan 3 c. 1 dan 3
b. 2 dan 3 d. 2, 3, dan 4

20. Suatu eksperimen ditunjukkan pada gambar di bawah. Bahan yang memiliki massa jenis terbesar adalah …
a. 1
b. 2
c. 3
d. 4



Kunci Jawaban
1. D 11. D
2. C 12. A
3. B 13. C
4. B 14. A
5. C 15. B
6. C 16. A
7. B 17. C
8. D 18. D
9. A 19. B
10. B 20. D