Pembahasan Fisika UN: Usaha dan Energi

Usaha dan Energi

Pembahasan soal-soal Ujian Nasional SMA-IPA bidang studi Fisika dengan materi pembahasan Usaha dan Energi yang meliputi:

• usaha oleh gaya berat, 
• energi kinetik, 
• energi potensial, dan 
• hukum kekekalan energi mekanik.

Soal tentang Usaha dan Energi UN 2013

Sebuah bola bermassa 500 gram dilempar vertikal ke atas dari permukaan tanah dengan kecepatan awal 10 m/s. Bila g = 10 m/s² maka usaha yang dilakukan gaya berat bola pada saat mencapai tinggi maksimum adalah ….

A.   2,5 J
B.   5,0 J
C.   25 J
D.   50 J
E.   500 J

Pembahasan

Kecepatan benda di titik tertinggi adalah nol. 

m = 500 gram
    = 0,5 kg 
v_o = 10 m/s 
h_o = 0 
v  = 0 
g  = 10 m/s²

Ada dua cara menyelesaikan soal di atas.

Cara 1 : Usaha merupakan perubahan energi potensial (W = ΔE_p)

Kita tentukan terlebih dahulu ketinggian bola saat mencapai tinggi maksimum.

  v² = v_o² − 2gh
    0 = 10² − 2.10.h
20h = 100
     h = 5

Selanjutnya kita dapat menentukan usaha yang dilakukan oleh bola tersebut berdasarkan perubahan energi potensialnya. 

W = ΔE_p
    = mgΔh
    = 0,5 × 10 × (5 − 0)
    = 25

Cara 2 : Usaha merupakan perubahan energi kinetik (W = ΔE_k)

Cara 2 ini lebih muda karena data-data yang ada pada soal langsung bisa diterapkan. 

W = ΔE_k
    = ½ m(v_o² − v²)
    = ½ × 0,5 × (10² − 0²)
    = ¼ × 100
    = 25

Jadi, usaha yang dilakukan oleh gaya berat bola pada saat sampai di titik tertinggi adalah 25 joule (C).

Soal tentang Usaha dan Energi UN 2013

Sebuah benda bermassa 2 kg mula-mula bergerak dengan kecepatan 72 km/jam. Setelah bergerak sejauh 400 m, kecepatan benda menjadi 144 km/jam. Usaha total yang dilakukan benda pada saat itu adalah … (g = 10 m/s²)

A.   20 J
B.   60 J
C.   1.200 J
D.   2.000 J
E.   2.400 J

Pembahasan

Kita konversi terlebih dahulu satuan kecepatannya. 

v_o = 72 km/jam
     = 72 × (10/36) m/s
     = 20 m/s 

v = 144 km/jam
   = 144 × (10/36) m/s
   = 40 m/s

Usaha total benda tersebut merupakan besar perubahan energi kinetiknya. 

W = ΔE_k
    = ½ m(v² − v_o²)
    = ½ × 2 × (40² − 20²)
    = 1600 − 400
    = 1200

Jadi, usaha total yang dilakukan benda saat itu adalah 1.200 J (C).

Soal tentang Usaha dan Energi UN 2014

Sebuah balok bermassa 2 kg dari keadaan diam, meluncur dari puncak bidang miring yang licin seperti tampak pada gambar.

Besar energi kinetik balok saat sampai di titik B adalah …. (g = 10 m/s²)

A.   10 joule
B.   20 joule
C.   30 joule
D.   40 joule
E.   80 joule

Pembahasan

Energi kinetik di titik B sama dengan perubahan energi potensi dari titik A ke titik B. 

E_k = ΔE_p
     = mgΔh
     = 2 × 10 × (4 − 2)
     = 40

Jadi, besar energi kinetik balok saat sampai di titik B adalah 40 joule (D).

Soal tentang Usaha dan Energi UN 2013

Sebuah bola yang massanya 2 kg jatuh bebas dari posisi A seperti pada gambar.

Ketika sampai di titik B besar energi kinetik sama dengan 2 kali energi potensial, maka tinggi titik B dari tanah adalah …. (g = 10 m/s²)

A.   80 m
B.   70 m
C.   60 m
D.   40 m
E.   30 m

Pembahasan

Di titik B besar energi kinetik sama dengan 2 kali energi potensial. 

E_kB = 2E_pB

Energi kinetik bola di titik B merupakan perubahan energi potensial dari titik A ke titik B.

     E_kB = ΔE_p
   2E_pB = E_pA − E_pB
   3E_pB = E_pA
3mgh_B = mgh_A
     3h_B = h_A
     3h_B = 90
       h_B = 30

Jadi, tinggi titik B dari tanah adalah 30 m (E).

Soal tentang Usaha dan Energi UN 2011

Sebuah bola bermassa 0,1 kg dilempar mendatar dengan kecepatan 6 m/s dari atap gedung yang tingginya 5 m. Jika percepatan gravitasi di tempat tersebut 10 m/s² maka energi kinetik bola pada ketinggian 2 m adalah ….

A.   6,8 joule
B.   4,8 joule
C.   3,8 joule
D.   3 joule
E.   2 joule

Pembahasan

Bola yang dilempar mendatar dari ketinggian tertentu dengan kecepatan tertentu sama dengan bola yang dijatuhkan tanpa kecepatan (gerak jatuh bebas) dari ketinggian tersebut (hukum medan konservatif).

Karena gerak benda mempunyai kecepatan awal, telebih dahulu kita cari energi kinetik awalnya.

E_k1 = ½ mv₁²
       = ½ × 0,1 × 6² J
       = 1,8 J

Dengan demikian, perubahan energi kinetik bola pada ketinggian 2 m sama dengan perubahan energi potensial dari ketinggian 5 m ke 2 m. 

         ΔE_k = ΔE_p
E_k2 − E_k1 = mgΔh
E_k2 −  1,8 = 0,1 × 10 × (5 − 2)
E_k2 −  1,8 = 3
           E_k2 = 3 + 1,8
                  = 4,8

Jadi, energi kinetik bola pada ketinggian 2 meter adalah 4,8 joule (B).

Pembahasan soal Usaha dan Energi yang lain bisa disimak di:
Pembahasan Fisika UN 2014 No. 11
Pembahasan Fisika UN 2015 No. 10
Pembahasan Fisika UN 2016 No. 15
Pembahasan Fisika UN 2017 No. 16 - 17
Pembahasan Fisika UN 2018 No. 14 - 15
Pembahasan Fisika UN 2018 No. 16 - 17
Pembahasan Fisika UN 2019 No. 5
Pembahasan Fisika UN 2019 No. 6

Simak juga, Pembahasan Fisika UN: Impuls dan Momentum.

Dapatkan pembahasan soal dalam file pdf  di sini.

Demikian, berbagi pengetahuan bersama Kak Ajaz. Silakan bertanya di kolom komentar apabila ada pembahasan yang kurang jelas. Semoga berkah.