Bahan Ajar Materi IPA Kelas VIII Semester 1 BAB Usaha dan Pesawat Sederhana dalam Kehidupan Sehari-hari

A.        Usaha

Usaha (W) ditentukan oleh besar gaya yang diberikan pada benda (F) dan besar perpindahannya (Δs). Secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut.

dengan:

W = usaha (joule)

F = gaya (newton)

Δs = perpindahan (meter)

Laju energi atau daya (P) adalah besar energi yang dipergunakan dalam setiap detik, sehingga dapat ditentukan dengan cara membagi besar usaha (W) dengan selang waktunya (t), atau secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut.

dengan:

P = daya (watt)

W = usaha (joule)

t = waktu (sekon)

B.        Pesawat Sederhana

Saat melakukan pekerjaan sehari-hari, manusia sering menggunakan alat bantu untuk memudahkan pekerjaannya. Ada pekerjaan yang ringan dan ada pekerjaan yang berat. Untuk meringankan pekerjaan yang berat, maka digunakan pesawat. Pesawat adalah alat atau mesin. Pesawat berguna untuk menghasilkan gaya yang besar dari gaya yang kecil. Pesawat ada dua yaitu pesawat sederhana dan pesawat yang rumit. Pesawat sederhana adalah alat bantu sederhana yang digunakan untuk membantu meringankan pekerjaan manusia. Pesawat rumit terdiri atas susunan pesawat-pesawat sederhana.

1.       Jenis-jenis Pesawat Sederhana

a.       Katrol

Katrol adalah roda kecil yang tepinya beralur dan dapat berputar pada sebuah poros. Katrol berguna untuk mengangkat benda atau menarik suatu beban. Katrol dapat mengubah arah gaya. Benda-benda yang berat dapat diangkat secara mudah dengan katrol.

1)      Katrol Tetap

Katrol tetap adalah katrol yang dipasang pada tempat yang tetap dan posisinya tidak berubah. Katrol tersebut tidak dapat bergeser atau berpindah tempat. Tali atau rantai yang dililitkan di katrol, pada salah satu ujungnya diberi beban dan di ujung yang lain ditarik kuasa ke bawah. Contoh katrol tetap adalah katrol sumur timba dan katrol untuk menaikturunkan bahan bangunan.

2)      Katrol Bebas

Katrol bebas disebut juga dengan katrol bergerak. Katrol bergerak adalah katrol yang dikaitkan dengan tali tergantung dan katrol dapat berpindah-pindah tempat atau bergeser. Keuntungan menggunakan katrol bebas adalah gaya yang diperlukan untuk menarik benda lebih kecil daripada menggunakan katrol tetap. Katrol bebas berfungsi untuk melipatkan gaya, sehingga gaya pada kuasa yang diberikan untuk mengangkat benda menjadi lebih kecil daripada gaya beban. Katrol jenis ini biasanya ditemukan di pelabuhan yang digunakan untuk mengangkat peti kemas. Keuntungan mekanis dari katrol bebas lebih besar dari 1. Pada kenyataannya nilai keuntungan mekanis dari katrol bebas tunggal adalah 2. Hal ini berarti bahwa gaya kuasa 1 N akan mengangkat beban 2 N.

3)      Katrol Majemuk

Agar gaya kuasa yang diberikan pada benda semakin kecil, maka diperlukan katrol majemuk. Katrol majemuk merupakan gabungan dari katrol tetap dan katrol bebas yang dirangkai menjadi satu sistem yang terpadu. Katrol majemuk biasa dalam bidang industri untuk mengangkat benda-benda yang berat. Keuntungan mekanis dari katrol majemuk sama dengan jumlah tali yang menyokong berat beban. Misalnya seperti pada Gambar 2.3, gaya kuasa pada katrol majemuk tersebut adalah 4, karena jumlah tali yang mengangkat beban ada 4 (tali kuasa tidak diperhitungkan).

Keuntungan mekanis (KM) adalah bilangan yang menunjukkan berapa kali pesawat sederhana menggandakan gaya. Dengan menghitung besar perbandingan gaya beban dengan gaya kuasa yang diberikan pada benda. Berikut adalah persamaan matematisnya:

Tidak semua pesawat sederhana dapat menggandakan gaya. Contohnya adalah katrol tetap tunggal. Katrol ini hanya berfungsi untuk mengubah arah gaya. Oleh karena itu, pada katrol tetap tunggal hanya memiliki keuntungan mekanis sebesar 1. Hal ini disebabkan besarnya gaya kuasa sama dengan gaya beban.

b.      Roda Berporos

Roda gigi (gear) dan ban pada sepeda adalah salah satu contoh pesawat sederhana yang tergolong roda berporos. Roda gigi berfungsi sebagai pusat pengatur gerak roda sepeda yang terhubung langsung dengan roda sepeda, sedangkan roda sepeda menerapkan prinsip roda berporos untuk mempercepat gaya saat melakukan perjalanan.

c.       Bidang Miring

Bidang miring merupakan bidang datar yang diletakkan miring atau sudut tertentu sehingga dapat memperkecil gaya kuasa. Contoh penerapan bidang miring adalah tangga, sekrup, dan pisau. Keuntungan mekanis bidang miring dapat dihitung sebagai berikut.

Karena segi tiga yang besar sebangun dengan segitga yang kecil, maka

dengan:

KM = keuntungan mekanis

F_B = gaya beban

F_K = gaya kuasa

l = panjang bidang miring

h = tinggi bidang miring

d.       Pengungkit

Pengungkit merupakan salah satu jenis pesawat sederhana yang paling banyak digunakan dalam kehidupan sehari-hari. Contoh alatalat yang merupakan pengungkit antara lain gunting, linggis, jungkatjungkit, pembuka botol, pemecah biji kenari, sekop, koper, pinset, dan sebagainya.

Pengungkit dapat memudahkan usaha dengan cara menggandakan gaya kuasa dan mengubah arah gaya. Cara menghitung keuntungan mekanisnya adalah dengan membagi panjang lengan kuasa dengan panjang lengan beban. Panjang lengan kuasa adalah jarak dari tumpuan sampai titik bekerjanya gaya kuasa. Panjang lengan beban adalah jarak dari tumpuan sampai dengan titik bekerjanya gaya beban.

dengan :

KM = keuntungan mekanis

F_B = gaya beban

F_K = gaya kuasa

L_K = lengan kuasa

L_B = lengan beban

2.       Prinsip Kerja Pesawat Sederhana pada Sistem Gerak Manusia

Prinsip pesawat sederhana juga ada yang berlaku pada struktur otot dan rangka manusia. Pada saat mengangkat barbel telapak tangan yang menggenggam barbel berperan sebagai gaya beban, titik tumpu berada pada siku (sendi di antara lengan atas dan lengan bawah), dan kuasanya adalah lengan bawah. Titik tumpu berada di antara lengan beban dan kuasa, oleh karena itu lengan disebut sebagai pesawat sederhana pengungkit jenis ketiga.