Energi, Usaha, dan Pesawat Sederhana

Modul Olimpiade IPA SD — Bab 6

Coba angkat sebuah batu besar dengan tanganmu. Berat sekali, bahkan mungkin tidak terangkat sama sekali.

Sekarang selipkan sebatang linggis di bawah batu itu, letakkan sebongkah batu kecil sebagai tumpuan, lalu tekan ujung linggis. Tiba-tiba batu besar itu terangkat dengan mudah.

Apa yang berubah? Berat batunya sama sekali tidak berkurang. Tapi entah bagaimana, pekerjaannya menjadi jauh lebih ringan.

Bab ini menjelaskan rahasia itu — dan sekaligus memberi tahu satu hal penting: ada harga yang harus dibayar. Alat sesederhana linggis pun tidak memberi sesuatu secara gratis.

Tapi sebelum sampai ke sana, kita mulai dari sesuatu yang lebih mendasar: energi.

Energi dan Bentuknya

Energi adalah kemampuan untuk melakukan usaha. Satuannya joule (J). Untuk energi makanan, sering dipakai satuan kalori (kal).

Bentuk energi	Tersimpan atau muncul pada
Energi kimia	makanan, bensin, baterai, aki, kayu bakar
Energi listrik	arus listrik pada kabel
Energi kalor (panas)	api, setrika, matahari
Energi cahaya	lampu, matahari, api
Energi bunyi	gitar, pengeras suara, suara kita
Energi gerak (kinetik)	benda bergerak, angin, air mengalir
Energi potensial	benda di ketinggian, pegas teregang, busur ditarik
Energi nuklir	inti atom bahan bakar PLTN

Ingat! Bensin, makanan, dan baterai sama-sama menyimpan energi kimia — bukan energi panas atau energi listrik. Energi listrik baru muncul setelah reaksi kimia di dalam baterai berlangsung.

Energi Potensial dan Energi Kinetik

• Energi potensial — energi karena kedudukan atau keadaan benda. Anggotanya: energi gravitasi, energi kimia, energi pegas (elastik).
• Energi kinetik — energi karena gerak. Anggotanya: energi gerak benda, energi panas (gerak partikel), energi bunyi (getaran).

Ingat! Energi panas dan energi bunyi termasuk kelompok kinetik, karena keduanya berasal dari gerak partikel. Sedangkan energi kimia termasuk kelompok potensial, karena masih tersimpan dan belum berupa gerak.

Energi Potensial Gravitasi

E_p = m \times g \times h

dengan m = massa (kg), g = percepatan gravitasi (biasanya 10 m/s²), dan h = ketinggian (m).

Energi Kinetik

Energi kinetik adalah energi yang dimiliki benda karena geraknya. Makin besar kelajuan benda, makin besar energi kinetiknya. Massa juga berpengaruh: truk dan sepeda dengan kelajuan sama punya energi kinetik yang jauh berbeda.

Contoh Soal 1

Seekor burung bermassa 600 gram terbang naik dari ketinggian 16 meter ke ketinggian 24 meter. Jika g = 10 m/s², berapa perubahan energi potensialnya?

Pembahasan:

Langkah 1 — samakan satuan massanya.

m = 600 \text{ g} = 0{,}6 \text{ kg}

Langkah 2 — hitung selisih ketinggiannya.

\Delta h = 24 - 16 = 8 \text{ m}

Langkah 3 — hitung perubahan energi potensialnya.

\Delta E_p = m \times g \times \Delta h = 0{,}6 \times 10 \times 8 = 48 \text{ joule}

Jawaban: Energi potensialnya bertambah 48 joule.

Kekekalan Energi

Ini salah satu hukum paling penting dalam IPA: energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan — ia hanya berubah bentuk.

Energi mekanik adalah jumlah energi potensial dan energi kinetik:

E_m = E_p + E_k

Selama gesekan diabaikan, jumlah ini selalu tetap. Kalau salah satu berkurang, yang lain pasti bertambah dengan jumlah yang sama.

Posisi	Energi potensial	Energi kinetik
Titik tertinggi	maksimum	minimum (nol pada ayunan)
Titik terendah	minimum	maksimum
Sedang naik	makin besar	makin kecil
Sedang turun	makin kecil	makin besar

Ingat! Energi potensial maksimum dan energi kinetik minimum terjadi di titik yang sama, bukan di titik berbeda. Jangan tergoda memilih dua huruf yang berlainan.

Pada kasus ini ada tiga bentuk energi yang bergantian: energi potensial pegas, energi kinetik, dan energi potensial gravitasi. Di titik terbawah pegas paling tertekan; di titik tengah bola melaju paling cepat; di titik teratas bola berhenti sejenak dengan energi potensial gravitasi terbesar.

Soal kekekalan energi hampir selalu meminta kamu membandingkan dua titik pada sebuah lintasan. Aturannya cuma satu: di titik yang lebih tinggi, energi potensialnya lebih besar dan energi kinetiknya lebih kecil — dan sebaliknya. Jumlah keduanya selalu tetap.

Pada rollercoaster, misalnya, kereta di dasar lembah bergerak paling cepat: energi potensialnya paling kecil, energi kinetiknya paling besar. Ketika naik menuju puncak, energi kinetiknya berubah menjadi energi potensial sehingga keretanya melambat. Jadi dari lembah ke puncak terjadi perubahan energi kinetik menjadi energi potensial.

Pada bola yang ditendang membentuk lintasan lengkung, berlaku hal yang sama. Di titik tertinggi energi potensialnya terbesar dan energi kinetiknya terkecil. Bola tidak pernah benar-benar berhenti di sana karena masih bergerak mendatar, tetapi kelajuannya paling kecil di titik itu.

Karena itu kalau soal menanyakan di titik mana energi potensial terbesar, jawabannya selalu titik tertinggi — bukan titik awal maupun titik akhir.

Perubahan Bentuk Energi

Soal olimpiade sangat sering meminta kamu menelusuri rantai perubahan energi pada suatu alat. Caranya: mulai dari sumber paling awal, lalu ikuti satu per satu sampai ujungnya.

Kebanyakan pembangkit listrik mengikuti pola yang sama: sumber → kalor → gerak turbin → listrik. PLTA adalah pengecualian yang menarik — energi potensial airnya langsung menggerakkan turbin, tanpa melewati tahap kalor.

Ingat! Perhatikan arah rantainya baik-baik. Mikrofon mengubah bunyi menjadi listrik, sedangkan pengeras suara justru sebaliknya. Begitu pula baterai mengubah kimia menjadi listrik, bukan listrik menjadi kimia. Dan fotosintesis mengubah cahaya menjadi kimia, bukan kebalikannya.

Perhatikan bahwa rantainya harus dimulai dari aki, bukan dari listrik. Kalau soal menyebutkan sumbernya, sumber itulah titik awal rantainya.

Soal sering meminta kamu menuliskan urutan perubahan energi pada sebuah alat. Caranya selalu sama: telusuri dari sumbernya sampai ke hasil akhir yang kita rasakan.

Pada sepeda berdinamo, urutannya: energi kimia dari makanan → energi gerak kaki dan roda → dinamo mengubahnya menjadi energi listrik → lampu mengubahnya menjadi energi cahaya (dan sedikit panas).

Pada televisi yang disambung aki, urutannya: energi kimia di dalam aki → energi listrik → energi cahaya dan bunyi di layar serta pengerasnya.

Pada kincir angin pembangkit listrik, urutannya: energi gerak angin → kincir memutar poros → generator mengubah energi gerak menjadi energi listrik.

Perhatikan bahwa alat yang mengubah energi gerak menjadi energi listrik selalu bernama generator atau dinamo, dan di dalamnya bekerja induksi elektromagnetik. Kebalikannya, alat yang mengubah energi listrik menjadi energi gerak disebut motor listrik.

Energi dalam Tubuh Kita

Makanan adalah "bahan bakar" tubuh kita. Energinya dilepaskan melalui proses yang sudah kamu kenal dari Bab 3:

\text{karbohidrat} + \text{oksigen} \to \text{energi} + \text{karbon dioksida} + \text{air}

Ingat! Karbon dioksida dan air adalah hasil, bukan bahan. Kalau tertukar, seluruh persamaannya menjadi terbalik. Satuan energi makanan biasanya kalori.

Sumber Energi Terbarukan dan Tak Terbarukan

Dapat diperbarui	Tidak dapat diperbarui
cahaya matahari, angin, air mengalir, pasang surut, panas bumi (geotermal), biodiesel, biogas, kayu	minyak bumi, bensin, solar, minyak tanah, gas alam (elpiji), batu bara, spiritus, bahan bakar nuklir

Ingat! Dua yang paling sering menjebak: biodiesel termasuk terbarukan (berasal dari tumbuhan yang bisa ditanam lagi), sedangkan spiritus dan elpiji termasuk tak terbarukan. Periksa setiap anggota pilihan — satu anggota yang salah membuat seluruh pilihan itu gugur.

Menghemat Energi Tak Terbarukan

Karena bahan bakar fosil akan habis, ada beberapa upaya yang bisa dilakukan:

• Beralih ke sumber energi yang dapat diperbarui, misalnya panel surya dan pembangkit tenaga angin.
• Memakai biofuel dan biogas sebagai pengganti bahan bakar minyak.
• Menggunakan kendaraan umum agar bahan bakar per orang lebih hemat.
• Mematikan alat listrik yang tidak dipakai.

Ingat! Kalau soal bertanya upaya yang tidak tepat, jawabannya biasanya "berganti ke sumber daya alam yang juga tidak dapat diperbarui" — karena itu tidak menyelesaikan masalah, hanya memindahkannya.

Energi Nuklir: Fisi dan Fusi

• Fisi — satu inti besar terpecah menjadi inti-inti yang lebih kecil. Inilah yang dipakai di reaktor PLTN, dalam bentuk reaksi berantai yang terkendali.
• Fusi — dua inti ringan bergabung menjadi satu inti yang lebih besar. Inilah yang terjadi di dalam matahari.

Cara mengingatnya: fi-Si seperti Split (terpecah), fU-si seperti Unite (bersatu).

Reaksi inti dipakai manusia pada PLTN (Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir), dan urutan perubahan energinya perlu kamu hafal.

Energi nuklir dari reaksi inti di reaktor → energi panas yang mendidihkan air → uap bertekanan tinggi memutar turbin sehingga menjadi energi gerak → turbin memutar generator sehingga menjadi energi listrik.

Perhatikan bahwa polanya sama dengan PLTA dan PLTU: yang berbeda hanya sumber panasnya. Pada PLTU sumbernya pembakaran batu bara, pada PLTP uap panas bumi, dan pada PLTN reaksi inti. Setelah itu jalurnya identik — panas, uap, turbin, generator, listrik.

Usaha

Dalam IPA, kata usaha punya arti yang lebih sempit daripada dalam percakapan sehari-hari.

W = F \times s

dengan W = usaha (joule), F = gaya (newton), dan s = perpindahan searah gaya (meter).

Ingat! Kalau bendanya tidak berpindah, usahanya nol — sekuat apa pun kamu mendorong. Mendorong tembok sampai berkeringat memang melelahkan, tetapi secara IPA usahanya nol karena temboknya tidak bergeser.

Daya

Daya adalah usaha yang dilakukan tiap satuan waktu — dengan kata lain, seberapa cepat usaha itu dikerjakan.

P = \frac{W}{t}

Satuannya watt (W). Satu watt sama dengan satu joule tiap detik.

Contoh Soal 2

Empat pompa air memiliki kemampuan seperti tabel berikut. Pompa mana yang dayanya paling besar?

Pompa	Kedalaman	Volume air	Waktu
A	7,0 m	25 L	60 s
B	8,0 m	20 L	55 s
C	9,0 m	30 L	50 s
D	10,0 m	35 L	45 s

Pembahasan:

Langkah 1 — pahami apa yang dibandingkan. Usaha pompa sebanding dengan volume air × kedalaman, karena massa jenis air dan gravitasinya sama untuk semua pompa. Dayanya adalah usaha itu dibagi waktu.

Langkah 2 — hitung nilai pembandingnya \dfrac{V \times h}{t} untuk masing-masing.

• A: \frac{25 \times 7}{60} = \frac{175}{60} \approx 2{,}92
• B: \frac{20 \times 8}{55} = \frac{160}{55} \approx 2{,}91
• C: \frac{30 \times 9}{50} = \frac{270}{50} = 5{,}40
• D: \frac{35 \times 10}{45} = \frac{350}{45} \approx 7{,}78

Jawaban: Pompa D, karena nilainya paling besar.

Ingat! Jangan menilai hanya dari satu kolom. Pompa C memang mengangkat dari kedalaman besar, tetapi pompa D unggul di ketiga hal sekaligus: volume terbanyak, kedalaman terbesar, dan waktu tersingkat.

Energi yang Dipakai Alat Listrik

\text{Energi} = \text{daya} \times \text{waktu}

Efisiensi

Efisiensi membandingkan energi yang benar-benar berguna dengan energi yang diberikan.

\eta = \frac{E_{\text{keluaran berguna}}}{E_{\text{masukan}}} \times 100\%

Ingat! Efisiensi tidak pernah mencapai 100%, karena selalu ada energi yang terbuang sebagai kalor dan bunyi. Inilah sebabnya lampu terasa hangat dan mesin selalu perlu didinginkan.

Pesawat Sederhana

Sekarang kita kembali ke pertanyaan di awal bab: mengapa linggis membuat batu berat terasa ringan?

Pesawat sederhana adalah alat yang mempermudah pekerjaan manusia. Ada enam jenis: pengungkit (tuas), roda berporos, katrol, bidang miring, baji, dan sekrup.

Ingat! Pesawat sederhana tidak mengurangi usaha yang harus dilakukan. Yang berkurang hanyalah gaya yang diperlukan — sebagai gantinya, lintasannya menjadi lebih panjang. Ini poin yang paling sering disalahpahami, dan kita akan membuktikannya sebentar lagi.

Tuas dan Prinsip Momen

Tuas punya tiga titik penting: titik tumpu, titik beban, dan titik kuasa. Jarak dari titik tumpu ke masing-masing disebut lengan beban dan lengan kuasa.

F_k \times l_k = F_b \times l_b

\text{KM} = \frac{l_k}{l_b} = \frac{F_b}{F_k}

Ingat! Jangan tertukar antara lengan kuasa dan lengan beban. Cara memastikannya sederhana: lengan kuasa adalah sisi tempat tangan kita memberi gaya, sedangkan lengan beban adalah sisi tempat benda beratnya berada. Keduanya sama-sama diukur dari titik tumpu, bukan dari ujung alat.

Keuntungan mekanis (KM) menyatakan berapa kali lipat gaya kita diperkuat oleh alat itu. KM = 4 berarti gaya yang diperlukan hanya seperempat berat bebannya.

Ingat! Makin dekat titik tumpu ke beban, makin panjang lengan kuasanya, dan makin besar keuntungan mekanisnya. Karena itu saat mencongkel batu, letakkan tumpuan sedekat mungkin dengan batunya.

Contoh Soal 3

Siti bermassa 30 kg duduk 7 satuan dari titik tumpu, dan ayahnya duduk 3 satuan dari titik tumpu. Jungkat-jungkitnya seimbang. Berapa massa ayah Siti?

Pembahasan:

Langkah 1 — tulis keseimbangan momennya.

30 \times 7 = m \times 3

Langkah 2 — selesaikan.

210 = 3m \quad \Rightarrow \quad m = 70 \text{ kg}

Langkah 3 — periksa masuk akalnya. Ayah lebih berat dan duduk lebih dekat ke titik tumpu. Cocok.

Jawaban: 70 kg.

Perhatikan Gambar Mencabut Paku. Inilah gunanya keuntungan mekanis: gaya kecil yang kita berikan di ujung panjang berubah menjadi gaya besar di ujung pendek.

Besarnya dihitung dengan membandingkan kedua lengan, atau membandingkan kedua gaya:

KM = \dfrac{\text{lengan kuasa}}{\text{lengan beban}} = \dfrac{\text{gaya beban}}{\text{gaya kuasa}}

Jadi bila gaya 5 N di tangan sanggup menghasilkan gaya 25 N pada paku, keuntungan mekanisnya 25 : 5 = 5 kali. Artinya lengan kuasanya lima kali lebih panjang daripada lengan bebannya.

Tiga Jenis Tuas

Tuas dibedakan menjadi tiga jenis berdasarkan apa yang berada di tengah.

Jenis	Yang di tengah	Contoh
Pertama	titik tumpu	gunting, jungkat-jungkit, linggis, tang, palu pencabut paku
Kedua	beban	gerobak dorong, pembuka tutup botol, pemecah kemiri, pemotong kertas
Ketiga	kuasa	sekop, pinset, stapler, joran pancing, lengan kita sendiri

Cara mengingatnya: perhatikan huruf tengah pada urutan singkatan. Jenis 1 = Tumpu di tengah, jenis 2 = Beban di tengah, jenis 3 = Kuasa di tengah.

Ingat! Kalau bingung menentukan jenisnya, jangan menghafal daftar contohnya. Cari saja ketiga titiknya pada alat itu, lalu lihat mana yang berada di tengah.

Cara menentukan jenis tuas sebuah alat: cari dulu letak titik tumpu, beban, dan kuasa, lalu lihat mana yang berada di tengah.

Kalau titik tumpu di tengah, itu tuas jenis pertama — contohnya gunting, tang, jungkat-jungkit, dan linggis.

Kalau beban di tengah, itu tuas jenis kedua — contohnya gerobak dorong, pemecah kemiri, dan pembuka tutup botol. Pada pembuka botol, titik tumpunya di ujung yang menempel pada tutup, bebannya tutup botol itu sendiri di tengah, dan kuasanya di tangan kita.

Kalau kuasa di tengah, itu tuas jenis ketiga — contohnya pinset, sekop, stapler, dan lengan kita sendiri saat mengangkat beban.

Cara mengingatnya: urutkan huruf depan bagian yang di tengah — T untuk jenis 1, B untuk jenis 2, K untuk jenis 3.

Katrol

Katrol adalah roda beralur yang dilalui tali. Ada tiga macam, dan keuntungan mekanisnya berbeda-beda.

Katrol tetap — kedudukan katrolnya tidak berubah. Keuntungan mekanisnya 1, artinya gaya yang diperlukan sama besar dengan berat beban. Lalu apa gunanya? Ia mengubah arah gaya: kita menarik ke bawah untuk mengangkat beban ke atas, dan menarik ke bawah jauh lebih nyaman karena bisa dibantu berat badan.

Katrol bergerak — katrolnya ikut naik bersama beban. Beban ditopang oleh dua ruas tali, sehingga keuntungan mekanisnya 2 dan gaya yang diperlukan hanya setengah berat beban.

Katrol majemuk — gabungan katrol tetap dan katrol bergerak. Keuntungan mekanisnya sama dengan jumlah ruas tali yang menopang beban. Inilah yang dipakai pada crane untuk mengangkat benda yang sangat berat.

F = \frac{W}{\text{jumlah tali penyangga}}

Ingat! Katrol tetap tidak meringankan gaya. Kalau soal menyebut "satu katrol tetap" lalu pilihan jawabannya ada yang setengah berat beban, itu pengecoh.

Contoh Soal 4

Sebuah beban berberat 2.400 N diangkat dengan sistem katrol majemuk yang bebannya ditopang oleh empat ruas tali. Berapa gaya minimum yang dibutuhkan?

Pembahasan:

F = \frac{2.400}{4} = 600 \text{ N}

Jawaban: 600 N.

Harga yang Harus Dibayar

Sekarang kita buktikan janji di awal tadi. Bayangkan mengangkat beban 100 N setinggi 5 meter:

• Dengan katrol tetap: gaya 100 N, tali yang ditarik 5 m. Usaha = 100 × 5 = 500 joule.
• Dengan katrol majemuk (KM = 4): gaya 25 N, tetapi tali yang ditarik 20 m. Usaha = 25 × 20 = 500 joule.

Usahanya persis sama. Pesawat sederhana tidak pernah mengurangi usaha — ia hanya membagi usaha itu ke lintasan yang lebih panjang, sehingga gayanya terasa lebih ringan.

Ingat! Kalau soal bertanya kelompok mana yang harus menarik tali lebih panjang, jawabannya selalu yang memakai katrol majemuk — karena merekalah yang gayanya paling ringan.

Ketiga jenis katrol berikut punya keuntungan mekanis yang berbeda, dan angkanya perlu kamu hafal.

Katrol tetap memiliki KM = 1. Ia sama sekali tidak meringankan gaya — mengangkat beban 100 N tetap memerlukan gaya 100 N. Gunanya hanya mengubah arah gaya, sehingga kita bisa menarik ke bawah alih-alih mengangkat ke atas. Itulah katrol pada tiang bendera dan sumur timba.

Katrol bebas (katrol bergerak) memiliki KM = 2, sebab bebannya ditopang oleh dua ruas tali. Karena itu beban 20 N cukup ditarik dengan gaya 10 N.

Katrol majemuk menggabungkan beberapa katrol sekaligus. Keuntungan mekanisnya sama dengan jumlah ruas tali yang menopang beban. Jadi beban 2.400 N yang ditopang empat ruas tali cukup ditarik dengan gaya 2400 : 4 = 600 N.

Ingat! Menghitung ruas tali harus teliti: yang dihitung hanya tali yang benar-benar menopang beban, bukan ujung tali yang kita tarik bila ia mengarah ke bawah.

Bidang Miring, Baji, dan Sekrup

Bidang miring membantu kita menaikkan benda tanpa harus mengangkatnya tegak lurus.

\text{KM} = \frac{\text{panjang lintasan}}{\text{tinggi}}

Dari rumus itu terbaca: makin panjang lintasannya — yang berarti makin kecil sudut kemiringannya — makin besar keuntungan mekanisnya dan makin ringan gaya yang diperlukan.

• Baji — dua bidang miring yang disatukan. Contoh: kapak, pisau, paku, pahat.
• Sekrup — bidang miring yang dililitkan pada sebuah batang. Contoh: baut, sekrup, tutup botol berulir.

Jalan di daerah pegunungan dibuat berkelok-kelok karena alasan yang sama persis: memperpanjang lintasan agar kendaraan memerlukan gaya (dan tenaga mesin) yang lebih kecil untuk mencapai ketinggian yang sama.

Pada bidang miring, keuntungan mekanisnya adalah perbandingan panjang bidang terhadap tingginya:

KM = \dfrac{\text{panjang bidang miring}}{\text{tinggi}}

Dari rumus itu terbaca satu aturan praktis: makin panjang dan makin landai bidang miringnya, makin kecil gaya yang diperlukan. Karena itu untuk menaikkan kotak berat ke bak truk dengan gaya sekecil mungkin, papan yang dipakai harus dibuat selandai dan sepanjang mungkin.

Tetapi ada harga yang harus dibayar: jarak tempuhnya menjadi lebih jauh. Pesawat sederhana tidak pernah mengurangi usaha, ia hanya membagi usaha yang sama ke jarak yang lebih panjang sehingga gayanya terasa ringan.

Bidang miring punya dua turunan yang mungkin tidak kamu duga. Baji — seperti kapak, pisau, dan paku — adalah dua bidang miring yang disatukan. Sekrup adalah bidang miring yang dililitkan pada sebuah batang; makin rapat ulirnya, makin ringan memutarnya. Jadi papan miring untuk menaikkan peti berprinsip sama dengan sekrup dan baji.

Roda Berporos dan Roda Gigi

Roda berporos terdiri dari roda besar yang menyatu dengan poros kecil. Ketika roda besar diputar dengan gaya kecil, poros kecilnya berputar dengan gaya yang jauh lebih besar. Contoh: setir mobil, obeng, gagang pintu, roda sepeda.

Roda gigi (gir) yang bersinggungan selalu berputar berlawanan arah. Kalau roda A berputar searah jarum jam, roda B yang bersinggungan dengannya berputar berlawanan arah jarum jam.

Latihan Yuk!

1. Kelompokkan menjadi energi potensial atau energi kinetik: gravitasi, panas, suara, kimia, elastik.
2. Sebuah batu bermassa 2 kg berada pada ketinggian 10 meter. Berapa energi potensialnya? (g = 10 m/s²)
3. Kelompokkan menjadi terbarukan atau tak terbarukan: minyak tanah, batu bara, biodiesel, spiritus, elpiji, sel surya.
4. Seorang tukang mengangkat batu bata dan melakukan usaha 600 joule dalam waktu 30 detik. Berapa dayanya?
5. Sebuah lampu memakai energi listrik 200 joule dan menghasilkan 30 joule energi cahaya. Berapa efisiensinya? Ke mana perginya sisa energi itu?
6. Dua alat dijalankan selama waktu yang sama: alat P berdaya 400 watt dan alat Q berdaya 900 watt. Alat mana yang memakai energi lebih banyak?
7. Sebuah beban 600 N diangkat dengan katrol majemuk yang bebannya ditopang tiga ruas tali. Berapa gaya minimumnya?
8. Mengapa jalan di pegunungan dibuat berkelok-kelok? Pesawat sederhana apa yang prinsipnya dipakai?
9. Seorang anak mengangkat beban 80 N setinggi 3 meter memakai katrol majemuk dengan KM = 4. Berapa gaya yang diperlukan, berapa panjang tali yang harus ditarik, dan berapa usaha totalnya?

Kunci Jawaban Latihan

• Potensial: gravitasi, kimia, elastik. Kinetik: panas, suara.
• E_p = m g h = 2 \times 10 \times 10 = 200 \text{ joule}.
• Terbarukan: biodiesel, sel surya. Tak terbarukan: minyak tanah, batu bara, spiritus, elpiji.
• P = \frac{W}{t} = \frac{600}{30} = 20 \text{ watt}.
• \eta = \frac{30}{200} \times 100\% = 15\%. Sisanya 170 joule berubah menjadi kalor, itulah sebabnya lampu terasa panas.
• Alat Q, karena dayanya lebih besar sedangkan waktunya sama.
• F = \frac{600}{3} = 200 \text{ N}.
• Agar lintasannya lebih panjang, sehingga gaya yang diperlukan kendaraan untuk naik menjadi lebih kecil. Prinsip yang dipakai adalah bidang miring.
• Gaya = \frac{80}{4} = 20 \text{ N}. Panjang tali = 4 \times 3 = 12 \text{ meter}. Usaha = 20 \times 12 = 240 \text{ joule} — sama dengan 80 \times 3 = 240 \text{ joule} bila diangkat langsung.

Pada rangkaian roda gigi yang bersinggungan langsung, dua roda yang bersentuhan selalu berputar dengan arah berlawanan.

Karena itu pada tiga roda berderet A–B–C, bila A berputar searah jarum jam maka B berlawanan arah jarum jam, dan C kembali searah jarum jam. Pola selang-seling ini berlaku berapa pun jumlah rodanya: roda bernomor ganjil searah, roda bernomor genap berlawanan.

Berbeda halnya kalau kedua roda dihubungkan dengan rantai atau sabuk — seperti pada sepeda. Dalam susunan itu keduanya berputar searah, sebab rantai menarik keduanya ke arah yang sama.

Adapun jumlah gigi menentukan kecepatan putarnya: roda gigi yang lebih kecil berputar lebih cepat tetapi tenaganya lebih ringan, sedangkan roda gigi besar berputar lambat dengan tenaga lebih besar. Inilah yang kamu rasakan saat mengganti gigi sepeda di tanjakan.

Rangkuman Bab 6

Energi

• Energi adalah kemampuan melakukan usaha; satuannya joule (untuk makanan: kalori).
• Bentuk energi: kimia, listrik, kalor, cahaya, bunyi, gerak, potensial, nuklir.
• Kelompok potensial: gravitasi, kimia, elastik. Kelompok kinetik: gerak benda, panas, bunyi.
• E_p = m g h. Energi kinetik makin besar bila kelajuan benda makin besar.
• Kekekalan energi: E_m = E_p + E_k selalu tetap. Titik tertinggi → Ep maksimum dan Ek minimum; titik terendah → sebaliknya.
• Rantai perubahan energi ditelusuri dari sumber paling awal. Contoh: dinamo sepeda = kimia → gerak → listrik → cahaya.
• Pola pembangkit listrik: sumber → kalor → gerak turbin → listrik. PLTA melewatkan tahap kalor.
• Energi tubuh: karbohidrat + oksigen → energi + karbon dioksida + air.

Sumber Energi

• Terbarukan: matahari, angin, air, pasang surut, panas bumi, biodiesel, biogas, kayu.
• Tak terbarukan: minyak bumi, bensin, solar, minyak tanah, elpiji, batu bara, spiritus, bahan bakar nuklir.
• Fisi = inti besar terpecah (dipakai PLTN). Fusi = inti ringan bergabung (terjadi di matahari).

Usaha, Daya, dan Efisiensi

• W = F \times s — tanpa perpindahan, usahanya nol.
• P = \dfrac{W}{t}, satuannya watt. Daya mengukur kecepatan melakukan usaha.
• Energi yang dipakai alat listrik = daya × waktu.
• \eta = \dfrac{E_{\text{berguna}}}{E_{\text{masuk}}} \times 100\%, tidak pernah mencapai 100%.

Pesawat Sederhana

Pesawat	Keuntungan mekanis	Catatan
Tuas	lengan kuasa ÷ lengan beban	makin dekat tumpuan ke beban, makin ringan
Katrol tetap	1	hanya mengubah arah gaya
Katrol bergerak	2	beban ditopang dua ruas tali
Katrol majemuk	jumlah tali penyangga	dipakai pada crane
Bidang miring	panjang lintasan ÷ tinggi	makin landai, makin ringan

• F_k \times l_k = F_b \times l_b untuk tuas yang seimbang.
• Tuas jenis 1 = tumpu di tengah; jenis 2 = beban di tengah; jenis 3 = kuasa di tengah.
• Baji dan sekrup adalah turunan bidang miring. Jalan pegunungan berkelok memakai prinsip yang sama.
• Roda gigi yang bersinggungan berputar berlawanan arah; tiap persinggungan membalik arah satu kali.
• Pesawat sederhana tidak mengurangi usaha. Gaya berkurang, tetapi lintasannya bertambah panjang dengan perbandingan yang sama.

Penutup

Selamat, kamu sudah menyelesaikan bab keenam!

Sekarang kamu bisa menjawab pertanyaan di awal bab tadi. Linggis membuat batu terasa ringan karena ia memperpanjang lintasan gerak tanganmu: tanganmu bergerak jauh, sementara batunya hanya terangkat sedikit. Gayanya berkurang, jaraknya bertambah, dan hasil kali keduanya — yaitu usaha — tetap sama.

Itulah aturan yang berlaku untuk semua pesawat sederhana, tanpa kecuali. Tidak ada alat yang memberi sesuatu secara gratis. Yang bisa dilakukan alat hanyalah menukar gaya dengan jarak.

Dan sebenarnya, aturan itu adalah wajah lain dari hukum yang sudah kamu pelajari di awal bab ini: energi tidak bisa diciptakan. Kalau ada alat yang mengaku bisa menghasilkan usaha lebih besar daripada yang dimasukkan, kamu sudah punya bekal untuk meragukannya.

Dua pertanyaan yang berguna untuk soal-soal bab ini:

1. "Dari mana asal energinya, dan ke mana perginya?" Rantai perubahan energi selalu bisa ditelusuri dari sumber paling awal.
2. "Mana titik tumpu, beban, dan kuasanya?" Sekali ketiganya kamu temukan, jenis tuas dan perhitungannya mengikuti dengan sendirinya.

Di Bab 7 kita akan membahas Tekanan dan Fluida — mengapa paku yang runcing mudah menembus papan, mengapa telingamu terasa penuh saat menyelam, dan mengapa kapal baja yang begitu berat tetap bisa mengapung.

Sampai jumpa di sana!