Rangkuman Materi
Memahami konsep Ilmu Pengetahuan Alam (IPA) tidak lagi hanya sebatas hafalan definisi atau rumus di buku. Khususnya untuk siswa SMP kelas 8, kemampuan berpikir tingkat tinggi atau Higher Order Thinking Skills (HOTS) sangat esensial untuk mengaplikasikan pengetahuan IPA dalam konteks kehidupan sehari-hari. Soal-soal HOTS mendorong siswa untuk menganalisis, mengevaluasi, dan bahkan menciptakan solusi berdasarkan pemahaman mereka terhadap materi.
Fokus materi IPA kelas 8 yang kaya akan konteks adalah Gerak dan Gaya, Tekanan Zat, serta Usaha dan Energi. Konsep-konsep ini sangat melekat dalam aktivitas siswa, mulai dari bersepeda, mengangkat tas, hingga bernapas atau menyelam. Dengan pendekatan kontekstual, siswa akan melihat relevansi IPA, bukan sekadar mata pelajaran yang abstrak, melainkan ilmu yang menjelaskan fenomena di sekitar mereka dan membantu memecahkan masalah praktis.
Bank soal HOTS ini dirancang untuk menstimulasi daya nalar dan kritis siswa. Setiap soal diawali dengan stimulus berupa skenario atau data yang sering dijumpai. Siswa ditantang untuk mengidentifikasi masalah, menganalisis informasi yang diberikan, menerapkan prinsip-prinsip IPA yang relevan, hingga mengevaluasi berbagai pilihan jawaban untuk menemukan solusi terbaik. Ini melampaui pembelajaran konvensional dan mempersiapkan siswa menjadi pemikir yang adaptif dan inovatif.
Melalui latihan soal kontekstual ini, diharapkan siswa tidak hanya mencapai nilai akademik yang baik, tetapi juga mengembangkan keterampilan berpikir kritis dan pemecahan masalah yang akan sangat berguna dalam kehidupan dan jenjang pendidikan selanjutnya. Bank soal ini mencakup berbagai format, mulai dari pilihan ganda, isian singkat, uraian, hingga menjodohkan, semuanya dengan tingkat kesulitan yang sesuai untuk melatih kemampuan HOTS siswa SMP kelas 8.
Latihan Soal HOTS
A. Pilihan Ganda
- Seorang anak bernama Budi mengayuh sepedanya dengan kecepatan konstan 10 km/jam di jalan datar. Tiba-tiba, ia melihat sebuah lubang di depannya dan segera mengerem. Sepeda Budi berhenti dalam waktu 2 detik setelah pengereman. Jika massa total Budi dan sepeda adalah 60 kg, bagaimana gaya pengereman yang bekerja pada sepeda Budi bisa dianalisis terkait perubahan geraknya?
- A. Gaya pengereman menyebabkan percepatan positif, yang berarti kecepatan sepeda bertambah.
- B. Gaya pengereman bekerja berlawanan arah dengan gerak, menyebabkan perlambatan sehingga kecepatan berkurang.
- C. Gaya pengereman tidak memengaruhi kecepatan, hanya mengubah arah gerak sepeda.
- D. Gaya pengereman adalah gaya reaksi dari ban ke jalan, sehingga tidak ada pengaruh pada sepeda itu sendiri.
- E. Gaya pengereman hanya efektif jika sepeda bergerak dengan kecepatan sangat tinggi.
- Seorang atlet angkat besi sedang mencoba mengangkat beban 150 kg dari lantai. Ia membutuhkan waktu 2 detik untuk mengangkat beban tersebut setinggi 2 meter. Rekan atlet lain berpendapat bahwa atlet tersebut melakukan usaha yang besar. Namun, jika ia hanya mengangkat beban tersebut setinggi 2 meter lalu menahannya di atas kepalanya selama 10 detik, apakah ia masih melakukan usaha dalam konteks fisika selama menahan beban?
- A. Ya, karena ia merasakan kelelahan dan mengeluarkan energi.
- B. Tidak, karena tidak ada perpindahan posisi beban selama ditahan.
- C. Ya, karena gaya gravitasi masih bekerja pada beban tersebut.
- D. Tidak, karena ia sudah tidak bergerak secara vertikal.
- E. Ya, karena usaha adalah hasil kali gaya dan waktu.
- Sebuah kapal selam modern dirancang untuk dapat menyelam hingga kedalaman 300 meter. Semakin dalam kapal menyelam, semakin besar tekanan hidrostatis yang dialami. Jika di kedalaman 10 meter, tekanan hidrostatisnya adalah P, bagaimana Anda akan mengevaluasi dampak jika kapal selam tersebut memiliki desain material yang tidak mampu menahan tekanan 30 kali lipat dari tekanan di kedalaman 10 meter?
- A. Kapal selam akan tetap aman karena material modern sangat kuat.
- B. Kapal selam akan mengalami kerusakan serius atau hancur karena tekanan melebihi batas kemampuan material.
- C. Kapal selam hanya akan sedikit penyok, tetapi masih bisa beroperasi.
- D. Tekanan akan berkurang karena volume kapal selam akan mengecil.
- E. Tekanan hidrostatis tidak terlalu berbahaya pada kedalaman tersebut.
- Seorang tukang bangunan sedang mendorong gerobak pasir dengan gaya 150 N sejauh 10 meter. Ia merasa sangat lelah. Jika ia mengulang pekerjaan yang sama tetapi gerobaknya lebih ringan sehingga ia hanya perlu gaya 100 N untuk mendorong sejauh 10 meter, bagaimana perbandingan usaha yang dilakukan pada kedua situasi tersebut dan mengapa?
- A. Usaha yang dilakukan sama karena jaraknya sama.
- B. Usaha pada gerobak pasir pertama lebih kecil karena gaya yang dibutuhkan lebih besar.
- C. Usaha pada gerobak pasir kedua lebih besar karena lebih ringan.
- D. Usaha pada gerobak pasir pertama lebih besar karena gaya yang diberikan lebih besar.
- E. Usaha tidak dapat dibandingkan karena lelah tidak termasuk perhitungan fisika.
- Dalam perlombaan lari cepat 100 meter, Rio menyelesaikan dalam 10 detik dan Budi dalam 12 detik. Jika massa Rio 50 kg dan Budi 55 kg, bagaimana Anda akan mengevaluasi perbedaan kecepatan rata-rata dan percepatan yang mungkin terjadi pada kedua pelari tersebut?
- A. Rio memiliki kecepatan rata-rata lebih rendah dan percepatan lebih kecil dari Budi.
- B. Rio memiliki kecepatan rata-rata lebih tinggi karena waktu tempuhnya lebih singkat, kemungkinan percepatannya juga lebih besar.
- C. Budi memiliki kecepatan rata-rata lebih tinggi karena massanya lebih besar, sehingga percepatannya juga lebih besar.
- D. Kecepatan rata-rata dan percepatan tidak dapat dihitung tanpa informasi gaya dorong kaki mereka.
- E. Kecepatan rata-rata keduanya sama karena jaraknya sama, yang berbeda hanya waktu.
- Sebuah ban mobil kempes di jalan raya. Untuk mengisinya kembali, Pak Dedi menggunakan pompa manual. Setiap kali Pak Dedi menekan tuas pompa, udara masuk ke dalam ban. Mengapa udara yang dipompakan dapat masuk ke dalam ban meskipun di dalam ban sudah ada udara?
- A. Karena ban memiliki lubang mikroskopis yang tidak terlihat.
- B. Karena tekanan udara yang diberikan pompa lebih besar dari tekanan udara di dalam ban.
- C. Karena volume ban yang kempes lebih kecil sehingga mudah diisi.
- D. Karena udara pompa memiliki suhu yang lebih tinggi sehingga mudah masuk.
- E. Karena ada efek gravitasi yang menarik udara masuk ke dalam ban.
- Sebuah botol plastik kosong ditutup rapat dan dimasukkan ke dalam air. Botol tersebut mengapung. Kemudian, botol yang sama diisi sebagian dengan pasir dan ditutup rapat, lalu dimasukkan ke dalam air dan ternyata tenggelam. Mengapa penambahan pasir pada botol dapat mengubah kondisi botol dari mengapung menjadi tenggelam?
- A. Massa jenis pasir lebih besar dari air, sehingga botol ikut tenggelam.
- B. Volume botol berkurang saat diisi pasir.
- C. Gaya apung air berkurang saat botol diisi pasir.
- D. Massa total botol dan isinya menjadi lebih besar daripada gaya apung maksimum yang dapat diberikan air.
- E. Pasir mengubah komposisi kimia air sehingga gaya apungnya berkurang.
- Seorang anak sedang bermain ketapel. Ia menarik karet ketapel hingga meregang sejauh 15 cm. Saat karet dilepaskan, batu melesat dengan kecepatan tinggi. Jika ia menarik karet lebih jauh menjadi 20 cm, bagaimana energi potensial karet saat ditarik dan kecepatan batu saat melesat akan berubah?
- A. Energi potensial berkurang, kecepatan batu berkurang.
- B. Energi potensial tetap, kecepatan batu tetap.
- C. Energi potensial bertambah, kecepatan batu bertambah.
- D. Energi potensial bertambah, kecepatan batu berkurang.
- E. Energi potensial berkurang, kecepatan batu bertambah.
- Dalam sebuah eksperimen, dua balok kayu dengan ukuran yang sama tetapi massa jenis berbeda (balok A lebih padat dari balok B) dijatuhkan dari ketinggian yang sama secara bersamaan. Mengabaikan hambatan udara, bagaimana Anda memprediksi waktu jatuh kedua balok dan mengapa?
- A. Balok A akan jatuh lebih cepat karena lebih berat.
- B. Balok B akan jatuh lebih cepat karena lebih ringan.
- C. Kedua balok akan jatuh pada waktu yang bersamaan karena percepatan gravitasi bumi sama untuk semua benda.
- D. Balok A akan jatuh lebih lambat karena hambatannya lebih besar.
- E. Tidak bisa diprediksi tanpa mengetahui bentuk aerodinamis balok.
- Seorang koki ingin memotong daging beku menggunakan pisau tajam. Mengapa pisau yang tajam lebih efektif (mudah) untuk memotong dibandingkan pisau tumpul, dalam kaitannya dengan konsep tekanan?
- A. Pisau tajam memiliki massa lebih kecil sehingga lebih mudah digerakkan.
- B. Pisau tajam memiliki permukaan sentuh yang lebih kecil, sehingga dengan gaya yang sama menghasilkan tekanan yang lebih besar.
- C. Pisau tumpul memiliki energi potensial yang lebih rendah.
- D. Pisau tajam mengurangi gaya yang dibutuhkan untuk memotong.
- E. Pisau tajam menghasilkan gesekan yang lebih besar.
- Seorang anak bermain jungkat-jungkit. Ia duduk di salah satu ujung dan adiknya yang lebih kecil duduk di ujung lain. Agar jungkat-jungkit seimbang, adiknya harus bergeser lebih jauh dari titik tumpu daripada anak yang lebih besar. Prinsip fisika apa yang paling mendasari pengaturan ini?
- A. Hukum Newton tentang gaya.
- B. Prinsip tuas atau momen gaya.
- C. Hukum Archimedes tentang gaya apung.
- D. Prinsip Pascal tentang tekanan zat cair.
- E. Hukum Kekekalan Energi.
- Ketika Anda meniupkan udara ke dalam balon, balon akan mengembang. Jika Anda terus meniup, balon bisa meletus. Bagaimana Anda akan menganalisis penyebab meletusnya balon dalam konteks tekanan udara dan elastisitas bahan balon?
- A. Volume udara di dalam balon menjadi terlalu besar.
- B. Tekanan udara di luar balon menjadi terlalu rendah.
- C. Karet balon menjadi terlalu dingin dan rapuh.
- D. Tekanan udara di dalam balon melebihi batas elastisitas dan kekuatan material balon.
- E. Udara yang ditiupkan mengandung zat yang merusak karet balon.
- Seorang siswa mengamati bahwa saat ia naik bus yang tiba-tiba mengerem, tubuhnya terdorong ke depan. Prinsip fisika apa yang menjelaskan fenomena ini dan bagaimana ia bekerja?
- A. Hukum Newton III (Aksi-Reaksi): Tubuh mendorong bus ke belakang, bus mendorong tubuh ke depan.
- B. Hukum Newton II (F=ma): Gaya pengereman bus sangat besar sehingga tubuh ikut bergerak.
- C. Hukum Newton I (Inersia): Tubuh cenderung mempertahankan keadaan geraknya (bergerak maju) saat bus berhenti mendadak.
- D. Gaya sentrifugal: Bus membelok sehingga tubuh terlempar ke depan.
- E. Gaya gesek: Tubuh bergesekan dengan kursi sehingga terdorong.
- Mengapa ban sepeda gunung dirancang memiliki pola alur yang kasar dan menonjol, sementara ban sepeda balap dirancang dengan permukaan yang lebih halus atau sedikit alur?
- A. Ban sepeda gunung didesain agar terlihat lebih kokoh dan estetis.
- B. Ban sepeda gunung memerlukan gesekan lebih besar untuk traksi di medan tidak rata, sedangkan ban sepeda balap memerlukan gesekan lebih kecil untuk mengurangi hambatan di jalan mulus.
- C. Pola kasar pada ban sepeda gunung bertujuan untuk mengurangi tekanan udara di dalam ban.
- D. Ban sepeda balap lebih halus karena terbuat dari bahan yang lebih licin.
- E. Pola alur ban tidak memiliki pengaruh signifikan terhadap performa.
- Sebuah mobil mogok di jalan. Pak Budi ingin mendorong mobil tersebut. Ia mendorong dengan sekuat tenaga (gaya 500 N), tetapi mobil tidak bergerak. Apakah Pak Budi telah melakukan usaha dalam konteks fisika? Bagaimana Anda mengevaluasi situasi ini?
- A. Ya, karena ia sudah mengeluarkan energi dan merasakan lelah.
- B. Tidak, karena mobil tidak mengalami perpindahan posisi.
- C. Ya, karena ia menerapkan gaya pada mobil.
- D. Tidak, karena gaya yang ia berikan tidak cukup besar.
- E. Ya, karena gaya gesek yang melawan gerak mobil.
- Untuk mengangkat air dari sumur, Pak Hasan menggunakan timba dan tali yang ditarik melewati katrol. Mengapa penggunaan katrol tunggal tetap mempermudah pekerjaan Pak Hasan, meskipun gaya yang dibutuhkan untuk mengangkat timba sama dengan berat timba berisi air?
- A. Katrol mengurangi berat timba berisi air.
- B. Katrol meningkatkan gaya yang diberikan Pak Hasan.
- C. Katrol mengubah arah gaya, sehingga Pak Hasan dapat menarik ke bawah (dengan bantuan berat tubuhnya) yang lebih nyaman.
- D. Katrol mengurangi perpindahan tali yang harus ditarik.
- E. Katrol mengubah energi potensial menjadi energi kinetik.
- Seorang anak menjatuhkan kelereng dari ketinggian 1 meter di atas permukaan air dalam ember. Kelereng tersebut bergerak lurus ke bawah dan masuk ke dalam air. Bagaimana gaya-gaya yang bekerja pada kelereng saat di udara dan saat di dalam air berbeda, serta apa dampaknya pada geraknya?
- A. Di udara hanya ada gaya gravitasi; di air ada gaya gravitasi dan gaya apung yang mempercepat gerak kelereng.
- B. Di udara ada gaya gravitasi dan hambatan udara; di air ada gaya gravitasi, gaya apung ke atas, dan gaya hambat fluida yang lebih besar.
- C. Di udara tidak ada gaya; di air hanya ada gaya apung.
- D. Gaya-gaya yang bekerja sama, hanya saja di air kecepatan kelereng berkurang.
- E. Gaya apung hanya muncul di udara, bukan di air.
- Sebuah pegas ditarik dengan gaya 20 N sehingga meregang sepanjang 4 cm. Jika pegas tersebut ditarik lagi dengan gaya 40 N, bagaimana perubahan regangan yang terjadi pada pegas, asumsi pegas masih berada dalam batas elastisitasnya?
- A. Regangan akan tetap 4 cm.
- B. Regangan akan menjadi 2 cm.
- C. Regangan akan menjadi 8 cm.
- D. Regangan akan menjadi 16 cm.
- E. Regangan tidak bisa ditentukan tanpa mengetahui konstanta pegas.
- Mengapa seorang penyelam harus berhati-hati saat naik dari kedalaman laut secara perlahan dan tidak boleh langsung melompat ke permukaan?
- A. Untuk menghindari sengatan ubur-ubur yang ada di permukaan.
- B. Karena tekanan udara di permukaan lebih tinggi daripada di dalam laut.
- C. Untuk memberi waktu tubuh menyesuaikan diri dengan perubahan tekanan, menghindari dekompresi.
- D. Agar tidak terjadi perubahan suhu yang drastis pada tubuh.
- E. Agar tidak terseret arus laut yang kuat di permukaan.
- Sebuah mobil melaju dengan kecepatan 60 km/jam. Tiba-tiba, pengemudi melihat hambatan dan menginjak rem hingga mobil berhenti dalam jarak 30 meter. Jika mobil tersebut bermuatan penuh dan massa totalnya menjadi dua kali lipat, tetapi sistem pengereman tetap sama, bagaimana Anda mengevaluasi jarak pengereman yang dibutuhkan jika mobil tetap melaju dengan kecepatan awal yang sama?
- A. Jarak pengereman akan tetap sama.
- B. Jarak pengereman akan menjadi setengahnya.
- C. Jarak pengereman akan menjadi dua kali lipat.
- D. Jarak pengereman akan menjadi empat kali lipat.
- E. Jarak pengereman tidak dapat diprediksi tanpa mengetahui koefisien gesek ban.
B. Isian Singkat
- Sebuah truk pengangkut barang dengan massa sangat besar bergerak dengan kecepatan rendah. Sebuah mobil sport dengan massa jauh lebih kecil bergerak dengan kecepatan sangat tinggi. Jika kedua kendaraan tiba-tiba harus berhenti mendadak, manakah yang memiliki energi kinetik lebih besar? Jelaskan mengapa.
- Mengapa alas sepatu sepak bola memiliki ‘pul’ atau tonjolan-tonjolan kecil di bawahnya, sementara alas sepatu futsal cenderung rata atau berpola gerigi halus?
- Jika Anda mendorong sebuah buku di atas meja, buku akan bergerak lalu berhenti. Jelaskan konsep gaya gesek yang bekerja pada buku tersebut dan mengapa buku akhirnya berhenti.
- Bagaimana penerapan prinsip tekanan zat cair pada sistem rem hidrolik pada kendaraan bermotor dapat membuat pengemudi dengan mudah menghentikan kendaraan yang berat?
- Sebuah batu kecil dilempar secara horizontal dari tebing. Mengapa lintasan batu tersebut membentuk kurva parabola dan bukan garis lurus?
C. Uraian
- Bayangkan Anda adalah seorang insinyur yang bertugas mendesain jembatan gantung di atas sungai. Jembatan ini harus mampu menahan beban kendaraan dan angin kencang. Jelaskan bagaimana Anda akan menerapkan konsep gaya (termasuk gaya tarik, gaya tekan, dan gaya gesek) serta prinsip keseimbangan untuk memastikan keamanan dan stabilitas jembatan tersebut. Sertakan contoh konkret.
- Seorang siswa di sekolah Anda merasa kebingungan mengapa pompa hidrolik kecil di bengkel dapat mengangkat mobil yang sangat berat hanya dengan sedikit tenaga. Dengan pengetahuan Anda tentang tekanan zat cair, jelaskan cara kerja pompa hidrolik tersebut dan bagaimana ia bisa ‘menggandakan’ gaya, sehingga siswa tersebut dapat memahami prinsip di baliknya.
- Perhatikan dua aktivitas berikut: (1) mendorong mobil mogok di jalan raya, dan (2) memanjat tangga di rumah. Analisis kedua aktivitas tersebut dalam konteks fisika terkait konsep usaha dan energi. Identifikasi perbedaan signifikan dalam jenis energi yang terlibat dan bagaimana usaha dihitung pada masing-masing kasus.
- Seorang arsitek mendesain sebuah taman air dengan air mancur dan kolam renang. Ia ingin air mancur bisa memancarkan air setinggi 5 meter. Bagaimana Anda akan mengevaluasi desain sistem pompa air yang dibutuhkan untuk air mancur tersebut dari segi efisiensi dan energi, serta konsep tekanan yang terlibat?
- Suatu hari, Anda sedang berjalan di trotoar yang licin akibat tumpahan oli. Anda menyadari bahwa Anda harus berjalan sangat hati-hati untuk menghindari terpeleset. Buatlah sebuah hipotesis yang menjelaskan mengapa Anda bisa terpeleset di atas oli, hubungkan dengan konsep gaya gesek, dan usulkan dua cara konkret untuk meningkatkan keamanan Anda saat berjalan di permukaan licin tersebut.
D. Menjodohkan
Pasangkan pernyataan A dengan jawaban B yang sesuai.
- Kardus bekas diisi buku dan dibawa menggunakan motor, terasa berat untuk dibelokkan. … (…)
- Mengisi ban sepeda yang kempes dengan pompa manual. … (…)
Kunci Jawaban & Pembahasan
A. Pilihan Ganda
- Gaya pengereman bekerja berlawanan arah dengan gerak, menyebabkan perlambatan sehingga kecepatan berkurang.
Pembahasan: Gaya pengereman adalah gaya yang diberikan untuk mengurangi laju suatu benda. Dalam fisika, gaya ini bekerja berlawanan arah dengan arah gerak benda, sehingga menimbulkan perlambatan (percepatan negatif). Perlambatan inilah yang menyebabkan kecepatan sepeda Budi berkurang hingga berhenti. - Tidak, karena tidak ada perpindahan posisi beban selama ditahan.
Pembahasan: Dalam fisika, usaha didefinisikan sebagai hasil kali gaya dengan perpindahan benda dalam arah gaya. Saat atlet menahan beban di atas kepalanya tanpa terjadi perpindahan (jarak vertikal tetap), maka perpindahannya adalah nol. Meskipun ada gaya yang bekerja (gaya otot untuk menahan beban) dan energi dikeluarkan oleh tubuh, secara definisi fisika, tidak ada usaha yang dilakukan terhadap beban selama ditahan. - Kapal selam akan mengalami kerusakan serius atau hancur karena tekanan melebihi batas kemampuan material.
Pembahasan: Tekanan hidrostatis berbanding lurus dengan kedalaman. Jika tekanan di kedalaman 10 meter adalah P, maka di kedalaman 300 meter (30 kali lebih dalam), tekanannya akan sekitar 30P. Jika desain material tidak mampu menahan tekanan sebesar itu, maka kapal selam akan gagal secara struktural, yang dapat menyebabkan kerusakan fatal atau hancur. Ini adalah prinsip dasar desain kapal selam untuk keamanan. - Usaha pada gerobak pasir pertama lebih besar karena gaya yang diberikan lebih besar.
Pembahasan: Usaha (W) dihitung dengan rumus W = F x s, di mana F adalah gaya dan s adalah perpindahan. Pada situasi pertama, W1 = 150 N x 10 m = 1500 Joule. Pada situasi kedua, W2 = 100 N x 10 m = 1000 Joule. Oleh karena itu, usaha yang dilakukan pada gerobak pasir pertama (yang membutuhkan gaya lebih besar) adalah lebih besar. - Rio memiliki kecepatan rata-rata lebih tinggi karena waktu tempuhnya lebih singkat, kemungkinan percepatannya juga lebih besar.
Pembahasan: Kecepatan rata-rata dihitung sebagai perpindahan dibagi waktu. Rio (100m/10s = 10 m/s) lebih cepat dari Budi (100m/12s = 8.33 m/s). Untuk mencapai kecepatan yang lebih tinggi dalam waktu yang lebih singkat, Rio harus memiliki percepatan rata-rata yang lebih besar dibandingkan Budi, meskipun kita tidak memiliki data percepatan instan atau gaya. - Karena tekanan udara yang diberikan pompa lebih besar dari tekanan udara di dalam ban.
Pembahasan: Udara selalu bergerak dari area bertekanan tinggi ke area bertekanan rendah. Ketika Pak Dedi menekan pompa, ia meningkatkan tekanan udara di dalam pompa hingga melebihi tekanan udara di dalam ban. Perbedaan tekanan inilah yang mendorong udara dari pompa masuk ke dalam ban. - Massa total botol dan isinya menjadi lebih besar daripada gaya apung maksimum yang dapat diberikan air.
Pembahasan: Suatu benda mengapung jika gaya apung lebih besar atau sama dengan berat benda, dan tenggelam jika gaya apung lebih kecil dari berat benda. Dengan menambahkan pasir, massa total botol meningkat secara signifikan. Meskipun volume botol tidak berubah (sehingga gaya apung maksimum yang bisa diterima tetap sama), berat total botol menjadi lebih besar dari gaya apung yang bisa diberikan air, menyebabkan botol tenggelam. - Energi potensial bertambah, kecepatan batu bertambah.
Pembahasan: Ketika karet ketapel ditarik lebih jauh, regangannya bertambah. Semakin besar regangan, semakin besar energi potensial elastis yang tersimpan dalam karet. Saat karet dilepaskan, energi potensial ini diubah menjadi energi kinetik pada batu. Oleh karena itu, energi potensial yang lebih besar akan menghasilkan energi kinetik yang lebih besar pada batu, yang berarti kecepatan batu saat melesat juga akan bertambah. - Kedua balok akan jatuh pada waktu yang bersamaan karena percepatan gravitasi bumi sama untuk semua benda.
Pembahasan: Dalam kondisi ideal (mengabaikan hambatan udara), semua benda yang dijatuhkan dari ketinggian yang sama akan mencapai tanah dalam waktu yang sama, tanpa memandang massa atau massa jenisnya. Ini disebabkan oleh percepatan gravitasi bumi yang konstan untuk semua benda. - Pisau tajam memiliki permukaan sentuh yang lebih kecil, sehingga dengan gaya yang sama menghasilkan tekanan yang lebih besar.
Pembahasan: Tekanan (P) didefinisikan sebagai gaya (F) per satuan luas (A), P = F/A. Pisau tajam memiliki mata pisau yang sangat tipis (luas permukaan sentuh kecil). Dengan gaya dorong yang sama, pisau tajam akan menghasilkan tekanan yang jauh lebih besar pada daging dibandingkan pisau tumpul yang memiliki luas permukaan sentuh lebih besar. Tekanan yang besar inilah yang memungkinkan pisau memotong dengan mudah. - Prinsip tuas atau momen gaya.
Pembahasan: Situasi jungkat-jungkit adalah contoh aplikasi prinsip tuas. Untuk mencapai keseimbangan, momen gaya (torque) di kedua sisi titik tumpu harus sama. Momen gaya dihitung sebagai gaya dikalikan jarak dari titik tumpu. Karena adiknya memiliki massa (dan berat) yang lebih kecil, ia perlu duduk lebih jauh dari titik tumpu (jarak yang lebih besar) untuk menciptakan momen gaya yang sama besar dengan anak yang lebih besar yang duduk lebih dekat ke titik tumpu. - Tekanan udara di dalam balon melebihi batas elastisitas dan kekuatan material balon.
Pembahasan: Saat udara ditiupkan ke dalam balon, jumlah molekul udara di dalamnya bertambah, yang meningkatkan jumlah tumbukan molekul dengan dinding balon, sehingga tekanan di dalam balon meningkat. Dinding balon memiliki batas elastisitas dan kekuatan tertentu. Jika tekanan di dalam balon terus meningkat dan melebihi batas ini, material balon tidak lagi mampu menahan gaya tarik yang dihasilkan oleh tekanan tersebut, sehingga balon meletus. - Hukum Newton I (Inersia): Tubuh cenderung mempertahankan keadaan geraknya (bergerak maju) saat bus berhenti mendadak.
Pembahasan: Fenomena ini adalah contoh hukum kelembaman atau Hukum Newton I. Sebelum bus mengerem, tubuh siswa bergerak maju bersama bus. Ketika bus mengerem mendadak, bus mengalami perlambatan, tetapi tubuh siswa cenderung mempertahankan keadaan geraknya (tetap bergerak maju) karena inersia. Oleh karena itu, tubuh siswa terdorong ke depan relatif terhadap bus yang melambat. - Ban sepeda gunung memerlukan gesekan lebih besar untuk traksi di medan tidak rata, sedangkan ban sepeda balap memerlukan gesekan lebih kecil untuk mengurangi hambatan di jalan mulus.
Pembahasan: Pola alur ban dirancang untuk mengoptimalkan gaya gesek. Ban sepeda gunung dengan pola kasar dan menonjol meningkatkan luas kontak efektif dan ‘menggigit’ permukaan tanah yang tidak rata (lumpur, kerikil) untuk mendapatkan traksi maksimal, mencegah selip. Sebaliknya, ban sepeda balap yang halus mengurangi gesekan dengan jalan aspal mulus, meminimalkan hambatan dan memungkinkan kecepatan tinggi. - Tidak, karena mobil tidak mengalami perpindahan posisi.
Pembahasan: Dalam fisika, usaha didefinisikan sebagai hasil kali gaya dengan perpindahan benda dalam arah gaya (W = F x s). Meskipun Pak Budi mengerahkan gaya yang besar dan mengeluarkan energi, jika mobil tidak bergerak (perpindahan s = 0), maka tidak ada usaha yang dilakukan oleh Pak Budi terhadap mobil tersebut. - Katrol mengubah arah gaya, sehingga Pak Hasan dapat menarik ke bawah (dengan bantuan berat tubuhnya) yang lebih nyaman.
Pembahasan: Katrol tunggal tetap tidak mengurangi gaya yang dibutuhkan (gaya input sama dengan gaya output atau berat beban), tetapi ia mengubah arah gaya. Dengan menarik tali ke bawah, Pak Hasan dapat memanfaatkan berat tubuhnya untuk membantu menarik, yang terasa lebih mudah dan nyaman dibandingkan menarik langsung ke atas melawan gravitasi. - Di udara ada gaya gravitasi dan hambatan udara; di air ada gaya gravitasi, gaya apung ke atas, dan gaya hambat fluida yang lebih besar.
Pembahasan: Saat di udara, kelereng mengalami gaya gravitasi ke bawah dan gaya hambat udara ke atas (meskipun kecil). Saat di dalam air, kelereng masih mengalami gaya gravitasi ke bawah. Namun, ada tambahan gaya apung yang bekerja ke atas, dan gaya hambat fluida (air) yang jauh lebih besar dibandingkan hambatan udara. Kombinasi gaya apung dan hambatan fluida di air menyebabkan kecepatan kelereng berkurang secara signifikan dibandingkan geraknya di udara, bahkan bisa mencapai kecepatan terminal yang lebih rendah. - Regangan akan menjadi 8 cm.
Pembahasan: Ini mengikuti Hukum Hooke (F = kx), di mana gaya (F) berbanding lurus dengan regangan (x), asalkan konstanta pegas (k) tetap. Jika gaya dilipatgandakan dari 20 N menjadi 40 N (menjadi 2 kali lipat), maka regangan juga akan dilipatgandakan. Jadi, 2 x 4 cm = 8 cm. - Untuk memberi waktu tubuh menyesuaikan diri dengan perubahan tekanan, menghindari dekompresi.
Pembahasan: Saat menyelam di kedalaman, tekanan lingkungan tinggi, menyebabkan gas-gas (terutama nitrogen) terlarut lebih banyak dalam darah dan jaringan tubuh. Jika penyelam naik terlalu cepat, tekanan eksternal menurun drastis, menyebabkan gas-gas tersebut membentuk gelembung di dalam tubuh (mirip soda yang dibuka). Kondisi ini disebut penyakit dekompresi (decompression sickness) atau ‘bends’, yang sangat berbahaya dan bisa fatal. Naik perlahan memungkinkan tubuh melepaskan gas-gas terlarut secara bertahap. - Jarak pengereman akan menjadi dua kali lipat.
Pembahasan: Energi kinetik mobil (Ek = 1/2 mv^2) harus diubah menjadi usaha pengereman (W = Fs). Jika kecepatan (v) sama, tetapi massa (m) menjadi dua kali lipat, maka energi kinetik juga menjadi dua kali lipat. Dengan gaya pengereman (F) yang sama (karena sistem pengereman sama), untuk menghentikan mobil dengan energi kinetik dua kali lipat, usaha pengereman juga harus dua kali lipat, yang berarti jarak pengereman (s) harus dua kali lipat juga (karena W = Fs, jika W 2x dan F tetap, maka s harus 2x).
B. Isian Singkat
- Mobil sport memiliki energi kinetik yang lebih besar. Energi kinetik dihitung dengan rumus Ek = 1/2 mv^2. Meskipun truk memiliki massa (m) yang sangat besar, kecepatan (v) mobil sport jauh lebih tinggi dan dikuadratkan dalam rumus, sehingga faktor kecepatan memiliki pengaruh yang dominan dalam menentukan besarnya energi kinetik. Oleh karena itu, mobil sport akan memiliki energi kinetik yang lebih besar meskipun massanya kecil.
- Pul pada sepatu sepak bola dirancang untuk memperbesar tekanan pada titik-titik kecil di tanah lapangan rumput, sehingga meningkatkan gaya gesek dan traksi. Ini membantu pemain tidak mudah terpeleset dan dapat bermanuver di permukaan yang lunak atau basah. Sedangkan sepatu futsal dirancang untuk lapangan indoor yang keras dan rata, pola gerigi halus sudah cukup untuk memberikan gesekan yang optimal tanpa merusak permukaan lantai dan memungkinkan pergerakan cepat dengan kontak permukaan yang lebih luas.
- Saat buku didorong, ada gaya gesek statis yang harus dilawan terlebih dahulu. Setelah buku bergerak, gaya gesek kinetik bekerja berlawanan arah dengan arah gerak buku. Gaya gesek kinetik ini terus menerus bekerja menghambat gerak buku. Karena tidak ada lagi gaya dorong dari luar, gaya gesek inilah yang menyebabkan buku mengalami perlambatan dan akhirnya berhenti saat energi kinetiknya habis akibat usaha yang dilakukan oleh gaya gesek.
- Sistem rem hidrolik menerapkan Hukum Pascal, yang menyatakan bahwa tekanan yang diberikan pada zat cair dalam ruang tertutup akan diteruskan ke segala arah sama besar. Saat pengemudi menginjak pedal rem, ia memberikan gaya kecil pada master silinder yang menghasilkan tekanan besar. Tekanan ini diteruskan ke silinder roda, di mana karena luas permukaan piston silinder roda lebih besar, tekanan yang sama akan menghasilkan gaya yang jauh lebih besar untuk menekan kampas rem ke cakram/tromol, sehingga kendaraan berat dapat dihentikan dengan gaya injak pedal yang relatif kecil.
- Lintasan batu membentuk kurva parabola karena ada dua jenis gerak yang terjadi secara bersamaan dan saling tegak lurus: gerak horizontal dengan kecepatan konstan (mengabaikan hambatan udara) dan gerak vertikal yang dipengaruhi oleh percepatan gravitasi bumi ke bawah. Gaya gravitasi ini terus-menerus menarik batu ke bawah, sehingga saat batu bergerak maju secara horizontal, ia juga terus jatuh ke bawah, menghasilkan lintasan melengkung seperti parabola.
C. Uraian (Contoh Jawaban)
- Sebagai insinyur, saya akan menerapkan konsep gaya dan keseimbangan secara menyeluruh. Pertama, **gaya gravitasi** dari beban jembatan itu sendiri (konstruksi, material) dan beban hidup (kendaraan, pejalan kaki) akan dihitung secara presisi. Beban ini akan menghasilkan **gaya tarik** pada kabel-kabel utama jembatan gantung. Saya akan memastikan kabel-kabel ini terbuat dari material berkekuatan tarik tinggi (misalnya baja) dengan penampang yang cukup besar untuk menahan tegangan maksimum yang diperkirakan, ditambah faktor keamanan. Tiang-tiang penyangga (pylon) akan mengalami **gaya tekan** vertikal ke bawah dari kabel-kabel yang menahannya. Desain pylon harus kokoh dengan fondasi yang dalam dan lebar untuk mendistribusikan tekanan ke area tanah yang luas, mencegah ambles. Selain itu, **gaya angin** akan menjadi pertimbangan penting, terutama gaya horizontal yang dapat menyebabkan osilasi. Saya akan mendesain struktur jembatan dengan bentuk aerodinamis atau memasang peredam goyangan (dampers) untuk meminimalkan efek gaya angin. **Gaya gesek** juga berperan, misalnya pada sambungan tertentu untuk menahan pergeseran horizontal kecil, namun lebih signifikan pada fondasi jembatan dengan tanah. Prinsip **keseimbangan** sangat krusial; semua gaya yang bekerja pada jembatan (ke atas, ke bawah, ke samping) harus saling meniadakan atau memiliki resultan nol agar jembatan tetap statis dan stabil. Ini melibatkan analisis momen gaya (torsi) pada setiap titik tumpu dan koneksi, memastikan jembatan tidak berputar atau melengkung secara tidak terkontrol di bawah beban. Misalnya, penempatan beban di tengah bentang akan menyeimbangkan gaya tarik di kedua sisi kabel utama. Dengan perhitungan matematis yang cermat dan simulasi komputer, saya akan memvalidasi bahwa jembatan tetap dalam kondisi seimbang meskipun di bawah beban maksimal dan kondisi lingkungan ekstrem.
- Pompa hidrolik bekerja berdasarkan Hukum Pascal. Bayangkan ada dua silinder yang terhubung, satu kecil (area A1) dan satu besar (area A2), keduanya berisi zat cair (biasanya oli) dan ditutup dengan piston. Ketika Anda menekan piston kecil (dengan gaya F1), tekanan (P) tercipta di dalam zat cair: P = F1/A1. Hukum Pascal menyatakan bahwa tekanan ini akan diteruskan ke seluruh zat cair di dalam sistem dengan besar yang sama. Jadi, tekanan yang sama (P) juga akan bekerja pada piston besar. Karena piston besar memiliki luas permukaan (A2) yang jauh lebih besar daripada piston kecil, maka gaya yang dihasilkan pada piston besar (F2) akan jauh lebih besar. Rumusnya menjadi F2 = P * A2. Karena P = F1/A1, maka F2 = (F1/A1) * A2, atau F2 = F1 * (A2/A1). Ini berarti gaya output (F2) adalah gaya input (F1) dikalikan perbandingan luas permukaan kedua piston. Jika luas piston besar 100 kali lebih besar dari piston kecil, maka gaya yang dihasilkan untuk mengangkat mobil akan 100 kali lebih besar dari gaya yang Anda berikan pada pompa. Inilah mengapa dengan sedikit tenaga pada pompa kecil, Anda bisa mengangkat mobil yang sangat berat.
- Mari kita analisis kedua aktivitas ini dari sudut pandang fisika:
1. **Mendorong Mobil Mogok di Jalan Raya:**
* **Usaha:** Usaha (W) didefinisikan sebagai W = F x s x cos θ. Jika mobil bergerak, usaha dihitung sebagai gaya dorong dikalikan perpindahan mobil searah gaya. Jika mobil tidak bergerak meskipun didorong, secara fisika tidak ada usaha yang dilakukan **terhadap mobil**. Namun, orang yang mendorong tetap mengeluarkan energi dari tubuhnya, yang diubah menjadi usaha melawan gaya gesek statis dan usaha internal tubuhnya sendiri (misalnya, kerja otot, menghasilkan panas).
* **Energi yang Terlibat:** Energi kimia dalam tubuh pendorong diubah menjadi energi kinetik (jika mobil bergerak) atau energi panas (jika mobil tidak bergerak). Jika mobil bergerak, energi kinetik mobil bertambah. Gaya gesek antara ban dan jalan juga melakukan usaha negatif (menghambat gerak), mengubah energi kinetik mobil menjadi energi panas.
* **Perbedaan Signifikan:** Usaha yang dilakukan terutama dalam bentuk horizontal, dan perubahan energi potensial gravitasi pada mobil adalah nol (karena tidak ada perubahan ketinggian yang signifikan).2. **Memanjat Tangga di Rumah:**
* **Usaha:** Usaha dihitung sebagai gaya yang dibutuhkan untuk melawan gravitasi (sebesar berat badan) dikalikan dengan ketinggian vertikal yang dicapai (W = F x h = mgh). Usaha ini dilakukan oleh otot kaki untuk mengangkat massa tubuh melawan gravitasi.
* **Energi yang Terlibat:** Energi kimia dalam tubuh diubah menjadi energi potensial gravitasi (Ep = mgh) yang tersimpan dalam tubuh Anda saat berada di ketinggian yang lebih tinggi. Sebagian energi juga diubah menjadi energi panas akibat kerja otot dan gesekan internal.
* **Perbedaan Signifikan:** Usaha yang dilakukan terutama dalam bentuk vertikal, dan perubahan energi yang paling dominan adalah peningkatan energi potensial gravitasi. Energi kinetik mungkin bertambah sedikit saat melangkah, tetapi secara keseluruhan lebih fokus pada perubahan ketinggian.**Kesimpulan Perbedaan:**
Perbedaan signifikan terletak pada arah usaha dan jenis energi yang menjadi fokus. Pada mendorong mobil, usaha lebih ke arah horizontal dan jika bergerak mengubah energi kinetik mobil. Pada memanjat tangga, usaha dilakukan ke arah vertikal dan mengubah energi potensial gravitasi tubuh. Meskipun keduanya melibatkan pengeluaran energi dari tubuh dan kelelahan, definisi usaha fisika dan jenis perubahan energi yang terjadi pada objek (mobil vs. tubuh) berbeda secara fundamental. - Dalam mengevaluasi desain sistem pompa air untuk air mancur setinggi 5 meter, saya akan mempertimbangkan beberapa aspek kunci:
1. **Konsep Energi Potensial:** Untuk memancarkan air setinggi 5 meter, air harus memiliki energi potensial gravitasi (Ep = mgh) yang setara dengan ketinggian tersebut di puncaknya. Ini berarti pompa harus menyediakan energi kinetik yang cukup kepada air agar saat mencapai ketinggian 5 meter, energi kinetiknya telah sepenuhnya diubah menjadi energi potensial gravitasi.
2. **Konsep Tekanan:** Pompa bekerja dengan menciptakan perbedaan tekanan. Air diisap dari kolam (area tekanan lebih rendah) dan didorong keluar melalui nozzle air mancur (area tekanan lebih tinggi). Tekanan yang dihasilkan pompa harus cukup untuk mengatasi tekanan hidrostatis kolom air setinggi 5 meter, serta kehilangan tekanan akibat gesekan dalam pipa (rugi-rugi head) dan hambatan di nozzle.
3. **Efisiensi Pompa:** Saya akan memilih pompa dengan efisiensi tinggi, yang berarti pompa dapat mengubah energi listrik (atau mekanik) menjadi energi fluida (tekanan dan aliran) dengan sedikit kehilangan. Efisiensi yang rendah akan mengakibatkan pemborosan energi dan biaya operasional yang lebih tinggi. Spesifikasi pompa harus sesuai dengan ‘head’ total yang dibutuhkan (ketinggian vertikal ditambah rugi-rugi tekanan).
4. **Daya Pompa (Energi per Waktu):** Daya pompa harus cukup untuk mengalirkan volume air yang diinginkan per detik (debit) hingga ketinggian 5 meter. Daya (P) terkait dengan energi (E) dan waktu (t) (P = E/t) atau dalam fluida P = Q * P (debit * tekanan). Pompa dengan daya yang tidak memadai tidak akan mampu mencapai ketinggian atau debit yang diinginkan.
5. **Desain Pipa dan Nozzle:** Diameter pipa harus dioptimalkan untuk mengurangi kehilangan tekanan akibat gesekan. Nozzle harus dirancang untuk mengubah tekanan menjadi kecepatan (energi kinetik) secara efisien, yang kemudian akan berubah menjadi ketinggian (energi potensial). Nozzle yang terlalu sempit akan meningkatkan hambatan dan kehilangan tekanan, sedangkan yang terlalu lebar mungkin tidak menghasilkan pancaran yang kuat.
Dengan mempertimbangkan semua ini, saya akan memilih pompa dengan daya dan ‘head’ yang tepat, efisiensi tinggi, dan memastikan desain sistem perpipaan serta nozzle mendukung pengubahan energi secara optimal agar air dapat mencapai ketinggian 5 meter dengan konsumsi energi yang wajar dan biaya operasional yang efisien.
- **Hipotesis:** Saya bisa terpeleset di atas oli karena tumpahan oli secara drastis mengurangi koefisien gaya gesek antara alas sepatu saya dan permukaan trotoar. Gaya gesek adalah gaya yang menahan pergerakan relatif dua permukaan yang bersentuhan. Ketika ada oli di antara alas sepatu dan trotoar, lapisan oli ini bertindak sebagai pelumas, mengurangi interaksi langsung antara permukaan kasar sepatu dan trotoar, sehingga gaya gesek yang dihasilkan menjadi sangat kecil. Akibatnya, gaya dorong kaki saya saat melangkah ke depan atau gaya untuk menjaga keseimbangan tidak dapat dilawan oleh gaya gesek yang cukup, menyebabkan kaki saya tergelincir.
**Dua Cara Konkret untuk Meningkatkan Keamanan:**
1. **Mengurangi Luas Permukaan Kontak dan Meningkatkan Tekanan (jalan jinjit):** Salah satu cara adalah dengan berjalan jinjit atau dengan tumit terlebih dahulu, sehingga luas permukaan kontak antara alas sepatu dan oli berkurang. Meskipun gaya gesek total mungkin tidak meningkat drastis, mengurangi area kontak berarti tekanan pada titik sentuh meningkat. Ini mungkin membantu ‘menembus’ lapisan oli atau memberikan sedikit cengkeraman tambahan. Namun, cara yang lebih efektif adalah menapakkan seluruh telapak kaki, tetapi dengan langkah yang sangat kecil dan hati-hati untuk menjaga pusat massa tetap stabil. Atau yang lebih baik adalah, **menggunakan alas kaki dengan permukaan yang lebih kasar atau berpola mendalam**, misalnya sepatu bot dengan sol bergerigi, karena ini akan meningkatkan koefisien gesek dan ‘menggigit’ permukaan yang licin.
2. **Menurunkan Pusat Massa dan Memperlebar Basis Dukungan:** Saya akan membungkuk sedikit dan membuka kaki selebar bahu (sedikit lebih lebar dari biasanya) saat berjalan. Dengan membungkuk, saya menurunkan pusat massa tubuh, yang membuat saya lebih stabil dan sulit terjatuh. Memperlebar basis dukungan (jarak antara kedua kaki) juga meningkatkan stabilitas lateral, sehingga jika salah satu kaki sedikit tergelincir, saya masih memiliki keseimbangan yang cukup untuk mencegah jatuh sepenuhnya. Selain itu, **mengurangi kecepatan langkah dan mengambil langkah yang sangat pendek** adalah kunci. Ini akan meminimalkan gaya yang dihasilkan dan memberikan lebih banyak waktu bagi tubuh untuk bereaksi terhadap potensi tergelincir, menjaga gaya gesek yang ada agar tetap mampu menahan gerakan.
D. Menjodohkan
- Kardus bekas diisi buku dan dibawa menggunakan motor, terasa berat untuk dibelokkan. = Inersia
- Mengisi ban sepeda yang kempes dengan pompa manual. = Tekanan Zat Gas