Selamat datang di koleksi latihan soal fisika materi usaha! Usaha adalah salah satu konsep fundamental dalam fisika yang menggambarkan transfer energi ketika sebuah gaya bekerja pada suatu benda sehingga benda tersebut berpindah. Memahami usaha sangat penting karena menjadi dasar untuk mempelajari topik lain seperti energi kinetik, energi potensial, daya, dan kekekalan energi. Dalam kehidupan sehari-hari, kita sering melakukan usaha, mulai dari mendorong meja, mengangkat beban, hingga berjalan. Kumpulan soal ini dirancang untuk menguji pemahaman Anda tentang definisi usaha, rumus usaha (W = F × s × cosθ), jenis-jenis usaha (positif, negatif, nol), serta hubungan antara usaha dan energi. Dengan berlatih menggunakan berbagai tipe soal Pilihan Ganda, Isian Singkat, Uraian, dan Menjodohkan, Anda akan semakin mahir dalam menganalisis situasi fisika yang melibatkan gaya dan perpindahan. Mari asah kemampuan Anda dan kuasai materi usaha dengan baik!
Contoh Soal soal fisika materi usaha
A. Pilihan Ganda
1. Dalam fisika, usaha didefinisikan sebagai…
- A. Gaya yang diberikan pada suatu benda.
- B. Perpindahan benda akibat suatu gaya.
- C. Hasil kali gaya yang sejajar dengan perpindahan dan besar perpindahan.
- D. Energi kinetik benda.
- E. Massa benda dikalikan percepatan.
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: C
Pembahasan: Usaha adalah hasil kali antara gaya yang searah dengan perpindahan benda dan besar perpindahan benda tersebut.
2. Satuan SI untuk usaha adalah…
- A. Joule (J)
- B. Watt (W)
- C. Newton (N)
- D. Meter (m)
- E. Kilogram (kg)
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: A
Pembahasan: Joule (J) adalah satuan SI untuk usaha dan energi. 1 Joule = 1 Newton meter (N·m).
3. Sebuah balok ditarik dengan gaya 50 N sehingga berpindah sejauh 2 meter searah dengan arah gaya. Berapakah usaha yang dilakukan oleh gaya tersebut?
- A. 25 J
- B. 100 J
- C. 50 J
- D. 200 J
- E. 10 J
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: B
Pembahasan: Usaha (W) = Gaya (F) × Perpindahan (s). W = 50 N × 2 m = 100 J.
4. Jika sebuah gaya 20 N bekerja pada benda dan benda tersebut tidak berpindah, berapakah usaha yang dilakukan oleh gaya tersebut?
- A. 0 J
- B. 10 J
- C. 20 J
- D. 40 J
- E. Tidak dapat ditentukan
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: A
Pembahasan: Jika benda tidak berpindah (s = 0), maka usaha (W) = F × s = 20 N × 0 m = 0 J.
5. Seorang anak mendorong meja dengan gaya 30 N, tetapi meja tersebut tidak bergerak. Pernyataan yang benar mengenai usaha yang dilakukan anak adalah…
- A. Usaha yang dilakukan anak adalah 0 J.
- B. Usaha yang dilakukan anak adalah 30 J.
- C. Usaha yang dilakukan anak adalah positif.
- D. Usaha yang dilakukan anak adalah negatif.
- E. Usaha yang dilakukan anak adalah 30 N·m.
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: A
Pembahasan: Karena meja tidak berpindah, usaha yang dilakukan oleh anak tersebut adalah nol, sesuai definisi fisika.
6. Sebuah benda ditarik dengan gaya 10 N membentuk sudut 60° terhadap arah horizontal. Jika benda berpindah sejauh 4 meter secara horizontal, usaha yang dilakukan adalah… (cos 60° = 0,5)
- A. 10 J
- B. 15 J
- C. 20 J
- D. 40 J
- E. 80 J
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: C
Pembahasan: Usaha (W) = F × s × cosθ. W = 10 N × 4 m × cos 60° = 10 × 4 × 0,5 = 20 J.
7. Kapan usaha dikatakan bernilai negatif?
- A. Gaya searah dengan perpindahan.
- B. Gaya tegak lurus dengan perpindahan.
- C. Tidak ada perpindahan.
- D. Gaya berlawanan arah dengan perpindahan.
- E. Gaya dan perpindahan membentuk sudut lancip.
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: D
Pembahasan: Usaha bernilai negatif jika gaya yang bekerja pada benda berlawanan arah dengan arah perpindahan benda.
8. Gaya gesek selalu melakukan usaha…
- A. Positif
- B. Negatif
- C. Nol
- D. Tergantung arah gerak
- E. Bisa positif atau negatif
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: B
Pembahasan: Gaya gesek selalu berlawanan arah dengan arah gerak benda, sehingga usaha yang dilakukannya selalu negatif (menghambat gerak).
9. Sebuah benda jatuh bebas dari ketinggian tertentu. Usaha yang dilakukan oleh gaya gravitasi pada benda tersebut adalah…
- A. Positif
- B. Negatif
- C. Nol
- D. Tidak dapat ditentukan
- E. Selalu sama dengan nol
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: A
Pembahasan: Arah gaya gravitasi (ke bawah) searah dengan arah perpindahan benda (ke bawah), sehingga usaha yang dilakukan positif.
10. Seorang kuli panggul mengangkat karung beras bermassa 20 kg setinggi 1,5 meter. Jika g = 10 m/s², berapakah usaha yang dilakukan kuli panggul?
- A. 200 J
- B. 300 J
- C. 150 J
- D. 400 J
- E. 500 J
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: B
Pembahasan: Gaya yang diperlukan untuk mengangkat adalah gaya berat (F = m × g). Usaha (W) = F × s = (m × g) × h = 20 kg × 10 m/s² × 1,5 m = 300 J.
11. Sebuah mobil bergerak melingkar dengan kecepatan konstan. Usaha yang dilakukan oleh gaya sentripetal pada mobil tersebut adalah…
- A. Positif
- B. Negatif
- C. Nol
- D. Tergantung pada jari-jari lintasan
- E. Tergantung pada massa mobil
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: C
Pembahasan: Gaya sentripetal selalu tegak lurus terhadap arah perpindahan (tangensial) pada gerak melingkar, sehingga usaha yang dilakukannya adalah nol.
12. Daya adalah…
- A. Jumlah energi yang dimiliki benda.
- B. Kemampuan melakukan usaha.
- C. Usaha yang dilakukan per satuan jarak.
- D. Usaha yang dilakukan per satuan waktu.
- E. Gaya yang bekerja pada benda.
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: D
Pembahasan: Daya adalah laju perubahan usaha atau laju transfer energi. Rumusnya P = W/t.
13. Satuan SI untuk daya adalah…
- A. Watt (W)
- B. Joule (J)
- C. Newton (N)
- D. Kalori (cal)
- E. Horsepower (hp)
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: A
Pembahasan: Watt (W) adalah satuan SI untuk daya, yang didefinisikan sebagai 1 Joule per detik (J/s).
14. Sebuah mesin melakukan usaha sebesar 600 J dalam waktu 10 detik. Berapakah daya mesin tersebut?
- A. 6 J/s
- B. 10 W
- C. 60 W
- D. 600 W
- E. 6000 W
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: C
Pembahasan: Daya (P) = Usaha (W) / Waktu (t). P = 600 J / 10 s = 60 Watt.
15. Menurut teorema usaha-energi kinetik, usaha total yang dilakukan pada suatu benda sama dengan…
- A. Energi potensialnya.
- B. Perubahan energi kinetiknya.
- C. Massa benda dikalikan kecepatan.
- D. Gaya yang bekerja padanya.
- E. Daya yang dihasilkan.
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: B
Pembahasan: Teorema usaha-energi kinetik menyatakan bahwa usaha total yang dilakukan pada suatu benda sama dengan perubahan energi kinetiknya (ΔEK).
16. Jika usaha total yang bekerja pada sebuah benda adalah positif, maka…
- A. Energi kinetik benda bertambah.
- B. Energi kinetik benda berkurang.
- C. Energi kinetik benda tetap.
- D. Benda berhenti bergerak.
- E. Benda bergerak dengan kecepatan konstan.
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: A
Pembahasan: Usaha total positif berarti energi kinetik benda bertambah, sehingga kecepatannya meningkat.
17. Sebuah benda bermassa 2 kg bergerak dengan kecepatan awal 2 m/s. Setelah dikenai gaya, kecepatannya menjadi 4 m/s. Berapakah usaha total yang dilakukan pada benda tersebut?
- A. 4 J
- B. 8 J
- C. 10 J
- D. 12 J
- E. 16 J
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: D
Pembahasan: Usaha total (W) = ΔEK = ½ m (v₂² – v₁²). W = ½ × 2 kg × (4² – 2²) m²/s² = 1 × (16 – 4) = 12 J.
18. Grafik di bawah menunjukkan hubungan gaya (F) terhadap perpindahan (s). Usaha yang dilakukan dari s = 0 m hingga s = 4 m adalah…
- A. 8 J
- B. 16 J
- C. 24 J
- D. 32 J
- E. 40 J
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: C
Pembahasan: Usaha adalah luas di bawah grafik F-s. Luas trapesium = ½ × (jumlah sisi sejajar) × tinggi. Luas = ½ × (F₁ + F₂) × s = ½ × (4 N + 8 N) × 4 m = ½ × 12 N × 4 m = 24 J. (Asumsi F pada s=0 adalah 4N dan F pada s=4 adalah 8N atau sebaliknya membentuk trapesium). Jika grafik berupa persegi panjang (F konstan) maka F=6N dan s=4m, W=24J. Jika grafik berupa segitiga (F dari 0 ke 8N), maka W=1/2 * 8N * 4m = 16J. Tanpa gambar, ini adalah asumsi. Mari kita asumsikan grafik linear dari F=0 ke F=8N pada s=4m. Maka W = ½ × 8 N × 4 m = 16 J. Jika F konstan 6N, maka W = 6N × 4m = 24J. Pilihan C adalah 24J. Kita asumsikan gambar yang mengarah ke 24J.
19. Sebuah benda bermassa 1 kg diangkat vertikal ke atas dengan kecepatan konstan sejauh 5 meter. Jika g = 10 m/s², usaha yang dilakukan untuk mengangkat benda tersebut adalah…
- A. 10 J
- B. 50 J
- C. 1 J
- D. 5 J
- E. 100 J
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: B
Pembahasan: Untuk mengangkat benda dengan kecepatan konstan, gaya yang diberikan sama dengan gaya berat benda (F = m × g). W = F × s = (1 kg × 10 m/s²) × 5 m = 50 J.
20. Manakah di antara pernyataan berikut yang benar mengenai usaha dan energi?
- A. Usaha dan energi adalah dua konsep yang tidak berhubungan.
- B. Usaha adalah bentuk energi yang selalu positif.
- C. Usaha adalah transfer energi dari satu sistem ke sistem lain atau perubahan energi dalam suatu sistem.
- D. Energi adalah kemampuan untuk melakukan usaha, tetapi usaha tidak mengubah energi.
- E. Usaha hanya dapat dilakukan oleh gaya konservatif.
Lihat Kunci Jawaban
Jawaban: C
Pembahasan: Usaha adalah proses transfer energi. Ketika usaha dilakukan pada suatu benda, energi benda tersebut dapat berubah (misalnya, energi kinetik atau potensialnya).
B. Isian Singkat
1. Satuan internasional (SI) untuk usaha adalah ____.
Jawaban: Joule
2. Usaha bernilai positif jika arah gaya ____ dengan arah perpindahan benda.
Jawaban: searah
3. Rumus untuk menghitung daya adalah P = W / ____.
Jawaban: t
4. Jika sebuah gaya 25 N mendorong sebuah benda sejauh 4 meter searah dengan gaya, usaha yang dilakukan adalah ____ J.
Jawaban: 100
5. Menurut Teorema Usaha-Energi Kinetik, usaha total yang dilakukan pada benda akan menyebabkan perubahan pada ____ benda tersebut.
Jawaban: energi kinetik
C. Menjodohkan
1. Jodohkan konsep fisika berikut dengan definisi atau rumus yang tepat!
| Premis | Respon |
|---|---|
| Usaha | W = F × s × cosθ |
| Daya | Laju perubahan usaha per satuan waktu |
| Joule | Satuan SI untuk usaha dan energi |
| Energi Kinetik | Energi yang dimiliki benda karena geraknya |
2. Jodohkan skenario berikut dengan jenis usaha yang dilakukan oleh gaya utama yang bekerja!
| Premis | Respon |
|---|---|
| Mendorong tembok yang kokoh | Usaha nol |
| Gaya gesek pada ban mobil yang melaju | Usaha negatif |
| Mengangkat beban ke atas | Usaha positif |
| Gaya sentripetal pada benda bergerak melingkar | Usaha nol |
D. Uraian
1. Jelaskan pengertian usaha dalam fisika dan berikan tiga contoh kegiatan sehari-hari yang *bukan* merupakan usaha menurut definisi fisika.
Dalam fisika, usaha (Work) didefinisikan sebagai transfer energi yang terjadi ketika sebuah gaya bekerja pada suatu benda sehingga benda tersebut mengalami perpindahan yang searah dengan komponen gaya. Secara matematis, usaha (W) dirumuskan sebagai W = F × s × cosθ, di mana F adalah besar gaya, s adalah besar perpindahan, dan θ adalah sudut antara arah gaya dan arah perpindahan. Usaha hanya terjadi jika ada gaya, ada perpindahan, dan ada komponen gaya yang searah dengan perpindahan.
Tiga contoh kegiatan sehari-hari yang *bukan* merupakan usaha menurut definisi fisika:
1. **Mendorong tembok:** Meskipun ada gaya yang diberikan, tembok tidak berpindah (s = 0), sehingga usaha = 0 J.
2. **Berdiri memegang tas:** Meskipun ada gaya yang menahan tas (gaya otot), tas tidak mengalami perpindahan, sehingga usaha = 0 J.
3. **Benda bergerak melingkar beraturan:** Gaya sentripetal yang bekerja pada benda selalu tegak lurus terhadap arah perpindahan tangensialnya (θ = 90°), sehingga cos 90° = 0, dan usaha = 0 J.
2. Sebuah balok bermassa 2 kg ditarik dengan gaya 20 N membentuk sudut 37° terhadap horizontal. Jika balok berpindah sejauh 10 m, dan gaya gesek yang bekerja pada balok adalah 5 N, hitunglah:
a) Usaha oleh gaya tarik,
b) Usaha oleh gaya gesek,
c) Usaha total yang dilakukan pada balok.
(Gunakan cos 37° ≈ 0,8)
Diketahui:
Massa balok (m) = 2 kg
Gaya tarik (F_tarik) = 20 N
Sudut (θ) = 37°
Perpindahan (s) = 10 m
Gaya gesek (F_gesek) = 5 N
cos 37° ≈ 0,8
a) Usaha oleh gaya tarik (W_tarik):
W_tarik = F_tarik × s × cosθ
W_tarik = 20 N × 10 m × cos 37°
W_tarik = 20 N × 10 m × 0,8
W_tarik = 160 J
b) Usaha oleh gaya gesek (W_gesek):
Gaya gesek berlawanan arah dengan perpindahan, sehingga sudut antara gaya gesek dan perpindahan adalah 180° (cos 180° = -1).
W_gesek = F_gesek × s × cos 180°
W_gesek = 5 N × 10 m × (-1)
W_gesek = -50 J
c) Usaha total (W_total):
W_total = W_tarik + W_gesek
W_total = 160 J + (-50 J)
W_total = 110 J
Jadi, usaha oleh gaya tarik adalah 160 J, usaha oleh gaya gesek adalah -50 J, dan usaha total yang dilakukan pada balok adalah 110 J.
3. Terangkan perbedaan antara usaha positif, usaha negatif, dan usaha nol. Berikan masing-masing satu contoh.
1. **Usaha Positif:** Terjadi ketika gaya yang bekerja pada benda memiliki komponen yang searah dengan arah perpindahan benda (0° ≤ θ < 90°). Usaha positif berarti gaya tersebut melakukan kerja untuk menambah energi pada sistem atau mempercepat benda. Contoh: Mendorong mobil mogok ke depan, gaya dorong searah dengan perpindahan mobil. Gaya gravitasi melakukan usaha positif pada benda yang jatuh bebas.
2. **Usaha Negatif:** Terjadi ketika gaya yang bekerja pada benda memiliki komponen yang berlawanan arah dengan arah perpindahan benda (90° < θ ≤ 180°). Usaha negatif berarti gaya tersebut melakukan kerja untuk mengurangi energi pada sistem atau memperlambat benda. Contoh: Gaya gesek pada ban mobil yang sedang direm. Gaya gesek selalu berlawanan arah dengan gerak, sehingga melakukan usaha negatif. Gaya gravitasi melakukan usaha negatif pada benda yang dilempar vertikal ke atas.
3. **Usaha Nol:** Terjadi dalam dua kondisi utama:
a. Gaya tegak lurus terhadap arah perpindahan benda (θ = 90°). Contoh: Gaya sentripetal pada benda yang bergerak melingkar beraturan. Orang yang membawa tas belanja sambil berjalan horizontal (gaya angkat tas tegak lurus perpindahan).
b. Tidak ada perpindahan (s = 0), meskipun ada gaya yang bekerja. Contoh: Mendorong dinding yang kokoh. Seorang atlet angkat besi yang menahan beban di atas kepala tanpa bergerak.
4. Sebuah pompa air mengangkat 50 liter air dari kedalaman 10 meter dalam waktu 20 detik. Hitunglah daya yang dihasilkan oleh pompa air tersebut! (Massa jenis air = 1000 kg/m³, g = 10 m/s²).
Diketahui:
Volume air (V) = 50 liter = 50 × 10⁻³ m³ (karena 1 liter = 1 dm³ = 10⁻³ m³)
Kedalaman (h) = 10 m
Waktu (t) = 20 detik
Massa jenis air (ρ) = 1000 kg/m³
Percepatan gravitasi (g) = 10 m/s²
Langkah 1: Hitung massa air.
Massa (m) = Massa jenis (ρ) × Volume (V)
m = 1000 kg/m³ × 50 × 10⁻³ m³
m = 50 kg
Langkah 2: Hitung usaha yang dilakukan pompa untuk mengangkat air.
Usaha (W) = Gaya × Perpindahan = (m × g) × h
W = 50 kg × 10 m/s² × 10 m
W = 5000 J
Langkah 3: Hitung daya yang dihasilkan pompa.
Daya (P) = Usaha (W) / Waktu (t)
P = 5000 J / 20 s
P = 250 Watt
Jadi, daya yang dihasilkan oleh pompa air tersebut adalah 250 Watt.
5. Bagaimana teorema usaha-energi kinetik menjelaskan hubungan antara usaha total yang bekerja pada suatu benda dengan perubahan energi kinetiknya? Berikan contoh penerapannya.
Teorema Usaha-Energi Kinetik menyatakan bahwa usaha total (netto) yang dilakukan oleh semua gaya pada suatu benda sama dengan perubahan energi kinetik benda tersebut. Secara matematis, teorema ini dirumuskan sebagai:
W_total = ΔEK = EK_akhir – EK_awal = ½ m v_akhir² – ½ m v_awal²
Di mana:
– W_total adalah usaha total yang dilakukan pada benda.
– ΔEK adalah perubahan energi kinetik benda.
– EK_akhir adalah energi kinetik akhir benda.
– EK_awal adalah energi kinetik awal benda.
– m adalah massa benda.
– v_akhir adalah kecepatan akhir benda.
– v_awal adalah kecepatan awal benda.
Teorema ini menjelaskan bahwa jika usaha total yang dilakukan pada benda positif, maka energi kinetik benda akan bertambah (benda semakin cepat). Jika usaha total negatif, energi kinetik benda akan berkurang (benda melambat). Jika usaha total nol, energi kinetik benda tidak berubah (kecepatan benda konstan atau benda tetap diam).
**Contoh Penerapan:**
Sebuah mobil bermassa 1000 kg awalnya diam. Kemudian, sebuah gaya konstan mendorong mobil tersebut sehingga setelah menempuh jarak 50 meter, kecepatan mobil menjadi 10 m/s. Berapakah usaha total yang dilakukan pada mobil?
Diketahui:
m = 1000 kg
v_awal = 0 m/s (diam)
v_akhir = 10 m/s
Menggunakan Teorema Usaha-Energi Kinetik:
W_total = ½ m v_akhir² – ½ m v_awal²
W_total = ½ × 1000 kg × (10 m/s)² – ½ × 1000 kg × (0 m/s)²
W_total = ½ × 1000 × 100 – 0
W_total = 50.000 J
Jadi, usaha total yang dilakukan pada mobil adalah 50.000 Joule. Ini menunjukkan bahwa energi kinetik mobil bertambah dari nol menjadi 50.000 Joule karena adanya usaha positif yang bekerja padanya.