Penerapan Prinsip Usaha dan Energi Pada Gerakan Wahana Roller Coaster
Disusun oleh :
PINGKY TRIVERA ARISKHA XI IPA 2 / 23
SMA NEGERI 1 MANYAR
Tahun Pelajaran 2013
Kata Pengantar
Puji dan syukur kami panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa, karena dengan rahmat dan karunianya saya dapat menyusun makalah ini tanpa suatu halangan apapun.
Makalah ini saya susun untuk memenuhi nilai tugas mata pelajaran fisika. Di samping itu, saya berharap agar makalah ini dapat bermanfaat bagi semua orang khususnya para pelajar agar dapat mengetahui atau menambah wawasan tentang Penerapan Prinsip Usaha dan Energi Pada Gerakan Wahana Roller Coaster
Makalah ini dapat saya susun karena adanya pihak yang telah berjasa membantu kami. Oleh karena itu, di kesempatan kali ini kami ingin berterimakasih kepada:
1. Bu Suryaningsih selaku Pembina mata pelajaran fisika yang telah sangat berjasa membantu saya menyusun makalah ini.
2. Orang Tua saya yang selalu memberikan dukungan dan motivasi kepada kami,
3. Teman - Teman kelas XI IPA 2 yang juga selalu memberikan saya semangat untuk menyusun makalah ini.
Saya menyadari bahwa tanpa dukungan dari semua pihak di atas tadi, saya tidak dapat menyelesaikan makalah ini.
Akhir kata saya mengucapkan terimakasih kepada pembaca yang sudah membaca makalah ini, semoga bermanfaat bagi kita semua. Amin .
Penulis.
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Salah satu contoh aplikasi usaha dan energi adalah gerakan Roller Coaster pada lintasan lingkaran vertikal sebagaimana tampak pada gambar di atas. Kita menganggap bahwa Roler coaster bergerak hanya dengan bantuan gaya gravitasi, sehingga agar bisa bergerak pada lintasan lingkaran vertikal, roler coaster harus digiring sampai ketinggian h1. Kita mengunakan model ideal, di mana gaya gesekan, baik gesekan udara maupun gesekan pada permukaan lintasan diabaikan.
Pada ketinggian titik A, Roller coaster memiliki EP maksimum sedangkan EK-nya nol, karena roller coaster belum bergerak. Ketika tiba di titik B, Roller coaster memiliki laju maksimum, sehingga pada posisi ini EK-nya bernilai maksimum.
Karena pada titik B laju Roller coaster maksimum maka ia terus bergerak ke titik C.
Benda tidak berhenti pada titik C tetapi sedang bergerak dengan laju tertentu, sehingga pada titik ini Roller coaster masih memiliki sebagian EK. Sebagian Energi Kinetik telah berubah menjadi Energi Potensial karena roller coaster berada pada ketinggian maksimum dari lintasan lingkaran. Roller coaster terus bergerak kembali ke titik C. Pada titik C, semua Energi Kinetik Roller coaster kembali bernilai maksimum, sedangkan EP-nya bernilai nol. Energi Mekanik bernilai tetap sepanjang lintasan karena kita menganggap bahwa tidak ada gaya gesekan, maka Roller coaster akan terus bergerak lagi ke titik C dan seterusnya.
Roller coaster adalah wahana permainan berupa kereta yang dipacu dengan kecepatan tinggi pada jalur rel khusus, biasanya terletak di atas tanah yang memiliki ketinggian yang berbeda-beda. Rel ini ditopang oleh rangka baja yang disusun sedemikian rupa. Wahana ini pertama kali ada di Disney Land Amerika Serikat.
Bentuk permainan ini ternyata mempunyai sejarah yang cukup panjang.
Prinsip permainannya sudah dikenal pada abad ke 16, di Rusia. Dimana pada musim dingin, bukit yang membeku dengan bermodalkan balok kayu dijadikan tempat
berselancar. Dimusim panas papan seluncur dilengkapi dengan roda. Kemudian ide ini dibawa oleh tentera Napoleon ke Eropa barat (Perancis), hingga disana dikenal dengan nama “Montagnes Russes” (Gunung Rusia). Roller coaster pertama (konstruksi angka 8) yang bentuknya seperti sekarang ini dibuka di Coney Island (Brooklyn, New York, Amerika), tahun 1884,dengan nama “Gravity Pleasure Switch Back Railway”.
Dalam wahana ini penumpang naik kendaraan yang tidak bermesin.
Kendaraan ini dinaikkan ke puncak bukit pertama dengan menggunakan semacam ban berjalan (conveyor belt). Lintasan naiknya dibuat tidak terlalu curam karena kita tahu semakin curam lintasan, semakin besar daya motor penggerak ban berjalannya (biaya yang dikeluarkan lebih mahal). Puncak bukit pertama dibuat lebih tinggi dari puncak bukit selanjutnya ataupun dari tinggi loop. Tujuannya agar kendaraan mempunyai energi potensial yang cukup besar sehingga mampu melintasi seluruh lintasan dengan baik.
Ketika meluncur dari bukit pertama, penumpang dilepas dan jatuh bebas dipercepat. Agar efek jatuh bebas ini dapat lebih dirasakan, lintasan luncuran dibuat berbentuk seperti sebuah parabola (lintasan benda dibawah medan gravitasi). Gerakan turun dipercepat ini membuat jantung dan alat‐alat tubuh sedikit terangkat dari tempat semula (inersia). Efek inersia inilah yang memberikan sensasi‐sensasi tertentu seperti semangat rasanya mau terbang, timbul rasa mual dsb.
Memasuki loop, penumpang dihadapkan pada loop yang berbentuk seperti tetes cair. Loop tidak dibuat seperti lingkaran penuh karena pada titik terendah loop lingkaran penumpang akan mengalami bobot 6 kali bobot semula. Dengan bobot demikian besar, darah tidak mampu mengalir ke otak, mata berkunang‐kunang dan orang akan pingsan. Dengan lintasan berbentuk tetes cair, bobot maksimum yang dirasakan penumpang sekitar 3,7 bobot semula. Bobot sebesar ini tidak terlalu berbahaya bagi penumpang. Dipuncak loop penumpang berada pada posisi terbalik.
Penumpang tidak akan jatuh karena gaya sentrifugal (arah ke atas) yang dirasakan mampu mengimbangi gaya berat akibat tarikan gravitasi bumi.
Gaya sentrifugal yang dirasakan penumpang bukan hanya pada loop saja, tetapi juga pada belokan‐belokan tajam yang dibuat sepanjang lintasan. Ketika penumpang berbelok kekanan, penumpang akan terlempar ke kiri. Sebaliknya ketika
berbelok ke kiri penumpang akan berbelok ke kanan. Orang akan terpental lebih keras jika berpegang erat‐erat pada batang pengaman, karena itu agar lebih nyaman banyak penumpang membiarkan tangan mereka bebas sambil berteriak‐teriak.
1.2 Rumusan masalah
1. Bagaimana Penerapan Prinsip Usaha dan Energi Pada Gerakan Wahana Roller Coaster?
2. Apakah Penerapan Prinsip Usaha dan Energi Pada Gerakan Wahana Roller Coaster?
1.3 Tujuan
1. Mengetahui Penerapan Prinsip Usaha dan Energi Pada Gerakan Wahana Roller Coaster
2. Menjelaskan Penerapan Prinsip Usaha dan Energi Pada Gerakan Wahana Roller Coaster
1.4 Manfaat
1.4.1 Manfaat Teoritis
Dari hasil penelitian ini, dapat dijadikan acuan bagi masyarakat akan pengaruh energi terhadap wahana roller coaster
1.4.2 Manfaat Praktis 1.4.2.1 Bagi Siswa
Manfaat yang diperoleh bagi Siswa sebagai berikut : a. Menambah pengetahuan bagi siswa
b. Memberikan pemahaman kepada siswa akan pengaruh energi terhadap wahana roller coaster
1.4.2.2 Bagi Peneliti
Sebagai tambahan refrensi bagi semua pihak yang bermaksud melakukan penelitian di masa yang akan datang.
Bab II Kajian Pustaka
2.1 Landasan Teori
2.2 Pengertian Usaha
Usaha atau biasa kita kenal kerja yang dilambangkan dengan huruf W (Work- bahasa inggris), digambarkan sebagai sesuatu yang dihasilkan oleh Gaya (F) ketika Gaya bekerja pada benda hingga benda bergerak dalam jarak tertentu. Hal yang paling sederhana adalah apabila Gaya (F) bernilai konstan (baik besar maupun arahnya) dan benda yang dikenai Gaya bergerak pada lintasan lurus dan searah dengan arah Gaya tersebut.
Secara matematis, usaha yang dilakukan oleh gaya yang konstan didefinisikan sebagai hasil kali perpindahan dengan gaya yang searah dengan perpindahan.
2.3 Satuan dan Dimensi Usaha
Untuk mencari satuan dan dimensi usaha, dapat diturunkan dari rumus (6.1).
Jika digunakan Satuan Sistem Internasional maka, gaya F dalam newton (kg m/s2) dan perpindahan s dinyatakan dalam meter (m).
Satuan usaha = satuan gaya x satuan perpindahan satuan usaha = kg m/s2 x m
= kg m2/s2
= joule
Satu Joule adalah besar usaha yang dilakukan oleh gaya satu newton untuk memindahkan benda sejauh satu meter
Untuk mencari dimensinya:
dimensi usaha = dimensi gaya x dimensi perpindahan
[ W ] = [ F ] . [ s ]
= MLT-2 . L
= ML2 T-2
2.4 Pengertian Energi
Segala sesuatu yang kita lakukan dalam kehidupan sehari-hari membutuhkan energi. Untuk bertahan hidup kita membutuhkan energi yang diperoleh dari makanan.
Setiap kendaraan membutuhkan energi untuk bergerak dan energi itu diperoleh dari bahan bakar. Hewan juga membutuhkan energi untuk hidup, sebagaimana manusia dan tumbuhan
Energi merupakan salah satu konsep yang paling penting dalam fisika. Konsep yang sangat erat kaitannya dengan usaha adalah konsep energi. Secara sederhana, energi merupakan kemampuan melakukan usaha. Definisi yang sederhana ini sebenarnya kurang tepat atau kurang valid untuk beberapa jenis energi (misalnya energi panas atau energi cahaya tidak dapat melakukan kerja). Definisi tersebut hanya bersifat umum. Secara umum, tanpa energi kita tidak dapat melakukan kerja. Sebagai contoh, jika kita mendorong sepeda motor yang mogok, usaha alias kerja yang kita lakukan menggerakan sepeda motor tersebut. Pada saat yang sama, energi kimia dalam tubuh kita menjadi berkurang, karena sebagian energi kimia dalam tubuh berubah menjadi energi kinetik sepeda motor. Usaha dilakukan ketika energi dipindahkan dari satu benda ke benda lain. Contoh ini juga menjelaskan salah satu konsep penting dalam sains, yakni kekekalan energi. Jumlah total energi pada sistem dan lingkungan bersifat kekal alias tetap. Energi tidak pernah hilang, tetapi hanya dapat berubah bentuk dari satu bentuk energi menjadi bentuk energi lain.
Dalam kehidupan sehari-hari terdapat banyak jenis energi. Energi kimia pada bahan bakar membantu kita menggerakan kendaraan, demikian juga energi kimia pada makanan membantu makhluk hidup bertahan hidup dan melakukan kerja.
Dengan adanya energi listrik, kita bisa menonton TV atau menyalakan komputer sehingga bisa bermain game sepuasnya. Ini hanya beberapa contoh dari sekian banyak jenis energi dalam kehidupan kita. Misalnya ketika kita menyalakan lampu neon, energi listrik berubah menjadi energi cahaya. Energi listrik juga bisa berubah menjadi
energi panas (setrika listrik), energi gerak (kipas angin) dan sebagainya. Banyak sekali contoh dalam kehidupan kita, dirimu bisa memikirkan contoh lainnya. Secara umum, energi bermanfaat bagi kita ketika energi mengalami perubahan bentuk, misalnya energi listrik berubah menjadi energi gerak (kipas angin), atau energi kimia berubah menjadi energi gerak (mesin kendaraan).
Pada kesempatan ini kita akan mempelajari dua jenis energi yang sebenarnya selalu kita jumpai dalam kehidupan sehari-hari, yakni energi potensial dan energi kinetik translasi. Energi potensial dapat berubah bentuk menjadi energi kinetik ketika benda bergerak lurus dan sebaliknya energi kinetik juga bisa berubah bentuk menjadi energi potensial. Total kedua energi ini disebut energi mekanik, yang besarnya tetap alias kekal.
2.5 Sifat – Sifat Energi
Dalam Fisika energi dihubungkan dengan gerak, yaitu kemapuan untuk melakukan kerja mekanik. Energi dialam adalah besaran yang kekal, dengan sifat-sifat sebagai berikut :
a) Transformasi energi
energi dapat diubah menjadi energi bentuk lain, tidak dapat hilang misal energi pembakaran berubah menjadi energi penggerak mesin
b) Transfer energi
energi dapat dipindahkan dari suatu benda kebenda lain atau dari sistem ke sistem lain, misal kita memasak air, energi dari api pindah ke air menjadi energi panas, energi panas atau kalor dipindah lagi keuap menjadi energi uap
c) Kerja
energi dapat dipindah ke sistem lain melalui gaya yang menyebabkan pergeseran, yaitu kerja mekanik
d) Energi tidak dapat dibentuk dari nol dan tidak dapat dimusnahkan.
Sumber-sumber energi yang banyak digunakan dalam kehidupan sehari-hari misalnya: energi minyak bumi, energi batubara, energi air terjun, energi nuklir dan energi kimia.
2.6 Macam – Macam Energi a. Energi Potensial
Energi potensial adalah energi yang dimiliki suatu benda akibat adanya pengaruh tempat atau kedudukan dari benda tersebut. Energi potensial disebut juga dengan energi diam karena benda yang dalam keaadaan diam dapat memiliki energi. Jika benda tersebut bergerak, maka benda itu mengalami perubahan energi potensial menjadi energi gerak. Contoh yang paling umum dari energi potensial adalah energi potensial gravitasi. Buah mangga yang lezat dan ranum memiliki energi potensial gravitasi ketika sedang menggelayut pada tangkainya. Energi potensial gravitasi dimiliki benda karena posisi relatifnya terhadap bumi. Setiap benda yang memiliki energi potensial gravitasi dapat melakukan kerja apabila benda tersebut bergerak menuju permukaan bumi (misalnya buah mangga jatuh dari pohon).
b. Energi Kinetik
Setiap benda yang bergerak memiliki energi. Kendaraan beroda yang bergerak dengan laju tertentu di jalan raya juga memiliki energi kinetik. Ketika dua buah kendaraan yang sedang bergerak saling bertabrakan, maka bisa dipastikan kendaraan akan digiring ke bengkel untuk diperbaiki. Kerusakan akibat tabrakan terjadi karena kedua mobil yang pada mulanya bergerak melakukan usaha/kerja satu terhadap lainnya. Ketika tukang bangunan memukul paku menggunakan martil, martil yang digerakan tukang bangunan melakukan kerja pada paku.
Setiap benda yang bergerak memberikan gaya pada benda lain dan memindahkannya sejauh jarak tertentu. Benda yang bergerak memiliki kemampuan untuk melakukan kerja, karenanya dapat dikatakan memiliki energi.
Energi pada benda yang bergerak disebut energi kinetik. Kata kinetik berasal dari bahasa yunani, kinetikos, yang artinya “gerak”. ketika benda bergerak, benda pasti memiliki kecepatan. Dengan demikian, kita dapat menyimpulkan bahwa energi kinetik merupakan energi yang dimiliki benda karena gerakannya atau kecepatannya.
c. Energi Kimia
Energi Kimia adalah energi yang timbul akibat dari adanya reaksi Kimia.
Contohnya adalah Energi Kimia yang ada pada bahan bakar kendaraan. Energi tersebut digunakan untuk menggerakkan kendaraan.
Selain itu, juga kita lihat dan perhatikan energi kimia yang terjadi di dalam tubuh kita. Energi dalam tubuh kita berasal dari hasil pembakaran bahan-bahan
makanan yang kita makan. Energi inilah yang memberikan kemampuan pada tubuh kita untuk mampu bergerak
d. Energi Listrik
Energi Listrik adalah energi yang dimiliki oleh arus listrik. Energi listrik adalah energi yang paling banyak digunakan dalam kehidupan kita. Selain untuk penerangan, juga sebagai penggerak dari barang-barang teknologi yang ada di sekitar kita.
e. Energi Bunyi
Energi Bunyi adalah energi yang dimiliki oleh bunyi. Di dalam bunyi, tersimpan energi yang besar. Kalau orang berteriak dengan keras di dekat telinga kita, maka telinga kita akan terasa sakit. Begitu pun ketika adanya pesawat yang terbang jet yang rendah akan mengakibatkan kaca jendela rumah bisa pecah.
f. Energi Cahaya
Energi Cahaya adalah Energi yang dimiliki oleh cahaya. Contohnya adalah penggunaan laser untuk mengiris bagian tubuh yang akan dioperasi ataupun memotong besi baja.
g. Energi Panas Atau Energi Kalor
Energi Panas merupakan energi dalam bentuk panas. Energi Panas juga disebut dengan Energi Kalor. Energi panas dapat berasal dari matahari, api, dan benda-benda lain yang dapat memancarkan panas
h. Hukum Kekekalan Energi Mekanik
Bunyi dari hukum kekekalan energi yaitu "Energi tidak dapat diciptakan dan juga tidak dapat dimusnahkan". Jadi perubahan bentuk suatu energi dari bentuk yang satu ke bentuk yang lain tidak merubah jumlah atau besar energi secara keseluruhan.
2.7 Daya dan Efiensi
Daya didefinisikan sebagai besar usaha persatuan waktu. Kalau kita perhatikan lampu pijar, maka energi listrik yang diberikan kepada lampu lebih besar dari energi cahaya yang dihasilkan lampu. Perbandingan antara daya keluaran (output) dengan daya masukan (input) dikali 100%, disebut efisiensi. Efisiensi tidak mempunyai satuan maupun dimensi
2.8 Contoh usaha dan Energi dalam Penerapan di Kehidupan Sehari Hari
