semua tentang pesawat sederhana (jenis, gambar, contoh) | materi fisika kelas 8

Materi fisika kelas 8 : Pesawat Sederhana

Gambar 1. Jalan di pegunungan

Gambar di atas, menunjukkan gambar jalan di daerah pegunungan yang dibuat berkelok-kelok untuk menuju puncak, secara jelas terlihat bahwa jalan yang dibuat berkelok-kelok akan semakin jauh untuk mencapai puncak daripada jika jalannya langsung dibuat lurus dari dasar menuju puncak. Mengapa harus dibuat berkelok-kelok? Ternyata meskipun jarak tempuhnya semakin jauh, akan tetapi untuk mencapai puncak lebih mudah daripada jika jalannya dibuat lurus. Fenomena ini merupakan salah satu pemanfaatan dari konsep pesawat sederhana di sekitar kita, untuk lebih memahami konsep pesawat sederhana mari lanjutkan membaca materi di bawah ini. 

Pesawat sederhana adalah segala jenis peralatan yang digunakan untuk mempermudah pekerjaan manusia. Mempermudah pekerjaan manusia yang dimaksudkan disini adalah memudahkannya melakukan usaha, meskipun besarnya usaha yang dilakukan adalah tetap. kemudahan dalam melakukan usaha dapat diidentifikasi dengan besarnya keuntungan mekanis dari pesawat sederhana tersebut, semakin besar keuntungan mekanisnya maka semakin mudah orang tersebut dalam melakukan usaha.
Keuntungan mekanis pada prinsipnya adalah perbandingan gaya berat beban dengan gaya yang dikeluarkan oleh seorang ketika menggunakan pesawat sederhana tersebut (disebut dengan gaya kuasa). Secara matematis keuntungan mekanis dapat ditulis sebagai berikut:

Keterangan :
KM : keuntungan mekasnis
W : berat beban (N)
F : gaya kuasa (N)
Ingatlah:
Perhatikan berat beban yang dimaksud adalah gaya berat (w = m . g), baca kembali materi tentang gaya

Besarnya keuntungan mekanis tidak hanya ditentukan dari beban dan gaya kuasa saja, akan tetapi juga bergantung pada jenis pesawat sederhananya. Ada beberapa pesawat sederhana yang akan dibahas disini yakni: tuas (pengungkit), bidang miring, dan katrol.

Tuas (Pengungkit) 

Tuas atau pengungkit merupakan salah satu jenis pesawat yang sering digunakan dalam kehidupan sehari-hari seperti untuk memindahkan batu besar, alat pencabut paku, gunting, dll. perhatikan gambar berikut

Gambar 2. Bagian-bagian tuas

Berdasarkan gambar 2 di atas, terlihat bagian-bagian pada tuas yakni
W (berat) adalah bagian dimana beban yang akan dipindahkan diletakkan
F (kuasa) adalah bagian dimana gaya kuasa (gaya yang diberikan manusia) diletakkan
T (titik tumpu) adalah bagian dari tuas yang tidak bergerak
lb (lengan beban) adalah jarak antara titik tumpu dengan beban
lk (lengan kuasa) adalah jarak antara titik tumpu dengan kuasa
berdasarkan tata letak titik tumpu, beban, dan kuasa tuas dibedakan menjadi tiga yakni: tuas jenis I, tuas jenis II, dan tuas jenis III yang akan dibahas berikut ini.

Tuas jenis I

Tuas jenis I memiliki ciri yakni titik tumpu (T) terletak diantara beban (W) dengan kuasa (F) yang digambarkan sebagai berikut

Contoh tuas jenis pertama antara lain:

Gunting, tang, alat pencabut paku,jungkat-jungkit dll

Tuas jenis II

Tuas jenis II memiliki ciri beban (W) terletak antara titik tumpu (T) dengan kuasa (F) yang digambarkan sebagai berikut:

Contoh tuas jenis kedua antara lain:

pemotong kertas, Pembuka tutup botol, pemecah kemiri, gerobak pasir, dll

Tuas Jenis III

Tuas jenis ketiga memiliki kuasa (F) terletak diantara titik tumpu (T) dan beban (W) yang digambarkan sebagai berikut

Contoh tuas jenis ketiga antara lain:

penjepit kue, sekop, pinset dll

keuntungan mekanis pada tuas selain bergantung pada berat dan kuasa juga bergantung pada panjang lengan beban (lb) dan panjang lengan kuasa (lk), sehingga persamaan matematis pada keuntungan mekanis di atas dapat ditulis sebagai berikut

Keterangan :
KM : keuntungan mekanis
W : berat beban (N)
F : gaya kuasa (N)
lb : lengan beban (m)
lk : lengan kuasa (m)
Berdasarkan persamaan di atas, kita dapat mengetahui untuk memperbesar keuntungan mekanis pada tuas dapat dilakukan dengan cara : memperpanjang lengan kuasa atau memperpendek lengan beban.
Penggunaan tuas diharapkan memberikan kemudahan dalam melakukan pekerjaan, hal ini ditunjukkan dengan nilai keuntungan mekanisnya harus lebih besar dari satu (KM > 1). Agar tercapai maka nilai beban lebih besar dari gaya kuasa (w > F) dan lengan kuasa lebih besar daripada lengan beban (lk > lb)
Tips:
Untuk mempermudah mengingat persamaan keuntungan mekanis, gunakan konsep matematisnya yakni agar hasil pembagiannya lebih besar dari satu maka nilai pembilang harus lebih besar dari penyebutnya (besar dibagi kecil)
Contoh soal
1) sebuah batu sebesar 600 N akan dipindahkan dengan tuas yang panjangnya 2 m. untuk membuat sistem pengungkit digunakan sebuah batu sebagai tumpuan. Jika jarak titik tumpu terhadap beban 0,5 m. hitunglah gaya yang diperlukan untuk menggerakkan batu tersebut!

pembahasan:

Diketahui
Panjang tuas = 2 m
lb = 0,5 m
lk = 2 – 0,5 = 1,5 m
w = 700 N
F ... ?
Jawab:
w . lb = F . lk
600 . 0,5 = F . 1,5
300 = 1,5 F
200 N = F

2) sebuah linggis yang panjangnya 1,5 m digunakan untuk mencabut paku yang tertancap di sebuah tembok. Linggis ditumpu 25 cm dati paku yang akan dicabut. Untuk melepaskan paku dari tembok diperlukan gaya sebesar 9,4 x 10⁴ N. Berapakah gaya lekat paku pada kayu? Tentukan pula keuntungan mekanisnya!

pembahasan:

Diketahui:
Panjang linggis = 1,5 m
lb = 25 cm = 0,25 m
lk = 1,5 – 0,25 = 1,25 m
F =   9,4 x 104 N
w dan KM ....?
menentukan gaya lekat (beban)
w . lb = F . lk
w . 0,25 = 9,4 x 104 . 1,25
w = 9,4 x 104 . 5 (kedua ruas dibagi 0,25)
w = 47 x 104 N
menentukan keuntungan mekanis
KM = lk/lb
KM = 1,25 / 0,25
KM = 5

3) perhatikan gambar pengungkit di bawah ini

Beban kemudian digeser 10 cm mendekati titik tumpu, agar tuas berada pada posisi seimbang. Tentukan berapa kuasanya sekarang!

pembahasan:

Sebelum digeser

lb = 25 cm

w = 480 N

F = 160 N

Menentukan lengan kuasa sebelum beban digeser

w . lb = F . lk

480 . 25 = 160 . lk

3 . 25 = lk (kedua ruas dibagi 160)

75 cm = lk

Setelah digeser

lb = 25 – 10 = 15 cm

lk = 75 cm

w = 480 N

menentukan kuasa setelah beban digeser

w . lb = F . lk

480 . 15 = F . 75

480 = 5 F (kedua ruas dibagi 15)

96 N = F

Jadi gaya yang harus diberikan agar tuas tetap seimbang adalah 96 N (mengurangi 64 N dari kuasa awal)

Bidang miring 

jenis pesawat sederhana yang kedua adalah bidang miring. Sesuai dengan namanya bidang miring, yakni sebuah benda yang disusun miring untuk memindahkan sebuah benda ke ketinggian tertentu. Bidang miring ini sering kita lihat untuk memindahkan benda ke atas sebuah bak mobil seperti yang terlihat pada gambar di bawah ini.

Gambar 3. Dua orang memindahkan balok ke atas bak truk

Memindahkan benda ke atas truk akan lebih mudah jika menggunakan papan seperti pada gambar di atas, meskipun terlihat akan menempuh jarak yang lebih jauh dari pada langsung diangkat dari bawah ke atas, tapi pada dasarnya usaha yang dikeluarkan tetap sama. Agar lebih memahami, perhatikan gambar berikut

Gambar 4. Perbedaan memindahkan benda (a) menggunakan bidang miring, (b) ditarik langsung

Berdasarkan gambar 4 diatas, terlihat perbedaan ketika akan memindahkan benda dari dasar ke ketinggian tertentu (a) menggunakan bidang miring, (b) ditarik secara langsung. Ketika memindahkan menggunakan bidang miring jarak yang ditempuh lebih jauh daripada ketika langsung di tarik (s > h) akan tetapi ketika ditarik secara langsung gaya tarik (F) secara langsung berlawanan arah dengan gaya berat benda (w) maka besarnya gaya untuk menarik benda harus lebih besar daripada berat benda tersebut. Berbeda dengan ketika menggunakan bidang miring gaya dorong (F) tidak secara langsung berlawanan arah dengan gaya berat benda (w) sehingga untuk menaikkan benda ke atas besar gaya dorong yang diperlukan tidak sebesar berat benda (w) adanya perbedaan inilah yang menyebabkan kemudahan ketika menggunakan bidang miring.
Kemudahan ini dapat terlihat dari keuntungan mekanis (KM) bidang miring secara matematis dapat ditulis 

Keterangan :
KM : keuntungan mekanis
W : berat beban (N)
F : gaya kuasa (N)
s : panjang bidang miring (m)
h : tinggi (m)

Keuntungan mekanis pada bidang miring dapat diperbesar dengan cara memperpanjang jarak bidang miring (s) atau membuat bidang miring menjadi semakin landai. Penerapan bidang miring dalam kehidupan sehari-hari antara lain: jalan di pegunungan, pisau, mur, tangga, dll.

Contoh soal: Seorang pria mendorong sebuah peti seberat 600 N. Pria ini menggunakan sebuah papan dengan panjang 4 m yang digunakan sebagai bidang miring. jika jarak permukaan tanah dan bak truk 2 m, hitunglah besar gaya yang diperlukan wkeuntungan mekanis penggunaan bidang miring ini!

pembahasan:

Diketahui:

w = 600 N

h = 2 m

s = 4 m

F dan KM ....?

Jawab :

Menentukan gaya dorong

w . h = F . s

600 . 2 = F . 4

1200 = 4 F

300 N = F

Menentukan keuntungan mekanis (KM)

KM = W/F

KM = 600/300

KM = 2

Katrol

Katrol merupakan jenis pesawat sederhana yang berbentuk roda yang biasanya dihubungkan dengan tali di sekelilingnya dimana ketika tali tersebut ditarik, maka katrol akan berputar pada porosnya. Katrol ini sering digunakan oleh tukang bangunan untuk menaikkan bahan ke atas, atau untuk menimba air dari bawah ke atas, mobil derek ketika menderek mobil.
Berdasarkan tempat kedudukannya, katrol dapat dibedakan menjadi tiga yakni: katrol tetap, katrol bergerak, dan sistem katrol.

Gambar 5. Jenis – jenis katrol (a) katrol tetap, (b) katrol bebas, (c) sistem katrol (sumber: IPA kelas8)

Katrol tetap

Pada prinsipnya katrol tetap sama dengan pengungkit jenis pertama, yakni titik tumpu berada diantara titik beban dan titik kuasa seperti yang terlihat pada gambar 5(a). katrol tetap sering terlihat ketika digunakan pada timba, tiang bendera, dll. keuntungan mekanis pada katrol tetap adalah

Nilai keuntungan mekanis sama dengan 1 menunjukkan bahwa besar gaya kuasa (F) sama dengan berat beban (w). Hal ini berarti tidak mendapat keuntungan mekanis jika ditinjau dari besar gaya kuasa yang digunakan. Akan tetapi, kemudahan yang di dapat dari penggunaan katrol tetap adalah terletak pada perubahan arahnya kuasa, yakni mengubah gaya angkat menjadi gaya tarik 

Katrol bebas

Sesuai dengan namanya, katrol bebas adalah katrol yang bergerak ketika digunakan seperti yang terlihat pada gambar 5(b). Titik tumpu katrol bebas terletak pada titik C sedangkan titik A merupakan titik beban dan B merupakan titik kuasa, sehingga keuntungan mekanis pada katrol bebas dapat ditentukan sebagai berikut.

Nilai 2 pada keuntungan mekanis katrol bebas menunjukkan apabila mengangkat beban dengan berat tertentu maka dibutuhkan gaya kuasa sebesar setengah kali berat beban tersebut.

Sistem katrol (takal)

Sistem katrol atau takal adalah susunan katrol yang terdiri dari katrol bebas dan katrol tetap (minimal 2 katrol). Sistem katrol ini biasa digunakan untuk mengangkat beban yang sangat berat seperti pada mobil derek kecil bisa menderek mobil yang besar-besar sehingga dengan menggunakan katrol jenis ini gaya kuasa yang digunakan dapat diminimalkan. Keuntungan mekanis pada sistem katrol bergantung pada jumlah katrol dan tali yang menanggung beban tersebut

demikian penjelasan tentang materi pesawat sederhana untuk kelas 8, jadi dapat disimpulkan bahwa pesawat sederhana merupakan seperangkat alat yang digunakan untuk mempermudah pekerjaan manusia. pesawat sederhana terdapat tiga jenis yakni tuas, bidang miring, dan katrol

baca juga : 

materi fisika fisika kelas 8 : gerak lurus
materi fisika fisika kelas 8 : gaya
pembahasan soal UN Fisika SMP tahun 2017
pembahasan soal UN Fisika SMP tahun 2018
pembahasan soal UN Fisika SMP tahun 2019