20 Contoh Soal Energi Mekanik dan Kunci Jawabannya

tirto.id - Ada banyak contoh soal energi mekanik kelas 10 Kurikulum Merdeka. Contoh ini dapat dijadikan bahan belajar menghadapi ujian maupun sekadar menguasai materi.

Energi dapat didefinisikan sebagai kemampuan untuk melakukan suatu pekerjaan (usaha). Menurut Soetyono Iskandar dan Djuanda dalam buku Konversi Energi (2017), energi bersifat abstrak dan sukar dibuktikan tetapi dapat dirasakan keberadaannya.

Energi juga tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan tetapi dapat berubah bentuk. Perubahan ini menyebabkan energi memiliki berbagai macam bentuk yang dapat dimanfaatkan sesuai jenisnya.

Rumus dan Materi Soal Energi Mekanik

Salah satu materi dalam mata pelajaran Fisika SMA adalah energi mekanik. Lantas, apa itu energi mekanik? Bagaimana rumus menghitung energi mekanik?

Peristiwa jatuhnya sebuah benda memuat dua energi sekaligus yaitu energi kinetik dan energi potensial gravitasi. Menurut Kandi dan Yamin Winduono dalam buku Energi dan Perubahannya (2012), gabungan dua energi tersebut dinamakan energi mekanik.

Besarnya energi mekanik yang dimiliki suatu benda pada setiap perubahan posisi selalu tetap. Pernyataan ini dikenal sebagai Hukum Kekekalan Energi Mekanik.

Jika pada suatu posisi energi potensial yang dimiliki benda maksimal, maka pada posisi tersebut energi kinetiknya minimal. Sebaliknya, jika pada saat posisi energi kinetik maksimal, maka energi potensialnya minimal.

Besar energi mekanik sama dengan jumlah energi kinetik ditambah energi potensial. Jika dikonversi dalam bentuk rumus, menjadi:

Em = Ep + Ek

Keterangan:

• Em adalah energi mekanik
• Ek adalah energi kinetik
• Ep adalah energi potensial.

Kumpulan Soal Energi Mekanik dan Jawabannya

Berikut ini contoh soal energi mekanik kelas 10 beserta jawabannya:

1. Seorang atlet melontarkan bola tolak peluru bermassa 4,2 kg dengan kecepatan 12 m/s. Energi kinetik bola tersebut adalah...

A. 50,4 J

B. 100,8 J

C. 151,2 J

D. 302,4 J

E. 604,8 J

Jawaban: D

2. Sebuah benda bermassa 2 kg jatuh bebas dari ketinggian 20 m. Setelah 1 sekon, energi potensial benda tersebut adalah...

A. 100 J

B. 200 J

C. 300 J

D. 400 J

E. 500 J

Jawaban: C

3. Sebuah traktor mengangkat beban 1,2 × 10⁴ N setinggi 9 m dalam waktu 15 sekon. Daya traktor tersebut adalah...

A. 3,6 kW

B. 5,4 kW

C. 7,2 kW

D. 9,0 kW

E. 10,8 kW

Jawaban: C

4. Benda A dan B bermassa sama. Benda A jatuh dari ketinggian h, sedangkan B jatuh dari 2h. Jika A menyentuh tanah dengan kecepatan v, maka energi kinetik B saat menyentuh tanah adalah...

A. 1/2mv²

B. mv²

C. 2mv²

D. 4mv²

E. 8mv²

Jawaban: B

5. Sebuah benda bermassa 2 kg dijatuhkan dari ketinggian 10 m. Energi mekanik benda sesaat sebelum menyentuh tanah adalah...

A. 20 J

B. 100 J

C. 196 J

D. 200 J

E. 392 J

Jawaban: C

6. Bola tenis bermassa 200 g jatuh dari ketinggian 4,05 m. Energi kinetik bola saat menyentuh tanah adalah...

A. 4,05 J

B. 8,1 J

C. 16,2 J

D. 20,25 J

E. 40,5 J

Jawaban: B

7. Jika energi kinetik benda saat kecepatannya 2 m/s adalah 2,5 J, maka energi kinetiknya saat kecepatannya 6 m/s adalah...

A. 7,5 J

B. 15 J

C. 22,5 J

D. 30 J

E. 45 J

Jawaban: C

8. 200 liter air disimpan dalam tangki pada ketinggian 4 m. Energi potensial air tersebut adalah...

A. 800 J

B. 2000 J

C. 4000 J

D. 8000 J

E. 16000 J

Jawaban: D

9. Karet dengan konstanta pegas 200 N/m diregangkan sejauh 20 cm. Energi potensial elastisnya adalah...

A. 2 J

B. 4 J

C. 8 J

D. 10 J

E. 20 J

Jawaban: B

10. Bola basket bermassa 600 gram dilempar dengan kecepatan awal 8 m/s. Energi mekanik bola saat di titik tertinggi adalah... (g = 10 m/s²)

A. 19,2 J

B. 24,0 J

C. 31,2 J

D. 48,0 J

E. 62,4 J

Jawaban: C

Latihan Soal Energi Mekanik Kelas 10 Essay

11. Seorang atlet melontarkan bola tolak peluru bermassa 4,2 kg dengan kecepatan 12 m/s. Berapakah energi kinetik benda itu? Berapakah usaha yang dilakukan atlet itu?

Jawaban:

Diketahui:

m = 4,2 kg

v = 12 m/s

a) Energi kinetik benda:

EK = 1/2 m v²

= 1/2 . (4,2 kg) . (12 m/s)2

= 302,4 J

b) Usaha sama dengan perubahan energi kinetik:

W = ∆EK

W = 302,4 J

12. Sebuah benda bermassa 2 kg jatuh bebas dari ketinggian 20 m dari atas tanah. Hitunglah:

a. Energi potensial setelah benda bergerak 1 sekon.

b. Usaha yang dilakukan gaya berat pada saat ketinggian benda 10 m.

Jawaban:

Diketahui:

m = 2 kg

h₁ = 20 m

h₂ = 10 m

t = 1 s

a) Energi potensial benda:

∆ℎ = v₀ . t + 1/2 g t² = 0.1 s + 1/2 . 10 m/s² . (1 s) 2 = 5 m

W = EP₁ – EP₂

EP₂ = EP₁ – W = m g h₁ – m g ∆ℎ = m g (h₁ - ∆ℎ) = 2 kg. 10 m/s² (20 m – 5 m) = 300 J

b) Usaha sama dengan perubahan energi potensial:

W = ∆BC

= m g (h₁ – h₂)

= 2 kg. 10 m/s² (20 m – 10 m)

= 200 J

13. Sebuah traktor digunakan untuk mengangkat benda seberat 1,2 x 10⁴ N setinggi 9 m dalam waktu 15 s. Berapakah daya traktor itu?

Jawaban:

Diketahui: F = 1,2 x 10⁴ N s = 9 m t = 15 s

P = w/t

= (F x s/t = 1,2 x 10⁴ . 9m) : (15 s)

= 7,2 x 10³ W

= 7,2 kW

14. Benda A dan B bermassa sama. Benda A jatuh dari ketinggian h meter dan B jatuh dari 2h meter. Jika A menyentuh tanah dengan kecepatan v m/s, maka benda B akan menyentuh tanah dengan energi kinetik sebesar ....

Jawaban:

Kelajuan akhir benda B yang jatuh bebas dari ketinggian 2h adalah:

v² = 2.g.(2h) = 4.g.h

Energi kinetik benda B adalah:

EK(B) = 1/2 m v² = 1/2 m (4.g.h) = 2.m.g.h (persamaan 1)

Energi mekanik akhir benda B adalah energi kinetik = 1/2 m v².

Hukum kekekalan energi mekanik:

m g h = 1/2 . m . v²

Karena m g h = 1/2 . m . v², maka kita dapat menggantikan m g h pada persamaan 1 dengan 1/2 . m . v²

Energi kinetik benda B = 2 m.g.h = 2(1/2 . m . v²) = 1 m.v²

15. Sebuah benda bermassa 2 kg dijatuhkan dari ketinggian 10 m. Berapakah energi mekanik benda ketika sesaat sebelum mencapai tanah?

Untuk menghitung energi mekanik benda saat sesaat sebelum mencapai tanah, kita perlu memperhitungkan energi potensial gravitasi dan energi kinetik benda.

Jawaban dan pembahasan:

Energi potensial gravitasi (Ep) dapat dihitung menggunakan rumus:

Ep = m.g.h

Keterangan:

m adalah massa benda (2 kg),

g adalah percepatan gravitasi (9,8 m/s²),

h adalah ketinggian jatuh (10 m).

Ep = 2 kg x 9,8 m/s² x 10 m

= 196 J

Energi kinetik (Ek) saat sesaat sebelum mencapai tanah akan sama dengan energi potensial gravitasi pada titik tersebut, karena seluruh energi potensial telah berubah menjadi energi kinetik.

Ek = Ep = 196 J

Jadi, energi mekanik benda saat sesaat sebelum mencapai tanah adalah 196 Joule.

16. Berapa energi kinetik bola tenis (200 gram) yang jatuh dari ketinggian 4,05 meter pada saat menyentuh tanah?

Jawaban dan pembahasan:

Diketahui:

m = 200g = 0,2kg

h = 4,05m

Ditanya: Ek?

Dijawab:

Ek = 1/2 m.v²

Kecepatan jatuh bebas dihitung sebagai berikut

v = √2g.h = √2.10.4.05 = √81 = 9/m.s

Energi kinetik dapat dihitung sebagai berikut

Ek = 1/2 . 0,2 . 9² = 0,1 . 81 = 8,1 J

17. Energi kinetik benda saat kecepatannya 2 m/s adalah 2,5 Joule. Berapa energi kinetik

benda yang sama ketika kecepatannya 6 m/s?

Jawaban dan pembahasan:

Ek = 1/2 m.v²

Namun, karena ada dua keadaan, kita harus lakukan perbandingan

Ek₁/Ek₂ = m/m x v²₁/v²₂= 1/1 x (2/6)² = 1/9

lakukan perkalian silang

Ek₂ = 9 . Ek₁ = 9 . 2,5 = 22,5 J

18. 200 liter air ada dalam tangki yang disimpan pada ketinggian 4,0 m. Berapa energi

potensial air dalam tangki?

Jawaban dan pembahasan:

Diketahui :

V = 200 Liter

h = 4,0 m

g = 10 m/s²

Ditanya : Ep = ?

Jawaban :

Ep = m.g.h, massa diperoleh dari volume aair dengan massa jenis air

ρ = 1 kg/Liter, maka m = 1 kg

Ep = 200.10.4 = 8000 Joule

19. Karet dengan konstanta 200 N/m diregangkan sejauh 20 cm. Berapa besar energi

potensial saat itu?

Jawaban dan pembahasan:

Diketahui :

k = 200 N/m

y = 20 cm = 0,2 m

Ditanya : Ep = ?

Jawaban : 𝐸𝑝 = 1/2 𝑘𝑦²

𝐸𝑝 = 1/2 200. 0,2² = 100.0,04 = 4,0 Joule

20. Perhatikan gerak bola basket (m = 600 gram).

Saat pertama dilempar kecepatan bola 8 m/s, saat mencapai titik tertinggi kecepatannya 4 m/s, dan saat mencapai ring kecepatannya 7 m/s. Berapa energi mekanik pada tiga posisi tersebut?

Posisi awal saat dilempar V1 = 8 m/s, h1 = 2,0 m

Posisi saat di titik tertinggi V2 = 4 m/s, h2 = 4,4 m

Posisi saat di keranjang V3 = 7 m/s, h1 = 2,75 m

Jawaban dan pembahasan:

m = 600 gram = 0,6 kg

Posisi awal saat dilempar V1 = 8 m/s, h1 = 2,0 m

Posisi saat di titik tertinggi V2 = 4 m/s, h2 = 4,4 m

Posisi saat di keranjang V3 = 7 m/s, h1 = 2,75 m

Ditanya: Energi mekanik (Em) di tiap posisi?

Dijawab: Em = Ek + Ep

Posisi awal

𝐸𝑘 = 1/2 𝑚. 𝑣²

= 1/2 0,6. 8² = 0,3.64 = 19,2 𝐽𝑜𝑢𝑙𝑒

𝐸𝑝 = 𝑚𝑔ℎ = 0,6.10.2 = 12 𝐽𝑜𝑢𝑙𝑒

Em = Ek + Ep = 19,2 + 12 = 31, 2 Joule

Posisi titik tertinggi

𝐸𝑘 = 1/2 𝑚. 𝑣²

= 1/2 0,6. 4² = 0,3.16 = 4,8 𝐽𝑜𝑢𝑙𝑒

𝐸𝑝 = 𝑚𝑔ℎ = 0,6.10.4,4 = 26,4 𝐽𝑜𝑢𝑙𝑒

Em = Ek + Ep = 4,8 + 26,4 = 31, 2 Joule

Posisi di keranjang

𝐸𝑘 = 1/2 𝑚. 𝑣²

= 1/2 0,6. 7² = 0,3.49 = 14,7 𝐽𝑜𝑢𝑙𝑒

𝐸𝑝 = 𝑚𝑔ℎ = 0,6.10.2,75 = 16,5 𝐽𝑜𝑢𝑙𝑒

Em = Ek + Ep = 14,7 + 16,5 = 31, 2 Joule.