MODUL BELAJAR & BANK 30 SOAL LATIHAN
MATERI: PESAWAT SEDERHANA & BIOMEKANIKA OTOT RANGKA
MANUSIA
KELAS VIII SMP / MTS (PREPARASI ULANGAN, PTS, & OSN)
|
📖
Tadabur Sains & Pengingat Nilai Luhur: “...Dan Kami ciptakan besi yang padanya
terdapat kekuatan yang hebat dan berbagai manfaat bagi manusia...” (QS.
Al-Hadid: 25) Pesawat sederhana adalah anugerah akal
pikiran manusia dalam memanfaatkan material bumi ciptaan Allah SWT untuk
melipatgandakan gaya dan memudahkan kerja. Pelajarilah modul ini dengan
sungguh-sungguh agar pemahaman konsep fisis Anda semakin kokoh dan siap
berprestasi! |
BAB I.
RANGKUMAN MATERI LENGKAP & MENDALAM
1.1
Hakikat Pesawat Sederhana dan Konsep Usaha Mekanik
Pesawat sederhana adalah seluruh perangkat
mekanik sederhana yang digunakan untuk mempermudah pekerjaan manusia tanpa
mengurangi besarnya usaha mekanik (W) yang harus dilakukan. Berdasarkan Hukum
Kekekalan Energi, usaha merupakan hasil perkalian antara gaya (F) dan
perpindahan lintasan (s), dirumuskan:
W = F × s (dengan satuan W dalam Joule, F dalam
Newton, dan s dalam meter)
Prinsip kerja pesawat sederhana: Pesawat sederhana TIDAK BISA mengurangi
besar energi/usaha total yang diperlukan untuk memindahkan benda. Pesawat
sederhana mempermudah pekerjaan dengan cara: (1) melipatgandakan gaya kuasa
sehingga gaya yang dikeluarkan otot menjadi jauh lebih kecil, dan (2) mengubah
arah kerja gaya (misalnya menarik beban ke atas dengan menarik tali ke arah
bawah searah tarikan gravitasi bumi).
1.2
Keuntungan Mekanis (Mechanical Advantage - MA / KM)
Keuntungan Mekanis (KM) adalah angka yang
menunjukkan berapa kali lipat pesawat sederhana melipatgandakan gaya kuasa,
atau perbandingan antara berat beban yang dipikul dengan gaya kuasa yang
dikerjakan:
KM = W / F atau
Mechanical Advantage (MA) = Load / Effort
1.3
Pengungkit (Tuas / Lever)
Tuas bekerja berdasarkan prinsip
kesetimbangan momen gaya (torsi) terhadap suatu poros putar yang dinamakan
Titik Tumpu (Pivot).
• Titik Tumpu (T): Titik tumpuan putaran
batang tuas.
• Titik Beban (B): Titik tempat meletakkan benda/beban yang hendak diangkat
(berat W).
• Titik Kuasa (K): Titik tempat gaya kuasa dari tangan/otot kita diberikan
(gaya F).
• Lengan Beban (lb): Jarak tegak lurus dari Titik Tumpu ke Titik Beban.
• Lengan Kuasa (lk): Jarak tegak lurus dari Titik Tumpu ke Titik Kuasa.
Rumus Kesetimbangan
Tuas: W × lb = F × lk → KM = W / F = lk
/ lb
Penggolongan
Tiga Golongan Tuas:
1.
Tuas Jenis Pertama (Tumpu di Tengah / T-B-K): Posisi titik tumpu berada di
antara beban dan kuasa. Contoh alat: gunting, tang pemotong, linggis,
jungkat-jungkit, pencabut paku.
2. Tuas Jenis Kedua (Beban di Tengah / T-B-K): Posisi titik beban berada di
antara tumpu dan kuasa. Karena lk selalu > lb, maka KM selalu lebih besar
dari 1. Contoh: gerobak dorong roda satu, alat pembuka tutup botol, alat
pemecah biji kemiri, pemotong kertas.
3. Tuas Jenis Ketiga (Kuasa di Tengah / T-K-B): Posisi gaya kuasa berada di
antara tumpu dan beban. Nilai KM selalu kurang dari 1, tetapi memberikan
keuntungan kecepatan jangkauan gerak. Contoh: pinset, sekop, sumpit, joran
pancing, stapler.
1.4
Bidang Miring (Inclined Plane)
Bidang miring adalah lintasan datar miring
yang menghubungkan dua ketinggian berbeda. Dengan memperpanjang lintasan tempuh
(s), gaya dorong (F) yang diperlukan untuk mengangkat beban ke ketinggian
tertentu (h) menjadi jauh lebih kecil.
Rumus Bidang
Miring: F × s = W × h → KM = s / h = W /
F
Penerapan bidang miring dalam kehidupan:
• Papan titian miring untuk menaikkan drum/beban ke bak truk.
• Jalan raya pegunungan dibuat berkelok-kelok melingkari lereng agar gaya
dorong mesin kendaraan tidak melebihi kapasitas mesinnya.
• Baji (Wedge): Modifikasi dua bidang miring yang menyatu untuk membelah atau
memotong benda. Contoh: kapak, pisau, pahat kayu, jarum.
• Sekrup (Screw): Bidang miring yang dililitkan secara heliks mengelilingi
silinder batang besi.
1.5
Sistem Katrol (Pulley Systems)
Katrol adalah roda beralur yang berputar pada
porosnya dan dilalui oleh tali penarik. Jenis-jenis katrol:
1. Katrol Tetap Tunggal: Poros katrol diikat tetap pada atap/penyangga. Poros
bertindak sebagai titik tumpu, lengan beban sama dengan lengan kuasa (lb = lk =
r jari-jari roda). Keuntungan mekanis KM = 1 (F = W). Fungsinya semata-mata
mengubah arah gaya tarikan dari ke atas menjadi ke bawah.
2. Katrol Bebas Tunggal: Poros katrol bergerak bebas mengikuti pergerakan
beban. Tali sebelah kiri diikat mati sebagai tumpu, beban tergantung di poros
tengah, dan kuasa menarik tali sebelah kanan. Karena lk = 2r dan lb = r, maka
KM = 2. Gaya kuasa yang diperlukan menjadi setengah berat beban (F = W / 2).
3. Katrol Majemuk (Takal): Gabungan antara katrol tetap dan katrol bebas.
Keuntungan mekanisnya (KM) sama dengan jumlah tali aktif yang menopang katrol
bergerak pembawa beban (KM = n, sehingga F = W / n).
1.6
Biomekanika Pesawat Sederhana pada Tubuh Manusia
Maha Suci Allah yang telah mendesain kerangka
tulang dan otot manusia bekerja dengan efisiensi pesawat sederhana yang luar
biasa:
• Gerakan Mendongakkan Kepala (Tuas Jenis I): Sendi leher (persendian antara
tengkorak dan tulang atlas leher) berfungsi sebagai Titik Tumpu di tengah.
Kontraksi otot leher di belakang bertindak sebagai Gaya Kuasa, dan beban wajah
di depan bertindak sebagai Titik Beban.
• Gerakan Berjinjit pada Kaki (Tuas Jenis II): Ujung telapak/jari kaki
menyentuh lantai sebagai Titik Tumpu. Berat seluruh tubuh yang bertumpu pada
tulang pergelangan kaki berada di tengah sebagai Titik Beban. Otot betis
(gastrocnemius) yang menarik tumit ke atas bertindak sebagai Gaya Kuasa.
• Gerakan Menekuk Lengan Mengangkat Beban (Tuas Jenis III): Sendi siku
berfungsi sebagai Titik Tumpu di ujung. Otot bisep lengan atas melekat dan
menarik lengan bawah di bagian tengah sebagai Gaya Kuasa. Beban/benda yang
dipegang di telapak tangan berada di ujung lainnya sebagai Titik Beban.
1.7
Tabel Rangkuman Rumus Matematis Cepat
|
Jenis
Pesawat |
Persamaan
Kesetimbangan |
Keuntungan
Mekanis (KM) |
Keterangan
Variabel |
|
Tuas / Pengungkit |
W
× lb = F × lk |
KM
= W/F = lk/lb |
lb = lengan beban
(m) |
|
Bidang Miring |
F
× s = W × h |
KM
= s/h = W/F |
s = panjang bidang
(m) |
|
Katrol Tetap |
F
= W |
KM
= 1 |
Hanya mengubah
arah |
|
Katrol Bebas & Majemuk |
F
= W / n |
KM
= n (jumlah tali) |
n = tali penyangga
beban |
BAB II.
BANK 30 SOAL LATIHAN PILIHAN GANDA
Petunjuk Khusus Pengerjaan:
1. Pilihlah salah satu jawaban A, B, C, atau D yang paling tepat!
2. Seluruh soal hitungan menghasilkan angka bulat murni (tanpa pecahan
desimal).
3. Soal bertanda [Cambridge IGCSE Style] disajikan dalam Bahasa Inggris untuk
melatih keterampilan bernalar internasional.
1. Tujuan pokok manusia menggunakan berbagai
peralatan pesawat sederhana dalam kehidupan sehari-hari adalah...
A. Mengurangi besarnya energi dan usaha total yang dilakukan pada benda
B. Mempermudah pelaksanaan pekerjaan dengan melipatgandakan gaya atau
mengubah arah gaya
C. Menghilangkan gaya gesek dan percepatan gravitasi bumi
D. Mengubah benda berat menjadi benda bermassa nol
2. Perhatikan pernyataan tentang usaha
mekanik berikut ini:
(1) Pesawat sederhana dapat memperkecil besar usaha total (W).
(2) Keuntungan mekanis bernilai lebih dari 1 berarti gaya kuasa lebih kecil
dari berat beban.
(3) Makin panjang lintasan bidang miring, gaya dorong yang dibutuhkan makin
besar.
(4) Katrol tetap mempermudah pekerjaan dengan mengubah arah tarikan gaya kuasa.
Pernyataan yang BENAR adalah...
A. (1) dan (3)
B. (1) dan (4)
C. (2) dan (4)
D. (2) dan (3)
3. Dasar utama pengelompokan jenis-jenis tuas
(pengungkit) menjadi jenis pertama, jenis kedua, dan jenis ketiga adalah...
A. Bahan pembuat tuas, apakah dari logam besi atau kayu
B. Panjang total tuas yang digunakan
C. Variasi letak relatif antara titik tumpu, titik beban, dan titik
kuasa
D. Nilai keuntungan mekanis yang harus selalu bernilai genap
4. Peralatan di bawah ini yang seluruhnya bekerja
menggunakan prinsip Tuas Jenis Pertama adalah...
A. Gunting seng, linggis pencabut batu, dan tang penjepit
B. Pembuka botol kecap, gerobak dorong satu roda, dan pemotong kertas
C. Pinset laboratorium, sekop pasir, dan sumpit makan
D. Koper troli dorong, stepler kertas, dan gunting kuku bagian penekan
5. Pada tuas jenis kedua, posisi beban berada
di antara titik tumpu dan titik kuasa. Akibat susunan anatomis alat ini, nilai
keuntungan mekanisnya selalu...
A. Selalu kurang dari 1, karena lengan kuasa lebih pendek dari lengan
beban
B. Selalu sama dengan 1, karena lengan kuasa sama dengan lengan beban
C. Selalu lebih besar dari 1, karena lengan kuasa selalu lebih panjang
dari lengan beban
D. Berubah-ubah tergantung massa jenis benda yang diangkat
6. Seorang teknisi menggunakan pinset bedah
untuk mengambil komponen elektronik kecil. Pinset dan joran pancing digolongkan
ke dalam Tuas Jenis Ketiga karena...
A. Titik tumpu terletak di tengah di antara beban dan kuasa
B. Posisi gaya kuasa tangan berada di tengah antara titik tumpu dan
beban
C. Titik beban berada di tengah sehingga gaya kuasa berlipat ganda
D. Tidak memerlukan gaya kuasa dari otot tangan manusia
7. Perhatikan gambar skema tuas di bawah ini!
Sebuah batu dengan berat W = 400 N hendak diungkit dengan linggis. Jarak titik
tumpu ke batu (lb) adalah 30 cm, dan jarak titik tumpu ke tangan (lk) adalah
120 cm. Besar gaya kuasa F yang harus dikerjakan tangan agar batu terangkat
seimbang adalah...
A. 80 N
B. 100 N
C. 120 N
D. 160 N
8. Sebuah batang pengungkit memiliki panjang
total 150 cm. Titik tumpu diletakkan berjarak 30 cm dari sebuah peti seberat
800 N. Berapakah gaya kuasa minimal yang harus diberikan pada ujung pengungkit
lainnya?
A. 150 N
B. 200 N
C. 250 N
D. 300 N
9. Pada sebuah tuas jenis pertama, beban
seberat 600 N dapat diangkat secara seimbang hanya dengan gaya kuasa sebesar
150 N. Nilai keuntungan mekanis (KM) dari tuas tersebut adalah...
A. 2
B. 3
C. 4
D. 5
10. [Cambridge IGCSE Style] A mechanic uses a
heavy steel lever to lift a machine of weight 900 N. The effort force applied
by the mechanic is 300 N. Calculate the mechanical advantage (MA) of the lever
system!
A. 2
B. 3
C. 4
D. 6
11. Keuntungan mekanis pada bidang miring
dirumuskan dengan perbandingan lintasan miring terhadap ketinggian (KM = s/h).
Upaya yang paling tepat untuk memperbesar nilai keuntungan mekanis bidang
miring adalah...
A. Memperpendek papan miring dan memperbesar ketinggian
B. Memperpanjang papan miring dengan ketinggian yang tetap
C. Melicinkan permukaan dengan minyak agar tinggi bidang bertambah
D. Mengurangi panjang lintasan papan miring menjadi setengahnya
12. Alat pertukangan seperti pisau, kapak
pembelah kayu, dan pahat bekerja dengan prinsip baji (wedge). Baji pada
hakikatnya merupakan modifikasi mekanik dari...
A. Katrol majemuk yang dipadatkan
B. Dua buah bidang miring yang disatukan secara simetris
C. Tuas jenis ketiga yang berputar pada porosnya
D. Katrol bebas yang kehilangan talinya
13. Perhatikan diagram bidang miring di bawah
ini!
Sebuah kotak berat W = 600 N didorong menaiki papan miring sepanjang s = 6
meter menuju bak truk dengan ketinggian h = 2 meter. Bila bidang miring licin
sempurna, besar gaya dorong F yang diperlukan adalah...
A. 150 N
B. 200 N
C. 300 N
D. 400 N
14. Sebuah peti seberat 800 N dinaikkan ke
panggung setinggi 1 meter menggunakan papan bidang miring sepanjang 4 meter.
Berapakah keuntungan mekanis bidang miring dan besar gaya dorong yang
dibutuhkan?
A. KM = 2 dan F = 400 N
B. KM = 3 dan F = 300 N
C. KM = 4 dan F = 200 N
D. KM = 5 dan F = 160 N
15. Tangga rumah dan jalan pegunungan yang
meliuk-liuk menaiki lereng bukit dirancang berdasarkan prinsip bidang miring
dengan tujuan utama...
A. Memperpendek jarak tempuh kendaraan dari kaki bukit ke puncak
B. Mengurangi gaya dorong mesin yang diperlukan agar kendaraan kuat
menanjak
C. Memperbesar gaya berat gravitasi yang dialami kendaraan
D. Mengurangi usaha mekanik total hingga menjadi nol joule
16. Sebuah sekrup kayu memiliki ulir
melingkar sepanjang 16 cm dengan jarak antarulir (pitch) sebesar 2 cm.
Keuntungan mekanis dari ulir sekrup tersebut adalah...
A. 4
B. 6
C. 8
D. 10
17. Pernyataan yang BENAR mengenai sistem
katrol tetap tunggal yang digunakan pada timba sumur air adalah...
A. Memiliki nilai keuntungan mekanis sebesar 2 kali lipat
B. Gaya kuasa tarikan tangan selalu sama besar dengan berat beban ember
(F = W)
C. Gaya kuasa tarikan tangan menjadi setengah dari berat beban ember
D. Poros katrol bergerak bebas naik-turun bersama ember air
18. [Cambridge IGCSE Style] A single movable
pulley (katrol bebas tunggal) is used on a construction site to lift a heavy
concrete block of weight 500 N. Ignoring the mass of the pulley and friction,
calculate the minimum effort force needed to lift the block!
A. 125 N
B. 250 N
C. 500 N
D. 1000 N
19. Sebuah beban seberat 600 N diangkat
menggunakan katrol bebas tunggal. Jika gesekan tali diabaikan, keuntungan
mekanis dan besar gaya yang dikerjakan tali adalah...
A. KM = 1 dan F = 600 N
B. KM = 2 dan F = 300 N
C. KM = 3 dan F = 200 N
D. KM = 4 dan F = 150 N
20. Perhatikan gambar sistem katrol majemuk
(takal) di bawah ini!
Beban seberat W = 800 N ditopang oleh sistem takal dengan 4 utas tali aktif
penyangga katrol bergerak. Besar gaya tarik F yang harus dikerjakan pada ujung
tali adalah...
A. 100 N
B. 200 N
C. 300 N
D. 400 N
21. Seorang pekerja gudang hanya mampu
mengerahkan gaya tarik tali sebesar 200 N. Ia harus mengangkat mesin genset
seberat 1000 N. Jumlah minimal tali penyangga (keuntungan mekanis) katrol
majemuk yang harus dirangkai adalah...
A. 3 tali
B. 4 tali
C. 5 tali
D. 6 tali
22. Perhatikan gambar alat-alat berikut:
(1) Pembuka tutup botol sirup
(2) Stepler kertas kantor
(3) Gerobak semen roda satu
(4) Sumpit mie ayam
Alat yang prinsip kerjanya TERGOLONG ke dalam Tuas Jenis Kedua ditunjukkan oleh
nomor...
A. (1) dan (2)
B. (1) dan (3)
C. (2) dan (4)
D. (3) dan (4)
23. [Cambridge IGCSE Style] A worker pulls a
crate of weight 600 N up an inclined ramp into a storage room. The ramp has a
length of 5 m and reaches a vertical height of 1 m. Calculate the effort force
(F) applied parallel to the ramp, assuming zero friction!
A. 100 N
B. 120 N
C. 150 N
D. 300 N
24. Saat seseorang menengadahkan kepalanya ke
atas untuk melihat burung terbang di langit, gerakan ini menerapkan prinsip
kerja tuas di dalam tubuh manusia, yaitu...
A. Tuas jenis pertama, dengan persendian leher sebagai titik tumpu di
antara otot leher dan wajah
B. Tuas jenis kedua, dengan berat kepala berada di antara sendi leher
dan dagu
C. Tuas jenis ketiga, dengan otot leher berada di antara sendi dan
tengkorak
D. Bidang miring, karena tulang tengkorak memiliki permukaan yang
melengkung
25. Ketika seorang atlet senam melakukan
gerakan berjinjit dengan bertumpu pada ujung jari-jari kakinya, sistem otot
rangka kakinya bekerja berdasarkan prinsip...
A. Tuas jenis pertama, karena titik tumpu berada tepat di tengah telapak
kaki
B. Tuas jenis kedua, karena beban berat badan berada di antara ujung
jari kaki dan tarikan otot betis
C. Tuas jenis ketiga, karena otot betis berada di antara ujung jari dan
tumit kaki
D. Katrol bebas, karena sendi pergelangan kaki dapat berputar bebas
26. Gerakan tangan menekuk di siku saat
mengangkat tas sekolah menerapkan prinsip Tuas Jenis Ketiga. Alasan yang tepat
adalah...
A. Sendi siku berada di antara otot bisep dan telapak tangan
B. Beban tas berada tepat di antara sendi siku dan otot lengan atas
C. Gaya kuasa kontraksi otot bisep bekerja di antara sendi siku (tumpu)
dan telapak tangan (beban)
D. Keuntungan mekanis lengan manusia selalu lebih dari 10
27. Sebuah linggis sepanjang 200 cm digunakan
untuk mencungkil batu 600 N. Jika titik tumpu diletakkan 50 cm dari batu,
berapakah gaya kuasa minimal dan nilai keuntungan mekanis linggis tersebut?
A. F = 150 N dan KM = 4
B. F = 200 N dan KM = 3
C. F = 300 N dan KM = 2
D. F = 100 N dan KM = 6
28. [Cambridge IGCSE Style] Which row
correctly matches the type of simple machine with its primary practical
function in daily life?
A. Inclined plane → Increases the total work done on the load
B. Fixed pulley → Changes the direction of the applied effort force
without multiplying the force
C. Third class lever → Always provides a mechanical advantage greater than 1
D. Movable pulley → Eliminates the need for pulling distance
29. Sebuah balok bermassa 40 kg (berat W = 400
N) dinaikkan setinggi 2 meter menggunakan sistem katrol majemuk yang memiliki
keuntungan mekanis KM = 4. Berapakah panjang tali yang harus ditarik oleh
pekerja gudang tersebut?
A. 2 meter
B. 4 meter
C. 6 meter
D. 8 meter
30. Perhatikan aktivitas manusia berikut:
(1) Mengayunkan sekop pasir dengan satu tangan di ujung gagang dan satu tangan
di tengah batang.
(2) Mengayunkan raket bulutangkis saat melakukan smash.
(3) Mencabut paku berkarat dengan cakar palu besi.
(4) Mengangkat koper beroda dua di bandara.
Aktivitas yang menerapkan prinsip Tuas Jenis Ketiga adalah...
A. (1) dan (2)
B. (1) dan (3)
C. (2) dan (4)
D. (3) dan (4)
