Membedah Bab 3 IPA Kelas 8: Tekanan, Usaha, dan Energi dalam Kehidupan Sehari-hari (Soal dan Jawaban Lengkap)

Bab 3 mata pelajaran Ilmu Pengetahuan Alam (IPA) kelas 8 SMP seringkali menjadi salah satu bab yang paling menarik sekaligus menantang bagi siswa. Bab ini membongkar konsep-konsep fundamental fisika yang sangat relevan dengan kehidupan sehari-hari: Tekanan, Usaha, dan Energi. Memahami ketiga konsep ini bukan hanya penting untuk meraih nilai bagus, tetapi juga untuk membuka mata kita terhadap prinsip-prinsip yang bekerja di sekitar kita, dari cara kita berjalan hingga bagaimana mesin bekerja.

Artikel ini akan mengajak Anda menyelami lebih dalam materi Bab 3 IPA Kelas 8, menyajikan berbagai tipe soal yang sering muncul, beserta pembahasan jawaban yang rinci. Tujuannya adalah agar Anda tidak hanya menghafal rumus, tetapi benar-benar memahami esensi dari setiap konsep.

Bagian 1: Tekanan – Kekuatan yang Menyebar

Tekanan adalah konsep dasar yang seringkali disalahpahami. Banyak yang mengira tekanan hanya tentang seberapa keras sesuatu menekan, padahal lebih dari itu. Tekanan didefinisikan sebagai gaya yang bekerja tegak lurus pada suatu bidang per satuan luas bidang tersebut. Rumusnya sederhana:

P = F / A

Dimana:

• P = Tekanan (dalam Pascal (Pa) atau N/m²)
• F = Gaya (dalam Newton (N))
• A = Luas bidang tekan (dalam meter persegi (m²))

Mengapa Luas Bidang Tekan Penting?

Perhatikan perbedaan antara berjalan menggunakan sepatu hak tinggi dan sepatu pantofel. Sepatu hak tinggi, meskipun gayanya sama (berat badan Anda), terasa lebih menyakitkan jika menekan kaki Anda. Mengapa? Karena luas bidang tekan sepatu hak tinggi jauh lebih kecil dibandingkan sepatu pantofel. Dengan luas yang lebih kecil, tekanan yang dihasilkan pun menjadi lebih besar.

Tekanan pada Zat Padat:

• Contoh Soal 1: Seorang anak menindih sebuah kasur dengan gaya sebesar 300 N. Jika luas alas kaki anak tersebut adalah 0,01 m², berapakah tekanan yang diberikan pada kasur?

  • Jawaban:
    • Diketahui: F = 300 N, A = 0,01 m²
    • Ditanya: P = ?
    • Rumus: P = F / A
    • P = 300 N / 0,01 m²
    • P = 30.000 Pa atau 30 kPa
  • Pembahasan: Gaya yang diberikan oleh anak (berat badannya) didistribusikan pada luas alas kakinya. Semakin kecil luas alas kaki, semakin besar tekanan yang dirasakan oleh kasur.

• Contoh Soal 2: Dua buah balok identik dengan massa 5 kg diletakkan di atas meja. Balok pertama diletakkan mendatar dengan sisi yang luas, sedangkan balok kedua diletakkan berdiri dengan sisi yang sempit. Manakah yang memberikan tekanan lebih besar pada meja? Jelaskan alasannya!

  • Jawaban: Balok kedua yang diletakkan berdiri akan memberikan tekanan lebih besar pada meja.
  • Pembahasan: Gaya yang diberikan oleh kedua balok sama karena massanya identik (Gaya = massa x percepatan gravitasi). Namun, balok kedua memiliki luas bidang tekan yang lebih kecil saat diletakkan berdiri dibandingkan saat diletakkan mendatar. Sesuai rumus P = F/A, jika F konstan dan A mengecil, maka P akan membesar.

Tekanan pada Zat Cair (Hidrostatis):

Tekanan pada zat cair dipengaruhi oleh kedalaman dan massa jenis zat cair tersebut. Rumusnya adalah:

P = ρ . g . h

Dimana:

• P = Tekanan hidrostatis (Pa)
• ρ (rho) = Massa jenis zat cair (kg/m³)
• g = Percepatan gravitasi (sekitar 9,8 m/s² atau dibulatkan 10 m/s²)
• h = Kedalaman zat cair (m)

Prinsip Penting Tekanan Hidrostatis:

• Tekanan hidrostatis bertambah seiring bertambahnya kedalaman.

• Tekanan hidrostatis pada kedalaman yang sama dalam zat cair yang sama adalah sama ke segala arah.

• Tekanan hidrostatis bergantung pada massa jenis zat cair.

• Contoh Soal 3: Sebuah kolam renang memiliki kedalaman 2 meter. Jika massa jenis air adalah 1000 kg/m³ dan percepatan gravitasi 10 m/s², berapakah tekanan hidrostatis di dasar kolam?

  • Jawaban:
    • Diketahui: ρ = 1000 kg/m³, g = 10 m/s², h = 2 m
    • Ditanya: P = ?
    • Rumus: P = ρ . g . h
    • P = 1000 kg/m³ . 10 m/s² . 2 m
    • P = 20.000 Pa atau 20 kPa
  • Pembahasan: Tekanan di dasar kolam lebih besar karena kedalamannya lebih besar. Semakin dalam, semakin banyak kolom air di atasnya yang memberikan gaya tekan.

• Contoh Soal 4: Mengapa permukaan air pada kedua wadah yang terhubung (tabung U) akan selalu sama tinggi, meskipun bentuk wadahnya berbeda? Jelaskan dengan konsep tekanan hidrostatis!

  • Jawaban: Permukaan air pada kedua wadah akan sama tinggi karena tekanan hidrostatis pada dasar kedua wadah harus sama agar air berada dalam kesetimbangan. Jika permukaan air berbeda tinggi, maka akan ada perbedaan tekanan hidrostatis yang menyebabkan air mengalir dari sisi yang lebih tinggi ke sisi yang lebih rendah hingga mencapai kesetimbangan.
  • Pembahasan: Konsep ini dikenal sebagai prinsip bejana berhubungan. Pada kedalaman yang sama di dalam zat cair yang sama, tekanan hidrostatisnya sama. Agar tekanan di dasar kedua wadah sama, ketinggian kolom zat cair di kedua wadah harus sama.

Tekanan pada Zat Gas (Hukum Boyle):

Tekanan pada zat gas dalam ruang tertutup dipengaruhi oleh suhu dan volume. Hukum Boyle menyatakan bahwa pada suhu konstan, tekanan gas berbanding terbalik dengan volumenya. Artinya, jika volume diperkecil, tekanan akan membesar, dan sebaliknya.

P₁V₁ = P₂V₂

Dimana:

• P₁ = Tekanan awal gas

• V₁ = Volume awal gas

• P₂ = Tekanan akhir gas

• V₂ = Volume akhir gas

• Contoh Soal 5: Sebuah wadah berisi gas dengan volume 2 liter dan tekanan 1 atm. Jika volume gas tersebut diperkecil menjadi 1 liter pada suhu yang sama, berapakah tekanan gas yang baru?

  • Jawaban:
    • Diketahui: V₁ = 2 liter, P₁ = 1 atm, V₂ = 1 liter
    • Ditanya: P₂ = ?
    • Rumus: P₁V₁ = P₂V₂
    • (1 atm)(2 liter) = P₂(1 liter)
    • P₂ = 2 atm
  • Pembahasan: Ketika volume gas diperkecil menjadi setengahnya, tekanan gas menjadi dua kali lipat karena molekul-molekul gas lebih sering bertabrakan dengan dinding wadah dalam ruang yang lebih sempit.

Bagian 2: Usaha – Energi yang Bergerak

Dalam fisika, usaha (W) didefinisikan sebagai gaya yang bekerja pada suatu benda sehingga benda tersebut berpindah sejauh jarak tertentu searah dengan arah gaya. Jika benda tidak berpindah, maka tidak ada usaha yang dilakukan.

W = F . s

Dimana:

• W = Usaha (dalam Joule (J))
• F = Gaya (dalam Newton (N))
• s = Perpindahan (dalam meter (m))

Penting Diingat:

• Usaha hanya terjadi jika ada perpindahan.

• Gaya yang diperhitungkan adalah komponen gaya yang searah dengan perpindahan. Jika gaya tegak lurus perpindahan, maka usaha yang dilakukan adalah nol.

• Contoh Soal 6: Seorang siswa mendorong tembok dengan gaya 500 N selama 1 menit. Apakah siswa tersebut melakukan usaha? Jelaskan!

  • Jawaban: Siswa tersebut tidak melakukan usaha.
  • Pembahasan: Meskipun siswa mengerahkan gaya yang besar, tembok tidak berpindah dari posisinya. Karena tidak ada perpindahan (s = 0), maka usaha yang dilakukan adalah W = F . s = 500 N . 0 m = 0 J.

• Contoh Soal 7: Sebuah lemari ditarik dengan gaya 100 N sejauh 5 meter. Berapakah usaha yang dilakukan pada lemari tersebut?

  • Jawaban:
    • Diketahui: F = 100 N, s = 5 m
    • Ditanya: W = ?
    • Rumus: W = F . s
    • W = 100 N . 5 m
    • W = 500 J
  • Pembahasan: Gaya 100 N bekerja pada lemari dan menyebabkan perpindahan sejauh 5 meter. Total energi yang disalurkan untuk memindahkan lemari tersebut adalah 500 Joule.

• Contoh Soal 8: Sebuah bola dilempar vertikal ke atas. Pada saat bola bergerak naik, gaya gravitasi yang bekerja pada bola berlawanan arah dengan arah perpindahan. Apakah usaha yang dilakukan oleh gaya gravitasi pada bola saat bergerak naik bernilai positif atau negatif?

  • Jawaban: Usaha yang dilakukan oleh gaya gravitasi bernilai negatif.
  • Pembahasan: Karena gaya gravitasi (menarik ke bawah) berlawanan arah dengan perpindahan bola (ke atas), maka usaha yang dilakukan adalah negatif. Ini menunjukkan bahwa gaya gravitasi menghambat gerakan bola ke atas.

Bagian 3: Energi – Kemampuan untuk Melakukan Usaha

Energi adalah kemampuan suatu benda untuk melakukan usaha. Energi dapat berubah bentuk dari satu bentuk ke bentuk lain, tetapi jumlah total energi dalam sistem tertutup selalu konstan (Hukum Kekekalan Energi).

Ada berbagai bentuk energi, yang paling relevan dalam bab ini adalah:

1. Energi Potensial (EP): Energi yang dimiliki benda karena kedudukan atau posisinya.
   EP = m . g . h
   Dimana:

   • EP = Energi Potensial (Joule)
   • m = massa benda (kg)
   • g = percepatan gravitasi (m/s²)
   • h = ketinggian benda dari titik acuan (m)

2. Energi Kinetik (EK): Energi yang dimiliki benda karena geraknya.
   EK = ½ . m . v²
   Dimana:

   • EK = Energi Kinetik (Joule)
   • m = massa benda (kg)
   • v = kecepatan benda (m/s)

3. Energi Mekanik (EM): Jumlah energi potensial dan energi kinetik suatu benda.
   EM = EP + EK

Hukum Kekekalan Energi Mekanik:
Dalam sistem tertutup tanpa gaya gesek, energi mekanik total suatu benda selalu konstan. Energi potensial dapat berubah menjadi energi kinetik, dan sebaliknya, tetapi jumlahnya tetap sama.

• Contoh Soal 9: Sebuah kelapa bermassa 2 kg tergantung pada ketinggian 10 meter dari tanah. Berapakah energi potensial kelapa tersebut jika percepatan gravitasi 10 m/s²?

  • Jawaban:
    • Diketahui: m = 2 kg, h = 10 m, g = 10 m/s²
    • Ditanya: EP = ?
    • Rumus: EP = m . g . h
    • EP = 2 kg . 10 m/s² . 10 m
    • EP = 200 J
  • Pembahasan: Kelapa memiliki energi potensial karena ketinggiannya. Energi ini akan berubah menjadi energi kinetik saat kelapa jatuh.

• Contoh Soal 10: Sebuah bola bermassa 0,5 kg bergerak dengan kecepatan 10 m/s. Berapakah energi kinetik bola tersebut?

  • Jawaban:
    • Diketahui: m = 0,5 kg, v = 10 m/s
    • Ditanya: EK = ?
    • Rumus: EK = ½ . m . v²
    • EK = ½ . 0,5 kg . (10 m/s)²
    • EK = ½ . 0,5 kg . 100 m²/s²
    • EK = 25 J
  • Pembahasan: Bola memiliki energi kinetik karena gerakannya. Semakin cepat dan semakin berat benda, semakin besar energi kinetiknya.

• Contoh Soal 11: Sebuah batu bermassa 3 kg dijatuhkan dari ketinggian 20 meter. Berapakah energi mekanik batu tersebut saat pertama kali dijatuhkan (dengan mengabaikan hambatan udara)?

  • Jawaban:
    • Saat pertama kali dijatuhkan, ketinggian (h) = 20 m dan kecepatan (v) = 0 m/s.
    • Energi Potensial Awal (EP₁) = m . g . h = 3 kg . 10 m/s² . 20 m = 600 J.
    • Energi Kinetik Awal (EK₁) = ½ . m . v² = ½ . 3 kg . (0 m/s)² = 0 J.
    • Energi Mekanik Awal (EM₁) = EP₁ + EK₁ = 600 J + 0 J = 600 J.
  • Pembahasan: Energi mekanik adalah jumlah energi potensial dan energi kinetik. Saat benda berada di titik tertinggi dan diam, seluruh energi mekaniknya adalah energi potensial.

• Contoh Soal 12: Lanjutkan soal nomor 11. Berapakah energi mekanik batu tersebut saat mencapai ketinggian 10 meter dari tanah?

  • Jawaban: Berdasarkan hukum kekekalan energi mekanik, energi mekanik batu tersebut tetap sama, yaitu 600 J.
  • Pembahasan: Meskipun energi potensial dan kinetik berubah, jumlahnya tetap konstan. Mari kita cek:
    • Pada ketinggian 10 m, EP₂ = m . g . h = 3 kg . 10 m/s² . 10 m = 300 J.
    • Karena EM = 600 J, maka EK₂ = EM – EP₂ = 600 J – 300 J = 300 J.
    • Dari EK₂ = ½ m v², kita bisa cari v: 300 J = ½ (3 kg) v², v² = 200 m²/s², v = √200 m/s ≈ 14,14 m/s.
    • Jadi, saat di ketinggian 10 m, batu memiliki energi potensial 300 J dan energi kinetik 300 J, total energi mekanik tetap 600 J.

Penutup

Memahami konsep tekanan, usaha, dan energi seperti yang dijelaskan dalam Bab 3 IPA Kelas 8 akan membuka wawasan Anda tentang dunia fisika yang mendasar. Dengan latihan soal yang konsisten dan pemahaman yang mendalam terhadap setiap konsep, Anda akan siap menghadapi berbagai tantangan akademik, baik di sekolah maupun dalam kehidupan sehari-hari. Ingatlah bahwa fisika ada di mana-mana, dan dengan pengetahuan yang tepat, Anda bisa melihatnya dengan lebih jelas!