Pada tubuh manusia berlaku prinsip-prinsip kerja pesawat sederhana yang kemudian ditiru dan dimodifikasi untuk mendesain berbagai macam peralatan yang memudahkan kerja manusia. Pesawat sederhana adalah alat yang dipergunakan untuk mempermudah manusia melakukan usaha. Pesawat sederhana berdasarkan prinsip kerjanya dibedakan menjadi tuas/pengungkit, bidang miring, katrol dan roda berporos. Pesawat sederhana mempunyai keuntungan mekanik yang didapatkan dari perbandingan antara gaya beban dengan gaya kuasa sehingga memperingan kerja manusia.
Pada saat manusia melakukan aktivitas, manusia selalu berupaya untuk melakukannya dengan usaha dan daya yang sekecil-kecilnya. Oleh karena itu, manusia menggunakan pesawat sederhana untuk membantu melakukan aktivitasnya. Ketika kerja dipermudah, artinya energi yang dikeluarkan lebih sedikit. Energi dan kerja (usaha) dinyatakan dalam satuan Joule (Newton meter). Kerja atau usaha didefinisikan sebagai hasil kali antara gaya dengan jarak, sehingga dapat dituliskan dengan rumus berikut : W = F.S
Keterangan :W = Usaha (Joule)
F = Gaya (Newton)
S = Jarak (Meter)
Contoh Soal :
Sebuah balok berada pada lantai licin dan ditarik oleh gaya F = 40 Newton. Jika usaha yang dilakukan oleh gaya kepada balok adalah 680 joule, hitunglah besar perpindahan balok !
| Diketahui | Jawab | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Diketahui : W = 680 jouleF = 40 Newton Ditanyakan : S? | W = F.S
|
Usaha dapat bernilai nol apabila gaya yang dikerjakan pada benda tidak mengakibatkan perpindahan tempat. Seberapa besarpun gaya yang bekerja, jika tidak terjadi perpindahan maka gaya tersebut dikatakan tidak melakukan usaha atau W = 0. Besarnya usaha yang dilakukan per satuan waktu disebut dengan daya atau power (P). Daya secara matematis dituliskan sebagai berikut.
| P = | W |
| t |
W = Usaha (Joule)
t = Waktu (Sekon)
Contoh Soal :
Seorang siswa yang beratnya 450 Newton menaiki tangga yang memiliki ketinggian 3 m. Siswa tersebut memerlukan waktu 6 detik untuk sampai ke atas. Tentukan daya yang dikeluarkan siswa untuk kegiatan tersebut!
| Diketahui | Jawab | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Diketahui : t = 6 detik (sekon)W = F.S = 450 x 3 = 1.350 joule Ditanyakan : P? |
|
Jenis Pesawat Sederhana
Manfaat dari pesawat sederhana adalah untuk mempermudah pekerjaan manusia. Alat-alat yang dapat membantu manusia melakukan suatu usaha disebut pesawat sederhana. Ada beberapa jenis pesawat sederhana yang sering digunakan dalam sehari-hari, misalnya katrol, roda berporos, bidang miring, pengungkit (tuas). Berikut ini akan disebutkan beberapa jenis pesawat sederhana yang ada di sekitarmu. Selain itu, akan dijelaskan pula keuntungan mekanik dari penggunaan pesawat sederhana. Akan tetapi, tidak semua pesawat sederhana dapat menggandakan gaya. Keuntungan mekanik (KM) adalah bilangan yang menunjukkan berapa kali pesawat menggandakan gaya.
a. Katrol
Katrol adalah Sebuah roda yang sekelilingnya diberi tali dan dipakai untuk mempermudah pekerjaan manusia. Berdasarkan jumlah katrol yang digunakan, pesawat sederhana dibedakan menjadi sistem katrol tunggal, sistem katrol ganda, dan sistem katrol banyak (majemuk/takal).
Katrol Tetap
Katrol Bebas Tunggal
Katrol Gabungan/Majemuk
b. Roda Berporos
c. Bidang Miring
d. Pengungkit (Tuas)
Saat mengambil air dari sumur menggunakan timba, jika tali yang terhubung pada katrol ditarik ke bawah, maka secara otomatis timba berisi air akan terkerek ke atas. Keuntungan mekanik katrol tetap sama dengan 1. Jadi, katrol tetap tunggal tidak menggandakan gaya kuasa atau dengan kata lain gaya kuasa sama dengan gaya beban.
| KM = | W | = | Lk | = 1 |
| F | Lb |
Katrol Bebas Tunggal
Katrol bebas berfungsi untuk melipatkan gaya, sehingga gaya pada kuasa yang diberikan untuk mengangkat benda menjadi setengah dari gaya beban. Katrol jenis ini biasanya ditemukan di pelabuhan yang digunakan untuk mengangkat peti kemas. Keuntungan mekanik dari katrol bebas lebih besar dari 1. Pada kenyataannya nilai keuntungan mekanik dari katrol bebas tunggal adalah 2. Hal ini berarti bahwa gaya kuasa 1 N akan mengangkat beban 2 N.
| KM = | W | = | Lk | = 2 |
| F | Lb |
Katrol Gabungan/Majemuk
Agar gaya kuasa yang diberikan pada benda semakin kecil, maka diperlukan katrol majemuk. Katrol majemuk merupakan gabungan dari katrol tetap dan katrol bebas yang dirangkai menjadi satu sistem yang terpadu. Katrol majemuk biasa digunakan dalam bidang industri untuk mengangkat benda-benda yang berat. Keuntungan mekanik dari katrol majemuk sama dengan jumlah tali yang menyokong berat beban.
| KM = | W | = | Lk | = n (jumlah katrol) |
| F | Lb |
b. Roda Berporos
Roda berporos adalah pesawat sederhana yang memiliki dua roda dengan ukuran berbeda yang berputar bersamaan. Gear pada sepeda adalah salah satu contoh pesawat sederhana yang tergolong roda berporos. Gaya kuasa biasanya bekerja pada roda yang besar, gaya beban bekerja pada roda yang lebih kecil. Roda berporos memiliki fungsi untuk mempercepat gaya. Selain gear sepeda, contoh penerapan pesawat sederhana jenis roda berporos adalah kursi roda, mobil, dan sepatu roda.
c. Bidang Miring
Bidang miring merupakan bidang datar yang diletakkan miring atau membentuk sudut tertentu sehingga dapat memudahkan gerak benda. Contoh dari bidang miring selain tangga adalah sekrup dan pisau. Keuntungan mekanik bidang miring dapat dihitung dengan membagi jarak kuasa dengan jarak beban.
Jika tinggi bidang miring h, panjang bidang miring l, berat benda yang dinaikkan melalui bidang miring, dan gaya yang digunakan untuk memindahkan benda itu sebesar F maka keuntungan mekanik bidang miring dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut.
| KM = | Gaya beban |
| Gaya kuasa |
| KM = | Panjang Bidang Miring | = | l |
| Ketinggian | h |
d. Pengungkit (Tuas)
Pengungkit yaitu pesawat sederhana yang dibuat dari sebatang benda yang keras (seperti balok kayu, batang bambu, atau batang logam) yang digunakan untuk mengangkat atau mencongkel benda. Contoh alat-alat yang merupakan pengungkit antara lain gunting, linggis, jungkatjungkit, pembuka botol, pemecah biji kenari, sekop, koper, pinset, dan sebagainya. Tuas berfungsi sebagai alat pembesar gaya sehingga keuntungan menggunakan tuas adalah gaya yang dihasilkan lebih besar daripada gaya yang dikeluarkan.
KM = keuntungan mekanis
Fb = gaya beban
Fk = gaya kuasa
Lk = lengan kuasa
Lb = lengan beban
Prinsip Kerja Pesawat Sederhana pada Otot dan Rangka Manusia
Otot dan rangka bekerja bersama-sama pada saat seseorang melakukan gerakan. Hal ini seperti setiap bagian yang terdapat pada sepeda akan bekerja bersama-sama ketika sepeda tersebut bergerak.
Pada saat melakukan suatu aktivitas, otot, tulang, dan sendi akan bekerja bersama-sama. Prinsip kerja ketiganya seperti sebuah pengungkit, di mana tulang sebagai lengan, sendi sebagai titik tumpu, dan kontraksi atau relaksasi otot memberikan gaya untuk menggerakkan bagian tubuh.
Besarnya gaya yang dihasilkan bergantung pada panjang lengan gaya dan panjang lengan beban. Makin besar perbandingannya, makin besar pula gaya ungkit yang dihasilkan. Cara menghitung keuntungan mekaniknya dengan membagi panjang lengan kuasa dengan panjang lengan beban. Panjang lengan kuasa adalah jarak dari tumpuan sampai titik bekerjanya gaya kuasa. Panjang lengan beban adalah jarak dari tumpuan sampai dengan titik bekerjanya gaya beban.
Perbandingan beban yang diangkat dan kuasa yang dilakukan disebut keuntungan mekanis, dirumuskan sebagai berikut:
Apabila Fb x Lb = Fk x Lk, maka :
Apabila Fb x Lb = Fk x Lk, maka :
| KM = | Fb | = | Lk |
| Fk | Lb |
Fb = gaya beban
Fk = gaya kuasa
Lk = lengan kuasa
Lb = lengan beban
Prinsip Kerja Pesawat Sederhana pada Otot dan Rangka Manusia
Otot dan rangka bekerja bersama-sama pada saat seseorang melakukan gerakan. Hal ini seperti setiap bagian yang terdapat pada sepeda akan bekerja bersama-sama ketika sepeda tersebut bergerak.
