Jawaban dan penjelasan:

Untuk menyelesaikan masalah ini, pertama-tama kita dapat menggunakan prinsip dasar energi yang tidak tercipta atau hukum kekekalan energi:

Energi potensial gravitasi = Energi kinetik + Energi kerja

Energi potensial gravitasi yang dikonversi menjadi energi kinetik dan energi kerja pada kincir, dapat dinyatakan sebagai:

mgh = 1/2 mv^2 + W

Di mana:

m = massa kincir (dalam kg)

g = percepatan gravitasi (dalam m/s²)

h = ketinggian air terjun (dalam m)

v = kecepatan kincir (dalam m/s)

W = energi kerja (dalam Joule)

Untuk menghitung energi kerja, kita perlu menggunakan debit air dan efisiensi kincir:

W = Qρghη

Di mana:

Q = debit air (dalam L/s)

ρ = massa jenis air (dalam kg/m³)

η = efisiensi kincir (dalam persen, diubah ke pecahan)

Kita perlu mengubah satuan debit air dan massa jenis air agar sama dengan satuan dalam rumus energi kerja:

Q = 80 L/s = 0.08 m³/s

ρ = 1 g/cm³ = 1000 kg/m³

Substitusi nilai yang diketahui ke dalam rumus energi potensial gravitasi, energi kinetik, dan energi kerja:

mgh = 1/2 mv^2 + Qρghη

25 kg x 10 m/s² x 20 m = 1/2 x 25 kg x v^2 + 0.08 m³/s x 1000 kg/m³ x 10 m/s² x 20 m x 0.4

5000 J = 12.5 v^2 + 6400 J

-6400 J = 12.5 v^2 - 5000 J

12.5 v^2 = 11400 J

v^2 = 912 m²/s²

v = √(912) m/s

Jadi, kecepatan kincir saat bergerak sebesar sekitar 30,2 m/s atau sekitar 16,5 m/s. Jawaban yang paling mendekati adalah (d) 16√2 m/s.