USAHA DAN ENERGI
Usaha adalah besarnya gaya yang bekerja pada suatu benda sehingga benda
tersebut mengalami perpindahan. Jika gaya dilambangkan dengan F dan perpindahan
dengan s maka secara matematika Usaha dapat dituliskan menjadi
|
W = F.s
|
Dimana : W = Usaha (Joule)
F = Gaya (N)
s =
Perpindahan (m)
Kata – kata usaha sering dipakai dalam kehidupan sehari-hari, tapi
pengertian usaha dalam kehidupan sehari-hari tidak sama persis dengan
pengertian usaha dalam fisika. Tetapi jika kita menggunakan ilmu makna maka pengertiannya
akan sama.
Usaha dalam kehidupan sehari – hari merupakan kegiatan yang dilakukan seseorang untuk mencukupi kebutuhan hidupnya. Bila kita perhatikan dengan seksama maka ketika orang mencari uang dia juga mengeluarkan gaya / energi dan untuk mendapatkan uang dia harus melakukan perpindahan / bergerak, dari sini maka pengertian usaha dalam kehidupan dengan di fisika hampir sama.
Usaha dalam kehidupan sehari – hari merupakan kegiatan yang dilakukan seseorang untuk mencukupi kebutuhan hidupnya. Bila kita perhatikan dengan seksama maka ketika orang mencari uang dia juga mengeluarkan gaya / energi dan untuk mendapatkan uang dia harus melakukan perpindahan / bergerak, dari sini maka pengertian usaha dalam kehidupan dengan di fisika hampir sama.
Selain pengertian di atas jika dihubungkan dengan energi maka Usaha dapat
didefinisikan sebagai Besarnya perubahan energi yang digunakan, sehingga selain
persamaan diatas Usaha juga dapat dirumuskan :
|
W = ΔE
|
Sedangkan Energi itu ada bermacam - macam.
Sebagai contoh energi potensial, kinetik, dan mekanik. Sehingga Usaha juga
dapat dihitung dengan menggunakan perubahan energi potensial, kinetik atau
mekanik.
Contoh soal:
1.
Bayu mendorong meja yang massanya 4
kg dgn percepatan 2m/s" sejauh 5 m. berapkah usahanya??
jawab:
W = Fs
= mas
= 4 kg 2 m/s" 5 m
= 40 joule
jawab:
W = Fs
= mas
= 4 kg 2 m/s" 5 m
= 40 joule
2.
Sebuah benda
bergerak dengan gaya 8 n sejauh 2,5 m, Tentukan Usaha !
Jawab : W = F X S
= 8N X 2,5 m
= 20 J
Jawab : W = F X S
= 8N X 2,5 m
= 20 J
Bentuk-bentuk energi :
1. Energi Mekanik
Energi mekanik adalah energi yang berkaitan dengan
gerak atau kemampuan untuk bergerak.
2. Energi kalor
Energi kalor adalah energi yang dihasilkan dari gerak
internal partikel-partikel dalam suatu zat.
3. Energi Kimia
Energi Kimia adalah energi yang tersimpan dalam suatu
bahan.
Contoh : energi pada makanan, bensin atau solar.
4. Energi Cahaya
Energi Cahaya adalah energi yang dihasilkan oleh
radiasi gelombang elektromagnetik.
Contoh : energi dari sinar matahari atau api.
5. Energi Listrik
Energi listrik adalah energi yang dihasilkan oleh
muatan listrik yang bergerak melalui suatu penghantar.
Contoh : Energi listrik digunakan untuk menyalakan
lampu.
6. Energi Bunyi
Energi bunyi adalah energi yang dihasilkan oleh
getaran udara dari sebuah sumber bunyi.
Contoh : bunyi yang dihasilkan dari loudspeaker
7.Energi Nuklir
Energi nuklir adalah energi yang dihasilkan oleh
bahan-bahan radioaktif.
A.Energi Kinetik
Secara umum,
energi kinetik adalah energi yang dipunyai suatu benda yang sedang bergerak. Secara khusus, energi kinetik
adalah energi yang dipunyai suatu benda bermassa m yang sedang bergerak
dengan kelajuan v.
Faktor yang
mempengaruhi energi kinetik :
1.Massa
Seekor gajah yang sedang berlari mempunyai energi kinetik lebih besar daripada seorang atlet yang sedang berlari (dengan kelajuan yang sama) karena gajah mempunyai massa yang lebih besar.
Seekor gajah yang sedang berlari mempunyai energi kinetik lebih besar daripada seorang atlet yang sedang berlari (dengan kelajuan yang sama) karena gajah mempunyai massa yang lebih besar.
2.Kelajuan
Mobil balap yang sedang bergerak mempunyai energi kinetik lebih besar daripada mobil pada umumnya (dengan massa yang sama pula) karena mobil balap mempunyai kelajuan yang lebih besar.
Mobil balap yang sedang bergerak mempunyai energi kinetik lebih besar daripada mobil pada umumnya (dengan massa yang sama pula) karena mobil balap mempunyai kelajuan yang lebih besar.
Rumus umum
dari energi kinetik adalah:
Keterangan:
m : massa (kg)
v : kecepatan benda (m/s)
Rumus
tersebut diperoleh dari penurunan rumus usaha (W=F.s). Berikut penurunannya.
Kita mulai dengan persamaan untuk jarak yang ditempuh benda dengan kelajuan awal v0, percepatan a, dalam waktu t.
Kita mulai dengan persamaan untuk jarak yang ditempuh benda dengan kelajuan awal v0, percepatan a, dalam waktu t.
s=v0.t
+ 1/2.a.t2
Jika v0=0,
maka didapatkan:
s=1/2.a.t2
...(1)
Untuk
kelajuan benda vt dengan v0=0, didapatkan:
vt=v0
+ a.t
vt=a.t
t=vt/a
...(2)
Subtitusikan
persamaan (2) ke persamaan (1), sehingga:
s=1/2.a.t2
=1/2.a.(vt/a)2
=vt2/2a ...(3)
=1/2.a.(vt/a)2
=vt2/2a ...(3)
Kita
subtitusikan Hukum II Newton dan persamaan (3) ke rumus usaha (W=F.s) sehingga
diperoleh:
W=F.s
W=(m.a).vt2/2a
W=1/2.m.vt2
Jadi W=1/2.m.vt2 inilah yang disebut energi kinetik.
W=(m.a).vt2/2a
W=1/2.m.vt2
Jadi W=1/2.m.vt2 inilah yang disebut energi kinetik.
Sebuah bola sepak bermassa 150 gram ditendang oleh
Ronaldo dan bola tersebut bergerak lurus menuju gawang dengan laju 30 m/s.
Hitunglah :
a) energi kinetik bola tersebut
b) berapa usaha yang dilakukan Ronaldo pada bola untuk
mencapai laju ini, jika bola mulai bergerak dari keadaan diam ?
panduan jawaban :
a) Energi
Kinetik bola
EK= ½ mv2 = ½ (0,15 kg) (30 m/s2)2
= 67,5 Joule
b) Usaha total
W = EK2 – EK1
EK2 = 67,5 Joule
EK1 = ½ mv2 = ½ m (0) = 0 — laju
awal bola (vo) = 0
Dengan demikian, usaha total :
W = 67,5 Joule – 0 = 67,5 Joule
B. Energi Potensial
Energi potensial adalah energi yang dimiliki suatu benda akibat adanya pengaruh tempat atau kedudukan dari benda tersebut. Energi potensial disebut juga dengan energi diam karena benda yang dalam keaadaan diam dapat memiliki energi. Jika benda tersebut bergerak, maka benda itu mengalami perubahan energi potensial menjadi energi gerak. Contoh misalnya seperti buah kelapa yang siap jatuh dari pohonnya, cicak di plafon rumah, dan lain sebagainya.
Energi potensial
terbagi atas dua, yaitu energi potensial gravitasi dan energi potensial
elastis. Energi potensial gravitasi ini timbul akibat tarikan gaya gravitasi
Bumi yang bekerja pada benda. Contoh energi potensial gravitasi
ini adalah seperti pada Gambar 4.5a. Jika massa beban diperbesar,
energi potensial gravitasinya juga akan membesar. Demikian juga, apabila
ketinggian benda dari tanah diperbesar, energi potensial gravitasi beban
tersebut akan semakin besar.
gambar 4.5
Rumus atau persamaan
energi potensial gravitasi:
Ep = m.g.h
Ep = m.g.h
keterangan
Ep = energi potensial
m = massa dari benda
g = percepatan gravitasi
h = tinggi benda dari tanah
Ep = energi potensial
m = massa dari benda
g = percepatan gravitasi
h = tinggi benda dari tanah
Sebuah benda yang berada pada suatu ketinggian
tertentu apabila dilepaskan, akan bergerak jatuh bebas sebab benda tersebut
memiliki energi potensial gravitasi. Energi potensial gravitasi benda yang
mengalami jatuh bebas akan berubah karena usaha yang dilakukan oleh gaya berat.
Gambar 4.6 Usaha
yang ditimbulkan oleh gaya berat sebesar
Perhatikanlah Gambar 4.6.
Apabila tinggi benda mula-mula h1, usaha yang dilakukan
oleh gaya berat untuk mencapai tempat setinggi h2 adalah
sebesar:
Ww = mgh1 – mgh2
Ww = mg (h1 – h2)
Ww =
–mg(h2 – h1) ………….. (4–4)
dengan: Ww =
usaha oleh gaya berat.
Oleh karena mgh = EP,
perubahan energi potensial gravitasinya dapat dinyatakan sebagai Δ EPsehingga Persamaan
(4–4) dapat dituliskan
Ww = Δ EP
Bentuk energi potensial yang kedua adalah energi
potensial elastis. Energi potensial adalah energi yang tersimpan di dalam benda
elastis karena adanya gaya tekan dan gaya regang yang bekerja pada benda.
Contoh energi potensial ini ditunjukkan pada Gambar 4.5b. Besarnya
energi potensial elastis bergantung pada besarnya gaya tekan atau gaya regang
yang diberikan pada benda tersebut.
kita telah mempelajari sifat elastis pada pegas dan
telah mengetahui bahwa gaya pemulih pada pegas berbanding lurus dengan
pertambahan panjangnya. Pegas yang berada dalam keadaan tertekan atau teregang
dikatakan memiliki energi potensial elastis karena pegas tidak berada dalam
keadaan posisi setimbang. Perhatikanlah Gambar 4.7. Grafik tersebut
menunjukkan kurva hubungan antara gaya dan pertambahan panjang pegas yang
memenuhi Hukum Hooke. Jika pada saat menarik pegas dengan gaya sebesar F1,
pegas itu bertambah panjang sebesar Δx1. Demikian pula, jika
Anda menarik pegas dengan gaya sebesar F2, pegas akan
bertambah panjang sebesar Δ x2. Begitu seterusnya.
Gambar 4.7 Grafik
hubungan terhadap Δx pada
kurva F = kΔx.
Dengan demikian, usaha
total yang Anda berikan untuk meregangkan pegas adalah
W = F1Δ x1 + F2Δ x2 + …
Besarnya usaha
total ini sama dengan luas segitiga di bawah kurva F terhadap Δ x sehingga dapat dituliskan
W = ½ FΔ x
W = ½ (kΔ xΔ x)
W = ½ kΔ x2 ………….. (4–6)
Oleh karena usaha
yang diberikan pada pegas ini akan tersimpan sebagai energi potensial, dapat
dituliskan persamaan energi potensial pegas adalah sebagai berikut.
EP = ½ kΔ x2
Energi potensial
pegas ini juga dapat berubah karena usaha yang dilakukan oleh gaya pegas. Besar
usaha yang dilakukan oleh gaya pegas itu dituliskan dengan persamaan
W = –Δ EP
buah mangga yang ranum
dan mengundang selera mengelayut pada tangkai pohon mangga yang berjarak 12
meter dari permukaan tanah. Jika massa buah mangga tersebut 0,15 kg, berapakah
energi potensialnya?(g= 10 m/s2)
diketahui:
h = 12 m
m = 0,15 kg
g = 10 m/s2
ditanya: Ep.........?
jawab:
Ep = m.g.h
Ep = (0.15 kg) . (10 m/s2) . (12 m)
Ep = 18 joule
diketahui:
h = 12 m
m = 0,15 kg
g = 10 m/s2
ditanya: Ep.........?
jawab:
Ep = m.g.h
Ep = (0.15 kg) . (10 m/s2) . (12 m)
Ep = 18 joule
C.Energi Mekanik
Besarnya energi mekanik merupakan penjumlahan antara
besarnya energi kinetik dengan energi potensial. Energi mekanik yang dimiliki
suatu benda dapat ditulis secara matematis sebagai berikut.
Keterangan:
Em : energi mekanik (J)
Ek : energi kinetik (J)
Ep : energi potensial (J)
D. Hukum Kekekalan
Energi
" Energi tidak dapat diciptakan dan juga tidak
dapat dimusnahkan "
Jadi perubahan bentuk suatu energi dari bentuk yang satu ke bentuk yang lain tidak merubah jumlah atau besar energi secara keseluruhan.
Jadi perubahan bentuk suatu energi dari bentuk yang satu ke bentuk yang lain tidak merubah jumlah atau besar energi secara keseluruhan.
Rumus atau persamaan mekanik (berhubungan dengan hukum
kekekalan energi) :
Em = Ep + Ek
Em = Ep + Ek
keterangan
Em = energi mekanik
Em = energi mekanik
Ep = energi potensial
Ek = energi kinetik
Catatan :
Satuan energi adalah
joule
Contoh pada gerak jatuh bebas
 |
|
Benda jatuh bebas
|
Pada gerak jatuh bebas terjadi perubahan energi
potensial menjadi energi kinetik. Energi potensial berkurang, energi kinetik
bertambah tetapi energi mekanik tetap.
Berikut penjelasannya.
Benda mula-mula diam (kecepatan = 0) sehingga energi
kinetiknya sama dengan nol.
Selanjutnya benda makin lama-makin cepat (energi
kinetik bertambah) dan semakin ke bawah (energi potensial berkurang). Dan saat
mencapai tanah mengalami kecepatan maksimal (energi kinetik terbesar) dan
ketinggian nol (energi potensialnya juga nol).
Yang perlu diperhatikan di sini adalah energi mekanik pada tiap posisi bernilai tetap, yang disebut juga sebagai hukum kekekalan energi mekanik.
E. Daya
Daya adalah Besaran usaha
menyatakan gaya yang menyebabkan perpindahan benda. Namun, besaran ini tidak
memperhitungkan lama waktu gaya itu bekerja pada benda sehingga menyebabkan
benda berpindah. Kadang-kadang usaha dilakukan sangat cepat dan di saat lain
usaha dilakukan sangat lambat. Misalnya, Ani mendorong lemari untuk
memindahkannya dari pojok kamar ke sisi lain kamar yang berjarak 3 m. Dalam
melakukan usahanya itu, Ani membutuhkan waktu 5 menit. Apabila lemari yang sama
dipindahkan oleh Arif, ia membutuhkan waktu 3 menit. Ani dan Arif melakukan
usaha yang sama, namun keduanya membutuhkan waktu yang berbeda. Besaran yang menyatakan
besar usaha yang dilakukan per satuan waktu dinamakan daya. Dengan demikian,
Anda dapat mengatakan bahwa Arif memiliki daya yang lebih besar daripada Ani.
Daya dipengertiankan sebagai kelajuan usaha atau usaha per satuan waktu. Daya
dituliskan secara matematis sebagai berikut.
P = W/t ……… (4–14)
dengan: W = usaha (joule),
t = waktu (sekon), dan
P = daya (J/s atau watt).
Mobil, motor, atau mesin-mesin lainnya sering
dinyatakan memiliki dayasekian hp (horse power) yang diterjemahkan
dalam Bahasa Indonesia sebagai daya kuda dengan 1 hp = 746 watt.
Dalam perhitungan teknik, besarnya 1 hp
kadang-kadang dibulatkan, yaitu 1 hp = 750 watt. Hubungan antara daya dan
kecepatan diturunkan sebagai berikut.
P = W/t = (F.s)/t = F(s/t) = F.v
dengan: F = gaya (N), dan
v = kecepatan (m/s).
contoh soal
1. Seorang petugas PLN yang massanya 50 kg menaiki
tangga sebuah tower yang tingginya 30 m dalam waktu 2 menit. Jika g =
10 m/s2, berapakah daya yang dikeluarkan petugas PLN tersebut?
Jawab
Diketahui: m = 50 kg, h = 30 m, t
= 2 menit, dan g = 10 m/s2.
P = W/t = mgh/t = (50.10.30)/(2.60) = 125watt
2. Sebuah mesin pesawat terbang mampu memberikan
gaya dorong sebesar 20.000 N. Berapakah daya yang dihasilkan mesin ketika
pesawat mengangkasa dengan kecepatan 250 m/s?
Jawab
Diketahui: F = 20.000 N dan v = 250 m/s
P = F v = (20.000 N)(250 m/s) =
5.000.000 watt
DAFTAR PUSTAKA
pada tanggal 1 April
2013 pada pukul 12.15 WIB
Diakses pada tanggal 1
April 2013 pada pukul 12.00 WIB
Donna, Rensy.2011. http://renshydonna.blogspot.com/2011/02/soal-dan-jawaban-
tentang-usaha-energi.html. diakses pada tanggal 1 April 2013 pada pukul 12.15 WIB
Freedman, Roger A dan
Hugh D Young. 2002. Fisika Universitas.
Jakarta:
Erlangga
0 komentar:
Posting Komentar