USAHA (KERJA) DAN ENERGI 4.1. PENDAHULUAN
1. Energi Kinetik (Ek)
Benda yang sedang bergerak memiliki energi yang disebut energi kinetik.
Energi kinetik merupakan bentuk energi mekanik yang berhubungan dengan gerak benda. Energi kinetik sangat mudah dibuktikan, jika kalian tahan benda yang sedang bergerak maka kalian dapat merasakan adanya gaya. Sebaliknya, jika benda yang sedang diam atau bergerak dengan kecepatan kecil maka kecepatannya makin besar jika diberi kerja.
Untuk mendapatkan bentuk persamaan energi kinetik dapat menggunakan gedaken experiment yaitu percobaan sederhana dalam pikiran.
a. Makin besar laju benda maka makin besar gaya yang diperlukan untuk menghentikan benda. Kita simpulkan bahwa energi kinetik berbanding lurus dengan laju pangkat bilangan positif atau πΈπ β π£πΌ
b. Makin besar massa benda (untuk laju yang sama) maka makin besar pula gaya yang diperlukan untuk menahan gerak benda. Kita simpulkan bahwa energi kinetik sebanding dengan massa benda pangkat bilangan positif atau πΈπ β ππ½
Kalau dua kesebandingan di atas digabung maka energi kinetik benda akan memenuhi persamaan berikut ini
πΈπ = πΎππ½π£πΌ (4.8)
dengan Ξ³ adalah konstanta lain lagi. Yang harus kita cari selanjutnya adalah konstanta Ξ±, Ξ², dan Ξ³.
Untuk menentukan tiga konstanta pada persamaan (4.8) kita kembali melihat persamaan (4.6). persamaan (4.6) dapat ditulis ulang sebagai
π12= 1
2ππ£2β1
2ππ£12 (4.9)
Karena energi secara langsung menghasilkan usaha (kerja) maka dimensi energi dan usaha (kerja) harus sama. Jadi, energi kinetik pun harus memiliki dimensi yang
sama dengan kerja. Dengan membandingkan persamaan (4.8) dan (4.9) maka dengan logis kita simpulkan
πΌ = 2, π½ = 1, πΎ =1 2
Akhirnya kita dapatkan ungkapan energi kinetik benda sebagai πΈπ =1
2ππ£2 (4.10) Keterangan:
Ek = energi kinetik m = massa
v = kecepatan
Jika ada sejumlah benda dengan berbagai massa dan bergerak dengan kecepatan berbeda-beda, maka masing-masing benda memiliki energi kinetik sesuai dengan persamaan (4.11). energi kinetik total adalah jumlah energi kinetik masing-masing benda tersebut, yaitu
πΈπ = 1
2π1π£12+1
2π2π£22+1
2π3π£32 (4.11)
Energi dalam gas adalah energi total yang dimiliki gas. Gas terdiri dari atom-atom atau molekul-molekul yang selalu bergerak. Energi dalam gas sama dengan jumlah energi kinetik semua molekul penyusun gas tersebut.
Gambar 4.3 Gas terdiri dari atom-atom atau molekul-molekul yang selalu bergerak.
Energi dalam gas adalah jumlah energi kinetik semua atom atau molekul penyusun gas tersebut.
Contoh soal 4.3
Sebuah mobil mainan dengan massa 2 kg melaju dengan kecepatan 6 m/s. Berapakah energi kinetik yang dimiliki mobil itu?
Penyelesaian
Diketahui: m = 2 kg v = 6 m/s ditanya: Ek = ? jawab: Ek = Β½ mv2
= Β½ . 2 kg . (6 m/s)2
= 36 kg m2/s2
= 36 J 2. Energi Potensial (Ep)
Energi potensial merupakan bentuk energi yang berhubungan dengan potensi atau kedudukan benda. Energi potensial erat sekali kaitannya dengan gaya gravitasi bumi. Gaya gravitasi bumi termasuk gaya konservatif. Energi potensial dirumuskan sebagai berikut:
πΈπ = π. π. β (4.12) Keterangan:
m = massa
g = gaya gravitasi
h = tinggi benda terhadap tanah Contoh soal 4.4
Sebuah benda yang memiliki massa 500 gram dijatuhkan dari ketinggian 2 m.
Tentukanlah besar energi potensial pada saat benda dijatuhkan.
Penyelesaian:
Diketahui: m = 500 gram = 0,5 kg h = 2 m
g = 10 m/s2 ditanya: Ep = ? jawab : Ep = mgh
= 0,5 kg x 10 m/s2 x 2 m
= 10 J
Pada saat benda dijatuhkan posisinya berada pada ketinggian maksimal, maka besar energi kinetik benda tersebut sama dengan nol.
πΈπ = πΈπ
Pada saat benda berada di tengah-tengah lintasan vertikal, maka besar energi potensial benda sama dengan besar energi kinetiknya
πΈπ = πΈπ
Pada saat benda tepat menyentuh permukaan tanah/sesaat sebelum dilempar, maka energi potensialnya sama dengan nol.
πΈπ = πΈπ
Energi potensial yang diungkapkan oleh persamaan (4.12) hanya benar jika lokasi benda ada di sekitar permukaan bumi. Pada lokasi ini percepatan gravitasi bumi dapat dianggap konstan. Namun, jika benda bergerak hingga pada jarak yang jauh dari bumi, maka persamaan (4.12) tidak berlaku karena percepatan gravitasi bumi tidak dapat lagi dipandang konstan. Oleh karena itu kita perlu menentukan ungkapan energi potensial yang lebih umum.
Gaya gravitasi bumi pada benda bermassa m dan pada posisi r dari pusat bumi memenuhi
πΉ = βπΊππ΅π
π3 π (4.13)
Usaha (kerja) yang dilakukan oleh gaya gravitasi untuk memindahkan benda dari posisi π1 ke posisi π2 adalah
Energi potensial gravitasi benda yang memiliki massa m dan berada pada posisi r (Gambar 4.4) adalah
πΈπ (π) = βπΊππ΅π
π (4.15)
Gambar 4.4 Energi potensial gravitasi bumi pada jarak yang sangat jauh dari bumi Selain energi potensial gravitasi, energi potensial lain yang dapat kita dapat jumpai adalah energi potensial pegas. Misalkan sebuah benda diikat di ujung sebuah pegas. Benda kemudian ditarik sehingga pegas bertambah panjang sebesar x dari posisi setimbang (posisi setimbang adalah posisi ketika pegas tidak terdorong atau tertarik). Berdasarkan hukum Hooke, gaya yang dilakukan pegas pada benda memenuhi persamaan
πΉ = βππ₯ (4.16)
Dimana k disebut konstanta pegas (N/m). Tanda negatif menunjukkan bahwa arah gaya selalu berlawanan dengan arah perubahan panjang pegas. Jika pegas ditarik ke kanan melampaui posisi setimbang maka gaya pegas berarah ke kiri. Sebaliknya jika pegas ditekan kiri melampaui posisi setimbang maka gaya pegas berarah ke kanan seperti (Gambar 4.4) di bawah ini.
Gambar 4.5 Ketika benda berada pada posisi setimbang (pegas tidak regang atau tertekan) pegas tidak melakukan gaya pada benda. Jika benda ditekan ke kiri dari posisi
setimbang maka pegas mendorong benda ke arah kanan, dan sebaliknya.
Kita juga bisa menghitung usaha (kerja) yang dilakukan oleh gaya pegas. Ketika pegas bertambah panjang dx maka usaha (kerja) yang dilak ukan pegas adalah
ππ β πΉππ₯ (4.17)
Usaha (kerja) yang dilakukan pegas untuk menambah panjang dari x1ke x2adalah π1 = β« πΉππ₯
Sebuah neraca menggunakan pegas sebagai menimbang massa. Ketika digunakan untuk menimbang sayuran yang bermassa 4,5 kg, pegas neraca memendek sejauh 0,25 cm. Tentukan usaha (kerja) yang dilakukan untuk menekan pegas neraca ketika
= 1
2π₯18.000π₯(0,0025)2
= 0,056 π½ 3. Energi Mekanik (EM)
Energi mekanik merupakan jumlah energi kinetik dan energi potensial dalam suatu benda yang digunakan untuk melakukan usaha. Dengan kata lain, energi dalam suatu benda karena gerakan, atau posisi, atau keduanya.
πΈπ = πΈπ + πΈπ (4.19)
Gaya yang bekerja pada benda yang mengubah energi kinetik adalah semua jenis gaya, baik yang konservatif1 maupun non konservatif2. Kita dapat menuliskan usaha (kerja) yang dilakukan oleh gaya konservatif dan non konservatif sebagai berikut
π = πππππ + ππππ ππππ (4.20) dengan
πππππ = πΈπ1 β πΈπ2 sehingga kita bisa menuliskan persamaan (4.19) dengan
π = (πΈπ1β πΈπ2) + ππππ ππππ
Dengan menggunakan prinsip usaha (kerja) yang dilakukan sama dengan perubahan energi kinetik maka dapat kita tulis
(πΈπ2β πΈπ1) = (πΈπ1β πΈπ2) + ππππ ππππ atau
ππππ ππππ = β(πΈπ1β πΈπ2) + (πΈπ2β πΈπ1)
= (πΈπ2+ πΈπ2) β (πΈπ1+ πΈπ1) (4.21)
Berdasarkan persamaan (4.19) maka persamaan (4.21) dapat ditulis dengan ππππ ππππ = πΈπ2β πΈπ1 (4.22)
Persamaan (4.22) menyatakan bahwa usaha (kerja) yang dilakukan oleh gaya non konservatif sama dengan perubahan energi mekanika benda.
Contoh soal 4.6
Suatu bola dengan massa 0,3 kg didorong dari permukaan meja yang tingginya 0,5 meter dari lantai. Jika kecepatan bola pada saat lepas dari bibir meja 10 m/s, berapakah energi mekanik bola pada saat ketinggian 0,2 meter dari lantai?
Penyelesaian
1 Usaha (kerja) yang dilakukan gaya semata-mata bergantung pada posisi awal dan posisi akhir benda
2 Usaha (kerja) yang dilakukan gaya yang tidak bergantung pada posisi awal dan posisi akhir benda
Diketahui: m = 0,3 kg
Pada umumnya, pemecahan soal fisika khususnya dalam mekanika didasarkan pada HUKUM KEKEKALAN ENERGI. Menurut James Prescott Joule, bunyi hukum kekekalan energi yaitu energi tidak dapat diciptakan dan dimusnahkan, tetapi hanya dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk energi lain.
4.2.4 Daya
Jika kita ingin membedakan gaya dengan kemampuan melakukan usaha (kerja) secara cepat atau lambat maka kita harus mempelajari tentang daya. Daya adalah usaha (kerja) yang dilakukan per satuan waktu.
π =π
π‘ (4.23) Contoh soal 4.7
Sebuah mesin menghasilkan daya 2.500 watt, berapakah usaha (kerja) yang dihasilkan oleh mesin itu selama 2 jam?
Penyelesaian
π = 18.000.000 π½ 4.2.5 Perubahan Energi dan Sumber Energi
Pada dasarnya energi tidak pernah hilang, tetapi diubah ke dalam bentuk energi lain. Dengan konsep tersebut energi dapat dimanfaatkan dalam kehidupan sehari-hari.
Energi tidak dapat diciptakan dan energi tidak dapat dimusnahkan, energi hanya bisa berubah dari bentuk yang satu ke bentuk yang lainnya. Inilah yang dinamakan Hukum Kekekalan Energi.
Tidak semua energi dapat langsung dimanfaatkan tetapi perlu diubah ke bentuk lain. Satuan energi dalam Sistem Internasional (SI) adalah joule (J). satuan energi dalam sistem yang lain adalah kalori, erg, dan kwh (kilo watt hours). Energi dapat berubah bentuk. Energi bisa berubah dari air menjadi uap, kayu berubah menjadi bara api, uranium berubah menjadi bom, listrik menjadi tenaga gerak, dan masih banyak lagi perubahan bentuk energi lainnya yang dapat kita temui dalam kehidupan sehari-hari. Satu hal yang penting, energi tidak pernah berkurang jumlahnya. Artinya apabila satu energi dikeluarkan, maka energi yang lain akan segera menggantikannya.
ο· Bentuk-Bentuk Energi
Energi terdapat dalam berbagai bentuk. Kerja kehidupan bergantung pada kemampuan organism mengubah energi dari suatu bentuk ke bentuk lainnya. Energi yang paling besar adalah energi matahari. Energi panas dari sinar matahari sangat bermanfaat bagi bumi dan dapat menghasilkan energi-energi yang lain di muka bumi.
Caranya adalah dengan mengubah energi matahari menjadi energi yang lain.
Setiap hari kita selalu menggunakan energi dan menemukan bermacam-macam bentuk energi dalam kehidupan sehari-hari, seperti energi mekanik, energi listrik, energi panas, dan energi kimia. Benetuk-bentuk energi tersebut sangat bermanfaat untuk manusia.
1. Energi Mekanik
Energi mekanik merupakan penjumlahan dari energi potensial dengan energi kinetic sebagai mana yang telah disampaikan di atas.
2. Energi Listrik
Energi listrik merupakan energi yang dimiliki muatan listrik dan arus listrik. Energi listrik dapat diubah menjadi bentuk energi lainnya. Energi listrik juga mudah digunakan dalam kehidupan sehari-hari. Energi listrik sering digunakan untuk
menyalakan lampu dan barang elektronik, seperti televise, radio, mesin cuci, kipas angin, dan sebagainya.
3. Energi Panas
Energi panas atau energi kalor dapat dihasilkan dari matahari atau api. Energi panas matahari dimanfaatkan tumbuhan untuk proses fotosintesis. Selain itu, energi panas dari matahari juga dapat dimanfaatkan manusia untuk menjemur pakaian, mengeringkan ikan, dan sebagainya. Energi panas yang berasal dari api kompor dapat digunakan untuk measak.
4. Energi Kimia
Energi kimia merupakan energi yang terkandung dalam suatu zat. Contoh energi kimia adalah energi yang terkandung dalam makanan. Energi yang terkandung dalam makanan digunakan oleh manusia untuk melakukan berbagai aktivitas.
Contoh lain energi kimia adalah energi yang terkandung dalam bahan bakar, seperti bensin dan solar. Energi kimia dalam bensin dan solar digunakan sebagai bahan bakar untuk menggerakkan mesin.
Beberapa contoh perubahan energi yang sering kita temui dalam kehidupan sehari-hari yaitu sebagai berikut:
a) Energi cahaya menjadi energi kimia, misalnya proses fotosintesi.
b) Energi cahaya menjadi energi listrik, misalnya panel surya
c) Energi listrik menjadi energi panas, misalnya setrika, kompor listrik, solder, oven, dan magicom.
d) Energi listrik menjadi energi kimia, misalnya penyetruman aki.
e) Energi listrik menjadi energi gerak, misalnya mesin cuci dan kipas angin.
f) Energi listrik menjadi energi bunyi, misalnya televise dan radio.
g) Energi listrik menjadi energi cahaya, misalnya lampu. Dan lain sebagainya.
ο· Sumber Energi
Energi dapat diperoleh atau dihasilkan dari sumber energi. Sumber energi merupakan segala sesuatu yang dapat menghasilkan energi. Banyak sekali sumber energi di bumi ini. Pada dasarnya, sumber energi tersebut dibedakan menjadi dua, yaitu sumber energi terbarukan dan usmber energi tak terbarukan.
1. Sumber Energi Terbarukan
Sumber energi terbarukan merupakan sumber energi yang dapat diperbarui dan tidak dapat jika digunakan secara terus-menerus dalam waktu yang lama. Berikut macam-macam sumber energi yang terbarukan.
a. Matahari
Matahari merpakan sumber energi terbesar di bumi yang menghasilkan energi panas dan energi cahaya. Energi matahari dapat digunakan secara langsung atau diubah menjadi bentuk energi lain melalui peralatan tertentu. Misalnya melalui panel surya dapat mengubah energi matahari menjadi energi listrik.
b. Angin
Angin merpakan udara yang bergerak. Angin menghasilkan energi gerak. Pada umumnya, angin dimanfaatkan untuk menggerakkan kincir angin yang dihubungkan dengan generator. Generator pada kincir angin inilah yang nantinya akan menghasilkan energi listrik.
c. Air
Air merpakan sumber energi yang banyak digunakan dalam kehidupan sehari-hari. Salah satu manfaat air adalah sebagai Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA). Air menghasilkan energi potensial dan energi kinetic. Energi potensial dan energi kinetic dari air dapat diubah menjadi energi listrik melalui Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA) yang dihubungkan dengan generator.
Energi listrik yang dibangkitkan oleh air disebut dengan hidroelektrik.
d. Energi Tidal
Energi tidal disebut juga dengan energi pasang surut karena memanfaatkan pasang surut air untuk menghasilkan energi listrik. Pembangkit listrik energi tidal membutuhkan peralatan yang mampu bertahan dalam kondisi lingkuang laut yang keras.
e. Makanan
Makanan mengandung energi kimia yang digunakan sebagai sumber energi bagi makhluk hidup. Energi yang terkandung pada makanan akan diproses dalam tubuh makhluk hidup hingga energi tersebut dapat digunakan untuk melakukan berbagai aktivitas.
2. Sumber Energi Tak Terbarukan
Sumber enrgi tak terbarukan merupakan sumber enrgi yang tidak dapat diperbarui dan dapat habis jika digunakan secara terus-menerus. Macam-macam sumber energi yang tidak terbarukan.
a. Energi Hasil Tambang Bumi
Energi hasil tambang bumi, misalnya minyak bumi, gas alam, dan batu bara.
Energi hasil tambang bumi berasal dari fosil-fosil hewan atau tumbuhan yang telah tertimbun di dalam bumi selama jutaan tahun. Energi hasil tambang bumi banyak digunakan sebagai bahan bakar.
b. Energi Nuklir
Energi nuklir merpakan energi potensial yang terdapat pada partikel di dalam nukleus atom. Di dalam inti atom terdapat partikel nuklir, yaitu proton dan neutron. Kumpulan proton dan neutron tersebut memiliki massa yang lebih ketika berada dalam posisi terpisah melalui reaksi fisi dan fusi. Perbedaan massa inilah yang menyebabkan terjainya pembebasan energi panas melalui radiasi nuklir.
4.3. RANGKUMAN
1. Jika sebuah benda menempuh jarak sejauh x akibat gaya F yang bekerja pada benda tersebut maka dikatakan gaya itu melakukan usaha (kerja), dimana arah gaya F harus sejajar dengan arah jarak tempuh x. Usaha adalah hasil kali (dot product) antara gaya dengan jarak yang ditempuh. Dirumuskan sebagai berikut:
ππ = πΉ. ππ₯(4.1) π = πΉ. π₯ = |πΉ||π₯|πππ π
2. Usaha (kerja) bernilai positif bermakna bahwa usaha (kerja) tersebut menambah energi benda, hal ini terjadi apabila gaya dan perpindahan memiliki arah yang sama, ΞΈ Λ 90o. usaha (kerja) yang bernilai negatif bermakna bahwa usaha (kerja) tersebut mengurangi energi benda. Hal ini terjadi jika gaya dan perindahan memiliki arah yang berlawanan, ΞΈ Λ 90o.
3. Jika usaha (kerja) dilakukan pada sebuha benda maka benda tersebut mendapat gaya.
Berdasarkan hukum II Newton maka benda memiliki percepatan yang berakibat pada perubahan kecepatan (percepatan).
4. Kemampuan untuk melakukan usaha menimbulkan suatu ENERGI (TENAGA). Energi dan usaha merupakan besaran skalar dan hanya menyatakan jumlah (kuantitas).
Beberapa jenis energi di antaranya adalah:
ο Energi Kinetik (Ek). Benda yang sedang bergerak memiliki energi yang disebut energi kinetik. Secara matematis energi kinetik benda dituliskan sebagai
ο Energi Potensial (Ep). Energi potensial merupakan bentuk energi yang berhubungan dengan potensi atau kedudukan benda. Energi potensial dirumuskan sebagai berikut:
πΈπ = π. π. β
5. Pada saat benda dijatuhkan posisinya berada pada ketinggian maksimal, maka besar energi kinetik benda tersebut sama dengan nol. Pada saat benda berada di tengah-tengah lintasan vertikal, maka besar energi potensial benda sama dengan besar energi kinetiknya. Pada saat benda tepat menyentuh permukaan tanah/sesaat sebelum dilempar, maka energi potensialnya sama dengan nol.
6. Energi mekanik merupakan jumlah energi kinetik dan energi potensial dalam suatu benda yang digunakan untuk melakukan usaha. Dengan kata lain, energi dalam suatu benda karena gerakan, atau posisi, atau keduanya.
πΈπ = πΈπ + πΈπ
7. Daya adalah usaha (kerja) yang dilakukan per satuan waktu.
π =π π‘
8. Macam-macam bentuk energi dalam kehidupan sehari-hari, seperti energi mekanik, energi listrik, energi panas, dan energi kimia. Banyak sekali sumber energi di bumi ini.
Pada dasarnya, sumber energi tersebut dibedakan menjadi dua, yaitu sumber energi terbarukan dan usmber energi tak terbarukan.
ο Sumber energi terbarukan: Matahari, Angin, Air, Energi Tidal, Makanan
ο Sumber energi tak terbarukan: Energi hasil tambang bumi dan Energi nuklir 4.4. LATIHAN/TUGAS
Jawablah pertanyaan di bawah ini dengan baik dan benar!
1. Tuliskan ayat Al-Qurβan yang berkaitan dengan materi usaha dan energy selain ayat yang sudah disebutkan dalam buku ajar ini!
2. Berapakah usaha yang dilakukan oleh seorang anak yang menarik kotak kayu kosong yang bermassa 5 kilogram berpindah sejauh 0.1 meter dengan perpindahan sebesar 0.2 m/s2?
3. Tentukanlah usaha yang dialami oleh sbeuah kotak yang meluncurs ke puncak sebuah bidang miring, jika diketahui bahwa kotak bermassa m, sudut kemiringan dari permukaan tanah adalah ΞΈ, percepatan adalah a, dan koefisien gesek kinetic adalah ΞΌ, dan perpindahan yang dialami oleh kotak dari dasar sampai ke puncak adalah s !
4. Sebuah kotak bermassa 500 gram meluncur dari puncak bidang miring dengan kecepatan awal 20 cm/s, kemudian terhenti pada jarak 70 cm dari titik awal.
Tentukanlah gaya gesek dari balok tersebut dengan lantai!
5. Buktikan secara matematik bahwa usaha total W adalah sebanding dengan perubahan energy kinetic Ek !
6. Tentukanlah gaya maksimum yang dibutuhkan oleh sebuah mobil yang bermassa 1200 kg yang meluncur di atas sebuah bukit dengan kemiringan 30o dengan laju 12 m/s agar mobil tersebut berhenti tepat 100 meter dari puncak bukit!
7. Hitunglah daya rata-rata yang dibutuhkan untuk mengangkat 150 kg drum ke puncak dengan tinggi 20 m selama 1 menit!
8. Sebuah mesin dengan kapasitas daya kuda 40 hp mendorong sebuah massa m dengan laju 15 m/s dan menyebabkan balok kayu tersebut berpindah dari posisinya.
Jika koefisien gesek kinetic antara balok dan lantai adalah 0.15. tentukanlah massa balok tersebut!
9. Tentukan berapa daya kuda (hp) yang dikerjakan oleh sebuah truk bermassa 1300 kg yang melaju dengan kecepatan 30 m/s untuk memiliki sebuah bukit dengan kemiringan 20o dalam waktu 9 detik!.
10. Buatlah 5 contoh perubahan bentuk energi yang ada disekitarmu!
4.5. RUJUKAN
David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker. (2010). FISIKA DASAR Edisi 7 Jilid 1, ed. by Wibi Hardani, Ade M. Drajat, Lemeda Sinarmata, 7th edn. Jakarta:
PT. Gelora Aksara Pratama
Kamajaya & Ahmad, S. (2007). Fisika untuk Kelas XI Semester 1 Sekolah Menengah Atas atau Madrasah Aliyah. Bandung: Grafindo Media Pratama
Lambaga, I. A. (2019). Tinjauan Umum Konsep FISIKA DASAR. Deepublish.
M.Pd.I. Romlah Dra. (1981). Ayat-ayat Al-Qurβan Dan Fisika, Journal of Chemical Information and Modeling, LIII.
4.6. BACAAN YANG DIANJURKAN
Paul A. Tipler. (1998). FISIKA Untuk Sains Dan Teknik, ed. By Joko Sutrisno, 3rd edn (Jakarta: PT. Gelora Aksara Pratama).