BAB 4 USAHA DAN ENERGI
B. Energi
Kata energi berasal dari bahasa Yunani, yaitu ergon yang berarti “kerja”. Jadi, energi didefinisikan sebagai kemampuan untuk melakukan kerja atau usaha. Energi merupakan sesuatu yang sangat penting dalam kehidupan
di alam ini, terutama bagi kehidupan manusia, karena segala sesuatu yang kita lakukan memerlukan energi.
Energi di alam ini tersedia dalam berbagai bentuk, misalnya energi kimia, energi listrik, energi kalor, dan energi cahaya. Energi akan bermanfaat jika terjadi perubahan bentuk dari suatu bentuk energi ke bentuk lain. Sebagai contoh setrika listrik akan bermanfaat jika terjadi perubahan energi listrik menjadi energi kalor.
1. Energi Potensial Gravitasi
Energi potensial gravitasi adalah energi yang dimiliki oleh benda karena kedudukan atau ketinggiannya. Energi potensial merupakan energi yang masih tersimpan atau tersembunyi pada benda, sehingga mempunyai potensi untuk melakukan usaha. Misalnya, sebuah benda dengan massa mdiangkat dari permukaan tanah sampai ketinggian h dari tanah (Gambar 4.6).
Apabila percepatan gravitasi bumi g, maka gaya yang
diperlukan untuk mengangkat benda adalah F = W = mg. Jadi, usaha yang diperlukan untuk mengangkat benda setinggi h adalah:
W= F.h W= m.g.h
Dengan demikian, benda yang berada pada ketinggian h mempunyai potensi untuk melakukan usaha sebesar W = m.g.h. Dikatakan benda tersebut mempunyai energi potensial gravitasi, yang besarnya:
Ep = m.g.h... (4.3) dengan:
Ep= energi potensial gravitasi ( J) m = massa benda (kg)
g = percepatan gravitasi (m/s2) h = ketinggian benda (m)
Apabila benda mula-mula berada pada ketinggian h1, karena gaya beratnya benda bergerak vertikal ke bawah hingga ketinggian h2 dari bidang acuan (Gambar 4.7).
Gambar 4.6 Energi potensial gravitasi benda pada ketingggian h. h m mg h1 h2 Gambar 4.7 Energi potensial benda yang mula-mula berada pada ketinggian h1.
Bab 4 Usaha dan Energi
%#
Besarnya usaha yang dilakukan oleh gaya berat adalah: W = m.g.h1 – m.g.h2
W = m.g.(h1 – h2) = -m.g(h2 – h1)
W = -'Ep... (4.4) Sehingga usaha yang dilakukan oleh gaya berat merupakan selisih perubahan energi potensial benda tersebut.
Energi kinetik paling besar terjadi jika energi
potensialnya paling kecil, dan sebaliknya, karena jumlah energi kinetik dan energi potensial (disebut energi mekanik) harus tetap.
2. Energi Kinetik
Setiap benda yang sedang bergerak memiliki kemampuan untuk melakukan usaha. Dengan demikian benda dikatakan mempunyai energi, yaitu energi gerak atau energi kinetik. Energi kinetik adalah energi yang dimiliki oleh benda karena geraknya. Semakin cepat benda bergerak, maka semakin besar energi kinetik yang dimilikinya. Sebagai contoh, sebuah bus yang bermassa m mula-mula dalam keadaan diam, karena dipengaruhi gaya konstan F, bus bergerak dipercepat beraturan dengan kecepatan v hingga berpindah sejauh s. Hal ini menunjukkan bahwa mesin bus telah menyebabkan perubahan energi kinetik pada bus tersebut.
Benda bermassa m bergerak dengan kecepatan v yang
dikenai gaya F menyebabkan benda berpindah sejauh s. Usaha yang dilakukan oleh gaya konstan adalah: W =F. s
Berdasarkan Hukum II Newton, F = m.a dan pada gerak lurus berubah beraturan untuk kecepatan awal sama
dengan nol (v0 = 0),maka v 2 = 2a.s, sehingga besarnya usaha:
Gambar 4.8 Benda bermassa m bergerak dengan kecepatan v yang dikenai gaya F menyebabkan benda berpindah sejauh s. v0 = 0 F m m F v s Bukit potensial
Energi dibutuhkan untuk menggerakkan benda apa pun melawan gaya tarik bumi (gravitasi), yang berusaha menarik benda ke bawah. Untuk membawa sebuah tong ke puncak bukit, diperlukan energi otot untuk mengangkatnya. Di bukit seperti inilah, tong menyimpan energi potensial karena ketinggiannya. Dan sewaktu-waktu tong siap melepaskan energi potensialnya. Ketika tong menggelinding menuruni bukit, ia berangsur-angsur kehilangan energi potensialnya, sehingga pada saat mencapai kaki bukit habislah energi potensial yang tersimpan.
%$
Fisika XI untuk SMA/MA W = (m.a) ¨¨©§ a¸¸¹· v 2 2 W = 2 1 m.v 2W adalah usaha yang diperlukan oleh gaya F untuk mengubah kecepatan benda. Besarnya usaha ini sama
dengan energi kinetik yang dimiliki benda pada saat kecepatannya v. Dengan demikian, energi kinetik dapat
dinyatakan: Ek = 2 1 mv 2... (4.5) dengan: Ek= energi kinetik ( J) m = massa benda (kg) v = kecepatan benda (m/s)
Usaha yang dilakukan untuk mengubah kecepatan benda dari v1 menjadi v2 sama dengan perubahan energi kinetik yang dialami benda tersebut.
W = Ek2 – Ek1 = 2 1 m.v22 – 2 1 m.v12 = 2 1m(v22 – v12) ... (4.6) Memalu Paku
Energi kinetik dimiliki oleh benda yang bergerak. Kepala palu memiliki energi kinetik yang besar ketika dipukulkan ke paku. Begitu mengenai sasaran, palu kehilangan seluruh energi geraknya, tetapi energi ini tidaklah hilang, melainkan berpindah ke atom dan molekul paku, kayu, udara, dan bahkan ke palu sendiri. Energi kinetik/energi gerak kini berubah menjadi energi panas. Jadi, disini berlaku hukum kekekalan energi.
Percikan Fisika
1. Sebuah bola dengan massa 0,5 kg dilemparkan vertikal ke atas dengan kecepatan 20 m/s. Jika percepatan gravitasi 10 m/s2, tentukan:
a. energi potensial saat mencapai titik tertinggi, dan
b. perubahan energi potensial saat bola berada pada ketinggian 5 m!
Bab 4 Usaha dan Energi
%%
Penyelesaian: Diketahui: m= 0,5 kg v0= 20 m/s g = 10 m/s2 Ditanya: a. Ep = ... ? b. 'Ep= ... ? Jawab: a. hmaks = g v 2 2 0 = 10 2 202 u = 20 m sehingga, Ep= m.g.h = 0,5 kg u 10 m/s2 u 20 m = 100 Jb. Energi potensial pada ketinggian h2 = 5 m Ep2 = m.g.h2 = 0,5 kg u 10 m/s2 u 5 m = 25 J sehingga, 'Ep= Ep2 – Ep1
= (25 – 100) J = -75 J
2. Sebuah benda bermassa 4 kg mula-mula diam, kemudian bergerak lurus
dengan percepatan 3 m/s2. Berapakah usaha yang diubah menjadi energi kinetik setelah 2 sekon?
Penyelesaian: Diketahui: m = 4 kg a = 3 m/s2 v0= 0 t = 2 s Ditanya: W= ... ? Jawab: v = v0 + a.t = 0 + (3)(2) = 6 m/s W = 'Ek = Ek – Ek0 = 2 1 m.v 2 – 2 1m.v02 = 2 1 u (4 kg) u (6 m/s)2 – 0 = 72 J
1. Buah dengan massa 300 gram jatuh dari pohonnya dengan ketinggian 6 m. Jika g = 10 m/s2, berapakah perubahan energi potensial buah tersebut pada ketinggian 2 m?
2. Sebuah anak panah ditembakkan miring ke atas dengan sudut 60o dan energi kinetik 300 J. Jika g = 10 m/s2, berapakah besarnya energi kinetik saat mencapai titik tertinggi?
Uji Kemampuan 4.2
%&
Fisika XI untuk SMA/MAContoh Soal
Seseorang yang massanya 60 kg berlari menaiki tangga yang tingginya 4 m dalam
waktu 4 sekon. Berapakah daya yang dihasilkan orang tersebut? ( g = 10 m/s2). Penyelesaian: Diketahui: m= 60 kg; h = 4 m; t = 4 s; g = 10 m/s2 Ditanya: P = ... ? Jawab: P = t s F. = t h g m. . = 4 4 10 60u u = 600 watt
Daya didefinisikan sebagai kecepatan melakukan usaha atau kemampuan untuk melakukan usaha tiap satuan
waktu. Usaha belum dapat memberikan penjelasan lengkap tentang perpindahan benda akibat pengaruh gaya. Untuk membedakan waktu yang diperlukan benda dalam melakukan usaha digunakan rumus daya. Secara matematis
dituliskan: P = t W ... (4.7) dengan: P =daya ( J/s) W = usaha ( J) t =waktu (s)
Berdasarkan persamaan (4.1), W = F.s, sehingga persamaan (4.7) menjadi: P = t s F . = ¨©§t¸¹· s F karena t s = v, maka: P =F.v ... (4.8) dengan: P =daya ( J/s) F = gaya (N) v = kecepatan (m/s)
Dalam SI, satuan daya adalah joule/sekon atau watt
dimana 1 watt = 1 J/s.
Untuk keperluan praktis, terutama dalam bidang teknik, satuan daya yang digunakan adalah daya kuda atau horse power (hp) atau paarde kracht (pk) dimana: 1 hp = 746 watt.