BAB 5
USAHA DAN ENERGI
Perhatikan Gambar 5.1! Raut muka yang berkerut menunjukkan betapa berat beban yang ditopang atlet. Meskipun atlet mengeluarkan energi besar untuk menahan barbel di atas kepalanya, menurut fisika atlet tersebut tidak melakukan usaha. Mengapa bisa begitu? Coba Anda diskusikan jawabannya dengan teman-teman Anda.
Konsep usaha dan konsep energi merupakan konsep menarik dalam fisika. Banyak soal fisika dapat diselesaikan lebih mudah dengan konsep ini dibandingkan dengan menggunakan hukum Newton. Pada
bab ini Anda akan mempelajari konsep usaha dan energi serta aplikasinya dalam berbagai soal fisika. Selain itu, Anda juga akan mempelajari hubungan konsep energi-energi dengan hukum kekekalan energi mekanik. Pada pembahasan energi Anda akan mempelajari berbagai jenis energi seperti energi kinetik dan energi potensial.
Gambar 5.1 Menurut fisika, mengeluarkan energi besar tidak berarti telah melakukan usaha. Tahukah Anda maksudnya?
Sumber
: Jendela Iptek, Gaya dan Gerak.
Setelah mempelajari materi pada bab ini, diharapkan Anda mampu menganalisis, menginterpretasikan dan menyelesaikan permasalahan yang terkait dengan konsep usaha, energi dan hukum kekekalan energi mekanik; serta dapat menggunakan dalam kehidupan sehari-hari.
Tujuan Pembelajaran
Kata Kunci
• Usaha • Energi • Gerak
Hukum kekekalan Energi Mekanik
Usaha = Besar perubahan energi potensial Usaha = Besar perubahan energi kinetik
hubungan usaha dan energi
Usaha dan Energi
Usaha Energi
Energi Kinetik Energi
Potensial Usaha = Gaya x Perpindahan
Untuk mempermudah mempelajari materi pada bab ini, coba Anda perhatikan peta konsep berikut!
79
Usaha dan Energi
A. Usaha
Doronglah tembok ruangan kelas dengan kedua tangan Anda! Meskipun Anda bermandi peluh, Anda tidak akan dapat menggeser tembok. Sekarang, doronglah meja belajar Anda. Meja akan tergeser meski energi yang Anda gunakan lebih kecil daripada saat mendorong tembok. Menurut fisika, pada kegiatan pertama Anda dikatakan tidak melakukan usaha. Sedangkan pada kegiatan dua Anda telah melakukan usaha. Apakah usaha itu?
Usaha dalam fisika didefinisikan sebagai perkalian antara besarnya gaya yang menyebabkan benda berpindah dengan besarnya perpindahan benda yang searah dengan arah gaya tersebut. Secara matematis dapat ditulis sebagai berikut.
W = F · s Keterangan:
W : usaha (J)
F : gaya yang beraksi pada benda (N) s : jarak pergeseran (m)
Perhatikan Gambar 5.3! Sebuah gaya F bekerja pada balok dengan membentuk sudut θ terhadap lantai sehingga balok berpindah sejauh s. Karena balok mengalami perpindahan, maka terjadi usaha. Berdasarkan definisi usaha di atas, besarnya usaha yang terjadi dapat dinyatakan sebagai berikut.
W = F · s cos θ
Gambar 5.2 Jika tembok tidak bergeser, orang yang mendorong tembok dikatakan tidak melakukan usaha. Sumber : Encarta Premium, 2006. θ F F cos θ θ F F cos θ s
Gambar 5.3 Usaha gaya F yang membentuk sudut dan menyebabkan perpindahan sejauh s.
CONTOH SOAL
1. Gaya sebesar 25 N membentuk sudut 60° pada bidang horizontal bekerja terhadap benda sehingga benda berpindah sejauh 10 m. Hitunglah usaha yang dilakukan gaya tersebut!
Diketahui : F = 25 N θ = 60° s = 10 m Ditanyakan : W = ...? Jawab : W = F cos θ· s = 25 · cos 60° · 10 = 25 · 1 2· 10 = 125 J
Jadi, besarnya usaha yang dilakukan adalah 125 J.
2. Sebuah balok dengan massa 50 kg di atas lantai diangkat sampai ketinggian 8 m. Jika g = 10 m/s2, maka tentukan besarnya usaha yang dilakukan pada balok tersebut!
Diketahui : m = 50 kg g = 10 m/s2
s = 8 m Ditanyakan : W = ...?
Jawab :
karena diangkat ke atas, maka F = w = m · g W = F · s
= m · g · s = 50 · 10· 8 = 4.000 J
Jadi, besarnya usaha yang dilakukan adalah 4.000 J.
Beberapa gaya dapat dikenakan pada satu benda sekaligus. Bagaimanakah cara menentukan usaha yang dilakukan oleh berbagai gaya? Untuk dapat menentukan usahanya, Anda harus mengetahui besar gaya dan arahnya. Usaha total yang dilakukan oleh beberapa gaya yang bekerja serentak dapat dihitung sebagai hasil kali resultan komponen gaya yang segaris dengan perpindahan dan besarnya perpindahan.
81
Usaha dan Energi
UJI PEMAHAMAN
TUGAS
Bagilah kelas Anda menjadi beberapa kelompok. Tiap kelompok dapat terdiri atas 5 sampai 8 anak. Selesaikanlah permasalahan di bawah ini bersama kelompokAnda!
1. Carilah persamaan matematis yang dapat digunakan untuk mencari besarnya usaha pada benda yang dikenai beberapa gaya sekaligus!
2. Sebuah benda yang ditarik dengan gaya F terletak pada bidang miring dengan sudut kemiringan θ, seperti terlihat pada gambar di samping!
a. Bila berat benda tersebut w dan gaya geseknya μk, maka uraikanlah gaya yang bekerja pada benda tersebut!
b. Bila balok tersebut dapat berpindah sejauh s, tentukanlah usaha yang dilakukan gaya tersebut!
Jika sudah selesai, maka mintalah kepada guru Anda untuk menunjuk salah satu kelompok agar mempresentasikan hasil kelompoknya di depan kelas. Diskusikan bersama dan tanyakan pada guru Anda jawaban yang benar!
Kerjakan soal-soal di bawah ini di dalam buku tugas Anda!
1. Untuk mendorong mobil yang mogok sampai sejauh 7,25 m diperlukan gaya 20.000 N. Berapa energi yang telah digunakan saat mendorong?
2. Tali yang panjangnya 5 m digunakan untuk menarik benda yang terletak di lantai datar. Jika tali condong α, sehingga sin α = 0,6 dengan gaya 140 N dan benda bergeser sejauh arah mendatar tali, berapa energi yang diperlukan?
3. Suatu papan miring panjangnya 7,5 m, dengan selisih bagian ujung bawah dan atas adalah 6 m. Jika pada pertengahan bidang terdapat benda yang massanya 12 kg dan bidang licin, berapa energi yang diperlukan benda untuk sampai ke titik bawah papan?
θ
F
TUGAS
B. Energi
Di SMP, Anda telah mempelajari bahwa energi merupakan kemampuan untuk melakukan usaha. Anda tentu tahu tentang hukum kekekalan energi. Hukum kekekalan energi menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan dan dimusnahkan melainkan hanya dapat diubah bentuknya.
Perubahan energi terjadi ketika usaha sedang dilakukan. Misalnya, ketika Anda melakukan usaha dengan mendorong meja hingga meja tersebut bergeser. Pada saat proses usaha sedang berlangsung, sebagian energi kimia yang tersimpan dalam tubuh Anda diubah menjadi energi mekanik. Di sini Anda berfungsi sebagai pengubah energi (konverter energi). Di sini kita akan mempelajari dua jenis energi, yaitu energi kinetik dan energi potensial.