Materi Usaha, Energi dan Daya

Materi Usaha, Energi dan Daya A. USAHA

Kata usaha dalam kehidupan sehari-hari adalah berbagai aktivitas yang dilakukan oleh manusia. Sedangkan dalam fisika usaha (W) selalu dikaitkan dengan gaya (F) yang diberikan pada benda sehingga menyebabkan perpindahan (s) benda. Sebagai contoh Ketika seseorang mendorong sebuah balok, sehingga balok tersebut akan berpindah tempat. Terdapat ada dua syarat terjadinya suatu usaha, yaitu:

1. adanya gaya yang bekerja pada suatu benda

2. adanya perpindahan yang dialami oleh benda tersebut.

Dengan demikian usaha didefinisikan sebagai sejumlah gaya yang bekerja pada suatu benda sehingga menyebabkan benda berpindah sepanjang garis lurus dan searah dengan arah gaya.

Jika suatu gaya (F) menyebabkan perpinidahan sejauh s, maka gaya F akan melakukan usaha sebesar W. sehingga rumus usaha yaitu :

W = F . s

Kemudian jika gaya F yang bekerja pada suatu benda yang membentuk sebuah sudut tertentu sejajar dengan perpindahan s, maka

W = F cos



^s Keterangan :

W = Usaha (joule)

F = Gaya (N)

s = Perpindahan (m)



= Sudut antara gaya dan perpindahan (derajat) Contoh Soal:

1. Berapakah usaha yang dilakukan oleh seseorang yang mencoba menarik sebuah balok dengan gaya sebesar 50 N sehingga balok tersebut berpindah sejauh 8 meter?

2. Seseorang menarik sebuah vacuum cleaner dengan gaya 50 N dan gaya tersebut membentuk sudut 30° dengan arah perpindahannya. Perpindahan yang dialami oleh vacuum cleaner itu adalah 8 meter. Berapakah besar usaha yang dilakukan oleh orang itu? (abaikan kehadiran gaya gesekan!)

B. ENERGI

Secara umum energi dapat dikatakan sebagai kemampuan untuk melakukan usaha. Tanpa energi kita tidak dapat melakukan kerja. Sebagai contoh, jika kita mendorong sepeda motor yang mogok, usaha alias kerja yang kita lakukan menggerakan sepeda motor

tersebut. Pada saat yang sama, energi kimia dalam tubuh kita menjadi berkurang, karena sebagian energi kimia dalam tubuh berubah

menjadi energi kinetik sepeda motor. Usaha dilakukan ketika energi dipindahkan dari satu benda ke benda lain. Contoh tersebut dapat menjelaskan salah satu konsep penting dalam sains, yakni kekekalan energi merupakan Jumlah total energi pada sistem dan lingkungan bersifat kekal alias tetap. Energi tidak pernah hilang, tetapi hanya dapat berubah bentuk dari satu bentuk energi menjadi bentuk energi lain.

Energi dapat berada dalam berbagai bentuk, seperti energi panas, energi cahaya, energi listrik, energi kinetik, energi kimia, energi

potensial, energi nuklir, dan lain sebagainya. Ada dua bentuk energi yang ada kaitannya dengan mekanika, yaitu energi kinetik dan energi

potensial.

a. Energi potensial

Suatu benda dapat menyimpan energi karena kedudukan atau posisi benda tersebut. Contohnya, suatu beban yang diangkat setinggi h akan memiliki energi potensial, sementara busur

panah yang berada pada posisi normal (saat busur itu tidak diregangkan) tidak memiliki energi potensial. Dengan demikian, energi potensial adalah energi yang tersimpan dalam suatu benda akibat kedudukan atau posisi benda tersebut dan suatu saat dapat dimunculkan.

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.

Apabila massa beban diperbesar maka energi potensial gravitasinya juga akan membesar. Demikian juga, apabila ketinggian benda dari tanah diperbesar, energi potensial gravitasi beban tersebut akan semakin besar. Hubungan ini dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut :

EP = mgh Keterangan

EP = energi potensial (joule), w = berat benda (newton) = mg, m = massa benda (kg),

g = percepatan gravitasi bumi (m/s²), dan h = tinggi benda (m).

Sedangkan jika ada sebuah benda yang berada pada suatu

ketinggian tertentu apabila dilepaskan, akan bergerak jatuh bebas dikarenakan benda tersebut memiliki energi potensial gravitas.

Energi potensial gravitasi benda yang mengalami jatuh bebas akan berubah karena usaha yang dilakukan oleh gaya berat.

Perhatikan gambar di atas. Apabila tinggi benda mula-mula h1, usaha yang dilakukan oleh gaya berat untuk mencapai h2 adalah sebesar :

Ww = mgh₁ – mgh₂ W_w = mg (h₁ – h₂) W_w = –mg(h₂ – h₁)

Dengan W merupakan usaha oleh gaya berat. Oleh karena mgh = EP, perubahan energi potensial gravitasinya dapat dinyatakan sebagai  ^EP sehingga, dapat dituliskan rumus :

W_w =  ^EP Contoh soal :

1. Mula-mula, sebuah benda dengan massa 2 kg berada di permukaan tanah.

Kemudian, benda itu dipindahkan ke atas meja yang memiliki ketinggian 1,25 m dari tanah. Berapakah perubahan energi potensial benda

tersebut? (g = 10 m/s²).

Diketahui m = 2 kg h2 = 1,25 m g = 10 m/s2.

Ditanya

Perubahan energi potensial benda?

Jawab

EP = mg (h2 – h1)

= (2 kg) (10 m/s²) (1,25 m – 0 m)

= 25 joule

Jadi perubahan energi potensialnya 25 joule

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 pada gambar di bawah ini

Pada gambar di atas besarnya suatu energi potensial elastis

bergantung pada besarnya gaya tekan atau gaya regang yang diberikan pada benda tersebut. Maka dapat diartikan bahwa gaya pemulih pada pegas berbanding lurus dengan pertambahan panjangnya. Pegas yang berada dalam keadaan tertekan atau teregang dapat dikatakan memiliki energi potensial elastis karena pegas tidak berada dalan keadaan posisi setimbang.

Grafik diatas menunjukkan kurva hubungan antara gaya dan pertambahan panjang pegas yang memenuhi hukum Hooke. Jika pada saat kita menarik pegas dengan gaya sebesar F1, pegas itu bertambah panjang sebesar  x1. Demikian pula, jika Anda menarik pegas dengan gaya sebesar F2, pegas akan bertambah panjang sebesar  x2. Begitu seterusnya. Dengan demikian, usaha total yang Anda berikan untuk meregangkan pegas adalah

W = F₁ x₁ + F₂ x₂ + ...

Besarnya usaha total ini sama dengan luas segitiga di bawah kurva F terhadap  x sehingga dapat dituliskan

Oleh karena usaha yang diberikan pada pegas ini akan tersimpan sebagai energi potensial, dapat dituliskan persamaan energi potensial pegas adalah sebagai berikjut :

Energi potensial pegas juga dapat berubah karena usaha yang dituliskan oleh gaya pegas. Besar usaha yang dilakukan oleh gaya pegas dapat dituliskan persamaannya ;

W = – ^EP

b. Energi Kinetik

Enegi kinetik adalah energi yang dimiliki suatu benda karena gerakannya. Jadi, setiap benda yang bergerak memiliki energi kinetik. Contohnya, energi kinetik dimiliki oleh mobil yang sedang melaju, pesawat yang sedang terbang, dan anak yang sedang berlari.

Pada gambar diatas, . Benda bermassa m1 bergerak

dengan kecepatan v₁. Benda tersebut bergerak lurus berubah beraturan sehingga setelah menempuh jarak sebesar s,

kecepatan benda berubah berubah dari yang v1 menjadi v2.

Pada benda berlaku persamaan

v = v + at dan s = v t + ½ at2

Besar usaha yang dilakukan gaya sebesar F pada benda dapat dihitung dengan persamaan

W = Fs = mas

Oleh karena gerak benda adalah gerak lurus berubah beraturan, nilai a dan s pada persamaan dapat

disubstitusikan dengan persamaan a dan s dari gerak lurus berubah beraturan, yaitu

Sehingga diperoleh :

Besaran ½ mv2 merupakan energi kinetik benda karena menyatakan kemampuan benda untuk melakukan usaha. Secara umum, persamaan energi kinetik dapat dituliskan sebagai :

Keterangan :

EK = energi kinetik (joule), m = massa benda (kg), dan v = kecepatan benda (m/s).

Contoh soal -