Materi Usaha dan Energi

 USAHA DAN ENERGI

Usaha

Dalam fisika, usaha didefinisikan sebagai hasil kali antara besarnya gaya yang diberikan pada benda dengan besar perpindahan benda tersebut. Usaha merupakan besaran skalar karena tidak memiliki arah dan hanya memiliki besar. Usaha dalam fisika dikatakan bernilai jika usaha yang dilakukan menghasilkan perubahan kedudukan. Ketika sebuah gaya bekerja pada suatu benda sehingga menimbulkan perpindahan benda, dikatakan bahwa gaya melakukan usaha pada benda tersebut.

Gambar1. Usaha yang ditentukan sudut antara gaya dan perpindahan

Jika gaya sebesar F yang dapat menyebabkan balok berpindah sejauh s terletak pada sebuah garis lurus maka besarnya usaha W dapat dirumuskan sebagai berikut.

W = F . s cos α                                               

Keterangan:

W = usaha (Nm atau J)

F  = gaya (N)

s   = perpindahan (m)

α  = sudut antara F dan s

 

Hubungan arah gaya dan perpindahan pada q = 0⁰ s/d 360⁰ :

Jika q = 0°, Usaha yang dilakukan sebuah gaya yang arahnya searah dengan arah perpindahan.

  W = F . S

Contoh : meja yang didorong sehingga terjadi perpindahan

 

Jika q = 90°, arah gaya tegak  lurus dengan arah perpindahan, cos 90° = 0, dikatakan gaya tidak melakukan usaha.

W = 0

Contoh : buku dipegang lalu kita jalan

 

Jika q = 180°, arah gaya berlawanan dengan arah perpindahan

W = -F . S

Contoh : Mobil dijalan miring di ganjal supaya tidak mundur.

 

Jika s = 0, Maka gaya tidak menyebabkan berpindah.

Jadi, W = 0

Contoh : Dinding yang didorong

Grafik F - S

Gaya yang bekerja pada benda dapat berubah-ubah terhadap perpindahannya. Jika perubahan gaya tersebut teratur, maka usaha yang dilakukan dapat ditentukan dengan konsep grafik F - S.

Contohnya F yang bekerja pada balok berubah terhadap S seperti pada grafik F - S Gambar diatas. Usaha yang dilakukan gaya F tersebut dapat ditentukan dari luas daerah yang dibatasi kurva dan sumbu s. Daerah yang dimaksud adalah daerah terarsir. Berarti dapat dirumuskan seperti di bawah ini.

W = luas kurva grafik F - S

 

Energi Kinetik

Energi kinetik adalah energi yang dimiliki benda karena geraknya. Makin besar kecepatan benda bergerak makin besar energi yang bergerak makin besar pula energi kinetik yang dimilikinya. Jadi Energi kinetik dipengaruhi oleh kecepatan dan masanya Secara matematis dapat dirumuskan sebagai berikut.

Ek = ½ m . v ²                                          

Keterangan:

Ek = Energi kinetik satuuanya joule (J)

m  = massa benda satuannya kilogram (kg)

v   = kecepatan  satuannya meter (m/s)

 

Energi Potensial

Energi potensial adalah energi yang dimiliki benda karena posisinya (kedudukan) terhadap suatu acuan. Sebagai contoh sebuah batu yang kita angkat pada ketinggian tertentu memiliki energi potensial, jika batu kita lepas maka batu akan melakukan kerja yaitu bergerak kebawah atau jatuh. Sehingga energi potensialnya berkurang. Energi potensial tergantung pada massa benda, percepatan gravitasi dan ketinggian benda. Sehingga dapat dirumuskan:

Ep = m . g . h                                 

Keterangan:

Ep = Energi potensial satuuanya joule (J)

m  = massa benda satuannya kilogram (kg)

h   = ketinggian satuannya meter (m)

g   = percepatan gravitasis atuanya (m/s²)

 

Ada seseorang berjalan pada jalan yang menanjak, mungkin kalian pernah juga melakukannya. Setelah naik yang cukup jauh ternyata perut dapat menjadi lapar. Ada rasa lapar artinya terjadi perubahan energi pada tubuh kita. Perubahan energi itu digunakan untuk melakukan usaha yaitu berjalan menaiki jalan menanjak.

Contoh kejadian lain adalah pada gerak mobil. Mobil bergerak berarti ada gaya mesin yang melakukan usaha. Tentu kalian sudah dapat menebaknya. Usaha diperoleh dari perubahan energi bahan bakarnya. Dari uraian di atas dapat kalian temukan suatu simpulan yang menjelaskan hubungan usaha dan energi. Hubungan itu dapat dituliskan sebagai berikut.

usaha = perubahan energi

W = ∆E

Ketinggian Berubah

Dari titik awal A buah kelapa memiliki energi potensial sebesar m g h. Tetapi saat jatuh pada buah kelapa bekerja gaya berat w = mg. Berarti benda yang jatuh akan melakukan kerja. Besar usaha yang dilakukan memenuhi perumusan berikut.

W = F . S = (m g).h

W = m g h

Besar usaha ini ternyata sama dengan perubahan energi potensialnya. EP_A = m g h dan EP_B = 0. Berarti berlaku konsep pada benda yang bergerak dan berubah ketinggiannya akan melakukan usaha sebesar perubahan energi potensialnya.

W = Δ Ep

Kecepatan yang berubah

Sebuah benda yang bergerak dengan kecepatan v₀. Sesuai hukum II Newton setiap ada gaya yang bekerja pada benda. Berarti percepatan tersebut dapat mengubah kecepatan benda. Hubungan antara v, v₀, a dan S pada gerak GLBB memenuhi persamaan berikut.

Dari nilai S di atas, maka nilai S dapat disubtitusikan pada persamaan usaha yang dilakukan pada benda, sehingga diperoleh seperti berikut.

Dengan mengamati perlakuan di atas dapat diketahui bahwa usaha dapat mengubah energi kinetik benda dan berlaku:

W = ΔEk

 

Hukum Kekekalan Energi

Di depan kalian telah belajar tentang energi kinetik, energi potensial dan hubungan dengan usaha. Bagaimana jika benda bergerak memiliki ketinggian tertentu? Maka jawabnya adalah benda itu memiliki energi potensial dan juga energi kinetik. Jumlah kedua energi tersebut dinamakan energi mekanik.

Em = Ep + Ek

Medan gaya gravitasi termasuk medan gaya konservatif. Tentu saja kalian masih ingat. Medan gaya konservatif adalah medan gaya yang memberlakukan kekekalan energi mekanik. Gaya konservatif akan menghasilkan usaha yang tidak merubah energi mekaniknya. Berarti sebuah benda yang bergerak pada medan gaya gravitasi akan berlaku hukum kekekalan energi mekanik.

Em = Ep + Ek = kekal

dan Ep₁ + Ek₁ = Ep₂ + Ek₂