USAHA DAN ENERGI

 USAHA DAN ENERGI

 

A. Usaha

Usaha adalah gaya yang bekerja pada suatu benda sehingga menyebabkan benda berpindah sepanjang garis lurus dan searah dengan arah gaya.  Semakin besar gaya yang diberikan pada benda, semakin besar pula usaha yang dihasilkan. Semakin besar perpindahan benda, semakin besar pula gaya yang dihasilkan. 

Usaha dapat dirumuskan sebagai :

 

Keterangan :

W = usaha (J)

F = gaya yang diberikan (N)

Δs  = perpindahan (m)

 

Beberapa contoh yang termasuk pada usaha:

a. Orang mendorong gerobak hingga gerobaknya pindah.

b. Seorang siswa mendorong mejanya hingga bergeser ke samping.

c. Mobil bergerak sejauh 200 meter, dan sebagainya.

 

Contoh yang tidak termasuk pada usaha:

a. Orang mendorong dinding sehingga dindingnya tetap.

b. Orang menggeser lemari sehingga lemarinya tidak berubah.

c. Seorang siswi mendorong rak buku sehingga raknya itu tidak bergeser sedikitpun, dan sebagainya.

 

Dikatakan ada usaha apabila suatu gaya menggerakkan suatu benda sejauh jarak perpindahan itu. Usaha adalah gaya kali jarak perpindahan. Maka rumusnya:

Usaha = F x s

Joule = N x m

1 joule = 1 Nm atau

Usaha = resultan x s

W = F x s = R x s

1 Joule adalah usaha yang dilakukan apabila gaya sebesar 1 N dapat memindahkan suatu benda sejauh 1 m searah dengan gayanya.

 

Contoh soal:

1. Seseorang mendorong gerobak dengan gaya 30 N, gerobak itu berpindah sejauh 20 m. Berapakah usaha yang dilakukan orang itu?

Diketahui:       F = 30 N

S = 20 m

Ditanya:          W = … ?

Jawab:             W = F x s

     = 30 N x 20 m

     = 600 J

 

2. Banu mengangkat segalon air yang beratnya 19 kg ke atas meja yang tingginya 1 m. Jika percepatan gravitasi adalah 10 m/s², berapa besarnya usaha yang dilakukan Banu?

Diketahui : m = 19 kg

                   g = 10 m/s²

                   s = 1 m

Ditanya : W= … ?

Jawab :

F = m x g

  = 19 x 10

  = 190 N

 

W = F x s

    = 190 x 1

    = 190 J

 

Usaha yang dilakukan oleh beberapa gaya yang searah dengan perpindahan adalah jumlah gaya kali perpindahannya. Maka rumusnya:

W = F x s

W = (F1 + F2) x s

Karena F-nya lebih dari satu, maka jumlahkan F1 dan F2.

Usaha pada beberapa gaya dapat dikerjakan dengan cara mencari resultan terlebih dahulu.

R = F1 + F2

W = R . s

 

Contoh soal:

Ada dua orang sedang mendorong mobil yang mogok. Dadan mengeluarkan gaya 40 N dan Yudi mengeluarkan gaya 30 N. Setelah didorong mobil itu bergerak 5 m. Berapakah usaha yang dilakukan oleh Dadan dan Yudi itu?

Diketahui:       Gaya Dadan (F1) = 40 N

Gaya Yudi (F2) = 30 N

S = 5 m

Ditanya:          W = … ?

Jawab:             W = F x s

     = (F1 + F2) x s

     = (40 N + 30 N) x 5 m

     = 70 N x 5 m

     = 350 J

 

Usaha yang dilakukan oleh beberapa gaya yang berlawanan arah dengan perpindahan adalah selisih gaya kali perpindahannya. Maka rumusnya:

W = F x s Karena F-nya lebih dari satu dan berlawanan arah, maka cari selisih gaya itu, maka rumusnya:

W = (F1 - F2) x s

W = R . s

 

Contoh soal:

Arman mendorong mobil dengan mengeluarkan gaya 60 N ke arah depan. Sedangkan Budiman mengeluarkan gaya 70 N ke arah belakang, akhirnya mobil itu berpindah sejauh 4 m ke belakang, tentukan:

a. Usaha yang dilakukan oleh Arman?

b. Usaha yang dilakukan oleh Budiman ? dan

c. Usaha yang dilakukan kedua orang itu?

Diketahui:       gaya Arman (F1) = - 60 N

gaya Budiman (F2) = 70 N

S = 4 m

Ditanya:          a. W1= … ?

b. W2= … ?

c. Wtot= … ?

Jawab: a. Karena gaya pada Arman berlawanan dengan arah perpindahan sehingga gayanya bernilai negative (-), maka:

W1 = F1 x s

       = - 60 N x 4 m

       = -240 Nm

       = -240 J

b. W2 = F2 x s

           = 70 N x 4 m

           = 280 Nm

           = 280 J

c. Wtot = W1 + W2

 = -240 J + 280 J

 = 40 J

 

 

B. Energi

Energi diartikan sebagai kemampuan untuk melakukan usaha atau kerja. Dalam Satuan Internasional, satuan energi dinyatakan dalam joule (J) atau kalori (kal).

 

1. Macam-macam Energi

Energi memiliki berbagai macam jenis. Berdasarkan bentuknya, energi dibedakan menjadi energi kinetik, energi potensial, energi kalor, energi kimia, energi cahaya, energi bunyi, energi nuklir, energi listrik dan sebagainya.

 

2. Perubahan Energi

Energi dapat mengalami perubahan bentuk dari energi satu menjadi energi yang lain. Bentuk perubahan energi ditunjukkan melalui contoh berikut.

a. Energi listrik menjadi energi cahaya

Contoh: lampu belajar, layar TV

b. Energi cahaya menjadi energi listrik

Contoh: sel surya

c. Energi kimia menjadi energi kinetik

Contoh: makanan dijadikan energi untuk manusia sehingga memudahkan pergerakan

d. Energi listrik menjadi energi bunyi

Contoh: radio dan bel kendaraan

e. Energi listrik menjadi energi kinetik

Contoh: kipas angin

f. Energi nuklir menjadi energi listrik

Contoh: PLTN

 

3. Sumber Energi

Secara umum ada dua sumber energi :

a. Dapat Diperbarui (Renewable)

Contoh: cahaya matahari, angin, air (air terjun dan gerakan ombak laut)

b. Tidak Dapat Diperbarui (Unrenewable)

Contoh: nuklir dan fosil (bahan bakar minyak dan gas)

 

4. Energi Kinetik, Energi Potensial, dan Energi Mekanik

a. Energi Kinetik

Energi kinetik adalah  energi yang dimiliki benda karena geraknya (kecepatan). Energi kinetik jika dituliskan dalam bentuk persamaan seperti berikut.

Contoh Soal

Sebuah sepeda yang massanya 40 kg bergerak dengan kecepatan 10 m/s. Tentukan besar energi kinetik sepeda tersebut!

Diketahui: m = 40 kg

                  v = 10 m/s

Ditanya: Ek = … ?

Jawab: Ek = 1/2 m v²

Ek = 1/2 x 40 x 10²

Ek = 2000 Joule

 

b. Energi Potensial

Energi potensial adalah energi yang dimiliki benda karena posisi kedudukannya (ketinggian) terhadap gaya tarikan gravitasi. Energi potensial jika dituliskan dalam persamaan matematis seperti berikut.

Contoh Soal

Buah pepaya bermassa 0,5 kg tergatung pada tangkainya yang berada pada ketinggian 2 m dari atas tanah. Jika percepatan gravitasi bumi adalah 10 m/s², tentukan besar energi potensial yang dimiliki oleh buah pepaya tadi!

Diketahui: m = 0,5 kg

                  h = 2 m

                  g = 10 m/s²

Ditanya: Ep = … ?

Jawab: Ep = m x g x h

Ep = 0,5 x 10 x 2

Ep = 10 Joule

 

c. Energi Mekanik

Energi mekanik merupakan energi total yang dimiliki benda. Energi mekanik juga dapat dikatakan jumlah energi kinetik dan energi potensial. Apabila energi mekanik dituliskan dalam persamaan seperti berikut.

Contoh Soal

Apel dengan massa 300 gram jatuh dari poho pada ketinggian 10 meter. Jika besar gravitasi (g) = 10 m/s², hitunglah energi mekanik pada apel!

Diketahui: m = 300 gram (0,3 kg)

      g = 10 m/s²

      h = 10 m

Ditanyakan: Em= … ?

Jawab:
Benda jatuh dan tidak diketahui kecepatannya atau benda menyentuh tanah, maka energi kinetik (Ek) diasumsikan bernilai nol (Ek = 0)

Em = Ep + Ek

Em = m.g.h + ½.m.v²

Em = (0,3 . 10 .10) + (1/2 . 0,3 . 0²)

Em = 30 + 0

Em = 30 Joule

 

5. Hukum Kekekalan Energi Mekanik

Benda yang dijatuhkan pada ketinggian tertentu atau benda yang dilemparkan ke atas akan mengalami perubahan energi. Perubahan energi tersebut merupakan perubahan energi potensial menjadi energi kinetik atau sebaliknya. Jumlah energi potensial dan energi kinetik suatu benda di posisi manapun selalu sama asalkan tidak ada gaya luar yang memengaruhinya.

Hubungan antara energi potensial dan energi kinetik di posisi manapun menjadi dasar hukum Kekekalan Energi Mekanik. Hukum Kekekalan Energi Mekanik menyatakan jumlah energi potensial dan energi mekanik dalam medan gravitasi nilainya sama. Berdasarkan pernyataan tersebut, hukum Kekekalan Energi Mekanik dapat dituliskan dalam persamaan berikut.

D. Daya

Semakin cepat manusia atau alat teknik dalam melakukan usaha dikatakan memiliki kemampuan tinggi. Dalam fisika, tinggi rendahnya kemampuan disebut dengan daya. Daya juga dapat diartikan usaha persatuan waktu atau perubahan energi persatuan waktu.Daya dirumuskan sebagai berikut.

Satuan daya yang lebih kecil adalah erg/sekon. Satuan daya ukuran bear adalah kilowatt, megawatt, dan daya kuda (horse power). Kesetaraan satuan daya dapat dilihat sebagai berikut.

1 kiloWatt (kW) = 10³ Watt (W)

1 tenaga kuda (hp) = 0,745 kW

1 kW = 1,34 hp

 

Latihan Soal!

1. Sebuah benda ditarik dua buah gaya yang searah masing-masing 10 N dan 20 N. Jika benda berpindah 4 m, maka besar usaha yang dilakukan adalah ….

2.  Ari melakukan usaha sebesar 600 J untuk memindahkan sebuah meja sejauh 3 m. Berapa besar gaya yang dilakukan Ari pada meja?

3. Kelapa jatuh dari ketinggian 15 m. Massa kelapa 2 kg dan g = 10 ms^-2. Hitunglah besarnya energi potensial yang dimiliki kelapa pada ketinggian tersebut!

4. Sebuah benda massanya 4 kg bergerak dengan kecepatan 4 ms-1. Besar energi kinetiknya adalah ….

5. Sebuah pepaya jatuh dari ketinggian 5 m dari permukaan tanah. Jika massa pepaya 2 kg dan g = 10 ms^-2, maka besar energi potensial dan energi kinetik saat pepaya berada 3 m di atas permukaan tanah ….