Usaha dan Energi

Usaha
a. Pengertian Usaha

merupakan proses perubahan Energi dan usaha ini selalu dihubungkan dengan gaya (F) yang menyebabkan perpindahan (s) suatu benda. Dengan kata lain, bila ada gaya yang menyebabkan perpindahan suatu benda, maka dikatakan gaya tersebut melakukan usaha terhadap benda.

b. Usaha yang Dilakukan oleh Gaya Konstan

Usaha yang dilakukan oleh gaya konstan (besar maupun arahnya) didefinisikan sebagai hasil perkalian antara perpindahan titik tangkapnya dengan komponen gaya pada arah perpindahan tersebut (Halliday,1985:174).  Untuk memindahkan sebuah benda yang bermassa lebih besar dan pada jarak yang lebih jauh, diperlukan usaha yang lebih besar pula.
Dengan berdasarkan pada kenyataan tersebut, usaha didefinisikan sebagai hasil kali gaya dan perpindahan yang terjadi (NurAzizah,2007:46). Apabila usaha disimbolkan dengan W, gaya F, dan perpindahan s, maka Baik gaya maupun perpindahan merupakan besaran vektor. Sesuai dengan konsep perkalian titik antara dua buah vektor, maka usaha W merupakan besaran skalar (Halliday,1985:176).  Bila sudut yang dibentuk oleh gaya F dengan perpindahan s adalah θ, maka besarnya usaha dapat dituliskan sebagai: W = (F cos θ).s 

Komponen gaya F sin θ dikatakan tidak melakukan usaha sebab tidak ada perpindahan ke arah komponen itu. Satriawan (2008) menyimpulkan sebagai berikut. Dari persamaan rumus usaha, dapat dikatakan bahwa usaha yang dilakukan oleh suatu gaya:

a. Berbanding lurus dengan besarnya gaya,
b. Berbanding lurus dengan perpindahan benda,
c. Bergantung pada sudut antara arah gaya dan perpindahan benda.
Jika persamaan rumus usaha kita tinjau lebih seksama, kita mendapatkan beberapa keadaan yang istimewa yang berhubungan dengan arah gaya dan perpindahan benda yaitu sebagai berikut:
a. Apabila θ = 00, maka arah gaya sama atau berimpit dengan arah perpindahan benda dan cos θ = 1, sehingga usaha yang dilakukan oleh gaya F dapat dinyatakan:
W = F . s cos θ
W = F . s . 1

b. Apabila θ = 900, maka arah gaya F tegak lurus dengan arah perpindahan benda dan cos θ = 0, sehingga W = 0. Jadi, jika gaya F bekerja pada suatu benda dan benda berpindah dengan arah tegak lurus pada arah gaya, dikatakan bahwa gaya itu tidak melakukan usaha.

c. Apabila θ = 1800, maka arah gaya F berlawanan dengan arah perpindahan benda dan nilai cos θ = -1, sehingga W mempunyai nilai negatif. Hal itu dapat diartikan bahwa gaya atau benda itu tidak melakukan usaha dan benda tidak mengeluarkan energi, tetapi mendapatkan energi. Sebagai contoh adalah sebuah benda yang dilemparkan vertikal ke atas. Selama benda bergerak ke atas, arah gaya berat benda berlawanan dengan perpindahan benda. Hal itu dapat dikatakan bahwa gaya berat benda melakukan usaha yang negatif. Contoh lain adalah sebuah benda yang didorong pada permukaan kasar dan benda bergerak seperti tampak pada Gambar 2.2. Pada benda itu bekerja dua gaya, yaitu gaya F dan gaya gesekan fk yang arahnya berlawanan dengan arah perpindahan benda. Jika perpindahan benda sejauh s maka gaya F melakukan usaha: W = F . s, sedangkan gaya gesekan fk melakukan usaha: W = fk . s

d. Apabila s = 0, maka gaya tidak menyebabkan benda berpindah. Hal itu berarti W = 0. Jadi, meskipun ada gaya yang bekerja pada suatu benda,namun jika benda itu tidak berpindah maka, dkatakan bahwa gaya itu tidak melakukan usaha.

c. Usaha (kerja) Oleh Gaya yang Berubah

Usaha oleh gaya yang berubah-ubah disebur gaya konservatif. Contoh gaya yang besarnya berubah-ubah yaitu gaya pada pegas. Robert Hooke menyatakan bahwa besarnya gaya yang diperlukan untuk menarik suatu pegas sebanding dengan simpanganya. F ~ x

F = k . x

Keterangan :

F = Gaya ( N )

k = Konstanta pegas ( N/m)

x = Simpangan ( m )

Untuk menghitung besarnya kerja oleh gaya F yang selalu berubah-ubah dengan perubahan posisi, kita ambil perpindahan dalam selang waktu yang kecil, sehingga perubahan posisinya adalah dx dan usaha dalam waktu yang kecil (perubahan posisi dalam dx).

d.  Satuan Usaha

Dalam SI satuan gaya adalah newton (N) dan satuan perpindahan adalah meter (m). Sehingga, satuan usaha merupakan hasil perkalian antara satuan gaya dan satuan perpindahan, yaitu newton meter atau joule. Satuan joule dipilih untuk menghormati James Presccott Joule (1816 – 1869), seorang ilmuwan Inggris yang terkenal dalam penelitiannya mengenai konsep panas dan energi.

1 joule = 1 Nm
karena 1 N = 1 Kg . m/s2
maka 1 joule = 1 Kg . m/s2 x 1 m
1 joule = 1 Kg . m2/s2
Untuk usaha yang lebih besar, biasanya digunakan satuan kilo joule (kJ) dan mega joule (MJ).
1 kJ = 1.000 J
1 MJ = 1.000.000 J

ENERGI

Energi memegang peranan yang sangat penting dalam kehidupan di alam ini. Energi menyatakan kemampuan untuk melakukan usaha. Suatu sistem (manusia, hewan, atau benda) dikatakan mempunyai energi jika mempunyai kemampuan untuk melakukan usaha.
Energi yang dimiliki oleh, benda-benda yang bergerak disebut energi gerak atau energi kinetik sedangkan energi yang dimiliki oleh suatu benda karena kedudukan atau keadaan benda disebut energi potensial.

a.       Macam-macam Energi

1)      Energi Mekanik

Energi mekanik adalah energi yang dimiliki suatu benda karena sifat geraknya. Energi Mekanik dibagi lagi menjadi dua, yaitu  :

a)      Energi Potensial

Ep = m x g x h

b)      Energi Kinetik

Ek = ½ x m x v²

2)      Energi Bunyi

3)      Energi Panas (Kalor)

4)      Energi Cahaya

5)      Energi Kimia

6)      Energi Nuklir

b.       Hukum Kekekalan energ.

Hukum kekekalan energi adalah salah satu dari hukum-hukum kekekalan yang meliputi energi kinetik dan energi potensial. Hukum ini adalah hukum pertama dalam termodinamika. Hukum Kekekalan Energi (Hukum I Termodinamika) berbunyi: “Energi dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk yang lain tapi tidak bisa diciptakan ataupun dimusnahkan (konversi energi)”.

Apabila benda selama bergerak naik dan turun hanya dipengaruhi oleh gaya gravitasi, besar energi mekanik selalu tetap. Dengan kata lain, jumlah energi potensial dan energi kinetik selalu tetap. Pernyataan itu disebut Hukum Kekekalan Energi Mekanik.

c.       PENGGUNAAN DAN PEMANNFAATAN ENERGI DALAM KEHIDUPAN

Berbagai energi dimanfaatkan dalam kehidupan kita sehari-hari, nah berikut saya berikan contoh penggunaan energi dengan merubahnya dari satu bentuk ke bentuk lain.

a.       Energi Kimia Menjadi Energi Gerak (Mekanik)  :             Makanan yang kita makan diolah  melalui reaksi kimia menjadi sumber energi untuk beraktivitas

b.      Energi Listrik Menjadi Energi Panas :

Penggunaan Setrika untuk menggosok  pakaian.

c.       Energi Listrik Menjadi Energi Bunyi  :    

Penggunaan Bel untuk menghasilkan bunyi.

d.      Energi Listrik Menjadi Energi Gerak Mekanik  :

Penggunaan kipas angin.

e.       Energi Gerak (Mekanik) Menjadi Energi Panas   :   Gesekkan dua benda secara terus menerus menghasilkan panas.

f.       Energi Cahaya Menjadi Energi Kimia   :

Pemanfaatan cahaya matahari sebagai bahan dasar dalam proses fotosintesis oleh tumbuhan.

d.      Teorema Usaha dan Energi Kinetik

Bagaimana hubungan antara usaha dan energi kinetik benda? Misalkan ada sebuah benda bermassa m yang mula-mula bergerak dengan kecepatan sebesar V ₁. Pada benda bekerja gaya konstan F sehingga benda berpindah sejauh s dan kecepatannya berubah menjadi V ₂. Dengan memakai rumus GLBB didapatkan

v₂² = v ₁ ² + 2as atau as = ½ (v₂² – v₁² )

Persamaan tadi dapat disubstitusikan untuk mencari hubungan antara usaha dan energi kinetik

W = F s

     = m a s

     = m (½ v ₂ ² – ½ v ₁ ² )

      = ½ m v₂² – ½ m v ₁²

      = EK 2 – EK 1  atau  W = ∆EK

CONTOH SOAL :

—  Sepeda motor bermassa 200kg bergerak dengan kecepatan berubah dari 10m/s menjadi 20m/s. Hitung usaha yang dilakukan pada motor itu!

—  Diket: m= 200kg ; v 2 = 20m/s ; v 1 = 10m/s

Dit    : W?

—  Jawab W = EK 2 – EK 1

= ½ m v ₂ ² – ½ v ₁ ²

= ½ (200) 20 2 – ½ (200) 10 2

= 40.000 – 10.000 = 30.000 J = 30 kJ

e.       Manfaat dari Teorema Usaha Energi Kinetik

·         Teorema usaha-energi kinetik memberitahu kita bahwa resultan usaha atau usaha yang dilakukan oleh resultan gaya pada suatu benda sama dengan perubahan energi kinetik benda.

·         Teorema usaha-energi kinetik juga memberitahu kita bahwa energi kinetik benda sama dengan usaha total yang dibutuhkan untuk mempercepat benda dari keadaan diam hingga bergerak dengan kelajuan tertentu atau sebaliknya.

f.       Teorema Usaha Energi Potensial

usaha yang bekerja pada suatu benda sama dengan perubahan energi potensial yang dialami benda dirumuskan:

 

GAYA

a. Pengertian :

Gaya, di dalam ilmu fisika adalah interaksi apapun yang dapat menyebabkan sebuah benda bermassa mengalami perubahan gerak, baik dalam bentuk arah, maupun konstruksi geometris. Dengan kata lain, sebuah gaya dapat menyebabkan sebuah objek dengan massa tertentu untuk mengubah kecepatannya (termasuk untuk bergerak dari keadaan diam), atau berakselerasi, atau untuk terdeformasi. Gaya memiliki besaran (magnitude) dan arah, sehingga merupakan kuantitas vektor. Satuan SI yang digunakan untuk mengukur gaya adalah Newton (dilambangkan dengan N). Gaya sendiri dilambangkan dengan simbol F.

dinyatakan dengan

Konsep yang berhubungan dengan gaya antara lain: gaya hambat, yang mengurangi kecepatan benda, torsi yang menyebabkanperubahan kecepatan rotasi benda. Pada objek yang diperpanjang, setiap bagian benda menerima gaya, distribusi gaya ke setiap bagian ini disebut regangan. Tekanan merupakan regangan sederhana. Regangan biasanya menyebabkan deformasi pada benda padat, atau aliran pada benda cair.

b.      Sejarah

Dalam perkembangannya teori Gaya banyak dikemukakan oleh beberapa ahli seperti :

·         Aristoteles 

·          Galileo Galilei.

·         Isaac Newton

·          Charles Coulomb 

c.       Jenis-jenis Gaya

Meskipun terdapat dengan jelas banyak tipe gaya di alam semesta, mereka seluruhnya berbasis pada Empat Gaya Fundamental. Gaya nuklir kuat dan gaya nuklir lemahhanya beraksi pada jarak yang sangat pendek dan bertanggung jawab untuk "mengikat" nukleon tertentu dan menyusun nuklir. Gaya elektromagnetik beraksi antara muatan listrik dan gaya gravitasi beraksi antara massa.

Prinsip perkecualian Pauli bertanggung jawab untuk kecenderungan atom untuk tak "bertumpang tindih" satu sama lain, dan adalah jadinya bertanggung jawab untuk "kekakuan" materi, namun hal ini juga bergantung pada gaya elektromagnetik yang mengikat isi-isi setiap atom.

Seluruh gaya yang lain berbasiskan pada keempat gaya ini. Sebagai contoh, gesekan adalah perwujudan gaya elektromagnetik yang beraksi antara atom-atom dua permukaan, dan prinsip perkecualian Pauli, yang tidak memperkenankan atom-atom untuk menerobos satu sama lain.

Gaya-gaya dalam pegas dimodelkan oleh hukum Hooke adalah juga hasil gaya elektromagnetik dan prinsip perkecualian Pauli yang beraksi bersama-sama untuk mengembalikan objek ke posisi keseimbangan. Gaya sentrifugal adalah gaya percepatan yang muncul secara sederhana dari percepatan rotasi kerangka acuan.

Pandangan mekanika kuantum modern dari tiga gaya fundamental pertama (seluruhnya kecuali gravitasi) adalah bahwa partikel materi (fermion) tidak secara langsung berinteraksi dengan satu sama lain namun agaknya dengan mempertukarkan partikel virtual (boson). Hasil pertukaran ini adalah apa yang kita sebut interaksi elektromagnetik (gaya Coulomb adalah satu contoh interaksi elektromagnetik).

Dalam relativitas umum, gravitasi tidaklah dipandang sebagai gaya. Melainkan, objek yang bergerak secara bebas dalam medan gravitasi secara sederhana mengalami gerak inersia sepanjang garis lurus dalam ruang-waktu melengkung - didefinisikan sebagai lintasan ruang-waktu terpendek antara dua titik ruang-waktu. Garis lurus ini dalam ruang-waktu dipandang sebagai garis lengkung dalam ruang, dan disebut lintasan balistik objek. Sebagai contoh, bola basket yang dilempar dari landasan bergerak dalam bentuk parabola sebagaimana ia dalam medan gravitasi serba sama.

Lintasan ruang-waktunya (ketika dimensi ekstra ct ditambahkan) adalah hampir garis lurus, sedikit melengkung (dengan jari-jari kelengkungan berorde sedikit tahun cahaya). Turunan waktu perubahan momentum dari benda adalah apa yang kita labeli sebagai "gaya gravitasi".

d.      Gaya dan Potensial

Disamping gaya, konsep yang sama secara matematis dari medan energi potensial dapat digunakan untuk kesesuaian. Sebagai contoh, gaya gravitasi yang beraksi pada suatu benda dapat dipandang sebagai aksi medan gravitasi yang hadir pada lokasi benda.

Pernyataan ulang secara matematis definisi energi (melalui definisi kerja), medan skalar potensial didefinisikan sebagai medan yang mana gradien adalah sama dan berlawanan dengan gaya yang dihasilkan pada setiap setiap titik. Gaya dapat diklasifikasi sebagai konservatif atau non konservatif. Gaya konservatif sama dengan gradien potensial.

1.      Gaya konservatif

Kita telah mengetahui bahwa sebuah bola yang dilempar vertikal ke atas, kemudian jatuh ke titik semula mengalami perubahan energi potensial dan energi kinetik, tetapi energi mekaniknya selalu kekal (tetap).

Tentu saja ada gaya yang menyebabkan perubahan energi potensial dan energi kinetik sehingga energi mekanik dari suatu benda selalu kekal (tetap). Gaya yang menyebabkan energi mekanik, yaitu penjumlahan energi potensial dan energi kinetik, selalu kekal (tetap) yang disebut.

GAYA KONSERVATIF.

Yang Termasuk Gaya Konservatif :

a.       gaya gravitasi konstan F = mg

Gaya elastis pegas (Hukum Hooke) 

Hukum Hooke adalah hukum atau ketentuan mengenai gaya dalam bidang ilmu fisika yang terjadi karena sifat elastisitas dari sebuah pir atau pegas. Besarnya gaya Hooke ini secara proporsional akan berbanding lurus dengan jarak pergerakan pegas dari posisi normalnya, atau lewat rumus matematis dapat digambarkan sebagai berikut:

F = kx

F   : gaya (dalam unit newton)

k   : konstante pegas (dalam newton per meter)

x   : jarak pergerakan pegas dari posisi normalnya (dalam unit meter).

c.       Gaya konservatif memiliki sifat bahwa usaha   yang dilakukan oleh suatu benda:

1. tidak bergantung pada lintasannya, tetapi hanya bergantung pada keadaan awal dan keadaan akhir,

2. selalu sama dengan nol jika benda bergerak kembali ke posisi semula dalam lintasan tertutup,

3. selalu dapat dinyatakan sebagai perbedaan antara energi potensial awal dan energi potensial akhir.

2.      Gaya Non Konservatif

Apabila usaha yang dilakukan oleh sebuah gaya ketika benda mulai bergerak dari posisi awal hingga kembali lagi ke posisi semula tidak sama dengan nol maka gaya tersebut dijuluki gaya tak konservatif.
Berikut ini contoh gaya tak konservatif :

Gaya dorong dan gaya gesek kinetis

Tinjau sebuah benda yang didorong ke kanan lalu didorong lagi ke kiri. Ketika bergerak atau berpindah ke kanan, arah perpindahan benda sama dengan arah gaya dorong (F) dan berlawanan arah dengan gaya gesek kinetis (fk). Karena searah dengan perpindahan maka gaya dorong melakukan usaha positif pada benda.

W = F s

Sebaliknya gaya gesek kinetis melakukan usaha negatif pada benda.

W = – f_k s

Ketika benda bergerak atau berpindah ke kiri, arah perpindahan benda sama dengan arah gaya dorong dan berlawanan arah dengan gaya gesek kinetis. Karena searah dengan perpindahan maka gaya dorong melakukan usaha positif pada benda.

W = F s

Sebaliknya gaya gesek kinetis melakukan usaha negatif pada benda.

W = – f_k s

Usaha yang dilakukan oleh gaya dorong dan gaya gesek kinetis pada benda ketika benda mulai bergerak dari posisi awal hingga kembali lagi ke posisi awal adalah W = 2 F s dan W = -2 f_k s

Usaha yang dilakukan oleh gaya dorong dan gaya gesek kinetis selama benda mulai bergerak dari posisi awal hingga benda kembali ke posisi semual tidak sama dengan nol.

Apabila usaha yang dilakukan oleh sebuah gaya ketika benda mulai bergerak dari posisi awal hingga kembali lagi ke posisi semula tidak sama dengan nol maka gaya tersebut dijuluki gaya tak konservatif.

DAYA

Adalah kerja/usaha yang dilakukan benda per satuan waktu. Satuannya adalah N m/s atau Watt. usaha yang dilakukan oleh benda setiap sekon atau laju enegi yang berubah menjadi energi lain.

Rumus :

 

       P = daya (watt)

            W = usaha yang         dilakukan (joule)

            t = waktu (s)