Usaha dan Energi

USAHA DAN ENERGI

Sering kita mendengar istilah usaha dan energi dalam kehidupan sehari-hari. Pada umumnya, seseorang akan melakukan suatu usaha supaya bisa mendapatkan apa yang diinginkan. Namun ternyata, usaha juga dijelaskan dalam ilmu sains lebih tepatnya pada bidang fisika. Oleh karena itu, marilah kita simak lebih lanjut tentang apa yang dinamakan usaha.

PENGERTIAN USAHA

Apa yang dimaksud usaha? Usaha adalah gaya yang dilakukan untuk memindahkan atau menggerakkan benda sejauh perpindahannya. Usaha terjadi saat energi dipindahkan dari sebuah sistem ke sistem lainnya . Usaha sering kita lakukan dalam kehidupan sehari-hari. Contohnya, ketika kita memindahkan lemari, kita melakukan suatu usaha supaya lemari tersebut berpindah dari tempat semula ke tempat yang diinginkan.

RUMUS USAHA

Secara matematis, usaha didefinisikan sebagai perkalian antara gaya yang bekerja terhadap benda dan berapa jarak benda tersebut berpindah.

W = F . Δ s

Jika kalian sudah mempelajari tentang integral, gaya yang bekerja terhadap perpindahan jarak merupakan grafik yang berubah secara kontinu. Sehingga, persamaan rumus usaha dapat bertuliskan

Keterangan :
W = usaha (Joule)
F = gaya (Newton)
Δs = selisih jarak (meter)

Seperti yang kita ketahui, gaya dan jarak merupakan besaran vektor. Usaha merupakan perkalian antara gaya dan jarak, sehingga kita harus mengalikan komponen vektor searah. Supaya lebih jelas, lihat gambar berikut :

Gambar diatas merupakan orang yang sedang menarik sebuah tali yang diikatkan pada sebuah kotak dengan gaya F dan membentuk sudut θ. Kotak tersebut kemudian bergeser sejauh jarak s.

Mengingatkan bahwa usaha merupakan perkalian, maka gaya yang dapat dikalikan dengan jaraknya adalah gaya pada sumbu X. Oleh karena itu, rumus dari usaha bisa ditulis sebagai.

W = F cos θ . s

dengan θ sebagai sudut antara tali dengan bidang kotak tersebut.

Pada umumnya, usaha yang sering kita sebut hanyalah nilai mutlaknya saja. Akan tetapi, usaha juga bisa bernilai positif(+) dan negatif(-) atau bahkan bernilai nol.

Usaha dikatakan negatif apabila benda tersebut melakukan usaha terhadap pemberi gaya atau gaya dan perpindahannya berlawanan arah. Sedangkan, jika usaha dikatakan positif, gaya dan perpindahannya searah. Namun, jika benda tersebut tidak mengalami perubahan keadaan maka usaha akan bernilai nol.

ENERGI

Untuk mengetahui lebih lanjut mengenai usaha, perlu kita ketahui terlebih dahulu tentang pasangan dari usaha yakni energi

Seperti kasusnya adalah saat kita memindahkan sebuah kursi maka kita membutuhkan energi supaya kursi tersebut dapat dipindahkan ke tempat yang diinginkan.

Energi juga dikelompokkan menjadi tiga jenis, yaitu :

1. Energi Potensial

2. Energi Kinetik

3. Energi Mekanik

ENERGI POTENSIAL

Pada dasarnya, energi potensial merupakan sebuah energi yang dimiliki oleh suatu benda ketika benda tidak dalam keadaan bergerak atau diam. Contoh yang terjadi pada anak panah dan busur, pada saat menarik anak panah kemudian dilepaskan,maka terjadi peristiwa memendek dan memanjang, itu menandakan adanya jenis energi potensial elastis.

Biasanya, energi potensial dapat diakibatkan karena adanya pengaruh dari gaya gravitasi. Seperti contoh lain, yakni saat kita mengangkat ember berisi air ke atas. Ember itu akan terasa berat ketika diangkat dan sudah berada di atas.

Hal ini dikarenakan, energi potensial dipengaruhi oleh keberadaan atau posisi dari benda tersebut. Semakin tinggi suatu benda, maka semakin besar energi potensialnya.

Energi potensial juga dipengaruhi oleh massa dan percepatan gravitasi. Sehingga, besar energi potensial dapat dirumuskan :

Ep = m . g . h

Keterangan :
Ep = energi potensial (Joule)
m = massa (kg)
g = percepatan gravitasi (9,8 m/s²)
h = ketinggian benda (meter)

Selain itu, jika sebuah usaha hanya dipengaruhi oleh energi potensial. Maka, besarnya usaha akan ditentukan oleh selisih antara energi potensial sebelum dan sesudah benda itu berpindah.

W = ΔEp

W = m . g . (h2 – h1)

Keterangan :
h2 = ketinggian benda akhir (meter)
h1 = ketinggian benda awal (meter)

ENERGI KINETIK

contoh energi kinetik

Selain energi potensial, terdapat sebuah energi yang dimiliki oleh benda dalam keadaan bergerak yang disebut dengan energi kinetik.

Semua benda yang bergerak mempunyai energi kinetik. Besar energi kinetik setara dengan kecepatan dan massa dari bendanya.

Secara sistematis, besar energi kinetik dapat dirumuskan sebagai berikut :

Ek = 1/2 m.v²

Keterangan :
Ek = energi kinetik (Joule)
m = massa (kg)
v = kecepatan (m/s)

Jika suatu benda hanya dipengaruhi energi kinetik, maka usaha yang dilakukan oleh benda tersebut dapat dihitung dari selisih energi kinetiknya.

W = ΔEk

W = 1/2.m.( v2 – v1)²

Keterangan :
v2 = kecepatan akhir (m/s)
v1 = kecepatan awal (m/s)

ENERGI MEKANIK

Terdapat keadaan dimana sebuah benda memiliki dua jenis energi, yakni energi potensial dan energi mekanik. Atau biasa disebut dengan energi mekanik

Energi mekanik adalah gabungan dari dua jenis energi, yaitu energi potensial dan energi kinetik. Pada dasarnya, energi mekanik bekerja pada suatu benda. Secara sistematis,energi mekanik dapat dirumuskan sebagai berikut :

Em = Ep + Ek

Keterangan :
Em = energi mekanik (Joule)

Dalam hukum kekekalan energi, sebuah energi tidak bisa diciptakan dan dimusnahkan.

Hal ini berkaitan dengan energi mekanik dimana energi tersebut jika semuanya dapat dikonversikan dari energi potensial menuju energi kinetik atau sebaliknya, maka akibatnya total energi mekaniknya akan selalu sama dimanapun keberadaannya.

Em1 = Em2

Keterangan :
Em1 = energi mekanik awal (Joule)
Em2 = energi mekanik akhir (Joule)

CONTOH SOAL

Ada beberapa contoh soal supaya bisa memahami peristiwa – peristiwa yang berkaitan dengan rumus usaha dan energi.

1. Benda bermassa 10 kg bergerak di atas permukaan yang datar dan licin tanpa gaya gesek. Jika benda didorong dengan gaya 50 Newton, yang membentuk sudut 60° terhadap arah horizontal, besar usaha jika perpindahan benda sejauh 10 meter adalah

Jawab :

F = 50 N, θ = 60°, s = 10 meter, cos 60° = 1/2

W = F . cos θ . s

W = 50 . cos 60° . 10

W = 50 . 1/2 . 10

W = 250 Joule

Jadi, besar usaha adalah 250 Joule

 

2. Balok dengan massa 1,2 kg dengan percepatan gravitasi (g = 10 m/s² ) ditarik secara vertikal selama 6 detik. jika balok berpindah setinggi 4 meter, daya yang dihasilkan adalah

Jawab :

m = 1,2 kg, g = 10 m/s², h = 4 meter, t = 6 detik

Ep = P . t

m . g . h = P . t

1,2 . 10 . 4 = P . 6

48 = P . 6

P = 48 / 6

P = 8 Watt

Jadi, daya yang dihasilkan adalah 8 Watt

 

3. Seorang anak yang massanya 50 kg berada dilantai 4 sebuah gedung dengan ketinggian 15 meter dari atas tanah. Hitung energi potensial anak tersebut jika berada dilantai 6 dan berada pada ketinggian 30 meter dari tanah ! (g = 10 m/s²)

Jawab :

m = 50 kg, g = 10 m/s², h = 30 meter

Ep = m . g . h

Ep = 50 . 10 . 30

Ep = 15.000 Joule

Jadi, energi potensial anak tersebut adalah 15.000 Joule

 

4. Sebuah benda bermassa 20 kg bergerak dengan kecepatan 30 m/s. Dengan mengabaikan gaya gesek pada benda, tentukan perubahan energi kinetik jika kecepatan benda menjadi 50 m/s !

Jawab :

m = 20 kg
v1 = 30m/s 
v2 = 50 m/s 

ΔEk = Ek2 - Ek1
ΔEk = 1/2 . m . (v2² - v1²)
ΔEk = 1/2 . 20 . (50² - 30²)
ΔEk = 1/2 . 20 . (2500 - 900)
ΔEk = 1/2 . 20 . 1600
ΔEk = 16.000 Joule      

Jadi, perubahan energi kinetik adalah 16.000 Joule

 

5. Sebuah benda massanya 1 kg jatuh bebas dari puncak gedung bertingkat dengan ketinggian 50 meter. Apabila gesekan dengan udara diabaikan, hitung usaha yang dilakukan oleh gaya berat sampai ketinggian 10 meter dari tanah ! (g = 10 m/s²)

Jawab :

m = 1 kg
g = 10 m/s²
h1 = 10 m
h2 = 50 m 

W = m . g . Δh
W = m . g . (h2 - h1)
W = 1 . 10 . (50 - 10)
W = 400 Joule

Jadi, besar usaha adalah 400 Joule

Demikian penjelasan mengenai usaha dan energi, semoga bermanfaat bagi kalian