Fisika

USAHA DAN ENERGI

1.     Pengertian “Usaha” berdasarkan pengertian sehari-hari:

Kata “usaha” dalam pengertian sehari-hari ini tidak dapat dinyatakan dengan suatu angka atau ukuran dan tidak dapat pula dinyatakan dengan rumus matematis. Tetapi dalam fisika usaha merupakan definisi yang sudah pasti, mempunyai arti dan dapat dinyatakan dengan rumus matematis. Jadi pengertian usaha menurut bahasa sehari-hari sebagai “upaya” untuk mendapatkan sesuatu.

2.    Pengertian usaha dalam Fisika

Dalam fisika, 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 tersebut. Untuk selanjutnya, pengertian usaha yang akan dibahas pada buku ini adalah pengertian menurut ilmu fisika.

    

Usaha Oleh Gaya Konstan

Besar usaha oleh gaya konstan didefinisikan sebagai hasil besar komponen gaya pada arah perpindahan dengan besarnya perpindahan yang dihasilkan.

                                                W = F_s . S                                                   

W      : Besar Usaha (kg . m²/s², joule atau newton . meter)

F_s       : Besar komponen gaya pada arah perpindahan (newton)

s        : Besar perpindahan (m)

                                                          F

                                                     a           

                                  m

Jika gaya yang melakukan usaha membentuk sudut a dengan perpindahan, maka gaya tersebut dapat diuraikan ke dalam dua komponen, yaitu

1.     Komponen gaya yang tegak lurus perpindahan (F_y = F sin a)

2.    Komponen gaya yang searah dengan perpindahan (F_x = F cos a)

                                            W = F_y . s

                                                    = F cos a s

                                                    = F s cos a                                            

Satuan dan Dimensi Usaha

satuan usaha = satuan gaya x satuan perpindahan

satuan usaha = kg m/s² x m = kg m²/s² = joule

Untuk mencari dimensinya:

dimensi usaha = dimensi gaya x dimensi perpindahan

                   [ W ] = [ F ] . [ s ]

                             = MLT^-2 . L

                             = ML²T^-2     

Usaha oleh gaya-gaya konstan (lebih dari satu gaya) yang

Bekerja pada sebuah benda

Usaha dari masing-masing gaya dapat dicari dengan menggunakan rumus 

W = F s cos a

Gaya F₁ akan melakukan usaha sebesar

W₁ = F₁ s cos a₁

Gaya F₂ akan melakukan usaha sebesar

W₂ = F₂ s cos a₂

Gaya F₃ akan melakukan usaha sebesar

W₃ = F₃ s cos a₃

Maka Usaha total (Usaha yang dilakukan oleh ketiga gaya tersebut)

W      = W₁ + W₂ + W₃

                                      = F₁ s cos a₁ + F₂ s cos a₂ + F₃ s cos a₃    

    

                                          N

                                         F_Y              F₁

                                                  a

                                                 

                                                           F_X

                      Fs =F₃          W = F₂

Konsep Energi dan Sumber-sumber Energi

Menurut fisika, Energi didefinisikan sebagai kemampuan untuk melakukan usaha.

Sumber-sumber energi yang banyak digunakan dalam kehidupan sehari-hari misalnya: energi minyak bumi, energi batubara, energi air terjun, energi nuklir dan energi kimia.

Bentuk-bentuk Energi dan Perubahannya

Energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan tetapi yang ada adalah energi dapat berubah dari suatu bentuk ke bentuk lain

Energi Potensial Gravitasi dan Bidang Acuan

Energi potensial adalah energi yang dimiliki akibat kedudukan benda tersebut terhadap bidang acuannya.

Energi Potensial gravitasi suatu benda yang bermassa m dan berada di dalam medan gravitasi benda lain yang bermassa M (dalam kasus ini diambil bumi yang bermassa M)

             

Dengan titik acuan di tak hingga

Jika   G = tetapan gravitasi umum = 6,67 x 10^-11 N m²/kg²

M = massa bumi

m = massa benda

r   = jarak benda dari pusat bumi

perumusan energi potensial, secara matematis dapat ditulis

E_p = m g h

E_p = energi potensial (joule)

          m  = massa benda (kg)

          g   = percepatan gravitasi (m/s²)

          h   = ketinggian dari muka bumi (m)

Energi Kinetik

Energi kinetik suatu benda adalah energi yang dipunyai benda yang bergerak. Berarti setiap benda yang bergerak, mempunyai energi kinetik E_k, secara matematis, energi kinetik dapat ditulis sebagai :

Dimana

m       = massa benda (kg)

v        = laju benda (m/s) 

E_k       = energi kinetik (joule)

Hubungan Usaha dengan Energi Kinetik

Untuk melihat hubungan antara usaha oleh sistem gaya-gaya (Resultan gaya total) dengan energi kinetik, perhatikan contoh di bawah ini.

Sebuah benda bermassa m berada di atas bidang datar tanpa gesekan. Pada benda bekerja gaya F konstan sejajar bidang dan benda dapat bergerak lurus berubah beraturan

 

            F           m                v₁                                m           v₂

                                      s

          Gambar benda yang bergerak GLBB

Pada sautu saat, kecepatan benda v₁ dan setelah menempuh jarak s kecepatannya menjadi v₂ turunan hubungan antara Usaha yang dilakukan resultan gaya yang menjadi pada benda dengan perubahan energi kinetiknya adalah sebagai berikut : Resultan gaya yang bekerja pada benda (benda tidak mengalami gaya friksi)

åF= F

Usaha W

                             W = F s cos a

                             W = F s cos a = m a s (1) = m (a s)

Ingat hubungan      v₂ ² – v₂ ²= 2 a s

          W = F s cos a = ma s (1) = m (as)          = m (v₂ ² – v₁ ²)

                               m v₂ ² - m v₁² = E_k2 - E_k2 = DE_k

Dengan kata lain, usaha yang dilakukan oleh sistem gaya-gaya yang bekerja pada benda sama dengan perubahan energi kinetik

W _{oleh resultan gaya}            = perubahan energi kinetik

W                         = F s cos a

= DE_k 

W                         = F s cos a

                             =  m v₂ ² -  m v₁ ²                           

                             = m (v₂ ² - v₁ ²)

                                                                                                  

Jadi                         W _{oleh resultan gaya} = DE_k = m (v₂ ² – v ₁²)

                                                                    

Jika

W _{oleh resultan gaya} = 0 Tidak ada perubahan energi kinetik

         (kecepatan konstan)

W _{oleh resultan gaya} > 0   Usaha yang dilakukan mengakibatkan penambahan energi kinetik

W _{oleh resultan gaya} < 0   Usaha yang dilakukan mengakibatkan pengurangan energi kinetik

Daya dan Efisiensi

Daya didefinisikan sebagai besar usaha persatuan waktu. Jika usaha diberi notasi W. waktu t dan daya P, maka secara matematis dapat ditulis

P =

Jika rumus di atas dijabarkan, diperoleh

P = F .  = F . v

Satuan    W = joule

              t  = sekon

              P = joule/sekon = watt = kg .m²/s³

              v = kecepatan

Satuan daya yang lain

kilowatt (kw)= 1000 watt

Daya kuda (hp, horse power) : 1 hp = 7455 watt

Ingat bahwa kwh (kilowatthour atau kilowatt jam) bukan satuan daya tetapi satuan energi.

Kalau kita perhatikan lampu pijar, maka energi listrik yang diberikan kepada lampu lebih besar dari energi cahaya yang dihasilkan lampu. Perbandingan antara daya keluaran (output) dengan daya masukan (input) dikali 100%, disebut efisiensi

Efesiensi     h =

Efisiensi tidak mempunyai satuan maupun dimensi

Hukum kekekalan energi mekanik

Jumlah energi kinetik dan energi potensial dititik I sama dengan jumlah energi kinetik dan potensial dititik 2.

                         m                 1

                   h

                                    2

gambar benda bermassa m jatuh dari ketinggian h_1.

EM     =        E_k + E_p                   = konstan = C                                                         E_k1 + E_p1                  = E_k2 + E_p2       

                   mv₁ ² +mgh₁                =  mv₂ ² +mgh₂        

Jumlah energi kinetik dan energi potensial ini yang disebut energi mekanik. Hal ini dikenal sebagai Hukum kekekalan energi mekanik

huuhuhuhuuhhuhuhu