Bahan Ajar USAHA, ENERGI, DAN DAYA NURUL MUSFIRAH 15B08055 PROGRAM PASCA SARJANA UNIVERSITAS NEGERI MAKASSAR Bahan Ajar PROGRAM STUDI PEDIDIKAN FISIKA
BAB IV Usaha, Energi, dan Daya 1. Usaha Pada saat duduk di bangku SMP pasti teman-teman sudah pernah belajar usaha dan energi. Masih ingat gak apa itu usaha dan energi? nah kalau sudah lupa, perhatian uraian berikut. Usaha dan energi yang akan dipelajari di kelas XI sedikit lebih detail dari usaha dan energi yang dipelajari saat masih duduk di bangku SMP. Tetapi konsepnya tetap sama. Pernahkah teman-teman mendorong meja?meja yang teman-teman dorong akan berpindah (bergeser). Hal ini karena ada gaya dorong yang diberikan oleh teman-teman terhadap meja sehingga menyebabkan meja berpindah. Pada saat medorong meja berarti teman-teman melakukan usaha terhadap meja tersebut. Pengertian usaha Dalam fisika usaha diartikan sebagai gaya yang diperlukan untuk memindahkan benda sejauh s. Dari definisi tersebut dapat disimpulan jika benda yang diberi gaya tidak berpindah maka usaha sama dengan nol. Besar usaha di tuliskan : W = F. S Dimana : W = Usaha (J) F = Gaya (N) S = Perpindahan (m) Apabila gaya yang diberikan pada benda tidak searah dengan perpindahan benda tetapi membentuk sudut sebesar α, seperti yang ditunjukka pada gambar, besar usaha ditentukan : W = F. s cos α
Kita dapat menyatakan empat keadaan istimewa mengenai usaha yang dilakukan oleh suatu gaya, yaitu 1. Gaya searah perpindahan (α = 0ᵒ) Karena cos 0ᵒ = 1, maka W = Fs Gambar 1.1 Usaha yang dilakukan oleh gaya yang searah dengan perpindahan 2. Gaya tegak lurus perpindahan (α = 90ᵒ) Karena cos 90ᵒ = 0, maka W = 0 Gambar 1.2 Usaha yang dilakukan oleh gaya yang tegak lurus dengan arah perpindahan. 3. Gaya berlawanan arah dengan perpindahan (α = 180ᵒ) Karena cos 180ᵒ = -1, maka W = -Fs Gambar 1.3 Usaha yang dilakukan oleh gaya yang berlawanan arah dengan arah perpindahan.
4. Perpindahan sama dengan nol atau benda tetap diam (s = 0) Gambar 1.4 Usaha yang dilakukan oleh gaya tanpa menimbulkan perpindahan. Usaha oleh Beberapa Gaya 1. Masing-masing gaya bekerja pada perpindahan yang berbeda. Usaha adalah besaran scalar, maka usaha yang dilakukan oleh beberapa gaya pada perpindahan yang berbeda dapat dihitung sebagai hasil penjumlahan aljabar dari usaha yang dilakuakn oleh masing-masing gaya secara individual. W = W1 + W2 + W3 + W4 + + Wn = (1-2) Perhatikan contoh usaha yang dilakukan oleh beberapa gaya berikut : Gambar 1.5 Usaha yang dilakukan oleh beberapa gaya pada perpindahan yang berbeda. 2. Masing-masing gaya bekerja serentak pada perpindahan yang sama. Usaha total yang dilakukan oleh beberapa gaya yang bekerja serentak dapat dihitung sebagai hasil kali resultan komponen gaya yang segaris dengan perpindahan dan besarnya perpindahan.
Perhatikan usaha yang dilakukan oleh gaya-gaya berikut. Gambar 1.6 Usaha yang dilakukan oleh beberapa gaya pada perpindahan yang sama. Menentukan Besar Usaha dari Grafik F-s Usaha yang dilakukan oleh gaya selama perpindahan sama dengan luas daerah yang dibatasi oleh grafik dan sumbu s. Usaha bernilai positif jika luas daerah berada di atas sumbu s, sedangkan usaha bernilai negative jika luas daerah berada di bawah sumbu s. Perhatikan contoh grafik antara gaya dan perpindahan berikut. Gambar 1.7 Grafik F-s menunjukkan besar usaha yang dilakukan oleh gaya selama perpindahan terjadi.
Usaha yang dilakukan sama dengan luas trapezium (I) dikurangi luas segitiga (II). Usaha yang Dilakukan oleh Gaya Berat Anggap sebuah benda bermassa m dilepaskan dari ketinggian h di atas permukaan bumi. Benda akan jatuh karena pengaruh gaya gravitasi. Besarnya usaha yang dilakukan oleh gaya gravitasi adalah: Wgrav = Fgrav x h = m. g. h (1-4) Usaha ini positif karena arah gaya dan perpindahan sama-sama ke bawah. Sekarang Anda lihat kasus di mana benda dinaikkan dari lantai perlahan-lahan hingga ketinggian h. Di sini arah perpindahan (ke atas) berlawanan dengan arah gaya berat (ke bawah) sehingga usahanya negative W = (m g h). Ketika benda berpindah secara horizontal gaya gravitasi tidak melakukan usaha karena arah perpindahan tegak lurus arah gaya (ingat pembahasan di depan). 2. Energi Energi didefinisikan sebagai kemampuan untuk melakukan usaha. Suatu benda dikatakan memiliki energi jika benda tersebut dapat melakukan usaha. Misalnya kendaraan dapat mengangkat barang karena memiliki energi yang diperoleh dari bahan bakar. Keberadaan energi bersifat kekal, sesuai dengan pernyataan Hukum Kekekalan Energi yang berbunyi : Energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan.
Energi hanya mengalami perubahan bentuk dari bentuk satu menjadi bentuk lain. Misalnya, energi bahan bakar berubah menjadi energi kinetik yang dimiliki yang dimiliki kendaraan. 1. Energi Kinetik Energi kinetik merupakan energi yang dimiliki benda karena gerakannya. Jadi hanya benda bergerak yang memiliki energi kinetik. Energi kinetik suatu benda besarnya berbanding lurus dengan massa benda dan kuadrat kecepatannya. Secara matematika ditulis sebagai berikut: 1 Ek. m. v 2 dengan, m = massa benda (kg) v = kecepatan benda (m/s) Ek = Energi kinetik (joule) Berdasarkan Hukum II Newton, diketahui bahwa percepatan berbanding lurus dengan gaya dan berbanding terbalik dengan massa. Maka usaha yang dilakukan pada benda adalah 2 jika maka dengan, F = gaya (N) s = perpindahan (s) m = massa benda (kg) a = percepatan benda (m/s 2 ) W = Usaha (joule) Jika gaya F bekerja pada benda, benda tersebut akan bergerak berubah beraturan (GLBB), sehingga berlaku atau dengan, V0 = kecepatan awal benda (m/s) Vt = kecepatan akhir benda (m/s) a = percepatan benda (m/s 2 )
s = perpindahan (s) Sehingga persamaan usaha pada benda menjadi Dengan demikian, didapat hubungan usaha dan energi kinetik, yaitu Jadi, usaha yang dilakukan oleh gaya pada benda sama dengan perubahan energi kinetik partikel. Persamaan di atas dikenal dengan teorema Usaha-Energi. 2. Energi Potensial Energi potensial merupakan energi yang dimiliki suatu benda karena kedudukannya atau keberadaannya. Benda yang memiliki kedudukan di atas permukaan bumi, dikatakan bahwa benda tersebut memiliki energi potensial gravitasi. Jika suatu benda yang ditegangkan, ditekan atau ditarik maka benda itu akan memiliki energi potensial pegas. a. Energi Potensial Grafitasi Energi potensial gravitasi adalah energi yang dimiliki oleh suatu benda karena pengaruh tempat kedudukannya (ketinggian). Ep = m. g. h dengan, m = massa benda (kg) g = percepatan gravitasi (m/s 2 ) h = tinggi benda (m) Ep = energi potensial gravitasi (Joule) b. Energi Potensial Pegas Ketika bahan elastis diberi regangan maka pada bahan tersebut akan timbul energi potensial. Misalnya, karet atau pegas yang direntangkan akan memiliki energi potensial. Jika gaya yang diberikan dihilangkan, energi potensial pegas akan berubah menjadi energi kinetik. Sifat pegas ini dimanfaatkan dalam shockbreaker dan busur panah.
Energi potensial yang dimiliki pegas atau benda elastis besarnya berbanding lurus dengan konstanta pegas k dan kuadrat simpangannya. Secara matematis dapat dinyatakan dengan persamaan berikut k = konstanta pegas (N/m) Δx = simpangan (m) Ep = energi potensial pegas (Joule) 3. Daya Daya adalah kecepatan melakukan usaha atau daya per satuan waktu. W = usaha (J) t = waktu (s) P = daya (J/s = watt) Satuan lain daya yang sering dijumpai dalam kehidupan sehari-hari adalah hp = Horse power; DK = daya kuda; PK = Paarden Kracht dengan 1 hp = 1 DK = 1 PK = 746 watt Dari rumusan daya, dapat disimpulkan bahwa daya, jika dikalikan satuan waktu, s, menghasilkan satuan watt.s atau J yang merupakan satuan energi. Dari sini muncul satuan energi yang dikaitkan dengan pemakaian energi listrik sehari-hari yaitu kwh. 1 kwh (kilo watt hour= kilo watt jam) dengan demikian adalah sama dengan 10 3 x 3600 watt s = 3,6. 10 6 J