Usaha dan Energi Dalam Fisika

1.Pengertian Usaha

Pengertian usaha dalam kehidupan sehari-hari berbeda dengan pengertian usaha dalam fisika. Untuk memahami perbedaan pengertian tersebut di bawah ini diberikan beberapa contoh dan penjelasannya.

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

1. Bila seseorang mahasiswa ingin lulus dengan IPK yang baik, diperlukan usaha keras untuk belajar
2. Dosen yang baik, selalu berusaha dengan berbagai cara untuk menerangkan mata kuliahnya, agar dapat difahami dengan baik oleh mahasiswanya.

Dari dua contoh di atas dapat disimpulkan bahwa kata “Usaha” dalam bahasa sehari-hari menjelaskan hampir semua aktivitas 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.

b. 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.

2. Usaha oleh Gaya Konstan

Pengertian usaha yang diterangkan di atas adalah usaha oleh gaya konstan, artinya arah dan nilainya konstan. Besar (nilai) usaha yang dilakukan oleh sebuah gaya (F) pada suatu benda yang mengakibatkan perpindahan sebesar s, dapat dirumuskan kembali dengan kalimat, sebagai berikut:

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

Apabila usaha tersebut dirumuskan secara matematis dapat ditulis sebagai berikut:

W =Fs . S

( 1.1 )

W : Besar Usaha (kg . m 2 /s 2 , joule atau newton . meter)

Fs : Besar komponen gaya pada arah perpindahan (newton)

s : Besar perpindahan (m)

Jika gaya yang bekerja membentuk sudut α dengan arah perpindahan, perhatikan gambar dibawah ini.

Gambar 1 : Sebuah benda yang bermassa m ditarik dengan gaya F 

membentuk sudut α dengan horisontal.

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

Komponen y :

F y = F sin α

Komponen x, gaya yang searah dengan perpindahan :

F x = F cos α

Sesuai dengan rumus (1.1), Fs merupakan komponen gaya pada arah perpindahan, maka pada rumus (1.1) Fs digantikan dengan F cos α dan dapat dituliskan sebagai:

W = F y . s

W = F cos α s

W = F s cos α

( 1.2 )

Usaha adalah besaran skalar, dimana usaha merupakan perkalian skalar (dot product) antara vektor gaya dan vektor perpindahan. Oleh karena itu usaha merupakan besaran skalar.

W = F . s

( 1.3 )

3. Satuan dan Dimensi Usaha

Untuk mencari satuan dan dimensi usaha, dapat diturunkan dari rumus (1.1). Jika digunakan Satuan Sistem Internasional maka, gaya F dalam newton (kg m/s2) dan perpindahan s dinyatakan dalam meter (m).

Satuan usaha

= satuan gaya x satuan perpindahan

= kg m/s2 x m

= kg m2 /s2

= joule

Satu Joule adalah besar usaha yang dilakukan oleh gaya satu newton untuk memindahkan benda sejauh satu meter

Untuk mencari dimensinya:

dimensi usaha = dimensi gaya x dimensi perpindahan

[ W ] = [ F ] . [ s ]

= MLT-2 . L

= ML2 T-2

4. Usaha yang dihasilkan lebih dari satu gaya

Bila kita melihat kejadian sehari-hari, dapat kita lihat bahwa sebuah benda akan dikenai gaya lebih dari satu. Oleh karenanya, jika ditanya berapa usaha yang dilakukan oleh gaya-gaya tersebut maka haruslah dihitung usaha oleh masing-masing gaya-gaya tersebut, kemudian usaha dari masing-masing gaya tersebut dijumlahkan.

Seandainya pada sebuah benda bekerja 3 buah gaya F1 , F2, dan F3 sehingga benda mengalami perpindahan sejauh s. gaya F1 .membentuk sudut α 1 dengan vektor s, F 2 membentuk sudut α2 , dan F3membentuk sudut α3. Berapakah usaha oleh ketiga gaya tersebut terhadap benda.

Gambar 2 :  Usaha oleh beberapa gaya

Usaha masing-masing gaya dapat dicari dengan menggunakan rumus (1.2)

W = F s cos α

Gaya F1 akan melakukan usaha sebesar

W1 = F1 s cos α1

Gaya F 2 akan melakukan usaha sebesar

W2 = F2 s cos α2

Gaya F 3 akan melakukan usaha sebesar

W3 = F3 s cos α3

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

W = W1 + W2 + W3

W = F1 s cos α1 + F2 s cos α2 + F3 s cos α3

( 1.4 )

5. Energi

Energi sering juga disebut dengan tenaga. Dalam kehidupan sehari-hari energi dihubungkan dengan gerak, misal orang yang energik artinya orang yang selalu bergerak tidak pernah diam. Energi dihubungkan juga dengan kerja, Jadi :

Energi didefinisikan sebagai kemampuan untuk melakukan kerja.

Dalam Fisika energi dihubungkan dengan gerak, yaitu kemapuan untuk melakukan kerja mekanik. Energi dialam adalah besaran yang kekal, dengan sifat-sifat sebagai berikut :

1. Transformasi energi : energi dapat diubah menjadi energi bentuk lain, tidak dapat hilang misal energi pembakaran berubah menjadi energi penggerak mesin
2. Transfer energi : energi dapat dipindahkan dari suatu benda kebenda lain atau dari sistem ke sistem lain, misal kita memasak air, energi dari api pindah ke air menjadi energi panas, energi panas atau kalor dipindah lagi keuap menjadi energi uap
3. Kerja : energi dapat dipindah ke sistem lain melalui gaya yang menyebabkan pergeseran, yaitu kerja mekanik
4. Energi tidak dapat dibentuk dari nol dan tidak dapat dimusnahkan

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

6. Macam-macam Energi

a. Energi Potensial Gravitasi

Energi potensial adalah energi yang dimiliki akibat kedudukan benda tersebut terhadap bidang acuannya. Sedangkan yang dimaksud dengan bidang acuan adalah bidang yang diambil sebagai acuan tempat benda mempunyai energi potensial sama dengan nol. Sebagai contoh dari energi potensial, adalah energi pegas yang diregangkan, energi karet ketapel, energi air terjun.

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)

( 1.5 )

Dengan titik acuan di tak hingga, dimana :

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

M = massa bumi

m = massa benda

r = jarak benda dari pusat bumi

Apabila permukaan bumi sebagai bidang potensial nol dan ketinggian tidak melebihi 1000 km (percepatan gravitasi tidak terlalu berbeda, dianggap konstan), perumusan energi potensial, secara matematis dapat ditulis

Ep = m g h

( 1.6 )

Keterangan :

Ep = energi potensial (joule)

m = massa benda (kg)

g = percepatan gravitasi (m/s2)

h = ketinggian dari muka bumi (m)

Untuk lebih memahaminya, mari kita perhatikan sebuah buku yang berada di atas sebuah meja, maka dapat dikatakan bahwa buku tersebut mempunyai energi potensial gravitasi terhadap lantai. Jika buku tersebut mempunyai energi potensial gravitasi berarti gaya gravitasi pada benda tersebut mampu melakukan usaha dari tempat semula ke lantai. Dalam kasus ini, bidang lantai dianggap sebagai bidang acuan.

Energi potensial buku

1). Jika lantai sebagai bidang acuan

Ep = m g h

2). Jika bidang meja sebagai bidang acuan

Ep = 0

Dalam hal ini h = 0

b. Energi Potensial Pegas

Energi potensial pegas adalah energi potensial karena adanya tarikan atau penekanan pegas atau kemampuan suatu benda yang dihubungkan dengan pegas untuk berada pada suatu tempat karena panjang pegas berubah sepanjang x

Epegas = 1/2 k.x2

Dimana :

Epegas = energi potensial pegas (joule)

k = konstanta pegas (N/m)

x = perubahan panjang pegas (m)

c. Energi Kinetik

Sebuah benda yang bermassa m dan bergerak dengan laju v, mempunyai energi kinetik sebesar Ek dengan kata lain , energi kinetik suatu benda adalah energi yang dipunyai benda yang bergerak. Berarti setiap benda yang bergerak, mempunyai energi kinetik Ek , secara matematis, energi kinetik dapat ditulis sebagai:

Gambar 3 : Benda bermassa m bergerak dengan kecepatan v

Ek = 1/2 mv2

Dimana:

m = massa benda (kg )

v = laju benda (m/s)

Ek = energi kinetik (joule )