Makalah Fisika "Usaha dan Energi"

BAB I
PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang
“Beberapa masalah terkadang lebih sulit dari apa yang terlihat” (Young, 2002:164). Seperti Anda mencoba mencari laju anak panah yang baru dilepaskan dari busurnya. Anda menggunakan hukum Newton dan semua teknik penyelesaian soal yang pernah kita pelajari, akan tetapi Anda menemui kesulitan. Setelah pemanah melepaskan anak panah, tali busur memberi gaya yang berubah-ubah yang bergantung pada posisi busur. Akibatnya, metode sederhana yang pernah kita pelajari tidak cukup untuk manghitung lajunya. Jangan takut, masih ada metode-metode lainnya untuk menyelesaikan soal-soal tersebut.
Metode baru yang sebentar lagi akan kita lihat menggunakan ide kerja dan energi. Kita akan menggunakan konsep energi untuk mempelajari rentang fenomena fisik yang sangat luas. Kita akan mengembangkan konsep kerja dan energi kinetik untuk memahami konsep umum mengenai energi dan kita akan melihat bagaimana kekekalan energi muncul.

1.2 Rumusan Masalah
1.2.1 Apa yang dimaksud dengan usaha?
1.2.2 Apa yang dimaksud dengan energi?
1.2.3 Apa yang dimaksud dengan daya, satuan daya,dan efisiensi?

1.3 Tujuan
Makalah ini dimaksudkan untuk dapat membantu meningkatkan pemahaman mengenai konsep usaha dan energi sehingga akan memungkinkan kita dapat menyelesaikan soal-soal sebelumnya yang tidak dapat diselesaikan dengan mekanika.




BAB II
PEMBAHASAN

2.1 Usaha
2.1.1 Pengertian Usaha
Apakah bedanya usaha dalam kehidupan sehari-hari dengan dalam fisika? Dalam kehidupan sehari-hari, kata usaha dapat diartikan sebagai kegiatan dengan mengerahkan tenaga, pikiran, atau badan untuk mencapai tujuan tertentu. Usaha dapat juga diartikan sebagai pekerjaan untuk mencapai tujuan tertentu.
Dalam fisika, pengertian usaha hampir sama dengan pengertian usaha dalam kehidupan sehari-hari. Kesamaannya adalah dalam hal kegiatan dengan mengerahkan tenaga. Pengertian usaha dalam fisika selalu menyangkut tenaga atau energi. Apabila sesuatu (manusia, hewan, atau mesin) melakukan usaha maka yang melakukan usaha itu harus mengeluarkan sejumlah energi untuk menghasilkan perpindahan.
NurAzizah (2007:46) menyatakan ”usaha merupakan hasil kali antara gaya dengan perpindahan yang dialami oleh gaya tadi.
Jadi, jika suatu benda diberi gaya namun benda tidak mengalami perpindahan, maka dikatakan usaha pada benda tersebut nol”.
Sebagai contoh sebuah mesin melakukan usaha ketika mengangkat atau memindahkan sesuatu. Seseorang yang membawa batu bata ke lantai dua sebuah bangunan telah melakukan usaha.
Ketika berjalan, otot-otot kaki melakukan usaha. Namun, jika kamu hanya menahan sebuah benda agar benda tersebut tidak bergerak, itu bukan melakukan usaha. Seseorang yang sudah menahan sebuah batu besar agar tidak menggelinding ke bawah tidak melakukan usaha, walaupun orang tersebut telah mengerahkan seluruh kekuatannya untuk menahan batu tersebut. Jadi, dalam fisika, usaha berkaitan dengan gerak sebuah benda. Saat kita mendorong atau menarik benda, kita mengeluarkan energi. Usaha yang kita lakukan tampak pada perpindahan benda itu.

2.1.2 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 (NurAzizah,2007:47).



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.
2.1.3 Satuan Usaha
Satriawan (2008) menyatakan bahwa.
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

2.1.4 Menghitung Usaha dari Grafik Gaya dan Perpindahan
Apabila gaya yang bekerja pada suatu benda besar dan arahnya tetap maka grafik antara F dan perpindahan s merupakan garis lurus yang sejajar dengan sumbu mendatar s, seperti pada Gambar 2.3.






Gambar 2.3 Grafik gaya F terhadap perpindahan s jika besar dan arah F tetap
Dari grafik F – s, usaha sama dengan luas bangun yang dibatasi oleh garis grafik dengan sumbu mendatar s.








Usaha: W = luas daerah yang diarsir
Dengan demikian, dari diagram F – s dapat disimpulkan bahwa usaha yang dilakukan oleh gaya F sama dengan luas bangun yang dibatasi garis grafik dengan sumbu mendatar s (NurAzizah,2007:47).

2.1.5 Usaha yang Dilakukan oleh Beberapa Gaya
Dalam kehidupan nyata hampir tidak pernah kita menemukan kasus pada suatu benda hanya bekerja sebuah gaya tunggal. Misalnya, ketika Anda menarik sebuah balok sepanjang lantai. Selain gaya tarik yang Anda berikan, pada balok juga bekerja gaya-gaya lain seperti: gaya gesekan antara balok dan lantai, gaya hambatan angin, dan gaya normal.
Jadi, usaha yang dilakukan oleh resultan beberapa gaya yang memiliki titik tangkap sama adalah sama dengan jumlah aljabar usaha yang dilakukan oleh masing-masing gaya. Jika pada sebuah benda bekerja dua gaya maka usaha yang dilakukan adalah:
W = W1 + W2
Jika terdapat lebih dari dua gaya:
W = W1 + W2 + W3 + ...... + Wn
atau W = ∑Wn

2.1.6 Usaha Negatif
Seorang anak mendorong sebuah balok dengan tangannya. Sesuai dengan hukum III Newton, dapat disimpulkan bahwa gaya yang bekerja pada balok dan tangan dalam kasus ini sama besar tetapi berlawanan arah, yaitu FAB = -FBA. Tanda negatif menunjukkan arah yang berlawanan. Jika usaha oleh tangan pada balok bernilai positif ( karena searah dengan perpindahan balok), maka usaha oleh balok pada tangan bernilai negatif.



2.2 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.
2.2.1 Energi Kinetik
Berapa besar energi yang dimiliki oleh benda dengan massanya tertentu dan bergerak dengan kecepatan tertentu? Misalnya, kita melemparkan sebuah bola yang bermassa m.
Jika gaya yang bekerja pada bola itu konstan sebesar F dan dapat memindahkannya sejauh s dari tangan kita, maka menurut hukum II Newton, bola memperoleh percepatan sebesar:


Telah diketahui bahwa sebuah benda yang diam, jika memperoleh percepatan a melalui jarak s, maka kecepatan akhirnya dapat dinyatakan dengan persamaan:
V2 = 2 a . s
Jika a diganti dengan , persamaan diatas menjadi:



F . s adalah besarnya usaha yang dilakukan oleh tangan kita pada saat melemparkan bola, sedangkan ½ m . V2 adalah besarnya energi yang diperoleh bola yang selanjutnya disebut energi kinetik. Dengan demikian, jika energi kinetik dinyatakan dengan simbol Ek maka:



Keterangan:
Ek = energi kinetik (J)
m = massa (kg)
V = kecepatan (m/s)
Jadi, energi kinetik sebuah benda yang bermassa m dan mempunyai kecepatan V, adalah ½ m . V2. Karena m dinyatakan dalam satuan kg dan V dalam satuan m/s,maka Ek dinyatakkan dalam satuan joule (J).

2.2.1.1 Hukum Usaha dan Energi Kinetik
Sebuah benda yang massanya m bergerak dengan kecepatan V1, saat kedudukan benda di A, bekerja gaya tetap F searah dengan geraknya. Setelah t detik, kedudukan benda di B sejauh s dari A dan kecepatan benda berubah menjadi V2.








Karena gaya F, benda bergerak dipercepat beraturan, sehingga berlaku hubungan:
| s = V1 . t = ½ a . t2 | (a)
Karena V2 = V1 + a . t, maka:
| | (b)

Dengan substitusi persamaan a ke persamaan b didapatkan:

Usaha gaya F selama benda bergerak dari A sampai ke B adalah:



Jadi, usaha yang dilakukan oleh suatu gaya terhadap sebuah benda sama dengan perubahan energi kinetik benda itu.
Satriawan (2008) menyimpulkan bahwa.
Usaha dapat bernilai positif dan dapat pula bernilai negatif. Oleh karena itu, energi kinetik dapat juga bernilai positif ataupun negatif. Sehingga, ada dua kemungkinan berikut:
1) Jika W > 0 maka ∆ Ek > 0
Itu berarti bahwa usaha yang dilakukan oleh gaya sama dengan penambahan energi kinetik benda.
2) Jika W < 0 maka ∆ Ek < 0
Itu berarti bahwa usaha yang dilakukan oleh gaya sama dengan pengurangan energi kinetik benda.


2.2.2 Energi Potensial
Satriawan (2008) menyatakan “secara umum energi potensial adalah energi yang tersimpan dalam sebuah benda atau dalam suatu keadaan tertentu”. Contoh energi potensial terdapat dalam air terjun, dalam batu bara, dalam tubuh kita terdapat energi potensial.
Energi potensial yang tersimpan dalam air yang berada diatas suatu tebing baru bermanfaat ketika diubah menjadi energi panas melalui pembakaran. Energi potensial dalam tubuh kita akan bermanfaat jika kita mengubahnya menjadi energi gerak yang dilakukan oleh otot-otot tubuh kita.
“Dalam pengertian yang lebih sempit, atau dalam mekanika, energi potensial adalah energi yang dimiliki benda karena kedudukan atau keadaan benda tersebut” (NurAzizah:2007). Contoh energi potensial dalam pengertian ini adalah energi potensial gravitasi dan energi potensial elastik. Energi potensial gravitasi dimiliki oleh benda yang berada pada ketinggian tertentu dari permukaan tanah. Sedangkan energi potensial elastik dimiliki oleh misalnya karet ketapel yang diregangkan. Energi potensial elastik pada karet ketapel ini baru bermanfaat ketika regangan tersebut dilepaskan sehingga menyebabkan berubahnya energi potensial elastik menjadi energi kinetik (kerikil di dalam ketapel terlontar).

2.2.2.1 Energi Potensial Gravitasi
Benda yang berada pada ketinggian h mempunyai potensi untuk melakukan usaha sebesar m . g . h. Oleh karena itu, dikatakan bahwa benda itu mempunyai energi potensial gravitasi.
Jadi, semakin tinggi kedudukan benda dari tanah maka semakin besar energi potensialnya.
Dengan demikian, kita definisikan bahwa energi potensial gravitasi suatu benda adalah hasil kali beratnya dan ketinggianya h, sehingga dapat ditulis:

atau

Keterangan :
Ep = energi potensial gravitasi (J)
m = massa benda (kg)
g = percepatan gravitasi (ms-2)
h = ketinggian benda dari acuan tanah (m)
Bagaimana jika lintasan benda tidak vertikal keatas tetapi miring seperti gambar 2.6? Untuk memudahkan persoalan, kita misalkan pengangkatan benda itu melalui lintasan lurus dari A ke B.
W = F . s
W = m . g . sin θ . s








Dari gambar 2.6 diperoleh persamaan:
sin θ = h : s atau h = s . sin θ

Sehingga:

Ternyata persamaan yang diperoleh sama perumusan yang ada. Dengan demikian, energi potensial gravitasi tidak tergantung oleh panjang lintasan, tetapi hanya tergantung pada kedudukan akhirnya. Dapat dinyatakan juga bahwa energi potensial gravitasi yang dimiliki oleh sebuah benda pada kedudukan tertentu hanya tergantung pada selisih tinggi kedudukan benda tersebut.
Sekarang kita meninjau sebuah benda bermassa m, mula-mula berada di titik A pada ketinggian h dari bidang acuan. Jika benda dilepaskan, maka benda akan bergerak vertikal ke bawah karena gaya beratnya. Untuk mencapai titik B yang ketinggiannya h2 (h2 < h1), gaya berat benda melakukan usaha sebesar:
W = m . g (h1 – h2)



Keterangan:
m . g . h1 = energi potensial gravitasi pada saat kedudukan di A (J)
m . g . h2 = energi potensial gravitasi pada saat kedudukan di B (J)
Dari persamaan di atas pada hakikatnya dapat dinyatakan bahwa usaha yang dilakukan oleh gaya berat sebuah benda sama dengan pengurangan energi potensialnya.
Secara lebih singkat, pernyataan diatas dapat dirumuskan:



Dalam hal ini, ada tiga kemungkinan harga W, yaitu sebagai berikut:
1) W > 0 (positif) dan Ep < 0 (negatif) berarti, usaha sama dengan pengurangan energi potensial.
2) W < 0 (negatif) dan Ep > 0 (positif) berarti, usaha sama dengan pertambahan energi potensial.
3) W = 0 dan ∆ Ep = 0 (negatif) berarti, energi potensial benda tetap. Hal ini dapat terjadi jika perpindahan benda dalam satu bidang horizontal.

2.2.2.2 Energi Potensial Elastik Pegas
Usaha yang dilakukan oleh gaya pegas untuk benda yang berpindah dari posisi 1 dengan simpangan = x1, ke posisi 2 dengan simpangan = x2, adalah:

Secara umum kita dapat menyatakan rumus energi potensial elastik pegas (Epelastik) sebagai berikut:



2.2.3 Energi Mekanik
Satriawan (2008) menyatakan ”energi mekanik adalah jumlah energi potensial dan energi kinetik suatu benda pada suatu saat”.
Energi mekanik dirumuskan:


Keterangan:
Em = energi mekanik (J)
Ep = energi potensial (J)
Ek = energi kinetik (J)

2.2.3.1 Hukum Kekekalan Energi Mekanik











Gambar 2.7 melukiskan sebuah benda yang jatuh bebas dari sebuah ketinggian. Disini, benda hanya dipengaruhi oleh gaya gravitasi, yaitu gaya konservatif. Benda sampai di titik A pada ketinggian hA memiliki kecepatan VA. Setelah sampai di titik B, pada ketinggian hB benda bergerak dengan kecepatan VB.
Jika gaya berat benda w = m . g, usaha gaya berat benda selama jatuh dari A sampai B adalah:


Berdasarkan hukum usaha dan energi kinetik didapatkan:


Dengan menyamakan kedua persamaan di atas didapatkan:





Persamaan di atas dapat juga dituliskan sebagai berikut:




Jadi, hukum kekekalan energi menyatakan bahwa, jika suatu benda hanya dipengaruhi gaya-gaya konservatif maka energi mekanik itu dimanapun posisinya adalah konstan (tetap).
2.3 Daya
Daya didefinisikan sebagai usaha yang dilakukan oleh sebuah benda persatuan waktu. Jadi, daya (P) dihitung dengan membagi usaha (W) yang dilakukan terhadap selang waktu lamanya melakukan usaha (t).
Karena usaha merupakan hasil perkalian antara gaya dengan perpindahan (W = F.∆x), maka persamaan daya dapat ditulis sebagai berikut:



2.3.1 Satuan Daya
Satuan usaha dalam SI adalah joule (J), sedang satuan waktu adalah sekon (s). Jadi satuan SI untuk daya adalah:

Satuan daya dalam SI adalah watt (W) untuk menghormati James Watt (1734 – 1819), seorang ahli permesinan asal Skotlandia yang berhasil menemukan mesin uap. Dengan demikian:



Satu watt adalah daya yang kecil.Oleh karena itu, daya sering dinyatakan dalam satuan SI yang lebih besar, yaitu kilowatt (kW) dan megawatt (MW).
1 kW=105 W = 1000 W
1 MW=106 W = 1000000 W
Dalam kehidupan sehari-hari, khususnya dalam peralatan teknik, seperti: pompa, mesin-mesin mobil dan motor, dayanya dinyatakan dalam dk (daya kuda), atau pk (paarde kracht) atau hp (horse power).

2.3.2 Efisiensi
Fakta menunjukkan bahwa konverter energi tidak mungkin mengubah seluruh energi yang diterimanya menjadi energi yang bermanfaat. Sebagian energi akan berubah menjadi energi yang tidak bermanfaat.
Satriawan (2008) menyatakan “jika energi yang diterima oleh konverter energi kita sebut masukan dan energi yang diubah ke bentuk yang bermanfaat kita sebut keluaran, maka efisiensi didefinisikan sebagai hasil bagi keluaran dan masukan dikali dengan seratus persen”. Efisiensi bisa dituliskan dengan persamaan:




Sebagai contoh adalah bola lampu pijar, yaitu alat yang mengubah energi listrik menjadi energi cahaya. Sebuah lampu 100 W artinya lampu itu menerima energi listrik 100 J dalam waktu 1 sekon. Jika dari 100 J energi yang diterima hanya 40 J yang diubah menjadi energi cahaya, maka dikatakan bahwa efisiensi lampu tersebut sama dengan:

Artinya, sebanyak 40% saja energi listrik yang diubah menjadi energi cahaya (energi yang bermanfaat). Dan sebanyak 60% dari energi listrik yang diterima diubah menjadi energi kalor (energi yang tidak bermanfaat).
Jika efisiensi dinyatakan dengan daya, maka persamaan efisiensi diatas dapat dituliskan dengan persamaan:























BAB III
PENUTUP

3.1 Kesimpulan
Usaha merupakan hasil kali antara gaya yang bekerja dengan perpindahan yang dialami oleh benda. Satuan usaha dalam SI adalah joule (J).
Energi menyatakan kemampuan untuk melakukan usaha.Energi yang dimiliki oleh benda-benda yang bergerak disebut energi kinetik,sedangkan energi yang dimiliki oleh benda karena kedudukannya disebut energi potensial.
Daya adalah laju usaha yang dilakukan atau besar usaha persatuan waktu. Satuan daya dalam SI adalah watt (W)

3.2 Saran
Bagi pembaca disarankan supaya makalah ini dapat dijadikan sebagai media pembelajaran dalam rangka peningkatan pemahaman tentang usaha dan energi. Dan bagi penulis-penulis lain diharapkan agar makalah ini dapat dikembangan lebih lanjut guna menyempurnakan makalah yang telah dibuat sebelumnya.





DAFTAR RUJUKAN

Nurazizah, Siti. 2007. Acuan Pengayaan Fisika SMA Kelas XI Semester 1. Solo: Nyata Grafika Media Surakarta.
Resnick, Halliday. 1985. Fisika Jilid 1 Edisi Ketiga. Jakarta: Erlangga.
Satriawan, Mirza. 2008. Materi Fisika Dasar, (Online), (http://www.budakfisika.blogspot.com/2008/10/materi-fisika-dasar.html, diakses 10 november 2009).
Young, Hugh D & Roger A Freedman. 1999. Fisika Universitas Edisi Kesepuluh Jilid 1. Jakarta: Erlangga.

1 komentar:

rudi hartono mengatakan...

good

Poskan Komentar