Konsep Usaha dan Energi

Halo sahabat Fisika Mantab, apa kabar hari ini? Semoga selalu sehat dan tetap semangat untuk mempelajari ilmu fisika. Walaupun dalam mempelajari fisika memerlukan energi yang ekstra, tapi kita harus semangat untuk menaklukkannya :D Pada kesempatan hari ini Fisika Mantab akan membahas bersama dengan kalian semua tentang Usaha dan Energi. Sebenarnya apa si Usaha dan Energi itu? Ada yang bisa jawab? Untuk membantu kalian untuk menjawabnya mari kita simak uraian dibawah ini..

PENGANTAR

Pernahkah kamu mengamati orang yang sedang memanah? Mengapa anak panah yang dilepaskan dapat melesat jauh hingga mencapai sasaran? Hmmm ya jelas, kan ditarik kemudian dilepaskan :D jawaban yang masuk akal. Sebelum melepaskan anak panah, seorang pemanah harus merentangkan busurnya terlebih dahulu. Busur yang terentang memiliki energi potensial. Ketika anak panah dilepaskan, energi potensial tersebut berubah menjadi energi kinetik yang digunakan anak panah untuk bergerak.

Dalam kehidupan sehari-hari kamu pasti sering mendengar atau menggunakan kata “usaha” dan “energi”. Kata “usaha” yang sering kita gunakan dalam kehidupan sehari-hari memiliki makna yang berbeda dengan pengertian usaha dalam fisika. Pada kesempatan ini kita akan membahas materi usaha dan energi. Usaha dan Energi yang telah kamu pelajari dulu waktu masih dibangku SMP itu masih bersifat kualitatif dan mungkin sekarang kamu sudah melupakan semuanya (move on) hehee. Oleh karena itu Fisika Mantab mencoba membantumu mengingat kembali konsep Usaha dan Energi secara lebih mendalam dan tentu saja disertai juga dengan penjelasan kuantitatif (ada persamaannya). Langsung saja ya, siapkan cemilan dan minuman untuk menemani pertempuran kali ini :D

Pada pokok bahasan fisika sebelumnya, kita telah belajar tentang gerak benda dan hubungannya dengan Gaya yang mempengaruhi gerak benda (Hukum Newton tentang Gerak). Pada kesempatan ini kita membahas gerak benda dalam kaitannya dengan Usaha dan Energi. Usaha dan Energi merupakan besaran skalar sehingga analisis kita menjadi lebih mudah dibandingkan dengan ketika kita mempelajari gaya.

USAHA

Usaha memiliki berbagai arti dalam bahasa sehari-hari. Dalam fisika Usaha atau Kerja yang dilambangkan dengan huruf W (Work-bahasa inggris), diberi arti yang lebih spesifik untuk mendeskripsikan apa yang dihasilkan Gaya (F) ketika gaya itu bekerja pada suatu benda.

Usaha juga didefinisikan sebagai hasil kali besar perpindahan (s) dengan komponen gaya (F) yang sejajar dengan perpindahan.

Secara matematis, usaha yang dilakukan oleh gaya yang konstan didefinisikan sebagai hasil kali perpindahan dengan gaya yang searah dengan perpindahan.

Persamaan matematisnya adalah :

W = F.s

W adalah usaha alias kerja, F adalah besar gaya yang searah dengan perpindahan dan s adalah besar perpindahan.

Apabila gaya konstan tidak searah dengan perpindahan, sebagaimana tampak pada gambar di bawah, maka usaha yang dilakukan oleh gaya pada benda didefinisikan sebagai perkalian antara perpindahan dengan komponen gaya yang searah dengan perpindahan. Komponen gaya yang searah dengan perpindahan adalah F cos α

Secara matematis dirumuskan sebagai berikut :

Hasil perkalian antara besar gaya (F) dan besar perpindahan (s) di atas merupakan bentuk perkalian titik atau perkalian skalar. Karenanya usaha masuk dalam kategori besaran skalar. Pelajari lagi perkalian vektor dan skalar kalau dirimu masih bingung…

Satuan Usaha dalam Sistem Internasional (SI) adalah newton-meter. Satuan newton-meter juga biasa disebut Joule ( 1 Joule = 1 N.m). menggunakan sistem CGS (Centimeter Gram Sekon), satuan usaha disebut erg. 1 erg = 1 dyne.cm. Dalam sistem British, usaha diukur dalam foot-pound (kaki-pon). 1 Joule = 10⁷ erg = 0,7376 ft.lb.

Perlu kalaian pahami dengan baik bahwa sebuah gaya melakukan usaha apabila benda yang dikenai gaya mengalami perpindahan. Jika benda tidak berpindah tempat maka gaya tidak melakukan usaha. 

Agar memudahkan pemahaman anda, bayangkanlah anda sedang menenteng buku sambil diam di tempat. Walaupun anda memberikan gaya pada buku tersebut, sebenarnya anda tidak melakukan usaha karena buku tidak melakukan perpindahan. Ketika anda menenteng atau menjinjing buku sambil berjalan lurus ke depan, ke belakang atau ke samping, anda juga tidak melakukan usaha pada buku. Pada saat menenteng buku atau menjinjing tas, arah gaya yang diberikan ke atas, tegak lurus dengan arah perpindahan. Karena tegak lurus maka sudut yang dibentuk adalah 90o. Cos 90o = 0, karenanya berdasarkan persamaan di atas, nilai usaha sama dengan nol.

Contoh lain adalah ketika dirimu mendorong tembok sampai puyeng… jika tembok tidak berpindah tempat maka walaupun kamu mendorong sampai banjir keringat, kamu tidak melakukan usaha. Kita dapat menyimpulkan bahwa sebuah gaya tidak melakukan usaha apabila gaya tidak menghasilkan perpindahan dan arah gaya tegak lurus dengan arah perpindahan.

Contoh Soal 1 :

Sebuah karung beras bermassa 50 kg yang terletak pada lantai ditarik horisontal sejauh 2 meter dengan gaya 100 N oleh seseorang. Lantai tersebut agak kasar sehingga gaya gesekan yang diberikan pada karung beras sebesar 50 N. Hitunglah usaha total yang dilakukan terhadap karung berisi beras tersebut!

Panduan menjawab:
Sebelum menghitung usaha total, terlebih dahulu kita hitung usaha yang dilakukan oleh orang tersebut dan usaha yang dilakukan oleh gaya gesekan. Kita tetapkan arah kanan bertanda positif sedangkan arah kiri negatif. (b = buruh, Fg = gaya gesekan, N = gaya normal, w = berat). Gaya gesekan berlawanan arah dengan arah gerakan benda sehingga bertanda negatif.

Pada soal di atas, terdapat empat gaya yang bekerja pada karung beras, yakni gaya tarik orang (searah dengan perpindahan karung beras), gaya gesekan (berlawanan arah dengan perpindahan karung), gaya berat dan gaya normal (tegak lurus arah perpindahan, sudut yang terbentuk adalah 90^o).
Untuk mengetahui usaha total, terlebih dahulu kita hitung besar usaha yang dilakukan masing-masing gaya tersebut.
Usaha yang dilakukan oleh buruh pelabuhan :
Wb = Fb.s = (100 N) (2 m) = 200 N.m
Usaha yang dilakukan oleh Gaya gesekan :
Wg = Fg.s = -(50 N) (2 m) = -100 N.m
Usaha yang dilakukan oleh gaya berat :
Ww = Fw.s = (mg) (2 m) cos 90^o = 0
Usaha yang dilakukan oleh gaya normal :
WN = FN.s = (mg) (2 m) cos 90^o = 0

Usaha total = Wb + Wg + Ww + WN = (200 N.m) + (-100 N.m) + 0 + 0 = 100 N.m = 100 Joule

Contoh Soal 2 :

Seorang anak menarik mobil mainan menggunakan tali dengan gaya sebesar 20 N. Tali tersebut membentuk sudut 30^o terhadap permukaan tanah dan besar gaya gesekan tanah dengan roda mobil mainan adalah 2 N. Jika mobil mainan berpindah sejauh 10 meter, berapakah usaha yang dilakukan anak tersebut ?

Panduan menjawab :

Pada dasarnya soal ini sama dengan contoh soal 1. Pada soal ini terdapat sudut yang dibentuk antara gaya dengan arah horisontal, sehingga komponen gaya tarik yang dipakai adalah F cos teta (sejajar dengan arah perpindahan)

Untuk mengetahui usaha total, terlebih dahulu kita hitung besar usaha yang dilakukan masing-masing gaya :
A = anak
g = gesekan
w = berat
N = normal

Usaha yang dilakukan oleh Gaya gesekan :
Wg = Fg.s = (-2 N) (10 m) = -20 N.m
Usaha yang dilakukan oleh gaya berat :
Ww = Fw.s = (mg) (2 m) cos 30^o = 0
Usaha yang dilakukan oleh gaya normal :
WN = FN.s = (mg) (2 m) cos 30^o = 0

Usaha total :
 

ENERGI

Segala sesuatu yang kita lakukan dalam kehidupan sehari-hari membutuhkan energi. Untuk bertahan hidup kita membutuhkan energi yang diperoleh dari makanan. Setiap kendaraan membutuhkan energi untuk bergerak dan energi itu diperoleh dari bahan bakar. Hewan juga membutuhkan energi untuk hidup, sebagaimana manusia dan tumbuhan.

Energi merupakan salah satu konsep yang paling penting dalam fisika. Konsep yang sangat erat kaitannya dengan usaha adalah konsep energi. 

Sebagai contoh, jika kita mendorong sepeda motor yang mogok, usaha alias kerja yang kita lakukan menggerakan sepeda motor tersebut. Pada saat yang sama, energi kimia dalam tubuh kita menjadi berkurang, karena sebagian energi kimia dalam tubuh berubah menjadi energi kinetik sepeda motor. Usaha dilakukan ketika energi dipindahkan dari satu benda ke benda lain.

Contoh ini juga menjelaskan salah satu konsep penting dalam sains, yakni kekekalan energi. Jumlah total energi pada sistem dan lingkungan bersifat kekal alias tetap. Energi tidak pernah hilang, tetapi hanya dapat berubah bentuk dari satu bentuk energi menjadi bentuk energi lain. Mengenai Hukum Kekekalan Energi akan kita kupas tuntas dalam pokok bahasan tersendiri.

Dalam kehidupan sehari-hari terdapat banyak jenis energi. Energi kimia pada bahan bakar membantu kita menggerakan kendaraan, demikian juga energi kimia pada makanan membantu makhluk hidup bertahan hidup dan melakukan kerja. Dengan adanya energi listrik, kita bisa menonton TV atau menyalakan komputer sehingga bisa bermain game sepuasnya. Ini hanya beberapa contoh dari sekian banyak jenis energi dalam kehidupan kita. Misalnya ketika kita menyalakan lampu neon, energi listrik berubah menjadi energi cahaya. Energi listrik juga bisa berubah menjadi energi panas (setrika listrik), energi gerak (kipas angin) dan sebagainya.

Banyak sekali contoh dalam kehidupan kita, dirimu bisa memikirkan contoh lainnya. Secara umum, energi bermanfaat bagi kita ketika energi mengalami perubahan bentuk, misalnya energi listrik berubah menjadi energi gerak (kipas angin), atau energi kimia berubah menjadi energi gerak (mesin kendaraan).

Pada kesempatan ini kita akan mempelajari dua jenis energi yang sebenarnya selalu kita jumpai dalam kehidupan sehari-hari, yakni energi potensial dan energi kinetik translasi. Energi potensial dapat berubah bentuk menjadi energi kinetik dan sebaliknya energi kinetik juga bisa berubah bentuk menjadi energi potensial. Total kedua energi ini disebut energi mekanik, yang besarnya tetap alias kekal.

Bagaimana...sudah ada pencerahan? katakan mulai dari sekarang FISIKA HARUS ASYIK, maka ajaib seketika itu juga FISIKA MEMANG ASYIK :) Semoga bermanfaat dan tetap semangat. BRAVO!!!