Daftar isi
Usaha dan energi merupakan dua istilah yang tidak asing dalam kehidupan sehari-hari, termasuk dalam ilmu fisika. Secara umum, usaha adalah upaya yang dilakukan untuk mencapai tujuan.
Adapun energi adalah kemampuan untuk melakukan usaha. Lalu bagaimana pengertian usaha dan energi menurut ilmu fisika? Berikut adalah ulasannya.
Usaha
Pengertian Usaha
Menurut Setya Nurachmandani (2009) usaha dalam fisika diartikan sebagai hasil kali antara besar gaya yang menyebabkan benda berpindah dengan besar perpindahan benda yang searah dengan arah gaya tersebut.
Usaha yang Dilakukan Gaya Searah
Perhatikan gambar berikut.
Usaha yang dilakukan oleh gaya berdasarkan gambar di atas dinyatakan dengan rumus sebagai berikut.
W = F . s
Keterangan:
W = usaha (J)
F = gaya yang beraksi pada benda (N)
s = jarak pergeseran (m).
Usaha yang Dilakukan Gaya Membentuk Sudut Tertentu
Perhatikan gambar berikut.
Usaha yang dilakukan oleh gaya pada gambar di atas dinyatakan dengan rumus sebagai berikut.
W = F s cos θ
Keterangan :
W = usaha (J)
F = gaya yang beraksi pada benda (N), F konstan
s = jarak pergeseran (m)
θ = sudut antara pergeseran dan arah gaya
Contoh Soal dan Pembahasan
1. Sebuah balok 10 kg didorong dari dasar suatu bidang miring yang panjangnya 5 meter dan puncak bidang miring berada 3 m dari tanah. Jika bidang miring dianggap licin, dan percepatan gravitasi bumi = 10 m/s², usaha yang harus dilakukan untuk mendorong balok adalah …
A. 300 J
B. 1500 J
C. 3500 J
D. 80 J
E. 25 J
Jawaban: A
Pembahasan:
Diketahui :
m = 10 kg
s = 5 m
h = 3 m
g = 10 m/s²
Ditanya : W =
Jawab :
Besar gaya dorong yang harus diberikan pada balok tersebut adalah:
F = w sin θ = mg sin θ
Usaha yang harus dilakukan untuk mendorong balok pada bidang miring sepanjang 5 meter adalah:
W = F . s
W = (mg sin θ) s
W = (10)(10)(3/5)(5)
W = (10)(10)(3)
W = 300 J
Jadi usaha yang harus dilakukanuntuk mendorong balok pada bidang miring sepanjang 5 m adalah 300 J.
2. Sebuah benda mengalami dua gaya. Gaya pertama sebesar 30 N membentuk sudut 37° dengan sumbu x positif. Jika benda berpindah sejauh 3 m pada arah sumbu x positif. Hitunglah besarnya usaha yang dilakukan gaya tersebut!
Pembahasan:
Diketahui :
F = 30 N
α = 37°
s = 3 m
Ditanya : W = …
Jawab :
W = F cos α s
W = (30)(0,8)(3)
W = 72 J
Jadi, usaha yang dilakukan oleh gaya tersebut adalah sebesar 72 Joule.
3. Sebuah balok bermassa 30 kg ditarik gaya 60 N yang membentuk sudut α = 60° terhadap horisontal. Pada saat balok dapat bergeser mendatar sejauh 3 meter maka tentukan usaha yang dilakukan gaya tersebut.
Pembahasan:
Diketahui:
F = 60 N
α = 60°
m = 30 kg
s = 3 m
Ditanya : W = …
Jawab :
W = F cos α s
W = (60)(3) cos 60°
W = (180)½ = 90 Joule
Jadi usaha yang dilakukan gaya tersebut adalah sebesar 90 Joule.
Energi
Pengertian Energi
Energi diartikan sebagai kemampuan untuk melakukan usaha. Terdapat beberapa jenis energi, yaitu energi kinetik dan energi potensial.
Jenis-jenis Energi
1. Energi kinetik
Yang dimaksud dengan energi kinetik adalah energi yang dimiliki oleh benda karena geraknya.
Semakin cepat benda bergerak, maka energi kinetik yang dimiliki akan semakin besar.
Energi kinetik suatu benda bermassa m dan bergerak dengan kecepatan v dirumuskan sebagai berikut.
Keterangan :
Eₖ = energi kinetik (J)
m = massa benda (kg)
v = kecepatan benda (m/s)
Adapun usaha yang dilakukan untuk mengubah kecepatan benda dari v₁ menjadi v₂ sama dengan perubahan energi kinetik yang dialami benda tersebut.
2. Energi potensial
Yang dimaksud dengan energi potensial adalah energi yang dimiliki sebuah benda karena keadaan atau kedudukannya. Misalnya energi air terjun dan energi panas.
Energi potensial juga dapat diartikan sebagai energi yang tersimpan dalam suatu benda dan berpotensi untuk melakukan usaha. Misalnya energi kimia dan energi listrik.
Salah satu bentuk energi potensial adalah energi potensial gravitasi.
Yang dimaksud dengan energi potensial gravitasi adalah energi yang dimiliki suatu benda karena kedudukan ketinggiannya dari benda lain.
Secara matematis, energi potensial gravitasi ditulis sebagai berikut.
Ep = m g h
dengan:
Ep = energi potensial gravitasi ( J)
m = massa benda (kg)
g = percepatan gravitasi (m/s²)
h = ketinggian benda (m)
Contoh Soal dan Pembahasan
1. Sebuah benda massanya 2 kg jatuh bebas dari puncak gedung bertingkat yang tingginya 100 m. Apabila gesekan dengan udara diabaikan dan g = 10/ms² maka usaha yang dilakukan oleh gaya berat hingga benda sampai pada ketinggian 10 m dari tanah adalah …
A. 200 joule
B. 400 joule
C. 600 joule
D. 1600 joule
E. 2400 joule
Jawaban: D
Pembahasan:
Diketahui :
m = 2 kg
h₁ = 100 m
g = 10 m/s²
h₂ = 20 m
Ditanya: W = …
Jawab:
W = ΔEp
W = mg (h₁ – h₂)
W = (2)(10)(100 – 20)
W = (20)(80)
W = 1600 J
Jadi usaha yang dilakukan oleh gaya berat hingga benda sampai pada ketinggian 10 m dari tanah adalah 1600 J.
2. Sebuah benda yang massanya 1 kg jatuh bebas dari ketinggian 10 m di atas permukaan tanah. Usaha yang dilakukan sampai benda berada 2 m di atas tanah adalah … joule.
A. 20
B. 40
C. 60
D. 80
E. 100
Jawaban: D
Pembahasan:
Diketahui :
m = 1 kg
h₁ = 10 m
g = 10 m/s²
h₂ = 2 m
Ditanya: W = …
Jawab :
W = ΔEp
W = mg (h₁ – h₂)
W = (1)(10)(10-2)
W = 80 J
Jadi usaha yang dilakukan bendaadalah 80 joule.
3. Sebuah mobil dengan massa 1 ton bergerak dari keadaan diam. Sesaat kemudian kecepatannya menjadi 5 m/s, maka besar usaha mesin mobil tersebut adalah … joule.
A. 25.000
B. 12.500
C. 12.000
D. 5.000
E. 2.500
Jawaban: B
Pembahasan:
Diketahui:
m = 1 ton = 1000 kg
v1 = 0
v2 = 5 m/s
Ditanya: W = …
Jawab:
W = ΔEk
W = ½ m (v22 – v12)
W = ½ (1000)(52 – 02)
W = (500)(25)
W = 12.500 J
Jadi usaha yang dilakukan mesinmobil adalah 12.500 Joule.
Hubungan Usaha dan Energi
Usaha adalah proses transfer energi melalui gaya sehingga benda bergerak. Dengan kata lain, energi yang ditransfer ke sebuah benda ditujukan untuk menggerakkan benda tersebut.
Energi yang ditransfer ini dapat dilakukan dengan memberikan berbagai macam gaya.
Sejumlah energi yang ditransfer oleh sebuah gaya untuk menggerakkan sebuah benda inilah yang disebut dengan usaha.
Itulah hubungan langsung antara usaha dan energi. Dengan demikian, terdapat hubungan yang erat juga antara usaha dengan energi kinetik atau antara usaha dengan energi potensial.
1. Hubungan usaha dengan energi kinetik
Hubungan usaha dengan energi kinetik yang dilakukan oleh gaya dapat dirumuskan sebagai berikut.
Jadi usaha merupakan perubahan energi kinetik akibat perubahan gerak suatu benda.
2. Hubungan usaha dengan energi potensial
Sebuah benda dengan massa sebesar m berada pada kedudukan h₁. Benda tersebut kemudian jatuh hingga tingginya menjadi h₂. Besarnya usaha yang dilakukan pada benda dapat dirumuskan sebagai berikut.
W = F s
W = mg (h₁ - h₂)
W = mgh₁ - mgh₂
W = ΔEp
Dengan demikian dapat dikatakan bahwa usaha merupakan perubahan energi potensial akibat perubahan kedudukan atau ketinggian benda.