Post on 26-Oct-2015
BAB II
USAHA DAN ENERGI
Daya
1. Apa yang dimaksud dengan “Daya” ?
Daya didefinisikan sebagai usaha yang dilakukan gaya dalam satu satuan waktu.
Karena setiap besaran yang dibagi dengan selang waktu disebut sebagai laju, maka
daya didefinisikan juga sebagai laju melakukan usaha. Karena usaha selalu muncul
apabila terjadi perubahan bentuk energi, daya juga dapat didefinisikan sebagai laju
perubahan energi dari satu bentuk ke bentuk lainnya.
2. Rumus dan Satuan Daya
Dalam fisika, daya disimbolkan dengan “P” (dari kata Inggris yaitu “Power”). Daya
(P) dirumuskan sebagai berikut :
.................(Persamaan a)
Keterangan :
P = daya (satuannya watt)
W = usaha ( satuannya joule)
t = selang waktu (satuannya sekon)
apakah satuan daya dalam sistem Internasional (SI) ?
Misalkan jika gaya ototmu melakukan usaha (W) = 1 joule dalam selang waktu
t = 1 sekon, menurut persamaan (a) daya dari ototmu adalah :
Satuan daya dalam SI diberi nama watt (disingkat W). Dengan demikian, diperoleh
hubungan satuan bahwa :
Dari hubungan satuan di atas diperoleh bahwa satu watt (1W) adalah besar daya
ketika usaha sebesar 1 joule dilakukan dalam selang waktu satu sekon.
Satu watt adalah daya yang sangat kecil, kira-kira sama dengan daya yang kamu
perlukan untuk mengangkat sebuah cangkir berisi air. Daya yang lebih besar, seperti
daya mesin, lebih sering dinyatakan dalam kilowatt (kW) dan megawatt (MW).
P=Wt
P=Wt
= 1 joule1 sekon
=¿ 1 joule/sekon
1 watt = 1 joule/sekon
1 kW = 1000 watt
1 MW = 1000 kW = 1.000.000 watt
Pesawat Sederhana
1. Apakah Pesawat Sederhana itu ?
Pesawat sederhana adalah alat yang mempermudah kita untuk melakukan usaha.
2. Jenis-Jenis Pesawat Sederhana
Pada dasarnya, ada empat macam pesawat sederhana, yaitu tuas, katrol, bidang
miring dan roda gigi.
Tuas
Tuas adalah pesawat sederhana yang berbentuk batang keras sempit yang dapat
berputar di sekitar satu titik. Titik ini disebut titik tumpu (istilah lainnya adalah
fulkrum). Bagaimana cara tuas mempermudah kamu melakukan usaha ? Untuk
memahaminya, perhatikan ilustrasi pada Gambar (1) secara saksama. Titik C
adalah titik tumpu. Titik A dimana kamu mengerahkan gaya ototmu untuk
menekan linggis ke bawah disebut titik kuasa. Gaya tekan otot yang kamu
kerjakan, yaitu F, disebut kuasa. Titik B dimana berat batu besar menekan
disebut titik beban. Berat batu yang kamu angkat, yaitu w, disebut beban. Jarak
titik beban ke titik tumpu, yaitu BC, disebut lengan beban (diberi lambang lw).
Sedangkan jarak titik kuasa ke titik tumpu, yaitu AC disebut lengan kuasa
(diberi lambang lF).
Gambar (1). Sebuah pesawat sederhana (linggis) yang sedang bekerja. Kuasa lebih
kecil daripada beban, tetapi usaha yang dilakukannya sama besar.
Perbandingan antara beban yang diangkat dan kuasa yang dilakukan disebut
keuntungan mekanis.
Dengan demikian, keuntungan mekanis dirumuskan sebagai berikut :
Selain itu keuntungan mekanis juga dapat dihitung dengan persamaan sebagai
berikut :
keuntungan mekanis=bebankuasa
=wF
keuntungan mekanis= lengan kuasalenganbeban
=lF
lw
Apakah tuas mengurangi usaha yang harus dilakukan ?
Perhatikan kembali Gambar (1). Usaha oleh kuasa WF dan usaha oleh beban Ww
adalah :
WF = kuasa x perpindahan
= 40 newton x 2 meter = 80 joule
Ww = beban x perpindahan
= 80 newton x 1 meter = 80 joule
Dari hasil di atas dapat kita simpulkan bahwa tuas berfungsi memperbesar gaya
(beban > kuasa), sehingga usaha lebih mudah dilakukan, tetapi tuas tidak
mengurangi usaha yang harus dilakukan.
Berdasarkan letak titik tumpu terhadap kuasa dan beban, tuas dikelompokkan
menjadi tiga kelas, yaitu tuas kelas pertama, tuas kelas kedua dan tuas kelas
ketiga (lihat Gambar 2).
Gambar (2). Tiga kelas tuas berikut 1 contohnya
Katrol
Katrol adalah mesin sederhana yang terdiri dari sebuah roda beralur dimana
seutas tali atau rantai dapat bergerak ulang-alik.
a. Katrol tunggal tetap
Katrol tunggal tetap berfungsi mengubah arah gaya tarik dari menarik ke atas
menjadi menarik ke bawah.
Gambar (3). Analisis katrol tetap sebagai tuas
Pada katrol tetap, pusat katrol (C) terpasang pada tempat yang tepat,
sehingga katrol tidak dapat bergerak ke atas atau ke bawah, melainkan hanya
berputar. Katrol tetap dapat kita anggap sebagai tuas dengan titik tumpu C,
titik beban B, titik kuasa A, lengan beban lw = BC, lengan kuasa lF = AC,
beban = w dan kuasa = F.
keuntungan mekanis=lF
lw
= ACBC
=1 , sebab AC=BC
Karena keuntungan mekanis sama dengan satu, maka jelas bahwa katrol
tunggal tetap tidak memperbesar gaya, melainkan hanya mengubah arah
gaya sehingga searah dengan arah gaya beratmu. Dengan demikian, usaha
kamu menaikkan beban menjadi lebih mudah dilakukan. Sehingga dapat
disimpulkan bahwa fungsi utama katrol tetap adalah mengubah arah gaya.
b. Katrol tunggal bergerak
Gambar (4). Analisis
keuntungan mekanis katrol
tunggal bergerak
berdasarkan banyak tali
yang menanggung beban
Pada Gambar (4) tampak beban w ditanggung
oleh dua tali (diberi nomor 1 dan 2), sehingga
gaya tarik (kuasa) F yang diperlukan hanyalah
setengah beban, atau F = 12
w. Karena itu,
keuntungan mekanis katrol bergerak adalah :
keuntungan mekanis=wF
= w12
w=2
Hasil di atas menunjukkan bahwa jauh lebih
mudah menaikkan beban dengan
menggunakan katrol tunggal bergerak
daripada katrol tunggal tetap. Akan tetapi,
perhatikan bahwa arah gaya (kuasa) F yang
kamu berikan adalah ke atas, berlawanan
dengan arah gaya beratmu. Sehingga dapat
disimpulkan bahwa fungsi utama katrol
bergerak adalah memperbesar (mengalikan
gaya).
c. Sistem katrol (takal)
Cara kerja takal :
Telah dipelajari bahwa sebuah katrol tetap tidak memperbesar gaya. Dengan
menggunakan dua katrol, dimana satu sebagai katrol tetap dipasang di atas
dan satu lagi sebagai katrol bergerak, kamu bisa menarik beban dengan
kuasa (gaya tarik) hanya setengah beban. Mengapa? Perhatikan gambar 6b,
ada dua tali yang menanggung beban w (diberi nomor 1 dan 2), sehingga
secara teoritis, kuasa F sama dengan setengah beban (F = 12
w). Keuntungan
mekanis katrol ganda ini adalah :
keuntungan mekanis=wF
= w12
w=2
Bagaimana jika kamu menggunakan takal dengan tiga katrol, dua sebagai
katrol tetap dan satu sebagai katrol bergerak ? Ternyata, kamu bisa menarik
beban cukup dengan kuasa (gaya tarik) sepertiga beban. Mengapa?
Perhatikan Gambar 6c, ada tiga tali yang menanggung beban w (diberi
nomor 1, 2 dan 3), sehingga secara teoritis, kuasa F sama dengan sepertiga
beban (F = 13
w). Keuntungan mekanis takal dengan tiga katrol ini adalah :
keuntungan mekanis=wF
= w13
w=3
Gambar (6). Sistem yang terdiri dari beberapa katrol, disebut takal
Gambar 5. Analisis keuntungan mekanis katrol tunggal bergerak berdasarkan prinsip tuas kelas kedua
Bidang Miring
Bidang miring adalah suatu permukaan miring yang penampangnya berbentuk
segitiga segitiga. Makin landai sebuah bidang miring, maka semakin besar
keuntungan mekanisnya. Untuk bidang miring apapun, selalu berlaku
keuntungan mekanisnya sama dengan nilai perbandingan antara panjang
bidang miring (s) dan tinggi bidang miring (h). Secara matematis, pernyataan
tersebut dinyatakan oleh persamaan :
keuntungan mekanis= panjangtinggi
= sh
Bidang miring sebagai pesawat sederhana tidak mengurangi usaha yang harus
dilakukan. Bidang miring berfungsi mengalikan gaya, sehingga usaha menjadi
lebih mudah kita lakukan.
a. Baji
Contoh bidang miring yang dimaksudkan di atas adalah bidang miring
yang diam dan bendalah (misalnya mobil) yang bergerak sepanjang
bibang miring itu. Baji termasuk bidang miring, tetapi bidang miring yang
bergerak. Jadi, pada baji, benda diam di atas bidang miring dan bidang
miring itu sendiri yang bergerak menaikkan benda. Baji adalah sebatang
logam yang salah satu ujungnya dibuat lebih tipis.
Umumnya, baji disusun dari dua bidang miring
yang disatukan beradu sisi. Baji digunakan
untuk membelah kayu. Dua contoh baji yang
sering kamu jumpai adalah pisau dan kapak.
Sesuai prinsip bidang miring, makin panjang
dan tipis sebuah baji maka makin kecil gaya
kuasa yang diperlukan untuk membelah kayu.
Jadi, ketika kamu mempertajam sebuah baji
maka kamu meningkatkan keuntungan
mekanisnya dengan cara mengurangi gaya
kuasa yang harus diberikan.
b. Sekrup
Seperti halnya baji, sekrup (Gambar 8) termasuk contoh bidang miring
yang bergerak. Sekrup adalah suatu bidang miring yang dililitkan
mengitari sebuah batang sebagai pusat, sehingga membentuk spiral. Makin
pendek jarak antar ulir (uliran), makin panjang jarak yang ditempuh
sekrup untuk masuk ke dalam kayu. Sesuai prinsip pesawat sederhana, ini
menghasilkan gaya. Karena itu, kuasa kecil yang kamu berikan ketika
memutar sekrup dengan obeng menghasilkan gaya besar yang sanggup
melawan gaya hambatan kayu yang besar. Dengan demikian, sekrup dapat
Gambar 7. Baji termasuk bidang miring yang bergerak. Gaya vertikal kecil diubah baji menjadi gaya menyamping yang jauh lebih besar. Karena itu, kayu yang kuatpun dapat terbelah.
masuk dengan mudah ke dalam kayu. Jadi, makin pendek jarak uliran
maka makin besar keuntungan mekanis sekrup.
Roda Gigi
Roda gigi atau gir adalah sepasang roda bergigi saling bersambungan yang
dapat digunakan untuk menambah atau mengurangi gaya, di samping untuk
mengubah besar dan arah kecepatan putaran. Dari pengalamanmu menaiki
sepeda, kamu telah mengetahui bahwa menggunakan roda gigi ukuran besar
membuat pekerjaan mengayuh sepeda menjadi ringan, tetapi kecepatan putar
roda sepeda menjadi lambat. Sebaliknya, menggunakan roda gigi ukuran kecil
membuat pekerjaan mengayuh sepeda menjadi berat, tetapi kecepatan putar
roda sepeda menjadi cepat.
Dari pengalamanmu menaiki sepeda ini dapatlah kita simpulkan sebagai
berikut .
Roda gigi besar memberikan gaya yang lebih besar, sehingga kuasa yang
diperlukan lebih kecil, tetapi ini harus dibayar dengan kecepatan putar
yang lebih lambat. Sebaliknya, roda gigi kecil memberikan kecepatan putar
yang lebih cepat, tetapi ini memberikan gaya yang lebih kecil, sehingga
harus dibayar dengan kuasa yang lebih besar.
Roda gigi (gir) termasuk suatu pesawat sederhana yang selain mengubah besar
gaya dan kecepatan putar, juga dapat mengubah arah putaran, seperti
ditunjukkan pada Gambar 9.
Gambar 8. Sebuah sekrup. Dengan memutar kepala sekrup menggunakan obeng sebagai tuas, kuasa kecil yang kamu berikan dapat melawan gaya hambatan besar dari kayu. Ini menyebabkan sekrup dengan mudah dapat masuk kedalam kayu.
Kecepatan berkurang
a b dc