ENERGI, USAHA, DAN DAYA OlehDrs. Pristiadi Utomo, M.Pd.motor

Sepeda motor memerlukan bahan bakar bensin untuk dapat bergerak di jalan. Setelah mesin dihidupkan gaya mesin mendorong sepeda motor bergerak. Selama berpindah tempat dikatakan sepeda motor melakukan usaha. Usaha sepeda motor adalah perubahan energi kinetik yang dilakukan sepeda motor.

Busur yang terentang mengandung energi potensial. Ketika anak panah dilepaskan, energi potensial tersebut berubah menjadi energi kinetik yang dipakai anak panah untuk bergerak. Hukum kekekalan energi mekanik dipenuhi oleh anak panah selama bergerak. Energi dan usaha adalah besaran yang belum terukur waktunya. Daya sudah menyertakan kuantitas waktu karena daya adalah energi tiap satuan waktu.

Tujuan mempelajari usaha dan energi adalah agar kalian dapat membedakan konsep energi, usaha, dan daya serta mampu mencari hubungan antara usaha dan perubahan energi, sehingga dapat bermanfaat bagi kehidupan sehari-hari.sel-surya pabrikawanMatahari sebagai sumber energi utama sangat dibutuhkan bagi segala kehidupan di bumi. Energi matahari dapat ditangkap secara langsung oleh solar sel. Aliran konveksi udara dapat menyebabkan angin yang dapat memutarkan kincir angin. Energi putaran kincir dapat dimanfaatkan untuk memutar mesin-mesin penggilingan atau bahkan turbin pembangkit listrik. Di Indonesia yang kaya akan gunung api dapat memanfaatkan energi panas bumi (geotermal) yang melimpah untuk mencukupi kebutuhan energinya .A. UsahaPerhatikanlah gambar orang yang sedang menarik balok sejaruh d meter! Orang tersebut dikatakan telah melakukan kerja atau usaha. Namun perhatikan pula orang yang mendorong dinding tembok dengan sekuat tenaga. Orang yang mendorong dinding tembok dikatakan tidak melakukan usaha atau kerja. Meskipun orang tersebut mengeluarkan gaya tekan yang sangat besar, namun karena tidak terdapat perpindahan kedudukan dari tembok, maka orang tersebut dikatakan tidak melakukan kerja.mendorong-dengan-gayaGambar:Usaha akan bernilai bila ada perpindahanKata kerja memiliki berbagai arti dalam bahasa sehari-hari, namun dalam fisika kata kerja diberi arti yang spesifik untuk mendeskripsikan apa yang dihasilkan gaya ketika gaya itu bekerja pada suatu benda. Kata kerja dalam fisika disamakan dengan kata usaha. Kerja atau Usaha secara spesifik dapat juga didefinisikan sebagai hasil kali besar perpindahan dengan komponen gaya yang sejajar dengan perpindahan.Jika suatu gaya F menyebabkan perpindahan sejauh s, maka gaya F melakukan usaha sebesar W, yaitugaya-serong

Persamaan usaha dapat dirumuskan sebagai berikut.W = SF . sW = usaha (joule)F = gaya yang sejajar dengan perpindahan (N)s = perpindahan (m)

diagram-gaya-serongJika suatu benda melakukan perpindahan sejajar bidang horisontal, namun gaya yang diberikan membentuk sudut a terhadap perpindahan, maka besar usaha yang dikerjakan pada benda adalah :W = F . cos a . sKerja Mandiri1. Sebuah benda meluncur di atas papan kasar sejauh 5 m, mendapat perlawanan gesekan dengan papan sebesar 180 newton. Berapa besarnya usaha dilakukan oleh benda tersebut.2. Gaya besarnya 60 newton bekerja pada sebuah gaya. Arah gaya membentuk sudut 30o dengan bidang horizontal. Jika benda berpindah sejauh 50 m. Berapa besarnya usaha ?grafik-gaya-jarak Lalu bagaimana menentukan besarnya usaha, jika gaya yang diberikan tidak teratur. Sebagai misal, saat 5 sekon pertama, gaya yang diberikan pada suatu benda membesar dari 2 N menjadi 8 N, sehingga benda berpindah kedudukan dari 3 m menjadi 12 m. Untuk menentukan kerja yang dilakukan oleh gaya yang tidak teratur, maka kita gambarkan gaya yang sejajar dengan perpindahan sebagai fungsi jarak s. Kita bagi jarak menjadi segmen-segmen kecil Ds. Untuk setiap segmen, rata-rata gaya ditunjukkan dari garis putus-putus. Kemudian usaha yang dilakukan merupakan luas persegi panjang dengan lebar Ds dan tinggi atau panjang F. Jika kita membagi lagi jarak menjadi lebih banyak segmen, Ds dapat lebih kecil dan perkiraan kita mengenai kerja yang dilakukan bisa lebih akurat. Pada limit Ds mendekati nol, luas total dari banyak persegi panjang kecil tersebut mendekati luas dibawah kurva.Jadi usaha yang dilakukan oleh gaya yang tidak beraturan pada waktu memindahkan sebuah benda antara dua titik sama dengan luas daerah di bawah kurva.Pada contoh di samping :W = . alas . tinggiW = . ( 12 3 ) . ( 8 2 )W = 27 jouleKerja Kelompok Lakukan diskusi tentang besar usaha yang dilakukan suatu benda, jika lintasan tempuh yang dilakukan benda berbeda-beda! Buatlah argumen yang dapat menunjukkan alasan-alasan yang dikemukaan, baik dalam bentuk narasi maupun dalam bentuk diagram dan gambar!B. EnergiEnergi merupakan salah satu konsep yang penting dalam sains. Meski energi tidak dapat diberikan sebagai suatu definisi umum yang sederhana dalam beberapa kata saja, namun secara tradisional, energi dapat diartikan sebagai suatu kemampuan untuk melakukan usaha atau kerja. Untuk sementara suatu pengertian kuantitas energi yang setara dengan massa suatu benda kita abaikan terlebih dahulu, karena pada bab ini, hanya akan dibicarakan energi dalam cakupan mekanika klasik dalam sistem diskrit.Cobalah kalian sebutkan beberapa jenis energi yang kamu kenal ! Apakah energi-energi yang kalian kenal bersifat kekal, artinya ia tetap ada namun dapat berubah wujud ? Jelaskanlah salah satu bentuk energi yang kalian kenali dalam melakukan suatu usaha atau gerak!Beberapa energi yang akan dibahas dalam bab ini adalah sebagai berikut.1. Energi PotensialEnergi potensial adalah energi yang berkaitan dengan kedudukan suatu benda terhadap suatu titik acuan. Dengan demikian, titik acuan akan menjadi tolok ukur penentuan ketinggian suatu benda.Misalkan sebuah benda bermassa m digantung seperti di bawah ini.energi-potensialEnergi potensial dinyatakan dalam persamaan:Ep = m . g . hEp = energi potensial (joule)m = massa (joule)g = percepatan gravitasi (m/s2)h = ketinggian terhadap titik acuan (m)Persamaan energi seperti di atas lebih tepat dikatakan sebagai energi potensial gravitasi. Di samping energi potensial gravitasi, juga terdapat energi potensial pegas yang mempunyai persamaan:energi-pegasEp = . k. Dx2 atau Ep = . F . DxEp = energi potensial pegas (joule)k = konstanta pegas (N/m)Dx = pertambahan panjang (m)F = gaya yang bekerja pada pegas (N)mobil-mainan Gambar:Mobil mainan memanfaatkan energi pegas diubah menjadi energi kinetikDi samping energi potensial pegas, juga dikenal energi potensial gravitasi Newton, yang berlaku untuk semua benda angkasa di jagad raya, yang dirumuskan:Ep = G M.m / r2Ep = energi potensial gravitasi Newton (joule) selalu bernilai negatif. Hal ini menunjukkan bahwa untuk memindahkan suatu benda dari suatu posisi tertentu ke posisi lain yang jaraknya lebih jauh dari pusat planet diperlukan sejumlah energi (joule)M = massa planet (kg)m = massa benda (kg)r = jarak benda ke pusat planet (m)G = tetapan gravitasi universal = 6,672 x 10-11 N.m2/kg22. Energi KinetikEnergi kinetik adalah energi yang berkaitan dengan gerakan suatu benda. Jadi, setiap benda yang bergerak, dikatakan memiliki energi kinetik. Meski gerak suatu benda dapat dilihat sebagai suatu sikap relatif, namun penentuan kerangka acuan dari gerak harus tetap dilakukan untuk menentukan gerak itu sendiri.Persamaan energi kinetik adalah :Ek = m v2Ek = energi kinetik (joule)m = massa benda (kg)v = kecepatan gerak suatu benda (m/s)pompa-bensinGambar:Energi kimia dari bahan bakar diubah menjadi energi kinetik oleh mobil3. Energi MekanikEnergi mekanik adalah energi total yang dimiliki benda, sehingga energi mekanik dapat dinyatakan dalam sebuah persamaan:Em = Ep + EkEnergi mekanik sebagai energi total dari suatu benda bersifat kekal, tidak dapat dimusnahkan, namun dapat berubah wujud, sehingga berlakulah hukum kekekalan energi yang dirumuskan:Ep1 + Ek1 = Ep2 + Ek2Mengingat suatu kerja atau usaha dapat terjadi manakala adanya sejumlah energi, maka perlu diketahui, bahwa berbagai bentuk perubahan energi berikut akan menghasilkan sejumlah usaha, yaitu:W = F . sW = m g (h1 h2)W = Ep1 Ep2W = m v22 m v12W = F DxW = k Dx2Keterangan :W = usaha (joule)F = gaya (N)m = massa benda (kg)g = percepatan gravitasi (umumnya 10 m/s2 untuk di bumi, sedang untuk di planetlain dinyatakan dalam persamaan g = G M/r2)h1 = ketinggian awal (m)h2 = ketinggian akhir (m)v1 = kecepatan awal (m)v2 = kecepatan akhir (m)k = konstanta pegas (N/m)Dx = pertambahan panjang (m)Ep1 = energi potensial awal (joule)Ep2 = energi potensial akhir (joule)Dengan mengkombinasi persamaan-persamaan di atas, maka dapat ditentukan berbagai nilai yang berkaitan dengan energi. Di samping itu perlu pula dicatat tentang percobaan James Prescott Joule, yang menyatakan kesetaraan kalor mekanik. Dari percobaannya Joule menemukan hubungan antara satuan SI joule dan kalori, yaitu :1 kalori = 4,185 joule atau1 joule = 0,24 kalorTugas MandiriCarilah berbagai bentuk energi dan sumber-sumbernya beserta contoh-contohnya.Presentasikan di depan kelas beberapa bentuk energi yang ada di alam semesta. Kemukakan pula cara memanfaatkan energi tersebut dan uraikan kelebihan serta kekurangan dari bentuk energi yang kamu presentasikan!C. Kaitan Antara Energi dan UsahaTeorema usaha-energi apabila dalam sistem hanya berlaku energi kinetik saja dapat ditentukan sebagai berikut.W = F . sW = m a.sW = m.2asKarena v22 = v21 + 2as dan 2as = v22 v21 makaW = m (v22 v21)W = m v22 m v21W = D EpUntuk berbagai kasus dengan beberapa gaya dapat ditentukan resultan gaya sebagai berikut. Pada bidang datardiagram-1- fk . s= m (Vt2 Vo2)

diagram-2F cos a fk . s = m (Vt2 Vo2) Pada bidang miring

diagram-3
- w sin a fk . s =
m (Vt2 Vo2)diagram-4
(F cos b w sin a fk) . s = m (Vt2 Vo2)
Kerja Mandiri1. Gaya besarnya 80 newton bekerja pada benda massanya 50 kg. Arah gaya membentuk sudut 60o dengan horizontal. Hitung kecepatan benda setelah berpindah sejauh 10 m.D. DayaDaya adalah kemampuan untuk mengubah suatu bentuk energi menjadi suatu bentuk energi lain. Sebagai contoh, jika terdapat sebuah lampu 100 watt yang efisiensinya 100 %, maka tiap detik lampu tersebut akan mengubah 100 joule energi listrik yang memasuki lampu menjadi 100 joule energi cahaya. Semakin besar daya suatu alat, maka semakin besar kemampuan alat itu mengubah suatu bentuk energi menjadi bentuk energi lain.Kerja KelompokPercobaan Tujuan:Menunjukkan adanya perubahan suatu bentuk energi menjadi energi lain.Metode pelaksanaan:Tempelkan sebuah pegas pada balok yang cukup besar, kemudian di ujung pegas diberi bola kecil. Semua benda di lantai, maka saat bola kecil ditarik dan kemudian dilepaskan, selidikilah perubahan energi apa saja yang terjadi dalam percobaan tersebut.Jika seluruh energi yang masuk diubah menjadi energi dalam bentuk lain, maka dikatakan efisiensi alat tersebut adalah 100 % dan besar daya dirumuskan:P = W / tP = daya (watt)W = usaha (joule)t = waktu (s)Namun mengingat dalam kehidupan sehari-hari sukar ditemukan kondisi ideal, maka dikenallah konsep efisiensi. Konsep efisiensi yaitu suatu perbandingan antara energi atau daya yang dihasilkan dibandingkan dengan usaha atau daya masukan. Efisiensi dirumuskan sebagai berikut.e = Wout / Win x 100 % atau e = Pout / Pin x 100 %e = efisiensi (%)Wout = usaha yang dihasilkan (joule)Win = usaha yang dimasukkan atau diperlukan (joule)Pout = daya yang dihasilkan (watt)Pin = daya yang dimasukkan atau dibutuhkan (watt)Kerja MandiriSelesaiakan permasalahan berikut ini!Berilah gambaran singkat tentang ilustrasi berikut ini! Bergantung pada faktor apa sajakah usaha bangsa Mesir primitif dalam membengun piramid? Berapa daya yang dibutuhkan? Jelaskan pula efisiensinya!membangun-piramidaPerhatikan contoh-contoh soal berikut!Contoh:1) Sebuah balok bermassa 1 kg di atas lantai licin. Jika gaya mendatar 2 N digunakan untuk menarik balok, maka tentukan usaha yang dilakukan agar balok berpindah sejauh 3 m!Penyelesaian:W = F . sW = 2 . 3W = 6 joule2) Sebuah balok bermassa 5 kg di atas lantai licin ditarik gaya 4 N membentuk sudut 60 terhadap bidang horisontal. Jika balok berpindah sejauh 2 m, maka tentukan usaha yang dilakukan!Penyelesaian:W = F . s . cos aW = 4 . 2 . cos 60W = 4 joule3) Sebuah benda diberi gaya dari 3 N hingga 8 N dalam 5 sekon. Jika benda mengalami perpindahan dari kedudukan 2 m hingga 10 m, seperti pada grafik, maka tentukan usaha yang dilakukan!Penyelesaian:uraian-31Usaha = luas trapesiumUsaha = jumlah garis sejajar x . tinggiUsaha = ( 3 + 8 ) x . ( 10 2 )Usaha = 44 joule4) Buah kelapa bermassa 2 kg berada pada ketinggian 8 m. Tentukan energi potensial yang dimilikibuah kelapa terhadap permukaan bumi!Penyelesaian:Ep = m . g . hEp = 2 . 10 . 8Ep = 160 N5) Sebuah sepeda dan penumpangnya bermassa 100 kg. Jika kecepatan sepeda dan penumpannya 72 km/jam, tentukan energio kinetik yang dilakukan pemiliki sepeda!Penyelesaian:Ek = . m . v2 ( v = 72 km/jam = 72 x 1000 m / 3600s)Ek = . 100 . 202Ek = 20.000 joule6) Sebuah pegas dengan konstanta pegas 200 N/m diberi gaya sehingga meregang sejauh 10 cm. Tentukan energi potensial pegas yang dialami pegas tersebut!Penyelesaian:Ep = . k . Dx2Ep = . 200 . 0,12Ep = joule7) Suatu benda pada permukaan bumi menerima energi gravitasi Newton sebesar 10 joule. Tentukan energi potensial gravitasi Newton yang dialami benda pada ketinggian satu kali jari-jari bumi dari permukaan bumi!Penyelesaian:

= 2,5 joule8) Buah kelapa 4 kg jatuh dari pohon setinggi 12,5 m. Tentukan kecepatan kelapa saat menyentuh tanah!Penyelesaian:Kelapa jatuh memiliki arti jatuh bebas, sehingga kecepatan awalnya nol. Saat jatuh di tanah berarti ketinggian tanah adalah nol, jadi:m.g.h1 + . m v12 = m.g.h2 + . m . v22jika semua ruas dibagi dengan m maka diperoleh :g.h1 + .v12 = g.h2 + . v2210.12,5 + .02 = 10 . 0 + .v22125 + 0 = 0 + v22v2 = v2 = 15,8 m/s

9) Sebuah benda jatuh dari ketinggian 4 m, kemudian melewati bidang lengkung seperempat lingkaran licin dengan jari-jari 2 m. Tentukan kecepatan saat lepas dari bidang lengkung tersebut!soal-9Penyelesaian :Bila bidang licin, maka sama saja dengangerak jatuh bebas buah kelapa, lintasandari gerak benda tidak perlu diperhatikan,sehingga diperoleh :m.g.h1 + . m v12 = m.g.h2 + . m . v22g.h1 + .v12 = g.h2 + . v2210.6 + .02 = 10 . 0 + .v2260 + 0 = 0 + v22v2 = v2 = 10,95 m/s10) Sebuah mobil yang mula-mula diam, dipacu dalam 4 sekon, sehingga mempunyai kecepatan 108 km/jam. Jika massa mobil 500 kg, tentukan usaha yang dilakukan!Penyelesaian:Pada soal ini telah terdapat perubahan kecepatan pada mobil, yang berarti telah terjadi perubahan energi kinetiknya, sehingga usaha atau kerja yang dilakukan adalah :W = m v22 m v12W = . 500 . 303 . 500 . 02 ( catatan : 108 km/jam = 30 m/s)W = 225.000 joule11) Tentukan usaha untuk mengangkat balok 10 kg dari permukaan tanah ke atas meja setinggi 1,5 m!Penyelesaian:Dalam hal ini telah terjadi perubahan kedudukan benda terhadap suatu titik acuan, yang berarti telah terdapat perubahan energi potensial gravitasi, sehingga berlaku persamaan:W = m g (h1 h2)W = 10 . 10 . (0 1,5)W = 150 jouleTanda ( ) berarti diperlukan sejumlah energi untuk mengangkat balok tersebut.12) Sebuah air terjun setinggi 100 m, menumpahkan air melalui sebuah pipa dengan luas penampang 0,5 m2. Jika laju aliran air yang melalui pipa adalah 2 m/s, maka tentukan energi yang dihasilkan air terjun tiap detik yang dapat digunakan untuk menggerakkan turbin di dasar air terjun!Penyelesaian:Telah terjadi perubahan kedudukan air terjun, dari ketinggian 100 m menuju ke tanah yang ketinggiannya 0 m, jadi energi yang dihasilkan adalah :W = m g (h1 h2)Untuk menentukan massa air terjun tiap detik adalah:Q = A . v (Q = debit air melalui pipa , A = luas penampang , v = laju aliran air)Q = 0,5 . 2Q = 1 m3/sQ = (V = volume, t = waktu, dimana t = 1 detik)1 = V = 1 m3r = (r = massa jenis air = 1000 kg/m3, m = massa air)1000 = m = 1000 kgW = m g (h1 h2)W = 1000 . 10 . (100 0)W = 1.000.000 joule13) Sebuah peluru 20 gram ditembakkan dengan sudut elevasi 30 dan kecepatan awal 40 m/s. Jika gaya gesek dengan udara diabaikan, maka tentukan energi potensial peluru pada titik tertinggi!Penyelesaian:Tinggi maksimum peluru dicapai saat vy = 0 sehingga :vy = vo sin a g .t0 = 40 . sin 30 10 . tt = 2 sSehingga tinggi maksimum peluru adalah :y = vo . sin a . t . g . t2y = 40 . sin 30 . 2 . 10 . 22y = 20 m (y dapat dilambangkan h, yang berarti ketinggian)Jadi energi potensialnya :Ep = m . g . h (20 gram = 0,02 kg)Ep = 0,02 . 10 . 20Ep = 4 joule14) Sebuah benda bermassa 0,1 kg jatuh bebas dari ketinggian 2 m ke hamparan pasir. Jika benda masuk sedalam 2 cm ke dalam pasir kemudian berhenti, maka tentukan besar gaya rata-rata yang dilakukan pasir pada benda tersebut!Penyelesaian:Terjadi perubahan kedudukan, sehingga usaha yang dialami benda:W = m g (h1 h2)W = 0,1 . 10 . (2 0)W = 2 jouleW = F . s2 = F . 0,02 ( 2 cm = 0,02 m)F = 100 Ntanda (-) berarti gaya yang diberikan berlawanan dengan arah gerak benda!15) Sebuah mobil bermassa 1 ton dipacu dari kecepatan 36 km/jam menjadi berkecepatan 144 km/jam dalam 4 sekon. Jika efisiensi mobil 80 %, tentukan daya yang dihasilkan mobil!Penyelesaian:Terjadi perubahan kecepatan, maka usaha yang dilakukan adalah:W = m v22 m v12 (1 ton = 1000 kg, 144 km/jam = 40 m/s, 36 km/jam = 10 m/s)W = 1.000 .(40)2 1.000 . (10 )2W = 750.000 jouleP = P = P = 187.500 watth = 80 % = Pout = 150.000 wattSoal-soal Ulangan 5Soal-soal Pilihan Ganda Pilihlah jawaban yang paling tepat!1. Sebuah balok ditarik di atas lantai dengan gaya 25 N mendatar sejauh 8 m. Usaha yang dilakukan pada balok adalah .a. 25 joule d. 200 jouleb. 50 joule e. 250 joulec. 100 joule2. Gaya 40 N digunakan untuk menarik sebuah benda pada lantai datar. Jika tali yang digunakan untuk menarik benda membentuk sudut 45, sehingga benda berpindah sejauh 42 m, maka besar usaha yang dilakukan adalah .a. 40 joule d. 210 2 jouleb. 120 joule e. 450 2 joulec. 160 joule

3. Sebuah mobil mainan mempunyai kedudukan yang ditunjukkan oleh grafik pada gambar berikut. Usaha yang dilakukan mobil mainan untuk berpindah dari titik asal ke kedudukan sejauh 8 meter adalah .a. 30 joule d. 46 jouleb. 44 joule e. 98 joulec. 45 joule4. Sebuah balok bermassa 3 kg didorong ke atas bidang miring kasar. Jika gaya dorong 24 N ke atas sejajar bidang miring dengan kemiringan 37 dan gaya gesek balok dan bidang miring 3 N, sehingga balok berpindah sejauh 2 m, maka usaha total pada balok adalah .a. 6 joule d. 9 jouleb. 7 joule e. 10 joulec. 8 joule5. Sebuah bola bemassa 1 kg menggelinding dengan kecepatan tetap 4 m/s, maka energi kinetik bola adalah .a. 1 joule d. 4 jouleb. 2 joule e. 8 joulec. 3 joule6. Energi potensial benda bermassa 6 kg pada ketinggian 5 meter adalah .a. 150 joule d. 450 jouleb. 200 joule e. 600 joulec. 300 joule7. Usaha untuk memindahkan balok bermassa 0,25 kg dari ketinggian 1 m ke ketinggian 6 m adalah .a. 12,5 joule d. 8,25 jouleb. 8,25 joule e. 12,25 joulec. 6 joule8. Usaha untuk menggerakkan sepeda bermassa 100 kg dari keadaan diam menjadi berkecepatan 18 km/jam adalah .a. 12.500 joule d. 19.500 jouleb. 18.000 joule e. 20.500 joulec. 18.500 joule9. Kelereng dilempar ke atas dari permukaan tanah dengan kecepatan 8 m/s. Kecepatan kelereng saat ketinggiannya 2 m saat bergerak ke atas adalah .a. 36 m/s d. 8 m/sb. 26 m/s e. 6 m/sc. 2 m/s10. Sebuah balok bermassa 400 gram dijatuhkan dari ketinggian 2 m ke permukaan tanah. Jika di permukaan tanah terdapat pegas dengan konstanta 100 N/m, maka pegas akan tertekan sebesar .a. 0,1 m d. 0,4 mb. 0,2 m e. 0,5 mc. 0,3 m11. Agar sebuah motor bermassa 300 kg berhenti dari kecepatan 36 km/jam sejauh 5 m, maka besar gaya pengereman yang perlu dilakukan adalah .a. 1.000 N d. 4.000 Nb. 2.000 N e. 5.000 Nc. 3.000 N12. Sebuah mesin dapat menurunkan benda 10 kg dari ketinggian 4 m ke permukaan tanah dalam 2 sekon. Daya dari mesin tersebut adalah .a. 125 watt d. 275 wattb. 200 watt e. 300 watc. 250 watt13. Sebuah mobil mempunyai mesin dengan kekuatan 1000 daya kuda. Jika 1 hp = 746 watt, maka daya keluaran mesin dengan efisiensi mesin 90 % adalah .a. 7,460 . 105 watt d. 6,714 . 105 wattb. 7,460 . 104 watt e. 6,714 . 104 wattc. 7,460 . 103 watt14. Air terjun pada ketinggian 40 m mengalirkan air sebanyak 150.000 kg/menit. Jika efisiensi generator 50 %, maka daya yang dihasilkan generator adalah .a. 525 kW d. 450 kWb. 500 kW e. 400 kWc. 475 kW15. Benda bermassa 840 gram jatuh dari ketinggian 10 m. Jika seluruh energi potensial benda dapat diubah menjadi kalor (1 kalori = 4,2 joule), maka energi kalor yang terjadi (dalam kalori) adalah .a. 5 d. 20b. 10 e. 30c. 1516. Sebuah benda jatuh bebas dari ketinggian 125 m. Jika energi potensial awalnya 2500 joule, maka :(1) massa benda 2,5 kg(2) benda sampai di tanah setelah 6,25 sekon(3) kecepatan saat mencapai tanah adalah 50 m/s(4) tepat saat menyentuh tanah energi kinetiknya 1250 jouleDari pernyataan di atas yang benar adalah .a. (1), (2), dan (3) d. (4) sajab. (1) dan (3) e. semua benarc. (2) dan (4)17. Sebuah motor dengan kecepatan 18 km/jam dalam waktu 5 sekon diberhentikan. Jika massa motor 100 kg, maka:(1) perlambatan motor sebesar 1 m/s2(2) usaha yang diperlukan untuk menghentikan motor adalah 1.250 joule(3) gaya rem untuk menghentikan gerak motor sebesar 100 N(4) motor berhenti setelah menempuh jarak 12,5 mDari pernyataan di atas yang benar adalah.a. (1), (2) dan (3) d. (4) sajab. (1) dan (3) e. semua benarc. (2) dan (4)18. Sebuah pegas yang digetarkan, maka pada titik setimbangnya berlaku :(1) Energi kinetik maksimum(2) Energi potensial minimum(3) percepatan nol(4) energi potensial nolDari pernyataan di atas yang benar adalah.a. (1), (2) dan (3) d. (4) sajab. (1) dan (3) e. semua benarc. (2) dan (4)19. Saat sebuah peluru ditembakkan vertikal ke atas dari permukaan tanah, maka berlaku (1) di permukaan tanah energi kinetik minimum(2) di permukaan tanah energi potensial maksimum(3) di titik tertinggi energi kinetik maksimum(4) di titik tertinggi energi potensial maksimumDari pernyataan di atas yang benar adalah.a. (1), (2) dan (3) d. (4) sajab. (1) dan (3) e. semua benarc. (2) dan (4)20. Saat sebuah benda mengalami gerak jatuh bebas dari ketinggian h, maka berlaku (1) di titik tertinggi energi kinetiknya maksimum(2) di titik tertinggi energi kinetiknya minimum(3) di titik terendah energi potensialnya maksimum(4) di titik terendah energi potensialnya minimumDari pernyataan di atas yang benar adalah.a. (1), (2) dan (3) d. (4) sajab. (1) dan (3) e. semua benarc. (2) dan (4)Jawablah dengan singkat dan jelas!1. Sebuah balok dengan massa 5 kg ditarik gaya mendatar 6 N. Tentukan usaha untuk memindahkan balok sejauh 3 m!2. Jika balok ditarik gaya 7 N, dan gaya gesek yang menghambat gerak balok 2 N, sehingga balok berpindah 2 m, maka tentukan usaha yang dilakukan!3. Tentukan usaha untuk memindahkan buku 200 gram yang terletak di permukaan tanah, agar dapat diletakkan di atas meja setinggi 1,25 m!4. Buah apel bermassa 100 gram jatuh dari ketinggian 2 m. Tentukan kecepatan buah apel saat menyentuh tanah!5. Tentukan besar usaha yang diperlukan, jika balok bermassa 10 kg di atas lantai licin ditarik gaya 20 N membentuk sudut 63 terhadap horisontal, sehingga balok berpindah sejauh 5 m!6. Tentukan energi potensial benda bermassa 2,5 kg pada ketinggian 3 m!7. Tentukan energi kinetik benda 3 kg berkecepatan 18 km/jam !8. Benda 1 kg jatuh bebas dari ketinggian 6,25 m. Tentukan kecepatan benda saat mencapai tanah!9. Pada puncak bidang miring licin dengan kemiringan 37 sebuah balok diam dilepaskan. Jika panjang bidang miring 2 m, dan massa balok 0,5 kg, tentukan kecepatan balok di dasar bidang miring!10. Sebuah mobil dengan rem blong dan berkecepatan 36 km/jam menaiki tanjakan dengan kemiringan 37. Berapa besar gaya gesek roda dan jalan tanjakan itu sehingga mobil berhenti?11. Akmal menaiki tangga setinggi 4 m dalam waktu 5 sekon. Tentukan daya yang dimiliki Akmal!12. Sebuah balok 200 gram dengan kecepatan 2 m/s bergerak di atas lantai datar licin. Jika di depan balok terdapat pegas dengan konstanta 200 N/m, maka tentukan berapa besar pegas akan tertekan hingga balok tersebut berhenti!13. Jika benda 2 kg yang bergerak dengan kecepatan 2 m/s dilewatkan pada bidang kasar sehingga berhenti dalam 0,5 m, maka tentukan gaya gesek yang menghentikan balok tersebut!14. Jika kelereng 100 gram dilempar Hafidz dengan kecepatan awal 10 m/s, maka tentukan energi potensial kelereng saat ketinggiannya dari ketinggian maksimalnya!15. Sebuah peluru bermassa 40 gram ditembakkan Kopral Joko dengan sudut elevasi 53 dan kecepatan awal 20 m/s. Tentukan energi total peluru di titik tertinggi!

Rangkuman 1. Usaha adalah hasil kali resultan gaya dengan perpindahan, dirumuskan sebagai berikut:

2. Energi kinetik adalah energi yang dimiliki benda bergerak, dirumuskan sebagai berikut:

3. Energi potensial adalah energi yang dimiliki benda karena posisinya, dirumuskan sebagai berikut:

4. Energi mekanik adalah jumlah energi potensial dan energi mekanik, dirumuskan sebagai berikut:

5. Usaha pada arah mendatar sama dengan perubahan energi kinetik

6. Usaha pada arah vertikal sama dengan perubahan energi potensial

7. Hukum Kekekalan Energi Mekanik

8. Daya adalah energi tiap satuan waktuP = W/t

Glosarium Daya = energi tiap satuan waktu Energi = kemampuan untuk melakukan usaha Energi kinetik = energi yang dimiliki benda karena kecepatannya. Energi mekanik = energi total yang dimiliki benda. Energi potensial = energi yang dimiliki benda karena kedudukannya. Energi potensial gravitasi = energi yang dimiliki benda karena ketinggian dari pusat bumi. Energi potensial pegas = energi yang dimiliki oleh pegas Gaya = tarikan atau dorongan oleh sumber gaya pada suatu benda. Efisiensi = prosentase perbandingan antara nilai keluaran dengan nilai masukan. Perubahan energi = energi hanya dapat berubah bentuk, tidak bisa hilang dan tidak dapat diciptakan. Usaha = hasil kali antara gaya dan perpindahan.

engertian Usaha Dan Energi, Daya, Rumus, Potensial, Hukum Kekekalan Energi Mekanik, Efisiensi, Contoh Soal, Kunci Jawaban

Pengertian Usaha Dan Energi, Daya, Rumus, Potensial, Hukum Kekekalan Energi Mekanik, Efisiensi, Contoh Soal, Kunci Jawaban - Pada bab ini, Anda akan diajak untuk dapat menganalisis gejala alam dan keteraturannya dalam cakupan mekanika benda titik dengan cara menganalisis hubungan antara usaha, perubahan energi, dan hukum kekekalan energi mekanik, serta menerapkan hukum kekekalan energi mekanik untuk menganalisis gerak dalam kehidupan sehari-hari. Kehidupan manusia tidak pernah lepas dari usaha dan energi. Manusia membutuhkan energi agar dapat melakukan usaha. Tahukah Anda definisi usaha dalam Fisika? Benarkah suatu hari nanti energi yang digunakan untuk melakukan usaha tersebut akan habis?

Dalam Fisika, dikenal adanya Hukum Kekekalan Energi. Menurut hukum tersebut, energi yang digunakan oleh seorang atlet papan seluncur (skateboard) ketika melakukan peluncuran dari titik tertinggi hingga titik lain pada bidang luncur, jumlah energinya selalu sama atau konstan. Hanya saja, energi tersebut berubah dari energi potensial menjadi energi kinetik atau sebaliknya. Bagaimanakah cara menentukan besar energi potensial dan energi kinetik tersebut? Bagaimanakah hubungannya dengan usaha yang dilakukan oleh atlet skateboard untuk meluncur? Bagaimana juga hubungan usaha dan energi tersebut dengan kecepatan atlet skateboard untuk meluncur?

Atlet skateboard. [1]

Agar Anda dapat menjawab pertanyaan-pertanyaan tersebut, pelajarilah pembahasan materi dalam Bab ini yang akan menjelaskan tentang usaha, energi, dan daya dalam Fisika.

Pada bab ini, Anda akan diajak untuk dapat menganalisis gejala alam dan keteraturannya dalam cakupan mekanika benda titik dengan cara menganalisis hubungan antara usaha, perubahan energi, dan hukum kekekalan energi mekanik, serta menerapkan hukum kekekalan energi mekanik untuk menganalisis gerak dalam kehidupan sehari-hari.

A. Usaha

Kata usaha dalam kehidupan sehari-hari adalah berbagai aktivitas yang dilakukan manusia. Contohnya, Valentino Rossi berusaha meningkatkan kelajuan motornya untuk menjadi juara dunia Moto GP yang ke delapan kalinya, Ronaldinho berusaha mengecoh penjaga gawang agar dapat mencetak gol, dan Firdaus berusaha mempelajari Fisika untuk persiapan ulangan harian.

Anda pun dikatakan melakukan usaha saat mendorong sebuah kotak yang terletak di atas lantai. Besar usaha yang Anda lakukan bergantung pada besar gaya yang Anda berikan untuk mendorong kotak dan besar perpindahan kotak.

Dalam Fisika, usaha memiliki definisi yang lebih khusus. Jika Anda memberikan gaya konstan F pada suatu benda sehingga menyebabkan benda berpindah sejauh s, usaha W yang dilakukan gaya tersebut dinyatakan dengan :

W = F x s (1-1)

dengan :

F = gaya (N),s = perpindahan (m), danW = usaha (Nm = joule).

Gambar 1.Sebuah balok yang berpindah sejauh karena gaya memiliki usaha W=Fs.

Terdapat dua persyaratan khusus mengenai definisi usaha dalam Fisika ini. Pertama, gaya yang diberikan pada benda haruslah menyebabkan benda tersebut berpindah sejauh jarak tertentu. Perhatikanlah Gambar 2. Walaupun orang tersebut mendorong dinding tembok hingga tenaganya habis, dinding tembok tersebut tidak berpindah. Dalam Fisika, usaha yang dilakukan orang tersebut terhadap dinding tembok sama dengan nol atau ia dikatakan tidak melakukan usaha pada dinding tembok karena tidak terjadi perpindahan pada objek kerja/usaha yaitu dinding tembok. Kedua, agar suatu gaya dapat melakukan usaha pada benda, gaya tersebut harus memiliki komponen arah yang paralel terhadap arah perpindahan.

Gambar 2.Contoh gaya yang tidak menimbulkan perpindahan benda sehingga W = 0. [2]

Perhatikanlah Gambar 3. Juwita menarik kereta api mainan dengan menggunakan tali sehingga gaya tariknya membentuk sudut terhadap bidang horizontal dan kereta api mainan tersebut berpindah sejauh s.

Gambar 3.Gaya tarik yang dilakukan Juwita membentuk sudut terhadap arah perpindahannya. [2]

Dengan demikian, gaya yang bekerja pada kereta api mainan membentuk sudut terhadap arah perpindahannya. Oleh karena itu, besar usaha yang dilakukan gaya tersebut dinyatakan dengan persamaan :

W = F cos s (1-2)

dengan = sudut antara gaya dan perpindahan benda (derajat).

Contoh Soal 1 :

Sebuah benda yang beratnya 10 N berada pada bidang datar. Pada benda tersebut bekerja sebuah gaya mendatar sebesar 20 N sehingga benda berpindah sejauh 50 cm. Berapakah usaha yang dilakukan oleh gaya tersebut?

usaha yang dilakukan oleh gayaKunci Jawaban :

Diketahui :

W = 10 N,F = 20 N, dans = 50 cm.W = FsW = (20 N)(0,5 m) = 10 joule

Contoh Soal 2 :

Sebuah gaya F = (3i + 4j) N melakukan usaha dengan titik tangkapnya berpindah menurut r = (5i + 5j) m dan vektor i dan j berturut-turut adalah vektor satuan yang searah dengan sumbu-x dan sumbu-y pada koordinat Cartesian. Berapakah usaha yang dilakukan gaya tersebut?

Kunci Jawaban :

Diketahui: F = (3i + 4j)N dan r = (5i + 5j)m.W = F x s atau W = F x r = (3i + 4j)N x (5i + 5j)m = 15 + 20 = 35 joule

Contoh Soal 3 :

Sebuah balok bermassa 10 kg ditarik dengan gaya 50 N sehingga berpindah sejauh 8 m. Jika = 60 dan gesekan antara balok dan lantai diabaikan, berapakah usaha yang dilakukan gaya itu?balok bermassa 10 kg ditarik dengan gaya 50 NKunci Jawaban :

Diketahui: F = 50 N, s = 8 m, dan = 60.

W = F cos sW = (50 N)(cos 60)(8 m)W = (50 N)(1/2)(8 m)W = 200 joule.

Contoh Soal 4 :

Sebuah benda m = 4 kg ditarik dengan gaya 60 N (lihat gambar). Usaha yang dilakukan gaya tersebut untuk memindahkan benda sejauh 5 m adalah ...benda m = 4 kg ditarik dengan gaya 60 Na. 40 jouleb. 75 joulec. 150 jouled. 200 joulee. 300 joule

Kunci Jawaban :

W = FsW = 60 cos (60). 5W = (60) (1/2 ) (5)W = 150 joule

Jawab: c

B. Energi

1. Pengertian Energi

Energi memegang peranan yang sangat penting bagi kehidupan manusia dan kemajuan suatu negara. Seluruh aktivitas kehidupan manusia bisa dilakukan dengan melibatkan penggunaan energi. Pada zaman prasejarah sampai awal zaman sejarah, hanya kayu yang digunakan sebagai sumber energi untuk keperluan memasak dan pemanasan. Sekitar awal abad ke-13 mulai digunakan batubara. Penemuan mesin uap yang menggunakan batubara sebagai sumber energinya pada abad ke-18 membawa perkembangan baru dalam kehidupan manusia. Mesin uap ini mampu menghasilkan energi yang cukup besar untuk menggerakkan mesin-mesin industri sehingga memacu api revolusi industri di Eropa, di mana energi mulai digunakan secara besar-besaran.

Pada awal abad ke-19, muncullah minyak bumi yang berperan sebagai sumber energi untuk pemanasan dan penerangan sehingga mulai menggantikan peran batubara. Kemudian, peran minyak bumi pun mulai digantikan oleh energi listrik pada akhir abad ke-19.

Gambar 4.Skema pembangkit listrik tenaga batubara.

Energi listrik dihasilkan dari proses pengubahan energi gerak putaran generator. Pada umumnya, sumber energi yang digunakan untuk memutar generator berasal dari minyak bumi, batubara, dan gas alam. Oleh karena energi listrik ini dihasilkan dari proses pengubahan energi lain yang tersedia di alam, energi listrik disebut juga energi sekunder. Energi listrik terus memegang peranan penting dalam kehidupan manusia sampai saat ini. Pada abad ke-20 ditemukan lagi alternatif sumber energi yang dapat dimanfaatkan oleh manusia, di antaranya energi panas bumi, nuklir, dan surya.

Apakah energi itu? Secara umum, dapat dikatakan bahwa energi adalah kemampuan untuk melakukan usaha. Anda membutuhkan energi agar dapat berjalan, berlari, bekerja, dan melakukan berbagai aktivitas lainnya. Dari manakah energi yang Anda butuhkan untuk beraktivitas tersebut? Makanan dan minuman memberikan Anda energi kimia yang siap dibakar dalam tubuh sehingga akan dihasilkan energi yang Anda perlukan untuk melakukan usaha atau aktivitas sehari-hari. Mobil dan sepeda motor dapat bergerak karena adanya sumber energi kimia yang terkandung dalam bensin. Dapatkah Anda menyebutkan bentuk-bentuk energi lainnya yang Anda ketahui?

Energi baru dapat dirasakan manfaatnya apabila energi tersebut telah berubah bentuk. Contohnya, energi kimia dalam bahan bakar berubah menjadi energi gerak untuk memutar roda. Energi listrik berubah menjadi energi cahaya lampu, menjadi energi kalor pada setrika, rice cooker, magic jar, dan dispenser, serta menjadi energi gerak pada bor, mesin cuci, mixer, dan kipas angin.

Tokoh Fisika :

James Prescott Joule

James Prescott Joule. [3]

Joule dilahirkan di Salford, Inggris. Ia mempelajari pengaruh pemanasan menggunakan aliran listrik dan menyadari bahwa panas adalah suatu bentuk energi. Namanya kemudian digunakan sebagai ukuran satuan energi. (Sumber: Jendela Iptek, 1997)

2. Energi Potensial

Suatu benda dapat menyimpan energi karena kedudukan atau posisi benda tersebut. Contohnya, suatu beban yang diangkat setinggi h akan memiliki energi potensial, sementara busur panah yang berada pada posisi normal (saat busur itu tidak diregangkan) tidak memiliki energi potensial. Dengan demikian, energi potensial adalah energi yang tersimpan dalam suatu benda akibat kedudukan atau posisi benda tersebut dan suatu saat dapat dimunculkan.

Energi potensial terbagi atas dua, yaitu energi potensial gravitasi dan energi potensial elastis. Energi potensial gravitasi ini timbul akibat tarikan gaya gravitasi Bumi yang bekerja pada benda. Contoh energi potensial gravitasi ini adalah seperti pada Gambar 5a.

Gambar 5.(a) Beban yang digantung pada ketinggian tertentu memiliki energi potensial gravitasi. (b) Busur yang teregang memiliki energi potensial elastis, sedangkan yang tidak teregang tidak memiliki energi potensial. [2]

Jika massa beban diperbesar, energi potensial gravitasinya juga akan membesar. Demikian juga, apabila ketinggian benda dari tanah diperbesar, energi potensial gravitasi beban tersebut akan semakin besar. Hubungan ini dinyatakan dengan persamaan :

EP = mgh (1-3)

dengan:

EP = energi potensial (joule),w = berat benda (newton) = mg,m = massa benda (kg),g = percepatan gravitasi bumi (m/s2), danh = tinggi benda (m).

Sebuah benda yang berada pada suatu ketinggian tertentu apabila dilepaskan, akan bergerak jatuh bebas sebab benda tersebut memiliki energi potensial gravitasi. Energi potensial gravitasi benda yang mengalami jatuh bebas akan berubah karena usaha yang dilakukan oleh gaya berat. Perhatikanlah Gambar 6.

Gambar 6.Usaha yang ditimbulkan oleh gaya berat sebesar mg(h2 h1).

Apabila tinggi benda mula-mulah1usaha yang dilakukan oleh gaya berat untuk mencapai tempat setinggih1adalah sebesar:

Ww = mgh1 mgh2Ww = mg (h1 h2)

Ww = mg(h2 h1) (1-4)

dengan:

Ww= usaha oleh gaya berat.

Oleh karena mgh = EP, perubahan energi potensial gravitasinya dapat dinyatakan sebagai EP sehingga Persamaan (14) dapat dituliskan :

Ww= EP (1-5)

Contoh Soal 5 :

Mula-mula, sebuah benda dengan massa 2 kg berada di permukaan tanah. Kemudian, benda itu dipindahkan ke atas meja yang memiliki ketinggian 1,25 m dari tanah. Berapakah perubahan energi potensial benda tersebut? (g = 10 m/s2).

Kunci Jawaban :

Diketahui: m = 2 kg,h2= 1,25 m, dan g = 10 m/s2.

Perubahan energi potensial benda:EP = mg (h2 h1)EP = (2 kg) (10 m/s2) (1,25 m 0 m) = 25 joule

Jadi, perubahan energi potensialnya 25 joule.

Contoh Soal 6 :

Sebuah benda berada pada ketinggian 40 m dari tanah. Kemudian, benda itu jatuh bebas. Berapakah usaha yang dilakukan oleh gaya berat hingga benda sampai ke tanah? Diketahui massa benda adalah 1,5 kg dan percepatan gravitasi bumi 10 m/s2.

Kunci Jawaban :

Diketahui:h1= 40 m,h2= 0, m = 1,5 kg, dan g = 10 m/s2.

Ww = mgh1 mgh2Ww = mg (h2h1)Ww = (1,5 kg)(10 m/s2)(40 m 0 m)Ww = 600 joule

Contoh Soal 7 :

Sebuah benda bermassa 0,10 kg jatuh bebas vertikal dari ketinggian 2 m ke hamparan pasir. Jika benda itu masuk sedalam 2 cm ke dalam pasir sebelum berhenti, besar gaya rata-rata yang dilakukan pasir untuk menghambat benda adalah sekitar ....benda bermassa 0,10 kg jatuh bebas vertikal dari ketinggian 2 m ke hamparan pasira. 30 Nb. 50 Nc. 60 Nd. 90 Ne. 100 N

Kunci Jawaban :

Fs = mg h(F )(2 cm) = (0,10 kg)(10 m/s2)(2,02 m)F = 100,1 N~100 N

Jawab: e

Bentuk energi potensial yang kedua adalah energi potensial elastis. Energi potensial adalah energi yang tersimpan di dalam benda elastis karena adanya gaya tekan dan gaya regang yang bekerja pada benda. Contoh energi potensial ini ditunjukkan pada Gambar 5b. Besarnya energi potensial elastis bergantung pada besarnya gaya tekan atau gaya regang yang diberikan pada benda tersebut.

Anda telah mempelajari sifat elastis pada pegas dan telah mengetahui bahwa gaya pemulih pada pegas berbanding lurus dengan pertambahan panjangnya. Pegas yang berada dalam keadaan tertekan atau teregang dikatakan memiliki energi potensial elastis karena pegas tidak berada dalam keadaan posisi setimbang. Perhatikanlah Gambar 7.

Gambar 7.Grafik hubungan F(N) terhadap x pada kurva F = kx.

Grafik tersebut menunjukkan kurva hubungan antara gaya dan pertambahan panjang pegas yang memenuhi Hukum Hooke. Jika pada saat Anda menarik pegas dengan gaya sebesarF1 pegas itu bertambah panjang sebesar x1. Demikian pula, jika Anda menarik pegas dengan gaya sebesarF2 pegas akan bertambah panjang sebesar x2. Begitu seterusnya. Dengan demikian, usaha total yang Anda berikan untuk meregangkan pegas adalah :

W = F1 x1 + F2 x2 + ...

Besarnya usaha total ini sama dengan luas segitiga di bawah kurva F terhadap x sehingga dapat dituliskan

W = F xW = (k x x)W = k x2 (16)

Oleh karena usaha yang diberikan pada pegas ini akan tersimpan sebagai energi potensial, dapat dituliskan persamaan energi potensial pegas adalah sebagai berikut.

EP = k x2

Energi potensial pegas ini juga dapat berubah karena usaha yang dilakukan oleh gaya pegas. Besar usaha yang dilakukan oleh gaya pegas itu dituliskan dengan persamaan

W = EP (17)

Contoh Soal 8 :

Sebuah pegas yang tergantung tanpa beban panjangnya 15 cm. Kemudian, ujung bawah pegas diberi beban 5 kg sehingga pegas bertambah panjang menjadi 20 cm.

Tentukanlah:

a. tetapan pegas, danb. energi potensial elastis pegas.

Kunci Jawaban :

Diketahui:l0= 15 cm,l1= 20 cm = 0,2 m, dan m = 5 kg.tetapan pegas energi potensial elastis pegasContoh Soal 9 :

Perhatikan grafik hubungan gaya (F) dan pertambahan panjang pegas (x) berikut. Tentukan energi potensial elastis pegas pada saat pegas ditarik dengan gaya 50 N.grafik hubungan gaya (F) dan pertambahan panjang pegas (x)Kunci Jawaban :

Diketahui F = 50 N.

W = 1/2 (F) (x) = 1/2 (50 N) (2 m) = 50 joule

3. Energi Kinetik

Enegi kinetik adalah energi yang dimiliki suatu benda karena gerakannya. Jadi, setiap benda yang bergerak memiliki energi kinetik. Contohnya, energi kinetik dimiliki oleh mobil yang sedang melaju, pesawat yang sedang terbang, dan anak yang sedang berlari. Perhatikanlah Gambar 8.

Gambar 8.Gaya F menyebabkan benda bergerak sejauh s sehingga kecepatan benda berubah dari v1 menjadi v2.

Benda bermassa m1 bergerak dengan kecepatanv1 Benda tersebut bergerak lurus berubah beraturan sehingga setelah menempuh jarak sebesar s, kecepatan benda berubah menjadiv1 Oleh karena itu, pada benda berlaku persamaanv2=v1+ at dan s =v1 + at2 Anda telah mengetahui bahwa percepatan yang timbul pada gerak lurus berubah beraturan berhubungan dengan gaya F yang bekerja padanya sehingga benda bergerak dengan percepatan a.

Besar usaha yang dilakukan gaya sebesar F pada benda dapat dihitung dengan persamaan

W = Fs = mas (18)

Oleh karena gerak benda adalah gerak lurus berubah beraturan, nilai a dan s pada Persamaan (48) dapat disubstitusikan dengan persamaan a dan s dari gerak lurus berubah beraturan, yaitu :

sehingga diperoleh :persamaan a dan s dari gerak lurus berubah beraturan (19)Besaran mv2merupakan energi kinetik benda karena menyatakan kemampuan benda untuk melakukan usaha. Secara umum, persamaan energi kinetik dituliskan sebagai :

EK = mv2 (110)

dengan:

EK = energi kinetik (joule),m = massa benda (kg), danv = kecepatan benda (m/s).

Dari Persamaan (110), Anda dapat memahami bahwa energi kinetik benda berbanding lurus dengan kuadrat kecepatannya. Apabila kecepatan benda meningkat dua kali lipat kecepatan semula, energi kinetik benda akan naik menjadi empat kali lipat. Dengan demikian, semakin besar kecepatan suatu benda, energi kinetiknya akan semakin besar pula.

Perubahan energi kinetik benda dari EK = mv12menjadi EK = mv22merupakan besar usaha yang dilakukan oleh resultan gaya yang bekerja pada benda. Secara matematis, persamaannya dapat dituliskan sebagai :

W = mv22 mv12

W = EK2 EK1 = EK (111)

Contoh Soal 10 :

Sebuah peluru yang massanya 10 gram, bergerak dengan kecepatan 80 m/s. Tentukanlah energi kinetik peluru pada saat itu.

Kunci Jawaban :

Diketahui: m = 10 gram = 1 102kg dan v = 80 m/s.

Energi kinetik peluru adalah :

EK = mv2= (1 102 kg)(80 m/s)2 = 32 joule.

Contoh Soal 11 :

Sebuah benda bermassa 2 kg berada dalam keadaan diam pada sebuah bidang datar yang licin. Kemudian, pada benda tersebut bekerja sebuah gaya F = 20 N sehingga kecepatannya menjadi 10 m/s.usaha yang dilakukan oleh gaya F jarak yang telah ditempuhTentukanlah:

a. usaha yang dilakukan oleh gaya F, danb. jarak yang telah ditempuh.

Kunci Jawaban :

Diketahui: mula-mula benda dalam keadaan diam, berartiv1= 0,v2sebesar 10 m/s, dan massa benda m = 2 kg.

Dengan mempergunakan Persamaan (110), diperoleh :

a. Usaha yang dilakukan oleh gaya F:

W = mv22 mv12W= (1/2)(2 kg)(10 m/s)2 0W = 100 joule.

b. Jarak yang ditempuh:W = Fs 100 J = (20 N)(s)s = 100J / 20N = 5 meter

Catatan Fisika :

Ketiga mesin utama pesawat luar angkasa dapat menghasilkan daya sebesar 33.000 MW. Daya sebesar ini dihasilkan ketiga mesin tersebut dengan membakar 3.400 kg bahan bakar setiap sekon. Hal ini, seperti mengosongkan kolam renang berukuran sedang dalam waktu 20 sekon. (Sumber: Conceptual Physic, 1998)

4. Hukum Kekekalan Energi Mekanik

Dalam proses melakukan usaha, benda yang melakukan usaha itu memindahkan energi yang dimilikinya ke benda lain. Energi yang dimiliki benda agar benda itu dapat melakukan usaha dinamakan energi mekanik.

Gambar 9.Energi mekanik benda dalam bentuk energi potensial dan energi kinetik dapat diubah menjadi usaha. [2]

Perhatikanlah Gambar 9. Beban yang ditarik sampai di ketinggian h memiliki energi mekanik dalam bentuk energi potensial. Saat tali yang menahan berat beban digunting, energi berubah menjadi energi kinetik. Selanjutnya, saat beban menumbuk pasak yang terletak di bawahnya, beban tersebut memberikan gaya yang menyebabkan pasak terbenam ke dalam tanah. Beban itu dikatakan melakukan usaha pada pasak.

Dengan demikian, energi mekanik dapat didefinisikan sebagai jumlah energi potensial dan energi kinetik yang dimiliki oleh suatu benda, atau disebut juga energi total. Besarnya energi mekanik suatu benda selalu tetap, sedangkan energi kinetik dan energi potensialnya dapat berubah-ubah. Penulisannya secara matematis adalah sebagai berikut.

EM = EP + EK (112)

Benda yang jatuh bebas akan mengalami perubahan energi kinetik dan energi potensial gravitasi. Perhatikanlah Gambar 10.

Gambar 10.Hukum Kekekalan Energi Mekanik suatu bola yang jatuh bebas dari ketinggian h1 dengan kecepatan awal v1 ke ketinggian h2 dengan kecepatan v2.

Suatu bola dilepaskan dari suatu ketinggian sehingga saat bola berada pada ketinggianh1dari permukaan tanah, bola itu memilikiv1 Setelah mencapai ketinggianh2dari permukaan tanah, kecepatan benda berubah menjadiv2.

Saat bola benda berada di ketinggianh1 energi potensial gravitasinya adalahEP1dan energi kinetiknyaEK1. Saat benda mencapai ketinggianh2 energi potensialnya dinyatakan sebagaiEP2dan energi kinetiknyaEK2. Anda telah mempelajari bahwa perubahan energi kinetik dan energi potensial benda adalah usaha yang dilakukan gaya pada benda. Dengan demikian, dapat dituliskan

W = EK = EPEK2 EK1 = EP1 EP2EP1 + EK1 = EP2 + EK2mgh1 + mv12 = mgh2 + mv22 (113)

Persamaan (113) ini disebut Hukum Kekekalan Energi Mekanik.

Contoh Soal 12 :

Sebuah benda berada dalam keadaan diam pada ketinggian 80 cm dari permukaan tanah. Massa benda 5 kg dan percepatan gravitasi bumi g = 10 m/s2. Tentukan energi mekanik benda tersebut.Kunci Jawaban :

Diketahui: v = 0 m/s, h = 80 cm = 0,8 m, dan g = 10 m/s2.

EM = EP + EKEM = mgh + mv2EM = (5 kg)(10 m/s2)(0,8 m) + 0 = 40 joule

Jadi, energi mekanik benda yang diam akan sama dengan energi potensialnya karena energi kinetiknya nol.

Contoh Soal 13 :

Sebuah bola yang massanya 2 kg jatuh bebas dari ketinggian 30 meter. Jika g = 10 m/s2, pada saat bola tersebut mencapai ketinggian 10 meter dari permukaan tanah, tentukanlah:kecepatan energi kinetik energi potensiala. kecepatannya,b. energi kinetiknya, danc. energi potensialnya.Kunci Jawaban :

Diketahui: m = 2 kg,h1= 30 m,h2= 10 m, dan g = 10 m/s2.

a. Kecepatan pada kedudukan (2):
v22 = v12 + 2g(h1 h2) = 0 + (2 kg)(10 m/s2)(20 m)

b. Energi kinetik pada kedudukan (2):

EK2 = mv22 = (2 kg)(20 m/s)2 = 400 joule

c. Energi potensial pada kedudukan (2):

EP2 = mgh2 = (2 kg)(10 m/s2)(10 m) = 400 joule

Contoh Soal 14 :

Sebuah benda jatuh dari ketinggian 6 meter dari atas tanah. Berapakah kecepatan benda tersebut pada saat mencapai ketinggian 1 meter dari tanah, jika percepatan gravitasi bumi 10 m/s2?Benda jatuh bebas kecepatan percepatan gravitasi bumiKunci Jawaban :

Diketahui: h1 = 6 m, h2 = 1 m, dan g = 10 m/s2.

EP1 + EK1 = EP2 + EK2

kecepatan benda jatuh pada saat mencapai ketinggian 1 meter dari tanahTokoh Fisika :

Alat Percobaan Joule

Joule's Heat Apparatus, 1845. [3]

Alat tersebut digunakan oleh James Joule untuk mengukur padanan mekanis dengan panas. Dengan membandingkan usaha yang dilakukan pemberat yang jatuh dengan panas yang dihasilkan, Joule berkesimpulan bahwa jumlah usaha yang sama selalu menghasilkan jumlah panas yang sama. (Sumber: Jendela Iptek, 1997)

C. Daya

1. Pengertian Daya

Besaran usaha menyatakan gaya yang menyebabkan perpindahan benda. Namun, besaran ini tidak memperhitungkan lama waktu gaya itu bekerja pada benda sehingga menyebabkan benda berpindah. Kadang-kadang usaha dilakukan sangat cepat dan di saat lain usaha dilakukan sangat lambat. Misalnya, Ani mendorong lemari untuk memindahkannya dari pojok kamar ke sisi lain kamar yang berjarak 3 m. Dalam melakukan usahanya itu, Ani membutuhkan waktu 5 menit. Apabila lemari yang sama dipindahkan oleh Arif, ia membutuhkan waktu 3 menit. Ani dan Arif melakukan usaha yang sama, namun keduanya membutuhkan waktu yang berbeda. Besaran yang menyatakan besar usaha yang dilakukan per satuan waktu dinamakan daya.

Dengan demikian, Anda dapat mengatakan bahwa Arif memiliki daya yang lebih besar daripada Ani. Daya didefinisikan sebagai kelajuan usaha atau usaha per satuan waktu. Daya dituliskan secara matematis sebagai berikut.

P = W / t (114)

dengan:

W = usaha (joule),t = waktu (sekon), danP = daya (J/s atau watt).

Mobil, motor, atau mesin-mesin lainnya sering dinyatakan memiliki daya sekian hp (horse power) yang diterjemahkan dalam Bahasa Indonesia sebagai daya kuda dengan 1 hp = 746 watt.

Dalam perhitungan teknik, besarnya 1 hp kadang-kadang dibulatkan, yaitu 1 hp = 750 watt. Hubungan antara daya dan kecepatan diturunkan sebagai berikut.

(115)

dengan:

F = gaya (N), danv = kecepatan (m/s).

Percobaan Fisika Sederhana :

Menghitung Daya Saat Menaiki Tangga

Alat dan BahanDua orang (Anda dan salah seorang teman Anda)

Tangga

Stopwatch

Timbangan

Meteran

Prosedur :Menghitung Daya Saat Menaiki TanggaTimbanglah berat badan Anda, kemudian konversikan satuannya dalam Newton.

Ukurlah tinggi tangga (h).

Jalankan stopwatch dan larilah ke atas tangga secepat yang Anda mampu. Hitunglah jumlah anak tangga yang Anda lalui sambil berlari.

Hentikan stopwatch saat Anda mencapai puncak tangga.

Hitunglah daya yang telah Anda keluarkan saat berlari menaiki tangga menurut persamaan berikut.

Ulangilah langkah 1 sampai dengan 5, tetapi kegiatannya dilakukan oleh teman Anda. Samakah daya yang Anda keluarkan dengan teman Anda? Diskusikan.

Apakah kesimpulan yang Anda dapatkan dari kegiatan ini?

Contoh Soal 15 :

Seorang petugas PLN yang massanya 50 kg menaiki tangga sebuah tower yang tingginya 30 m dalam waktu 2 menit. Jika g = 10 m/s2, berapakah daya yang dikeluarkan petugas PLN tersebut?

Kunci Jawaban :

Diketahui: m = 50 kg, h = 30 m, t = 2 menit, dan g = 10 m/s2.

P = 125 watt

Contoh Soal 16 :

Sebuah mesin pesawat terbang mampu memberikan gaya dorong sebesar 20.000 N. Berapakah daya yang dihasilkan mesin ketika pesawat mengangkasa dengan kecepatan 250 m/s?

Kunci Jawaban :

Diketahui: F = 20.000 N dan v = 250 m/s

P = F v = (20.000 N)(250 m/s) = 5.000.000 watt

2. Efisiensi atau Daya Guna Pengubah Energi

Anda telah mempelajari bahwa energi akan terasa manfaatnya ketika energi tersebut berubah bentuk menjadi energi lain, seperti energi listrik akan terasa manfaatnya jika berubah menjadi cahaya, gerak, panas, atau bentuk energi yang lainnya. Akan tetapi, alat atau mesin pengubah energi tidak mungkin mengubah seluruh energi yang diterimanya menjadi energi yang bermanfaat. Sebagian energi akan berubah menjadi energi yang tidak bermanfaat atau terbuang yang biasanya dalam bentuk energi kalor atau panas.

Perbandingan antara energi yang bermanfaat (keluaran) dan energi yang diterima oleh alat pengubah energi (masukan) disebut efisiensi. Secara matematis dituliskan sebagai berikut.

Contoh Soal 17 :

Sebuah motor yang memiliki daya 1.800 watt mampu mengangkat beban sebesar 1.200 N sampai ketinggian 50 m dalam waktu 20 sekon. Berapakah efisiensi motor itu?

Kunci Jawaban :

Diketahui: P = 1.800 watt, F = 1.200 N, s = 50 m, dan t = 20 s.efisiensi daya motor

Contoh Soal 18 :

Besarnya usaha yang diperlukan untuk menggerakkan mobil (massa mobil dan isinya adalah 1.000 kg) dari keadaan diam hingga mencapai kecepatan 72 km/jam adalah .... (gesekan diabaikan):

a. 1,25 104 Jb. 2,50 104 Jc. 2,00 104 Jd. 6,25 104 Je. 4,00 104 J

Kunci Jawaban :

Usaha = Perubahan energi kinetik

W = EK

W = mv2 = (103 kg) (202 m/s)
karena: v = 72 km/jam = 20 m/s

W = 2 105joule

Jawab: c

Rangkuman :1. Usaha adalah perkalian antara gaya dan perpindahan benda. Satuannya dalam joule,

W = F x s

2. Energi adalah kemampuan untuk melakukan usaha. Energi tidak dapat dimusnahkan. Energi hanya dapatberubah bentuk.

3. Energi potensial adalah energi yang dimiliki benda karena kedudukannya (posisinya), yaitu

EP = mgh

4. Energi kinetik adalah energi yang dimiliki oleh benda yang bergerak, yaitu :

EK = mv2

5. Energi mekanik adalah jumlah energi potensial dan energi kinetik yang terdapat pada benda, yaitu :

EM = EP + EK

6. Hukum Kekekalan Energi Mekanik menyatakan bahwa energi mekanik benda tetap. Hukum ini berlaku apabila tidak terdapat gaya luar yang bekerja pada benda.

EM1 = EM2EK1 + EK1 = EP2 + EK2

7. Daya dinyatakan sebagai usaha per satuan waktu. Satuannya dalam joule/sekon atau watt.

P = W / t

8. Efisiensi adalah perbandingan antara energi atau daya keluaran dan masukan :


Anda sekarang sudah mengetahui Usaha Dan Energi, Daya, Hukum Kekekalan Energi Mekanikdan Energi Potensial. Terima kasih anda sudah berkunjung ke Perpustakaan Cyber.

Referensi :

Saripudin, A., D. Rustiawan K., dan A. Suganda. 2009. Praktis Belajar Fisika 1 : untuk Kelas XI Sekolah Menengah Atas / Madrasah Aliyah Program Ilmu Pengetahuan Alam. Pusat Perbukuan Departemen Nasional, Departemen Pendidikan Nasional, Jakarta. p. 234.

MIA ANALITIK II
(Pemisahan & Elektrokimia)

PENGANTAR
Analisis Kimia???

Analisis kimia merupakan suatu kegiatan pengadaan
informasi berkaitan dengan uji secara kimia, yang
diperlukan untuk suatu penalaran, pengambilan
keputusan serta penetapan kebijakan.
Hasil analisis kimia harusValidasi-- Metodeakurat

TAHAPAN ANALISIS
1. Sampling
2. Preserving the sample
3. Preparing the sample for analysis
4. Separating the analyte from interferents
5. Measurement
6. Data analysis & conclusion
Syarat Pengukuran:
Selektif
Peka terhadap suatu pereaksi/alat ukur
Spesifik
Diperlukan
Pemisahan
Dasar
Sifat Fisik Tipe proses Tipe fasa
??????????????????????????????KLASIFIKASI PEMISAHAN BERDASARKAN SIFAT FISIK
No Cara Pemisahan Dasar
1 Destilasi
2 Sublimasi
3 Ekstraksi
4 Kristalisasi
5 Filtrasi
6 Dialisis
7 Kromatografi
permeasi gel
No Cara Pemisahan Dasar
1 Destilasi Perbedaan titik didih
2 Sublimasi Perbedaan tekanan uap
3 Ekstraksi Perbedaan kelarutan diantara 2 fasa
4 Kristalisasi Perbedaan kelarutan pada suhu
tertentu
5 Filtrasi Ukuran solut dibandingkan pori
penyaring
6 Dialisis Aliran zat melalui membran semi
permeabel
7 Kromatografi Ukuran analit terhadap pori gel
permeasi gel
Klasifikasi Pemisahan
Berdasarkan Tipe Proses
Mekanik Fisik Kimia
(Pengayakan & Eksklusi) (Partisi & perubahan keadaan) (Perubahan Keadaan)
Dialisis
Krom. Eksklusi
Filtrasi
Sentrifugasi
Klasifikasi Pemisahan
Berdasarkan Tipe Proses
Mekanik Fisik Kimia
(Pengayakan & Eksklusi) (Partisi & perubahan keadaan) (Perubahan Keadaan)
Dialisis KGC, KCC, KGP Pengendapan
Krom. Eksklusi Elektroforesis zona Elektrodeposisi
Filtrasi Destilasi Penopengan
Sentrifugasi Sublimasi Pertukaran ion
Kristalisasi
Klasifikasi Pemisahan
Berdasarkan Tipe Fasa
Fasa Fase kedua
awal Gas Cair Padat
Gas
Cair
Padat
Klasifikasi Pemisahan
Berdasarkan Tipe Fasa
Fasa Fase kedua
awal Gas Cair Padat
Gas Difusi termal KGC KGP
Cair Destilasi KCC, Dialisis, KCP,
Ultra filtrasi Pengendapan,
Elektrodeposisi,
kristalisasi,
elektroforesis
Padat Sublimasi Kristalisasi
Dasar Pemisahan Teknik Pemisahan
Ukuran Filtrasi
Dialisis
Kromatografi size-eksklusi
Massa dan densitas Centrifugasi
Pembentukkan Kompleks Penopengan
Perubahan fisika Destilasi
Sublimasi
Rekristalisasi
Perubahan kimia Pengendapan
Pertukaran ion
Elektrodeposisi
Pembagian antar fasa Ekstraksi
Kromatografi
Apa kegunaan Pemisahan ???
1. Menghilangkan gangguan matrik
2. Isolasi
3. Pemurnian
Berikan contoh-contoh masalah pemisahan!!!
1.
2.
3.
4.
5.
TEORI PEMISAHAN
Bila tidak ada zat pengganggu, hubungan antara sinyal sampel (Ssamp)
dan konsentrasi (CA) adalah :
Ssamp = kA. CA ........... 1)
kA adalah sensitifitas.
Sedangkan bila ada zat pengganggu persamaan 1) menjadi :
Ssamp = kACA + kiCi........... 2)
ki dan Ci adalah sensitifitas dan konsentrasi zat pengganggu.
Jadi dengan adanya zat pengganggu selektifitas metode ditentukan oleh
perbedaan relatif sensitifitas analit dan zat pengganggu.
Sekalipun metode lebih selektif terhadap zat pengganggu, Ssamp bisa
digunakan untuk menentukan konsentrasi analit jika sumbangan zat
pengganggu terhadap Ssamp signifikan. Koefisien selektifitas KA,I
merupakan ciri dari selektifitas metode.
k1
KA,I = ........ 3)
k2
Bila k1 pada persamaan 3) di substitusikan ke persamaan
2), maka setelah disederhanakan menjadi
Ssamp = kA [CA + KA,I Ci ] ........... 4)
oleh karena itu zat penggangu tidak akan menjadi
masalah sepanjang konsentrasi produk dan
koefisien selektifitas secara signifikan lebih kecil
dari konsentrasi analit.
KA,I Ci