Usaha Dan Energi
Click here to load reader
Transcript of Usaha Dan Energi
Drs. Joko Sudomo, MA
1
USAHA DAN ENERGI
Usaha
• “Aku sudah berusaha keras agar dapat lulus ujian”,
• “Agar sukses kita harus berusaha dan berdoa”,
• “Usaha yang dilakukan Pak Tani ternyata berhasil”,
• Pengertian usaha tersebut di atas berbeda dengan pengertian usaha pada Fisika.
• Pengertian usaha pada Fisika:
Jika gaya F bekerja pada suatu benda sehingga benda tersebut berpindah sejauh S, maka
dikatakan bahwa usaha atau kerja yang telah dilakukan adalah:
W = F x S
• Pada kejadian di atas arah perpindahan benda sama dengan arah gaya yang bekerja
pada benda tersebut.
• Dengan demikian dikatakan bahwa usaha merupakan hasil perkalian antara jarak
perpindahan benda dengan gaya penyebab yang searah dengan arah perpindahan
tersebut.
• Satuan usaha = satuan gaya (newton) x satuan jarak (meter).
• Satuan usaha = newton meter, disingkat N.m atau disebut joule (disingkat J).
• Besarnya usaha yang dilakukan tergantung pada besar gaya yang bekerja pada benda
dan jarak perpindahan benda.
• Semakin besar gaya yang bekerja dan semakin jauh perpindahan benda, maka usaha
yang dilakukan juga semakin besar.
• Jadi untuk menentukan ada atau tidak adanya usaha yang dilakukan harus dilihat 2 hal,
yaitu kemana arah gaya dan kemana arah perpindahannya.
• Jika perpindahan benda searah dengan gaya yang bekerja pada benda tersebut maka
dikatakan ada usaha yang dilakukan oleh gaya terhadap benda itu.
• Atau dapat dikatakan: jika ada gaya/komponen gaya yang searah dengan
perpindahan benda maka dikatakan ada usaha yang dilakukan oleh gaya terhadap
benda itu.
Contoh:
1. Seorang pekerja bangunan yang sedang menaiki tangga sambil memanggul beban. Dia
memberikan gaya dengan arah ke atas untuk mengimbangi berat beban. Beban
berpindah ke atas searah dengan gaya yang diberikan pekerja tersebut. Pada peristiwa
ini, pekerja tadi melakukan usaha karena arah perpindahan beban dan arah gaya sama.
F
S
F
Drs. Joko Sudomo, MA
2
2. Jika pekerja bangunan tersebut bergerak mendatar sambil memanggul beban, apakah
dia juga melakukan usaha? Pekerja memberikan gaya dengan arah ke atas untuk
mengimbangi berat beban, tetapi beban berpindah mendatar. Arah perpindahan beban
dan arah gaya tidak sama, tetapi saling tegak lurus. Pada peristiwa seperti ini, pekerja
tadi dikatakan tidak melakukan usaha.
3. Seorang tukang bakso mendorong gerobaknya dengan gaya 30 newton di jalan
mendatar sejauh 15 meter. Berapakah usaha yang dilakukan oleh tukang bakso?
Jawab:
Pada peristiwa ini arah gaya dan arah perpindahan gerobak sama, sehingga:
W = F x S
= 30 (N) x 15 (m)
= 450 (N.m)
= 450 joule
= 450 J
Jadi usaha yang dilakukan oleh tukang bakso adalah 450 J.
Latihan
Agar lebih memahami pengertian usaha, diskusikan 3 kejadian berikut.
1. Seekor kuda menarik kereta seperti gambar di samping.
a. Kemanakah arah gaya tarik kuda terhadap kereta?
Arah gaya tarik kuda ke depan.
b. Kemanakah arah perpindahan kereta?
Arah perpindahan kereta ke depan.
c. Samakah arah perpindahan kereta dengan arah gaya tarik oleh kuda?
Arah perpindahan kereta sama dengan arah gaya tarik kuda.
d. Apakah kuda melakukan usaha terhadap kereta? Jelaskan jawabanmu!
Kuda melakukan usaha terhadap kereta, karena arah perpindahan kereta
sama dengan arah gaya tarik kuda.
2. Seekor unta berjalan dengan seorang penumpang
seperti gambar di samping.
a. Kemanakah arah gaya yang diberikan unta terhadap
penumpang?
Unta memberikan gaya dengan arah ke atas
untuk mengimbangi berat orang.
b. Kemanakah arah perpindahan unta?
Unta berpindah mendatar ke kanan.
c. Samakah arah perpindahan unta dengan arah gaya yang diberikan unta terhadap
penumpang?
Arah perpindahan unta dan arah gaya tidak sama, tetapi saling tegak lurus.
d. Apakah unta melakukan usaha terhadap penumpang? Jelaskan jawabanmu!
Pada peristiwa ini, unta tidak melakukan usaha, karena arah perpindahannya
tidak searah dengan arah gaya (saling tegak lurus).
Drs. Joko Sudomo, MA
3
4. Mobil pemindah barang di pabrik digunakan untuk
mengangkat beban dan memindahkannya ke tempat lain.
Mula-mula beban diangkat ke atas, kemudian mobil
bergerak mendatar ke tempat yang dituju. Pada peristiwa
ini, apakah mobil melakukan usaha (kerja) terhadap beban
yang diangkat? Berikan alasan yang jelas!
Pada saat mengangkat beban ke atas, mobil
melakukan usaha karena arah gaya dan arah
perpindahan sama.
Tetapi, pada saat berjalan mendatar, mobil tidak
melakukan usaha, karena arah perpindahannya tidak
searah dengan arah gaya (saling tegak lurus).
Energi
• Berasal dari manakah energi yang ada di dalam tubuh kita? Tentu saja dari makanan
yang kita makan, karena makanan merupakan salah satu sumber energi.
• Sumber energi utama bagi makhluk hidup di bumi adalah matahari. Matahari
memancarkan cahaya dan panas ke permukaan bumi. Energi cahaya yang berasal dari
matahari dimanfaatkan oleh tumbuhan untuk berfotosintesis.
• Panas yang dipancarkan matahari juga menyebabkan air yang ada di permukaan bumi
menguap dan bergerak ke atas membentuk awan.
• Akibat suhu yang rendah, jumlah awan semakin banyak, sampai suatu saat keadaannya
jenuh, maka terjadilah hujan. Karena terletak di tempat yang tinggi, air hujan memiliki
energi potensial gravitasi.
• Aliran air yang ada di permukaan bumi dapat dibendung dan dialirkan ke waduk.
Selanjutnya dialirkan untuk menggerakkan turbin yang dapat digunakan sebagai
pembangkit listrik.
Bentuk-bentuk energi
Energi potensial
• Energi potensial terdiri dari energi potensial gravitasi, energi potensial pegas, dan energi
potensial listrik.
• Pada bagian ini kita hanya akan membahas energi potensial gravitasi atau sering
ditulis secara singkat menjadi energi potensial saja.
• Energi potensial gravitasi merupakan energi yang dimiliki oleh suatu benda karena
kedudukannya dari permukaan bumi. Semakin tinggi kedudukan benda dari permukaan
bumi, semakin besar energi potensial yang dimiliki benda itu.
Drs. Joko Sudomo, MA
4
Sebuah benda bermassa m, berada pada ketinggian h dari permukaan bumi memiliki
energi potensial:
Keterangan:
m : massa benda
h : jarak benda dari permukaan bumi
g : percepatan gravitasi bumi ( 9,8 ms-2 )
( atau dituliskan 9,8 m/s2 )
(g = 9,8 ms-2 )
Contoh:
1. Sebuah bola besi dengan massa 5 kg digantungkan setinggi 10 m di atas tanah.
Berapakah energi potensial yang dimiliki bola tersebut?
Penyelesaian:
Ep = m . g . h
= 5 (kg) . 9,8 (m/s2) . 10 (m)
= 490 (kg) (m/s2) (m)
= 490 joule (joule dapat ditulis secara singkat dengan J)
Jadi bola tersebut memiliki energi potensial sebesar 490 J.
Energi Kinetik
• Suatu benda dikatakan memiliki energi kinetik jika benda itu sedang bergerak.
• Jika benda tersebut kemudian berhenti, maka benda itu tidak memiliki energi kinetik lagi.
• Besar energi kinetik suatu benda ditentukan oleh kecepatan gerak benda itu.
• Semakin besar kecepatan gerak benda, semakin besar energi kinetiknya.
• Sebuah benda bermassa m dan bergerak dengan kecepatab v, memiliki energi kinetik
sebesar:
Contoh:
1. Sebuah bola dengan massa 2 kg menggelinding dengan kecepatan 4 m/s. Berapakah
energi kinetik bola itu?
Penyelesaian:
Ek = ½ m v 2
= ½ . 2 (kg) . (4 m/s) 2
= 16 (kg) (m/s2) (m)
= 16 joule
Jadi bola tersebut memiliki energi kinetik sebesar 16 J.
h
Ek = ½ m v 2
Ep = m . g . h
Drs. Joko Sudomo, MA
5
Energi Kalor (Energi Panas)
Matahari selain memancarkan cahaya juga memancarkan panas ke bumi. Panas yang
dipancarkan matahari dimanfaatkan oleh manusia untuk menjemur pakaian, menjemur hasil
pertanian, mengeringkan ikan hasil tangkapan para nelayan dan sebagainya. Energi panas
juga dapat dihasilkan oleh kayu yang dibakar, gesekan antara gergaji dengan besi yang
dipotong, bahkan gesekan antara dua telapak tangan kita.
Energi Kimia
Kita mampu bekerja, berjalan, berlari, dan melakukan aktivitas yang lain karena tubuh kita
memiliki energi. Dari manakah energi yang kita miliki? Pada waktu kita lapar, badan terasa
lemah. Namun setelah makan, badan kembali segar dan kuat. Hal ini menunjukkan bahwa
makanan yang kita makan merupakan sumber energi bagi tubuh kita. Energi yang tersimpan
di dalam bahan makanan merupakan energi kimia. Bensin, minyak tanah, solar, dan
batubara merupakan contoh lain bahan yang memiliki energi kimia. Mengapa bahan-bahan
bakar tersebut dikatakan memiliki energi kimia? Diskusikan dengan temanmu!
Energi Listrik
Energi listrik merupakan energi yang paling populer, karena bentuk energi ini paling banyak
dimanfaatkan. Selain itu energi listrik mudah diubah menjadi bentuk energi yang lain. Energi
listrik dapat dimanfaatkan untuk penerangan, untuk menggerakkan mesin-mesi di pabrik,
untuk memanaskan air, untuk memasak, dan sebagainya.
Energi Mekanik
Energi mekanik merupakan penjumlahan energi potensial dan energi kinetik. Sebagai
contoh jika seseorang meletakkan bola di tempat yang tinggi, kemudian bola tersebut
menggelinding ke bawah. Pada saat bola berada di tempat yang tinggi dan diam, ia memiliki
energi potensial gravitasi. Ketika bergerak pada bidang miring, bola memiliki energi
potensial dan energi gerak. Pada saat bergerak di permukaan tanah, bola hanya memiliki
energi kinetik.
Peristiwa ini dapat digambarkan sebagai berikut:
Bola memiliki energi potensial + energi kinetik
Bola memiliki energi kinetik Bola memiliki energi potensial Sumber energi
Sumber energi adalah sesuatu yang menghasilkan energi. Baterai sebagai sumber energi
listrik dihasilkan oleh reaksi kimia yang terjadi di dalamnya. Kedua kutub baterai yang
berbeda potensialnya jika dihubungkan dengan penghantar listrik dan bolam akan
menyebabkan elektron bergerak dari kutub negatip melalui penghantar dan bolam menuju
kutub positip.
Drs. Joko Sudomo, MA
6
Sebaliknya arus listrik mengalir dari kutub positip melalui penghantar dan bolam menuju
kutub negatip. Arus listrik yang ditimbulkan akan memijarkan wolfram dalam lampu pijar.
Pada baterai yang dihubungkan dengan lampu pijar terjadi perubahan energi kimia menjadi
energi listrik, energi listrik menjadi cahaya dan panas. Contoh sumber energi kimia yang lain
adalah makanan. Makanan yang kita makan membuat kita mampu bekerja.
Matahari merupakan sumber energi yang utama bagi kehidupan di bumi. Matahari
menghasilkan energi cahaya dan panas yang dapat diubah menjadi berbagai bentuk energi
lain yang sangat berguna bagi kehidupan. Energi matahari sangat bermanfaat untuk
manusia, antara lain:
• Membantu tumbuhan hijau melakukan fotosintesis. Pada peristiwa ini energi dari
matahari berubah menjadi energi kimia di dalam tumbuhan.
• Dapat membangkitkan listrik jika dikenakan pada sel surya (sel fotovoltaik). Beberapa
negara telah memanfaatkan energi matahari untuk menggerakkan mobil dengan
bantuan sel surya.
Dapatkah kalian menyebutkan contoh sumber energi yang lain? Diskusikan dengan
temanmu!
Hubungan antara Energi dan Usaha
• Energi diperlukan untuk melakukan usaha.
• Untuk melakukan usaha yang lebih besar diperlukan energi yang lebih besar juga.
• Sebagai contoh, jika kamu mendorong lemari, maka lemari tidak dapat berpindah jauh.
Hal ini disebabkan karena kamu tidak memiliki cukup energi untuk menghasilkan gaya
yang diperlukan.
• Namun, jika kamu mendorong lemari itu bersama teman-temanmu maka lemari dapat
berpindah cukup jauh. Dapat terjadi demikian, karena semakin banyak orang energinya
semakin besar.
• Untuk mengangkat benda yang berat diperlukan banyak energi. Misalnya, mengangkat
meja memerlukan lebih banyak energi daripada mengangkat sebuah buku.
• Dengan demikian, tentu saja untuk mengangkat meja, usaha yang harus dilakukan lebih
besar daripada mengangkat sebuah buku.
Daya
Pembahasan tentang daya dapat dimulai dengan cerita tentang dua orang tukang panggul
beras A dan B yang sedang menaikkan beras dalam karung dari lantai ke atas truk. Setiap
karung beras massanya 50 kg dan tinggi bak truk 1,5 m. Dalam waktu 10 menit, A sudah
mampu menaikkan 15 karung beras ke atas truk, sedangkan B baru mampu menaikkan 10
karung.
Pada kejadian tersebut, setiap menaikkan 1 karung beras tukang panggul melakukan usaha
sebesar:
W = (Berat 1 karung beras) x tinggi bak truk
= (50m kg x 9,8 m/s2 ) x 1,5 m
= 490 N x 1,5 m
= 735 joule
Drs. Joko Sudomo, MA
7
Karena tukang panggul A mampu menaikkan 15 karung beras, maka usaha yang dilakukan
oleh A adalah 735 joule x 15 = 11025 joule.
Sedangkan tukang panggul B hanya mampu menaikkan 10 karung beras, sehingga usaha
yang dilakukan oleh B adalah 735 joule x 10 = 7350 joule.
Jadi dalam rentang waktu yang sama (10 menit) tukang panggul A telah melakukan usaha
lebih besar daripada tukang panggul B. Dengan kata lain, tukang panggul A melakukan
usaha lebih cepat daripada tukang panggul B. Dengan demikian dikatakan bahwa tukang
panggul A memiliki daya lebih besar daripada tukang panggul B.
Sampai di sini diharapkan siswa sudah lebih memahami bahwa daya merupakan kecepatan
(kelajuan) melakukan usaha. Daya merupakan usaha yang dilakukan setiap satuan waktu,
dan dituliskan sebagai:
Usaha yang dilakukan W
Daya = -------------------------- ---- atau P = ------
Waktu yang diperlukan t
Satuan usaha joule
Satuan daya = ---------------------- = -------- = watt (W)
Satuan waktu detik
Pada contoh di atas, dalam waktu 10 menit (600 detik) tukang panggul A melakukan usaha
sebesar 11025 J.
11025 J
Jadi daya tukang panggul A = ---------------------- = 18,375 watt
600 detik
Dalam waktu yang sama tukang panggul B melakukan usaha sebesar 7350 J.
7350 J
Jadi daya tukang panggul B = ---------------------- = 12,25 watt
600 detik
Contoh lain, misalnya daya listrik. Pada lampu listrik tertulis daya 15 watt, 25 watt, dan 60
watt, dsb. Apakah artinya?
• Jika lampu listrik 15 watt dinyalakan, maka lampu tersebut menggunakan energi
sebesar 15 joule setiap detik (sekon).
• Demikian juga lampu listrik 60 watt yang sedang menyala, setiap detik lampu
tersebut menggunakan energi sebesar 60 joule.
• Energi listrik tersebut sebagian besar berubah menjadi energi cahaya, dan sebagian
kecil berubah menjadi energi panas.
• Dari contoh ini kita juga dapat mengatakan bahwa daya merupakan laju perubahan
energi.
Drs. Joko Sudomo, MA
8
Daya sering juga dinyatakan dalam daya kuda atau horse power (hp) atau PK.
• Pada alat pendingin ruangan (AC) selalu dituliskan berapa daya alat tersebut,
misalnya ½ PK, ¾ PK, 1 PK, 2 PK, dan sebagainya.
• PK singkatan dari Paarde Kracht = horse power (hp)
• 1 PK atau 1 daya kuda (1 hp) = 746 watt.
LATIHAN
1. Seorang pekerja menarik beban 20 kg vertikal ke atas setinggi 5 meter dengan tali
melalui katrol. Berapa usaha yang dilakukan oleh orang tersebut? (Gunakan percepatan
gravitasi bumi, g = 9,8 m/s2).
Jawaban
Pada kejadian ini pekerja menarik beban dengan gaya sebesar berat beban.
Berat beban = m x g
= 20 (kg) x 9,8 (m/s2)
= 196 (kg) (m/s2)
= 196 newton
= 196 N
Usaha yang dilakukan oleh pekerja
W = F x S
= 196 (N) x 5 (m)
= 980 N.m
= 980 joule � = 980 J
2. Jika pada soal nomor 1 di atas waktu yang diperlukan untuk menarik beban 20 kg
setinggi 5 meter adalah 10 detik, berapakah daya pekerja itu?
Usaha yang dilakukan 980 joule
Daya = -------------------------- ---- = ------------- = 98 watt
Waktu yang diperlukan 10 detik
3. Seorang tukang mengangkat semen 30 kg menaiki tangga setinggi 10 meter dalam
waktu 2 menit. Berapakah daya tukang tersebut dalam mengangkat semen? (Gunakan
percepatan gravitasi bumi, g = 9,8 m/s2).
Usaha yang dilakukan oleh tukang
W = F x S F = Berat semen
= 30 kg x 9,8 m/s2
= 294 N
= 294 (N) x 10 (m)
= 2940 J
2940 joule
Daya = ------------------ = 24,5 watt
120 detik
Drs. Joko Sudomo, MA
9
HUKUM KEKEKALAN ENERGI MEKANIK
Ep1 + Ek 1 = Ep2 + Ek 2
m . g . h1 + ½ m V1 2 = m . g . h2 + ½ m V2
2
Jumlah energi potensial dan energi kinetik mula-mula sama dengan
jumlah energi potensial dan energi kenitik akhir.
Contoh:
1. Sebuah benda m = 2 kg diangkat vertikal ke atas setinggi 10 meter di
atas permukaan tanah.
a. Berapa usaha yang dilakukan untuk mengangkat benda tsb? 196 J
b. Berapa energi potensial benda tsb? 196 J
Jika benda tsb kemudian dilepaskan,
c. Berapa kecepatannya sesaat sebelum menyentuh tanah? 14 m/s
d. Berapa energi kinetiknya sesaat sebelum menyentuh tanah? 196 J
2. Ketika seorang anak dengan bobot 40 kg mendaki tebing, energi
potensialnya bertambah menjadi 9800 joule. Berapa tinggi tebing
yang didaki tsb? ( 25 meter)
3. Sebuah bola besi berbobot (massa) 1 kg jatuh dari ketinggian 10 m
ke dalam bak berisi pasir. Bola besi tsb berhenti setelah masuk pasir
sedalam 2 cm.
a. Berapa kecepatan bola besi sesaat sebelum menyentuh pasir?
b. Berapa energi kinetik bola besi sesaat sebelum menyentuh pasir?
c. Berapa gaya penghambat rata-rata dari pasir?
a. V = 14 m/s
b. Ek = 98 J
c. F = - 4900 N