Usaha Dan Energi
-
Upload
adrisuryana -
Category
Documents
-
view
99 -
download
3
Transcript of Usaha Dan Energi
Adri Suryana H.Liborius Wagner
Usaha dan Energi
Usaha dan Energi
PENDAHULUAN
DASAR TEORI
CONTOH SOAL
Dalam kehidupan sehari-hari,ungkapan usaha dan energi merupakan
kata-katayang sering digunakan dalam percakapan.Orang sering
mengistilahkan usaha adalah segala sesuatu untuk mencapai tujuan.
Sedangkan energi atau orang menyebutnya dengan tenaga. Tenaga
adalah kemampuan untuk melakukan usaha atau kerja. Apa usaha dan
energi dalam kehidupan sehari-hari sama artinya dengan usaha dan
energi dalam fisika?
Usaha
Energi
Gaya Konservatif
Daya
UsahaSecara fisis usaha adalah transfer energi melalui gaya sehingga
bendaberpindah.Pada gambar ini, seorang anak mendoorong dengan gaya sebesar F(Newton), sehingga mengalamiperpindahan sejauh s (meter). Gaya F
tersebutdikatakan melakukanusaha sebesar W (Joule).
Usaha yang dilakukan oleh sebuah gaya didefinisikan oleh sebuah gaya
dideifnisikan sebagai hasil kali antargaya dan perpindahannya.Gaya dan perpindahannya adalah besaran skalar,maka secara
matematikaUsaha dapat dituliskan menjadiW = F.sdimana : W = Usaha (Joule)
F = Gaya (N)s = Perpindahan (m)
Satuan Usaha
Satu joule adalah besarnya usaha yang dilakukan oleh gaya sebesar 1 newton untuk memindahkan benda sejauh 1 meter (arah gaya seaarah dengan arah perpindahan).
Dalam sistem satuan cgs, satuan gaya adalah dyne dan perpindahan
adalah centimeter, sehingga satuan usaha dalam cgs adalah dynecm
atau erg1 Joule = 1 Nm2 1 erg = 1 dynecm = 1 Kgm2s-2 = 1 gcm2s-2
Jadi, 1 Joule = 107 erg
USAHA YANG DILAKUKAN OLEH GAYA
Persamaan diatas (W = F.s) itu hanya berlaku jika gaya yang berkerja segaris
dan searah dengan perpindahan. Jika gaya yang bekerja membentuk sudut
terhadap perpindahan maka persamaan tersebut tidak dapat digunakan. Akan
dapat digunakan jika kita menambahkan cos θ dalam persamaan tersebut jika
ditarik ke arah sumbu x. Dimana θ adalah besar sudut antara gaya terhadap
perpindahan.Perhatikan gambar di bawah ini
Hasil akhir persamaannya menjadi :W = F cos θ.s
USAHA BERNILAI NOL (TIDAK MELAKUKAN USAHA)
Tidak semua gaya yang sudah bekerja dikatakan melalukan usaha atau semua benda yang berpindah
telah dikenai usaha. Untuk lebih jelasnya mari kita bahas, berikut ini peristiwa yang usahanya bernilai nol
• Gaya penyebab ada tetapi tidak ada perpindahan. F tidak sama dengan nol dan s sama dengan nol, contohnya adalah ketika kita mendorong tembok. Walaupun kita sudah mengeluarkan gaya tetapi tembok tidak berpindah maka kita dikatakan tidak melakukan usaha.
• Gaya penyebab tidak ada tetapi terjadi perpindahan. Contohnya adalah ketika kita bermain sky dan kita sedang ber GLB maka resultan gayanya sama dengan nol tetapi kita mengalami perpindahan. Kejadian ini juga tergolong usaha bernilai nol atau kita dikatakan tidak melakukan usaha.
• Gaya dan perpindahan membentuk sudut 90 derajat. Contohnya ketika kita menenteng tas dan berjalan maju, sudut yang dibentuk gaya penyebab dengan perpindahan yang dihasilkan adalah 90 derajat. Jika kita masukkan kedalam persamaan gaya yang membentuk sudut maka akan kita peroleh hasil Usaha sama dengan nol atau kita dikatakan tidak melakukan usaha.
Energi
Dalam melakukan kegiatan sehari hari, manusia
membutuhkan energi yang dapat diperoleh dari
makanan dan minuman yang mengandung energi
kimia dan kemudian diproses dalam tubuh. Energi
yang dihasilkan oleh tubuh kemudian digunakan
untuk melakukan usaha atau kerja.
Dengan demikian, energi dapat didefinisikansebagai kemampuan untuk melakukan usaha.
Sumber Sumber Energi
Di dunia ini, bnyak sekali sumber energi yang bisa dimanfaatkan untuk
kehidupan manusia,di antaranya air, matahari, bahan bakar minyak (BBM),
angin, dan nuklir. Energi yang dihasilkan dari sumber energi tersebutdiantaranya untuk pembangkit listrik dan untuk kendaraan yang
perannyasangat vital untuk kehidupan manusia.
Sumber energi yang masih paling banyak digunakan adalah sumber energi dari
BBM. Karena BBM berasal dari fosil yang pada suatu saat akan habis, makin
banyak orang merekayasa alat untuk mengubah energi dari sumber lain agar
tidak kebingungan saat BBM benar benar akan habis. Selain itu,sumber energi
lain seperti air,angin dan udara tidak menyebabkan polusi udara,seperti BBM
dan nuklir.
Energi Kinetik
Mobil bergerak adalah salah satu contohgerak benda yang memiliki energi kinetik.Dengan menghubungkan rumus usaha
W = F.s dengan hukum II Newton yaitu F = m.aserta persamaan GLBB dengan kecepatanawal sama dengan nol yaitu v2 = 2as, makadiperoleh rumus Energi Kinetik W = F.s
= (m./a) v2 /2a
= ½.m.v2
Energi Potensial Gravitasi
Energi Potensial gravitasi adalah kemampuansuatu benda melakukan usaha karena
kedudukannya dalam medan gravitasi.
Energi potensial gravitasi dimiliki oleh suatubenda karena ketinggian atau kedudukannya
diukurdari permukaan Bumi.
Energi Potensial berbanding lurus dengan massa
benda dan ketinggian juga berpengaruh terhadapbesarnya energi potensial gravitasi.
Jika benda gambar di samping jatuh sejauh dari h2 ke h1,
besarnya usaha (W) yang dilakukan gaya berat yaitu:
W = F.s = m.g.h
Karena energi adalah kemampuan melakukan usaha, besaran mghadalah bentuk energi yang disebut energi potensial gravitasi.
Ep = m.g.h
Pada kedudukan benda yang berbeda, akan mengubah besarnya energi potensial
gravitasi, sehingga usaha (W) adalah:
W = Ep1 - Ep2 = ΔEp
Energi Potensial Pegas
Apabila kita menempelkan sebuah benda pada ujung pegas, kemudian pegas
tersebut kita tekan, maka setelah dilepaskan benda yang berada di ujung
pegas pasti terlempar.
Ketika berada dalam keadaan diam, setiap pegas memiliki panjang alami,
seperti ditunjukkan gambar a (lihat gambar di bawah). Jika pegas di tekan
sejauh x dari panjang alami, diperlukan gaya sebesar FT (gaya tekan) yang
nilainya berbanding lurus dengan x, yakni :
F = k.x
Dimana:
k = pegas (ukuran kelenturan/elastisitas pegas) dan besarnya tetap.x = perpanjangan
Ketika ditekan, pegas memberikan gaya reaksi, yang besarnya sama dengan gaya tekan
tetapi arahnya berlawanan. gaya reaksi pegas tersebut dikenal sebagai gaya pemulih.
Besarnya gaya pemulih adalah :
FP = -kx
Tanda minus menunjukkan bahwa arah gaya pemulih berlawanan arah dengan gaya tekan.
Ini adalah persamaan hukum Hooke. Persamaan ini berlaku apabila pegas tidak ditekan
sampai melewati batas elastisitasnya (x tidak sangat besar).
Untuk menghitung Energi Potensial pegas yang ditekan atau diregangkan, terlebih dahulu
kita hitung gaya usaha yang diperlukan untuk menekan atau meregangkan pegas. Kita tidak
bisa menggunakan persamaan W = F s = F x, karena gaya tekan atau gaya regang yang kita
berikan pada pegas selalu berubah-ubah selama pegas ditekan. Ketika menekan pegas
misalnya, semakin besar x, gaya tekan kita juga semakin besar.
Untuk pertambahan panjang yang selalu berubah akibat perubahan gaya yang diberikan pada
pegas, maka untuk mempermudah kasus ini diambil gaya rata-ratanya, yaitu:
FT = ½.k.x
Dengan mensubtitusi persamaan di atas ke dalam persamaan umum usaha W = F.s , maka
diperoleh besar usaha yaitu:
W = (½.k.x).xW = ½.k.x2
½ .k.x adalah besarnya energy potensial yang dimiliki oleh pegas.
Energi Mekanik
Hukum Kekekalan Energi Mekanik
Jika sebuah benda dilepaskan dari ketinggian maka bendatersebut akan mengalami perubahan energi kinetik dan energi potensial gravitasi. Perubahan energi kinetik dirumuskan:
W = ∆Ek = Ek2 - Ek1
Perubahan energi potensial gravitasiW = -∆Ep = -(Ep2 – Ep1) = (Ep1 – Ep2)
Besar Energi Kinetik sama dengan besar energi potensial gravitasi pada suatu sistem, yaitu:
Ek2 - Ek1 = Ep2 – Ep1
Ek2 + Ep1 = Ek1 + Ep2
½mv12 + mgh1 = ½mv2
2 + mgh2
Persamaan diatas dinamakan Hukum Kekekalan Mekanik, energi mekanik diperoleh dari
sistem yang terjadi antara energi kinetik dan energi potensial walaupun berubah namun
energi total tetap (energi mekanik)
Hukum Konversi Energi
• Hukum kekekalan energi adalah salah satu dari hukum-hukum kekekalan yang meliputi energi kinetik dan energi potensial. Hukum ini adalah hukum pertama dalam termodinamika.
• Hukum Kekekalan Energi (Hukum I Termodinamika) berbunyi: "Energi dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk yang lain tapi tidak bisa diciptakan ataupun dimusnahkan (konversi energi)".
Penerapan EM Dalam Mesin• Dalam mesin mobil misalnya, energi panas hasil
pembakaran bahan bakar diubah menjadi energi gerak mobil. Tetapi, dalam semua mesin kalor kita ketahui bahwa pengubahan energi panas ke energi mekanik selalu disertai pengeluaran gas buang, yang membawa sejumlah energi panas.
• Dengan demikian, hanya sebagian energi panas hasil pembakaran bahan bakar yang diubah ke energi mekanik. Contoh lain adalah dalam mesin pembangkit tenaga listrik; batu bara atau bahan bakar lain dibakar dan energi panas yang dihasilkan digunakan untuk mengubah wujud air ke uap. Uap ini diarahkan ke sudu-sudu sebuah turbin, membuat sudu-sudu ini berputar. Akhirnya energi mekanik putaran ini digunakan untuk menggerakkan generator listrik.
Gaya Konservatif
Gerak benda jatuh bebas adalah gerak sistem yang memiliki energi kinetik dan energi
potensial, walaupun kedua energi tersebut pada saat tertentu energinya berubah atau saling
bertukar energi, akan tetapi jumlah energi keduanya selalu tetap yang disebut sebagai Energi
Mekanik. Energi yang kekal atau selalu tetap adalah Gaya Konservatif.
Gaya konservatif memiliki sifat: bahwa usaha yang dilakukan oleh suatu benda:1. Tidak bergantung pada lintasannya tetapi hanya bergantung pada posisi awal
dan posisi akhir.2. Selalu sama dengan nol jika benda bergerak kembali ke posisi semula dalam
lintasan tertutup.3. Selalu dapat dinyatakan sebagai perbedaan antara energi potensial dan energi
potensial akhir.
Sedangkan jika usaha dilakukanoleh suatu benda tidak memiliki sifat dari gaya
konservatif disebut Gaya Tak Konservatif.
Gaya Konservatif Gaya Tak Konservatif
GravitasiElastisListrik
Gesekan Hambatan Udara
Tegangan TaliGaya Tarik
Daya
Pada pembahasan sebelumnya tentang usaha (W) belum sekalipun dikaitkan dengan besara waktu (t), padahal setiapbenda diberikan gaya (F) sehingga berpindah posisi (s)memerlukan waktu.
Usaha yang dilakukan dalam per satuan waktu (t) disebut sebagai daya. Secara matematis, daya rata – rata yang dibutuhkan ubtuk melakukan kerja dalam selang waktutertentu didefinisikan sebagai :
P = ∆W/∆t
Jika ∆W dinyatakan dalam joule dan ∆t dinyatakan dalam sekon, maka satuan untuk
daya (P) adalah joule per sekon atau diebut watt. Agar daya bersatuan watt, satuan usaha
dapat dituliskan watt sekon dan untuk satuan usaha yang lebih besar dapat digunakan
kilowatt jam atau dapat disingkat kWh (kilowatt hour)Faktor konversi
1kWh = (1.000 watt) x (3.600 sekon)= 3,6 x 106 watt sekon= 3,6 x 106 joule
Contoh Soal dan Pembahasan
Tentukan usaha yang harus dialkukan orang untuk
membawa ransel (m = 15 kg) di punggungnya saat
mendaki bukit setinggi 10m. anggap orang itumendaki dengan kecepatan tetap.Jawab:
∑Fy = 0 Fatas - W = 0 Fatas = W = (15.10) = 150 N
W = Fatas . h = (150.10) = 1500 Nm
Tentukan usaha yang harus dialkukan orang untuk membawa ransel (m = 15 kg) di punggungnya saat mendaki bukit setinggi 10m. anggap orang itu mendaki dengan kecepatan tetap.∑Fy = 0 Fatas - W = 0 Fatas = W = (15.10) = 150 NW = Fatas . h = (150.10) = 1500 Nm
Berapa besar usaha yang diperrlukan untuk
mempercepat sebuah mobil bermassa 1000
kg dari 20 m/s menjadi 30 m/s?Jawab:
W = Ek2 – Ek1 = 1/2.m (v22 – v1
2)
= ½ (1000)(302 – 202) = 250.000 J
Andi melempar sebuah bola 0,2 kg vertical ke atas dengan kecepatan 24,5 m/s.
Dengan mengabaikan gesekan udara, berapa ketinggian yang dapat dicapai bola
tersebut? Jawab: h2
v2
Ep1 = m.g.h1 = (0,2)(1,0)(0) = 0
Ep2 = m.g.h2 = (0,2)(1,0)(h2) = 2h2
h1 = 0 v1 = 24,5 m/s
Ek1 = ½ m.v12 = ½ (0,2)(24,5)2 = 60,025 J
m = 0,2 kgEk2 = ½ m.v2
2 = ½ (0,2)(0)2 = 0
Ep1 + Ek1 = Ep2 + Ek2 0 + 60,025 = 2h2 + 0 h2 = 30,0125
Pertanyaan