usaha dan energi

USAHA DAN ENERGI
1. Pengertian “Usaha” berdasarkan pengertian seharihari:
Kata “usaha” dalam pengertian sehari-hari ini tidak
dapat dinyatakan dengan suatu angka atau ukuran
dan tidak dapat pula dinyatakan dengan rumus
matematis. Tetapi dalam fisika usaha merupakan
definisi yang sudah pasti, mempunyai arti dan dapat
dinyatakan
dengan
rumus
matematis.
Jadi
pengertian usaha menurut bahasa sehari-hari sebagai
“upaya” untuk mendapatkan sesuatu.
2. Pengertian usaha dalam Fisika
Dalam fisika, usaha merupakan proses perubahan
Energi dan usaha ini selalu dihubungkan dengan gaya
(F)
yang
benda.
menyebabkan
Dengan
menyebabkan
kata
perpindahan
lain,
perpindahan
bila
suatu
ada
(s)
gaya
benda,
suatu
yang
maka
dikatakan gaya tersebut melakukan usaha terhadap
benda tersebut. Untuk selanjutnya, pengertian usaha
yang akan dibahas pada buku ini adalah pengertian
menurut ilmu fisika.
Usaha Oleh Gaya Konstan
Besar usaha oleh gaya konstan didefinisikan sebagai
hasil besar komponen gaya pada arah perpindahan
dengan besarnya perpindahan yang dihasilkan.
W
=
Fs . S
W
: Besar Usaha (kg . m2/s2, joule atau newton .
meter)
Fs
: Besar komponen gaya pada arah perpindahan
(newton)
s
: Besar perpindahan (m)
F

m
Jika gaya yang melakukan usaha membentuk sudut 
dengan
perpindahan,
maka
gaya
tersebut
dapat
diuraikan ke dalam dua komponen, yaitu
1. Komponen gaya yang tegak lurus perpindahan (Fy =
F sin )
2. Komponen gaya yang searah dengan perpindahan (Fx
= F cos )
W = Fy
. s
=
F cos  s
=
F s cos 
Satuan dan Dimensi Usaha
satuan
usaha
=
satuan
gaya
x
satuan
perpindahan
satuan usaha = kg m/s2 x m = kg m2/s2 =
joule
Untuk mencari dimensinya:
dimensi usaha = dimensi gaya x dimensi
perpindahan
[ W ]
= [ F ] . [ s ]
= MLT-2 . L
= ML2T-2
Usaha oleh gaya-gaya konstan (lebih dari
satu gaya) yang
Bekerja pada sebuah benda
Usaha dari masing-masing gaya dapat dicari dengan
menggunakan rumus
W = F s cos 
Gaya F1 akan melakukan usaha sebesar
W1 = F1 s cos 1
Gaya F2 akan melakukan usaha sebesar
W2 = F2 s cos 2
Gaya F3 akan melakukan usaha sebesar
W3 = F3 s cos 3
Maka Usaha total (Usaha yang dilakukan oleh ketiga
gaya tersebut)
W
= W1 + W2 + W3
= F1 s cos 1 + F2 s cos 2 +
F3 s cos 3
N
FY
F1

FX
Fs =F3
W = F2
Konsep Energi dan Sumber-sumber Energi
Menurut fisika, Energi didefinisikan sebagai kemampuan
untuk melakukan usaha.
Sumber-sumber energi yang banyak digunakan dalam
kehidupan sehari-hari misalnya: energi minyak bumi,
energi batubara, energi air terjun, energi nuklir dan
energi kimia.
Bentuk-bentuk Energi dan Perubahannya
Energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan tetapi
yang ada adalah energi dapat berubah dari suatu
bentuk ke bentuk lain
Energi Potensial Gravitasi dan Bidang Acuan
Energi potensial adalah energi yang dimiliki akibat
kedudukan benda tersebut terhadap bidang acuannya.
Energi Potensial gravitasi suatu benda yang bermassa
m dan berada di dalam medan gravitasi benda lain yang
bermassa M (dalam kasus ini
bermassa M)
diambil bumi yang
Ep  G
M .m
r
Dengan titik acuan di tak hingga
Jika
G = tetapan gravitasi umum = 6,67 x 10-11
N m2/kg2
M = massa bumi
m = massa benda
r
= jarak benda dari pusat bumi
perumusan energi potensial, secara matematis dapat
ditulis
Ep = m g h
Ep = energi potensial (joule)
m = massa benda (kg)
g
= percepatan gravitasi (m/s2)
h
= ketinggian dari muka bumi (m)
Energi Kinetik
Energi kinetik suatu benda adalah energi yang dipunyai
benda
yang
bergerak,
bergerak.
mempunyai
Berarti
setiap
energi
kinetik
benda
Ek,
matematis, energi kinetik dapat ditulis sebagai :
yang
secara
EK 
1
m.v 2
2
Dimana
m
= massa benda (kg)
v
= laju benda (m/s)
Ek
= energi kinetik (joule)
Hubungan Usaha dengan Energi Kinetik
Untuk melihat hubungan antara usaha oleh sistem
gaya-gaya (Resultan gaya total) dengan energi kinetik,
perhatikan contoh di bawah ini.
Sebuah benda bermassa m berada di atas bidang
datar tanpa gesekan. Pada benda bekerja gaya F
konstan sejajar bidang dan benda dapat bergerak lurus
berubah beraturan
F
m
m
v1
v2
s
Gambar benda yang bergerak GLBB
Pada sautu saat, kecepatan benda v1 dan setelah
menempuh jarak s kecepatannya menjadi v2 turunan
hubungan antara Usaha yang dilakukan resultan gaya
yang menjadi pada benda dengan perubahan energi
kinetiknya adalah sebagai berikut : Resultan gaya yang
bekerja pada benda (benda tidak mengalami gaya friksi)
F= F
Usaha W
W = F s cos 
W = F s cos  = m a s (1) = m (a s)
Ingat hubungan
v2 2 – v2 2= 2 a s
W = F s cos  = ma s (1) = m (as)
2
=
1
m (v2
2
– v1 2)
1
m v2
2
2
-
1
m v12 =
2
Ek2 - Ek2 = Ek
Dengan kata lain, usaha yang dilakukan oleh sistem
gaya-gaya
yang
bekerja
pada
benda
sama
dengan
perubahan energi kinetik
W
W
oleh resultan gaya
= perubahan energi kinetik
= F s cos 
= Ek
W
= F s cos 
=
-
1
2
Jadi
1
m (v2
2
W
2
– v
m v2
2
m v1 2
=
1
m (v2
2
1
2
2
- v1 2)
oleh resultan gaya
= Ek =
)
2
1
Jika
W
oleh resultan gaya
= 0
Tidak
ada
perubahan
energi
kinetik
(kecepatan konstan)
W
oleh resultan gaya
> 0 Usaha yang dilakukan mengakibatkan
penambahan energi kinetik
W
oleh resultan gaya
< 0 Usaha yang dilakukan mengakibatkan
pengurangan energi kinetik
Daya dan Efisiensi
Daya
didefinisikan
sebagai
besar
usaha
persatuan
waktu. Jika usaha diberi notasi W. waktu t dan daya
P, maka secara matematis dapat ditulis
W
P =
t
Jika rumus di atas dijabarkan, diperoleh
P = F .
Satuan
S
= F . v
t
W = joule
t = sekon
P = joule/sekon = watt = kg .m2/s3
v = kecepatan
Satuan daya yang lain
kilowatt (kw)= 1000 watt
Daya kuda (hp, horse power) : 1 hp = 7455 watt
Ingat bahwa kwh (kilowatthour atau kilowatt jam)
bukan satuan daya tetapi satuan energi.
Kalau kita perhatikan lampu pijar, maka energi listrik
yang diberikan kepada lampu lebih besar dari energi
cahaya yang dihasilkan lampu. Perbandingan antara
daya keluaran (output) dengan daya masukan (input)
dikali 100%, disebut efisiensi
Efesiensi  =
daya keluaran (output )
x100 %
daya masukan (input )
Efisiensi tidak mempunyai satuan maupun dimensi
Hukum kekekalan energi mekanik
Jumlah energi kinetik dan energi potensial dititik I
sama dengan jumlah energi kinetik dan potensial dititik
2.
m
1
h
2
gambar benda bermassa m jatuh dari ketinggian h1.
EM =
Ek + Ep
= konstan = C
Ek1 + Ep1
1
2
= Ek2 + Ep2
mv1 2 +mgh1 =
1
2
mv2 2 +mgh2
Jumlah energi kinetik dan energi potensial ini yang
disebut energi mekanik. Hal ini dikenal sebagai Hukum
kekekalan energi mekanik