FISIKA DASAR BAB 5 USAHA KELAS : R1i MATERI : USAHA DOSEN PENGAMPU : IBU NINTA SRI ULINA , M.Pd Universitas Indraprasta PGRI 2020 BAB I PENDAHULUAN A. Latar Belakang “Beberapa masalah terkadang lebih sulit dari apa yang terlihat” (Young, 2002:164). Seperti Anda mencoba mencari laju anak panah yang baru dilepaskan dari busurnya. Anda menggunakan hukum Newton dan semua teknik penyelesaian soal yang pernah kita pelajari, akan tetapi Anda menemui kesulitan. Setelah pemanah melepaskan anak panah, tali busur memberi gaya yang berubah-ubah yang bergantung pada posisi busur. Akibatnya, metode sederhana yang pernah kita pelajari tidak cukup untuk manghitung lajunya. Jangan takut, masih ada metode-metode lainnya untuk menyelesaikan soal-soal tersebut. Metode baru yang sebentar lagi akan kita lihat menggunakan ide kerja dan energi. Kita akan menggunakan konsep energi untuk mempelajari rentang fenomena fisik yang sangat luas. Kita akan mengembangkan konsep kerja dan energi kinetik untuk memahami konsep umum mengenai energi dan kita akan melihat bagaimana kekekalan energi muncul. B. Rumusan Masalah 1.Apa yang dimaksud dengan usaha? 2. Apa yang dimaksud dengan energi? 3. Apa saja aplikasi usaha dan energi dalam ke hidupan sehari hari ? C. Tujuan Makalah ini dimaksudkan untuk dapat membantu meningkatkan pemahaman mengenai aplikasi usaha dan energi dalam kehidupan sehari-hari sehingga akan memungkinkan kita dapat lebih mengerti bahwa pelajaran fisika itu bisa di aplikasikan dalam kehidupan sehari- hari. BAB II PEMBAHASAN USAHA DAN ENERGI A.USAHA Dalam kehidupan sehari-hari kata usaha mempunyai arti sangat luas, misalnya: usaha seorang anak untuk menjadi pandai, usaha seorang pedagang untuk memperoleh laba yang banyak, usaha seorang montir untuk memperbaiki mesin dan sebagainya. Jadi dapat disimpulkan usaha adalah segala kegiatan yang dilakukan untuk mencapai tujuan. Maka usaha yang dilakukan sama dengan hasil kali antara gaya dan perpindahannya, secara matematis dapat ditulis sebagai berikut: W = F.d Jika gaya yang bekerja membuat sudut terhadap perpindahannya usaha yang dilakukan adalah hasil kali komponen gaya yang searah dengan perpindahan (Fcos alfa) (Gambar 1.1) dikalikan dengan perpindahannya (d). Secara matematis dapat ditulis sebagai berikut: W = F cos α.d dengan:W = usaha (joule)F = gaya (N)d = perpindahan (m) = sudut antara gaya dan perpindahan Aplikasi Usaha Dalam Kehidupan Kita 1.Mendorong rumah usaha yang sia-sia. Nilai W = 0 N 2.Mendorong mobil mogok, menarik gerobak, memukul orang W ada nilainya. 3.Katrol menggunakan keuntungan mekanis (KM) 4.Bidang miring bergantung pada kemiringan (s) Dalam kehidupan sehari-hari, kata usaha dapat diartikan sebagai kegiatan dengan mengerahkan tenaga atau pikiran untuk mencapai tujuan tertentu. Usaha dapat juga dipakai sebagai pekerjaan untuk mencapai suatu tujuan tertentu. Usaha yang dilakukan oleh gaya tetap (besar maupun arahnya) didefinisikan sebagai hasil perkalian antara perpindahan titik tangkapnya dengan komponen gaya pada arah perpindahan tersebut. Contohnya: ibaratkan seseorang menarik kotak pada bidang datar dengan tali membentuk sudut α terhadap horizontal ,sedangkan gaya F membentuk sudut α terhadap perpindahan..... dari soal tersebut menunjukkan gaya tarik pada sebuah benda yang terletak pada bidang horizontal hingga benda berpindah sejauh s sepanjang bidang. Jika gaya tarik tersebut dinyatakan dengan F maka gaya F membentuk sudut α terhadap arah perpindahan benda. Dalam konsep Fisika disebut ada usaha apabila ada resultan gaya tetap dan ada perpindahan pada arah garis kerja gaya.Sepeda motor pada gambar tidak melakukan usaha karena masih statis di tempat, sungguhpun mesinnya telah dihidupkan. Jika sepeda motor telah dikendarai menempuh perpindahan dan selama itu ada resultan gaya tetap dikatakansepeda motor melakukan usaha. Namun bila dikendarai dengan kelajuan tetap, sungguhpun ada perpindahan dikatakan sepeda motor tidak melakukan usaha, karena resultan gaya bernilai nol atau tidak ada perubahan energi kinetik. Dalam bab ini akan dipahami tentangusahadanenergi. Menunjukkan Hubungan Usaha, Gaya dan Perpindahan 1.Usaha Oleh Resultan Gaya Tetap Ilmuwan menemukan bahwa energi berubah dari satu bentuk ke bentuk lainnya melaluitiga cara, yaitu usaha (kerja), kalor (panas), dan radiasi.Usaha/kerja dalam kehidupan sehari-hari adalah mengerjakan sesuatu. Usaha/kerja dalamfisika diartikan sebagai mengubah energi. Perubahan energi yang di dalamnya terdapat penerapan gaya itulah yang disebut usaha atau kerja. Usaha/kerja juga mempunyai satuan joule dalam sistem SI dan merupakan besaran skalar seperti halnya energi.Dalam setiap gejala fisis, kerja (work ) adalah hasil kali resultan gaya ( force) dan perpindahan ( separation), dapat dirumuskan sebagai : W=∑F.s Dalam hal ini resultan gaya dianggap selalu bernilai tetap, sehingga usaha yang dihasilkan adalah usaha yang ditimbulkan oleh gaya tetap.Besar usaha dapat ditentukan melalui grafik hubungan F – s. Perhatikan grafik berikut ini,sumbu y menunjukkan besar gaya F dan sumbu x menunjukkan besar perpindahan s. Usaha yang dilakukan oleh gaya tetap F adalah W = F.s, hal itu setara dengan luas bidangsegi empat yang dinaungi kurva/garis F. Pada grafik tersebut tampak bahwaW = Luas bidang. Usaha dapat bernilai nol bila salah satu atau kedua variabelnya yaitu resultan gaya dan perpindahan bernilai nol.Sebagai contoh , orang yang mendorong almari yang sangat berat, tidak melakukan usaha bila almari tidak bergeser, sekuat apapun Ia mendorong. Gambar 7.1. Orang yang mendorong benda yang terlaluberat hingga tidak ada perpindahan benda yang didorong,dinyatakan bahwa usaha W=0 Demikian pula pada orang yang mendorong tembok,karena tidak ada perpindahan atau s = 0 maka dapat dikatakan bahwa usaha W = 0.Usaha juga dapat bernilai nol pada kasus benda yang bergerak lurus beraturan (GLB).Misalnya sebuah kereta ekspres pada rentang waktu tertentu mempertahankankecepatannya dengan kelajuan konstan (v = tetap). Walaupun kereta itu berpindahmenempuh jarak tertentu dikatakan tidak melakukan usaha (W =0) karena resltan gayanol (∑ F = 0). Usaha juga dapat bernilai nol apabila tidak ada gaya bekerja pada arah perpindahan.Misalnya, seorang atlet angkat besi yang sedang mengangkat beban, karena s = 0 maka dikatakan usaha yang dilakukan nol (W = 0).Seorang pedagang asongan di terminal bus yang berjalan sambil mengangkat barang dagangan dalam kotak, dikatakan W = 0 karena walaupun perpindahan kotak ada Gambar 7.2. Pedagang asongan menjinjing kotak berisi dagangannya, pada arah perpindahan kotak dinyatakan bahwa usaha W = 0namun ∑ F yang searah perpindahan kotak bernilai 0, artinya hanya berlaku gaya berat ke bawah yang tidak memiliki proyeksi gaya searah perpindahan kotak. 2.Usaha Oleh Resultan Gaya Tidak Tetap Usaha yang ditimbulkan oleh gaya yang berubah-ubah dengan arah yang tetap dapat ditemukan pada kejadian balok yang diikat pada pegas kemudian ditarik ke bawah sejauhx dan dilepaskan.Pada saat tepat akan dilepaskan usaha pada kedudukan itu adalahW = ½ k x2 Bola akan bergerak keatas sampai pegas memampat maksimum dan akan bergerak kembali ke arah berlawanan sampai pegas meregang maksimum, begitu seterusnya Gambar 7.3. Usaha oleh gaya yang berubah pada sistem balok terikat pada pegas berikut.W = ½ k y2 Besar gaya pada pegas dapat dihitung dengan hukum Hooke yaitu F = k.yUsaha pada posisi balok tertentu dapat ditentukan dengan persamaan sebagai Dimana k adalah konstanta pegas, sedangkan x adalah simpangan maksimum dan y adalah pertambahan panjang pegas terhadap kedudukan seimbangnya (pada saat y = 0) Daya (P) adalah usaha yang dilakukan tiap satuan waktu,secara matematis didefinisikan sebagai berikut: P = w/t dengan: P = daya (watt) W = usaha (joule) t = waktu (s) Daya termasuk besaran skalar yang dalam satuan MKS mempunyai satuan watt atau J/s Satuan lain adalah: 1 hp = 1 DK = 1 PK = 746 watt hp = Horse power; DK = daya kuda; PK = Paarden Kracht 1 Kwh adalah satuan energi yang setara dengan = 3,6 .106 watt.detik = 3,6 . 106 joule Apabila sesuatu (manusia, hewan, atau mesin) melakukan usaha maka yang melakukan usaha itu harus mengeluarkan sejumlah energi untuk menghasilkan perpindahan.NurAzizah (2007:46) menyatakan ”usaha merupakan hasil kali antara gaya dengan perpindahan yang dialami oleh gaya tadi.Jadi, jika suatu benda diberi gaya namun benda tidak mengalami perpindahan, maka dikatakan usaha pada benda tersebut nol”.Sebagai contoh sebuah mesin melakukan usaha ketika mengangkat atau memindahkan sesuatu. Seseorang yang membawa batu bata ke lantai dua sebuah bangunan telah melakukan usaha. Ketika berjalan, otot-otot kaki melakukan usaha. Namun, jika kamu hanya menahan sebuah benda agar benda tersebut tidak bergerak, itu bukan melakukan usaha. Seseorang yang sudah menahan sebuah batu besar agar tidak menggelinding ke bawah tidak melakukan usaha, walaupun orang tersebut telah mengerahkan seluruh kekuatannya untuk menahan batu tersebut. Jadi, dalam fisika, usaha berkaitan dengan gerak sebuah benda. Saat kita mendorong atau menarik benda, kita mengeluarkan energi. Usaha yang kita lakukan tampak pada perpindahan benda itu. Usaha yang dilakukan oleh gaya konstan (besar maupun arahnya) didefinisikan sebagai hasil perkalian antara perpindahan titik tangkapnya dengan komponen gaya pada arah perpindahan tersebut .Untuk memindahkan sebuah benda yang bermassa lebih besar dan pada jarak yang lebih jauh, diperlukan usaha yang lebih besar pula.Apabila usaha disimbolkan dengan W, gaya F, dan perpindahan s, maka: Baik gaya maupun perpindahan merupakan besaran vektor. Sesuai dengan konsep perkalian titik antara dua buah vektor, maka usaha W merupakan besaran . Bila sudut yang dibentuk oleh gaya F dengan perpindahan s adalah θ, maka besarnya usaha dapat dituliskan sebagai: W = (F cos θ).s.Komponen gaya F sin θ dikatakan tidak melakukan usaha sebab tidak ada perpindahan ke arah komponen itu. Dari persamaan rumus usaha, dapat dikatakan bahwa usaha yang dilakukan oleh suatu gaya: a.Berbanding lurus dengan besarnya gaya, b.Berbanding lurus dengan perpindahan benda, c.Bergantung pada sudut antara arah gaya dan perpindahan benda. Jika persamaan rumus usaha kita tinjau lebih seksama, kita mendapatkan beberapa keadaan yang istimewa yang berhubungan dengan arah gaya dan perpindahan benda yaitu sebagai berikut: a.Apabila θ = 00, maka arah gaya sama atau berimpit dengan arah perpindahan benda dan cos θ = 1, sehingga usaha yang dilakukan oleh gaya F dapat dinyatakan: W = F . s cos θ W = F . s . 1 b.Apabila θ = 900, maka arah gaya F tegak lurus dengan arah perpindahan benda dan cos θ = 0, sehingga W = 0. Jadi, jika gaya F bekerja pada suatu benda dan benda berpindah dengan arah tegak lurus pada arah gaya, dikatakan bahwa gaya itu tidak melakukan usaha. c.Apabila θ = 1800, maka arah gaya F berlawanan dengan arah perpindahan benda dan nilai cos θ = -1, sehingga W mempunyai nilai negatif. Hal itu dapat diartikan bahwa gaya atau benda itu tidak melakukan usaha dan benda tidak mengeluarkan energi, tetapi mendapatkan energi. Sebagai contoh adalah sebuah benda yang dilemparkan vertikal ke atas. Selama benda bergerak ke atas, arah gaya berat benda berlawanan dengan perpindahan benda. Hal itu dapat dikatakan bahwa gaya berat benda melakukan usaha yang negatif. Contoh lain adalah sebuah benda yang didorong pada permukaan kasar dan benda bergerak seperti tampak pada Gambar 7.4. Pada benda itu bekerja dua gaya, yaitu gaya F dan gaya gesekan fk yang arahnya berlawanan dengan arah perpindahan benda. Gambar 7.4 Jika perpindahan benda sejauh s maka gaya F melakukan usaha: W = F . s, sedangkan gaya gesekan fk melakukan usaha: W = fk . s d.Apabila s = 0, maka gaya tidak menyebabkan benda berpindah. Hal itu berarti W = 0. Jadi, meskipun ada gaya yang bekerja pada suatu benda,namun jika benda itu tidak berpindah maka, dkatakan bahwa gaya itu tidak melakukan usaha. 3.Satuan Usaha Dalam SI satuan gaya adalah newton (N) dan satuan perpindahan adalah meter (m). Sehingga, satuan usaha merupakan hasil perkalian antara satuan gaya dan satuan perpindahan, yaitu newton meter atau joule. Satuan joule dipilih untuk menghormati James Presccott Joule (1816 – 1869), seorang ilmuwan Inggris yang terkenal dalam penelitiannya mengenai konsep panas dan energi. 1 joule = 1 Nm karena 1 N = 1 Kg . m/s2 maka 1 joule = 1 Kg . m/s2 x 1 m 1 joule = 1 Kg . m2/s2 Untuk usaha yang lebih besar, biasanya digunakan satuan kilo joule (kJ) dan mega joule (MJ). 1 kJ = 1.000 J 1 MJ = 1.000.000 J 4.Menghitung Usaha dari Grafik Gaya dan Perpindahan Apabila gaya yang bekerja pada suatu benda besar dan arahnya tetap maka grafik antara F dan perpindahan s merupakan garis lurus yang sejajar dengan sumbu mendatar s. Usaha: W = luas daerah yang diarsir Dengan demikian, dari diagram F – s dapat disimpulkan bahwa usaha yang dilakukan oleh gaya F sama dengan luas bangun yang dibatasi garis grafik dengan sumbu mendatar s . 5.Usaha yang Dilakukan oleh Beberapa Gaya Dalam kehidupan nyata hampir tidak pernah kita menemukan kasus pada suatu benda hanya bekerja sebuah gaya tunggal. Misalnya, ketika Anda menarik sebuah balok sepanjang lantai. Selain gaya tarik yang Anda berikan, pada balok juga bekerja gayagaya lain seperti: gaya gesekan antara balok dan lantai, gaya hambatan angin, dan gaya normal. Jadi, usaha yang dilakukan oleh resultan beberapa gaya yang memiliki titik tangkap sama adalah sama dengan jumlah aljabar usaha yang dilakukan oleh masing-masing gaya. Jika pada sebuah benda bekerja dua gaya maka usaha yang dilakukan adalah: W = W1 + W2 Jika terdapat lebih dari dua gaya: W = W1 + W2 + W3 + + Wn atau W = ∑Wn 6.Usaha Negatif Seorang anak mendorong sebuah balok dengan tangannya. Sesuai dengan hukum III Newton, dapat disimpulkan bahwa gaya yang bekerja pada balok dan tangan dalam kasus ini sama besar tetapi berlawanan arah, yaitu FAB = -FBA. Tanda negatif menunjukkan arah yang berlawanan. Jika usaha oleh tangan pada balok bernilai positif ( karena searah dengan perpindahan balok), maka usaha oleh balok pada tangan bernilai
