Usaha dan Energi

Tujuan Pembelajaran :
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Menunjukan bentuk-bentuk energi dan contohnya dalam kehidupan
sehari-hari
Mengaplikasikan konsep energi dan perubahannya dalam kehidupan
sehari-hari
Merancang percobaan sederhana tentang perubahan bentuk energi
Membedakan konsep energi kinetik dan energi potensial
Menjelaskan adanya energi potensial dan energi kinetik pada suatu benda
yang bergerak
Menunjukan konsep kekekalan energi
Menunjukan hubungan usaha, gaya dan perpindahan
Menjelaskan kaitan antara energi usaha
Menunujukan kegunaan beberapa pesawat sederhana yang sering
digunakandalam kehidupan sehari-hari
Coba diskusikan !





Mengapa kita merasa lelah setelah
berlari ?
Mengapa tubuh kita menjadi lemas
jika lapar ?
Pada saat terjadi pemutusan aliran
listrik, mengapa kita tidak dapat
menghidupkan lampu dan televisi ?
Mengapa batu akan pecah bila
dipukul palu ?
Mengapa memotong kain lebih
mudah jika menggunakan gunting ?
Pernahkah kamu mendengar kata
usaha !
 ``Apakah artinya usaha ?
Apakah betul si ibu tersebut
melakukan usaha ?
Saya sedang
usaha agar
memperoleh
uang
BERSEPEDA
PESAWAT TERBANG
KINCIR ANGIN
Pengertian Energi :


Adalah kemampuan untuk
melakukan usaha.
Usaha sama dengan hasil perkalian
antara gaya dengan perpindahan
Bentuk energi
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Energi kimia, adalah energi yang tersimpan dalam
bahan makanan
Energi cahaya dan energi panas,adalah energi
dari benda yang menghasilkan cahaya dan panas
Energi listrik, adalah energi ditimbulkan oleh arus
listrik.
Energi Bunyi, adalah energi yang dihasilkan oleh
benda yang bergetar.
Energi potensial, adalah energi yang dimiliki
benda karena keadaan atau kedudukannya.
Energi kinetik, adalah energi yang dimiliki benda
saat bergerak.
HUKUM KEKEKALAN ENERGI :
“ ENERGI TIDAK DAPAT
DICIPTAKAN DAN TIDAK DAPAT
DIMUSNAHKAN, HANYA DAPAT
BERUBAH BENTUK MENJADI
BENTUK ENERGI YANG LAIN “
Perubahan bentuk energi
• Energi listrik menjadi energi cahaya
( arus listrik
lampu nyala )
• Energi listrik menjadi energi panas
( arus listrik
strika listrik )
• Energi gerak menjadi energi kalor
( dua benda digesekan menjadi panas )
• Energi gerak menjadi energi bunyi
( senar gitar di petik ----- bunyi )
• Energi kimia menjadi energi listrik
( accu / aki atau baterai )
Energi Mekanik ( Em )
Em = Ep
A. Energi Potensial ( Ep )
Ep = m.g.h
h
Em=Ep+Ek
Ep = Energi potensial ( Joule )
m = massa benda ( kg )
g = percepatan gravitasi bumi ( m / s2 )
h = ketinggian benda ( m )
Em=Ek
LANTAI
B. Energi kinetik ( Ek )
Ek = ½ mv
2
Ek = Energi kinetik ( Joule )
m = massa ( kg )
V = percepatan ( m / s )
Em = Energi potensial + Energi kinetik
Em = mgh + ½ mv2
CONTOH SOAL :
1.
Tentukan energi kinetik sebuah
sepeda yang
2
sedang melaju pada 5 m/s . Massa sepeda
berikut pengendaranya adalah 60 kg.
Penyelesaian
Diket : m = 60 kg
2
v = 5 m/s
Dit.
Ek = ……… ?
Jawab : Ek = ½ m.v
2
= ½ x 60 kg x 5² m/s
= 750 Joule
2
2. Sebuah benda bermassa 0,1 kg dijatuhkan dari
ketingiaan10 m
( g = 10 m/s2 )
a. Berapa energi potensial dan energi
kinetik benda mula-mula ?
b. Berapa energi potensial dan energi
kinetik benda saat menyentuh lantai ?
c. Berapa energi potensial, energi kinetik dan
kecepatan benda saat berada
pada
ketinggian 5 m ?
d. Berapa kecepatan benda pada saat
menyentuh lantai ?
Penyelesaian
Diket : m = 0,1 kg
h = 10 m
2
g = 10 m/s
2
Dit
vo = 0 m/s
: a. Ep mula-mula = ….
b. Ep dan Ek saat menyentuh lantai ...
c. Ep, Ek, dan v pada saat h = 5 m
d. v pada saat menyentuh lantai
Jawab :
Ep = m x g x h
2
= 0,1 kg x 10 m/s x 10 m
= 10 Joule
Ek = 0
b.
Pada saat menyentuh lantai ( h = 0 )
Em = Ek = 10 Joule
c.
Pada saat h = 5 m
Ep = m x g x h
= 0,1 kg x 10 m/s2 x 5 m
= 5 Joule
d. Em = Ep + Ek
10 = 5 + Ek
Ek = 5
2
Ek = ½ x m x v
2
5 = ½ x 0,1 x v
2
v = ½ x 0,1
a.
v
5
2
= V0,01 = 0,1 m/s
3.
4.
5.
Tentukan energi sebuah bola volley
bermassa 800 gram ( 0,8 kg ) yang sedang
2
bergerak dengan kecepatan 2,5 m/s
Sebuah balok bermassa 2 kg berada pada
ketinggian 5 m. Jika percepatan gravitasi 10
2
m/s , tentukan energi potensial balok tersebut
terhadap tanah ?
Sebuah batu bermassa 2,5 kg dipegang pada
jendela sebuah gedung tinggi yang berada 40
m diatas permukaan tanah. Berapakah energi
2
potensial yang dimiliki batu ? ( g = 9,8 m/s )

Persoalan gerak yang melibatkan gaya
konstan  Dinamika

Persoalan gerak yang melibatkan gaya
yang tidak tetap:
 Usaha dan Energi
 F(t)  Momentum
 F(x)
Usaha

Usaha adalah suatu
besaran skalar yang
diakibatkan oleh gaya
yang bekerja
sepanjang lintasan


  F (s)  d s
z
ds
2
F
1
y
2
W12
x
1
2
2
2
1
1
1
  Fx ( s )dx   Fy ( s )dy   Fz ( s )dz
Usaha sebagai Luas
x2
W   F ( x)dx
F
Wg
x1
x
s
W = F * s
dW = F(s) d s
Energi


Kemampuan untuk melakukan usaha atau kerja
Bentuk dari energi:
 Energi
kinetik
 Energi potential: gravitasi, pegas, listrik
 Panas
 dll


.
Energi ditransfer kepada benda  Usaha positif
Energi ditransfer dari benda  Usaha negatif.
Satuan Usaha dan Energi
Gaya  Jarak = Usaha
Newton

[M][L] / [T]2
mks
N.m (Joule)
Meter
[L]
cgs
Dyne-cm (erg)
= 10-7 J
=
Joule
[M][L]2 / [T]2
Lainnya
BTU
calorie
foot-lb
eV
= 1054 J
= 4.184 J
= 1.356 J
= 1.6x10-19 J
Usaha dan Energi Kinetik

Jika gaya F selalu tetap, maka percepatan a
akan tetap juga, sehingga untuk a yang tetap:


2
2



 ds
dv
  F ( s )  d s   m  d s   mdv 
dt
dt
1
1
1
2
W12
2
2
2
 
2
  mv  d v   mvdv  1 mv  1 mv22  1 mv12
2
2
2
1
1
v1
1
v2
F
a
m
i
x
Teorema Usaha – Energi kinetik
Wnet  K
 K 2  K1
1
1
2
2
 mv2  mv1
2
2
Usaha yang dilakukan pada benda akan
mengakibatkan perubahan energi kinetik
dari benda tersebut
Jenis Gaya

Gaya Konservatif
Contoh : Gaya Gravitasi, Gaya Pegas, dll

Gaya non Konservatif
Contoh : Gaya Gesek, dll
Usaha yang dilakukan oleh Gaya
Konservatif
Tidak dibergantung kepada lintasan yang
 diambil

W2  1
W11  W12  W21   F ( s)  d s  0
2
1
W1  2
Usaha
Sehingga:
W12

 W21  Fk (s)  W  PE
yang dilakukan oleh gaya konservatif
sebanding dengan negatif perubahan energi
potensialnya
Gaya konservatif adalah minus gradient dari energi
potensialnya
Usaha yang dilakukan oleh gaya
gravitasi
 Wg = F ∆s = mg s cos 
m
= mgy
mg
s 
Wg = mgy
j
y
hanya bergantung pada y !
m
Usaha yang dilakukan oleh gaya
gravitasi
W
= W1 + W2 + . . .+ Wn
= F r 1+ F r2 + . . . + F rn
= F (r1 + r 2+ . . .+ rn)
= F r
= F y
m
r1
y
r3
Wg = mg y
rn
Bergantung hanya pada y,
bukan pada lintasan yang
diambil !
r
mg
r2
j
Usaha yang dilakukan pada Pegas
Pada pegas akan bekerja gaya sbb:
F  kx
F(x)
x1
x2
x
Posisi awal
-kx
F = - k x1
F = - k x2
Pegas (lanjutan…)
x2
Ws   F ( x ) dx
x1
F(x)
x1
x2
x2
  (  kx) dx
x
Ws
-kx
Energi
Potensial
Pegas
x1
1 2
  kx
2
x2
x1
1
Ws   k x22  x12 
2
Hukum Kekekalan Energi Mekanik
S Energiawal = S Energiakhir .

Berlaku pada sistem yang terisolasi
 Proses
pengereman ada energi yang berubah
menjadi panas (hilang)
Energi tidak dapat diciptakan atau
dimusnahkan
 Hanya bentuk energi yang berubah

Energi potensial  Energi Kinetik
(benda jatuh bebas)
 Contoh:
Gerak Bandul Fisis
Pada kasus ini dapat
terlihat perubahan
antara energi kinetik
(KE) dan energi
potensial (PE) pada
bandul.
m
h1
h2
v
KE2 + PE2 = KE1 + PE1
Jet Coaster
KE2 + PE2 = KE1 + PE1
N
v
v
R
mg
Usaha oleh Gaya Non-Konservatif
Bergantung kepada lintasan yang diambil
B
Wlintasan 2 > Wlintasan 1.
Contoh:
Gaya gesek adalah
gaya non-konservatif
Lintasan 1
Lintasan 2
A
Wf = Ff • D = -kmgD.
Ff = -kmg
D
Gerak pada permukaan kasar
Hitunglah x!
d
k
x
Hukum Kekekalan Energi Umum
WNC = KE + PE = E
Dimana WNC adalah usaha yang dilakukan oleh
gaya non konservatif
E TOT = KE + PE + Eint = 0
Dimana Eint adalah perubahan yang terjadi pada
energi internal benda ( perubahan energi panas)
dan Eint = -WNC
Diagram Energi Potensial
F
1 2
PEs  kx
2
m
x
U
m
m
x
x
U
x
F
0
x
U
F = -dPE/dx
= - {slope}
0
x
0
x
Keseimbangan
U
Kita meletakan suatu
balok pada permukan
kurva
energi
a. Jika
posisipotensial:
awal pada
titik stabil maka balok
tersebut akan
bergerak bolak-balik
pada posis awalnya
b. Jika posisi awal pada
titik unstabil maka
balok tidak akan
pernah kembali
keadaan semulanya
unstabil
netral
Stabil
x
0
c.
Jika posisi awal pada
titik netral maka
balok tersebut akan
bergerak jika ada
gaya yang bekerja
padanya
Daya
F
Daya adalah laju perubahan
usaha yang dilakukan tiap detik

dW F .d s
Daya 

 F .v
dt
dt
r
v
Satuan SI dari daya
 F v cos 
1 W = 1 J/s = 1 N.m/s1
1 W = 0.738 ft.lb/s
1 horsepower = 1 hp = 746 W