FISIKA
· USAHA
· ENERGI
· DAYA
A. USAHA
Kata usaha dalam kehidupan
sehari-hari adalah berbagai aktivitas yang dilakukan manusia.
Dalam Fisika, usaha memiliki
definisi yang lebih khusus. Usaha di definisikan sebagai hasil kali komponen
gaya searah perpindahan, dengan besar perpindahan, di nyatakan dengan :
W = F.s
Dengan : W = usaha (Nm = joule)
F
= gaya (N)
S
= perpindahan (m)
B.
ENERGI
Energi adalah kemampuan untuk
melakukan usaha. Energi baru dapat dirasakan apabila energy tersebut telah
berubah bentuk. Contohnya, energy kimia dalam bahan bakar berubah menjadi
energy gerak untuk memutar roda. Energy listrik berubah menjadi energy cahaya
lampu, menjadi energy kalor pada setrika, dan energy gerak pada bor, mesin
cuci, kipas angin, dll.
1. Energi Potensial
Suatu benda dapat menyimpan energi karena kedudukan
atau posisi
benda tersebut. Contohnya, suatu
beban yang diangkat setinggi h akan
memiliki energi potensial,
sementara busur panah yang berada pada posisi
normal (saat busur itu tidak
diregangkan) tidak memiliki energi potensial.
Dengan demikian, energi potensial
adalah energi yang tersimpan dalam suatu benda akibat kedudukan atau posisi
benda tersebut dan suatu saat dapat dimunculkan.
Energi
potensial terbagi atas dua, yaitu energi potensial gravitasi dan
energi potensial elastis. Energi potensial gravitasi ini timbul
akibat tarikan
gaya gravitasi Bumi yang bekerja
pada benda. Jika massa beban diperbesar,
energi potensial gravitasinya
juga akan membesar. Demikian juga, apabila
ketinggian benda dari tanah
diperbesar, energi potensial gravitasi beban
tersebut akan semakin besar.
Hubungan ini dinyatakan dengan persamaan
EP = mgh
dengan: EP = energi potensial (joule),
w = berat benda (newton) = mg,
m = massa benda (kg),
g = percepatan gravitasi bumi
(m/s2), dan
h = tinggi benda (m).
Bentuk energi potensial yang
kedua adalah energi potensial elastis. Energi potensial adalah energi yang
tersimpan di dalam benda elastis karena adanya gaya tekan dan gaya regang yang
bekerja pada benda.
Jika pada saat Anda menarik pegas
dengan gaya sebesar F1, pegas itu bertambah panjang sebesar
x1. Demikian pula, jika Anda menarik pegas dengan gaya sebesar F2, pegas akan bertambah panjang sebesar
x2. Begitu seterusnya. Dengan
demikian, usaha total yang
Anda berikan untuk meregangkan
pegas adalah
W = F1
x1 + F2
x2 + ...
Besarnya usaha total ini sama
dengan luas segitiga di bawah kurva F
terhadap
x sehingga dapat dituliskan
W = 1/2 F
x
W = 1/2 (k
x
x)
W = 1/2 k
x2
Oleh karena usaha yang diberikan
pada pegas ini akan tersimpan sebagai
energi potensial, dapat
dituliskan persamaan energi potensial pegas adalah sebagai berikut.
EP = 1/2 k
x2
Energi potensial pegas ini juga dapat
berubah karena usaha yang
dilakukan oleh gaya pegas. Besar
usaha yang dilakukan oleh gaya pegas itu
dituliskan dengan persamaan
W = –
EP
2. Energi kinetik
Enegi kinetik adalah energi yang dimiliki suatu benda karena
gerakannya. Jadi, setiap benda yang bergerak memiliki energi kinetik.
Contohnya, energi
kinetik dimiliki oleh mobil yang
sedang melaju, pesawat yang sedang terbang,
dan anak yang sedang berlari.
Benda bermassa m1 bergerak dengan kecepatan
v1. Benda tersebut bergerak lurus
berubah beraturan sehingga setelah
menempuh jarak sebesar s, kecepatan benda berubah menjadi v2. Oleh karena itu, pada benda berlaku persamaan
v2 = v1 + at dan s = v1t
+ 1/2 at2.
Anda telah mengetahui bahwa
percepatan yang timbul pada gerak lurus berubah beraturan berhubungan dengan
gaya F yang bekerja padanya sehingga benda bergerak dengan
percepatan a.
Besar usaha yang dilakukan gaya
sebesar F pada benda dapat dihitung
dengan persamaan
W = Fs = mas
Oleh karena gerak benda adalah
gerak lurus berubah beraturan, nilai a dan
s pada dapat disubstitusikan dengan persamaan a dan s
dari gerak lurus berubah
beraturan, sehingga diperoleh
Besaran 1/2 mv2 merupakan energi kinetik benda karena menyatakan
kemampuan benda untuk melakukan
usaha. Secara umum, persamaan energy kinetik dituliskan sebagai
EK =
dengan: EK = energi kinetik (joule),
m = massa benda (kg),
v = kecepatan benda (m/s).
3. Energi Mekanik
energi mekanik dapat didefinisikan sebagai jumlah energi potensial
dan energi kinetik yang dimiliki oleh suatu benda, atau disebut juga energi
total. Besarnya energi mekanik suatu benda selalu tetap, sedangkan energi
kinetik dan energi potensialnya dapat berubah-ubah. Penulisannya secara matematis
adalah sebagai berikut.
EM = EP + EK
C.
Daya
Besaran usaha menyatakan gaya yang menyebabkan
perpindahan benda. Namun, besaran ini tidak memperhitungkan lama waktu gaya itu
bekerja
pada benda sehingga menyebabkan
benda berpindah. Kadang-kadang usaha
dilakukan sangat cepat dan di
saat lain usaha dilakukan sangat lambat.
Misalnya, Ani mendorong lemari
untuk memindahkannya dari pojok kamar
ke sisi lain kamar yang berjarak
3 m. Dalam melakukan usahanya itu, Ani
membutuhkan waktu 5 menit.
Apabila lemari yang sama dipindahkan oleh
Arif, ia membutuhkan waktu 3
menit. Ani dan Arif melakukan usaha yang
sama, namun keduanya membutuhkan
waktu yang berbeda. Besaran yang
menyatakan besar usaha yang
dilakukan per satuan waktu dinamakan daya.
Dengan demikian, Anda dapat
mengatakan bahwa Arif memiliki daya yang
lebih besar daripada Ani.
Daya didefinisikan sebagai
kelajuan usaha atau usaha per satuan waktu.
Daya dituliskan secara matematis
sebagai berikut.
P =
dengan: W = usaha (joule),
t = waktu (sekon),
P = daya (J/s atau watt).
Contoh :
1. Sebuah benda yang beratnya 10 N berada pada bidang
datar. Pada benda tersebut bekerja sebuah gaya mendatar sebesar 20 N sehingga
benda berpindah sejauh 50 cm. Berapakah usaha yang dilakukan oleh gaya
tersebut?
Jawab
Diketahui: W = 10 N, F = 20 N, dan s = 50 cm.
W = F.s
W = (20 N)(0,5 m) = 10 joule
2.
Sebuah
benda bermassa 2 kg, berada di ketinggian 2 m dari bidang acuan tertentu.
Kemudian benda itu dipindahkan sehingga memiliki ketinggian 5 m dari acuan yang
sama. Jika g = 10 m/s2, tentukan perubahan energi potensial benda!
jawab
3.
Sebuah benda bermassa 0,10 kg jatuh bebas vertikal dari ketinggian
2 m ke hamparan pasir. Jika benda itu
masuk sedalam 2 cm ke dalam pasir sebelum berhenti, besar gaya rata-rata yang dilakukan
pasir untuk menghambat benda adalah sekitar ....
Jawab
= mg Δh
Fs = mg Δh
(F )(2 cm) = (0,10 kg)(10 m/s2)
(2,02 m)
F = 100,1
N~100 N
4. Sebuah mobil massanya 200 kg, berjalan dengan kecepatan 10 m/s2.
tentukan energi kinetiknya!
Jawab :
Dik : m = 200 kg
v = 10 m/s2
Dit : Ek . . . ?
Jawab : Ek = ½ m v2
= ½ 200 . 102
= 20.000 Joule
5. Mula-mula sebuah benda dengan massa 2 kg berada dipermukaan tanah.
Kemudian benda itu dipindahkan keatas meja yang memiliki ketinggian 1,25 m dari
tanah. Berapakah perubahan energi potensial benda tersebut? (g=10 m/s2)
Jawab
Dik: m = 2 kg
h2 =
1,25 m
g = 10 m/s2
Dit: ∆Ep= .....?
Penyelesaian∶ ∆Ep = m g (h2 – h1 )
= 2kg . 10 m/s2 (1,25 m – 0 m)
= 25 Joule
6. Sebuah benda massa 5 kg,
berada pada ketinggian 20 m. Jika gravitasi 9,8 m/kg tentukan energi potensial!
Jawab :
Dik: m = 5 kg
g = 9,8 m/kg
h = 20 m
Dit: Ep . . . ?
Penyelesaian : Ep = m. g. h
=
5. 9,8 . 20 = 980 Joule
7. Sebuah mobil yang massanya 800kg bergerak dengan laju 72 km/jami.
Berapa energi kinetiknya?
Diket: m = 800kg
v
= 72 km/jam
= 20 m/s
Dit : Ek
Jawab: Ek = ½.m.v2
= ½. 800kg. (20m/s)2
= 160000 J
8.
Sebuah
bola baseball 0,5 kg dilempar dengan kecepatan 8 m/s. Tentukan:
a.
Energi
kinetik bola tersebut!
b.
Usaha
yang harus dilakukan untuk mencapai kelajuan tersebut dari keadaan diam!
9. Sebuah benda berada pada
ketinggian 5 m dari atas tanah. Jika energi potensial benda tersebut adalah
2500 joule dan percepatan gravitasi bumi adalah 10 m/s2, tentukan massa benda
tersebut!
Jawab
Dik : Ep = 2500
g = 10 m/s2
h = 5 m
Dit: m … ???
Penyelesaian : Ep = m
x g x h
2500 = m x 10 x 5
2500 = 50 m
m = 2500 / 50
m =
5 kg
10. Seseorang memindahkan benda dengan gaya 20N sejauh 150 cm dalam
waktu 2 detik. Berapa daya orang tersebut sewaktu memindahkan benda?
Diket : F = 20N
s = 150 cm = 1,5 m
t = 2 s
Dit : P??
Jawab: W = F. s = 20N. 1,5m = 30 J
P = W : t = 30J : 2s = 15
J/s
= 15 Watt
No comments:
Post a Comment