Usaha dan Energi

A.Usaha  

Usaha adalah  gaya yang dilakukan untuk memindahkan benda sejauh perpindahannya.

w = F. S

        Keterangan :

        F = gaya (N)

        s = perpindahan yang dilakukan (m)

        Satuan SI dari kerja: newton.meter = joule (J)

Usaha oleh Gaya yang Membentuk Sudut terhadap Perpindahan

Pada Gambar diatas, terlihat seseorang sedang menarik koper dengan membentuk sudut θ terhadap arah horizontal.

Secara matematis, usaha yang dilakukan orang tersebut adalah :

w=F.S cosθ

      Keterangan : 

      F = gaya (N) 

      s = perpindahan yang dilakukan (m) 

       θ = sudut antara gaya dengan perpindahan 

      Satuan SI dari kerja: newton.meter = joule (J) 

Grafik Usaha

  

B.   Teorema usaha dan energi

Energi adalah kemampuan suatu benda atau seseoran untuk melakukan usaha atau gerak. Suatu  benda dikatakan memiliki energi jika benda tersebut dapat melakukan usaha.

Misalnya kendaraan dapat mengangkat barang karena memiliki energi yang diperoleh dari bahan bakar.

Keberadaan energi bersifat kekal, sesuai dengan pernyataan Hukum Kekekalan Energi yang berbunyi  :  “Energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan”.

Energi hanya mengalami perubahan bentuk dari bentuk satu menjadi bentuk lain. Misalnya, energi bahan bakar berubah menjadi energi kinetik yang dimiliki yang dimiliki kendaraan.

  

C. Macam-macam Energi

        

1. Energi Kinetik       

Energi kinetik dari suatu benda dengan massa m dan laju v, diberikan oleh:

EK=1/2 m.v^2  

           Keterangan

              EK = Energi kinetik (Joule)

              EP = Energi potensial (Joule)

              m = massa (kg)

              V = kecepatan (m/s)

              h = ketinggian (m)

              g = kecepatan gravitasi (m/s^2)

Berdasarkan Hukum II Newton, diketahui bahwa percepatan berbanding lurus dengan gaya dan berbanding terbalik dengan massa. Maka usaha yang dilakukan pada benda adalah:

            W = F.S jika  F=m.a  maka W= m.a.S

Keterangan :

W = usaha (J)

F = gaya (N)

s = perpindahan yang dilakukan (m)

a = percepatan (m/s^2)

m = massa (kg)

 

2. Energi Potensial

Energi Potensial (EP) adalah energi yang dipunyai oleh benda dengan massa m yang bergantung pada posisi relatif terhadap permukaan bumi. Benda yang memiliki kedudukan di atas permukaan bumi, dikatakan bahwa benda tersebut memiliki energi potensial gravitasi. Posisi benda tersebut diukur pada ketinggian h yang relatif terhadap suatu titik acuan:

             EP=m.g.h

            Keterangan

            EP= Energi potensial (Joule)

            m = massa (kg)

            h = ketinggian (m)

            g = kecepatan gravitasi (m/s^2)

Misalnya, usaha untuk mendarat sebuah Helikopter dari suatu ketinggian sampai ke permukaan tanah adalah.

Rumus Energi Potensial

                       W=F.S=m.g.ht - m.g.h0

Energi potensial dinyatakan dengan

         EP=m.g.h

Dengan demikian, didapat hubungan usaha dan energi potensial.

         W= (Ep)t - (Ep)0

Jadi, perlakuan oleh gaya pada benda sama dengan perbahan energi potensial.

         w=∆ EP

         F = Gaya (N)

         S = perpindahan (m)

         m = massa benda (kg)

         G = percepatan gravitasi (m/s^2)

         h_t = tinggi akhir benda (m)

         h₀ = tinggi awal benda (m)

         Ep = energi potensial gravitasi (Joule)

         W = usaha (Joule)

3. Hukum Kekekalan Energi 

Sebelumnya sudah dikemukakan bahwa energi di alam ini tidak dapat dimusnahkan dan tidak dapat diciptakan. Akan tetapi, energi hanya berubah bentuk.

Jika gaya-gaya yang bekerja pada sebuah benda bersifat konservatif maka total usaha yang dilakukan sampai kembali kekedudukan semula (satu siklus) adalah nol, atau energi yang dimiliki benda

Sebuah benda massanya m bergerak vertikal ke atas, pada ketinggian benda h₁ kecepatannya v₁, setelah ketinggian benda mencapai h₂ kecepatannya v₂.

Jika gaya gesekan benda dengan udara diabaikan, akan memenuhi hukum kekekalan energi mekanik. 

Usaha yang dilakukan pada benda sama dengan negatif perubahan energi potensial

W=-(m.g.h2 - m.g.h1)

Usaha yang dilakukan pada benda sama dengan perubahan energi kinetik

W=1/2 m.(v2)^2 - 1/2 m.(v1)^2

Usaha yang dilakukan pada benda sama dengan negatif perubahan energi potensial

m.g.h1 - m.g.h2=1/2 m.(v2)^2-1/2 m.(v1)^2

m.g.h1+1/2 m.(v1)^2=m.g.h2+1/2 m.(v2)^2

atau dapat ditulis sebagai berikut:

EP1+EK1=EP2+EK2

Jumlah energi potensial dengan energi kinetik disebut energi mekanik (Em). Oleh karena itu, persamaan di atas dinamakan hukum kekekalan energi mekanik (Em)

Em =EP+EK=Konstan

Jumlah energi potensial dengan energi kinetik disebut energi mekanik (Em). Oleh karena itu, persamaan di atas dinamakan hukum kekekalan energi mekanik (Em)

Contoh Penerapan Hukum Kekekalan Energi

Pembangkit Listrik tenaga Hidro

Pada bendungan (dam) pembangkit listrik tenaga hidro, air dibendung hingga mencapai ketinggian (h) yang tinggi sehingga air di waduk memiliki energi potensial yang tinggi. Air masuk dari pintu air melewati jalur air hingga ke turbin dan memutar turbin.

 

Energi potensial air kemudian berubah menjadi energi kinetik pada turbin sehingga turbin berputar. Karena turbin berputar, maka generator pun ikut berputar. Energi kinetik pada turbin kemudian berubah menjadi energi listrik pada generator. Listrik dari generator kemudian dialirkan melalui kabel tegangan tinggi jarak jauh. Energi listrik inilah yang kita nikmati sehari-hari.

Mobil atau Kendaraan Bermotor

Pada mobil atau kendaraan bermotor, prinsipnya selalu sama. Energi kimia yang terdapat dalam bahan bakar diubah menjadi energi kinetik pada mesin mobil. Energi kinetik tersebutlah yang menggerakkan mobil. Besarnya energi kinetik yang menggerakkan mobil lebih kecil dari besarnya energi kimia pada bahan bakar. Hal ini disebabkan karena tidak seluruh energi kimia berubah menjadi energi kinetik. Sebagian besar energi yang tidak berubah menjadi energi kinetik tersebut, akan tetapi berubah menjadi energi dalam bentuk lain seperti panas, getaran, dan lain-lain.