Usaha dan Energi

Assalammualaikum, selamat pagi dan selamat datang di situs mata pelajaran onlien Buku IPA. Berikut ini Guru IPA akan membahas mata pelajaran Fisika tentang “Usaha dan Energi“. Berikut pembahasaan materi pelajarannya, sebagai berikut:

Usaha dan Energi

Pengertian Usaha

Dalam kehidupan sehari-hari, kata usaha dapat diartikan sebagai kegiatan dengan mengerahkan tenaga, pikiran, atau badan untuk mencapai tujuan tertentu. Usaha dapat juga diartikan sebagai pekerjaan untuk mencapai tujuan tertentu.

Dalam fisika, pengertian usaha hampir sama dengan pengertian usaha dalam kehidupan sehari-hari. Kesamaannya adalah dalam hal kegiatan dengan mengerahkan tenaga.

Pengertian usaha dalam fisika selalu menyangkut tenaga atau energi. 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”.


Rumus Usaha

Bila gaya bekerja pada sebuah benda sehingga benda berpindah selama gaya bekerja, maka gaya tersebut melakukan usaha. Rumusnya adalah:

W = F.s

Keterangan:

W = usaha

F = gaya

S = perpindahan benda

Contohnya, 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.


Pengertian Energi

Dalam kehidupan sehari-hari kita sering mendengar istilah energi, apa yang dimaksud dengan energi? Apakah yang anda rasakan setelah mengayuh sepeda di jalan tanjakan? Mengapa demikian?. Energi apa yang tersimpan pada buah kelapa yang berada diatas pohon?

Terhadap pertanyaan-pertanyaan tersebut, secara sepintas kita sering berpikir bahwa energi adalah kekuatan. Setelah kita mengayuh sepeda di jalan tanjakan kita akan merasa kelelahan, karena tenaga kita berkurang. Buah kelapa yang masih dipohon tidak memiliki energi, karena buah itu diam atau tidak bergerak.

Energi adalah kemampuan untuk melakukan usaha atau kerja. Sebuah benda dapat dikatakan mempunyai energi bila benda itu menghasilkan gaya yang dapat melakukan usaha. Dalam kegiatan sehari-hari kita sering mendengar istilah energi atau tenaga yang merupakan suatu besaran turunan yang memiliki satuan joule. Menurut para ahli sains, energi didefinisikan sebagai kemampuan melakukan usaha.

Setiap energi pasti mengalami perubahan, dengan demikian setiap materi mengandung dan terkait dengan energi. Bila materi berubah akan disertai perubahan energi, maka energi adalah sesuatu yang menyertai perubahan materi.

Jika energi yang dikandung materi sebelum perubahan lebih besar dari sesudahnya, maka akan keluar sejumlah energi dan peristiwa tersebut disebut eksotermik. Sebaliknya jika energi materi sebelum perubahan lebih kecil dari sesudahnya, maka akan diserap sejumlah energi dan peristiwa itu disebut endotermik.

Energi berasal dari suatu sumber energi, energi panas bisa berasal dari matahari, api, nyala lilin. Matahari merupakan sumber energi yang paling utama bagi kehidupan di bumi. Misalnya, matahari (energi cahaya) berperan pada pembuatan makanan bagi kehidupan mahluk hidup lainnya.


Jenis-Jenis Energi

Di alam ini tidak ada makhluk yang dapat menciptakan dan memusnahkan energi, atau dengan kata populernya “energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan dan energi bisa berubah dari bentuk satu ke bentuk yang lainnya”.

Ini merupakan bunyi hukum kekekalan energi. Yang terjadi di alam hanya perubahan energi dari satu bentuk kebentuk yang lainnya. Perubahan yang menyertai materi sebenarnya menjelaskan esensi energi sebagi kemampuan melakukan kerja atau usaha.

Melakukan usaha artinya melakukan perubahan antara lain perubahan posisi, perubahan bentuk, perubahan ukuran, perubahan suhu, perubahan gerak, perubahan wujud, dan perubahan struktur kimia suatu saat. Pada dasarnya ada 2 macam bentuk energi, yaitu energi potensial dan energi kinetik. Kedua energi tersebut merupakan energi mekanik.


  1. Energi Kinetik

Energi kinetik adalah energi yang dimiliki suatu benda yang bergerak. Anak panah yang lepas dari busurnyamemiliki energi kinetiksehingga anak panah dapatmelakukan usaha, yaitu menancap pada target. Besarnya energi kinetik suatu benda bergantung pada massa dan kelajuan benda.

Sebuah benda yang bermassa m  yang diam pada permukaan licin (tanpa gesekan). Ketika gaya konstan  F diberikan selamamenempuh jarak benda akan bergerak pada percepatan yang sama a sampai mencapai kecepatn akhir v. Usaha yang dilakukan pada benda W = F  seluruhnya dubah menjadi energi kinetik benda pada keadaan akhir jadi, EK = W  atau W = F.


Rumus Energi Kinetik

EK= m.v2

Jadi,energi kinetik (EK) sebanding massa benda m dan kuadrat kecepatannya (v2). Jika massa dilipatgandakan, energikinetik meningkat 2 kali lipat. Akan tetepi, jika kecepatan dilipatgandakan, energi kinetik meningkat 4 kali lipat.

Ada banyak contoh sederhana Energi Kinetik didalam praktek kehidupan kita sehari – hari antara lain sebagai berikut ini : seseorang yang berjalan, bisbol yang dilempar, pensil yang  jatuh dari meja, dan partikel bermuatan dalam medan listrik juga merupakan contoh energi kinetik dan masih banyak contoh- contoh yang lainnya.

Selain energi kinetik gravitasi juga dikenal energi kinetik pegas. Energi ini dimiliki oleh benda yang dapat melentur seperti pegas atau busur panah. Pegas dan busur panah harta benda sejenis akan memiliki energi potensial jika benda itu direntangkan atau diciutkan. Jika sebuah pegas direnggangkan oleh gaya F sejauh X, maka pegas tersebut akan memiliki energi potensial sebesar :


Rumus Energi Kinetik Pegas

EP=  k.x2 , atau EP= F.x

Keterangan:

F= gaya pegas (Newton),

k= konstanta pegas (N/m),

x=pertambahan panjang pegas (meter)


  1. Energi Potensial

Energi potensial gravitasi adalah energi yang dikandung suatu materi berdasarka tinggi rendahnya kedudukannya. Besarnya energi potensial bergantung pada massa dan ketinggian.

Secara matematis hubungan tersebut ditulis:

EP = m g h

Keterangan:

Ep= energi potensial (joule)

M= massa materi (kg)

g = percepatan gravitasi (m/s2)

h= ketinggian dari bumi (meter)


  1. Energi Mekanik

Energi mekanik adalah jumlah dari energi potensial dan energi kinetik.Energi mekanik sebagai energi total dari suatu benda bersifat kekal, tidak dapat dimusnahkan, namun dapat berubah wujud, sehingga berlakulah hukum kekekalan energi yang dirumuskan:

Hukum Kekekalan Energi Mekanik

EP1 + EK1 = EP2 + EK2


  1. Energi Panas (Kalor)

Energi Panas adalah energi yang berpindah akibat perbedaan suhu. Satuan SI untuk panas adalah joule. Panas bergerak dari daerah bersuhu tinggi ke daerah bersuhu rendah. Energi  Panas ini berbanding lurus terhadap suhu benda. Ketika dua benda dengan suhu berbeda bergandengan, mereka akan bertukar energi internal sampai suhu kedua benda tersebut seimbang. Jumlah energi yang disalurkan adalah jumlah energi yang tertukar.

Perpindahan Energi Panas, terjadi contohnya jika kamu akan merasa hangat berada di dekat api unggun. Hal ini disebabkan tubuhmu menerima energi panas dari api unggun tersebut. Panas yang berpindah disebut kalor. Api kompor dapat mematangkan makanan karena terdapat energi panas yang berpindah dari api ke makanan.

Manfaat Energi Panas (Kalor) dalam kehidupan sehari-hari tentunya sangat banyak, contoh penjemuran pakaian saat siang hari.


  1. Energi Cahaya

Energi cahaya adalah energi yang dimiliki oleh gerakan foton dalam bentuk gelombang elektromagnetik. Gelombang cahaya mempunyai frekuensi dan panjang gelombang tertentu, dengan kecepatan yang sama. Makin besar nilai panjang gelombang maka makin kecil frekuensi dan sebaliknya.

Max Planck, ahli fisika dari Jerman, pada tahun 1900 mengemukakan teori kuantum. Planck menyimpulkan bahwa atom-atom dan molekul dapat memancarkan atau menyerap energi hanya dalam jumlah tertentu. Jumlah atau paket energi terkecil yang dapat dipancarkan atau diserap oleh atom atau molekul dalam bentuk radiasi elektromagnetik disebut kuantum. Planck menemukan bahwa energi foton (kuantum) berbanding lurus dengan frekuensi cahaya.


Dengan rumus

E = h . ʋatau E = c / λ

Keterangan:

h = tetapan Planck (6,626 × 10–34 J. dt)

ʋ = frekuensi (Hz)

c = kecepatancahayadalamvakum (3 × 108 m det–1)

λ = panjang gelombang (m)


  1. Energi Listrik

Energi listrik adalah energi yang diakibatkan oleh gerakan partikel bermuatan dalam suatu media (konduktor), karena adanya beda potensial antara kedua ujung konduktor. Besarnya energi listrik bergantung pada beda potensial dan jumlah muatan yang mengalir.


Rumus Energi Listrik

W = q.E

Keterangan:

W= energi listrik (J)

q = muatan yang mengalir (C)

E = beda potensial listrik (V)


  1. Energi Kimia

Energi kimia adalah energi yang dikandung suatu senyawa dalam bentuk energi ikatan antara atom-atomnya. Besarnya energi bergantung pada jenis dan jumlah pereaksi serta suhu dan tekanan. Contoh penggunaan energi kimia yaitu pada aki motor


  1. Energi Nuklir

Energi nuklir adalah energi yang terkandung dalam inti atom. Energi nuklir akan keluar bila suatu inti akan berubah menjadi inti lain. Besarnya energi nuklir bergantung pada jenis dan jumlah inti.


Hubungan antara Usaha dan Energi

Anda sudah mengetahui bahwa energi adalah kemampuan melakukan usaha. Definisi tersebut menunjukkan bahwa usaha memiliki kaitan yang erat dengan energi. Ketika anda mendorong sebuah peti diatas lantai yang datar dan licin, hanya gaya dorong anda yang melakukan usaha ada peti, dan ternyata kelajuan peti bertambah. Kelajuan peti bertambah berarti energi kinetik pada peti juga bertambah. Tentu saja pertambahan energi kinetik berasal dari usaha yan dilakukan oleh gaya dorong.

Dengan demikian, besarnya usaha sama dengan perubahan energi kinetik benda. Secara matematis ditulis sebagai berikut:

Rumus

W = Δ Ek; W = Ek2 – Ek1

Keterangan:

W = usaha (Joule)

Ek = perubahan energi kinetik (Joule)

Ek2 = energi kinetik akhir (Joule)

Ek1 = energi kinetik awal (Joule)


Ketika anda mengangkat sebuah balok, kamu akan memberikan gaya dorong terhadap balok.Pada saat ke atas, berlaku:

Wtangan = Ftangan . s = m g h

Saat ke bawah:

Wgravitasi = Fgravitasi . s = –m g h


Usaha yang dilakukan oleh gaya gravitasi bumi (benda yang bergerak vertikal) sama dengan perubahan energi potensial gravitasi.

 Secara matematis ditulis sebagai berikut.

W = Δ Ep; W = Ep2 – Ep1;W = m g (h2 – h1

Keterangan:

W = usaha (J)

ΔEp = perubahan energi potensial (J)

Ep1 = energi potensial awal (J)

Ep2 = energi potensial akhir (J)


Contoh Soal Usaha dan Energi

Berikut ini terdapat beberapa contoh soal usaha dan energi, yaitu sebagai berikut:


1. Benda bermassa 10 kg bergerak diatas permukaan yang datar dan licin tanpa geya gesek, jika benda di dorong dengan gaya100 N yang membentuk sudut 60° terhadap arah horisontal. Besar usaha jika perpindahan benda sejauh 5 m adalah … .

a. 100 J

b. 150 J

c. 200 J

d. 250 J

e. 500 J


Jawab: D

W = F.cosα.S = 100 . cos 60. 5 = 100.0,5.5 = 250 Joule


2. yang dilakukan oleh suatu gaya terhadap benda sama dengan nol apabila arah gaya dengan perpindahan benda membentuk sudut sebesar … .

a. 0°          d. 90°

b. 45°       e. 180°

c. 60°


Jawab: D


3. Balok dengan massa 1.800 gram (g =10 m/s2) ditarik secara vertikal selama 4 sekon. Jika balok berpindah setinggi 2 m, daya yang dihasilkan adalah … .

a. 3.600 W           d. 36 W

b. 900 W              e. 9 W

c. 225 W


Jawab: E


4. Massa benda A tiga kali massa B dan kelajuan benda A setengah kali B. nilai Perbandingan energi kinetik benda A dengan B adalah …

a. 3 : 4      c. 2 : 3            e. 1 : 1

b. 3 : 2      d. 2 : 1


Jawab: A


5. Dengan massa 3 kg dilempar vertikal ke atas dengan kecepatan awal 20 m/s. Jika g = 10 m/s², maka energi potensial benda saat mencapai titik tertinggi adalah … .

a. 300 J          c. 500 J        e. 700 J

b. 400 J          d. 600 J


Jawab: D


Demikian Pembahasan Materi Mata Pelajaran Fisika Tentang Usaha dan Energi: Pengertian, Rumus, Jenis dan Contoh Soal dari Bukuipa

Semoga Bermanfaat Bagi Siswa dan Siswi


Baca Artikel Lainnya: