Dr. Jimmy F. Rumampuk. M.Kes

Kita

telah mengetahui bahwa di bawah kondisi-kondisi tertentu energi mekanis sebuah system adalah konstan dan energi itu dikatakan kekal. Hukum kekekalan energi yang jauh lebih luas berlaku di dalam alam. Jika kita menghitung atau mengukur energi total mekanis, listrik, termal dan lain-lain, maka energi total ini adalah konstan, walaupun masing-masing jenis energi itu tidak perlu kekal.

Apa

yang diamati di dalam system tidak lain adalah suatu pergantian energi dari satu bentuk ke dalam bentuk yang lainnya, dengan jumlah keseluruhannya tetap konstan.

Einstein

melihat bahwa energi bukan saja dapat dikonversikan dari satu bentuk menjadi bentuk yang lainnya, tetapi energi dapat juga dikonversikan menjadi materi, dan sebaliknya. Energi adalah sebuah konsep yang memainkan peranan kunci di dalam banyak sekali jangkauan pemakaian.

Dalam

mempelajari tentang energi dapat membantu kita untuk memahami kemungkinan dan kesukaran yang diasosiasikan dengan alternative dari sumber bahan bakar fosil kita yang semakin berkurang.

Kita

mendefinisikan kerja yang dilakukan pada sebuah benda oleh sebuah gaya dan kita akan memperlihatkan bagaimana kerja itu dihitung.

Misalkan

bahwa sebuah benda ditarik sejauh s, dan bahwa sebuah gaya F yang beraksi pada benda itu mempunyai komponen Fp sepanjang s seperti pada gambar 46 di bawah. Maka kerja yang dilakukan oleh gaya itu didefinisikan sebagai hasil kali dari komponen gaya itu dan pergeseran

1. KERJA

W = Fps.(1)

1. KERJA

Jika F membentuk sudut dengan s, seperti terlihat pada gambar di atas maka, Fp = Fscos .(2)

Satuan

SI dari kerja adalah joule (J). karena kerja mempunyai dimensi gaya kali jarak, maka satu joule adalah satu Newton meter. Menurut persamaan (2) kita melakukan dua kali banyaknya kerja untuk menarik sebuah benda sepanjang lantai, jika kita melipatgandakan beratnya atau jarak yang ditempuhnya.

Energi

kinetik sebuah benda adalah ukuran dari kerja yang dapat dilakukan oleh benda itu karena geraknya. Energi kinetic translasi dari sebuah benda yang massanya m dan kecepatannya V adalah mV2. Kerja yang dilakukan pada sebuah benda dan energi kinetiknya akan menurut prinsip fundamental berikut.

Energi

kinetic akhir dari sebuah benda adalah sama dengan energi kinetik permulaannya ditambah dengan kerja total yang dilakukan pada benda itu oleh semua gaya yang bereaksi pada benda tersebut.

Dengan

menggunakan hukum kedua Newton, yakni F=ma, maka kerja yang dilakukan oleh F adalah W = Fs = mas. Energi kinetik akhir K dan energi kinetic mula-mula Ko didefinisikan sebagai K = mV2 dan Ko= mVo2 (3)

Kalau kita tulis persamaan energi mV2 = mVo2 + mas maka kita dapat menuliskan kembali rumus (3) sebagai K = Ko + W ..(4) Sehingga energi kinetik akhir sama dengan energi kinetik awal benda itu ditambah dengan kerja yang dilakukan pada benda tersebut. Perhatikan bahwa kerja dan energi kinetik mempunyai dimensi dan satuan yang sama.

Kerja

yang dilakukan oleh gaya gravitasi pada benda itu dapat ditangani dengan mudah jika kita memperkenalkan bentuk lain dari energi yaitu energi potensial. Gaya-gaya yang dapat ditangani dengan cara ini dinamakan gaya konservatif.

3. ENERGI POTENSIAL Untuk memahami energi potensial, tinjaulah sebuah bola yang dilemparkan lurus ke atas. Kecepatannya berkurang secara terus-menerus sewaktu bola itu naik. Di sini gaya gravitasi mg melakukan kerja negative, karena arahnya berlawanan dengan pergeseran dan besesuaian dengan itu maka energi kinetiknyapun berkurang. Pada saat bola itu mulai turun maka gaya gravitasi melakukan sejumlah kerja positif yang sama besarnya, dan energi kinetiknya kembali ke nilainya yang semula pada saat bola itu kembali ke titik awal keberangkatannya.

Secara

alternative, kita dapat memikirkan bola yang naik itu kehilangan energi kinetik dan memperoleh energi potensial. Energi potensial itu dikonversikan kembali ke dalam energi kinetik bila bola itu jatuh.

Sekarang

kita pikirkan sebuah bola yang dilemparkan ke atas dari suatu ketinggian ho ke suatu ketinggian h. arah gaya gravitasi mg berlawanan dengan arah pergeseran s=h=h0 sehingga kerja yang dilakukan adalah negative.

W(grav)

= -mg(h-h0), akan tetapi menurut pembicaraan kita, energi potensial di dalam situasi ini, dan perubahan energi potensial U=U-U0 adalah positif. Besarnya U didefinisikan sama besarnya dengan W(grav), sehingga kita dapat menuliskannya sebagai U U0 = -W(grav.) ..(5)

Tanda

minus akan mengatasi perubahan tanda. Dengan menggunakan pernyataan kita untuk W(grav.), maka persamaan (5) menjadi U U0 = mg (h-h0) ..(6)

Hasil

ini untuk perubahan energi potensial melibatkan selisih dari dua suku setiap ruas, dan menyarankan bahwa kita mendefinisikan energi potensial itu sendiri di h dan h0 berturut-turut dengan rumus sebagai berikut : U = mgh dan U0 = mgh0..(7)

Ada

banyak bentuk energi yang terdapat dalam beberapa peristiwa selain dari energi mekanis dan energi termal misalnya bila bahan bakar fosil dan oksigen kimia akan melepaskan suatu temperature yang dinaikkan, maka perubahan proses kimia akan melepaskan energi. Demikian juga tubuh manusia menggunakan makanan untuk mensintesa molekul-molekul yang kemudian pecah untuk menyediakan energi yang diperlukan.

4. DAYA Bila sejumlah kerja W dilakukan dalam waktu t, maka daya rata-rata didefinisikan sebagai kecepatan rata-rata untuk melakukan kerja.

W ....................(8) P tDari definisi ini kita melihat bahwa satuan daya S.I adalah joule per detik, yang dinamakan satu watt (W). Satu watt adalah sebuah satuan yang agak kecil untuk tujuan tertentu.

5. LAJU METABOLIC Sebuah mesin dapat menghasilkan kerja (usaha) sebesar 75 J dalam waktu 3 detik, ini berarti dayanya adalah 75 J/s atau 25 watt/ Sebuah mesin dapat menggunakan tenaga. Laju total (R) dari penggunaan tenaga oleh sebuah mesin dapat dirumuskan sebagai W /e P Ieng atau .(9) R R Ieng e t

Wa dimana e Ieng

Wa = usaha terpasang e = efisiensi leng = perubahan tenaga dakhil mesin P = Tenaga (daya) R = laju penggunaan tenaga

Pada

binatang dan manusia laju penggunaan tenaga (R) disebut laju metabolic. Manusia yang bermassa 70 kg secara normal dapat menggunakan tenaga sekitar 107 J/hari, namun jumlah pastinya tergantung pada aktivitas fisiknya, yaitu berapa banyak usaha (dalam arti teknis) yang dikerjakannya

5. LAJU METABOLIC Laju metabolic rata-ratanya10 7 J R 121W (24 jam )( 3600 s / jam )

Laju metabolic ini akan turun menjadi 75 W selama tidur dan naik ke 230 W sewaktu berjalan. Cara mengukur laju metabolic seseorang yang melakukan aktivitas tertentu yaitu dengan mengumpulkan semua udara yang dihembuskannya keluar dari tubuhnya kurang lebih 5 menit. Kandungan oksigen udara terpakai ini kemudian dianalisa untuk menentukan jumlah oksigen yang terserap per menit.

5. LAJU METABOLIC Oksigen yang terserap bereaksi dengan karbohidrat, lemak dan protein dalam tubuh, kemudian melepaskan tenaga rata-rata 2 x 104 J untuk setiap liter oksigen yang terserap. Jadi misalnya bila seseorang yang mengendarai sepeda dengan cepat kemudian menghirup oksigen sebanyak 1,45 liter per menit, maka laju metaboliknya (R) = (1,45 1/min)(2 x 104 J/I) = 2,9 x 104 J/min = 483 J/s = 483 W

seorang

pria yang bermassa 70 kg berlari dengan kecepatan 3 m/s, jika massa masingmasing kakinya 10 kg maka usaha yang dikerjakan pada kaki untuk setiap langkah adalah W = mV2 = 10 kg)(3 m/s) = 90 J

5. LAJU METABOLIC Andaikan panjang langkahnya 2 m, lalu orang itu mengambil 1,5 langkah per detik pada setiap kaki, maka daya dari kedua kakinya adalah P = (2)(90 J/langkah)(1,5 langkah/s) = 270 W Karena efisiensi otot kira-kira 0,25, maka laju penggunaan tenaga adalah :

P 270 W R 1080 W e 0,25Nilai mendekati nilai terukur yaitu sebesar 1000 W