usaha dan energi

Drs. Joko Sudomo, MA

1

USAHA DAN ENERGI

Usaha

• “Aku sudah berusaha keras agar dapat lulus ujian”,

• “Agar sukses kita harus berusaha dan berdoa”,

• “Usaha yang dilakukan Pak Tani ternyata berhasil”,

• Pengertian usaha tersebut di atas berbeda dengan pengertian usaha pada Fisika.

• Pengertian usaha pada Fisika:

Jika gaya F bekerja pada suatu benda sehingga benda tersebut berpindah sejauh S, maka

dikatakan bahwa usaha atau kerja yang telah dilakukan adalah:

W = F x S

• Pada kejadian di atas arah perpindahan benda sama dengan arah gaya yang bekerja

pada benda tersebut.

• Dengan demikian dikatakan bahwa usaha merupakan hasil perkalian antara jarak

perpindahan benda dengan gaya penyebab yang searah dengan arah perpindahan

tersebut.

• Satuan usaha = satuan gaya (newton) x satuan jarak (meter).

• Satuan usaha = newton meter, disingkat N.m atau disebut joule (disingkat J).

• Besarnya usaha yang dilakukan tergantung pada besar gaya yang bekerja pada benda

dan jarak perpindahan benda.

• Semakin besar gaya yang bekerja dan semakin jauh perpindahan benda, maka usaha

yang dilakukan juga semakin besar.

• Jadi untuk menentukan ada atau tidak adanya usaha yang dilakukan harus dilihat 2 hal,

yaitu kemana arah gaya dan kemana arah perpindahannya.

• Jika perpindahan benda searah dengan gaya yang bekerja pada benda tersebut maka

dikatakan ada usaha yang dilakukan oleh gaya terhadap benda itu.

• Atau dapat dikatakan: jika ada gaya/komponen gaya yang searah dengan

perpindahan benda maka dikatakan ada usaha yang dilakukan oleh gaya terhadap

benda itu.

Contoh:

1. Seorang pekerja bangunan yang sedang menaiki tangga sambil memanggul beban. Dia

memberikan gaya dengan arah ke atas untuk mengimbangi berat beban. Beban

berpindah ke atas searah dengan gaya yang diberikan pekerja tersebut. Pada peristiwa

ini, pekerja tadi melakukan usaha karena arah perpindahan beban dan arah gaya sama.

F

S

F


2

2. Jika pekerja bangunan tersebut bergerak mendatar sambil memanggul beban, apakah

dia juga melakukan usaha? Pekerja memberikan gaya dengan arah ke atas untuk

mengimbangi berat beban, tetapi beban berpindah mendatar. Arah perpindahan beban

dan arah gaya tidak sama, tetapi saling tegak lurus. Pada peristiwa seperti ini, pekerja

tadi dikatakan tidak melakukan usaha.

3. Seorang tukang bakso mendorong gerobaknya dengan gaya 30 newton di jalan

mendatar sejauh 15 meter. Berapakah usaha yang dilakukan oleh tukang bakso?

Jawab:

Pada peristiwa ini arah gaya dan arah perpindahan gerobak sama, sehingga:

W = F x S

= 30 (N) x 15 (m)

= 450 (N.m)

= 450 joule

= 450 J

Jadi usaha yang dilakukan oleh tukang bakso adalah 450 J.

Latihan

Agar lebih memahami pengertian usaha, diskusikan 3 kejadian berikut.

1. Seekor kuda menarik kereta seperti gambar di samping.

a. Kemanakah arah gaya tarik kuda terhadap kereta?

Arah gaya tarik kuda ke depan.

b. Kemanakah arah perpindahan kereta?

Arah perpindahan kereta ke depan.

c. Samakah arah perpindahan kereta dengan arah gaya tarik oleh kuda?

Arah perpindahan kereta sama dengan arah gaya tarik kuda.

d. Apakah kuda melakukan usaha terhadap kereta? Jelaskan jawabanmu!

Kuda melakukan usaha terhadap kereta, karena arah perpindahan kereta

sama dengan arah gaya tarik kuda.

2. Seekor unta berjalan dengan seorang penumpang

seperti gambar di samping.

a. Kemanakah arah gaya yang diberikan unta terhadap

penumpang?

Unta memberikan gaya dengan arah ke atas

untuk mengimbangi berat orang.

b. Kemanakah arah perpindahan unta?

Unta berpindah mendatar ke kanan.

c. Samakah arah perpindahan unta dengan arah gaya yang diberikan unta terhadap

penumpang?

Arah perpindahan unta dan arah gaya tidak sama, tetapi saling tegak lurus.

d. Apakah unta melakukan usaha terhadap penumpang? Jelaskan jawabanmu!

Pada peristiwa ini, unta tidak melakukan usaha, karena arah perpindahannya

tidak searah dengan arah gaya (saling tegak lurus).


3

4. Mobil pemindah barang di pabrik digunakan untuk

mengangkat beban dan memindahkannya ke tempat lain.

Mula-mula beban diangkat ke atas, kemudian mobil

bergerak mendatar ke tempat yang dituju. Pada peristiwa

ini, apakah mobil melakukan usaha (kerja) terhadap beban

yang diangkat? Berikan alasan yang jelas!

Pada saat mengangkat beban ke atas, mobil

melakukan usaha karena arah gaya dan arah

perpindahan sama.

Tetapi, pada saat berjalan mendatar, mobil tidak

melakukan usaha, karena arah perpindahannya tidak

searah dengan arah gaya (saling tegak lurus).

Energi

• Berasal dari manakah energi yang ada di dalam tubuh kita? Tentu saja dari makanan

yang kita makan, karena makanan merupakan salah satu sumber energi.

• Sumber energi utama bagi makhluk hidup di bumi adalah matahari. Matahari

memancarkan cahaya dan panas ke permukaan bumi. Energi cahaya yang berasal dari

matahari dimanfaatkan oleh tumbuhan untuk berfotosintesis.

• Panas yang dipancarkan matahari juga menyebabkan air yang ada di permukaan bumi

menguap dan bergerak ke atas membentuk awan.

• Akibat suhu yang rendah, jumlah awan semakin banyak, sampai suatu saat keadaannya

jenuh, maka terjadilah hujan. Karena terletak di tempat yang tinggi, air hujan memiliki

energi potensial gravitasi.

• Aliran air yang ada di permukaan bumi dapat dibendung dan dialirkan ke waduk.

Selanjutnya dialirkan untuk menggerakkan turbin yang dapat digunakan sebagai

pembangkit listrik.

Bentuk-bentuk energi

Energi potensial

• Energi potensial terdiri dari energi potensial gravitasi, energi potensial pegas, dan energi

potensial listrik.

• Pada bagian ini kita hanya akan membahas energi potensial gravitasi atau sering

ditulis secara singkat menjadi energi potensial saja.

• Energi potensial gravitasi merupakan energi yang dimiliki oleh suatu benda karena

kedudukannya dari permukaan bumi. Semakin tinggi kedudukan benda dari permukaan

bumi, semakin besar energi potensial yang dimiliki benda itu.


4

Sebuah benda bermassa m, berada pada ketinggian h dari permukaan bumi memiliki

energi potensial:

Keterangan:

m : massa benda

h : jarak benda dari permukaan bumi

g : percepatan gravitasi bumi ( 9,8 ms-2 )

( atau dituliskan 9,8 m/s2 )

(g = 9,8 ms-2 )

Contoh:

1. Sebuah bola besi dengan massa 5 kg digantungkan setinggi 10 m di atas tanah.

Berapakah energi potensial yang dimiliki bola tersebut?

Penyelesaian:

Ep = m . g . h

= 5 (kg) . 9,8 (m/s2) . 10 (m)

= 490 (kg) (m/s2) (m)

= 490 joule (joule dapat ditulis secara singkat dengan J)

Jadi bola tersebut memiliki energi potensial sebesar 490 J.

Energi Kinetik

• Suatu benda dikatakan memiliki energi kinetik jika benda itu sedang bergerak.

• Jika benda tersebut kemudian berhenti, maka benda itu tidak memiliki energi kinetik lagi.

• Besar energi kinetik suatu benda ditentukan oleh kecepatan gerak benda itu.

• Semakin besar kecepatan gerak benda, semakin besar energi kinetiknya.

• Sebuah benda bermassa m dan bergerak dengan kecepatab v, memiliki energi kinetik

sebesar:

Contoh:

1. Sebuah bola dengan massa 2 kg menggelinding dengan kecepatan 4 m/s. Berapakah

energi kinetik bola itu?

Penyelesaian:

Ek = ½ m v 2

= ½ . 2 (kg) . (4 m/s) 2

= 16 (kg) (m/s2) (m)

= 16 joule

Jadi bola tersebut memiliki energi kinetik sebesar 16 J.

h

Ek = ½ m v 2

Ep = m . g . h


5

Energi Kalor (Energi Panas)

Matahari selain memancarkan cahaya juga memancarkan panas ke bumi. Panas yang

dipancarkan matahari dimanfaatkan oleh manusia untuk menjemur pakaian, menjemur hasil

pertanian, mengeringkan ikan hasil tangkapan para nelayan dan sebagainya. Energi panas

juga dapat dihasilkan oleh kayu yang dibakar, gesekan antara gergaji dengan besi yang

dipotong, bahkan gesekan antara dua telapak tangan kita.

Energi Kimia

Kita mampu bekerja, berjalan, berlari, dan melakukan aktivitas yang lain karena tubuh kita

memiliki energi. Dari manakah energi yang kita miliki? Pada waktu kita lapar, badan terasa

lemah. Namun setelah makan, badan kembali segar dan kuat. Hal ini menunjukkan bahwa

makanan yang kita makan merupakan sumber energi bagi tubuh kita. Energi yang tersimpan

di dalam bahan makanan merupakan energi kimia. Bensin, minyak tanah, solar, dan

batubara merupakan contoh lain bahan yang memiliki energi kimia. Mengapa bahan-bahan

bakar tersebut dikatakan memiliki energi kimia? Diskusikan dengan temanmu!

Energi Listrik

Energi listrik merupakan energi yang paling populer, karena bentuk energi ini paling banyak

dimanfaatkan. Selain itu energi listrik mudah diubah menjadi bentuk energi yang lain. Energi

listrik dapat dimanfaatkan untuk penerangan, untuk menggerakkan mesin-mesi di pabrik,

untuk memanaskan air, untuk memasak, dan sebagainya.

Energi Mekanik

Energi mekanik merupakan penjumlahan energi potensial dan energi kinetik. Sebagai

contoh jika seseorang meletakkan bola di tempat yang tinggi, kemudian bola tersebut

menggelinding ke bawah. Pada saat bola berada di tempat yang tinggi dan diam, ia memiliki

energi potensial gravitasi. Ketika bergerak pada bidang miring, bola memiliki energi

potensial dan energi gerak. Pada saat bergerak di permukaan tanah, bola hanya memiliki

energi kinetik.

Peristiwa ini dapat digambarkan sebagai berikut:

Bola memiliki energi potensial + energi kinetik

Bola memiliki energi kinetik Bola memiliki energi potensial Sumber energi

Sumber energi adalah sesuatu yang menghasilkan energi. Baterai sebagai sumber energi

listrik dihasilkan oleh reaksi kimia yang terjadi di dalamnya. Kedua kutub baterai yang

berbeda potensialnya jika dihubungkan dengan penghantar listrik dan bolam akan

menyebabkan elektron bergerak dari kutub negatip melalui penghantar dan bolam menuju

kutub positip.


6

Sebaliknya arus listrik mengalir dari kutub positip melalui penghantar dan bolam menuju

kutub negatip. Arus listrik yang ditimbulkan akan memijarkan wolfram dalam lampu pijar.

Pada baterai yang dihubungkan dengan lampu pijar terjadi perubahan energi kimia menjadi

energi listrik, energi listrik menjadi cahaya dan panas. Contoh sumber energi kimia yang lain

adalah makanan. Makanan yang kita makan membuat kita mampu bekerja.

Matahari merupakan sumber energi yang utama bagi kehidupan di bumi. Matahari

menghasilkan energi cahaya dan panas yang dapat diubah menjadi berbagai bentuk energi

lain yang sangat berguna bagi kehidupan. Energi matahari sangat bermanfaat untuk

manusia, antara lain:

• Membantu tumbuhan hijau melakukan fotosintesis. Pada peristiwa ini energi dari

matahari berubah menjadi energi kimia di dalam tumbuhan.

• Dapat membangkitkan listrik jika dikenakan pada sel surya (sel fotovoltaik). Beberapa

negara telah memanfaatkan energi matahari untuk menggerakkan mobil dengan

bantuan sel surya.

Dapatkah kalian menyebutkan contoh sumber energi yang lain? Diskusikan dengan

temanmu!

Hubungan antara Energi dan Usaha

• Energi diperlukan untuk melakukan usaha.

• Untuk melakukan usaha yang lebih besar diperlukan energi yang lebih besar juga.

• Sebagai contoh, jika kamu mendorong lemari, maka lemari tidak dapat berpindah jauh.

Hal ini disebabkan karena kamu tidak memiliki cukup energi untuk menghasilkan gaya

yang diperlukan.

• Namun, jika kamu mendorong lemari itu bersama teman-temanmu maka lemari dapat

berpindah cukup jauh. Dapat terjadi demikian, karena semakin banyak orang energinya

semakin besar.

• Untuk mengangkat benda yang berat diperlukan banyak energi. Misalnya, mengangkat

meja memerlukan lebih banyak energi daripada mengangkat sebuah buku.

• Dengan demikian, tentu saja untuk mengangkat meja, usaha yang harus dilakukan lebih

besar daripada mengangkat sebuah buku.

Daya

Pembahasan tentang daya dapat dimulai dengan cerita tentang dua orang tukang panggul

beras A dan B yang sedang menaikkan beras dalam karung dari lantai ke atas truk. Setiap

karung beras massanya 50 kg dan tinggi bak truk 1,5 m. Dalam waktu 10 menit, A sudah

mampu menaikkan 15 karung beras ke atas truk, sedangkan B baru mampu menaikkan 10

karung.

Pada kejadian tersebut, setiap menaikkan 1 karung beras tukang panggul melakukan usaha

sebesar:

W = (Berat 1 karung beras) x tinggi bak truk

= (50m kg x 9,8 m/s2 ) x 1,5 m

= 490 N x 1,5 m

= 735 joule


7

Karena tukang panggul A mampu menaikkan 15 karung beras, maka usaha yang dilakukan

oleh A adalah 735 joule x 15 = 11025 joule.

Sedangkan tukang panggul B hanya mampu menaikkan 10 karung beras, sehingga usaha

yang dilakukan oleh B adalah 735 joule x 10 = 7350 joule.

Jadi dalam rentang waktu yang sama (10 menit) tukang panggul A telah melakukan usaha

lebih besar daripada tukang panggul B. Dengan kata lain, tukang panggul A melakukan

usaha lebih cepat daripada tukang panggul B. Dengan demikian dikatakan bahwa tukang

panggul A memiliki daya lebih besar daripada tukang panggul B.

Sampai di sini diharapkan siswa sudah lebih memahami bahwa daya merupakan kecepatan

(kelajuan) melakukan usaha. Daya merupakan usaha yang dilakukan setiap satuan waktu,

dan dituliskan sebagai:

Usaha yang dilakukan W

Daya = -------------------------- ---- atau P = ------

Waktu yang diperlukan t

Satuan usaha joule

Satuan daya = ---------------------- = -------- = watt (W)

Satuan waktu detik

Pada contoh di atas, dalam waktu 10 menit (600 detik) tukang panggul A melakukan usaha

sebesar 11025 J.

11025 J

Jadi daya tukang panggul A = ---------------------- = 18,375 watt

600 detik

Dalam waktu yang sama tukang panggul B melakukan usaha sebesar 7350 J.

7350 J

Jadi daya tukang panggul B = ---------------------- = 12,25 watt

600 detik

Contoh lain, misalnya daya listrik. Pada lampu listrik tertulis daya 15 watt, 25 watt, dan 60

watt, dsb. Apakah artinya?

• Jika lampu listrik 15 watt dinyalakan, maka lampu tersebut menggunakan energi

sebesar 15 joule setiap detik (sekon).

• Demikian juga lampu listrik 60 watt yang sedang menyala, setiap detik lampu

tersebut menggunakan energi sebesar 60 joule.

• Energi listrik tersebut sebagian besar berubah menjadi energi cahaya, dan sebagian

kecil berubah menjadi energi panas.

• Dari contoh ini kita juga dapat mengatakan bahwa daya merupakan laju perubahan

energi.


8

Daya sering juga dinyatakan dalam daya kuda atau horse power (hp) atau PK.

• Pada alat pendingin ruangan (AC) selalu dituliskan berapa daya alat tersebut,

misalnya ½ PK, ¾ PK, 1 PK, 2 PK, dan sebagainya.

• PK singkatan dari Paarde Kracht = horse power (hp)

• 1 PK atau 1 daya kuda (1 hp) = 746 watt.

LATIHAN

1. Seorang pekerja menarik beban 20 kg vertikal ke atas setinggi 5 meter dengan tali

melalui katrol. Berapa usaha yang dilakukan oleh orang tersebut? (Gunakan percepatan

gravitasi bumi, g = 9,8 m/s2).

Jawaban

Pada kejadian ini pekerja menarik beban dengan gaya sebesar berat beban.

Berat beban = m x g

= 20 (kg) x 9,8 (m/s2)

= 196 (kg) (m/s2)

= 196 newton

= 196 N

Usaha yang dilakukan oleh pekerja

W = F x S

= 196 (N) x 5 (m)

= 980 N.m

= 980 joule � = 980 J

2. Jika pada soal nomor 1 di atas waktu yang diperlukan untuk menarik beban 20 kg

setinggi 5 meter adalah 10 detik, berapakah daya pekerja itu?

Usaha yang dilakukan 980 joule

Daya = -------------------------- ---- = ------------- = 98 watt

Waktu yang diperlukan 10 detik

3. Seorang tukang mengangkat semen 30 kg menaiki tangga setinggi 10 meter dalam

waktu 2 menit. Berapakah daya tukang tersebut dalam mengangkat semen? (Gunakan

percepatan gravitasi bumi, g = 9,8 m/s2).

Usaha yang dilakukan oleh tukang

W = F x S F = Berat semen

= 30 kg x 9,8 m/s2

= 294 N

= 294 (N) x 10 (m)

= 2940 J

2940 joule

Daya = ------------------ = 24,5 watt

120 detik


9

HUKUM KEKEKALAN ENERGI MEKANIK

Ep1 + Ek 1 = Ep2 + Ek 2

m . g . h1 + ½ m V1 2 = m . g . h2 + ½ m V2

2

Jumlah energi potensial dan energi kinetik mula-mula sama dengan

jumlah energi potensial dan energi kenitik akhir.

Contoh:

1. Sebuah benda m = 2 kg diangkat vertikal ke atas setinggi 10 meter di

atas permukaan tanah.

a. Berapa usaha yang dilakukan untuk mengangkat benda tsb? 196 J

b. Berapa energi potensial benda tsb? 196 J

Jika benda tsb kemudian dilepaskan,

c. Berapa kecepatannya sesaat sebelum menyentuh tanah? 14 m/s

d. Berapa energi kinetiknya sesaat sebelum menyentuh tanah? 196 J

2. Ketika seorang anak dengan bobot 40 kg mendaki tebing, energi

potensialnya bertambah menjadi 9800 joule. Berapa tinggi tebing

yang didaki tsb? ( 25 meter)

3. Sebuah bola besi berbobot (massa) 1 kg jatuh dari ketinggian 10 m

ke dalam bak berisi pasir. Bola besi tsb berhenti setelah masuk pasir

sedalam 2 cm.

a. Berapa kecepatan bola besi sesaat sebelum menyentuh pasir?

b. Berapa energi kinetik bola besi sesaat sebelum menyentuh pasir?

c. Berapa gaya penghambat rata-rata dari pasir?

a. V = 14 m/s

b. Ek = 98 J

c. F = - 4900 N

usaha dan energi

Documents