Usaha dan Energi

ENERGI

Bentuk Energi dan Perubahannya
Energi (disebut juga tenaga) adalah kemampuan untuk melakukan usaha.

Bentuk-Bentuk Energi

• Energi Mekanik

Benda yang bergerak atau memiliki kemampuan untuk bergerak, memiliki energi mekanik. Air terjun
yang berada di puncak tebing memiliki energi mekanik yang cukup besar, demikian juga dengan angin.

• Energi Bunyi

Energi bunyi adalah energi yang dihasilkan oleh getaran partikel-partikel udara disekitar sebuah sumber bunyi. Contoh : Ketika radio atau televisi beroperasi, pengeras suara secara nyata menggerakkan udara di depannya. Caranya dengan menyebabkan partikel-partikel udara itu bergetar. Energi dari getaran partikel-partikel udara ini sampai di telinga, sehingga kamu dapat mendengar.

• Energi kalor

Energi kalor adalah energi yang dihasilkan oleh gerak internal partikel-partikel dalam suatu zat. Contoh : apabila kedua tanganmu digosok-gosokkan selam beberapa detik maka tanganmu akan terasa panas. Umumnya energi kalor dihasilkan dari gesekan. Energi kalor menyebabkan perubahan suhu dan perubahan wujud.

• Energi Cahaya

Energi Cahaya adalah energi yang dihasilkan oleh radiasi gelombang elektromagnetik.

• Energi Listrik 

Energi Listrik adalah energi yang dihasilkan oleh muatan listrik yang bergerak melalui kabel.

• Energi Nuklir

Energi nuklir adalah energi yang dihasilkan oleh reaksi inti dari bahan radioaktif. Ada dua jenis energi nuklir yaitu energi nuklir fisi dan fusi. Energi nuklir fisi terjadi pada reaktor atom PLTN. Ketika suatu inti berat (misal uranium) membelah (fisi), energi nuklir cukup besar dibebaskan dalam bentuk energi kalor dan energi cahaya. Energi nuklir juga dibebaskan ketika inti-inti ringan (misalnya hidrogen) bertumbukan pada kelajuan tinggi dan bergabung (fusi). Energi matahari dihasilkan dari suatu reaksi nuklir fusi dimana inti-inti hidrogen bergabung membentuk inti helium.

Energi Mekanik
Energi mekanik adalah energi yang berkaitan dengan gerak atau kemampuan untuk bergerak. Ada dua macam energi mekanik yaitu ; energi kinetik dan energi potensial.

1. Energi kinetik

Energi kinetik adalah energi yang dimiliki benda karena geraknya atau kelajuannya. Energi kinetik dirumuskan :

2. Energi Potensial

Energi potensial adalah energi yang dimiliki oleh benda karena posisinya. Energi potensial dapat dirumuskan:

Konsep Energi dan Perubahannya dalam keseharian

• Konversi energi

Konversi energi adalah perubahan bentuk energi dari bentuk satu ke bentuk lainnya. Perubahan Energi dari Bensin ke Energi kimia dan dirubah lagi kedalam Energi Gerak.

• Konverter energi

Konverter energi adalah alat atau benda yang melakukan konversi energi. Beberapa konverter energi yaitu:

1. Setrika listrik mengubah energi listrik menjadi kalor
2. Ayunan mengubah energi kinetik menjadi energi potensial energi potensial menjadi energi kinetik.
3. Rem mobil mengubah energi kinetik menjadi energi kalor.

ENERGI

Jika sebuah benda menempuh jarak sejauh S akibat gaya F yang bekerja pada benda tersebut maka dikatakan gaya itu melakukan usaha, dimana arah gaya F harus sejajar dengan arah jarak tempuh S.
USAHA adalah hasil kali (dot product) antara gaya den jarak yang ditempuh.

 

Kemampuan untuk melakukan usaha menimbulkan suatu ENERGI (TENAGA).
Energi dan usaha merupakan besaran skalar.
Beberapa jenis energi di antaranya adalah:

1. ENERGI KINETIK (E_k)

2. ENERGI POTENSIAL (E_p)

3. ENERGI MEKANIK (E_M)

Pemecahan soal fisika, khususnya dalam mekanika, pada umumnya didasarkan pada HUKUM KEKEKALAN ENERGI, yaitu energi selalu tetap tetapi bentuknya bisa berubah; artinya jika ada bentuk energi yang hilang harus ada energi bentuk lain yang timbul, yang besarnya sama dengan energi yang hilang tersebut.

ENERGI POTENSIAL PEGAS (E_p)

Tanda minus (-) menyatakan bahwa arah gaya F_p berlawanan arah dengan arah regangan x.

2 buah pegas dengan konstanta K₁ dan K₂ disusun secara seri dan paralel:

Note: Energi potensial tergantung tinggi benda dari permukaan bumi. Bila jarak benda jauh lebih kecil dari jari-jari bumi, maka permukaan bumi sebagai acuan pengukuran. Bila jarak benda jauh lebih besar atau sama dengan jari-jari bumi, maka pusat bumi sebagai acuan.

Energi Potensial Gravitasi

Energi potensial ini berpotensi untuk melakukan usaha dengan cara mengubah ketinggian. Semakin tinggi kedudukan suatu benda dari bidang acuan, semakin besar pula energi potensial gravitasinya. Usaha untuk mengangkat benda setinggi h adalah

Dengan demikian, pada ketinggian h benda memiliki energi potensial gravitasi, yaitu kemampuan untuk melakukan usaha sebesar W = mgh. Jadi, energi potensial gravitasi dapat dirumuskan sebagai

KEKEKALAN ENERGI

Bunyi hukum kekekalan energi, Energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan, tetapi dapat diubah dari satu bentuk ke bentuk energi lain.

 USAHA

Dalam fisika, usaha berkaitan dengan suatu perubahan. Seperti kita ketahui, gaya dapat menghasilkan perubahan. Apabila gaya bekerja pada benda yang diam , benda tersebut bisa berubah posisinya. Sedangkan bila gaya bekerja pada benda yang bergerak, benda tersebut bisa berubah kecepatannya.
Usaha yang dilakukan oleh suatu gaya adalah hasil kali antara komponen gaya yang segaris dengan perpindahan dengan besarnya perpindahan. Usaha juga bisa didefinisikan sebagai suatu besaran scalar yang di akibatkan oleh gaya yang bekerja sepanjang lintasan.
Misalkan suatu gaya konstan F yang bekerja pada suatu benda menyebabkan benda berpindah sejauh s dan tidak searah dengan arah gaya F, seperti ditunjukkan pada gambar di bawah ini. Komponen gaya yang segaris dengan perpindahan adalah F_x = F cos Ө.

USAHA OLEH GAYA YANG MEMBENTUK SUDUT
Persamaan diatas (W = F.s) itu hanya berlaku jika gaya yang berkerja segaris dan searah dengan perpindahan. Jika gaya yang bekerja membentuk sudut terhadap perpindahan maka persamaan tersebut tidak dapat digunakan. Akan dapat digunakan jika kita menambahkan cos θ dalam persamaan tersebut. Dimana θ adalah besar sudut antara gaya terhadap perpindahan.
Hasil akhir persamaannya menjadi :

Perhatikan gambar di bawah ini

USAHA BERNILAI NOL (TIDAK MELAKUKAN USAHA)
Tidak semua gaya yang sudah bekerja dikatakan melalukan usaha atau semua benda yang berpindah telah dikenai usaha. Untuk lebih jelasnya mari kita bahas, berikut ini peristiwa yang usahanya bernilai nol.

• Gaya penyebab ada tetapi tidak ada perpindahan. F tidak sama dengan nol dan s sama dengan nol, contohnya adalah ketika kita mendorong tembok. Walaupun kita sudah mengeluarkan gaya tetapi tembok tidak berpindah maka kita dikatakan tidak melakukan usaha.
• Gaya penyebab tidak ada tetapi terjadi perpindahan. Contohnya adalah ketika kita bermain sky dan kita sedang ber GLB maka resultan gayanya sama dengan nol tetapi kita mengalami perpindahan. Kejadian ini juga tergolong usaha bernilai nol atau kita dikatakan tidak melakukan usaha.
• Gaya dan perpindahan membentuk sudut 90 derajat. Contohnya ketika kita menenteng tas dan berjalan maju, sudut yang dibentuk gaya penyebab dengan perpindahan yang dihasilkan adalah 90 derajat. Jika kita masukkan kedalam persamaan gaya yang membentuk sudut maka akan kita peroleh hasil Usaha sama dengan nol atau kita dikatakan tidak melakukan usaha.

HUBUNGAN USAHA DAN ENERGI
Usaha dan Energi Kinetik
Usaha yang dilakukan suatu gaya dapat mengubah energi kinetik benda.

Catatan : Benda bergerak pada bidang datar atau ketinggian benda tetap.
Pembuktian rumus di atas:
Jika gaya F selalu tetap, maka percepatan a akan tetap juga, sehingga untuk a yang tetap

GERAK HARMONIK
Gerak harmonik adalah gerak periodik yang memiliki persamaan gerak sebagai fungsi waktu berbentuk sinusoidal. Gerak harmonik sederhana didefinisikan sebagai gerak harmonik yang dipengaruhi oleh gaya yang arahnya selalu menuju ke titik seimbang dan besarnya sebanding dengan simpangannya.

PERIODE DAN FREKUENSI
Periode menyatakan waktu yang diperlukan untuk melakukan satu siklus gerak harmonik, sedangkan frekuensi menyatakan jumlah siklus gerak harmonik yang terjadi tiap satuan waktu.

Dari persamaan di atas menyatakan bahwa periode dan frekuensi gerak harmonik pada pegas hanya bergantung pada massa benda dan konstanta gaya pegas.

KONSEP USAHA DAN ENERGI
Dalam fisika usaha yang dilakukan oleh sebuah gaya didefinisikan sebagai hasil kali gaya dengan perpindahan benda yang searah dengan gaya. Dapat dirumuskan:
Satuan usaha dalam SI adalah joule. Satu joule adalah besar usaha yang dilakukan oleh gaya satu newton untuk memindahkan suatu benda searah gaya sejauh satu meter.
Kaitan usaha dan energi yaitu besar usaha yang dilakukan oleh suatu gaya dalam proses apa saja adalah sama dengan besar energi yang dipindahkan.

Usaha oleh Beberapa Gaya
Apabila usaha yang dilakukan oleh orang pertama dan orang kedua untuk memindahkan suatu benda ke kanan sejauh s adalah

Telah diketahui bahwa resultan dua gaya searah adalah F =F1 + F2, sehingga usaha total yang dilakukan oleh kedua benda tersebut adalah

Dengan memasukkan F1 s = W1 (lihat *) dan F2 s =W2, maka diperoleh

Secara umum dapat disimpulkan sebagai berikut :
Usaha yang dilakukan oleh resultan gaya-gaya searah dan berlawanan arah, yang menyebabkan benda berpindah sejauh s, sama dengan jumlah usaha oleh tiap-tiap gaya