Energi dan Perubahanya

 

Materi Usaha dan Energi

Dalam ilmu fisika, usaha adalah besarnya energi atau gaya yang diberikan untuk memindahkan atau menggerakkan suatu benda atau objek. Yang dimaksud dengan memindahkan di sini artinya tempat atau letaknya yang berubah setelah dilakukan usaha.

Perhatikan gambar berikut :

Gambar 1 : dua orang mendorong tembok dan ternyata tembok tidak berpindah meskipun di dorong dengan sekuat tenaga

Gambar 2 : seorang yang sedang berlari di sepanjang jalan,dan orang tersebut menujukkan  adanya perpindahan dari satu tempat ke tempat lainnya.

Dari kedua peristiwa di atas maka yang sesuai dengan konsep usaha adalah gambar yang ke 2

       Rumus Usaha

Dimana:

F= Gaya (N)

W= Usaha(Joule)

s= Perpindahan (m).

Usaha (W) bertanda positif (+), usaha searah dengan perpindahan benda

Usaha (W) bertanda negatif (-), usaha berlawanan arah dengan perpindahan benda. 

Jika ada gaya lebih dari 1 jika searah di tambah dan jika berlawanan di kurangi

        Usaha pada Bidang Datar

        Meskipun pada bidang yang datar, namun gaya yang diberikan tidak selalu lurus, yang berarti                dalam kondisi tertentu gaya akan membentuk sudut tertentu, seperti gambar diatas. Oleh                        karena itu digunakan persamaan :

Di mana, α = sudut yang dibentuk oleh gaya

Contoh Soal

1. Sebuah kardus ditarik dengan tali dengan arah 30 derajat dan membutuhkan gaya 15 Newton. Tentukan usaha yang diperlukan untuk menarik kardus tersebut jika kardus bergerak sejauh 5 meter!

Diketahui:

                F = 15 N

         s  = 5 m

        Penyelesaian:

                W = F cosα x s
                     = 15 cos 30 x 5
                     = 15.0,9.5

            = 67,5 J

2.  Perhatikan gambar berikut :

Jika gaya yang dihasilkan Umar 800 N dan gaya Amir 1000 N dan bergeser sejauh 2 m berapa usaha yang dihasilkan ?

 Diketahui:

F1 = 800 N           

F2 = 1000 N      

                Karena berlawanan arah maka   

F = F2 – F1                          

    = 1000 – 800 = 200 N

S= 2 m

Ditanyakan:

W=…?

Penyelesaian:

W = F x S = 200 x 2 = 400 Joule

Dalam ilmu fisika yang dimaksudkan dengan energi yang berhubungan dengan usaha adalah kemampuan untuk melakukan usaha. Mengapa keduanya berhubungan erat?

Jawabannya juga akan menjawab pertanyaan tentang bagaimana hubungan antara usaha dengan energi.

Itu karena usaha merupakan perubahan energi yang terjadi pada suatu benda atau objek termasuk  perubahan energi kinetik dan energi potensial. Sehingga energi merupakan komponen yang erat kaitannya dengan usaha.

Pada umumnya pengertian energi kinetik adalah energi yang dimiliki oleh benda atau objek  yang bergerak karena adanya kecepatan, oleh karena itu digunakan persamaan

Di mana:

Ek= Energi Kinetik (Joule); 

m= massa (kg); 

v= kecepatan (m/s).

    Hubungan usaha dengan energi kinetik

Besar usaha sama dengan perubahan energi kinetik apabila sebuah benda mengalami perubahan kelajuan.

Sama halnya dengan suatu benda atau objek yang mungkin memiliki energi kinetik, suatu benda atau objek pun dapat memiliki energi potensial, di mana energi potensial adalah energi yang dimiliki suatu benda atau objek dikarenakan posisi ( kedudukannya ), bentuk, atau susunannya dan di dalam hubungannya dengan usaha biasa berkaitan erat dengan energi yang dimiliki karena ketinggiannya letaknya. Oleh karena ini digunakan persamaan :

Di mana, 

Ep=Energi Potensial (Joule); 

m= massa (kg); 

g= gravitasi ( m/s²); 

h= ketinggian benda atau objek (m)

Hubungan usaha dengan energi potensial

Besar usaha sama dengan perubahan energi potensial suatu benda atau objek apabila sebuah benda berada pada ketinggian tertentu dan kemudian diangkat sehingga menyebabkan ketinggiannya berubah

Energi Potensial Pegas

Sesuai dengan namanya, energi potensial adalah energi yang diperlukan untuk meregangkan dan menekan pegas. Oleh karena itu digunakan persamaan berikut: 

di mana:

k= konstanta pegas (N/m); 

x= perubahan panjang pegas (m).

Singkatnya energi mekanik dapat dikatakan jumlah atau total dari energi potensial dan energi kinetik, karena energi mekanik merupakan energi yang berkaitan dengan pergerakan. Maka digunakan persamaan berikut:

Contoh Soal

Benda bermassa 1 kg berada pada ketinggian 5 m kemudian jatuh ke bawah dengan kecepatan 2 m/s.Jika benda sampai ditanah selama 4 sekon hitung Ep,Ek,Em!

Diketahui:

m = 1 kg

h = 5 m

v = 2 m/s

t = 4 s

Ditanyakan:

Em = …?

Penyelesaian:

v  Ep = m.g.h = 1 x 10 x 5 = 50 Joule

v  Ek = ½.m.v² = ½ x 1 x 2² = ½ x 1 x 4 = 2 Joule

v  Em = Ep + Ek = 50 + 2 = 52 Joule

 Hukum Kekekalan Energi

Hukum kekekalan energi adalah salah satu hukum yang dirumuskan oleh fisikawan asal Inggris yaitu James Prescott Joule.

Hukum kekekalan energi berbunyi "energi tidak dapat diciptakan ataupun dimusnahkan". Hukum kekekalan energi menyatakan bahwa energi tidak dapat dimusnahkan tetapi dapat diubah ke dalam bentuk yang lain dan dimanfaatkan untuk kepentingan energi.

Ilmu yang mempelajari perubahan energi dari satu ke lainnya adalah ilmu konversi energi.

Rumus Hukum Kekekalan Energi

Setiap total energi pada sistem (yakni energi mekanik) harus selalu sama, maka energi mekanik sebelum dan sesudahnya memiliki besar yang sama. Dalam hal ini dapat dinyatakan sebagai

Keterangan:

EM1, EM2 : energi mekanik awal dan energi mekanik akhir (J) 

Ek1, Ek2 : energi kinetik awal dan energi kinetik akhir (J).

Ep1, Ep2 : energi potensial awal dan energi potensial akhir (J).

Contoh Soal:

Yuyun menjatuhkan sebuah kunci motor dari ketinggian 2 meter sehingga kunci bergerak jatuh bebas ke bawah rumah. Jika percepatan gravitasi di tempat itu 10 m/s2, maka kecepatankunci setelah berpindah sejauh 0,5 meter dari posisi awalnya adalah

    Diketahui:

h1 = 2 m,

v1 = 0,

g = 10 m/s²,

h = 0,5 m,

h2 = 2 – 0, 5 = 1,5 m

    Ditanyakan:

v2 = ?

Berdasarkan hukum kekekalan energi mekanik  EM1 = EM2

Ep1 + Ek1 = Ep2 + Ek2

m.g.h1 + ½ m.v ² = m.g.h2 + ½m.v ²

m. 10 (2) + 0 = m. 10 (1,5) + ½m.v22

20 m = 15 m + ½m.v22

20= 15 + ½ v22

20 – 15 = ½ v22

5 = ½ v22

10 = v22

v2 = √10 m/s

Share this post