Makalah Usaha dan Energi | IPA
Kali ini admin postingkan makalah tentang usaha dan energi silahkan simak di bawah ini
BAB I
PENDAHULUAN
Beberapa masalah terkadang lebih
sulit dari apa yang terlihat (Young, 2002:164). Seperti Anda mencoba mencari
laju anak panah yang baru dilepaskan dari busurnya. Anda menggunakan hukum
Newton dan semua teknik penyelesaian soal yang pernah kita pelajari, akan
tetapi Anda menemui kesulitan. Setelah pemanah melepaskan anak panah, tali
busur memberi gaya yang berubah-ubah yang bergantung pada posisi busur.
Akibatnya, metode sederhana yang pernah kita pelajari tidak cukup untuk manghitung
lajunya. Jangan takut, masih ada metode-metode lainnya untuk menyelesaikan
soal-soal tersebut.
Metode baru yang sebentar lagi akan
kita lihat menggunakan ide kerja dan energi. Kita akan menggunakan konsep
energi untuk mempelajari rentang fenomena fisik yang sangat luas. Kita akan
mengembangkan konsep kerja dan energi kinetik untuk memahami konsep umum
mengenai energi dan kita akan melihat bagaimana kekekalan energi muncul.
Apa yang
dimaksud dengan usaha?
Apa yang
dimaksud dengan energi?
Apa yang dimaksud dengan daya, satuan daya?
Apa yang dimaksud
impuls,momentum,tumbukan?
Makalah
ini dimaksudkan untuk dapat membantu meningkatkan pemahaman mengenai konsep ‘’usaha dan energi’’ dan ‘’impuls dan momentum’’
sehingga akan memungkinkan kita dapat menyelesaikan soal-soal sebelumnya yang
tidak dapat diselesaikan dengan mekanika.
BAB II
USAHA DAN ENERGI
A. Usaha
1. pengertian
usaha
Apakah bedanya usaha dalam kehidupan
sehari-hari dengan dalam fisika? 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.
Jadi, jika suatu
benda diberi gaya namun benda tidak mengalami perpindahan, maka dikatakan usaha
pada benda tersebut adalah nol .
Sebagai contoh sebuah mesin
melakukan usaha ketika mengangkat atau memindahkan sesuatu. Seseorang yang
membawa batu bata ke lantai dua sebuah bangunan telah melakukan usaha.
2. Usaha yang Dilakukan oleh Gaya Konstan
Usaha
yang dilakukan oleh gaya konstan (besar maupun arahnya) didefinisikan sebagai
hasil perkalian antara perpindahan titik tangkapnya dengan komponen gaya pada
arah perpindahan tersebut.Untuk memindahkan sebuah benda yang bermassa lebih
besar dan pada jarak yang lebih jauh, diperlukan usaha yang lebih besar pula.
Dengan
berdasarkan pada kenyataan tersebut, usaha didefinisikan sebagai hasil kali
gaya dan perpindahan yang terjadi Apabila usaha disimbolkan dengan W, gaya F,
dan perpindahan s,
Baik
gaya maupun perpindahan merupakan besaran vektor. Sesuai dengan konsep
perkalian titik antara dua buah vektor, maka usaha W merupakan besaran skalar.
Bila
sudut yang dibentuk oleh gaya F dengan perpindahan s adalah θ, maka besarnya
usaha dapat dituliskan sebagai: W = (F cos θ).s Komponen gaya F sin θ dikatakan
tidak melakukan usaha sebab tidak ada perpindahan ke arah komponen itu.
Dari persamaan
rumus usaha, dapat dikatakan bahwa usaha yang dilakukan oleh suatu gaya:
a. Berbanding lurus dengan besarnya gaya,
a. Berbanding lurus dengan besarnya gaya,
b. Berbanding
lurus dengan perpindahan benda,
c. Bergantung
pada sudut antara arah gaya dan perpindahan benda.
Jika persamaan
rumus usaha kita tinjau lebih seksama, kita mendapatkan beberapa keadaan yang
istimewa yang berhubungan dengan arah gaya dan perpindahan benda yaitu sebagai
berikut:
a. Apabila θ = 00, maka arah gaya sama atau berimpit dengan arah perpindahan benda dan cos θ = 1, sehingga usaha yang dilakukan oleh gaya F dapat dinyatakan:
a. Apabila θ = 00, maka arah gaya sama atau berimpit dengan arah perpindahan benda dan cos θ = 1, sehingga usaha yang dilakukan oleh gaya F dapat dinyatakan:
W
= F . s cos θ
W = F . s . 1
b. Apabila θ =
900 maka arah gaya F tegak lurus dengan arah perpindahan benda dan cos θ = 0,
sehingga W = 0. Jadi, jika gaya F bekerja
pada suatu benda dan benda berpindah dengan
arah tegak lurus pada arah gaya, dikatakan
bahwa gaya itu tidak melakukan usaha.
c. Apabila θ =
1800, maka arah gaya F berlawanan dengan arah perpindahan benda dan nilai cos θ
= -
1, sehingga W mempunyai nilai negatif. Hal
itu dapat diartikan bahwa gaya atau benda itu
tidak
melakukan usaha dan benda tidak
mengeluarkan energi, tetapi mendapatkan energi.
d. Apabila s =
0, maka gaya tidak menyebabkan benda berpindah. Hal itu berarti W = 0. Jadi,
meskipun ada gaya yang bekerja pada suatu
benda,namun jika benda itu tidak berpindah
maka,
dikatakan bahwa gaya itu tidak melakukan
usaha.
3. Satuan Usaha
Dalam SI satuan gaya adalah newton
(N) dan satuan perpindahan adalah meter (m). Sehingga, satuan usaha merupakan
hasil perkalian antara satuan gaya dan satuan perpindahan, yaitu newton meter
atau joule. Satuan joule dipilih untuk menghormati James Presccott Joule (1816
– 1869), seorang ilmuwan Inggris yang terkenal dalam penelitiannya mengenai
konsep panas dan energi.
1
joule = 1 Nm
karena
1 N = 1 Kg . m/s2
maka
1 joule = 1 Kg . m/s2 x 1 m
1
joule = 1 Kg . m2/s2
Untuk usaha yang
lebih besar, biasanya digunakan satuan kilo joule (kJ) dan mega joule (MJ).
1 kJ = 1.000 J
1 kJ = 1.000 J
1
MJ = 1.000.000 J
4. Menghitung
Usaha dari Grafik Gaya dan Perpindahan
Apabila gaya yang bekerja pada suatu
benda besar dan arahnya tetap maka grafik antara F dan perpindahan s merupakan
garis lurus yang sejajar dengan sumbu mendatar Grafik gaya F terhadap
perpindahan s jika besar dan arah F tetap
Dari grafik F –
s, usaha sama dengan luas bangun yang dibatasi oleh garis grafik dengan sumbu
mendatar
Usaha: W = luas
daerah yang diarsir
Dengan demikian,
dari diagram F – s dapat disimpulkan bahwa usaha yang dilakukan oleh gaya F
sama dengan luas bangun yang dibatasi garis grafik dengan sumbu mendatar s.
5.
Usaha yang Dilakukan oleh Beberapa Gaya
Dalam
kehidupan nyata hampir tidak pernah kita menemukan kasus pada suatu benda hanya
bekerja sebuah gaya tunggal. Misalnya, ketika Anda menarik sebuah balok
sepanjang lantai. Selain gaya tarik yang Anda berikan, pada balok juga bekerja
gaya-gaya lain seperti: gaya gesekan antara balok dan lantai, gaya hambatan
angin, dan gaya normal.
Jadi, usaha yang
dilakukan oleh resultan beberapa gaya yang memiliki titik tangkap sama adalah
sama dengan jumlah aljabar usaha yang dilakukan oleh masing-masing gaya. Jika
pada sebuah benda bekerja dua gaya maka usaha yang dilakukan adalah:
W
= W1 + W2
Jika
terdapat lebih dari dua gaya:
W
= W1 + W2 + W3 + ...... + Wn
atau
W = ∑Wn
6. Usaha Negatif
Seorang
anak mendorong sebuah balok dengan tangannya. Sesuai dengan hukum III Newton,
dapat disimpulkan bahwa gaya yang bekerja pada balok dan tangan dalam kasus ini
sama besar tetapi berlawanan arah, yaitu FAB = -FBA. Tanda negatif menunjukkan
arah yang berlawanan. Jika usaha oleh tangan pada balok bernilai positif (
karena searah dengan perpindahan balok), maka usaha oleh balok pada tangan
bernilai negatif.
B. Energi
Energi
memegang peranan yang sangat penting dalam kehidupan di alam ini. Energi
menyatakan kemampuan untuk melakukan usaha. Suatu sistem (manusia, hewan, atau
benda) dikatakan mempunyai energi jika mempunyai kemampuan untuk melakukan
usaha.
Energi yang dimiliki oleh, benda-benda yang bergerak disebut energi gerak atau energi kinetik sedangkan energi yang dimiliki oleh suatu benda karena kedudukan atau keadaan benda disebut energi potensial.
Energi yang dimiliki oleh, benda-benda yang bergerak disebut energi gerak atau energi kinetik sedangkan energi yang dimiliki oleh suatu benda karena kedudukan atau keadaan benda disebut energi potensial.
1. Energi
Kinetik
Berapa
besar energi yang dimiliki oleh benda dengan massanya tertentu dan bergerak
dengan kecepatan tertentu? Misalnya, kita melemparkan sebuah bola yang bermassa
m.
Jika gaya yang bekerja pada bola itu konstan sebesar F dan dapat memindahkannya sejauh s dari tangan kita, maka menurut hukum II Newton, bola memperoleh percepatan.
Jika gaya yang bekerja pada bola itu konstan sebesar F dan dapat memindahkannya sejauh s dari tangan kita, maka menurut hukum II Newton, bola memperoleh percepatan.
Telah
diketahui bahwa sebuah benda yang diam, jika memperoleh percepatan a melalui
jarak s, maka kecepatan akhirnya dapat dinyatakan dengan persamaan:
V2 = 2 a . s
Jika a diganti
dengan , persamaan diatas menjadi:
F . s adalah
besarnya usaha yang dilakukan oleh tangan kita pada saat melemparkan bola,
sedangka ½ m . V2 adalah besarnya energi yang diperoleh bola yang selanjutnya
disebut energi kinetik. Dengan demikian, jika energi kinetik dinyatakan dengan
demikian, jika energi kinetik dinyatakan dengan simbol Ek maka:
Keterangan:
Ek = energi kinetik (J)
Ek = energi kinetik (J)
m
= massa (kg)
V
= kecepatan (m/s)
Jadi,
energi kinetik sebuah benda yang bermassa m dan mempunyai kecepatan V, adalah ½
m . V2. Karena m dinyatakan dalam satuan kg dan V dalam satuan m/s,maka Ek
dinyatakkan dalam satuan joule (J).
2.
Hukum Usaha dan Energi Kinetik
Sebuah
benda yang massanya m bergerak dengan kecepatan V1, saat kedudukan benda di A,
bekerja gaya tetap F searah dengan geraknya. Setelah t detik, kedudukan benda
di B sejauh s dari A dan kecepatan benda berubah menjadi V2.
Karena gaya F,
benda bergerak dipercepat beraturan, sehingga berlaku hubungan:
|
s = V1 . t = ½ a . t2 | (a)
Karena
V2 = V1 + a . t.
Dengan
substitusi persamaan a ke persamaan b didapatkan:
Jadi,
usaha yang dilakukan oleh suatu gaya terhadap sebuah benda sama dengan
perubahan energi kinetik benda itu,menyimpulkan bahwa.Usaha dapat bernilai
positif dan dapat pula bernilai negatif. Oleh karena itu, energi kinetik dapat
juga bernilai positif ataupun negatif. Sehingga, ada dua kemungkinan berikut:
1) Jika W > 0
maka ∆ Ek > 0
Itu berarti
bahwa usaha yang dilakukan oleh gaya sama dengan penambahan energi kinetik
benda.
2) Jika W < 0
maka ∆ Ek < 0
Itu berarti
bahwa usaha yang dilakukan oleh gaya sama dengan pengurangan energi kinetik
benda.
3. Energi
Potensial
“secara
umum energi potensial adalah energi yang tersimpan dalam sebuah benda atau
dalam suatu keadaan tertentu”. Contoh energi potensial terdapat dalam air
terjun, dalam batu bara, dalam tubuh kita terdapat energi potensial.
Energi
potensial yang tersimpan dalam air yang berada diatas suatu tebing baru
bermanfaat ketika diubah menjadi energi panas melalui pembakaran. Energi
potensial dalam tubuh kita akan bermanfaat jika kita mengubahnya menjadi energi
gerak yang dilakukan oleh otot-otot tubuh kita.
“Dalam
pengertian yang lebih sempit, atau dalam mekanika, energi potensial adalah
energi yang dimiliki benda karena kedudukan atau keadaan benda tersebut”.
Contoh energi potensial dalam pengertian ini adalah energi potensial gravitasi
dan energi potensial elastik. Energi potensial gravitasi dimiliki oleh benda
yang berada pada ketinggian tertentu dari permukaan tanah. Sedangkan energi
potensial elastik dimiliki oleh misalnya karet ketapel yang diregangkan. Energi
potensial elastik pada karet ketapel ini baru bermanfaat ketika regangan
tersebut dilepaskan sehingga menyebabkan berubahnya energi potensial elastik
menjadi energi kinetik (kerikil di dalam ketapel terlontar).
4. Energi Potensial Gravitasi
Benda
yang berada pada ketinggian h mempunyai potensi untuk melakukan usaha sebesar m
. g . h. Oleh karena itu, dikatakan bahwa benda itu mempunyai energi potensial
gravitasi.Jadi, semakin tinggi kedudukan benda dari tanah maka semakin besar
energi potensialnya.Dengan demikian, kita definisikan bahwa energi potensial
gravitasi suatu benda adalah hasil kali beratnya dan ketinggianya h, sehingga
dapat ditulis Keterangan :
Ep
= energi potensial gravitasi (J)
m
= massa benda (kg)
g
= percepatan gravitasi (ms-2)
h
= ketinggian benda dari acuan tanah (m)
5. Energi Mekanik
”energi
mekanik adalah jumlah energi potensial dan energi kinetik suatu benda pada
suatu saat”.Energi mekanik dirumuskan:
Keterangan:
Em = energi mekanik (J)
Em = energi mekanik (J)
Ep
= energi potensial (J)
Ek
= energi kinetik (J)
6. Hukum Kekekalan Energi Mekanik
Benda sampai di titik A pada
ketinggian hA memiliki kecepatan VA. Setelah sampai di titik B, pada ketinggian
hB benda bergerak dengan kecepatan VB.
Jika gaya berat benda w = m . g, usaha gaya berat
benda selama jatuh dari A sampai B . Jadi, hukum kekekalan energi menyatakan
bahwa, jika suatu benda hanya dipengaruhi gaya-gaya konservatif maka energi
mekanik itu dimanapun posisinya adalah konstan (tetap).
7. Daya
Daya didefinisikan sebagai usaha
yang dilakukan oleh sebuah benda persatuan waktu. Jadi, daya (P) dihitung
dengan membagi usaha (W) yang dilakukan terhadap selang waktu lamanya melakukan
usaha (t).Karena usaha merupakan hasil perkalian antara gaya dengan perpindahan
(W = F.∆x)
8. Satuan Daya
Satuan
usaha dalam SI adalah joule (J), sedang satuan waktu adalah sekon (s). Jadi
satuan SI untuk daya adalah Satuan daya dalam SI adalah watt (W) untuk
menghormati James Watt (1734 – 1819), seorang ahli permesinan asal Skotlandia yang
berhasil menemukan mesin uap. Dengan demikian:
Satu watt adalah
daya yang kecil.Oleh karena itu, daya sering dinyatakan dalam satuan SI yang
lebih
besar, yaitu
kilowatt (kW) dan megawatt (MW).
1
kW=105 W = 1000 W
1
MW=106 W = 1000000 W
BAB III
IMPULS DAN MOMENTUM
A . Pengertian Momentum
Momentum adalah hasil kali antara massa dan kecepatan.
Secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut ;
P = m.v
Keterangan
- P = momentum(kg.m/s)
- M=massa(kg)
- V=kecepatan(m/s)
Jadi momentum adalah besaran yang dimiliki oleh sebuah benda
atau partikel yang bergerak.
B . Pengertian Impuls
Impuls adalah peristiwa gaya yang bekerja pada benda dalam
waktu hanya sesaat. Atau Impuls adalah peristiwa bekerjanya
gaya dalam waktu yang sangat singkat. Contoh dari kejadian impuls
adalah: peristiwa seperti bola ditendang, bola tenis dipukul karena pada saat
tendangan dan pukulan, gaya yang bekerja sangat singkat.
I=F.Δt
Keterangan
- I= impuls
- F=gaya(N)
·
Δt=selang waktu(s)
C .
TUMBUKAN
Secara
umum terdapat beberapa jenis tumbukan, antara lain Tumbukan lenting sempurna, Tumbukan lenting sebagian dan Tumbukan tidak lenting sama sekali.
a.
Tumbukan lenting sempurna
jika Momentum dan Energi Kinetik kedua benda sebelum
tumbukan = momentum dan energi kinetik setelah tumbukan. Dengan kata lain, pada
tumbukan lenting sempurna berlaku Hukum Kekekalan Momentum dan Hukum Kekekalan
Energi Kinetik.Hukum Kekekalan Momentum dan Hukum Kekekalan Energi Kinetik
berlaku pada peristiwa tumbukan lenting sempurna karena total massa dan
kecepatan kedua benda sama, baik sebelum maupun setelah tumbukan. Hukum
Kekekalan Energi Kinetik berlaku pada Tumbukan lenting sempurna karena selama
tumbukan tidak ada energi yang hilang.
b.
Tumbukan lenting sebagian
Pada
tumbukan lenting sebagian, Hukum Kekekalan Energi Kinetik tidak berlaku karena
ada perubahan energi kinetik terjadi ketika pada saat tumbukan. Perubahan
energi kinetik bisa berarti terjadi pengurangan Energi Kinetik atau penambahan
energi kinetik. Pengurangan energi kinetik terjadi ketika sebagian energi
kinetik awal diubah menjadi energi lain, seperti energi panas, energi bunyi dan
energi potensial.
c.
Tumbukan
tidak lenting sama sekali
Tidak Lenting sama sekali apabila dua benda yang bertumbukan
bersatu alias saling menempel setelah tumbukan. Salah satu contoh populer dari
tumbukan tidak lenting sama sekali adalah pendulum balistik. Pendulum balistik
merupakan sebuah alat yang sering digunakan untuk mengukur laju proyektil,
seperti peluru. Sebuah balok besar yang terbuat dari kayu atau bahan lainnya
digantung seperti pendulum. Setelah itu, sebutir peluru ditembakkan pada balok
tersebut dan biasanya peluru tertanam dalam balok. Sebagai akibat dari tumbukan
tersebut, peluru dan balok bersama-sama terayun ke atas sampai ketinggian
tertentu (ketinggian maksimum).
BAB IV
PENUTUP
A. Kesimpulan
Usaha merupakan hasil kali antara
gaya yang bekerja dengan perpindahan yang dialami oleh benda. Satuan usaha
dalam SI adalah joule (J).Energi menyatakan kemampuan untuk melakukan
usaha.Energi yang dimiliki oleh benda-benda yang bergerak disebut energi
kinetik,sedangkan energi yang dimiliki oleh benda karena kedudukannya disebut
energi potensial.Daya adalah laju usaha yang dilakukan atau besar usaha
persatuan waktu. Satuan daya dalam SI adalah watt (W)
B. Saran
Bagi pembaca disarankan supaya
makalah ini dapat dijadikan sebagai media pembelajaran dalam rangka peningkatan
pemahaman tentang usaha dan energi. Dan bagi penulis-penulis lain diharapkan
agar makalah ini dapat dikembangan lebih lanjut guna menyempurnakan makalah
yang telah dibuat sebelumnya.
DAFTAR PUSTAKA
Nurazizah, Siti. 2007. Acuan Pengayaan Fisika SMA Kelas XI Semester 1. Solo: Nyata Grafika Media Surakarta.
Resnick, Halliday.
1985. Fisika Jilid 1 Edisi Ketiga. Jakarta: Erlangga.
Satriawan, Mirza. 2008. Materi Fisika Dasar, (Online),
Satriawan, Mirza. 2008. Materi Fisika Dasar, (Online),
(http://www.budakfisika.blogspot.com/2008/10/materi-fisika-dasar.html,diakses
10 november 2012.
Young, Hugh D &
Roger A Freedman. 1999. Fisika Universitas Edisi Kesepuluh Jilid 1. Jakarta:
Erlangga.
Demikianlah yang saya bagikan mengenai usaha dan energi semoga bermanfaat.
Demikianlah yang saya bagikan mengenai usaha dan energi semoga bermanfaat.