Usaha dan Energi

A. Usaha

Usaha Adalah Hasil Kali Perpindaahn dan gaya yang searah dengan perpindaah . rumus dari usaha adalah :

w = F . S

W= Usaha (J)

F= gaya ( newton=N)

S= perpindahan (m)

Pembahasan secara matematis di SMP dibatasi pada gaya yang segaris nilai usaha dapat bernilai positif,begatif maupun nol (0) .

1. Usaha Bernilai Positif jika gaya menyebabkan perpindaahan benda searah dengan gaya Contoh : ani mendorong meja kedepan dan perpindahan meja ke depan.

2. Usaha bernilai negatif jika gaya menyebabkan perpindahan benda berlawanan arah dengan gaya.

Contoh : usaha yang dilakukan oleh gaya gesekan , Andi mendorong mobil naik di jalan menanjak, tetapi mobil malah bergerak turun .

3. Usaha Bernilai nol (0) jika gaya tidak menyebabkan benda berpindah atau perpindahan benda tegak lurus dengan gaya .

B. Energy

Energy adalah kemampuan melakukan usaha/kerja .

benruk bentuk energy adalah :

- energy panas

- energy gerak

- energy potensial

- energy bunyi

- dan lain lain.

Energy dapat dimanfaatkan saat mengalami perubahan bentuj .

Contoh :

Lampu senter : energy kimia menjadi energy listrik menjadi energy cahaya .

Apa yang dimaksud Konservasi energy ?

konservasi energi adalah : segala tindakan manusia dalam upayanya untuk menghemmat energy ( menggunakan energy seefektif dan seefisien mungkin )

contoh :

- Mematikan lampu saat ruangan terang di siang hari

- Mematikan kran air jika bak mandi sudah penuh

- TIdak menggunakan kendaraan motor jika jarak temmpuhnya dekat

- dan lain lain

C. Hukum kekekalan Energy

Apa yang dimaksud Hukum kekekalan Energy ?

Hukum Kekekalan Energy adalah : energy tidak dapat di ciptakan dan tidak dapat dimusnahkan, tetapi dapat berubah dari bentuj satu ke bentuk yang lain .

Energy dapat digunakan saat mengalami perubahan bentuk :

- energy listrik menjadi panas pada setrika listrik

- energy listrik menjadi gerak pada kipas angin

- dan lain lain

D. Energi Mekanik

Apa yang dimaksud energy mekanik ? Energy mekanik merupakan hasil penjumlahan energy potensial dan energy kinetic .

1. energy potensial

apayang dimaksud energy potensial ? energy potensial adalah energy yang dimiliki benda karena kedudukannya . Contoh dari energy potensial adalah energi potensial pegas dan energy potensial gravitasi. Pembahasan secara matematis di smp dibatasi pada energy potensial gravitasi. Energy potensial gravitasi yaitu : energy yang dimiliki oleh benda karena posisinya atau kedudukannya terhadap bumi .

Rumusnya adalah :

Ep = m . g . h

Ep = energy potensial ( joule =j )

m = massa (kg)

h = ketinggian (m)

g = percepatan gravitasi (m/s2)

nilai percepatan gravitasi di tiap tempat berbeda , tetapi yang sering dipakai dalam soal adalah g=10 m/s2

2. Energy Kinetic

Apa yang dimaksud energy kinetic ? . Energy kinetic adalah energy yang dimiliki benda karena gerakanya . Rumusnya adalah

Ek = 1/2 . m . v2 (pangkat 2)

Ek = Energi kinetic (J)

m = Massa ( kg)

v = Kecepatan (m/s)

3. Hubungan Ek, Ep dan Em

Em = Ep + Ek

4. Hukum Kekekalan Energy Mekanik

Adalah : Energy mekanik awal sama dengan energy mekanik akhir ( selama tidak ada gaya luar yang bekerja pada system )

Em1 = Em2

Jika Sebuah Benda Dilempar lurus ke atas, Semakin lama energi kinetiknya berkurang sedangkan energy potensialnya bertambah tetapi energy mekaniknya di tiap titik yang dilewati tetap .

CONTOH SOAL DAN PEMBAHASAN USAHA DAN ENERGI

Soal No. 1
Sebuah balok ditarik gaya F = 120 N yang membentuk sudut 37^o terhadap arah horizontal.

http://fisikastudycenter.files.wordpress.com/2010/10/uhusaha_1.png?w=870

Jika balok bergeser sejauh 10 m, tentukan usaha yang dilakukan pada balok!

Pembahasan

http://fisikastudycenter.files.wordpress.com/2010/12/p11usaha1.gif?w=870

Soal No. 2
Balok bermassa 2 kg berada di atas permukaan yang licin dipercepat dari kondisi diam hingga bergerak dengan percepatan 2 m/s².

http://fisikastudycenter.files.wordpress.com/2010/10/uhusaha_2.png?w=870

Tentukan usaha yang dilakukan terhadap balok selama 5 sekon!

Pembahasan
Terlebih dahulu dicari kecepatan balok saat 5 sekon, kemudian dicari selisih energi kinetik dari kondisi awak dan akhirnya:

http://fisikastudycenter.files.wordpress.com/2010/12/p11usaha2.gif?w=870

Soal No. 3
Benda 10 kg hendak digeser melalui permukaan bidang miring yang licin seperti gambar berikut!

http://fisikastudycenter.files.wordpress.com/2010/10/uhusaha_3.png?w=870

Tentukan usaha yang diperlukan untuk memindahkan benda tersebut!

Pembahasan
Mencari usaha dengan selisih energi potensial :

http://fisikastudycenter.files.wordpress.com/2010/12/p11usaha3.gif?w=870

Soal No. 4
Perhatikan grafik gaya (F) terhadap perpindahan (S) berikut ini!

http://fisikastudycenter.files.wordpress.com/2010/10/uhusaha_4.png?w=870

Tentukan besarnya usaha hingga detik ke 12!

Pembahasan
Usaha = Luasan antara garis grafik F-S dengan sumbu S, untuk grafik di atas luasan berupa trapesium

W = ¹/₂(12 + 9) x 6
W = ¹/₂ (21)(6)
W = 63 joule
(Thanks tuk Rora http://r-kubik-tu-rora.blogspot.com/ atas koreksinya)

Soal No. 5
Sebuah mobil bermassa 5.000 kg sedang bergerak dengan kelajuan 72 km/jam mendekati lampu merah.

http://fisikastudycenter.files.wordpress.com/2010/12/usaha5n.gif?w=870

Tentukan besar gaya pengereman yang harus dilakukan agar mobil berhenti di lampu merah yang saat itu berjarak 100 meter dari mobil! (72 km/jam = 20 m/s)

Pembahasan

http://fisikastudycenter.files.wordpress.com/2010/12/p11usaha5.gif?w=870

Soal No. 6
Sebuah tongkat yang panjangnya 40 cm dan tegak di atas permukaan tanah dijatuhi martil 10 kg dari ketinggian 50 cm di atas ujungnya. Bila gaya tahan rata-rata tanah 10³ N, maka banyaknya tumbukan martil yang perlu dilakukan terhadap tongkat agar menjadi rata dengan permukaan tanah adalah….
A. 4 kali
B. 5 kali
C. 6 kali
D. 8 kali
E. 10 kali
(Soal UMPTN 1998)

Pembahasan
Dua rumus usaha yang terlibat disini adalah:

Pada martil :
W = m g Δ h

Pada tanah oleh gaya gesekan:
W = F S

Cari kedalaman masuknya tongkat (S) oleh sekali pukulan martil:
F S = mgΔh
(10³) S = 10 (10)(0,5)
S = ⁵⁰/₁₀₀₀ = ⁵/₁₀₀ m = 5 cm

Jadi sekali jatuhnya martil, tongkat masuk tanah sedalam 5 cm. Untuk tongkat sepanjang 40 cm, maka jumlah jatuhnya martil:
n = 40 : 5 = 8 kali

Soal No. 7
Sebuah balok berada pada sebuah bidang miring dengan koefisien gesekan 0,1 seperti diperlihatkan gambar berikut.

http://fisikastudycenter.com/images/usaha-dan-energi-nomor-7.png

Balok turun ke bawah untuk tinjauan 5 meter.
Tentukan:
a) gaya-gaya yang bekerja pada balok
b) usaha masing-masing gaya pada balok
c) usaha total

Gunakan g = 10 m/s², sin 53^o = 0,8, cos 53^o = 0,6, W (huruf besar) untuk lambang usaha, dan w (kecil) untuk lambang gaya berat.

Pembahasan
a) gaya-gaya yang bekerja pada balok

http://fisikastudycenter.com/images/usaha-dan-energi-nomor-7-solusi.png

gaya normal (N), gaya berat (w) dengan komponennya yaitu w sin 53° dan w cos 53°, gaya gesek F_ges

b) usaha masing-masing gaya pada balok
Dengan bidang miring sebagai lintasan (acuan) perpindahan:
-Usaha oleh gaya Normal dan komponen gaya berat w cos 53°
Usaha kedua gaya bernilai nol (gaya tegak lurus lintasan)

-Usaha oleh komponen gaya berat w sin 53°
W = w sin 53° . S
W = mg sin 53° . S
W = (6)(10)(0,8)(5) = + 240 joule
(Diberi tanda positif, arah mg sin 53° searah dengan pindahnya balok.)

-Usaha oleh gaya gesek
Cari besar gaya gesek terlebih dahulu
f_ges = μ N
f_ges = μ mg cos 53°
f_ges = (0,1) (6)(10)(0,6) = 0,36 N
W = − fges S = − 0,36 (5) = − 1,8 joule
(Diberi tanda negatif, arah gaya gesek berlawanan dengan arah pindahnya balok)

c) usaha total

W_total = +240 joule − 1,8 joule = + 238,2 joule

Soal No. 8
Sebuah balok bermassa 2 kg berada pada sebuah bidang miring kasar seperti diperlihatkan gambar berikut.

http://fisikastudycenter.com/images/usaha-dan-energi-nomor-8a.png

Balok didorong ke atas oleh gaya F = 25 N hingga bergeser ke atas untuk tinjauan sejauh 5 meter. Gaya gesek yang terjadi antara balok dengan bidang miring sebesar 3 N.
Tentukan beserta tanda positif atau negatifnya:
a) usaha oleh gaya F
b) usaha oleh gaya gesek
c) usaha oleh gaya berat
d) usaha total

Pembahasan
a) usaha oleh gaya F
W = F . S = + 25 (5) = + 125 joule

b) usaha oleh gaya gesek
W = − f . S = − 3(5) = − 15 joule

c) usaha oleh gaya berat
W = − mg sin 53° . S = − (2)(10)(0,8)(5) = − 80 joule

d) usaha total
W_total = + 125 − 15 − 80 = 30 joule
SUMBER : http://fisikastudycenter.com/fisika-xi-sma/35-usaha-energi

A. USAHA

Kata usaha dalam kehidupan sehari-hari adalah berbagai aktivitas yang dilakukan manusia.

Dalam Fisika, usaha memiliki definisi yang lebih khusus. Usaha di definisikan sebagai hasil kali komponen gaya searah perpindahan, dengan besar perpindahan, di nyatakan dengan :

W = F.s

Dengan : W = usaha (Nm = joule)

F = gaya (N)

S = perpindahan (m)

B. ENERGI

Energi adalah kemampuan untuk melakukan usaha. Energi baru dapat dirasakan apabila energy tersebut telah berubah bentuk. Contohnya, energy kimia dalam bahan bakar berubah menjadi energy gerak untuk memutar roda. Energy listrik berubah menjadi energy cahaya lampu, menjadi energy kalor pada setrika, dan energy gerak pada bor, mesin cuci, kipas angin, dll.

1. Energi Potensial

Suatu benda dapat menyimpan energi karena kedudukan atau posisi

benda tersebut. Contohnya, suatu beban yang diangkat setinggi h akan

memiliki energi potensial, sementara busur panah yang berada pada posisi

normal (saat busur itu tidak diregangkan) tidak memiliki energi potensial.

Dengan demikian, energi potensial adalah energi yang tersimpan dalam suatu benda akibat kedudukan atau posisi benda tersebut dan suatu saat dapat dimunculkan.

Energi potensial terbagi atas dua, yaitu energi potensial gravitasi dan

energi potensial elastis. Energi potensial gravitasi ini timbul akibat tarikan

gaya gravitasi Bumi yang bekerja pada benda. Jika massa beban diperbesar,

energi potensial gravitasinya juga akan membesar. Demikian juga, apabila

ketinggian benda dari tanah diperbesar, energi potensial gravitasi beban

tersebut akan semakin besar. Hubungan ini dinyatakan dengan persamaan

EP = mgh

dengan: EP = energi potensial (joule),

w = berat benda (newton) = mg,

m = massa benda (kg),

g = percepatan gravitasi bumi (m/s2), dan

h = tinggi benda (m).

Bentuk energi potensial yang kedua adalah energi potensial elastis. Energi potensial adalah energi yang tersimpan di dalam benda elastis karena adanya gaya tekan dan gaya regang yang bekerja pada benda.

Jika pada saat Anda menarik pegas dengan gaya sebesar F1, pegas itu bertambah panjang sebesar x1. Demikian pula, jika Anda menarik pegas dengan gaya sebesar F2, pegas akan bertambah panjang sebesar x2. Begitu seterusnya. Dengan demikian, usaha total yang

Anda berikan untuk meregangkan pegas adalah

W = F1 x1 + F2 x2 + ...

Besarnya usaha total ini sama dengan luas segitiga di bawah kurva F

terhadap x sehingga dapat dituliskan

W = 1/2 F x

W = 1/2 (k x x)

W = 1/2 k x2

Oleh karena usaha yang diberikan pada pegas ini akan tersimpan sebagai

energi potensial, dapat dituliskan persamaan energi potensial pegas adalah sebagai berikut.

EP = 1/2 k x2

Energi potensial pegas ini juga dapat berubah karena usaha yang

dilakukan oleh gaya pegas. Besar usaha yang dilakukan oleh gaya pegas itu

dituliskan dengan persamaan

W = – EP

2. Energi kinetik

Enegi kinetik adalah energi yang dimiliki suatu benda karena gerakannya. Jadi, setiap benda yang bergerak memiliki energi kinetik. Contohnya, energi

kinetik dimiliki oleh mobil yang sedang melaju, pesawat yang sedang terbang,

dan anak yang sedang berlari.

Benda bermassa m1 bergerak dengan kecepatan

v1. Benda tersebut bergerak lurus berubah beraturan sehingga setelah

menempuh jarak sebesar s, kecepatan benda berubah menjadi v2. Oleh karena itu, pada benda berlaku persamaan

v₂ = v₁ + at dan s = v₁t + 1/2 at².

Anda telah mengetahui bahwa percepatan yang timbul pada gerak lurus berubah beraturan berhubungan dengan gaya F yang bekerja padanya sehingga benda bergerak dengan percepatan a.

Besar usaha yang dilakukan gaya sebesar F pada benda dapat dihitung

dengan persamaan

W = Fs = mas

Oleh karena gerak benda adalah gerak lurus berubah beraturan, nilai a dan

s pada dapat disubstitusikan dengan persamaan a dan s

dari gerak lurus berubah beraturan, sehingga diperoleh

Besaran 1/2 mv² merupakan energi kinetik benda karena menyatakan

kemampuan benda untuk melakukan usaha. Secara umum, persamaan energy kinetik dituliskan sebagai

EK =

dengan: EK = energi kinetik (joule),

m = massa benda (kg),

v = kecepatan benda (m/s).

3. Energi Mekanik

energi mekanik dapat didefinisikan sebagai jumlah energi potensial dan energi kinetik yang dimiliki oleh suatu benda, atau disebut juga energi total. Besarnya energi mekanik suatu benda selalu tetap, sedangkan energi kinetik dan energi potensialnya dapat berubah-ubah. Penulisannya secara matematis adalah sebagai berikut.

EM = EP + EK

C. Daya

Besaran usaha menyatakan gaya yang menyebabkan perpindahan benda. Namun, besaran ini tidak memperhitungkan lama waktu gaya itu bekerja

pada benda sehingga menyebabkan benda berpindah. Kadang-kadang usaha

dilakukan sangat cepat dan di saat lain usaha dilakukan sangat lambat.

Misalnya, Ani mendorong lemari untuk memindahkannya dari pojok kamar

ke sisi lain kamar yang berjarak 3 m. Dalam melakukan usahanya itu, Ani

membutuhkan waktu 5 menit. Apabila lemari yang sama dipindahkan oleh

Arif, ia membutuhkan waktu 3 menit. Ani dan Arif melakukan usaha yang

sama, namun keduanya membutuhkan waktu yang berbeda. Besaran yang

menyatakan besar usaha yang dilakukan per satuan waktu dinamakan daya.

Dengan demikian, Anda dapat mengatakan bahwa Arif memiliki daya yang

lebih besar daripada Ani.

Daya didefinisikan sebagai kelajuan usaha atau usaha per satuan waktu.

Daya dituliskan secara matematis sebagai berikut.

P =

dengan: W = usaha (joule),

t = waktu (sekon),

P = daya (J/s atau watt).

Contoh :

1. Sebuah benda yang beratnya 10 N berada pada bidang datar. Pada benda tersebut bekerja sebuah gaya mendatar sebesar 20 N sehingga benda berpindah sejauh 50 cm. Berapakah usaha yang dilakukan oleh gaya tersebut?

Jawab

Diketahui: W = 10 N, F = 20 N, dan s = 50 cm.

W = F.s

W = (20 N)(0,5 m) = 10 joule

2. Sebuah benda bermassa 2 kg, berada di ketinggian 2 m dari bidang acuan tertentu. Kemudian benda itu dipindahkan sehingga memiliki ketinggian 5 m dari acuan yang sama. Jika g = 10 m/s2, tentukan perubahan energi potensial benda!

jawab

3. Sebuah benda bermassa 0,10 kg jatuh bebas vertikal dari ketinggian 2 m ke hamparan pasir. Jika benda itu masuk sedalam 2 cm ke dalam pasir sebelum berhenti, besar gaya rata-rata yang dilakukan pasir untuk menghambat benda adalah sekitar ....

Jawab

= mg Δh

Fs = mg Δh

(F )(2 cm) = (0,10 kg)(10 m/s2)

(2,02 m)

F = 100,1 N~100 N

4. Sebuah mobil massanya 200 kg, berjalan dengan kecepatan 10 m/s2. tentukan energi kinetiknya!

Jawab :

Dik : m = 200 kg

v = 10 m/s2

Dit : Ek . . . ?

Jawab : Ek = ½ m v²

= ½ 200 . 102

= 20.000 Joule

5. Mula-mula sebuah benda dengan massa 2 kg berada dipermukaan tanah. Kemudian benda itu dipindahkan keatas meja yang memiliki ketinggian 1,25 m dari tanah. Berapakah perubahan energi potensial benda tersebut? (g=10 m/s²)

Jawab

Dik: m = 2 kg

h²= 1,25 m

g = 10 m/s²

Dit: ∆Ep= .....?

Penyelesaian∶ ∆Ep = m g (h²– h¹ )

= 2kg . 10 m/s²(1,25 m – 0 m)

= 25 Joule

6. Sebuah benda massa 5 kg, berada pada ketinggian 20 m. Jika gravitasi 9,8 m/kg tentukan energi potensial!

Jawab :

Dik: m = 5 kg

g = 9,8 m/kg

h = 20 m

Dit: Ep . . . ?

Penyelesaian : Ep = m. g. h

= 5. 9,8 . 20 = 980 Joule

7. Sebuah mobil yang massanya 800kg bergerak dengan laju 72 km/jami. Berapa energi kinetiknya?

Diket: m = 800kg

v = 72 km/jam

= 20 m/s

Dit : E_k

Jawab: E_k = ½.m.v²

= ½. 800kg. (20m/s)² = 160000 J

8. Sebuah bola baseball 0,5 kg dilempar dengan kecepatan 8 m/s. Tentukan:

a. Energi kinetik bola tersebut!

b. Usaha yang harus dilakukan untuk mencapai kelajuan tersebut dari keadaan diam!

9. Sebuah benda berada pada ketinggian 5 m dari atas tanah. Jika energi potensial benda tersebut adalah 2500 joule dan percepatan gravitasi bumi adalah 10 m/s2, tentukan massa benda tersebut!

Jawab

Dik : Ep = 2500

g = 10 m/s²

h = 5 m

Dit: m … ???

Penyelesaian : Ep = m x g x h

2500 = m x 10 x 5

2500 = 50 m

m = 2500 / 50

m = 5 kg

10. Seseorang memindahkan benda dengan gaya 20N sejauh 150 cm dalam waktu 2 detik. Berapa daya orang tersebut sewaktu memindahkan benda?

Diket : F = 20N

s = 150 cm = 1,5 m

t = 2 s

Dit : P??

Jawab: W = F. s = 20N. 1,5m = 30 J

P = W : t = 30J : 2s = 15 J/s

= 15 Watt

Categories

Blogger templates

Popular Posts

Blogroll

Archives