BAB. 4 USAHA DAN ENERGI

 KEGIATAN BELAJAR 2. ENERGI

3. Pengertian Energi

mendorong sepeda motor

Pernahkah motor kalian mogok lalu mendorongnya?

Apa yang kalian rasakan setelah mendorong sepeda motor kalian? 

Rasa lelah yang kalian rasakan setelah mendorong merupakan bentuk berkurangnya energi kimia dalam tubuh. Ketika kita mendorong sepeda motor yang mogok, usaha alias kerja yang kita lakukan menggerakan sepeda motor tersebut. Pada saat yang sama, energi kimia dalam tubuh kita menjadi berkurang, karena sebagian energi kimia dalam tubuh berubah menjadi energi kinetik sepeda motor. Usaha dilakukan ketika energi dipindahkan dari satu benda ke benda lain. Contoh ini juga menjelaskan salah satu konsep penting dalam sains, yakni kekekalan energi. Jumlah total energi pada sistem dan lingkungan bersifat kekal alias tetap. Energi tidak pernah hilang, tetapi hanya dapat berubah bentuk dari satu bentuk energi menjadi bentuk energi lain.

Bentuk-bentuk perubahan energi:

 

Contoh peristiwa yang lain yaitu jika seseorang meletakkan bola di tempat yang lebih tinggi, kemudian bola tersebut menggelinding ke bawah. Pada saat bola berada di tempat yang tinggi dan diam, ia memiliki energi potensial dan ketika bola bergerak energi potensial berubah menjadi energi kinetik. Peristiwa ini dapat diamati pada gambar berikut.  

Energi dapat berada dalam berbagai bentuk, seperti energi panas, energi cahaya, energi listrik, energi kinetik, energi kimia, energi potensial, energi nuklir, dan lain sebagainya. Ada dua bentuk energi yang ada kaitannya dengan mekanika, yaitu energi kinetik dan energi potensial. Dalam pembahasan berikut, kita akan membatasi pembicaraan kita hanya mengenai energi kinetik, energi potensial, dan energi mekanik. 

Untuk penjelasan lebih lanjut, simaklah video berikut ini!

https://www.youtube.com/watch?v=J9jDTqXzsr4

a. Energi kinetik

Setiap benda yang bergerak memiliki energi. Benda yang bergerak memiliki kemampuan untuk melakukan usaha, karenanya dapat dikatakan memiliki energi. Energi pada benda yang bergerak disebut energi kinetik. Ketika benda bergerak, benda memiliki kecepatan. Dengan demikian, kita dapat menyimpulkan bahwa energi kinetik merupakan energi yang dimiliki benda karena gerakannya atau kecepatannya.

Besarnya energi kinetik translasi pada benda tersebut adalah 

Karena usaha atau kerja yang dilakukan merupakan hasil dari perubahan energi, maka dapat dirumuskan:

contoh:

1. Sebuah mobil memiliki massa 500 kg melaju dengan kecepatan 25 m/s. Hitung energi kinetik mobil pada kelajuan tersebut! Apa yang akan terjadi jika mobil direm secara mendadak?

Diketahui:
Massa mobil (m) = 500 kg
Kecepatan mobil (v) = 25 m/s

Ditanyakan:
Energi kinetik dan kejadian jika mobil direm mendadak

Jawab:
Energi kinetik mobil sedan dapat dihitung sebagai berikut:

Ek = 1/2 . m v²
Ek = 1/2 . 500 . (25)²
Ek = 156.250 Joule

2. Balok memiliki massa 5 kg meluncur pada permukaan dengan kecepatan 2,5 m/s. Beberapa waktu kemudian, balok tersebut meluncur dengan kecepatan 3,5 m/s. Berapakah usaha total yang dikerjakan pada balok selama selang waktu tersebut?

Diketahui:
Massa benda = 5 kg
Kecepatan benda awal (V1) = 2.5 m/s
Kecepatan benda akhir (V2) = 3.5 m/s

Ditanyakan:
Usaha total yang dikerjakan pada benda?

Jawab:
W = ΔE_k
W = 1/2 m (v₂²-v₁²)
W = 1/2 (5)((3,5)²-(2,5)²)
W = 15 Joule

Jadi usaha total yang dikenakan pada benda adalah sebesar 15 Joule.

b. Energi Potensial

Energi potensial adalah energi yang dimiliki oleh benda karena kedudukan atau posisinya. Berbeda dengan energi kinetik yang wujudnya cukup jelas, yaitu ketika benda bergerak, energi potensial tidak memiliki wujud tertentu. Hal ini disebabkan karena energi potensial pada dasarnya adalah energi yang sifatnya masih berupa potensi atau tersimpan. Dan baru akan keluar ketika ia berubah posisinya.

Jenis dari energi ini terdiri atas beragam jenis mulai dari potensial gravitasi, potensial pegas, serta potensial listrik.

Contoh energi potensial yang mudah kamu temui adalah energi potensial pada pegas. Ketika kamu menekan pegas, pegas tersebut memiliki energi potensial yang tersimpan. Itu sebabnya, ketika kamu melepaskan peganganmu terhadap pegas, pegas tersebut dapat melakukan dorongan. Hal itu terjadi karena energi yang tersimpan dalam bentuk energi postensial telah dilepaskan.

1). Energi Potensial Gravitasi

Jenis energi satu ini berlangsung dalam gerakan suatu benda yang dikarenakan adanya gravitasi bumi. Hal tersebut juga membuat suatu benda akan jatuh menyentuh tanah.

Perubahan energi yang berlangsung diartikan secara sistematis dengan rumus di bawah ini:

Ep = m.g.h

Keterangan:

Ep: energi potensial gravitasi (joule)
m: massa benda (kg)
g: gravitasi (m/s²)
h: ketinggian suatu benda (m)

2). Energi Potensial Listrik

Jenis energi yang satu ini dapat berlangsung dalam suatu partikel yang mempunyai muatan bergerak dalam suatu medan listrik. Pada waktu itu, medan listrik kemudian akan memberikan gaya terhadap partikel supaya dapat bekerja. Perubahan energi yang berlangsung diartikan secara sistematis dengan rumus di bawah ini:

Ep = k . (q0 . q / r)

Keterangan:

Ep: potensial listrik (joule)
k  : konstanta (9×109N.m²/c²)
q0 : muatan sumber (coulomb)
q  : muatan uji (coulomb)

3). Energi Potensial Pegas

Jenis energi satu ini dibutuhkan ketika melakukan renggangan atau tekanan pada pegas.Perubahan energi yang berlangsung diartikan secara sistematis dengan rumus di bawah ini:

Ep = ½ . k . x²

Keterangan:

Ep: potensial listrik (joule)
k: konstanta (9×10⁹ N.m²/ c²)
x: perubahan posisi (m)

Contoh soal energi potensial

1. Ada buah kelapa yang masih menggantung di pohon bermassa 2,5 kg. Apabila pohon kelapa tersebut mempunyai ketinggian 9 meter. Hitunglah energi potensial pada buah kelapa tersebut apabila diketahui gaya gravitasinya g = 10 m/s²!

Diketahui:

m = 2,5 kg
h = 9 m
g = 10 m/s²

Pembahasan:

Ep = m g h
Ep = 2,5 kg x 10 m/s² x 9 m
Ep = 225 joule.

Sehingga, energi potensial/ EP pada kelapa itu sebesar 225 Joule.

2. Sebuah bola basket mempunyai massa 3 kg yang diletakan di atas lemari. Apabila bola basket tersebut diketahui mempunyai energi sebesar 105 joule, maka hitunglah ketinggian dari lemari tersebut. Serta diketahui jika gravitasinya sebesar g = 10 m/s².

Diketahui:

g = 10 m/s²
m = 3 kg
Ep = 105 J

Pembahasan:

Ep = m g h
h = Ep : (m x g)
h = 105 : (3 kg x 10 m/s²)
h = 105 : 30
h = 3,5 meter

Sehingga, diperoleh ketinggian lemari tersebut yaitu 3,5 meter.

3. Suatu pegas mempunyai konstanta pegas sebesar 400 N/m. Pegas tersebut kemudian dipakai untuk melontarkan peluru dengan massa 10 g. Hitunglah kecepatan peluru pada saat pegas ditekan sejauh 10 cm dari keadaan setimbang?

Diketahui:

k = 400 N/m
m = 10 g = 1x 10-2 kg
x = 10 cm = 0.01 m

Pembahasan:

Ep = Ek
½ k . x2 = ½ m . v2
½ 400 (1×10-2) = ½ (1x 10-2) v2

v = 20 m/s

Sehingga, kecepatan peluru pada saat pegas ditekan sejauh 10 cm dari kondisi setimbang yaitu 20 m/s.

c. Energi Mekanik

Energi mekanik adalah jumlah total antara energi kinetik dan energi potensial. Energi mekanik memiliki sifat tertentu yang unik, yaitu bahwa pada pengaruh gaya konservatif, jumlah energi mekanik akan selalu sama, walaupun nilai energi potensial dan energi kinetiknya berbeda. 

Katakanlah ambil contoh sebuah mangga yang matang di pohon. Saat berada di pohon, mangga tersebut memiliki energi potensial karena posisinya, dan tidak memiliki energi kinetik karena dia diam. Tetapi ketika mangga tersebut telah matang dan jatuh, energi potensialnya akan berkurang karena posisinya telah berubah, sementara energi kinetiknya meningkat karena kecepatannya terus bertambah. Hal yang sama juga dapat kamu pahami dengan melihat contoh kasus pada roller coaster.

Rumus Energi Mekanik:

Em = Ep + Ek

Keterangan rumus :
Em adalah = energi mekanik (joule)
Ep adalah = energi potensial (joule)
Ek adalah = energi kinetik (joule)

Energi mekanik erat kaitannya dengan hukum kekekalan energi:

"Bunyi hukum kekekalan energi yaitu energi tidak bisa diciptakan dan tidak bisa dimusnahkan, melainkan energi bisa diubah dari bentuk satu ke bentuk yang lainnya"

Pada energi mekanik terdapat hukum kekekalan energi mekanik yaitu :

Em = Ep + Ek = konstan

Dapat ditulis :

Em1 = Em2

Ep1 + Ek1 = Ep2 + Ek2

m1 g h1 + ½ m1 v12 = m1 g h2 + ½ m1 v22

contoh:

1. Sebuah apel memiliki massa 300 gram jatuh dari pohonnya pada ketinggian 10 meter. Jika g =10 m/s², berapakah energi mekanik pada apel?

Pembahasan :

m = 300 gram = 0,3 kg

g =10 m/s²

h = 10 m

ditanya: Em?

Em = Ep + Ek

Karena bendanya sudah jatuh dan tidak diketahui kecepatannya, maka Ek dikatakan nilainya nol. (Ek = 0)

Em = Ep

Em = m g h

Em = 0,3 x 10 x 10 = 30 joule

Jadi energi mekanik pada apel yang jatuh tersebut adalah 30 J.

2. Sebuah mangga yang massanya 100 gram dilempar secara vertikal ke atas. Pada waktu ketinggiannya 10 meter dari permukaan tanah memiliki kecepatan 4 m/s. Berapakah energi mekanik buah mangga pada saat tersebut? Jika g =10 m/s²

Pembahasan :

m = 100 gram = 0,1 kg  ;  h = 10 m ;

v = 4 m/s ;  g =10 m/s²

ditanya Em…?

Em = Ep + Ek

Em = m g h + ½ m v²

Em = 0,1 . 10 . 10 + ½ . 0.1 . 4²

Em = 10 + 0,8

Em = 10,8 joule

3. Kardus mainan yang massanya 2 kg jatuh dari ketinggia rumah lante 2 yang tingginya 10 meter dan percetapatan gravitasi bumi 10 m/s². Berapakah kecepatan kardus pada saat jatuh ke tanah?

Pembahasan:

m = 2 kg  ;  h = 10 m ; g = 10 m/s²

Em1 = Em2

Ep1 + Ek1 = Ep2 + Ek2

m₁ g h₁ + ½ m₁ v₁² =  m₁ g h₂ + ½ m₁ v₂²

Ep = ada atau maksimum

Ek1  = 0 nol, karena kardus belum bergerak dan masih berada di lantai 2

Ep2 = nol karena benda sudah jatuh di tanah dan tidak mempunyai ketinggian

Ek2 = ada atau maksimum

m₁ g h₁ + 0 =  0 + ½ m₁ v₂²

1 x 10 x 10 = ½ x 2 x v²

100 = v²

v =

= 10 m/s

jadi kecepatan kardus pada saat jatuh ke tanah adalah 10 m/s.

Read More

BAB.4 USAHA DAN ENERGI

KEGIATAN BELAJAR 1. PENGERTIAN USAHA

1. Pengertian Usaha dalam Kehidupan Sehari-hari

Di masa pandemi, pembelajaran dilaksanakan secara jarak jauh dan mengharuskan semua siswa mengikuti pembelajaran dengan baik. Tidak sedikit siswa yang mengalami kendala selama pembelajaran jarak jauh seperti sulitnya akses internet di daerahnya, sehingga mengharuskan siswa untuk melakukan berbagai usaha demi mengikuti kegiatan pembelajaran yang diberikan oleh guru. Salah satu contohnya seperti gambar 4.1 di bawah ini. Siswa tersebut berusaha mengikuti pembelajaran dengan kondisi susah sinyal mengharuskannya mencari tempat yang bisa mengakses internet melalui gadgetnya.

usaha siswa mencari tempat yang ada sinyal internet untuk belajar

Jadi pengertian usaha menurut bahasa sehari-hari sebagai “upaya” untuk mendapatkan sesuatu. Kata “usaha” dalam pengertian sehari-hari ini tidak dapat dinyatakan dengan suatu angka atau ukuran dan tidak dapat pula dinyatakan dengan rumus matematis.

2. Pengertian Usaha dalam Fisika

Usaha mengandung pengertian sebagai segala sesuatu yang dilakukan oleh gaya pada suatu benda sehingga benda itu bergerak. Agar usaha berlangsung, maka gaya harus dikerahkan pada suatu benda hingga benda tersebut menempuh jarak tertentu. Apakah usaha baru dapat berlangsung bila benda berpindah? Bagaimana apabila benda yang diberikan gaya ternyata tidak bergerak atau berpindah? Apakah telah terjadi usaha? 

orang sedang mendorong gerobak artco

Gambar 4.2 menunjukkan sejumlah orang yang sedang mendorong sebuah gerobak artco. Orang tersebut memberikan gaya melalui suatu dorongan kepada gerobak artco sehingga gerobak dapat bergerak (berpindah). Adanya gaya yang bekerja sebuah gerobak artco yang menyebabkannya berpindah tempat menunjukkan adanya usaha yang telah dilakukan oleh masing-masing orang itu.  

sekarang perhatikan gambar berikut ini!

gambar 4.3 orang mendorong tembok

Berdasarkan uraian di atas, dapat kita simpulkan bahwa ada dua syarat terjadinya suatu usaha, yaitu:

1. adanya gaya (F) yang bekerja pada suatu benda
2. adanya perpindahan (s) yang dialami oleh benda tersebut

Dengan demikian usaha didefinisikan sebagai sejumlah gaya yang bekerja pada suatu benda sehingga menyebabkan benda berpindah sepanjang garis lurus dan searah dengan arah gaya. 

Untuk memahami lebih lanjut mengenai konsep usaha, marilah kita simak video berikut ini

https://www.youtube.com/watch?v=mqENP1iY2Vo&t=104s

Secara matematis, usaha yang dilakukan pada suatu benda dinyatakan sebagai berikut. 

dengan:

W = usaha yang dilakukan pada suatu benda (Joule)

F  = gaya yang bekerja pada suatu benda (Newton)

s  = perpindahan yang dialami benda tersebut (meter)

Bagaimana apabila gaya yang bekerja pada benda itu tidak searah dengan arah perpindahannya (membentuk sudut tertentu)?  

dengan: 0 = sudut antara arah gaya dan arah perpindahannya.  

Contoh Soal:

1. Berapakah usaha yang dilakukan oleh seseorang yang mencoba menarik sebuah balok dengan gaya sebesar 50 N sehingga balok tersebut berpindah sejauh 8 meter?
2. Seseorang menarik sebuah vacuum cleaner dengan gaya 50 N dan gaya tersebut membentuk sudut 30° dengan arah perpindahannya. Perpindahan yang dialami oleh vacuum cleaner itu adalah 8 meter. Berapakah besar usaha yang dilakukan oleh orang itu? (abaikan kehadiran gaya gesekan!)

3. Sebuah mobil bergerak dengan kecepatan 10 m/s. Sepuluh detik kemudian kecepatan mobil itu menjadi tiga kali semula. Jika massa mobil itu 1.000 kg, hitunglah usaha yang telah dilakukan oleh mesin mobil itu?

Penyelesaian:

1. Diketahui:

    F = 50 N

    s = 8 m

    Ditanya: W = ... Joule?

    Jawab: F = W . s = 50 N . 8 m = 400 Nm = 400 Joule

2. Diketahui:

    F = 50 N

    0 = 30°

    s = 8 m

   

   Ditanya: W = ... Joule?

  Jawab: F = W cos 0 . s

                 = 50 N . cos 30°. 8 m

                 = 50 N . (1/2√3) . 8 m

                 = 200√3 Joule

                 = 346,41 Joule

3. Diketahui:

    xo = 0

    vo = 10 m/s 

    m = 1.000 kg 

   vt = 3 vo = 30 m/s 

    t = 10 s

   Ditanya: W = ... Joule? 

  Jawab:

  

Read More