USAHA DAN ENERGI

Pengertian Usaha

Usaha ialah merupakan suatu kegiatan memindahkan sebuah benda,dari suatu tempat ke tempat lain, dengan menggunakan energi.

Menurut Nur Azizah (2007:46) menyatakan ”usaha merupakan hasil kali antara gaya dengan perpindahan yang dialami oleh gaya tadi. Jadi, jika suatu benda diberi gaya namun benda tidak mengalami perpindahan, maka dikatakan usaha pada benda tersebut nol”.

Misalkan jika seseorang yang mendorong tembok atau dinding sedangkan tembok atau dinding tersebut tidak berubah posisi atau kedudukannya (tidak bergeser), walaupun orang tersebut telah mengerahkan seluruh kekuatannya untuk mendorongnya, maka orang tersebut dikatakan tidak melakukan usaha.

Jadi, dalam fisika, usaha berkaitan dengan gerak dan perubahan posisi sebuah benda. Saat kita mendorong atau menarik benda, kita mengeluarkan energi. Usaha yang kita lakukan tampak pada perpindahan benda itu.

Kesimpulan dari definisi usaha adalah sebuah hasil kali antara gaya dan perpindahan, yang apabila di rumuskan akan menjadi seperti berikut ini :

 W=F.s

Keterangan:

W = usaha satuan nya(joule atau kg m²/s²)
F  = gaya satuan nya(newton)
S = perpindahan satuan nya(m)

Kemudian ada juga keterangan tambahan seperti di bawah ini:
1 N=10⁵dyne
1 m=10²cm
1 Nm=10⁷dyne cm
1 J=10⁷erg
Nm=J
Dyne cm=erg

Bila gaya yang bekerja pada benda lebih dari satu, maka usaha yang di kerjakan benda merupakan hasil dari resultan gaya. Lalu benda bermasa m di dorong oleh gaya F1 dan di tarik oleh gaya F2. Lalu apabila sebuah benda dan lantai terjadi gaya gesek F3. Maka akan mengakibatkan ketiga gaya tersebut atau benda akan berpindah sejauh s. Kemudian besar usaha yang telah di kerjakan pada benda yaitu :

W = W1+W2+W

    = F1s+F2s+(-F3)s

    = (F1+F2–F3)s

    =W = Rs ---------------(R=resultan gaya yang bekerja pada benda)

Pengertian Energi

Definisi energi bila ditinjau dari konteks usaha, maka Energi adalah kemampuan untuk melakukan usaha atau kerja. Sebuah benda dapat dikatakan mempunyai energi bila benda itu menghasilkan gaya yang dapat melakukan usaha.

Setiap energi pasti mengalami perubahan, dengan demikian setiap materi mengandung dan terkait dengan energi. Bila materi berubah akan disertai perubahan energi, maka energi adalah sesuatu yang menyertai perubahan materi.

Jika energi yang dikandung materi sebelum perubahan lebih besar dari sesudahnya, maka akan keluar sejumlah energi dan peristiwa tersebut disebut eksotermik. Sebaliknya jika energi materi sebelum perubahan lebih kecil dari sesudahnya, maka akan diserap sejumlah energi dan peristiwa itu disebut endotermik.

 Macam-Macam Energi

Melakukan usaha artinya melakukan perubahan antara lain perubahan posisi, perubahan bentuk, perubahan ukuran, perubahan suhu, perubahan gerak, perubahan wujud, dan perubahan struktur kimia suatu saat. Pada dasarnya ada 2 macam bentuk energi, yaitu energi potensial dan energi kinetik. Kedua energi tersebut merupakan energi mekanik.

1. Energi Kinetik

Energi kinetik adalah energi yang dimiliki suatu benda yang bergerak. Anak panah yang lepas dari busurnyamemiliki energi kinetiksehingga anak panah dapatmelakukan usaha, yaitu menancap pada target. Besarnya energi kinetik suatu benda bergantung pada massa dan kelajuan benda.

Sebuah benda yang bermassa m  yang diam pada permukaan licin (tanpa gesekan). Ketika gaya konstan  F diberikan selamamenempuh jarak benda akan bergerak pada percepatan yang sama a sampai mencapai kecepatn akhir v. Usaha yang dilakukan pada benda ;

W = F  

seluruhnya dubah menjadi energi kinetik benda pada keadaan akhir jadi,  

EK = W  atau W = F.

Rumus Energi Kinetik

EK= 1/2 m.v²

Jadi,energi kinetik (EK) sebanding massa benda m dan kuadrat kecepatannya (v²). Jika massa dilipatgandakan, energikinetik meningkat 2 kali lipat. Akan tetepi, jika kecepatan dilipatgandakan, energi kinetik meningkat 4 kali lipat.

Ada banyak contoh sederhana Energi Kinetik didalam praktek kehidupan kita sehari – hari antara lain sebagai berikut ini : seseorang yang berjalan, bisbol yang dilempar, pensil yang  jatuh dari meja, dan partikel bermuatan dalam medan listrik juga merupakan contoh energi kinetik dan masih banyak contoh- contoh yang lainnya.

 2. Energi Potensial

Energi potensial gravitasi adalah energi yang dikandung suatu materi berdasarka tinggi rendahnya kedudukannya. Besarnya energi potensial bergantung pada massa dan ketinggian.

Secara matematis hubungan tersebut ditulis:

EP = m g h

Keterangan:

Ep= energi potensial (joule)

M= massa materi (kg)

g = percepatan gravitasi (m/s²)

h= ketinggian dari bumi (meter) 

3. Energi Mekanik

Energi mekanik adalah jumlah dari energi potensial dan energi kinetik.Energi mekanik sebagai energi total dari suatu benda bersifat kekal, tidak dapat dimusnahkan, namun dapat berubah wujud, sehingga berlakulah hukum kekekalan energi yang dirumuskan:

Hukum Kekekalan Energi Mekanik

EP1 + EK1 = EP2 + EK2

4. Energi Panas (Kalor)

Energi Panas adalah energi yang berpindah akibat perbedaan suhu. Satuan SI untuk panas adalah joule. Panas bergerak dari daerah bersuhu tinggi ke daerah bersuhu rendah. Energi  Panas ini berbanding lurus terhadap suhu benda. Ketika dua benda dengan suhu berbeda bergandengan, mereka akan bertukar energi internal sampai suhu kedua benda tersebut seimbang. Jumlah energi yang disalurkan adalah jumlah energi yang tertukar.

Perpindahan Energi Panas, terjadi contohnya jika kamu akan merasa hangat berada di dekat api unggun. Hal ini disebabkan tubuhmu menerima energi panas dari api unggun tersebut. Panas yang berpindah disebut kalor. Api kompor dapat mematangkan makanan karena terdapat energi panas yang berpindah dari api ke makanan.

Manfaat Energi Panas (Kalor) dalam kehidupan sehari-hari tentunya sangat banyak, contoh penjemuran pakaian saat siang hari. 

5. Energi Cahaya

Energi cahaya adalah energi yang dimiliki oleh gerakan foton dalam bentuk gelombang elektromagnetik. Gelombang cahaya mempunyai frekuensi dan panjang gelombang tertentu, dengan kecepatan yang sama. Makin besar nilai panjang gelombang maka makin kecil frekuensi dan sebaliknya.

Max Planck, ahli fisika dari Jerman, pada tahun 1900 mengemukakan teori kuantum. Planck menyimpulkan bahwa atom-atom dan molekul dapat memancarkan atau menyerap energi hanya dalam jumlah tertentu. Jumlah atau paket energi terkecil yang dapat dipancarkan atau diserap oleh atom atau molekul dalam bentuk radiasi elektromagnetik disebut kuantum. Planck menemukan bahwa energi foton (kuantum) berbanding lurus dengan frekuensi cahaya.

Dengan rumus

E = h . ʋatau E = c / λ

Keterangan:

h = tetapan Planck (6,626 × 10–34 J. dt)

ʋ = frekuensi (Hz)

c = kecepatancahayadalamvakum (3 × 108 m det–1)

λ = panjang gelombang (m)

6. Energi Listrik

Energi listrik adalah energi yang diakibatkan oleh gerakan partikel bermuatan dalam suatu media (konduktor), karena adanya beda potensial antara kedua ujung konduktor. Besarnya energi listrik bergantung pada beda potensial dan jumlah muatan yang mengalir.

Rumus Energi Listrik

W = q.E

Keterangan:

W= energi listrik (J)

q = muatan yang mengalir (C)

E = beda potensial listrik (V)  

7. Energi Kimia

Energi kimia adalah energi yang dikandung suatu senyawa dalam bentuk energi ikatan antara atom-atomnya. Besarnya energi bergantung pada jenis dan jumlah pereaksi serta suhu dan tekanan. Contoh penggunaan energi kimia yaitu pada aki motor 

8. Energi Nuklir

Energi nuklir adalah energi yang terkandung dalam inti atom. Energi nuklir akan keluar bila suatu inti akan berubah menjadi inti lain. Besarnya energi nuklir bergantung pada jenis dan jumlah inti.

Hubungan antara Usaha dan Energi

Anda sudah mengetahui bahwa energi adalah kemampuan melakukan usaha. Definisi tersebut menunjukkan bahwa usaha memiliki kaitan yang erat dengan energi. Ketika anda mendorong sebuah peti diatas lantai yang datar dan licin, hanya gaya dorong anda yang melakukan usaha ada peti, dan ternyata kelajuan peti bertambah. Kelajuan peti bertambah berarti energi kinetik pada peti juga bertambah. Tentu saja pertambahan energi kinetik berasal dari usaha yan dilakukan oleh gaya dorong.

Dengan demikian, besarnya usaha sama dengan perubahan energi kinetik benda. Secara matematis ditulis sebagai berikut:

Rumus

W = Δ Ek; W = Ek₂ – Ek₁

Keterangan:

W = usaha (Joule)

Ek = perubahan energi kinetik (Joule)

Ek₂ = energi kinetik akhir (Joule)

Ek₁ = energi kinetik awal (Joule)

Ketika anda mengangkat sebuah balok, kamu akan memberikan gaya dorong terhadap balok.Pada saat ke atas, berlaku:

Wtangan = Ftangan . s = m g h

Saat ke bawah:

Wgravitasi = Fgravitasi . s = –m g h

Usaha yang dilakukan oleh gaya gravitasi bumi (benda yang bergerak vertikal) sama dengan perubahan energi potensial gravitasi.

 Secara matematis ditulis sebagai berikut.

W = Δ Ep; W = Ep2 – Ep1;

W = m . g (h2 – h1 )

Keterangan:

W = usaha (J)

ΔEp = perubahan energi potensial (J)

Ep1 = energi potensial awal (J)

Ep2 = energi potensial akhir (J)

Bunyi Hukum Kekekalan Energi

"Hukum kekekalan energi menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan dan dimusnahkan, tetapi hanya dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk energi lain".

Rumus Hukum Kekekalan Energi

Hukum kekekalan energi mekanik menyatakan bahwa besar energi mekanik pada benda yang bergerak selalu tetap. Secara matematis dirumuskan sebagai berikut:     

 

                               Em1 = Em2

             Ek1 + Ep1 = Ek2 + Ep2

           
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).