Definisi Usaha dan Energi

By | December 4, 2013

Definisi Usaha dan Energi – Definisi Usaha dan Energi di sini yang akan kita agak sedikit berbeda dengan Usaha dan Energi ketika kita masih di SMP kelas 8. Definisi Usaha dan Energi sedikit lebih detail dan sedikit lebih rumit tapi pada dasarnya sama dengan Definisi Usaha dan Energi ketika di SMP, hanya saja di Fisika SMA kelas 11 kasus yang harus dipecahkan sedikit lebih rumit.

1. Gaya dapat menghasilkan Usaha

Besarnya usaha didefinisikan sebagai hasil kali antara komponen gaya searah perpindahan gaya dengan perpindahannya. Jika gaya yang diberikan tidak searah dengan arah perpindahan, maka rumus usaha bukan lagi W = F . s tapi akan berubah menjadi W = F . s cos \alpha. Untuk lebih jelasnya perhatikan gambar berikut ini!
Definisi Usaha dan Energi
 
Dari definisi dan Gambar di atas dapat dirumuskan usaha sebagai berikut.
 
 
 
Rumus Usaha SMA
 
Contoh Soal
Sebuah balok bermassa 30 kg ditarik gaya 60 N yang membentuk sudut \alpha =60^{0}  terhadap horisontal seperti pada Gambar di bawah ini.
Definisi Usaha dan Energi
 
Pada saat balok dapat bergeser mendatar sejauh 3 m maka tentukan usaha yang dilakukan gaya tersebut!
Penyelesaian
F = 60N
\alpha =60^{0}
S = 3 m
gaya yang bekerja membentuk sudut α terhadap perpindahannya, maka usaha yang dilakukan gaya dapat diperoleh seperti berikut.
W = F.S cos α
W = 60 N . 3 m cos 600
W = 180 . \frac{1}{2}
W = 90 Joule
Grafik F – S
Gaya yang bekerja pada benda dapat berubah-ubah terhadap perpindahannya. Bagaimana usaha dari gaya F itu? Jika perubahan gaya tersebut teratur, maka usaha yang dilakukan dapat ditentukan dengan konsep grafik F – S.
Contohnya F yang bekerja pada balok berubah terhadap S seperti pada grafik F – S berikut.
Grafik F . S
Usaha yang dilakukan gaya F tersebut dapat ditentukan dari luas daerah yang dibatasi kurva dan sumbu s. Daerah yang dimaksud adalah daerah terarsir. Berarti dapat dirumuskan seperti di bawah ini.
Rumus grafik F.  s
 

2. Energi Potensial

Energi potensial adalah energi yang disebabkan oleh ketinggiannya. Contohnya seperti pada Gambar berikut.
Energi Potensial
 
Semua benda dititik A, B, C, dan D bermassa sama, tetapi ketinggiannya berbeda sehingga energi potensialnya berbeda. Massa A memiliki energi potensial terbesar dan massa D memiliki energi potensial terkecil. Energi potensial juga dipengaruhi oleh massa benda. Semakin besar massanya maka energinya semakin besar. Dari penjelasan-penjelasan di atas, energi potensial dapat dirumuskan sebagai berikut:
E_{p}=m . g . h
dengan :
Ep        = energi potensial (joule)
m         = massa benda (kg)
h          = ketinggian (h)
g          = percepatan gravitasi (10 m/s2)
Contoh Soal
Tiga benda mA = 2 kg , mB = 4 kg dan mC = 3 kg terletak di tangga seperti Gambar di bawah ini.
Contoh soal energi potensial
Tiap tangga ketinggiannya 30 cm. Jika energi potensial massa B bernilai nol maka tentukan energi potensial mA dan mC!
Penyelesaian
mA = 2 kg , mB = 4 kg dan mC = 3 kg
hAB = -30cm = -0,3 m (di bawah B)
hCB = + 60 cm = 0,6 m
Energi potensial dihitung berdasarkan titik acuannya. Di atas titik acuan bernilai positif dan di bawah titik acuan bernilai negatif. Berarti energi potensial massa tersebut memenuhi:
EA        = mA . g . hAB
= 2.10 (-0,3) = -6 joule
EC        = mC . g . hCB
= 3.10.(0,6) = 18 joule

3. Energi Kinetik

Mengapa sebuah peluru yang begitu kecil saat ditembakkan dan mengenai pohon bisa menembusnya? Tentu kalian dapat menjawabnya, yaitu karena peluru yang bergerak memiliki energi. Energi yang disebabkan gerak suatu benda inilah yang dinamakan energi kinetik.
Energi kinetik sebuah benda dipengaruhi oleh massa dan kecepatannya. Energi itu sebanding dengan massa benda dan kuadrat kecepatan benda. Dari hubungan ini, persamaan energi kinetik dapat ditentukan seperti berikut.
E_{k}=\frac{1}{2}mv^{2\mathbf{}}
dengan :
Ek      = energi kinetik (joule)
m       = massa benda (kg)
v        = kecepatan benda (m/s)
Untuk lebih memahami tentang energi kinetik ini dapat kalian cermati contoh berikut.
Contoh Soal
Sebuah benda bermassa m bergerak dengan kecepatan 20 m/s sehingga memiliki energi kinetik sebesar 250 joule. Berapakah energi benda tersebut jika kecepatannya menjadi 40 m/s?
Penyelesaian
v_{1}=20m/s\rightarrow E_{k}=250 joule
v_{2}=40m/s\rightarrow E_{k}=?
Energi kinetik benda sebesar:
E_{k}=\frac{1}{2}mv^{2\mathbf{}}
massa benda dapat ditentukan dari keadaan pertama.
Ek_{1}=\frac{1}{2}mv_{1}^{2}
250=\frac{1}{2}m(20)^{2}
500=m.400
m=1,25Kg
Berarti Ek2 dapat diperoleh:
Ek_{2}=\frac{1}{2}mv_{2}^{2}
Ek_{2}=\frac{1}{2}.1,25.(40)^{2}=1.000 Joule