Home / Fisika / usaha dan energi

Usaha dan Energi

  • 10 min read
Loading...

Penulis : Deyan Prashna, Departemen Fisika, FMIPA Universitas Indonesia 2016

Usaha disebabkan karena adanya kemampuan (energi) untuk memberikan tarikan atau dorongan (gaya) pada suatu benda sehingga terjadi respon berupa perpindahan (bernilai positif) atau bahkan diam saja (bernilai negatif).

Usaha sangat diperlukan dalam kehidupan sehari-hari. Dalam melakukan usaha diperlukan energi dan dengan adanya energi kita bisa melakukan usaha/kerja dalam kehidupan sehari-hari.

Pengertian usaha dan energi

Lantas, apa itu usaha dan energi? Apakah keduanya berbanding lurus? Bagaimana energi dan usaha dalam sudut pandang fisika? Kamu akan mengetahui jawabannya setelah membaca artikel ini.

Energi merupakan kemampuan untuk melakukan usaha (kerja). Energi dapat disimpan dan diukur dalam berbagai bentuk, tetapi tidak dapat dimusnahkan (hukum kekekalan energi).

Energi merupakan besaran skalar (hanya menyatakan kuantitas), sedangkan hasil dari usaha berupa gaya dan perpindahan. Sedangkan usaha juga merupakan besaran skalar yang muncul sebagai akibat dari adanya perubahan energi.

Dalam setiap melakukan usaha (kerja) terdapat kehilangan (perubahan) energi dari satu energi ke energi

Loading...
lainnya. Contoh: bola lampu tradisional hanya sekitar 3% mengubah energi listrik menjadi energi cahaya tampak.

Rumus usaha dan energi

Secara matematis, usaha dapat dinyatakan sebagai perkalian skalar antara gaya dan perpindahan dengan rumus sbb:

rumus usaha dan energi

dimana W merupakan usaha (joule) (J), F merupakan gaya (N), dan s merupakan perpindahan (m).

Dengan kata lain, usaha dapat diartikan kemampuan untuk melakukan sesuatu dan terjadi perpindahan posisi yang disebabkan oleh adanya perubahan energi. Jika tidak terjadi perubahan posisi berarti besar usahanya nol (bukan berarti tidak ada usaha).

Terdapat dua nilai usaha, yaitu posiif atau negatif. Jika telah melakukan usaha, namun tidak terjadi perpindahan, berarti besar usahanya adalah negatif. Jika terjadi perpindahan, berarti besar usahanya positif.

Lalu, bagaimana hubungan antara gaya dan energi? Gaya merupakan tarikan atau dorongan terhadap suatu benda yang menyebabkan terjadinya perubahan posisi atau bentuk. Gaya memiliki dua sifat, yaitu gaya sentuh (nyata) dan tak sentuh (semu).

Sedangkan terdapat berbagai jenis gaya, yaitu gaya otot, gaya pegas, gaya gesek (statis dan kinetis), gaya mesin, gaya gravitasi bumi, gaya magnet, dan gaya listrik. Hal ini berarti, energi menyebabkan terjadinya suatu gaya pada benda.

Jadi, dapat dikatakan hubungan antara gaya, energi dan usaha adalah berbanding lurus dengan penjelasan sbb:

Hubungannya dapat dijelaskan, bahwa usaha didefinisikan sebagai adanya kemampuan (energi) untuk memberikan tarikan atau dorongan (gaya) pada suatu benda dan terjadi sebuah respon berupa perpindahan (usahanya bernilai positif) atau bahkan tidak terjadi perpindahan (usahanya bernilai negatif) dimana penyebabnya adalah gaya yang diberikan terlalu kecil sehingga tidak cukup membuat benda tersebut berpindah dan besar gaya diam (gaya reaksi) yang dihasilkan oleh benda tersebut sama dengan gaya yang diberikan ke benda tersebut (gaya aksi), sebagaimana hukum Newton III (aksi-reaksi).

Satuan energi dan usaha dalam SI adalah joule (J). Dalam mekanika, 1 J didefinisikan sebagai besar energi yang ditransfer ketika usaha sebesar 1 J pada sebuah benda yang menyebabkan bergerak sejauh 1 meter (sesuai dengan pers. (1)).

Satuan lainnya adalah kalori (sering ditemui sebagai satuan energi pada makanan) dimana 1 kalori (c) merupakan jumlah energi yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur 1 gram air pada suhu 1C, dimana 1 kalori sama dengan 4,2 joule.

Satuan usaha pun sama dengan energi (J) karena adanya energi menyebabkan terjadinya usaha. Usaha yang bernilai nol, berarti komponen gaya dan perpindahannya saling tegak lurus (membentuk sudut 90). Selain itu, usaha akan memiliki nilai selain nol.

Usaha yang bekerja pada suatu benda, dapat dibedakan menjadi usaha yang bekerja pada bidang datar dan miring dengan penjelasan sbb:

Usaha pada bidang datar

Perhatikan gambar 1.

Ilustrasi Usaha pada bidang datar
Gambar 1. Ilustrasi Usaha pada bidang datar
rumus Usaha pada bidang datar

Pada gambar 1, telihat bahwa usahanya dilakukan untuk memindahkan benda A dari s1 ke s2 pada bidang datar dengan besar usahanya sbb:

Usaha pada bidang miring

Perhatikan gambar 2.

Ilustrasi Usaha pada bidang miring
Gambar 2. Ilustrasi Usaha pada bidang miring
rumus Usaha pada bidang miring

Pada gambar 2, terlihat bahwa usahanya dilakukan untuk memindahkan benda A dari s1 ke s2 pada bidang miring dengan besar usahanya sbb:

Terdapat tiga jenis energi, yaitu energi potensial, energi kinetik, dan energi mekanik dengan penjelasan sbb:

Energi potensial

Merupakan energi yang dimiliki suatu benda karena posisi benda tersebut dari permukaan tanah (memiliki ketinggian dari permukaan tanah). Sehingga gaya gravitasi dan waktu sangat mempengaruhi besar energi yang dimiliki.

Semakin lama suatu benda berada di atas permukaan tanah dan semakin tinggi (jauh) dari permukaan tanah maka energi potensial yang dimiliki juga akan semakin besar dan sebaliknya. Energi potensial juga dimiliki oleh benda elastis (energi potensial elastis), contoh busur panah mengalami perubahan bentuk akibat diberikan tarikan pada anak panah dan busur panah berusaha untuk mengembalikan ke bentuk semula.

Berikut rumus untuk energi potensial:

rumus untuk energi potensial

dimana Ep merupakan energi potensial (J), m merupakan massa (kg), g merupakan percepatan gravitasi (m/s2) dan h merupakan ketinggian (m).

Contoh lain adalah energi potensial pada pegas (energi potensial pegas) dimana diakibatkan oleh pegas yang diregangkan dan dimampatkan. Berikut rumus energi potensial pada pegas:

rumus untuk energi potensial

dimana k merupakan konstanta pegas (N/m), dan usaha dan energi 8merupakan perubahan panjang pegas (N/m).

Loading...

Energi kinetik

Merupakan energi yang diperlukan untuk menggerakan sebuah benda bermassa m dengan kecepatan tertentu dari keadaan diam usaha dan energi 6. Energi kinetik hanya dimiliki oleh benda yang bergerak saja.

Energi kinetik dibedakan menjadi dua, yaitu energi kinetik translasi (pada benda yang sedang mengalami gerak lurus) dan rotasi (pada benda yang sedang mengalami gerakan berputar). Berikut rumus untuk energi kinetik:

rumus Energi kinetik

Dimana Ek merupakan energi kinetik (J), m merupakan massa (kg) dan usaha dan energi 6merupakan perubahan kecepatan.

Energi mekanik

Merupakan penjumlahan dari energi kinetik dan potensial dan berarti hanya dimiliki oleh benda yang berada pada ketinggian tertentu kemudian jatuh bergerak baik secara translasi atau rotasi atau bahkan keduanya (translasi dan rotasi) yang dinamakan sebagai gerak menggelinding. Bisa dikatakan bahwa energi mekanik tidak bisa dikaitkan dengan penjumlahan antara energi potensial pegas dengan energi kinetik, karena pegas tersebut tidak melakukan gerakan translasi atau rotasi (pegas hanya bergantung di satu tempat saja).

Rumus energi mekanik sbb:

rumus Energi mekanik

dimana Em pun memiliki satuan yang sama dengan jenis energi lainnya, yaitu joule (J).

Dengan demikian, bisa dituliskan (rumus) bahwa hubungan antara energi dengan usaha adalah sbb:

rumus Energi mekanik

Jika kita melakukan usaha dalam periode waktu tertentu, maka hal tersebut dinamakan sebagai daya dimana dapat didefinisikan bahwa daya merupakan usaha yang dilakukan setiap satuan waktu atau juga sebagai kecepatan usaha. Satuannya adalah watt (W) dengan rumus sbb:

rumus Energi mekanik

dimana W merupakan usaha (J), P merupakan daya (watt) (W), t merupakan waktu (sekon) (s), F merupakan gaya (N), dan v merupakan kecepatan (m/s). Perlu juga diketahui bahwa 1 watt = 1 J/s.

Perbedaan daya dengan usaha adalah bahwa usaha merupakan besar energi yang diteruskan oleh gaya dalam jarak tertentu. Sedangkan daya merupakan merupakan laju energi yang diteruskan selama melakukan usaha dalam periode waktu tertentu.

Contoh soal Latihan

  1. Bagaimana hubungan gaya, energi dengan usaha?

Jawab: Hubungannya dapat dijelaskan, bahwa usaha didefinisikan sebagai adanya kemampuan (energi) untuk memberikan tarikan atau dorongan (gaya) pada suatu benda dan terjadi sebuah respon berupa perpindahan (usahanya bernilai positif) atau bahkan tidak terjadi perpindahan (usahanya bernilai negatif) dimana penyebabnya adalah gaya yang diberikan terlalu kecil sehingga tidak cukup membuat benda tersebut berpindah dan besar gaya diam (gaya reaksi) yang dihasilkan oleh benda tersebut sama dengan gaya yang diberikan ke benda tersebut (gaya aksi), sebagaimana hukum Newton III (aksi-reaksi).

hukum newton

2. Kakak sedang menggerakan sebuah kotak di atas permukaan yang halus dimana gaya gesek diabaikan (gaya gesek kinetis) dengan memberikan gaya sebesar 10 N dan kotak pun bergeser sejauh 5 m ke kanan dari si kakak. Tiba-tiba si adik dengan jahilnya menggeser kotak tersebut dengan gaya sebesar 7 N dan kotak pun bergeser sejauh 3 m ke kiri mendekati kakak. Berapakah besar usahanya dan kemana arah kotaknya dari si kakak?

Jawab:

Ilustrasi Benda A bergerak dari posisi 1 ke 2 dan 3.
Gambar 3. Ilustrasi Benda A bergerak dari posisi 1 ke 2 dan 3.

Diketahui:

F1 = 10 N s1 = 5 m

F2 = 7 N s2 = 3 m

Ditanya: Besar usaha, W, dan arahnya.

Penyelesaian:

Usaha dan energi 1

3. Sebuah bola bermassa 8 kg jatuh menuju permukaan tanah dari ketinggian 6 m dengan kecepatan 20 m/s2 dalam waktu 4 s. Berapa besar energi mekaniknya dan daya yang dihasilkan dari bola tersebut?

Jawab:

Ilustrasi bola yang jatuh pada ketinggian tertentu.
Gambar 4. Ilustrasi bola yang jatuh pada ketinggian tertentu.

Diketahui:

Usaha dan energi 2

Ditanya: dan .

Penyelesaian:

Jika percepatan gravitasi tidak ditulis dalam soal, maka percepatan gravitasinya dapat diasumsikan sama dengan 10 m/s2. Pada soal, bola jatuh mengenai tanah dengan asumsi bahwa kecepatannya (kecepatan akhir) menjadi 0 m/s2. Sebagaimana pers. (7), maka:

Usaha dan energi 5

Kemudian rumus daya, P, sebagaimana pers. (12), maka:

Usaha dan energi 6

F didapat dari:

Usaha dan energi 7
Usaha dan energi 8

dengan

maka,

Usaha dan energi 10

Daftar Pustaka

  • Abdullah, Mikrajuddin. 2016. Fisika Dasar I. Bandung: Institut Teknologi Bandung.
  • Ahmad. 2019. Rumus Daya. Dilihat dari https://www.yuksinau.id/daya/ (diakses pada 04 April 2020).
  • Al Fatih, Angga. 2020. Energi Potensial : Pengertian, Rumus, Jenis, dan Contoh. Dilihat dari https://rumus.co.id/energi-potensial/ (diakses pada 04 April 2020).
  • Ardiyanto, Rama. 2019. Rumus Energi Kinetik – Pengertian, Materi, Contoh Soal. Dilihat dari https://rumus.co.id/energi-kinetik/ (diakses pada 04 April 2020).
  • Bitar. 2019. Rumus Gaya Fisika. Dilihat dari https://www.gurupendidikan.co.id/rumus-gaya/ (diakses pada 04 April 2020).
  • Khan Academy. What are Energy and Work? Dilihat dari https://www.khanacademy.org/ (diakses pada 04 April 2020).
  • Laatifah. 2020. Usaha dan Energi: Pengertian, Rumus, Contoh Soal. Dilihat dari https://rumuspintar.com/usaha-energi/ (diakses pada 04 April 2020).
  • Murjana, Angga. 2019. Rumus Energi Mekanik Adalah Bunyi, Hukum, dan Contoh Soal. Dilihat dari https://rumusrumus.com/energi-mekanik/ (diakses pada 04 April 2020).
  • Viandari, Eka. 2019. Usaha dan Energi – Fisika Kelas 11 – Pengertian, Hubungan, dan Contoh Soal. Dilihat dari https://www.quipper.com/id/blog/mapel/fisika/usaha-dan-energi-fisika-kelas-11/ (diakses pada 04 April 2020).

Baca juga :

Loading...