1. USAHA
Pengertian usaha dalam fisika tidak bisa dipisahkan dengan
Dalam fisika, usaha adalah hasil kali perpindahan dengan
W = F s
Dimana : a. W = usaha (joule)
b. F =
c. s = perpindahan (meter)
Apabila faya F membentuk sudut α
W = F cos α
Contoh Soal
1. Sebuah balok yang terletak pada lantai licin ditarik denga
Diketahui : F = 40 N
m = 4 kg
t = 4 sekon
Ditanyakan : W = ……?
Jawab : W = F cos α s
s = jarak yang ditempuh balok selama 4 sekon
s = V0t + 1at² dengan V0t = 0 dan a = F cos α
2 m
= 40 x ½ √3
4
= 5 √3 m/s²
s = 1 x 5 √3(4)²
2
s = 40 √3 m
Sehingga yang akan didapat adalah :
W = F cos s
W = 40 x 1 √3 x 40 √3
2
W = 1200 joule
Jadi, usaha yang dilakukan adalah 1200 joule
2. Sebuah benda dengan
Penyelesaian
Diketahui : F = 20 N
m = 10 kg
t = 5 sekon
a = 6 m/s²
Ditanyakan : W = ……?
Jawab : W = F s
s = jarak yang ditempuh balok selama 5 sekon
s = V0t + 1at² dengan V0t = 0
2
s = 1 x 6 x 5²
2
s = 75 m
Sehingga yang didapat adalah
W = F s
W = 20 x 75
W = 1500 joule
Jadi, usaha yang dilakukan adalah 1500 joule
3. Sebuah benda bergerak pada lantai licin dengan jarak 20 m dan gaya yang dihasilkan adalah 50 N. Tentukan usaha yang dilakukan oleh benda tersebut dan sudut yang dibentuk adalah 60° !
Penyelesaian
Diketahui : F = 50 N
s = 10 m
α = 60°
Ditanyakan : W = ……?
Jawab : W = F cos α s
W = 50 x cos 60° x 50
W = 50 x 1 x 50
2
W = 1250 joule
Jadi, usaha yang dilakukan adalah 1250 joule
2. ENERGI
Dalam kehidupan sehari-hari, kita banyak menggunakan berbagai macam enerhi, antara lain energi kimia, energi bumi, energi air terjun dan energi nuklir. Energi tersebut dihasilkan oleh sumber energi. Diantara sumber-sumber energi ada energi yang dapat diperbarui dan tidak dapat diperbarui. Contoh energi yang dapat diperbarui antara lain bahan pangan sebagai sumber energi kimia, PLTA sebagai sumber energi listrik , manusia dan hewan sebagai sumber energi mekanik. Sedangkan sumber energi yang tidak dapat diperbarui adalah minyak bumi (solar, bensin, minyak tanah yang merupakan sumber energi kimia ). Mengingat terbatasnya sumber daya energi yang berasal dari alam itu, maka kita harus mengupayakan penghematan energi. Dan dalam materi in kita akan membahas mengenai energi potensial maupun energi kinetik.
a. Energi Kinetik
Energi kinetik adalah energi yang dimiliki oleh sebuah benda berkaitan dengan geraknya. Oleh karena itu, energi kinetik bisa juga disebut energi gerak. Besar energi kinetik bergantung pada kelajua benda. Energi kinetik merupakan skalar, bukan vector.
Secara umum, energi kinetik dapat dirumuskan :
Ek = 1 m v²
2
Dimana : Ek = energi kinetik (joule)
m =
v = kecepatan benda (m/s)
Dan dapat juga digunakan rumus untuk mencari usaha :
W = Ek2 – Ek1
Contoh soal :
1. Sebuah benda mempunyai massa sebesar 1 kg bergerak dengan kecepatan awal 10 m/s dan percepatan sebesar 2 m/s². Tentukan :
a. Berapa kecepatan benda selama 10 s dan berapa energi kinetiknya
b. Berapa usaha yang dilakukan benda ?
Penyelesaian :
Diketahui : m = 1 kg
V0 = 10 m/s
a = 2 m/s
t = 10 s
Ditanyakan : a. Ek1 dan Ek2 =………..?
b. W =………?
Jawab : Vt = V0 + at
= 10 + 2(10)
= 10 + 20
= 30 m/s
a. Ek1 = 1 m V² = 1 x (1) x (10)² = 100 J
2 2
Ek2 = 1 m V² = 1 x (1) x (30)² = 450 J
2 2
b. Usaha = perubahan energi kinetik
= Ek2 - Ek1
= 450 J – 100 J
= 350 J
2. Sebuah biji ketapel dilemparkan dengan kecepatan 90 m/s.
Penyelesaian :
Diketahui : m = 0,2 kg
V0 = 90 m/s
Ditanyakan : Ek = ……….?
Jawab : Ek = 1 m V²
2
= 1 x 0,2(90)²
2
= 810 J
b. Energi Potensial
Sudah dapat kita ketahui secara bersama bahwa benda dapat dikatakan bergerak karena sesuatu atau benda tersebut mempunyai energi, yang disebut energi potensial. Kekuatan yang tersimpan tersebut merupakan interaksi yang sifatnya skalar. Karena bersifat skalar, maka energi potensial tidak mempunyai arah, tidak seperti
Secara umum, energi potensial dapat dirumuskan :
Ep = m g h
Dimana : Ep = energi potensial (joule)
m =
g = gravitasi benda (m/s²)
h = ketinggian benda (m)
Dan dapat juga digunakan rumus untuk mencari usaha :
W = Ep2 – Ep1
Contoh soal :
1. Sebuah mangga memiliki massa 0,5 kg baerada di atas pohon yang tingginya 10 m. Tentukan besar energi potensialnya jika percepatan gravitasi bumi bernilai 10 m/s² !
Penyelesaian :
Diketahui : m = 0,5 kg
g = 10 m/s²
h = 10 m
Ditanyakan : Ep = ……….?
Jawab : Ep = m g h
= 0,5 x 10 x 10
= 50 joule
Jadi, energi yang dihasilkan oleh buah mangga adalah 50 J
2. Sebuah benda memiliki
Penyelesaian :
Diketahui : m = 1 kg
g = 10 m/s²
h = 10 m
Ditanyakan : a. Ep = ……….?
b. W =….?
Jawab : a. Ep = m g h
= 1 x 10 x 10
= 100 J
Jadi, energi potensial yang dihasilkan adalah 100 J
b. W = Ep2 - Ep1
= 0 – 100
= -100 J
Jadi, usaha yang dihasilkan adalah -100 J (tanda – menunjukkan bahwa untuk memindahkan benda dari bawah ke atas diperlukan energi)
Energi Potensial Pegas
Sebuah pegas (dapat berupa pegas atau per, karet, busur panah) apabila ditekan atau ditarik, dapat melemparkan suatu benda yang menekannya. Menurut hokum Hooke, besar
Energi potensial pegas dapat dirumuskan sebagai berikut
F = k x
Dimana : F =
k = tetapan pegas
x = simpangan pegas
Atau dapat juga menggunaka rumus
F = 1 k x²
2
Contoh soal :
Sebuah pegas pada saat ditekan gaya sebesar 30 N, memendek sebesar 10 cm. Apabila diatas pegas tersebut diberi benda 20 gr. Berapa :
a. Tinggi maksimum benda apabila pegas dilepas
b. Kecepatan benda saat lepas dari pegas
Penyelesaian :
Diketahui : F = 30 N
x = 10 cm = 0,1 m
m = 20 gr = 0,02 kg
Ditanyakan : a. h = ……….?
b. V =….?
Jawab : F = k x
30 = k . 0,1
k = 300 N/m
a. Ep pegas = Ep gravitasi
1 k x² = m g h
2
1 x 300 x (0,1)² = 0,02 x 10 x h
2
1,5 = 0,2 h
1,5 = h
0,02
7,5 = h
Jadi, tinggi maksimum yang dihasilkan = 7,5 m
b. Kecepatan benda saat lepas dari pegas
Ep pegas = Ek benda
1 k x² = 1 m V²
2 2
300 x (0,1)² = 0,02 V²
3 = V²
0,02
150 = V²
√150 = V
12.25 = V
Jadi, kecepatan benda tersebut adalah 12,25 m/s
c. Hukum Kekekalan Energi Mekanik
Energi potensial berkaitan erat dengan energi kinetik. Penambahan energi potensial menyebabkan pengurangan energi kinetik. Perhatikan pada gambar dibawah ini
1. Benda jatuh bebas, dimana
2. Benda meluncur pada bidang miring yang licin, sehingga
3. Benda meluncur pada bidang miring yang memiliki koefisien gesekan. Karrena bekerja
Jumlah dari energi potensial dengan energi kinetik dinamakan energi mekanik, dan dirumuskan :
Em = Ep + Ek
Hukum Kekekalan Energi :
“Jumlah energi potensial dan kinetic suatu benda selalu konstan, selama tidak ada
3. Daya
Sering Anda mendengar istilah daya. Mulai dari daya taha, daya listrik, daya kuda dan daya dorong. Apakah semua istilah tersebut sama maknanya dengan daya dalam fisika ? Daya tahan jembatan, daya tahan tubuh tentunya bukan termasuk daya tahan yang termasuk dalam fisika. Tetapi daya listrik dan daya kuda erat hubungannya dengan daya yang dimaksud dalam fisika. Dalam fisika daya adalah jumlah energi tiap satuan waktu. Rumus yang dipakai untuk menghitung daya, antara lain :
P = W
t
Dimana : P = Daya (watt)
W = usaha (joule)
t = waktu (sekon)
Contoh soal :
1. Sesorang mendorong kotak dengan
Penyelesaian :
Diketahui : F = 100 N
t = 20 s
s = 4 m
Ditanyakan : P = …?
Jawab : W = F s
= 100 x 4 = 400 joule
P = W
t
= 400 = 20 watt
20
Jadi, daya yang dihasilkan oleh orang tersebut adalah 20 watt.
2. Sebuah bohlam listrik mempunyai daya sebesar 40
Penyelesaian :
Diketahui : P = 40 W
t = 1 jam = 3600 sekon
Ditanyakan : W = …?
Jawab : W = P x t
= 40 x 3600
= 144000 joule
= 144 kJ
Jadi, energi yang keluar dari bohlam tersebut adalah 144 kJ
3. Sebuah lift dapat mengangkat 20 orang penumpang dengan
Penyelesaian
Diketahui :
g = 10 m/s²
Ditanyakan : P = ….?
Jawab : F = W = m g
= (800 + 500) x 10
= 13000 N
P = W = F s = 13000 = 13000 watt
t 1
Jadi, daya angkat lift tersebut adalah 13000 W
4. Sebuah televisi memiliki daya 80 W dan dinyalakan terus menerus selama 5 jam. Berapa energi yang dikeluarkan oleh televisi tersebut ?
Penyelesaian :
Diketahui : P = 80 W
t = 5 jam = 3600 x 5 = 18000 sekon
Ditanyakan : W = ….?
Jawaban : W = P t
= 80 x 18000
= 1440000 joule
= 1440 kJ
Jadi, energi yang dikeluarkan televisi selama 5 jam adalah 1440 kJ
5. Efisiensi Atau Daya Guna
Tidak semua energi dapat diubah seluruhnya menjadi energi yang diinginkan. Terkadang ada energi yang hilang percuma, tidak sesuai dengan kebutuhan. Sebagai contoh tidak semua energi kalor dapat diubah menjadi energi mekanik. Energi lampu listrik, tidak semuanya dapat diubah menjadi energi cahaya, karena energi listrik pada bohlam lebih banyak diubah menjadi kalor atau panas. Dalam hal ini ada istilah efisiensi atau daya guna sumber energi. Efisiensi merupakan perbandingan antara energi keluaran dan masukan. Efisiensi dapat ditulis dengan bentuk rumus :
η = Wk x 100 %
Wm
Dimana : η = efisiensi = daya guna
Wk = energi keluar = energi yang bermanfaat
Wm = energi masuk
Contoh soal :
Dalam sebuah mesin cuci energi yang masuk 400 J dan energi yang keluar adalah 300 J. Tentukan efisiensi dari mesin cuci tersebut !
Penyelesaian :
Diketahui : Wm = 400 J
Wk = 300 J
Ditanyakan : η = ….?
Jawab : η = Wk x 100 %
Wm
= 300 x 100 %
400
= 75 %
Jadi, nilai efisiensi mesin cuci tersebut adalah 75 %
6. Sumber Energi
a. Energi matahari (energi surya)
Sudah tidak asing lagi, bahwa energi matahari dalam skala kecil langsung dapat dimanfaatkan untuk keperluan sehari-hari, misalnya sebagai penerangan, mengeringkan pakaian, menjemur padi atau sesuatu lainnya. Dapat Anda bayangkan apabila untuk mengeringkan padi digunakan pemanas dari minyak, berapa besar biayanya ? Energi sinar matahari dapat digunakan secara gratis dan tanpa batas. Suatu perusahaan yang menggunakan air panas dalam skala besar dapat memanfaatkan sinar matahari. Caranya yaitu dengan menjemur air pada tempat tertentu hingga memperoleh air hangat sampai kurang lebih 60° C. Apabila memerlukan air yang bersuhu 100° C dapat diteruskan dengan bahan bakar yang lain. Energi matahari atau energi surya dapat juga digunakan untuk pembengkit listrik dengan menggunakan susunan cermin sebagai pengumpul energi sinar matahari. Selain itu, energi surya juga digunakan sebagai sumber energi satelit-satelit atau pesawat luar angkasa.
b. Energi air
Pernahkah Anda melihat kincir air di daerah pedesaan. Kincir air itu digunakan untuk menaikkan air sungai ke pedesaan. Meskipun air yang dinaikkan relative kecil, tetapi dapat mengalir terus menerus tanpa menggunakan energi. Disamping itu, energi air di daerah terpencil dapat digunakan untuk menggerakkan generator listrik untuk keperluan listrik di pedesaan atau pegunungan. Dalam skala lebih besar, air bendungan dapat digunakan sebagai pembangkit listrik tenaga air (PLTA), contohnya PLTA Jatiluhur, PLTA Karangkates di Malang, PLTA Asahan dan sebagainya.
c. Energi listrik
Menurut Anda, energi manakah yang paling banyak digunakan untuk keperluan seharu-hari ? Tidak dapat disangkal, saaat ini energi listrik banyak bermanfaat bagi kehidupan manusia. Mulai dari yang ukuran kecil misalnya jam tangan, kalkulator, mainan anak, keperluan rumah tangga sampai untuk menggerakkan mesin-mesin pada pabrik besar. Sumber energi listrik dapat berupa baterai, akumulator, generator listrik, foto sel, PLTA, PLTN (Pusat Listrik Tenaga Nuklir) dan pembangkit listrik tenaga bumi.