MAKALAH USAHA DAN ENERGI
KATA
PENGANTAR
Bismillaahirrohmaanirrohiim…
Puji
Syukur kehadirat Allah Swt. Berkat kemudahan yang diberikan oleh-NYA saya dapat
menyelesaikan karya tulis ini dengan lancer tanpa ada hambatan. Dan berkat
izin-NYA pula saya dapat menyelesaikan karya tulis ini dalam waktu yang cukup
singkat.
Karya
Tullis ini disusun agar pembaca dapat mengetahui bahwa selama kita hidup, hidup
kita berkaitan dengan yang namanya fisika. Namun terkadang kita tidak menyadari
hal-hal kecil seperti ilmu fisika. Contohnya saja yang berkaitan dengan usaha
dan energi. Karya tulis ini disusun dengan mengandalkan waktu singkat.
Karya
tulis ini membahas tentang “ Usaha dan Energi”. Dibuat untuk memenuhi kebutuhan
nilai rapor saya pada kelas sebelas SMA ini.
Semoga
Karya tulis ini dapat bermanfaat bagi pembaca. Walaupun memiliki banyak
kekurangan dan beberapa kelebihan, penulis menerima kritik dan saran dari
pembaca.
Terimakasih.
Penulis
Hanif
Arrasyid
DAFTAR ISI
KATA
PENGANTAR..................................................................................................... ii
DAFTAR
ISI...................................................................................................................
iii
BAB
1 PENDAHULUAN
1. Latar
Belakang.......................................................................................................... 1
2. Rumusan
Masalah..................................................................................................... 1
3. Tujuan....................................................................................................................... 1
BAB
2 PEMBAHASAN
USAHA
DAN ENERGI
A. USAHA...................................................................................................................
2
1) Pengertian
Usaha...................................................................................................... 2
2) Usaha
Oleh Resultan Gaya Tetap............................................................................ 3
3) Usaha
Oleh Resultan Gaya Tidak Tetap.................................................................. 5
4) Menghitung
Usaha yang Bernilai Negatif............................................................... 6
5) Menghitung
Usaha Dari Grafik Dan Perpindahan.................................................. 6
6) Usaha
Yang Dilakukan oleh Gaya Berat................................................................. 6
7) Satuan
Usaha........................................................................................................... 6
B. ENERGI.................................................................................................................
7
1) Pengertian
Energi.................................................................................................... 7
2) Macam-Macam
Energi............................................................................................ 7
3) Energi
Kinetik......................................................................................................... 8
4) Energi
Potensial...................................................................................................... 8
5) Hukum
Kekelan Energi Mekanik........................................................................... 9
6) Hubungan
Antara Usaha dan Energi...................................................................... 9
7) Penerapan
Hukum Kekelan Energi Mekanik dalam Kehidupan Sehari-hari......... 10
BAB
3 PENUTUP
A. SIMPULAN............................................................................................................ 11
B. SARAN................................................................................................................... 11
Daftar
Pustaka............................................................................................................... 12
BAB
1
PENDAHULUAN
A. LATAR
BELAKANG
Beberapa masalah
terkadang lebih sulit dari apa yang terlihat. Seperti anda mencoba untuk
mencari laju anak panah yang baru dilepaskan dari anak busurnya. Anada
menggunakan hukum Newton dan segala teknik penyelesaian soal yang pernah kita
pelajari. Lalu kamu menemukan kesulitan.setelah pemanah melepaskan anak panah,
tali busur memberi gaya yang berubah-ubah yang bergantung pada posisi busur.
Akibatnya metode sederhana yang kita pelajari tidak cukup untuk menghitungn
lajunya. Jangan takut,karena masih ada metode lain untuk menyelesaikan masalah
tersebut.
Metode
baru yang akan kita lihat itu menggunakan ide kerja dan energi. Kita
akanmenggunakan konsep energi untuk mempelajari rentang fenomena fisik
yangsangat luas. Kita akan mengembangkan konsep kerja dan energi kinetik untuk
memahamikonsep umum mengenai energi dan kita akan melihat bagaimana kekekalan
energi muncul.
B. RUMUSAN MASALAH
a. Apa
yang dimaksud dengan usaha?
b. Apa
yang dimaksud dengan energi?
c. Apa
saja aplikasi usaha dan energi dalam ke hidupan sehari hari ?
C. TUJUAN
Makalah
ini dimaksudkan untuk dapat membantu meningkatkan pemahaman mengenaiaplikasi
usaha dan energi dalam kehidupan sehari-hari sehingga akan memungkinkan
kitadapat lebih mengerti bahwa pelajaran fisika itu bisa di aplikasikan dalam
kehidupan sehari-hari.
BAB
2
PEMBAHASAN
USAHA
DAN ENERGI
A. USAHA
1. PENGERTIAN USAHA
Dalam kehidupan
sehari-hari, pengertian usaha identik dengan kemampuan untuk meraih sesuatu.
Misalnya, usaha untuk bisa naik kelas atau usaha untuk mendapatkan nilai yang
besar. Namun, apakah pengertian usaha menurut ilmu Fisika? Ketika benda didorong ada yang berpindah tempat dan
ada pula yang tetap di tempatnya. Ketika kamu mendorong atau menarik suatu
benda, berarti kamu telah memberikan gaya pada benda tersebut. Oleh karena itu,
usaha sangat dipengaruhi oleh dorongan atau tarikan (gaya). Menurut informasi
tersebut, jika setelah didorong benda itu tidak berpindah, gayamu tidak
melakukan usaha. Dengan kata lain, usaha juga dipengaruhi oleh perpindahan.
Dengan demikian, dapat disimpulkan bahwa usaha dihasilkan oleh gaya yang
dikerjakan pada suatu benda sehingga benda itu berpindah tempat.
Bagaimanakah ketika kamu mendorong dinding kelasmu? Apakah dinding berpindah
tempat? Walaupun kamu telah sekuat tenaga mendorongnya, tetapi dinding tetap
ditempatnya. Oleh sebab itu, menurut Fisika gayamu dikatakan tidak melakukan
usaha.
Apabila gaya disimbolkan dengan F dan perpindahan dengan s, secara matematis usaha dituliskan dalam persamaan berikut: W = F.s dengan:
Apabila gaya disimbolkan dengan F dan perpindahan dengan s, secara matematis usaha dituliskan dalam persamaan berikut: W = F.s dengan:
W = usaha (J)
F
= gaya (N)
s = perpindahan (m)
Usaha memiliki satuan yang sama dengan energi, yaitu joule. Dengan ketentuan bahwa 1 joule sama dengan besar usaha yang dilakukan oleh gaya sebesar 1 N dengan perpindahan 1 m.
Kamu sudah mengetahui usaha yang dilakukan untuk memindahkan sebuah benda ke arah horisontal, tetapi bagaimanakah besarnya usaha yang dilakukan untuk memindahkan sebuah benda ke arah vertikal? Memindahkan benda secara vertikal memerlukan gaya minimal untuk mengatasi gaya gravitasi bumi yang besarnya sama dengan berat suatu benda. Secara matematis gaya tersebut dapat ditulis sebagai berikut: F = m g
Karena perpindahan benda ke arah vertikal sama dengan ketinggian benda (h), usaha yang dilakukan terhadap benda tersebut sebagai berikut.
W = F s
W = m g h dengan:
W = usaha (J)
m = massa (kg)
g = percepatan gravitasi (N/kg)
h = perpindahan atau ketinggian (m)
s = perpindahan (m)
Usaha memiliki satuan yang sama dengan energi, yaitu joule. Dengan ketentuan bahwa 1 joule sama dengan besar usaha yang dilakukan oleh gaya sebesar 1 N dengan perpindahan 1 m.
Kamu sudah mengetahui usaha yang dilakukan untuk memindahkan sebuah benda ke arah horisontal, tetapi bagaimanakah besarnya usaha yang dilakukan untuk memindahkan sebuah benda ke arah vertikal? Memindahkan benda secara vertikal memerlukan gaya minimal untuk mengatasi gaya gravitasi bumi yang besarnya sama dengan berat suatu benda. Secara matematis gaya tersebut dapat ditulis sebagai berikut: F = m g
Karena perpindahan benda ke arah vertikal sama dengan ketinggian benda (h), usaha yang dilakukan terhadap benda tersebut sebagai berikut.
W = F s
W = m g h dengan:
W = usaha (J)
m = massa (kg)
g = percepatan gravitasi (N/kg)
h = perpindahan atau ketinggian (m)
Dari persamaan rumus usaha, dapat dikatakan
bahwa usaha yang dilakukan oleh suatu gaya:
a. Berbanding lurus dengan besarnya gaya,
b. Berbanding lurus dengan perpindahan benda,
c. Bergantung pada sudut antara arah gaya dan perpindahan benda.
Jadi, usaha adalah besarnya gaya yang bekerja pada suatu benda sehingga benda tersebut mengalami perpindahan.
a. Berbanding lurus dengan besarnya gaya,
b. Berbanding lurus dengan perpindahan benda,
c. Bergantung pada sudut antara arah gaya dan perpindahan benda.
Jadi, usaha adalah besarnya gaya yang bekerja pada suatu benda sehingga benda tersebut mengalami perpindahan.
2. USAHA OLEH RESULTAN
GAYA TETAP
Usaha yang dilakukan oleh gaya tetap F adalah W = F.s, hal itu setara
dengan luas bidang segi empat yang dinaungi kurva/garis F. Pada grafik tersebut
tampak bahwa W = Luas bidang. Usaha dapat bernilai nol bila salah satu atau
kedua variabelnya yaitu resultan gaya dan perpindahan bernilai nol. Sebagai
contoh , orang yang mendorong almari yang sangat berat, tidak melakukan usaha
bila almari tidak bergeser, sekuat apapun Ia mendorong.Orang yang mendorong
benda yang terlalu berat hingga tidak ada perpindahan benda yang
didorong,dinyatakan bahwa usaha W = 0.
Demikian pula pada orang yang mendorong tembok,karena tidak ada
perpindahan atau s = 0 maka dapat dikatakan bahwa usaha W = 0.Usaha juga dapat
bernilai nol pada kasus benda yang bergerak lurus beraturan (GLB).Misalnya
sebuah kereta ekspres pada rentang waktu tertentu mempertahankan kecepatannya
dengan kelajuan konstan (v = tetap). Walaupun kereta itu berpindah menempuh
jarak tertentu dikatakan tidak melakukan usaha (W =0) karena resltan gaya nol
(∑ F = 0). Usaha juga dapat bernilai nol apabila tidak ada gaya bekerja pada
arah perpindahan. Misalnya, seorang atlet angkat besi yang sedang mengangkat
beban, karena s = 0 maka dikatakan usaha yang dilakukan nol (W = 0).Seorang
pedagang asongan di terminal bus yang berjalan sambil mengangkat barang
dagangan dalam kotak, dikatakan W = 0 , karena walaupun perpindahan kotak
ada,pedagang asongan menjinjing kotak berisi dagangannya, pada arah perpindahan
kotak dinyatakan bahwa usaha W = 0 namun ∑ F yang searah perpindahan kotak
bernilai 0,artinya hanya berlaku gaya berat ke bawah yang tidak memiliki
proyeksi gaya searah perpindahan kotak.
Aplikasi Usaha Dalam
Kehidupan
Mendorong
rumah usaha yang sia-sia. Nilai W = 0 N
Mendorong
mobil mogok, menarik gerobak, memukul orang W ada nilainya.
Katrol
menggunakan keuntungan mekanis (KM)
Usaha yang dilakuakn
oleh gaya tetap ( besar maupun arahnya ) didefenisikan sebagai hasil perkalian
antara perpindahan titik tangkapnya dengan komponen gaya pada arah perpindahan
tersebut.
Contoh :
a. Seseorang
menarik kotak pada bidang datar dengan tali membentuk sudut terhadap
horizontal
b. Gaya F
membentuk sudut terhadap perpindahan
Contoh diatas
menunjukkan gaya tarik pada sebuah benda yang terletak pada bidang horizontal
hingga benda beerpindah sejauh s sepanjang bidang. Jika gaya tarik tersebut
dinyatakan dengan F(contoh(b)) maka gaya F yang membentuk
sudut terhadap arah perpindahan benda. Berapa usaha yang
dilakukan oleh gaya F pada benda?
Vektor gaya F diuraian
menjadi dua komponen yang saling tegak lurus. Salah satu komponen searah dengan
perpindahan benda dan komponen yang lain tegak lurus dengan arah perpindahan
benda. Besar masing-masing komponen adalah F cos dan F
sin .Dalam hal ini yang melakukan usaha adalah :
W = ( F cos )
Contoh
soal :
Seorang anak menarik sebuah kereta
mainan dengan gaya tetap, 40 N.
Tentukan :
a. Besar
usaha yang dilakukan anak itu jika arah gaya yang membentu sudut
37 sejauh 5 m;
b. Besar usaha
yang dilakukan anak itu selama 5 sekon. Jika benda bermassa 8 kg
dan = 0.
Penyelesaian :
Diketahui :
F = 40 N
Ditanya :
W =…?
Jawab :
a. Tan
37 = 0,75 cos 37 = 0,8
W = F.s.cos
= 40.5.cos
37 = 200 x 0,8
= 160 J
b. V0 = 0; m
= 8 kg
t = tAB = 5 s ; = 0
Gaya mendatar sehingga = 0
a = = 40/8 = 5 m/s2
s = v0t + 1/2at2
s = 0 + 1/2 x 5 x 52 = 62,5 m.
W = F s cos
=
40 x 62,5 cos 00 = 2500 J
3. USAHA OLEH RESULTAN
GAYA TIDAK TETAP
Salah satu contoh gaya
tidak konstan adalah gaya pegas. Besar gaya pegas selalu berubah sehingga usaha
yang dilakukan oleh gaya pegas pada suatu benda tidak dapat dihitung
menggunakan rumus usaha yang dilakukan oleh gaya konstan.
Jika pegas diregangkan, semakin panjang pegas, gaya yang diperlukan juga semakin besar.
Jika pegas diregangkan, semakin panjang pegas, gaya yang diperlukan juga semakin besar.
Demikian
juga sebaliknya, semakin ditekan, gaya ketika pegas semakin pendek, gaya yang diperlukan semakin besar. Selama pegas
ditekan atau diregangkan, gaya pegas berubah dari 0 (x = 0) hingga maksimum (F
= k x) maka gaya pegas dihitung menggunakan rata-rata. Besar gaya pegas rata-rata
adalah :
F = ½ (0 + kx) = ½ k x
Usaha yang dilakukan oleh gaya pegas pada suatu benda adalah :
W = F x = ½ k x2
Keterangan : W = usaha (satuan Joule)
x = pertambahan panjang pegas (satuan meter)
F = ½ (0 + kx) = ½ k x
Usaha yang dilakukan oleh gaya pegas pada suatu benda adalah :
W = F x = ½ k x2
Keterangan : W = usaha (satuan Joule)
x = pertambahan panjang pegas (satuan meter)
F = gaya pegas (satuan
Newton)
4. USAHA
YANG BERNILAI NEGATIF
Berdasarkan persamaan
W = F.s cos a , ketika
berada pada rentang 90°
<a <270°, usaha bernilai negatif.
Hal ini disebabkan cos a
bernilai negatif.
5. MENGHITUNG USAHA DENGAN GRAFIK
Usaha
yang dilakukan oleh suatu gaya sama dengan luas
daerah di bawah grafik
gaya terhadap perpindahan.
6. USAHA
YANG DILAKUKAN OLEH GAYA BERAT
Anggap sebuah benda
bermassa m dilepaskan dari ketinggian
h di atas permukaan bumi.
Benda akan jatuh karena pengaruh gaya gravitasi.Besarnya usaha yang dilakukan oleh gaya gravitasi adalah:
Usaha ini positif karena arah gaya dan perpindahan sama-sama
ke bawah.
Sekarang kita lihat kasus di mana benda dinaikkan perlahan – lahan
hingga ketinggian h. Disini arah perpindahan ke atas berlawanandengan arah gaya berat (ke bawah) sehingga usahanya negatif W
= - (m g
h). Ketika benda berpindah secara horizontal gaya gravitasi tidakmelakukan usaha karena arah perpindahan tegak lurus arah gaya.
Berdasarkan ketiga hal tersebut, dapat disimpulkan sebagai berikut :
Jika benda berpindah sejauh h vertikal ke atas, maka besarnya usaha gaya gravitasi adalah W
= - (m g h).
Jika benda berpindah sejauh h vertikal ke bawah, maka besarnyausaha gaya gravitasi adalah
W = m g h.
Jika benda berpindah sejauh
h mendatar, maka besarnya usahagravitasi adalah W
= 0.
7. SATUAN USAHA
Satriawan (2008)
menyatakan bahwa.
Dalam SI satuan gaya adalah newton (N) dan satuan perpindahan adalah meter (m). Sehingga, satuan usaha merupakan hasil perkalian antara satuan gaya dan satuan perpindahan, yaitu newton meter atau joule. Satuan joule dipilih untuk menghormati James Presccott Joule (1816 – 1869), seorang ilmuwan Inggris yang terkenal dalam penelitiannya mengenai konsep panas dan energi.
1 joule = 1 Nm
karena 1 N = 1 Kg . m/s2
maka 1 joule = 1 Kg . m/s2 x 1 m
1 joule = 1 Kg . m2/s2
Untuk usaha yang lebih besar, biasanya digunakan satuan kilo joule (kJ) dan mega joule (MJ).
1 kJ = 1.000 J
1 MJ = 1.000.000 J
Dalam SI satuan gaya adalah newton (N) dan satuan perpindahan adalah meter (m). Sehingga, satuan usaha merupakan hasil perkalian antara satuan gaya dan satuan perpindahan, yaitu newton meter atau joule. Satuan joule dipilih untuk menghormati James Presccott Joule (1816 – 1869), seorang ilmuwan Inggris yang terkenal dalam penelitiannya mengenai konsep panas dan energi.
1 joule = 1 Nm
karena 1 N = 1 Kg . m/s2
maka 1 joule = 1 Kg . m/s2 x 1 m
1 joule = 1 Kg . m2/s2
Untuk usaha yang lebih besar, biasanya digunakan satuan kilo joule (kJ) dan mega joule (MJ).
1 kJ = 1.000 J
1 MJ = 1.000.000 J
B. ENERGI
1. PENGERTIAN ENERGI
Energi memegang peranan
penting dalam kehidupan ini. Energi menyatakan kemampuan untuk melakukan usaha.
Manusia , hewan , atau benda dikatakan mempunyai energy jika mempunyai
kemampuan untuk melakukan usaha.
Energi
memiliki berbagai bentuk, misalnya energy listrik, energy kalor , energy
cahaya, energy potensial, energy nuklir dan energy kimia. Energy dapat berubah
dari satu bentuk ke bentuk lain, misalnya energy listrik dapat berubah ke
energy cahaya atau energy kalor.
2. MACAM – MACAM ENERGI
Energi
Potensial. Energi potensial adalah energi yang dimiliki oleh setiap benda.
Energi
Panas. Energi panas adalah energi yang terdapat pada benda yang menyala atau
terbakar.
Energi
Kimia. Energi kimia adalah energi yang dihasilkan dan disimpan dalam bahan
kimia.
Energi
Mekanik. Energi mekanik adalah energi yang mampu mengerakan benda-benda yang
diam
Energi
Kinetik. Energi kinetik dalah energi yang timbul dari sebuah benda yang
bergerak
Energi
Listrik. Energi yang dihasilkan dari pergerakan ion negatif dan ion positif
dalam suatu benda.
Energi
Cahaya. Energi yang berasal dari sinar atau cahaya suatu benda yang sangat kuat
yang dapat digunakan untuk melakukan usaha atau merubah suatu benda
Energi
Bunyi. Energi bunyi adalah suatu energi yang ditimbulkan oleh suatu bunyi.
Energi
Nuklir. Energi nuklir adalah energi yang muncul akibat reaksi fisi dan reaksi
fusi yang terjadi dalam suatu atom. dll
3. ENERGI KINETIK
Setiap benda bergerak
juga memiliki energy. Angin yang bertiup sanggup memutar kincir, air terjun
sanggup memutar turbin, dan gelombang air laut sanggup menggerakkan turbin.
Selanjutnya, kincir
atau turbin dapat digunakan untuk melakukan usaha, misalnya untuk memutar mesin
atau generator pembangkit tenga listrik. Energy yang dimiliki oleh angin, air
terjun, atau benda-benda yang bergerak disebut energy gerak atau energy
kinetic.
Berapa besarkah energy yang dimiliki benda
bermassa m yang bergerak dengan laju v. Berdasarkan hukum Newton II :
a = F / m
telah diketahui bahwa sebuah benda yang
diam, jika memperoleh percepatan a melalui jarak s,kecepatan akhirnya dapat
dinyatakan dengan persamaan :
v2 = 2as , jika disubtitusikan
dengan hukum Newton II , maka :
Fs = ½ mv2
Ek = Fs
Contoh soal :
Berapa energy kinetik sebuah bola yang
bermassa 2 kg jika bergerak dengan kecepatan 10 m/s?
Penyelesaian :
Diketahui :
m = 2 kg
V
= 10 m/s
Ditanya : Ek = …?
Jawab :
Ek
= ½ mv2 = ½ x 2 x (10)2 = 100 J
4. ENERGI POTENSIAL
Energy potensial
merupakan energy yang dimiliki oleh benda karena keadaan atau kedudukannya.
Adanya energy potensial tersebut disebabkan karena pengaruh gaya konservatif.
Energy yang dimiliki
oleh air danau ataupun benda-benda lain yang kedudukannya lebih tinggi disebut
energy potensial gravitasi.
Energy yang dimiliki
pada pegas, karet, ketapel dan busur panah memiliki tenaga kepegasan disebut
energy potensial gas.
Usaha yang diperlukan F
untuk mengangkat benda(ke atas dinyatakan positif ) sampai ketinggian h adalah;
WF = mgh
Jika gaya F dihilangkan
benda tersebut jatuh kembali ke tanah, usaha yang dilakukan w sebesar : (nilai
negative menyatakan kearah bawah)
Ww =
-mgh
5. HUKUM KEKELAN ENERGI
MEKANIK
Energy mekanik adalah
jumlah energy potensial dan energy kinetic suatu benda, secara matematis,
energy mekanik dirumuskan :
Em = Ep +
Ek
6. HUBUNGAN ANTARA
USAHA DAN ENERGI
Jika suatu gaya
dilakukan pada benda bergerak, sehingga menimbulkan terjadinya perubahan
kecepatan benda tersebut, maka besarnya usaha yang bekerja pada benda akan
memenuhi persamaan berikut.
W = Ek2 – Ek1
= ½ m v22 – ½ m v12
Contoh soal:
Sebuah benda dengan massa 5 kg mengalami
jatuh bebas dari posisi A di atas lantai seperti pada gambar. Jika g = 10 m/,
tentukan:
a. Energi
potensial di titik A
b. Energi
kinetik di titik B
c. Energi
mekanik di titik C
Pemecahan :
Diketahui: m = 5 kg
= 6 m
= 2 m
= 0
g = 10 m/
penyelesaian:
a. E
= mg
= 5.10.6
= 300 j
b. E
= E
E + E = E + E
1. +
EE + mg
300 = E + 5.10.2
300 = E + 100
E = 200j
c. E
= E = E = 300
7. PENERAPAN HUKUM
KEKELAN ENERGI MEKANIK DALAM KEHIDUPAN SEHARI-HARI
a. Ayunan
bandul jam
b. Roller coaster
c. Lompat galah
d. Pisol mainan
BAB
3
PENUTUP
A. SIMPULAN
Usaha merupakan hasil
kali antara gaya yang bekerja dengan perpindahan yang dialami oleh benda.
Satuan usaha dalam SI adalah joule (J).
Energi menyatakan kemampuan untuk melakukan usaha.Energi yang dimiliki oleh benda-benda yang bergerak disebut energi kinetik,sedangkan energi yang dimiliki oleh benda karena kedudukannya disebut energi potensial.
Energi menyatakan kemampuan untuk melakukan usaha.Energi yang dimiliki oleh benda-benda yang bergerak disebut energi kinetik,sedangkan energi yang dimiliki oleh benda karena kedudukannya disebut energi potensial.
B. SARAN
Bagi pembaca disarankan
supaya makalah ini dapat dijadikan sebagai media pembelajaran dalam rangka
peningkatan pemahaman tentang usaha dan energi. Dan bagi penulis-penulis lain
diharapkan agar karya tulis ini dapat dikembangan lebih lanjut guna
menyempurnakan makalah yang telah dibuat sebelumnya.
DAFTAR
PUSTAKA
Subagya
hary dan Taranggano Agus, 2007. Sains Fisika. Jakarta: Bumi Aksara.
