USAHA DAN ENERGI
5.1 Usaha
Dalam fisika, khususnya mekanika, Usaha merupakan sesuatu yang dilakukan oleh gaya
pada sebuah benda, yang menyebabkan benda bergerak. Usaha dikatakan telah dilakukan hanya
jika gaya menyebabkan sebuah benda bergerak. Namun, jika kamu hanya menahan sebuah
benda agar benda tersebut tidak bergerak, itu bukan melakukan usaha., walaupun orang tersebut
telah mengerakan seluruh kekuatannya untuk menahan batu tersebut. Jadi, dalam fisika, usaha
berkaitan dengan gerak sebuah benda.
Untuk memindahkan sebuah benda yang bermassa lebih besar, diperlukan usaha yang
lebih besar pula. Juga, untuk memindahkan suatu benda pada jarak yang lebih jauh, diperlukan
pula usaha yang lebih besar. Dengan berdasarkan pada kenyataan tersebut, Usaha didefinisikan
sebagai hasil kali gaya dan erpindahan yang terjadi. Bila usaha kita simbolkan dengan W, gaya
F, dan perpindahan s, maka
W = F . s ……….. (5.1)
Baik gaya maupun perpindahan merupakan besaran vektor. Sesuai dengan konsep
perkalian titik antara dua buah vektor, maka usaha W merupakan besaran skalar. Bila sudut
yang dibentuk oleh gaya F, dengan perpindahan s adalah 0, maka besaranya usaha dapat
dituliskan sebagai:
W = (F cos ) s
W = F s cos ……….. (5.2)
Dalam sistem satuaan SI, satuan usaha adalah joule, yang dilambangkan dengan huruf J.
Satu joule didefinisikan sebagai besarnya usaha yang dilakukan oleh sebuah gaya 1 newton
yang bekerja searah dengan perpindahan benda, yang menyebabkan perpindahan sejauh 1
meter. Dengan demikian,
1 joule = 1 newton x 1 meter
1 j = N m
Untuk usaha yang lebih besar, biasanya menggunakan satuan kilojoule (kJ) dan megajoule
(MJ).
1 kJ = 1000 J
1 MJ = 1000 000 J
2
http://atophysics.wordpress.com
Menghitung usaha dengan Metode Grafik
Berdasarkan persamaan 5.1, yaitu W = F s, maka usaha dapat kita hitung dengan
menggunakan metode grafik, yaitu bila kita plot grafik F versus s. Gambar 5.2 memperlihatkan
gaya sebesar F0 yang dikerjakan pada benda, menyebabkan benda berpindah sejauh s0 yang
searah dengan gayanya. berdasarkan persamaan 5.1,
W = F0 s0
Dari grafik terlihat bahwa F0 s0 sama dengan luas daerah yang diarsir (diraster). Dengan
demikian, usaha dapat dihitung berdasarkan luas daerah dibawah grafik F versus s.
Usaha oleh Beberapa Gaya
Ketika beberapa gaya berkerja pada suatu benda, berapakah usaha total yang dilakukan
pada benda ini ? Dalam kasus ini, kita dapat menghitung usaha masing-masing gaya secara
individual. Usaha total sama dengan jumlahan dari usaha yang dilakuakn masing-masing gaya.
metode ini benar karena usaha merupakan besaran skalar, sehingga penjualan aljabar biasa
berlaku di sini.
Wtotal = F1 s1 + F2 s2 + F3 s3 + …. + FN sN
= W1 + W2 + W3 + …. + WN
Metode lain yang dapat digunakan untuk menghitung usaha oleh beberapa gaya adalah
dengan mencari resultan dari vektor-vektor gaya yang berkerja. jika resultan vektor-vektor gaya
sama dengan Ftotal, maka usaha total sama dengan
Wtotal = Ftotal s ……….. (5.3)
Usaha Negatif
Gambar 5.3 menunjukan balok B yang didorong oleh tangan A. Sesuai dengan hukum III
Newton, dapat disimpulkan bahwa gaya yang berkerja pada masing-masing benda dalam kasus
ini sama besar tapi berlawan arah, yaitu FAB = - FBA. Tanda negatif menujukan arah yang
berlawanan. Jika usaha oleh tangan pada balok adalah usaha positif, karena searah dengan
perpindahan balok, maka usaha oleh balok pada tangan benilai negatif.
FA pada B = FB pada A ……….. (5.4)
3
http://atophysics.wordpress.com
5.2 Energi
Energi dalam fisika didefinisikan sebagai kemampuan untuk untuk melakauakn usaha.
Berarti, untuk berlari kita memerlukan energi, untuk belajar kita memerlukan energi, dan secara
umum untuk melakukan kegiatan kita memerlukan energi. dari mana kita memperoleh energi
untuk melakukan kegiatan sehari-hari ? Untuk melakukan aktivitas, kita perlu makanan. Dengan
demikian, energi kita dapatkan dari makanan yang kita santap sehari-hari. Sehingga kita akan
meras malas untuk melakukan suatu kegiatan.
bagaimana dengan mesin-mesin yang membantu kerja manusia ? Apakah mesin-mesin ini
memerlukan energi ? Ya, mesin-mesin tersebut memerlukan energi untuk melakuakan usaha.
energi mesin-mesin ini diperoleh dari bahan bakarnya, misalnya m\bensi dan solar. tanpa bahan
bakar ini, mesin tidak akan bisa melakukan usaha.
5.2.1 Energi Potensial
Secara umum, energi potensial adalah energi yang tersimpan dalam sebuah benda atau
dalam suatu kedaan tertentu. Dengan demikian, dalam air terjun terdapat energi potensial, dalam
batu bara terdapat energi potensial, dalam tubuh kita terdapat energi potensial. Energi potensial
karena masih tersimpan, yang tersimpan dalam air yang berada diatas suatu tebing baru
bermanfaat ketika diubah menjadi energi kinetik dalam air terjun. Energi potensial dalam batu
bara baru bermanfaat ketika diubah menjadi energi panas melalui pembakaran. Energi potensial
dalam tubuh kita akan bermanfaat jika kita mengubah menjadi energi gerak yang dilakukan oleh
otot-otot tubuh kita.
Dalam pengertian yang lebih sempit, yakni dalam mekanika, energi potensial adalah
energi yang dimiliki oleh benda karena kedudukan atau keadaan benda tersebut. Contoh energi
potensial gravitasi dan energi potensial elastik. Energi potensial gravitasi dimiliki oleh benda
yang berada di ketinggian tertentu dari permukaan tanah. sedangkan energi potensial elastik
dimiliki oleh, misalnya karet ketapel yang direnggangkan. Energi potensial elastik pada karet
ketapel ini baru bermanfaat ketika regangan tersebut dilepaskan sehingga menyebabkan
berubahnya energi potensial elastik menjadi energi kinetik (kerikil didalam ketapel terlontar).
5.2.2 Energi dan Sumber-Sumbernya
Manusia telah menemukan berbagai sumber energi untuk memenuhi kebutuhan energinya
yang semakin lama semakin meningkat, seiring dengan bertambahnya jumlah penduduk dunia.
Karena terbatasnya sumber energi di Bumi ini, maka kita harus melakukan pelestarian terhadap
sumber-sumber energi tersebut, khususnya sunber-sumber energi yang tidak dapat diperbaharui.
Di samping itu, upaya untuk mencari sunber-sumber baru harus terus dilakukan.
Energi Bahan Bakar Fosil
yang termasuk bahan bakar fosil adalah batu bara, minyak bumi, dan gas alam. Batu bara
yang pada sekitar tahun 1910 merupakan 75% sumber energi utama yang digunakan seluruh
negara, saat ini sudah bukan sunber utama lagi. Hal ini disebabkan batu bara adalah bahan bakar
yang kotor, yang ketika dibakar yang mengahasilkan gas beracun yang dapat mencemari
atmosfer Bumi. Rata-rata, 1 kilo-gram batu bara bisa menghasilkan energi sebesar 2 kWh.
Berapa kira-kira banyaknya batu bara yang dikonsumsi oleh sebuah rumah tangga bila dianggap
sumber energi seluruhnya berasal dari batu bara ?
minyak bumi merupakan bahan bakar yang lebih baik dari batu bara, yaitu lebih murah
untuk menambangnya, dan lebih murah dalam hal pengangkutannya dari lokasi penambangan
ke lokasi pengolahan. Dari segi polusi, minyak bumi lebih sedikit menimbulkan polusi dari pada
yang dilakuakn batu bara. Sampai saat ini, minyak bumi masih termasuk sumber energi utama
kita. Tabel berikut menunjukan persediaan bahan bakar fosil di seluruh dunia.
4
http://atophysics.wordpress.com
Tabel 5.1 Persedian bahan bakar fosil dunia
Bahan bakar fosil Persediaan Kandungan energi
Batu bara
Minyak bumi
Terpentin
Minyak serpih
Gas alam
7,6 x 1012 ton3
2,0 x 1012 barrel
0,3 x 1012 barrel
0,2 x 1012 barrel
1480 x 1012 m3
5,5 x 1015 kWh
3,25 x 1015 kWh
0,51 x 1015 kWh
0,32 x 1015 kWh
2,94 x 1015 kWh
Kira-kira 20% kebutuhan energi kita adalah energi yang diproleh dari energi air, yang
dalam hal ini adalah energi listrik yang dibangkitkan oleh stasiun pembangkit energi
hidrolistrik, stasiun pembangkit energu pasang surut, dan stasiun gelombang air laut.
Prinsip kerja stasiun pembangkit energi hidrolistrik adalah menampung sejumlah besar
air dalam suatu waduk atau bendungan, lalu mengalirkannya dengan kelajuan tetap ke sebuah
turbin yang pada akhirnya akan memutar generator. Generator inilah yang akan menghasilkan
listrik. Contoh embangkit listrik hidrolistrik ini adalah PLTA Jatiluhur, PLTA Cirata dan PLTA
Saguling.
Stasiun pembangkit energi pasang surut memiliki prinsip yang sama dengan stasiun
pembangkit energi hidrolistrik, tetapi dengan memanfaatkan pasang surut air laut alih-alih
menampung air dalam suatu bendungan. Dengan demikian stasiun pembangkit energi pasang
surut berada di laut.
Pada stasiun pembangkit energi gelombang air laut, terjadi perubahan bentuk energi dari
energi kinetik gelombang air laut menjadi energi listrik. tentu kamu masih ingat pada pelajaran
di kelas VIII SMP bahwa gelombang merambat membawa energi. Energi kinetik gelombang air
laut ini digunakan untuk memutar turbin, sehingga generator yang dikopel dengan turbin akan
turut berputar dan menghasilkan listrik.
Energi Cahaya Matahari
Cahaya Matahari merupakan sumber energi yang paling besar dan paling melimpah.
Tanpa cahaya Matahari, kehidupan di muka bumi ini tidak akan bisa berkembang. tanpa kita
minta atau kita usahakan, cahaya Matahari akan selalu memberikan energinya pada kita,
misalnya memanaskan Bumi dan bangunan-bangunan diatasnya. Tanpa sinar Matahari, proses
fotosintesis pada tumbuhan tidak akan berlangsung. jadi, dengan sendirinya Matahari telah
mensuplai kebutuhan energi manusia dalam jumlah yang sangat besar.
Bagaimana kita bisa menangkap energi cahaya Matahari ini dan menggunakannya
sebagai sumber energi yang bisa kita atur kekuatannya ? Karena Matahari hanya bersinar pada
siang hari, maka pada malam hari Matahari praktis tidak memberikan energinya. salah satu alat
yang dipakai untuk menangkap energi cahaya Matahari adalah panel surya. panel surya adalah
adalah sebagai pemanas air. dengan demikian, panel surya tidak menghasilkan listrik. tentu
kamu sering melihat diatas sebuah rumah atau diatas sebuah hotel terdapat panel surya ini.
Alat penagkap energi cahaya Matahari yang bisa menghasilkan listrik adalah sel surya,
yang memanfaatkan konsep efek foto listrik (akan anda pelajari di kelas XIII). sayangnya,
sampai saat ini efesiensi dari sel surya ini masih rendah, yaitu masih dibawah 20%. Namun
demikian, sel surya merupakan sesuatu yang sangat menjanjikan sebagai pembangkit energi
listrik masa depan.
5
http://atophysics.wordpress.com
Energi Angin
Energi angin telah dimanfaatkan oleh bangsa-bangsa di kawasan Timur Tengah sejak
2000 tahun sebelum masehi. tiga ratus kemudian, barulah energi angin ini dimanfaatkan secara
luas di Benua Eropa. Energi angin dimanfaatkan untuk memutar kincir angin, yang pada
akhirnya bisa digunakan untuk memutar turbin sehingga bisa mengahasilkan listrik melalui
generator. Tahukah kamu bahwa para pelut jaman dulu hanya memanfaatkan energi angin untuk
menggerakan kapal layar mereka mengarungi samudra luas ?
pembangkit listrik yang menggunakan kincir yang berdiameter 60 m biasa menghasilkan
daya listrik sekitar 3 MW bila rata-rata kelajuan angin 20m/s. Walaupun tampaknya pembangkit
energi angin ini cukup sederhana, namun ia bisa menghasilkan daya keluaran dengan efesiensi
sampai 60%. Bandingkan dengan efesiensi sel surya hanya 20%.
Energi Nuklir
Energi nuklir adalah energi yang dihasilkan dari reaksi fisi (pembelahan) ataupun reaksi
fusi (pembelahan) inti-inti atom. Pada dasarnya, energi nuklir ini merupakan hasil reaksi
berantai yang bisa dikendalikan, dengan uranium dan plutonium sebagai bahan utamanya.
Walaupun energi yang dihasilkan sangat besar, energi nuklir ini masih menjadi perdebatan
menyangkut faktor keamananny. Energi nuklir dibangkitkan dalam suatu reaktor nuklir, yang
bila sedikit saja reaktor itu mengalami kebocoran, akibatnyanya akan sangat mengerikan bagi
penduduk di sekitar reaktor nuklir tersebut. peristiwa semacam ini pernah terjadi di reaktor
nuklir Chernobyl di Rusia (dulu Uni Soviet) dan reaktor nuklir Bhopal (India).
Bila 1 kg uranium di reaksikan dalam sebuah reaktor nuklir, maka bisa sangat
menakjubkan. Bandingkan dengan nilai kalorik dari 1 kg batu bara yang bisa mengahasilkan
energi sebanyak 29 MJ saja. berarti, 1 kg uranium bisa mengahasilkan lebih dari sejuta yang
dihasilkan oleh 1 kg batu bara.
Energi Geotermal
Sebauah grotermal atau panas bumi dihasilkan dari uap air panas yang keluar (dipompa
keluar) dari dalam Bumi. Sebenarnya, energi geotermal juga bisa dihasilkan dari batuan—
batuan yang membara di dalam Bumi. Prinsip sebuah pembangkit energi geotermal ditujukan
pada gambar 5.9. Dua buah saluran dibuat dengan pengeboran di dalam batuan Bumi. Air
dingin dipompakan ke bawah melalui salah satu saluran ini, sedangkan air yang panas dipompa
ke atas. Daya yang dihasilkan dari stasiun pembangkit energi geotermal ini sekitar 5 MW.
Contoh pembangkit listrik ini terdapat di Kamojang dan Kawasan Dieng.
5.2.3 Energi Potenasial Gravitasi
Sebuah benda yang berada pada ketinggian tertentu terhadap suatu bidang acuan tertentu
memiliki energi potensial. Energi ini, sesuai dengan penyebanya, disebut energi potensial
gravitasi. Artinya, energi ini potensial untuk melakukan usaha dengan cara mengubah
ketinggiannya. Semakin tinggi kedudukan suatu benda dari bidang acuan, semakin besar energi
potensial gravitsi yang dimilikinya.
Untuk membahas seberapa besar energi ini, mari kita simak uraian berikut terlebih
dahulu. sebuah benda bermassa 1 kg yang diam diatas lantai diangkat sampai pada ketinggian
1m diatas lantai. Lantai dianggap sebagai bidang acuan. kita tahu bahwa gaya yang diperlukan
untuk melakukan usaha ini, yaitu mengangkat benda ini, sama dengan gaya yang diperlukan
untuk melawan gaya gravitsi yang berkerja pada benda (gaya berat). besarnya berat tersebut
dapat kita tuliskan sebagai F = mg, dimana m adalah massa benda, dan g adalah percepatan
gravitsi Bumi. jika ketinggian benda sama dengan h, besarnya usaha yang dilakukan untuk
mengangkat benda bermassa m setinggi h adalah.
W = F h
= m g h
6
http://atophysics.wordpress.com
Kembali pada benda bermassa 1 kg yang diangkat setinggi 1 m, maka besar usaha yang
telah dilakukan adalah
W = (1kg) (9,8 m/s2) (1m)
W = 9,8 J
Dengan demikian, pada ketinggian 1m di atas, benda tersebut memiliki energi potensial
gravitasi, yaitu kemampuan untuk malakukan usaha (misalnya menjatuhkan diri) sebesar 9,8 J.
Dari uraian di atas, kita dapat merumuskan secara umum persamaan untuk menghitung
energi potensial (EP).
EP = berat x ketinggian
EP= m g h ……….. (5.5)
Dalam rumus ini, h adalah perubahan ketinggian diukur dari bidang acuan. Gambar 5.10
menjelaskan apa yang terjadi ketika sebuah buku yang diangkat dari lantai keatas meja. usaha
yang dilakuakan pada buku tidak bergantung pada lintasan yang dipilih untuk mengangkat
buku. Gaya yang diperlukan untuk mengangkat buku merupakan gaya yang diperlukan untuk
melawan gaya berat, yang arahnya selalu kebawah.
Energi potensial gravitasi yang dimiliki oleh suatu benda yang tergantung pada bidang
acuan dimana ketinggian benda diukur, sehingga energi potensial gravitasi bisa bernilai positif
maupun negatif. Pada gambar 5.11, permukaan o kita pilih sebagai bidang acuan. Energi
potensial gravitasi yang dimiliki m pada posisi T sama dengan usaha yang dilakukan untuk
mengangkat benda dari bidang acuan O ke ketinggian h. Dengan demikian besar energi
potensial gravitasi di T sama dengan mgh1, yang berarti nilainya positif. Jika benda m
dikembalikan pada posisi T ke O, benda akan melepaskan energinya sebesar yang diterimanya
ketika diangkat ke ketinggian h1. Ketika benda digerakan dari O ke posisi B pada ketinggian h2,
usaha yang diperlukan adalah mg (h2). Berarti, energi potensial gravitasi bernilai negatif. untuk
mengaembalikan benda ke bidang acuan, yaitu dari B ke O, usaha harus dilakukan sejumlah
ketika benda dibawa ke bidang B.
Kita bebas memilih bidang acuan mana yang kita pakai dalam menentukan besarnya
energi potensial gravitasi, karena perbedaan ketinggian akan tetap sama, sehingga perubahan
energi potensial gravitasinya pun tetap sama.
5.2.4 Energi Potensial Elastik Pegas
Ketika kita merentangkan sebuah pegas, misanya yang digunakan untuk melatih otot
lengan, kita harus melakukan suatu kerja dengan mengerahkan suatu usaha. Pada bagian
terdahulu kita pelajari bahwa usaha sama dengan luas daerah dibawah grafik gaya (F) versus
perpindahan (x). Kita akan menghitung besar usaha yang dilakukan pada pegas ini dengan
grafik pada gambar 5.12.
7
http://atophysics.wordpress.com
Berdasarkan gambar tersebut kita dapat menghitung luas daerah yang diarsir, yaitu
W =
2
1
x tinggi x alas
=
2
1
F x
Dengan demikian, besarnya usaha yang dilakukan untuk menarik pegas sejauh x dengan gaya
sebesar F adalah
W =
2
1
F x
Sesuai dengan hukum Hooke, F = k x, persamaan untuk menghitung usaha diatas daapat
dilakukan sebagai
W =
2
1
k x2 ……….. (5.6a)
Seluruh usaha yang dilakukan oleh beban (atau oleh tangan kita) ini akhirnya
disimpan menjadi energi potensial elastik pegas, karena dalam peristiwa ini tidak terjadi
perubahan energi kinetika pegas. Dengan demikian, sebuah pegas yang memiliki konstanta gaya
k dan terentang sejauh x dari keadaan setimbanganya memiliki energi potensial elastik sebesar
EP.
EP =
2
1
k x2 ……….. (5.6b)
5.2.5 Energi Kinetik
Dari hukum I Newton, disebutkan bahwa benda memiliki sifat inersia kelembaman atau
kemalasan. Besar kecilnya inersia benda ini diukur dalam besaran massa. Jika kita melakukan
usaha pada benda untuk melawan gaya gravitasi, ketinggian benda berubah (energi potensial
gravitasi berubah). Ketika kita melawan gaya gesekan, suhu benda berubah (perubahan energi
panas). Jadi selalu ada yang berubah ketika kita melakukan usaha. Untuk perubahan yang
pertama, yaitu usaha menyebabkan kelajuan benda berubah, kita mengatakan telah terjadi
perebahan energi gerak benda. ini disebut sebagai energi kinetik benda.
ketika sebuah benda bergerak, pada dasarnya telah terjadi perubahan keadaan, yaitu dari
keadaan diam ke keadaan bergerak. Dengan demikian, dengan energi potensial gravitasi, kita
anggap energi kinetik banda yang diam sebagai acuan untuk mengukur besar energi kinetik
benda yang bergerak dengan kelajuan v. karena sebagai acuan, maka kita tentukan bahwa besar
energi kinetik benda yang diam sama dengan nol.
Bagaiman besar kecilnya energi kinetik benda ini? Pertama, akan kita amati pengaruh
massa benda terhadap besar kecilnya energi kinetik benda. Jatuhkan sebuah benda bermassa m1
(misalnya sebuah bola yang terbuat dari besi) dari ketinggian tertentu pada tanah yang lembek,
yang memungkinkan benda benda tersebut menimbulkan bekas pada tempat jatuhnya.
kemudian, ulangi lagi percobaan ini dengan benda lain bermassa m1 (misalnya bola dari
pelastik).
Kita mengetahui bahwa kedua benda akan jatuh ke tanah dalam waktu yang sama, yang
berarti kelajuan kedua benda adalah sama di setiap titik dalam lintasannya. Ternyata, bekas
ditanah yang ditimbulkan oleh kedua benda berbeda. Benda yang massanya besar membuat
8
http://atophysics.wordpress.com
bekas yang lebih besar dan dalam, sedangkan benda yang massanya lebih kecil hanya
menimbulkan sedikit bekas pada tanah. Ini menunjukan bahwa benda yang massanya besar
melakuakan usaha yang lebih besar, sedangkan benda yang massanya lebih ringan melakukan
usaha yang lebih kecil pula. Artinya, ketika tepat sebelum menyentuh tanah, benda yang
massanya besar memiliki energi kinetik yang lebih besar dibandingkan benda yang massanya
lebih ringan. kesimpulannya, semakin besar massanya, semakin besar pula energi kinetiknya.
kesimpulan ini hanya berlaku untuk dua benda yang memiliki kelajuan yang sama.
Selamat datang di blog Dionic watashi...
Kamis, 01 Desember 2011
Label:
dionic
Saya Dibivation manik.saya anak ke-3 dari 4 bersaudara.saya sering bermimpi untuk bisa menjadi orang yang membanggakan orang-orang yang saya kasihi.terkhusus orang tua saya. Tujuan saya membuat blog ini hanyalah sekedar tempat saya berekspresi.Serta saya ingin membantu teman-teman yang sedang mencari artikel tentang studynya terlebih dalam bidang Pendidikan Teknik Mesin..untuk itu saya mohon doa dan dukungannya agar tujuan saya ini dapat tercapai dan teman semuapun berbahagia..
sekian dari saya.
Langganan:
Posting Komentar (Atom)
Tidak ada komentar:
Posting Komentar