FISIKA

Usaha (Kerja) Dan Energi

Jika sebuah benda menempuh jarak sejauh Sakibat gaya F yang bekerja pada benda tersebut maka dikatakan gaya itu melakukanusaha, dimana arah gaya F harus sejajar dengan arah jarak tempuh S.
USAHA adalah hasil kali (dot product) antara gaya den jarak yang ditempuh.
W = F S = |F| |S| cos q
q = sudut antara F dan arah gerak
Satuan usaha/energi : 1 Nm = 1 Joule = 10 7 erg
Dimensi usaha energi: 1W] = [El = ML2T-2
Kemampuan untuk melakukan usaha menimbulkan suatu ENERGI (TENAGA).
Energi dan usaha merupakan besaran skalar.
Beberapa jenis energi di antaranya adalah:
1. ENERGI KINETIK (E k )
E k trans = 1/2 m v 2
E k rot = 1/2 I w 2
m = massa
v = kecepatan
I = momen inersia
w = kecepatan sudut
2. ENERGI POTENSIAL (E p )
E p = m g h
h = tinggi benda terhadap tanah
3. ENERGI MEKANIK (E M )
E M = E k + E p
N ilai E M selalu tetap/sama pada setiap titik di dalam lintasan suatu benda.
Pemecahan soal fisika, khususnya dalam mekanika, pada umumnya didasarkan pada HUKUM KEKEKALAN ENERGI, yaitu energi selalutetap tetapi bentuknya bisa berubah; artinya jika ada bentuk energi yang hilang harus adaenergi bentuk lain yang timbul, yang besarnya sama dengan energi yang hilang tersebut.
E k + E p = E M = tetap
E k1 + E p1 = E k2 + E p2
PRINSIP USAHA-ENERGI
Jika pada peninjauan suatu soal, terjadi perubahan kecepatan akibat gaya yang bekerja pada benda sepanjang jarak yang ditempuhnya, maka prinsip usaha-energi berperan penting dalam penyelesaian soaltersebut
W tot = D Ek ® S F.S = E k akhir - E k awal
W tot = jumlah aljabar dari usaha oleh masing-masing gaya
= W 1 + W 2 + W 3 + .......
D E k = perubahan energi kinetik = E k akhir - E k awal
ENERGI POTENSIAL PEGAS (E p )
E p = 1/2 k D x 2 = 1/2 F p D x
F p = - k D x
D x = regangan pegas
k = konstanta pegas
F p = gaya pegas
Tanda minus (-) menyatakan bahwa arah gaya F p berlawanan arah dengan arah regangan x.
2 buah pegas dengan konstanta K 1 dan K 2 disusun secara seri dan paralel:
seri paralel
1 = 1 + 1
K tot K 1 K 2 K tot = K 1 + K 2
Note: Energi potensial tergantung tinggi benda dari permukaan bumi. Bila jarak benda jauh lebih kecil dari jari-jari bumi, maka permukaan bumi sebagai acuan pengukuran. Bila jarak benda jauh lebih besar atau sama dengan jari-jari bumi, make pusat bumi sebagai acuan.
Contoh:
1. Sebuah palu bermassa 2 kg berkecepatan 20 m/det. menghantam sebuah paku, sehingga paku itu masuk sedalam 5 cm ke dalam kayu. Berapa besar gaya tahanan yangdisebabkan kayu ?
Jawab:
Karena paku mengalami perubahan kecepatan gerak sampai berhenti di dalam kayu, make kita gunakan prinsip Usaha-Energi:
F. S = E k akhir - E k awal
F . 0.05 = 0 - 1/2 . 2(20) 2
F = - 400 / 0.05 = -8000 N
(Tanda (-) menyatakan bahwa arah gaya tahanan kayu melawan arah gerak paku ).
2. Benda 3 kg bergerak dengan kecepatan awal 10 m/s pada sebuah bidang datar kasar. Gaya sebesar 20 Ö 5 N bekerja pada benda itu searah dengan geraknya dan membentuk sudut dengan bidang datar (tg a = 0.5), sehingga benda mendapat tambahan energi 150 joule selama menempuh jarak 4m.
Hitunglah koefisien gesek bidang datar tersebut ?
Jawab:
Uraikan gaya yang bekerja pada benda:
F x = F cos a = 20 Ö 5 = 40 N
F y = F sin a = 20 Ö 5 . 1 Ö 5 = 20 N
S F y = 0 (benda tidak bergerak pada arah y)
F y + N = w ® N = 30 - 20 = 10 N
Gunakan prinsip Usaha-Energi
S F x . S = E k
(40 - f) 4 = 150 ® f = 2.5 N
3. Sebuah pegas agar bertambah panjang sebesar 0.25 m membutuhkan gaya sebesar 18 Newton. Tentukan konstanta pegas dan energi potensial pegas !
Jawab:
Dari rumus gaya pegas kita dapat menghitung konstanta pegas:
F p = - k D x ® k = F p / D x = 18/0.25 = 72 N/m
Energi potensial pegas:
E p = 1/2 k ( D x) 2 = 1/2 . 72 (0.25) 2 = 2.25 Joule