Usaha dan Energi Beserta Contoh Soal
Usaha
Usaha adalah besarnya energi untuk merubah posisi yang diberikan gaya pada benda atau objek. Usaha yang dilakukan suatu objek didefinisikan sebagai perkalian antara jarak yang ditempuh dengan gaya yang searah dengan perpindahannya.
Agar kamu mampu memahami materi Usaha dan Energi dengan baik, kamu harus memahami terlebih dahulu materi:
Gaya Gravitasi
Usaha dinotasikan dengan W yang merupakan singkatan bahasa Inggris dari Work yang berarti kerja. Satuan usaha adalah Joule yang didefinisikan sebagai besarnya energi yang dibutuhkan untuk memberi gaya sebesar satu Newton sejauh satu meter. Oleh sebab itu, 1 Joule sama dengan 1 Newton meter (N.m).
Rumus Usaha dinotasikan dengan:
Dimana,
= Usaha yang dilakukan (Joule)
= Gaya yang diberikan (N)
= jarak perpindahan objek (m)
Agar kamu dapat memahami konsep Usaha dengan baik, perhatikan gambar lintasan Usaha dan komponennya di bawah ini.
[Sumber: Douglas C. Giancoli, 2005]
Jika gaya yang diberikan pada objek membentuk sudut maka persamaannya menjadi:
Dimana,
= sudut yang dibentuk gaya terhadap perpindahan.
Nilai usaha dapat berupa positif atau negatif tergantung arah gaya terhadap perpindahannya. Jika gaya yang diberikan pada objek berlawanan arah dengan perpindahannya, maka usaha yang diberikan bernilai negatif. Jika gaya yang diberikan searah dengan perpindahan, maka objek tersebut melakukan usaha positif.
Usaha juga dapat bernilai nol (0) atau objek tidak melakukan usaha jika,
Diberikan gaya namun tidak terjadi perpindahan.
Gaya yang diberikan tegak lurus dengan perpindahan (
)
)
Energi
Energi merupakan salah satu konsep paling penting dalam ilmu pengetahuan. Energi tidak dapat didefinisikan secara ringkas saja. Akan tetapi pada materi kali ini karena energi berhubungan dengan usaha, maka energi dapat didefinisikan sebagai kemampuan untuk melakukan usaha.
Energi Kinetik
Energi Kinetik adalah energi gerak, energi yang dimiliki benda atau objek karena geraknya. Energi kinetik berasal dari kata Yunani kinetikos yang artinya bergerak. Jadi, kamu pasti tahu kan kalau setiap benda yang bergerak maka benda tersebut memiliki energi kinetik.
Rumus Energi Kinetik dinotasikan dengan:
Dimana,
= Energi Kinetik benda (Joule)
= massa benda (kg)
= kecepatan benda (m/s2)
Usaha merupakan besarnya energi. Pada konteks ini, usaha merupakan perubahan energi. Hubungan usaha dengan Energi Kinetik dinotasikan dengan:
Dimana,
= Usaha yang dilakukan benda (Joule) = perubahan Energi Kinetik (Joule)
= perubahan kecepatan (m/s2)
Energi Potensial
Saat benda bergerak, dapat dikatakan benda memiliki energi kinetik. Akan tetapi, benda juga kemungkinan memiliki Energi Potensial. Energi Potensial adalah energi yang dimiliki benda karena posisinya atau bentuk maupun susunannya. Salah satu contoh energi potensial adalah energi potensial gravitasi atau selanjutnya kita sebut Energi Potensial. Energi Potensial disebabkan adanya gaya gravitasi. Suatu benda memiliki energi potensial yang besar jika massanya semakin besar dan ketinggiannya semakin tinggi.
Rumus Energi Potensial dinotasikan dengan:
Dimana,
= Energi Potensial benda (Joule)
= kecepatan gravitasi (9,8 m/s2)
= ketinggian benda (m)
Hubungan usaha dengan Energi Potensial dinotasikan dengan:
Dimana,
= perubahan ketinggian (m)
Energi Mekanik
Energi Mekanik merupakan bentuk energi yang berkaitan dengan gerak. Nah, kedua tipe energi diatas yakni Energi Kinetik dan Energi Potensial merupakan bagian dari Energi Mekanik.
Persamaan Energi Mekanik dinotasikan dengan:
Energi Mekanik yang dimiliki suatu benda nilainya selalu konstan/tetap pada setiap titik lintasan benda, inilah yang disebut sebagai Hukum Kekekalan Energi. Energi tidak dapat diciptakan ataupun dimusnahkan, energi hanya dapat berubah bentuk dari satu bentuk ke bentuk lainnya. Maka persamaan Hukum kekekalan energi dinotasikan dengan:
Dimana,
= Energi Mekanik benda (Joule)
= energi mekanik di posisi 1
= energi mekanik di posisi 2
Contoh Soal Usaha dan Energi
Kotak bermassa M dengan bagian atas terbuka bergerak sepanjang bidang datar tanpa gesekan dengan kecepatan v1. Benda dengan massa M dijatuhkan dari atas dan masuk ke dalam kotak, sementara kotak tetap bergerak dengan laju v2. Beberapa saat kemudian, benda dengan massa M dijatuhkan dari atas dan masuk ke dalam kotak dan kotak terus bergerak dengan kecepatan v3. Dari kasus ini, pernyataan yang BENAR adalah …. (Fisika Simak UI 2013)
(1) v2 = vi
(2) v2 = vi
(3) v3 = vi
(4) v3 = v2
SOLUSI:
Dalam penyelesaian ini menggunakan prinsip hukum kekekalan energi [∆E= 0]. Karena kotak tidak mengalami perpindahan ketinggian, maka tidak ada gaya potensial yang terjadi sehingga perubahan energi yang terjadi hanya energi kinetik.
Diketahui,
m1 = M.
m2 = 5/4M.
m3 = 2M.
Kita cari semua komponen yang ditanyakan dengan menggunakan Persamaan Hukum Kekekalan Energi:
((1) BENAR dan (2) SALAH)
((4) SALAH)
((3) BENAR)
Jawaban: B
(B) Jika (1) dan (3) yang benar