BAB
1
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Beberapa masalah terkadang lebih
sulit dari apa yang terlihat. Metode sederhana yang pernah kita pelajari tidak
cukup untuk manghitung lajunya. Jangan takut, masih ada metode-metode lainnya
untuk menyelesaikan soal-soal tersebut.
Metode baru yang sebentar lagi akan kita lihat menggunakan ide kerja dan
energi. Kita akan menggunakan konsep energi untuk mempelajari rentang fenomena
fisik yang sangat luas. Kita akan mengembangkan konsep kerja dan energi kinetik
untuk memahami konsep umum mengenai energi dan kita akan melihat bagaimana
kekekalan energi muncul.
1.2 Rumusan Masalah
1. Apa yang dimaksud dengan usaha
?
2. Apa yang dimaksud dengan energi ?
1.3 Tujuan
Makalah ini dimaksudkan untuk
dapat membantu meningkatkan pemahaman mengenai konsep usaha dan energi sehingga
akan memungkinkan kita dapat menyelesaikan soal-soal sebelumnya yang tidak
dapat diselesaikan dengan mekanika.
1.4
Manfaat
1. Membantu siswa lebih kreatif
2. Memahami pola pikir ilmiah
3. Memberikan siswa pengetahuan
baru
4. Memperbaiki nilai pelajaran
Bahasa Indonesia
BAB 2
isi
Pengertian usaha dan energi
1. 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:
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).
2. Energi
A.
Pengertian Energi
Setiap saat manusia memerlukan
energi yang sangat besar untuk menjalankan kegiatannya sehari-hari, baik untuk
kegiatan jasmani maupun kegiatan rohani. Kamu membutuhkan berjuta-juta kalori
setiap harinya untuk melakukan kegiatan dalam kehidupan sehari-hari. Oleh
karena itu, disarankan setiap pagi sebelum berangkat sekolah, kamu harus makan
terlebih dahulu. Dengan demikian, tubuhmu cukup energi untuk melakukan kegiatan
di sekolah dan untuk menjaga kesehatanmu.
Ketika kamu sakit dan nafsu
makanmu hilang, tubuhmu akan lemas karena energi dalam tubuhmu berkurang.
Menurutmu, apakah energi itu? Berdasarkan jawabanmu, kemampuan untuk melakukan
sesuatu itulah yang disebut energi. Sesuatu itu dikatakan sebagai kerja atau
usaha. Jadi, energi adalah kemampuan untuk melakukan kerja atau usaha. Satuan
energi dalam Sistem Internasional (SI) adalah joule (J). Satuan energi dalam
sistem yang lain adalah kalori, erg, dan kWh (kilo watt hours). Kesetaraan
joule dengan kalor adalah sebagai berikut. 1 kalori = 4,2 joule atau 1 joule =
0,24 kalori.
B. Bentuk-Bentuk Energi
Energi yang paling besar adalah
energi matahari. Tuhan telah menciptakan Matahari khusus untuk kesejahteraan
umat manusia. Jarak Matahari ke Bumi yang telah diatur pada jarak 149.600 juta
kilometer memungkinkan energi panas yang diterima manusia di Bumi tidak
membahayakan. Energi panas dari sinar matahari sangat bermanfaat bagi Bumi dan
dapat menghasilkan energi-energi yang lain di muka Bumi ini. Caranya adalah
dengan mengubah energi matahari menjadi energi yang lain, seperti energi kimia,
energi listrik, energi bunyi, dan energi gerak. Berikut merupakan bentuk-bentuk
energi :
1. Energi Kimia
Energi kimia adalah energi yang
tersimpan dalam persenyawaan kimia. Makanan banyak mengandung energi kimia yang
sangat bermanfaat bagi tubuh manusia. Energi kimia pun terkandung dalam bahan
minyak bumi yang sangat bermanfaat untuk bahan bakar. Baik energi kimia dalam
makanan maupun energi kimia dalam minyak bumi berasal dari energi matahari. Energi
cahaya matahari sangat diperlukan untuk proses fotosintesis pada tumbuhan
sehingga mengandung energi kimia. Tumbuhan dimakan oleh manusia dan hewan
sehingga mereka akan memiliki energi tersebut. Tumbuhan dan hewan yang mati
milyaran tahun yang lalu menghasilkan minyak bumi. Energi kimia dalam minyak
bumi sangat bermanfaat untuk menggerakkan kendaraan, alat-alat pabrik, ataupun
kegiatan memasak.
2. Energi Listrik
Energi listrik merupakan salah
satu bentuk energi yang paling banyak digunakan. Energi ini dipindahkan dalam
bentuk aliran muatan listrik melalui kawat logam konduktor yang disebut arus
listrik. Energi listrik dapat diubah menjadi bentuk energi yang lain seperti
energi gerak, energi cahaya, energi panas, atau energi bunyi. Sebaliknya,
energi listrik dapat berupa hasil perubahan energi yang lain, misalnya dari
energi matahari, energi gerak, energi potensial air, energi kimia gas alam, dan
energi uap.
3.
Energi Panas
Sumber energi panas yang sangat
besar berasal dari Matahari. Sinar matahari dengan panasnya yang tepat dapat
membantu manusia dan makhluk hidup lainnya. Untuk hidup dan berkembang biak.
Energi panas pun merupakan hasil perubahan energi yang lain, seperti dari
energi listrik, energi gerak, dan energi kimia. Energi panas dimanfaatkan untuk
membantu manusia melakukan usaha seperti menyetrika pakaian, memasak, dan
mendidihkan air.
4. Energi Mekanik
Ketika kamu memerhatikan sebuah
mangga yang bergantung di pohonnya, mungkin kamu mengharapkan buah mangga tersebut
jatuh dari pohonnya. Mengapa buah mangga itu dapat jatuh dari pohonnya? Untuk
melakukan kerja supaya dapat jatuh dari pohonnya, buah mangga harus memiliki
energi. Energi apakah itu? Ketika buah mangga jatuh, dia bergerak ke bawah
sampai mencapai tanah. Energi apakah yang terkandung ketika buah mangga
bergerak jatuh?
Dari peristiwa tersebut terdapat
dua buah jenis energi yang saling memengaruhi, yaitu energi yang diakibatkan
oleh ketinggian dan energi karena benda bergerak. Energi akibat perbedaan
ketinggian disebut energi potensial gravitasi, sedangkan energi gerak disebut
energi kinetik (energi gerak). Energi mekanik merupakan penjumlahan dari energi
potensial dan energi kinetik.
Secara matematis persamaan energi mekanik
dapat dituliskan sebagai berikut.
Em = Ep + Ek
dengan:
Em = energi mekanik (J)
Ep = energi potensial (J)
Ek = energi kinetik (J)
A.
Energi Potensial
Telah kamu ketahui bahwa energi
potensial gravitasi adalah energi akibat perbedaan ketinggian. Apakah energi
ini diakibatkan oleh ketinggian saja? Buah kelapa yang bergantung di pohonnya
menyimpan suatu energi yang disebut energi potensial. Energi potensial yang
dimiliki buah kelapa diakibatkan oleh adanya gaya tarik bumi sehingga jatuhnya
selalu menuju ke pusat Bumi.
Energi potensial akibat gravitasi
Bumi disebut energi potensial gravitasi. Energi potensial gravitasi pun bisa
diakibatkan oleh tarikan benda-benda lain seperti tarikan antarplanet. Adapun
energi potensial yang dimiliki suatu benda akibat pegas atau karet yang kamu
regangkan disebut energi potensial pegas.
Energi potensial gravitasi
dimiliki oleh benda yang berada pada ketinggian tertentu dari permukaan bumi.
Energi potensial pegas muncul akibat adanya perbedaan kedudukan dari titik
kesetimbangannya. Titik kesetimbangan adalah titik keadaan awal sebelum benda
ditarik. Besarnya energi potensial gravitasi sebanding dengan ketinggian (h)
dan massa benda (m). Ep h dan Ep m. Selain kedua besaran itu, energi potensial
gravitasi dipengaruhi oleh percepatan gravitasi (g) sehingga dapat dibuat
persamaan energi potensial gravitasi sebagai berikut.
Ep = mgh
dengan:
Ep = energi potensial (J)
m = massa benda (kg)
g = konstanta gravitasi (m/s2)
h = ketinggian (m)
B. Energi Kinetik
Suatu ketika, ada seorang pelaut
malang yang terdampar di pulau kecil. Dia berpikir hanya dengan tiga cara dia
dapat mencari bantuan. Pertama, dia dapat menerbangkan layang-layang dan
berharap ada kapal yang melihat layang-layang tersebut. Kedua, dia menyimpan
pesan dalam botol dan membiarkannya mengapung di atas air sampai ada orang yang
menemukannya. Ketiga, dia membuat rakit untuk mencoba pergi dari pulau itu.
Gagasan pelaut itu bergantung pada
satu jenis energi yang bekerja, yaitu energi akibat gerakan angin yang akan
membuat layangan dapat mengapung, botol dapat bergerak dibawa ombak, dan rakit
dapat melaju. Sesuatu yang bergerak, misalnya angin dan air, memiliki kemampuan
yang dapat digunakan untuk menarik atau mendorong sesuatu.
Energi yang dimiliki oleh benda
yang bergerak disebut energi kinetik. Kamu pun memiliki energi kinetik apabila
bergerak. Ketika kamu menaiki sepeda dengan laju yang besar, tiba-tiba
dihadapanmu terdapat batu besar yang menghalangi jalan. Tanpa ragu-ragu, kamu
akan segera mengerem sepedamu. Sesaat badanmu terhentak sampai akhirnya
berhenti. Hentakan yang kamu rasakan pada saat mengerem sepedamu itu disebut
energi kinetik. Jika kamu mengajak temanmu menaiki sepeda tersebut, tentu kamu
akan lebih keras lagi mengerem sepedamu. Oleh karena massa orang yang menaiki
sepeda lebih besar dari sebelumnya, dapat diambil kesimpulan bahwa energi
kinetik bergantung pada massa benda dan kecepatan benda tersebut. Secara
matematis, energi kinetik suatu benda dapat ditulis sebagai berikut:
Ek
= ½ mv
dengan:
Ek = energi kinetik (J)
m = massa (kg)
v = kecepatan (m/s)
C.
Perubahan Bentuk-Bentuk Energi
Energi tidak dapat diciptakan dan
juga tidak dapat dimusnahkan, tetapi hanya dapat diubah dari satu bentuk ke
bentuk yang lain. Pada umumnya, manfaat energi akan terlihat setelah berubah bentuk
menjadi energi yang lain.
Matahari sebagai sumber energi
terbesar yang diciptakan Tuhan telah mengalami beberapa perubahan bentuk energi
yang sangat bermanfaat bagi kehidupan umat manusia. Misalnya, energi panas dan
energi cahaya matahari menyinari tumbuhan sehingga tumbuhan dapat melakukan
fotosintesis. Dengan demikian, tumbuhan memiliki energi kimia. Tumbuhan dimakan
manusia atau hewan sehingga manusia atau tumbuhan memiliki energi untuk
melakukan usaha.
Energi dapat diubah dari satu
bentuk energi ke bentuk energi yang lain. Energi kimia yang terkandung dalam
batu baterai dapat mengalirkan muatan listrik jika dihubungkan dengan kabel.
Jika aliran listrik tersebut melalui sebuah lampu, lampu akan menyala dan lama
kelamaan lampu menjadi panas. Pada peristiwa tersebut, telah terjadi beberapa
perubahan energi, antara lain energi kimia, energi listrik, energi cahaya, dan
energi panas. Ketika kedua telapak tanganmu digosok-gosokkan, lama-kelamaan
telapak tanganmu akan terasa panas. Hal ini menunjukkan bahwa pada telapak
tanganmu telah terjadi perubahan energi dari energi gerak menjadi energi panas.
D.
Hukum Kekekalan Energi
Berasal dari manakah energi yang
kamu gunakan untuk melakukan kegiatan sehari-hari? Berubah menjadi energi apakah yang telah kamu
gunakan tersebut? Apakah manusia dapat membuat mesin yang dapat melakukan kerja
terus menerus tanpa menggunakan bahan bakar? Pertanyaan-pertanyaan tersebut
merupakan beberapa pertanyaan yang berhubungan dengan energi yang mungkin
sering kamu tanyakan pada dirimu sendiri.
Energi gerak (Ek) tersebut
ternyata berubah menjadi energi potensial gravitasi (Ep) sampai akhirnya
mencapai maksimum. Begitu pula sebaliknya, energi potensial gravitasi semakin
kecil ketika bola tersebut bergerak ke bawah. Adapun energi geraknya semakin
besar dan mencapai maksimum ketika sampai di lantai, tetapi energi potensial
gravitasinya menjadi nol ketika sampai di lantai. Setelah diam di lantai, semua
energi mekanik benda habis. Tahukah kamu, kemana perginya? Apakah yang dapat
kamu simpulkan? Adakah energi yang hilang?
Kegiatan tersebut menunjukkan
bahwa energi bersifat kekal. Energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat
dimusnahkan, tetapi dapat diubah dari satu bentuk energi menjadi bentuk energi
yang lain. Pernyataan tersebut dikenal dengan Hukum Kekekalan Energi. Telah
kamu ketahui bahwa energi mekanik merupakan penjumlahan dari energi potensial
dan energi kinetik:
Em
= Ep + Ek
Apabila benda selama bergerak naik dan
turun hanya dipengaruhi oleh gaya gravitasi, besar energi mekanik selalu tetap.
Dengan kata lain, jumlah energi potensial dan energi kinetik selalu tetap.
Pernyataan itu disebut Hukum Kekekalan Energi Mekanik.
3.Hubungan Antara Usaha dan
Energi
Kamu
sudah mengetahui bahwa energi adalah kemampuan melakukan usaha. Definisi
tersebut menunjukkan bahwa usaha memiliki kaitan yang erat dengan energi.
Ketika gayamu berusaha mendorong
mobil sehingga bergerak, berarti telah terjadi perubahan energi dari energi
yang dikeluarkan olehmu menjadi energi gerak. Jadi, dapat disimpulkan bahwa
ketika gaya melakukan usaha pada sebuah benda maka akan terjadi perubahan
energi pada benda tersebut. Usaha yang dilakukan pada sebuah benda yang
bergerak horisontal menyebabkan perubahan energi kinetik. Dengan demikian,
besarnya usaha sama dengan perubahan energi kinetik benda. Secara matematis
ditulis sebagai berikut.
W = Δ Ek
W = Ek2 – Ek1 dengan:
W = usaha (J)
Ek = perubahan energi kinetik (J)
Ek1 = energi kinetik awal (J)
Ek2 = energi kinetik akhir (J)
Ketika kamu mengangkat sebuah
balok, kamu akan memberikan gaya dorong terhadap balok.
Pada
saat ke atas, berlaku:
Wtangan = Ftangan . s = m g h
Saat ke bawah:
Wgravitasi = Fgravitasi . s = –m g h
Usaha yang dilakukan oleh gaya gravitasi bumi (benda yang bergerak vertikal)
sama dengan perubahan energi potensial gravitasi. Secara matematis ditulis
sebagai berikut.
W = Δ Ep
W = Ep2 – Ep1
W = m g (h2 – h1) dengan:
W = usaha (J)
ΔEp = perubahan energi potensial (J)
Ep1 = energi potensial awal (J)
Ep2 = energi potensial akhir (J).
4. Contoh Soal Usaha Dan
Energi
Contoh
Soal 1.1
Sebuah
mobil bermassa 2000 kg bergerak dengan kelajuan 10 m/s pada arah mendatar.
Tiba-tiba pengemudi mengurangi kelajuan mobil menjadi 5 m/s. Usaha yang
dilakukan pengemudi pada mobil adalah…
Pembahasan
Diketahui :
Massa mobil (m) = 2000 kg
Kelajuan awal (vo) = 10 m/s
Kelajuan akhir (vt) = 5 m/s
Ditanya : usaha total= ?
Jawab :
Usaha total :

Usaha
total adalah 75.000 Joule.
Contoh 1.2
2.
Benda bermassa 10 kg pada mulanya bergerak dengan kelajuan 5 m/s. Sesaat
kemudian benda itu bergerak dengan kelajuan 10 m/s. Tentukan usaha total yang
dikerjakan pada benda tersebut ?
Pembahasan
Diketahui :
Massa benda (m) = 10 kg
Kelajuan awal (vo) = 5 m/s
Kelajuan
akhir (vt) = 10 m/s
Ditanya :
usaha total = ?
Jawab :
Usaha total :

Usaha
total adalah 375 Joule
BAB
3
PENUTUP
3.1 Kesimpulan
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.
Daya adalah laju usaha yang dilakukan atau besar usaha persatuan waktu. Satuan
daya dalam SI adalah watt (W)
3.2 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 makalah ini dapat dikembangan lebih
lanjut guna menyempurnakan makalah yang telah dibuat sebelumnya.
DAFTAR PUSTAKA
1.
http://gurumuda.net/contoh-soal-energi-kinetik-dan-usaha-fisika.html
2.
http://bulanberkata.blogspot.com/2010/01/makalah-fisika-usaha-dan-energi.html
3.
http://macam-macamrumusfisika.blogspot.com/p/usaha-dan-energi.html