Usaha dan Energi – Fisika Kelas 11 – Pengertian, Hubungan, dan Contoh Soal

Usaha dan Energi - Fisika Kelas 11

Usaha adalah energi yang disalurkan supaya berhasil menggerakkan atau menggeser benda dengan gaya tertentu. Energi adalah kemampuan untuk melakukan usaha. Artiklel ini akan membahas lebih lanjut tentang pengertian usaha, pengertian energi, hubungan energi dan usaha, daya, juga contoh soal. Yuk, simak pembahasannya!

Hai Quipperian, bagaimana kabarnya? Semoga selalu sehat dan tetap semangat, ya! Pernahkah Quipperian mendorong meja lalu meja tersebut tetap diam atau tidak bergerak? Jika sudah demikian, pasti Quipperian akan meminta bantuan orang lain kan untuk mendorong meja tersebut? 

Nah, saat Quipperian mendorong meja lalu mejanya diam, itu artinya usaha yang Quipperian berikan hanya sia-sia karena si meja tidak berpindah tempat. Meskipun sia-sia, Quipperian tetap membutuhkan energi, lho. Apakah bisa usaha bernilai sia-sia? Lalu, apa hubungannya dengan energi? Daripada penasaran, simak terus Quipper Blog, ya. Pada artikel kali ini, Quipper Blog akan membahas tentang usaha dan energi. Check this out!

Pengertian Usaha

Usaha merupakan energi yang disalurkan sehingga berhasil menggerakkan suatu benda dengan gaya tertentu. Secara matematis, usaha bisa dinyatakan sebagai hasil perkalian skalar antara gaya dan perpindahan, sehingga dirumuskan sebagai berikut.

 

Keterangan:

W = usaha (Joule);

F = gaya (N); dan

s = perpindahan (m).

Meskipun besaran skalar, usaha ternyata dibagi menjadi dua, yaitu usaha positif dan negatif. Usaha positif adalah usaha yang searah dengan perpindahan benda, sedangkan usaha negatif adalah usaha yang berlawanan arah dengan perpindahan benda. Usaha tidak selamanya dilakukan pada bidang datar, tetapi juga bisa pada bidang miring. Berikut ulasannya.

1. Usaha pada bidang datar

Gambar di atas menunjukkan bahwa ada suatu gaya yang dibutuhkan untuk menarik benda sampai pindah sejauh s. Jika gaya tersebut membentuk sudut θ terhadap perpindahan, perumusannya menjadi seperti berikut.

2. Usaha pada bidang miring

Jika usaha yang dilakukan benda berada di atas bidang miring, Quipperian harus mampu menguraikan komponen gaya-gayanya, seperti gambar berikut.

Secara matematis, dirumuskan sebagai berikut.

Pengertian Energi

Energi adalah kemampuan untuk melakukan usaha. Quipperian harus tahu bahwa energi ini sifatnya kekal. Artinya, energi tidak dapat musnah, tetapi hanya bisa berubah bentuk dari energi satu ke energi lainnya. Adapun macam-macam energi adalah sebagai berikut.

1. Energi kinetik

Energi kinetik adalah energi yang dimiliki oleh benda yang bergerak. Benda bergerak memiliki energi kinetik karena adanya kecepatan. Secara matematis, dirumuskan sebagai berikut.

 

Keterangan:

Ek = energi kinetik (Joule);

m = massa (kg); dan

v = kecepatan (m/s).

2. Energi potensial

Energi potensial adalah energi yang dimiliki benda karena ketinggiannya. Secara matematis, energi potensial dirumuskan sebagai berikut.

 

Keterangan:

Ep = energi potensial (Joule);

m = massa (kg);

g = percepatan gravitasi (m/s2); dan

h = ketinggian benda (m).

3. Energi potensial pegas

Energi potensial pegas adalah energi potensial saat pegas diregangkan atau dimampatkan. Secara matematis, energi potensial pegas dirumuskan sebagai berikut.

 

Keterangan:

Ep = energi potensial pegas (Joule);

k = konstanta pegas (N/m); dan

x = perubahan panjang pegas (m).

4. Energi mekanik

Energi mekanik adalah energi hasil penjumlahan antara energi potensial dan energi kinetik. Besarnya energi benda selalu tetap selama tidak ada gaya luar yang bekerja pada benda tersebut. Secara matematis, energi mekanik dirumuskan sebagai berikut.

 

Keterangan:

Em = energi mekanik (Joule);

Ep = energi potensial (Joule); dan

Ek = energi kinetik (Joule).

Hubungan antara Usaha dan Energi

Usaha merupakan perubahan energi yang terjadi pada suatu benda, baik perubahan energi kinetik maupun energi potensial. Secara matematis, hubungan antara usaha dan energi dirumuskan sebagai berikut.

Daya

Tentu Quipperian pernah mendengar istilah daya, kan? Memangnya daya itu apa sih? Apa hubungan antara daya dan usaha serta energi?

Daya adalah kecepatan untuk melakukan usaha. Istilah lain daya adalah usaha yang dilakukan setiap sekon. Secara matematis, daya dirumuskan sebagai berikut.

Keterangan:

P = daya (Watt);

t = waktu (s);

F = gaya (N);

s = perpindahan (m); dan

v = kecepatan (m/s).

Itulah pembahasan Quipper Blog kali ini tentang usaha dan energi. Quipperian tak perlu khawatir karena selanjutnya akan diberikan contoh soal terkait usaha dan energi. Check this out!

Contoh Soal 1

Sebuah benda meluncur di atas papan kasar sejauh 7 m. Jika benda mendapatkan gesekan dengan papan sebesar 120 N, tentukan besarnya usaha yang dilakukan gaya gesek tersebut!

Diketahui:

fg = 120 N

s = 7 m

Ditanya: W =…?

Pembahasan:

Oleh karena gaya gesek berlawanan dengan perpindahan benda, maka usaha yang dilakukan bernilai negatif. Secara matematis, dirumuskan sebagai berikut.

Jadi, besarnya usaha yang dilakukan oleh gaya gesek tersebut adalah 840 J.

Contoh Soal 2

Sebuah benda bermassa  5 kg jatuh bebas dari ketinggian 2 m di hamparan pasir. Jika benda masuk sedalam 2 cm ke dalam pasir sebelum berhenti, tentukan gaya gesek yang dilakukan pasir terhadap benda!

Diketahui:

m = 5 kg

h = 2 m

s = 2 cm = 0,02 m

Ditanya: fg =…?

Pembahasan:

Permasalahan pada soal dapat digambarkan sebagai berikut.

Usaha oleh gaya gesek sama dengan perubahan energi potensial benda, sehingga berlaku persamaan berikut.


Ingat bahwa arah gaya gesek berlawanan dengan arah perpindahan benda, sehingga usaha bernilai negatif.

Oleh karena ketinggian akhir benda sama dengan 0, maka:

Jadi, besar gaya gesek yang dilakukan pasir terhadap benda adalah 5.000 N.

Contoh Soal 3

Air terjun setinggi 20 m dengan debit 50 m3/s dimanfaatkan untuk menggerakkan turbin PLTA. Jika 25% energi air dapat diubah menjadi energi listrik dan massa jenis air 1.000 kg/m3, tentukan daya keluaran generatornya!

Diketahui:

h = 20 m

Q = 50 m3/s

g = 10 m/s2

ρ = 1.000 kg/m3

Ditanya: P =…?

Pembahasan:

Seperti Quipperian ketahui bahwa usaha merupakan perubahan energi potensial, sehingga berlaku persamaan berikut.

Jadi, daya keluaran generatornya adalah 2.500 kW.

Itulah contoh soal tentang usaha dan energi. Sekarang sudah paham kan, bagaimana suatu usaha itu dikatakan sia-sia? Pembahasan lebih lengkap tentang usaha dan energi ini bisa Quipperian lihat di Quipper Video. Bersama Quipper Video, belajar jadi lebih mudah dan menyenangkan. Tunggu apa lagi, grab it fast!

Penulis: Eka Viandari



Konsultasi langsung dengan tutor di Quipper Video Masterclass. DISKON, kode promo: CERMAT Daftar Sekarang