Energi, Usaha dan Daya

ENERGI , USAHA DAN DAYA A. Energi • Energi adalah kemampuan untuk melakukan usaha (kerja). Dalam kehidupan sehari-hari, energi sering dinamakan tenaga. Ada beberapa macam bentuk energi, diantaranya: ~ Energi listrik, energi yang dihasilkan dari batere atau generator ~Energi kalor, energi yang ditimbulkan oleh gerak partikel-partikel penyusun benda ~Energi kimia, energi yang terkandung didalam makanan atau minyak bumi ~Energi bunyi, energi yang dihasilkan oleh benda yang bergetar ~Energi cahaya, energi yang dihasilkan oleh sumber cahaya ~Energi potensial, energi yang dimiliki oleh benda yang diam karena kedudukannya. ~Energi kinetic, energi yang dimiliki oleh benda yang bergerak ~Energi mekanik, energi yang dimiliki oleh benda karena gerak dan kedudukannya • “Energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan, hanya dapat dirubah-rubah bentuknya, dari satu bentuk ke bentuk lainnya” ( Hukum Kekekalan Energi). • Contoh perubahan bentuk energi: ~Televisi yang dinyalakan dengan listrik PLN, terjadi perubahan bentuk energi dari: Energi listrik berubah menjadi energi cahaya dan bunyi ~Radio yang dinyalakan dengan batere, terjadi perubahan bentuk energi dari: Energi kimia menjadi energi listrik kemudian berubah menjadi energi bunyi ~Orang yang berolah raga, terjadi perubahan bentuk energi dari: Energi kimia berubah menjadi energi kinetic kemudian berubah menjadi energi kalor ~Anak panah yang lepas dari busurnya, terjadi perubahan bentuk energi dari: Energi potensial menjadi energi kinetic Sampai saat ini sumber energi dimanfaatkan oleh manusia dalam jumlah yang besar untuk memenuhi kebutuhan hidup manusia sehari-hari. Sumber energi yang dimanfaatkan itu berasal dari fosil. Sumber energi yang berasal dari fosil ini jumlahnya sangat terbatas, sehingga jika dipergunakan terus menerus dalam jumlah yang banyak, maka lama kelamaan akan habis. Untuk itu maka kita harus dapat menghemat penggunaan sumber energi yang berasal dari fosil (minyak bumi) dan terus mengadakan penelitian untuk mencari alternative penggunaan energi lainnya yang tidak akan habis jika dipergunakan. Beberapa energi yang tidak akan habis jika dipergunakan diantaranya; energi cahaya matahari, energi angin dan energi air. • Energi Potensial Energi potensial adalah energi yang dimiliki oleh benda yang diam karena kedudukannya (potensinya). Energi porensial yang dimiliki oleh suatu benda ditentukan oleh massa benda, percepatan gravitasi dan ketinggian atau jarak benda permukaan tanah. Jika dituliskan secara rumusan, energi potensial sebagai berikut: Ep = m x g x h Keterangan: Ep = Energi potensial satuannya Joule m = massa satuannya Kg g = percepatan gravitasi satuannya m/s² atau N/Kg h = ketinggian satuannya m Contoh persoalan: Sebutir kelapa yang massanya 3 Kg berada diatas pohon yang tingginya 8 meter. Jika percepatan gravitasi bumi 10 m/s², berapakah energi potensial yang dimiliki buah kelapa diatas pohon tersebut? Diketahui: m = 3 Kg h = 8 m g = 10 m/s² Ditanyakan: Ep? Jawab : Ep = m x g x h = 3 Kg x 10 m/s² x 8 m = 240 Joule Jadi energi potensial yang dimiliki buah kelapa sebesar 240 Joule • Energi Kinetik Energi kinetic adalah energi yang dimiliki oleh benda yang bergerak. Setiap benda yang bergerak memiliki kecepatan, sehingga energi kinetic pada suatu benda ditentukan oleh massa benda dan kecepatan benda tersebut bergerak. Jika dituliskan secara rumusan, energi kinetic sebagai berikut: Ek = ½ x m x v² Keterangan: Ek = energi kinetic satuannya Joule m = massa satuannya Kg v = kecepatan satuannya m/s Contoh persoalan: Sebutir kelapa yang massanya 3 Kg lepas dari tangkainya dan bergerak jatuh dengan kecepatan 2 m/s. Berapakah energi kinetic yang dimiliki buah kelapa itu? Diketahui : m = 3 Kg V = 2 m/s Ditanyakan : Ek? Jawab: Ek = ½ x m x v² = ½ x 3 Kg x 2² m/s = ½ x 3 Kg x 4 m/s = ½ x 12 Kgm/s = 6 Joule Jadi energi kinetic yang dimiliki buah kelapa sebesar 6 Joule • Energi Mekanik Energi mekanik adalah gabungan energi potensial dan energi kinetic yang dimiliki oleh suatu benda. Jika dituliskan secara rumusan, energi mekanik sebagai berikut: Em = Ep + Ek Keterangan: Em = energi mekanik satuannya joule Ep = energi potensial satuannya Joule Ek = energi kinetic satuannya Joule Contoh persoalan: Sebutir kelapa yang jatuh dari atas pohon memiliki energi potensial sebesar 240 Joule dan energi kinetic sebesar 6 Joule. Berapakah energi mekanik yang dimiliki buah kelapa itu? Diketahui : Ep = 240 J Ek = 6 J Ditanyakan: Em? Jawab : Em = Ep + Ek = 240 J + 6 J = 246 J Jadi energi mekanik yang dimiliki buah kelapa itu sebesar 246 Joule B. Usaha Usaha atau kerja didalam fisika adalah gaya yang bekerja pada suatu benda sehingga bendanya berpindah. Jika bendanya berpindah, maka akan ada jarak perpindahan, sehingga usaha dapat dirumuskan sebagai berikut: W = F x S Keterangan: W = usaha satuannya Joule F = gaya satuannya Newton S = jarak satuannya meter Contoh persoalan: (1) Adun mendorong meja dengan gaya sebesar 50 N dan meja bergerak atau bergeser sejauh 2 meter . Berapakah usaha Adun mendorong meja tersebut? Diketahui : F = 50 N S = 2 m Ditanyakan: W? Jawab: W = F x S = 50 N x 2 m = 100 Joule Jadi usaha Adun sebesar 100 Joule Contoh persoalan: (2) Adun dan Badru mendorong gerobak dengan arah yang berlawanan. Adun mendorong kekanan dengan gaya 60 N, sedangkan Badru mendorong kekiri dengan gaya 35 N. Jika gerobak terdorong sejauh 5 meter kearah Badru, berapakah besar usaha kedua orang tersebut? Diketahui : F₁ (Adun) = 60 N F₂ (Badru) = -35 N S = 5 m Ditanyakan : W? Jawab : ΣF = F₁ + F₂ = 60 N + (-35 N) = 15 N W = ΣF x S = 15 N x 5 m = 75 Joule Jadi usaha kedua orang tersebut sebesar 75 Joule C. Daya Daya adalah besarnya usaha yang dilakukan tiap waktu atau besarnya energi yang dikeluarkan tiap waktu. Jika dituliskan rumusannya sebagai berikut: P = W/t Keterangan: P = daya satuannya J/s atau Watt W= usaha atau energi satuannya Joule t = waktu satuannya second Contoh persoalan: (1) Kardun mendorong mobil dengan gaya 200 N selama 5 menit. Jika mobil tersebut bergerak sejauh 15 meter, berapakah daya Kardun mendorong mobil tersebut? Diketahui : F = 200 N t = 5 menit = 300 secon S = 15 m Ditanyakan : P? W F x S 200 N x 15 m Jawab : P = = = = 10 Watt t t 300 s Jadi daya Kardun sebesar 10 Watt Contoh persoalan: (2) Mesin A melakukan usaha 200 Joule dalam waktu 10 secon, sedangkan mesin B melakuklan usaha 50 Joule dalam waktu 2 secon. Mesin manakah yang memiliki daya lebih besar? Diketahui : WA = 200 J t A = 10 s WB = 50 J t B = 2 s Ditanyakan : daya mesin yang lebih besar? Jawab : Mesin A: PA = WA/tA = 200 J/10 s = 20 Watt Mesin B: PB = WB/tB = 50 J/ 2 s = 25 Watt Jadi, daya mesin B lebih besar dari pada mesin A

Gaya dan Hukum Newton

GAYA DAN HUKUM NEWTON

A.   Pengertian Gaya

Gaya adalah dorongan atau tarikan yang bekerja pada suatu benda dan menyebabkan benda berubah. Perubahan benda yang disebabkan oleh gaya diantaranya:

a.       Benda yang diam menjadi bergerak

b.      Benda yang sedang bergerak berubah kecepatannya (bertambah cepat atau menjadi lambat)

c.       Benda yang sedang bergerak berubah arahnya

d.      Benda yang lunak berubah bentuknya

Ada 2 jenis gaya yaitu;

1.       Gaya sentuh. Yaitu tarikan atau dorongan yang terjadi akibat sentuhan. Beberapa gaya sentuh diantaranya;

a.       Gaya otot, gaya ini dihasilkan oleh otot manusia atau hewan. Contohnya, jika kita mendorong meja, maka meja bergerak oleh gaya otot

b.      Gaya gesek, gaya ini dihasilkan oleh dua benda yang bergesekan. Contohnya, mobil begerak  dijalan karena adanya gesekan antara ban dengan jalan

c.       Gaya pegas, gaya yang dihasilkan oleh pegas atau per. Contohnya, gerak batu yang dilepas dari ketapel.

2.       Gaya tak sentuh. Yaitu tarikan atau dorongan yang terjadi tanpa adanya sentuhan. Beberapa gaya tak sentuh diantaranya;

a.       Gaya listrik, gaya ini dihasilkan oleh benda yang bermuatan listrik. Contohnya, sobekan kertas-kertas kecil yang tertarik oleh penggaris yang telah digosok-gosokkan pada rambut

b.      Gaya magnet, gaya yang dihasilkan oleh magnet. Contohnya, paku yang tertarik oleh magnet

c.       Gaya gravitasi bumi, gaya yang dihasilkan oleh tarikan bumi. Contohnya, buah yang jatuh dari atas pohon.

B.    Resultante Gaya (Penjumlahan Gaya)

Gaya termasuk kedalam besaran vector artinya gaya merupakan besaran yang memiliki nilai, satuan dan arah. Karena gaya memiliki arah, maka gaya dilukiskan dengan menggunakan tanda panah yang dinamakan diagram vector. Satuan gaya dalam system International  yaitu Newton, sedangkan dalam system cgs yaitu dyne. 1 Newton = 10⁵ dyne

Alat untuk mengukur gaya adalah neraca pegas atau dynamometer.

·      Penjumlahan gaya segaris dan searah

                                                                                                                             

                                   F1                                                                F2

F1= 3 Newton ke kanan          F2= 5 Newton ke kanan

 

                                                                                                        R = 8 N

Jika ke dua gaya diatas dijumlahkan, maka resultan gayanya adalah:

 ΣF(R)= F1 + F2

       R = 3 N + 5 N

       R = 8 N ke kanan

·         Penjumlahan gaya segaris dan berlawanan arah

 

                                                    F1                            F2

                           F1= 3 Newton ke kanan           F2 = 5 Newton ke kiri

 

                                                                      R = 2 N

Jika ke dua gaya diatas dijumlahkan, maka resultan gayanya adalah:

ΣF (R) = F1 + F2

       R = 3 N + ( - 5 N)

     R = 2 Newton ke kiri

·         Penjumlahan gaya yang tidak segaris

F1                                                   R

                                                                       

 

                                                F2

Jika F1 = 3 N dan F2 = 4 N, maka resultan gayanya adalah:

R = √F₁ ²+ F₂²

R = √3² + 4²

R = √9 + 16

R = √25

R = 5 Newton

Jika dua buah gaya yang sama besarnya bekerja segaris dan berlawanan arah pada sebuah benda, maka benda tersebut akan diam sebab resultan kedua gaya tersebut nol (0). Keadaan ini disebut kesetimbangan (seimbang).

Keterangan:

·         Panjang anak panah melukiskan besarnya gaya

·         Arah anak panah merupakan arah gaya ( jika kekanan bernilai positif dan jika kekiri bernilai negative)

·         Pangkal anak panah merupakan titik tangkap (titik nol)

C.    Menganalisis Gaya Gesekan

Gaya gesek adalah gaya yang dihasilkan dari dua permukaan benda yang bersentuhan/bergesekan. Gaya gesekan selalu memiliki arah yang berlawanan dengan arah gerak bendanya ( jika arah gaya gesek kebelakang, maka arah gerak bendanya kedepan).

Kekasaran atau kehalusan (licin) permukaan benda akan mempengaruhi besar kecilnya gaya gesek yang dihasilkan. Semakin kasar permukaan benda yang bersentuhan semakin besar pula gaya geseknya, sebaliknya semakin halus (licin) permukaan benda yang bersentuhan semakin kecil gaya gesek yang dihasilkannya. Dalam kehidupan sehari-hari, gaya gesek besar dapat menguntungkan, juga merugikan. Begitu pula gaya gesek kecil dapat menguntungkan atau merugikan. Perhatikan beberapa kejadian gaya gesek yang menguntungkan dan merugikan!

·      Kita dapat berjalan dengan mudah (nyaman) jika berjalan dijalanan yang kasar, karena adanya gaya gesek yang besar antara permukaan kaki dan permukaan jalanan. Dalam hal ini maka gaya gesek besar menguntungkan.

·      Rante dan gir kendaraan bermotor selalu diberi oli (pelumas) agar gesekan antara rante dan gir tidak terlalu besar. Jika gesekan besar maka rante dan gir akan cepat aus sehingga perlu cepat diganti. Dalam hal ini maka gaya gesek kecil menguntungkan.

·      Kapal laut ujung-ujungnya dibuat lancip agar gesekan permukaan kapal dan air laut menjadi kecil sehingga kapal dapat melaju dengan cepat . Dalam hal ini maka gaya gesek kecil menguntungkan.

·      Jika kita akan memindahkan lemari yang berat, maka kita akan memasangkan bantalan yang bulat dibawah lemari dengan tujuan agar gaya gesek antara permukaan lemari dan permukaan lantai menjadi kecil, sehingga lemari mudah untuk digerakkan.  Dalam hal ini maka gaya gesek kecil menguntungkan.

·      Pada system rem kendaraan. Kanvas/karet rem dan cakram roda kendaraan harus memiliki gaya gesek yang besar untuk dapat menghentikan laju kendaraan. Dalam hal ini maka gaya gesek besar menguntungkan.

D.   Gaya Berat

Sehari-hari kita sering menyebut kata berat. Berat merupakan salah satu bentuk gaya ,sehingga ada yang menyebutkan gaya berat. Gaya berat adalah massa benda yang dipengaruhi oleh  gravitasi.

                                                                                Keterangan:

                                                                                W = berat                                            satuannya Newton

                                W = m x g                            m = massa                                           satuannya Kg

                                                                                g  = percepatan gravitasi               satuannya m/s²(N/Kg)

Besar percepatan gravitasi di setiap tempat dipermukaan bumi ini tidak sama. Tetapi jika dirata-ratakan, maka besar percepatan gravitasi bumi adalah 9,8 m/s² atau 9,8 N/Kg.

Contoh:

 Massa sebuah benda dibumi 5 Kg. Jika percepatan gravitasi bumi 9,8 N/Kg dan percepatan gravitasi bulan 1,6 N/Kg. Berapakah berat benda di bumi dan berat benda dibulan?

Diketahui:                    m = 5 Kg

                          g   = 9,8 N/Kg (bumi)

                          g   = 1,6 N/Kg (bulan)

Ditanyakan:

a.       W di bumi?

b.      W di bulan?

Jawab:

a.       W di bumi = m x g (bumi)

                     = 5 Kg x 9,8 N/Kg

                     = 49 N

b.      W di bulan = m x g (bulan)

                     = 5 Kg x 1,6 N/Kg

                     = 8 N

Jadi berat benda di bumi 49 N, sedangkan berat benda di bulan 8 N

E.    Hukum Newton

Sir Isaac Newton (1687), ilmuwan fisika berkebangsaan Inggris berhasil menemukan hubungan gaya dengan gerak. Dari hasil pengamatan dan percobaannya, Newton merumuskan tiga hukum mengenai gaya dan gerak yang dikenal dengan Hukum I Newton, Hukum II Newton Dan Hukum III Newton.

·      Hukum I Newton

Hukum I Newton disebut juga dengan hukum kelembaman, artinya sifat benda dalam mempertahankan keadaannya.

             Bunyi Hukum I Newton “ Sebuah benda tetap dalam keadaan diam atau terus bergerak dengan kelajuan tetap, kecuali jika ada gaya luar yang bekerja pada benda tersebut dan memaksa untuk merubah keadaannya”

Jadi apabila ΣF = 0, maka :

1.       Benda dalam keadaan diam akan tetap diam atau

2.       Benda dalam keadaan bergerak akan tetap bergerak lurus beraturan.

Contoh peristiwa dalam kehidupan sehari-hari yang berhubungan dengan hukum I Newton yaitu Ketika kita berdiri diatas bus dan saat bus dijalankan, kita terdorong kebelakang, dan saat bus tiba-tiba di rem, maka kita terdorong kedepan. Hal ini dikarenakan pada saat bus dijalankan tubuh kita cenderung mempertahankan keadaan diam, sehingga terdorong kebelakang. Ketika bus sedang berjalan, tubuh kita pun ikut bergerak. Saat di rem tubuh kita terdorong kedepan, sebab tubuh kita cenderung mempertahankan keadaan geraknya.

·      Hukum II Newton

Hukum II Newton berbunyi “ Percepatan yang ditimbulkan oleh resultan gaya yang bekerja pada suatu benda besarnya berbanding lurus dan searah dengan gaya itu dan berbanding terbalik dengan massa bendanya”.

         Σ  F

a =                                  Keterangan :      a     = percepatan, dalam satuan m/s²

                  m                                                           Σ F = resultan gaya, dalam satuan Newton

                                                                            m   = massa, dalam satuan Kg

Contoh :

                     

                Sebuah mobil yang massanya 1000 Kg bergerak dijalan raya. Total gaya gesekan ban mobil dengan jalan 500 N. Jika mesin mobil menghasilkan gaya 11.500 N, berapakah percepatan  mobil bergerak?

Diketahui:     m = 1000 Kg

                                          f   = 500 N

                                          F  = 11.500 N

Ditanyakan: a?

                                         

Jawab:

                    ΣF = F – f

                         = 11.500 N – 500 N

                         = 11.000 N

                         

                              ΣF              11.000 N

                    a =                =                            = 11 N/Kg

                             m               1.000 Kg

Jadi percepatan mobil bergerak sebesar 11 N/Kg

·      Hukum III Newton             

Hukum III Newton disebut juga hukum aksi reaksi. Hukum III Newton berbunyi:

“ Jika kita memberi gaya (gaya aksi) pada suatu benda, maka benda itupun akan memberi gaya (gaya reaksi) kepada kita dengan besar gaya yang sama dan berlawanan arah.

F(aksi) = -  F (reaksi)

Contoh peristiwa sehari-hari yang berhubungan dengan Hukum III Newton Yaitu pada saat kita berenang, kaki kita menendang (mendorong) air kebelakang (memberi gaya aksi) dan air mendorong badan kita kedepan (gaya reaksi).