Usaha dan Energi Mekanik

Pengertian Usaha

Usaha adalah kemampuan untuk melakukan kerja. Simbol usaha adalah W merupakan kata awal dari kata Work yang berarti kerja (English->Indonesia). Sebuah mesin untuk bekerja / menyala membutuhkan energi , oleh karena itu usaha dan energi saling berhubungan. Maka untuk melakukan usaha yang besar membutuhkan juga energi yang besar sebagai contoh :

• Usaha untuk menyalakan kipas angin di rumah (5-60 watt) hanya membutuhkan daya listrik yang relatif kecil dibandingkan untuk menggerakan mesin gergaji listrik yang memiliki daya 200 watt lebih.
• Usaha untuk memindahkan meja membutuhkan energi yang relatif kecil dibandingkan memindahkan kontainer barang.
• Usaha manusia untuk mengangkut astronot ke bulan membutuhkan energi yang sangat besar dibandingkan hanya pergi dari desa ke kota.

Pada sistim mekanik, sebuah benda dapat melakukan usaha (W) yaitu berpindah tempat sejauh (S), karena adanya gaya (F) yang bekerja atau ada energi mekanik, seperti pada gambar dibawah ini:

Usaha untuk memindahkan benda dari posisi awal ke posisi akhir dengan gaya yang sejajar permukaan bidang, secara fisika dirumuskan :

W = F.S

Namun pada praktiknya arah gaya tidak selalu sejajar permukaan bidang, seperti pada gambar dibawah ini:

Gaya yang bekerja pada benda membentu sudut (Ɵ) sehingga persamaan umum usaha yang dilakukan sebuah gaya :

W = F.S.cosƟ

Saat gaya, F sejajar dengan permukaan bidang Ɵ = 0, nilai cos 0 = 1, maka usaha yang dilakukan gaya pada benda akan maksimal, dan usaha akan berkurang jika gaya membentuk sudut lebih besar dari nol,
Ɵ > 0.

Contoh berapakah usaha dari gambar berikut ini dengan berbagai sudut gaya:

Usaha pada saat gaya (F1) sejajar dengan arah gerak, sudut  Ɵ = 0, nilai cos 0 = 1 maka usaha yang dilakukan benda :

      W = F1.S.cosƟ
      W = 10.10.cos 0
      W = 100.1
      W = 100 Joule.

Usaha pada saat gaya (F2) membentuk sudut terhadap arah gerak, sudut  Ɵ = 60, nilai cos 60 = 1/2 maka usaha yang dilakukan benda :

     W = F2.S.cosƟ

     W = 10.10.cos 60
     W = 100.1/2
     W = 50 Joule.

Hukum Kekekalan Energi Mekanik

Energi mekanik adalah energi yang dimiliki oleh suatu benda karena gerakannya atau posisinya. Oleh karena itu energi mekanik dibagi menjadi dua :

1. Energi kinetik adalah energi yang dimiliki benda karena bergerak atau kecepatan benda, v > 0. Contoh orang berlari, mobil berjalan dan bumi mengelilingi matahari memiliki energi kinetik karena benda bergerak atau kecepatan lebih besar dari nol, v > 0.

 

2. Energi potensial  adalah energi yang dimiliki oleh suatu benda karena posisi atau ketinggiannya dari permukaan bumi, h > 0. Contoh buah kelapa pada pohonnya, bola basket melambung ke udara, burung terbang memiliki energi potensial karena benda memiliki ketinggian terhadap permukaan bumi.

 

Secara fisika energi mekanik benda adalah jumlah dari energi kinetik benda dan potensial benda yang dirumuskan sebagai berikut :

 

Energi kinetik dan potensial saling berkaitan, karena energi kinetik dapat berubah menjadi energi potensial dan energi potensial dapat berubah menjadi energi kinetik, namun pada keadaan ideal, tidak ada gaya luar misalnya gaya gesek maka berlaku hukum kekekalan energi mekanik, jumlah energi mekanik benda adalah tetap, yaitu jumlah energi mekanik pada suatu posisi akan sama dengan energi mekanik pada posisi lainnya, atau dirumuskan :
 

 

Secara lengkapnya hukum kekekalan energi mekanik untuk 2 posisi benda dirumuskan:

 

Seperti pada gambar di bawah ini pada setiap posisi energi mekanik adalah tetap, namun energi potensial makin berkurang ketika benda mendekati permukaan bumi karena energi potensial tergantung ketinggian benda berkurang, sedangkan energi kinetik semangkin bertambah ketika kecepatan bertambah.

Ketika benda makin mendekati permukaan bumi energi potensial semangkin berkurang dan dirubah menjadi energi kinetik, pada posisi 4 yaitu sesaat sebelum benda menyentuh bumi h = 0 maka energi potensial nol dan kecepatan benda maksimal maka energi kinetik maksimal. Sebagai contoh perhitungan perhatikan tabel berikut :

Posisi    Benda	Energi    Potensial (J)	Energi      Kinetik (J)	Energi     Mekanik (J)
1	100	0	100
2	70	30	100
3	40	60	100
4	0	100	100