Usaha dan Perubahan Energi

Usaha dan Perubahan Energi – Usaha dan Perubahan Energi dan perubahan energi memiliki hubungan yang sangat erat tidak bisa dipisahkan satu dengan lainnya. Untuk memahami Usaha dan Perubahan Energi yang merupakan materi Fisika SMA Kelas XI, perhatikan ilustrasi berikut ini.

Usaha dan Perubahan Energi

Ada seseorang berjalan pada jalan yang menanjak, mungkin kalian pernah juga melakukannya. Setelah naik yang cukup jauh ternyata perut dapat menjadi lapar. Mengapa bisa terjadi lapar? Ada rasa lapar artinya terjadi perubahan energi pada tubuh kita. Perubahan energi itu digunakan untuk melakukan usaha yaitu berjalan menaiki jalan menanjak.

Contoh kejadian lain adalah pada gerak mobil. Mobil bergerak berarti ada gaya mesin yang melakukan usaha. Darimana usaha itu diperoleh? Tentu kalian sudah dapat menebaknya. Usaha diperoleh dari perubahan energi bahan bakarnya. Dari uraian di atas dapat kalian temukan suatu simpulan yang menjelaskan hubungan usaha dan energi. Hubungan itu dapat dituliskan sebagai berikut.

$Usaha=Perubahan Energi$

$W=\Delta E$

Pada pembahasan Usaha dan Perubahan Energi kalian belajar tentang energi potensial gravitasi dan energi kinetik. Dapatkah kedua energi itu menghasilkan usaha? Untuk mendapatkan jawabannya maka kalian dapat menelusuri penjelasan berikut.

1. Ketinggian Berubah

Coba kalian perhatikan buah kelapa yang jatuh dari pohonya seperti pada Gambar berikut.

h kelapa memiliki energi potensial sebesar m g h. Tetapi saat jatuh pada buah kelapa bekerja gaya berat w = mg. Berarti benda yang jatuh akan melakukan kerja. Besar usaha yang dilakukan memenuhi

perumusan berikut.

W = F . S

W = (m g).h

W = m g h

Besar usaha ini ternyata sama dengan perubahan energi potensialnya. E_PA = m g h dan E_PB = 0. Berarti berlaku konsep pada benda yang bergerak dan berubah ketinggiannya akan melakukan usaha sebesar perubahan energi potensialnya.

$W=\Delta E_{p}$

Contoh Soal

Sebuah bola besi bermassa 20 kg jatuh bebas dari ketinggian 4 m diatas hamparan pasir. Sesampainya dipermukaan pasir bola besi tersebut bisa masuk sedalam 5 cm. Berapakah gaya tahan pasir terhadap bola?

Penyelesaian

m = 20 kg, h = 4 m

S = 5 cm = 5.10-2 m

F = ?

Gerak bola besi itu dapat digambarkan seperti pada Gambar berikut

Pada gerak AB terjadi perubahan energi potensial sehingga dapat melakukan usaha. Usaha itulah yang dapat diimbangi oleh usaha gaya tahan pasir sehingga berlaku seperti berikut.

W = Δ Ep

F . S = m g h_A − m g h_B

F . 5.10-2 = 20.10.4 − 20.10. − 0

F = 16000 N

2. Kecepatan yang berubah

Sebuah benda yang bergerak dengan kecepatanv_o. Perhatikan Gambar berikut.

Apakah yang terjadi jika benda itu diberikan gaya? Sesuai hukum II Newton setiap ada gaya yang bekerja pada benda, maka besarnya percepatan yang dialami benda sebanding dengan jumlah gaya yang bekerja dan berbanding terbalik dengan massa benda tersebut. Untuk lebih jelasnya bisa di lihat pada pembahasan Hukum-hukum Newton.

Berarti percepatan tersebut dapat mengubah kecepatan benda. Hubungan antara v, v₀, a dan S pada gerak GLBB memenuhi persamaan berikut.

$v^{2}=v_{0}^{2}-2as$

$s=\frac{v^{2}-v_{0}^{2}}{2a}$

Dari nilai S di atas, maka nilai S dapat disubtitusikan pada persamaan usaha yang dilakukan pada benda, sehingga diperoleh seperti berikut.

$W=F.s$ $W=m.a\frac{v^{2}-v_{0}^{2}}{2a}$

$W=\frac{1}{2}mv_{0}^{2}-\frac{1}{2}mv^{2}$

$W=E_{k}-E_{k0}$

Dengan mengamati perlakuan di atas dapat diketahui bahwa usaha dapat mengubah energi kinetik benda dan berlaku:

$W=\Delta E_{k}$

Contoh Soal

Sebuah balok bermassa 4 kg memiliki kecepatan 15 m/s. Kemudian balok tersebut melewati bidang kasar sejauh 14,4 m sehingga kecepatannya tinggal 9 m/s. Berapakah besar gaya yang bekerja pada balok tersebut?

Penyelesain

m = 4 kg, v0 = 15 m/s

v = 9 m/s

S = 14,4 m

Gaya gesek dapat menghasilkan usaha sehingga mempunyai energi kinetik. Sesuai persamaan $W=\Delta E$ dapat diperoleh:

W = ΔEk

$-f.s=\frac{1}{2}mv_{0}^{2}-\frac{1}{2}mv^{2}$

$-f.14,4=\frac{1}{2}.4(15^{2}-9^{2})$

$f=-\frac{2}{14,4}(225-81)$

$f=-20N$

( – ) berarti berlawanan arah gerak