Contoh Makalah Fisika yang Baik dan Benar - Fisika adalah ilmu mengenai alam, yang mempelajari unsur-unsur dasar pembentuk alam semesta, gaya-gaya yang bekerja di dalamnya, dan akibat-akibatnya; mencakup rentang yang luas: dari partikel sub atom pembentuk semua materi sampai kelakukan alam semesta sebagai suatu kesatuan kosmos. Nah,, Sahabat nagrak.com pada kesempatan kali ini kami akan memberikan informasi mengenai Makalah fisika yang berjudul Usaha dan Energy.
Contoh Makalah Fisika yang Baik dan Benar
BAB I
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Usaha dan energi sebenarnya merupakan ungkapan yang sering digunakan dalam percakapan sehari-hari. Usaha yang dalam kehidupan sehari-hari sering disebut kerja merupakan segala kegiatan untuk mencapai tujuan tidak memperdulikan apakah tujuan tersebut tercapai atau tidak selama orang sudah melakukan kegiatan dapat dikatakan bahwa orang tersebut sudah berusaha atau bekerja sedangkan energi atau orang menyebutnya dengan tenaga adalah kemampuan untuk melakukan usaha atau kerja. Oleh karena itu, kita sering menyebut seseorang yang banyak melakukan kegiatan dan seakan-akan tanpa lelah sebagai orang yang energik.
Dalam fisika, usaha dipengaruhi oleh gaya(F), jarak perpindahan(s) dan arah perpindahan(α). Yang artinya usaha dapat terjadi apabila suatu benda diberikan gaya oleh seseorang yang mengakibatkan benda tersebut mengalami perpindahan dan gaya yang diberikan tidak vertical dengan arah perpindahannya (α≠900/2700). Energi dalam fisika merupakan kemampuan melakukan usaha. Definisi yang sederhana ini sebenarnya kurang tepat atau kurang valid untuk beberapa jenis energi (misalnya energi panas atau energi cahaya tidak dapat melakukan kerja). Definisi tersebut hanya bersifat umum. Secara umum, tanpa energi kita tidak dapat melakukan kerja/usaha. Usaha dilakukan ketika energi dipindahkan dari satu benda ke benda lain. Contoh ini juga menjelaskan salah satu konsep penting dalam sains, yakni kekekalan energi. Jumlah total energi pada sistem dan lingkungan bersifat kekal alias tetap. Energi tidak pernah hilang, tetapi hanya dapat berubah bentuk dari satu bentuk energi menjadi bentuk energi lain. Mengenai Hukum Kekekalan Energi akan kita kupas tuntas dalam pokok bahasan tersendiri. (Alexsander, 2008). Usaha dan Energi merupakan besaran skalar sehingga analisis kita menjadi lebih mudah dibandingkan dengan ketika kita mempelajari gaya.
Rumusan masalah
Berdasarkan latar belakang di atas, maka dapat dirumuskan beberapa permasalahan yaitu :
- Apa yang dimaksud dengan usaha dalam fisika?
- Bagaimana jika usaha dilakukan oleh beberapa gaya?
- Apa yang dimaksud usaha negatif?
- Apa yang dimaksud dengan energi dalam fisika?
- Apa saja sumber – sumber energi yang ada di dunia?
- Apa yang dimaksud dengan energi potensial?
- Apa yang dimaksud energy potensial grafitasi?
- Apa yang dimaksud energy potensial elastic pegas?
- Apa yang dimaksud dengan energi kinetik?
- Apa yang dimaksud dengan hukum kekekalan energi?
- Apa yang dimaksud dengan hukum kekekalan energi mekanik?
- Apa yang dimaksud dengan daya dalam fisika?
Tujuan
Sesuai dengan rumusan masalah di atas, maka tujuan yang ingin dicapai dalam penyusunan makalah ini adalah sebagai berikut :
- Mengetahui dan mampu memberikan penjelasan apa yang dimaksud dengan usaha dalam fisika.
- Mengetahui bagaimana usaha yang dilakukan oleh beberapa gaya.
- Mengetahui apa yang dimaksud dengan usaha negative.
- Mengetahui dan mampu memberikan penjelasan apa yang dimaksud dengan energi dalam fisika.
- Mengetahui apa saja sumber-sumber energi.
- Mengetahui apa yang dimaksud dengan energi potensial.
- Mengetahui apa yang dimaksud dengan energi potensial grafitasi.
- Mengetahui apa yang dimaksud dengan energi potensial elastic pegas.
- Mengetahui apa yang dimaksud dengan energi kinetik.
- Mengetahui apa yang dimaksud dengan hukum kekekalan energi.
- Mengetahui apa yang dimaksud dengan hukum kekekalan energi mekanik.
- Mengetahui apa yang dimaksud dengan Daya dalam fisika.
Manfaat
Adapun manfaat yang dapat diperoleh dari penyusunan makalah ini adalah antara lain :
Dari penyusunan makalah yang berjudul Usaha dan Energi ini, penulis dapat memahami lebih dalam lagi yang dimaksud dengan Usaha dan Energi dalam fisika. Melalui penyusunan makalah ini juga, penulis mendapatkan kesempatan untuk berlatih membuat sebuah makalah yang baik dan sesuai dengan kepentingan pembelajaran dan penulis akan memiliki pengalaman yang lebih banyak dalam pembuatan sebuah makalah yang nantinya akan dapat dipergunakan untuk keperluan-keperluan lainnya.
Bagi pembaca
Manfaat yang dapat diperoleh oleh pembaca setelah membaca makalah ini adalah pembaca akan mendapatkan pengetahuan-pengetahuan yang lebih mendalam mengenai Usaha dan Enegri. Selain itu, makalah ini diharapkan dapat berguna bagi kelangsungan proses belajar mengajar sebagai pedoman dalam penyusunan makalah yang sejenis, khususnya untuk mata kuliah Fisika Dasar. Dan juga dapat dipergunakan oleh guru untuk memberikan materi pembelajaran tentang Usaha dan Energi.
BAB II
PEMBAHASAN
Usaha
Usaha merupakan sesuatu yang dilakukan oleh gaya pada sebuah benda, yang menyebabkan benda bergerak. Usaha dikatakan telah dilakukan hanya jika gaya menyebabkan sebuah benda bergerak. Namun, jika kamu hanya menahan sebuah benda agar benda tersebut tidak bergerak, itu bukan melakukan usaha walaupun orang tersebut telah mengerakan seluruh kekuatannya untuk menahan batu tersebut. Jadi, dalam fisika, usaha berkaitan dengan gerak sebuah benda.
Secara matematis, usaha yang dilakukan oleh gaya yang konstan didefinisikan sebagai hasil kali perpindahan dengan gaya yang sejajar dengan perpindahan.
Untuk memindahkan sebuah benda yang bermassa lebih besar, diperlukan usaha yang lebih besar pula. Juga untuk memindahkan suatu benda pada jarak yang lebih jauh, diperlukan pula usaha yang lebih besar. Dengan berdasarkan pada kenyataan tersebut, Usaha didefinisikan sebagai hasil kali gaya dan perpindahan yang terjadi. Bila usaha kita simbolkan dengan W, gaya F, dan perpindahan s, maka W = F . s ( Persamaan 1.1)
F
S
Baik gaya maupun perpindahan merupakan besaran vektor. Sesuai dengan konsep perkalian titik antara dua buah vektor, maka usaha W merupakan besaran skalar. Bila sudut yang dibentuk oleh gaya F, dengan perpindahan s adalah α, maka besaranya usaha dapat dituliskan sebagai :
W = (F cos α) s
W = F s cos α ( Persamaan 1.2 )
Dalam sistem satuaan SI, satuan usaha adalah joule, yang dilambangkan dengan huruf J. Satu joule didefinisikan sebagai besarnya usaha yang dilakukan oleh sebuah gaya 1 newton yang bekerja searah dengan perpindahan benda, yang menyebabkan perpindahan sejauh 1 meter. Dengan demikian,
1 joule = 1 newton x 1 meter
joule = Newton x meter
Untuk usaha yang lebih besar, biasanya menggunakan satuan kilojoule (kJ) dan megajoule (MJ).
1 kJ = 1000 J
1 MJ = 1000 000 J
Contoh soal 1 : Sebuah balok bermassa 30 kg ditarik gaya 60 N yang membentuk sudut α = 600 terhadap arah perpindahan. Pada saat balok dapat bergeser mendatar sejauh 3 m maka tentukan usaha yang dilakukan gaya tersebut!
Penyelesaian.
Diketahui : F = 60 N
α = 600
S = 3 m
Ditanya : W = ……….?
Jawab : W = F.S cos α
= 60N.3m.cos 600 = 180.0,5 = 90 joule
Usaha oleh Beberapa Gaya
Ketika beberapa gaya berkerja pada suatu benda, berapakah usaha total yang dilakukan pada benda tersebut ? Dalam kasus ini, kita dapat menghitung usaha masing-masing gaya secara individual. Usaha total sama dengan jumlah dari usaha yang dilakuakn masing-masing gaya.Metode ini benar karena usaha merupakan besaran skalar, sehingga penjualan aljabar biasa berlaku di sini.
Wtotal = F1 s1 + F2 s2 + F3 s3 + …. + FN sN
= W1 + W2 + W3 + …. + WN ( Persamaan 1.3 )
Usaha Negatif
Tanda negatif menujukan arah gaya yang berlawanan dengan arah perpindahan. Jika usaha oleh tangan pada balok adalah usaha positif, karena searah dengan perpindahan balok, maka usaha oleh balok pada tangan benilai negatif. Contoh usaha negatif yaitu gaya gesek (Fg) benda yang bergerak dengan bidang yang kasar.
Contoh soal 2 : Sebuah peti kemas bermassa 50 kg yang terletak pada lantai ditarik horisontal sejauh 2 meter dengan gaya 100 N oleh seorang buruh pelabuhan. Lantai tersebut agak kasar sehingga gaya gesekan yang diberikan pada karung beras sebesar 50 N. Hitunglah usaha total yang dilakukan terhadap peti kemas tersebut!
Penyelesaian
Diketahui : Fb = 100 N S = 2 meter
Fg = -50 N Fw=Fn=mg
Ditanya : Wtotal = ………?
Jawab : Usaha yang dilakukan oleh buruh pelabuhan :
Wb = Fb.s = (100 N) (2 m) = 200 N.m
Usaha yang dilakukan oleh Gaya gesekan :
Wg = Fg.s = (‐50 N) (2 m) = ‐100 N.m
Usaha yang dilakukan oleh gaya berat :
Ww = Fw.s = (mg) (2 m) cos 90o = 0
Usaha yang dilakukan oleh gaya normal
WN = FN.s = (mg) (2 m) cos 90o = 0
Wtotal = Wb + Wg + Ww + WN = (200 N.m) + (‐100 N.m) + 0 + 0
= 100 N.m = 100 Joule
Energi
Segala sesuatu yang kita lakukan dalam kehidupan sehari‐hari membutuhkan energi. Untuk bertahan hidup kita membutuhkan energi yang diperoleh dari makanan. Setiap kendaraan membutuhkan energi untuk bergerak dan energi itu diperoleh dari bahan bakar. Hewan juga membutuhkan energi untuk hidup, sebagaimana manusia dan tumbuhan.
Energi merupakan salah satu konsep yang paling penting dalam fisika. Konsep yang sangat erat kaitannya dengan usaha adalah konsep energi. Secara sederhana, energi merupakan kemampuan melakukan usaha. Definisi yang sederhana ini sebenarnya kurang tepat atau kurang valid untuk beberapa jenis energi (misalnya energi panas atau energi cahaya tidak dapat melakukan kerja). Definisi tersebut hanya bersifat umum. Secara umum, tanpa energi kita tidak dapat melakukan kerja. Sebagai contoh, jika kita mendorong sepeda motor yang mogok, usaha alias kerja yang kita lakukan menggerakan sepeda motor tersebut. Pada saat yang sama, energi kimia dalam tubuh kita menjadi berkurang, karena sebagian energi kimia dalam tubuh berubah menjadi energi kinetik sepeda motor. Usaha dilakukan ketika energi dipindahkan dari satu benda ke benda lain. Contoh ini juga menjelaskan salah satu konsep penting dalam sains, yakni kekekalan energi. Jumlah total energi pada sistem dan lingkungan bersifat kekal alias tetap. Energi tidak pernah hilang, tetapi hanya dapat berubah bentuk dari satu bentuk energi menjadi bentuk energi lain.
Energi dan Sumber-sumbernya
Manusia telah menemukan berbagai sumber energi untuk memenuhi kebutuhan energinya yang semakin lama semakin meningkat, seiring dengan bertambahnya jumlah penduduk dunia. Karena terbatasnya sumber energi di Bumi ini, maka kita harus melakukan pelestarian terhadap sumber-sumber energi tersebut, khususnya sumber-sumber energi yang tidak dapat diperbaharui. Di samping itu, upaya untuk mencari sumber-sumber baru harus terus dilakukan.
Energi Bahan Bakar Fosil
Yang termasuk bahan bakar fosil adalah batu bara, minyak bumi, dan gas alam. Batu bara yang pada sekitar tahun 1910 merupakan 75% sumber energi utama yang digunakan seluruh negara, saat ini sudah bukan sumber utama lagi. Hal ini disebabkan batu bara adalah bahan bakar yang kotor, yang ketika dibakar yang mengahasilkan gas beracun yang dapat mencemari atmosfer Bumi. Rata-rata, 1 kilo-gram batu bara bisa menghasilkan energi sebesar 2 kWh. Minyak bumi merupakan bahan bakar yang lebih baik dari batu bara, yaitu lebih murah untuk menambangnya, dan lebih murah dalam hal pengangkutannya dari lokasi penambangan ke lokasi pengolahan. Dari segi polusi, minyak bumi lebih sedikit menimbulkan polusi dari pada yang dilakuakn batu bara. Sampai saat ini, minyak bumi masih termasuk sumber energi utama kita.
Energi Cahaya Matahari
Cahaya Matahari merupakan sumber energi yang paling besar dan paling melimpah. Tanpa cahaya Matahari, kehidupan di muka bumi ini tidak akan bisa berkembang. Tanpa kita minta atau kita usahakan, cahaya Matahari akan selalu memberikan energinya pada kita, misalnya memanaskan Bumi dan bangunan-bangunan diatasnya. Tanpa sinar Matahari, proses fotosintesis pada tumbuhan tidak akan berlangsung. Jadi, dengan sendirinya Matahari telah mensuplai kebutuhan energi manusia dalam jumlah yang sangat besar.
Karena Matahari hanya bersinar pada siang hari, maka pada malam hari Matahari praktis tidak memberikan energinya. Salah satu alat yang dipakai untuk menangkap energi cahaya Matahari adalah panel surya. Panel surya adalah alat sebagai pemanas air. Dengan demikian, panel surya tidak menghasilkan listrik. Tentu kamu sering melihat diatas sebuah rumah atau diatas sebuah hotel terdapat panel surya ini. Alat penagkap energi cahaya Matahari yang bisa menghasilkan listrik adalah sel surya, yang memanfaatkan konsep efek foto listrik. Sayangnya, sampai saat ini efesiensi dari sel surya ini masih rendah, yaitu masih dibawah 20%. Namun demikian, sel surya merupakan sesuatu yang sangat menjanjikan sebagai pembangkit energy listrik masa depan.
Energi Angin
Energi angin telah dimanfaatkan oleh bangsa-bangsa di kawasan Timur Tengah sejak 2000 tahun sebelum masehi. tiga ratus kemudian, barulah energi angin ini dimanfaatkan secara luas di Benua Eropa. Energi angin dimanfaatkan untuk memutar kincir angin, yang pada akhirnya bisa digunakan untuk memutar turbin sehingga bisa mengahasilkan listrik melalui generator.
Energi Nuklir
Energi nuklir adalah energi yang dihasilkan dari reaksi fisi (pembelahan) ataupun reaksi fusi (pembelahan) inti-inti atom. Pada dasarnya, energi nuklir ini merupakan hasil reaksi berantai yang bisa dikendalikan, dengan uranium dan plutonium sebagai bahan utamanya. Walaupun energi yang dihasilkan sangat besar, energi nuklir ini masih menjadi perdebatan menyangkut faktor keamanannya. Energi nuklir dibangkitkan dalam suatu reaktor nuklir, yang bila sedikit saja reaktor itu mengalami kebocoran, akibatnyanya akan sangat mengerikan bagi penduduk di sekitar reaktor nuklir tersebut. peristiwa semacam ini pernah terjadi di reactor nuklir Chernobyl di Rusia (dulu Uni Soviet, reaktor nuklir Bhopal (India) dan terakhir reactor nuklir Jepang.
Energi Geotermal
Sebauah geotermal atau panas bumi dihasilkan dari uap air panas yang keluar (dipompa keluar) dari dalam Bumi. Sebenarnya, energi geotermal juga bisa dihasilkan dari batuan-batuan yang membara di dalam Bumi.
Energi Potensial
Secara umum, energi potensial adalah energi yang tersimpan dalam sebuah benda atau dalam suatu kedaan tertentu. Dengan demikian, dalam air terjun terdapat energi potensial, dalam batu bara terdapat energi potensial, dalam tubuh kita terdapat energi potensial. Energi potensial karena masih tersimpan, yang tersimpan dalam air yang berada diatas suatu tebing baru bermanfaat ketika diubah menjadi energi kinetik dalam air terjun. Energi potensial dalam batu bara baru bermanfaat ketika diubah menjadi energi panas melalui pembakaran. Energi potensial dalam tubuh kita akan bermanfaat jika kita mengubah menjadi energi gerak yang dilakukan oleh otot-otot tubuh kita. Dalam pengertian yang lebih sempit, yakni dalam mekanika, energi potensial adalah energi yang dimiliki oleh benda karena kedudukan atau keadaan benda tersebut. Contoh energi potensial gravitasi dan energi potensial elastik. Energi potensial gravitasi dimiliki oleh benda yang berada di ketinggian tertentu dari permukaan tanah. sedangkan energi potensial elastic dimiliki oleh, misalnya karet ketapel yang direnggangkan. Energi potensial elastik pada karet ketapel ini baru bermanfaat ketika regangan tersebut dilepaskan sehingga menyebabkan berubahnya energi potensial elastik menjadi energi kinetik.
Energi Potenasial Gravitasi
Sebuah benda yang berada pada ketinggian tertentu terhadap suatu bidang acuan tertentu memiliki energi potensial. Energi ini, sesuai dengan penyebanya, disebut energi potensial gravitasi. Artinya, energi ini potensial untuk melakukan usaha dengan cara mengubah ketinggiannya. Semakin tinggi kedudukan suatu benda dari bidang acuan, semakin besar energi potensial gravitsi yang dimilikinya.
Untuk membahas seberapa besar energi ini, mari kita simak uraian berikut terlebih dahulu : Sebuah benda bermassa 1 kg yang diam diatas lantai diangkat sampai pada ketinggian 1m diatas lantai. Lantai dianggap sebagai bidang acuan. kita tahu bahwa gaya yang diperlukan untuk melakukan usaha ini, yaitu mengangkat benda ini, sama dengan gaya yang diperlukan untuk melawan gaya gravitsi yang berkerja pada benda (gaya berat). Besarnya berat tersebut dapat kita tuliskan sebagai F = mg, dimana m adalah massa benda, dan g adalah percepatan gravitsi Bumi. jika ketinggian benda sama dengan h, besarnya usaha yang dilakukan untuk mengangkat benda bermassa m setinggi h adalah.
W = F h
= m g h ( Persamaan 2.1 )
Kembali pada benda bermassa 1 kg yang diangkat setinggi 1 m, maka besar usaha yang telah dilakukan adalah
W = (1kg) (9,8 m/s2) (1m)
W = 9,8 J
Dengan demikian, pada ketinggian 1m di atas, benda tersebut memiliki energi potensial gravitasi, yaitu kemampuan untuk malakukan usaha (misalnya menjatuhkan diri) sebesar 9,8 J. Dari uraian di atas, kita dapat merumuskan secara umum persamaan untuk menghitung energi potensial (EP).
Ep = berat x ketinggian
Ep = m g h ( Persamaan 2.2 )
Dalam rumus ini, h adalah perubahan ketinggian diukur dari bidang acuan.
Energi Potensial Elastik Pegas
Ketika kita merentangkan sebuah pegas, misalnya yang digunakan untuk melatih otot lengan, kita harus melakukan suatu kerja dengan mengerahkan suatu usaha. Pada bagian terdahulu kita pelajari bahwa usaha sama dengan luas daerah dibawah grafik gaya (F) kali perpindahan (x).
Ketika berada dalam keadaan diam, setiap pegas memiliki panjang alami. Jika pegas di tekan sejauh x dari panjang alami, diperlukan gaya sebesar Ft (gaya tekan) yang nilainya berbanding lurus dengan x, yakni :
Ft = kx ( Persamaan 2.3 )
k adalah konstanta pegas (ukuran kelenturan/elastisitas pegas) dan besarnya tetap. Ketika ditekan, pegas memberikan gaya reaksi, yang besarnya sama dengan gaya tekan tetapi arahnya berlawanan. gaya reaksi pegas tersebut dikenal sebagai gaya pemulih. Besarnya gaya pemulih adalah :
FP = ‐kx ( Persamaan 2.4 )
Tanda minus menunjukkan bahwa arah gaya pemulih berlawanan arah dengan gaya tekan.
Untuk menghitung Energi Potensial pegas yang ditekan atau diregangkan, terlebih dahulu kita hitung usaha yang diperlukan untuk menekan atau meregangkan pegas. Kita tidak bisa menggunakan persamaan W = F s = F x, karena gaya tekan atau gaya regang yang kita berikan pada pegas selalu berubah‐ubah selama pegas ditekan. Ketika menekan pegas misalnya, semakin besar x, gaya tekan kita juga semakin besar. Beda dengan gaya angkat yang besarnya tetap ketika kita mengangkat batu.
Kita menggunakan gaya rata‐rata. Gaya tekan atau gaya regang selalu berubah, dari F = 0 ketika x = 0 sampai F = kx (ketika pegas tertekan atau teregang sejauh x). Besar gaya rata‐rata adalah :
F͞ = ½ (0+kx)
= ½ kx ( Persamaan 2.5 )
x merupakan jarak total pegas yang teregang atau pegas yang tertekan (bandingkan dengan gambar di atas).
Usaha yang dilakukan adalah :
W = F͞ . x
W = ( ½ k x ) x
W = ½ k x2 ( Persamaan 2.6 )
Seluruh usaha yang dilakukan oleh beban (atau oleh tangan kita) ini akhirnya disimpan menjadi energi potensial elastik pegas, karena dalam peristiwa ini tidak terjadi perubahan energi kinetika pegas. Dengan demikian, sebuah pegas yang memiliki konstanta gaya k dan terentang sejauh x dari keadaan setimbanganya memiliki energy potensial elastik sebesar EP.
Ep = ½ k x2 ( Persamaan 2.7 )
Energi Kinetik
Setiap benda yang bergerak memiliki energi. Ketapel yang ditarik lalu dilepaskan sehingga batu yang berada di dalam ketapel meluncur dengan kecepatan tertentu. Batu yang bergerak tersebut memiliki energi. Jika diarahkan pada ayam tetangga maka kemungkinan besar ayam tersebut lemas tak berdaya akibat dihajar batu. Pada contoh ini batu melakukan kerja pada ayam . Kendaraan beroda yang bergerak dengan laju tertentu di jalan raya juga memiliki energi kinetik. Ketika dua buah kendaraan yang sedang bergerak saling bertabrakan, maka bisa dipastikan kendaraan akan digiring ke bengkel untuk diperbaiki. Kerusakan akibat tabrakan terjadi karena kedua mobil yang pada mulanya bergerak melakukan usaha / kerja satu terhadap lainnya. Ketika tukang bangunan memukul paku menggunakan martil, martil yang digerakan tukang bangunan melakukan kerja pada paku. Kata kinetik berasal dari bahasa yunani, kinetikos, yang artinya ”gerak”. ketika benda bergerak, benda pasti memiliki kecepatan. Dengan demikian, kita dapat menyimpulkan bahwa energi kinetik merupakan energi yang dimiliki benda karena gerakannya atau kecepatannya.
persamaan Energi Kinetik.
Agar benda dipercepat beraturan sampai bergerak dengan laju v maka pada benda tersebut harus diberikan gaya total yang konstan dan searah dengan arah gerak benda sejauh s. Untuk itu dilakukan usaha alias kerja pada benda tersebut sebesar W = F s. Besar gaya F = m a.
Karena benda memiliki laju awal vo, laju akhir vt dan bergerak sejauh s, maka untuk menghitung nilai percepatan a, kita menggunakan persamaan vt2 = vo2 + 2as.
a = vt2 – vo2 ( Persamaan 2.8 )
2s
Kita subtitusikan nilai percepatan a ke dalam persamaan gaya F = m a, untuk menentukan besar usaha :
W = F.s = (m.a)(s) = (m)(vt2 – vo2)s
2s
W = m(vt2 – vo2) = ½ m(vt2 – vo2)
2
W = ½ mvt2 – ½ mvo2 ( Persamaan 2.9 )
W = ½ mvt2 vo = 0
Persamaan ini menjelaskan usaha total yang dikerjakan pada benda. Karena W = Ek maka kita dapat menyimpulkan bahwa besar energi kinetik translasi pada benda tersebut adalah :
W = Ek = ½ mv2 ( Persamaan 2.10 )
Persamaan 2.9 di atas dapat kita tulis kembali menjadi :
W = Ekt – Eko = ΔEk ( Persamaan 2.11 )
Persamaan 2.11 menyatakan bahwa usaha total yang bekerja pada sebuah benda sama dengan perubahan energi kinetiknya. Pernyataan ini merupakan prinsip usaha‐energi. Prinsip usaha‐energi berlaku jika W adalah usaha total yang dilakukan oleh setiap gaya yang bekerja pada benda. Jika usaha positif (W) bekerja pada suatu benda, maka energi kinetiknya bertambah sesuai dengan besar usaha positif tersebut (W). Jika usaha (W) yang dilakukan pada benda bernilai negatif, maka energi kinetik benda tersebut berkurang sebesar W. Dapat dikatakan bahwa gaya total yang diberikan pada benda di mana arahnya berlawanan dengan arah gerak benda, maka gaya total tersebut mengurangi laju dan energi kinetik benda. Jika besar usaha total yang dilakukan pada benda adalah nol, maka besar energi kinetik benda tetap (laju benda konstan).
Contoh soal 1 :
Sebuah bola sepak bermassa 150 gram ditendang oleh Ronaldo dan bola tersebut bergerak lurus menuju gawang dengan laju 30 m/s. Hitunglah :
Energi kinetik bola tersebut !
Berapa usaha yang dilakukan Ronaldo pada bola untuk mencapai laju ini, jika bola mulai bergerak dari keadaan diam ?
Penyelesaian.
Diketahui : m = 150 gram = 0,15 kg
V = 30 m/s
Ditanya : Ek = ……..?
W = ……..?
Jawab :
Energi Kinetik bola
EK= ½ mv2 = ½ (0,15 kg) (30 m/s)2 = 67,5 Joule
Usaha total
W = Ek2– Ek1
Ek2 = 67,5 Joule
Ek1 = ½ mv2 = ½ m (0) = 0 laju awal bola (vo) = 0
Dengan demikian, usaha total :
W = 67,5 Joule – 0 = 67,5 Joule
Hukum Kekekalan Energi
Dalam kehidupan kita sehari‐hari terdapat banyak jenis energi. Selain energi potensial dan energi kinetik pada benda‐benda biasa (skala makroskopis), terdapat juga bentuk energi lain. Ada energi listrik, energi panas, energi kimia yang tersimpan dalam makanan dan bahan bakar, energi nuklir, dan lain – lain.
Energi tersebut dapat berubah dari satu bentuk energi ke bentuk energi lain. misalnya ketika dirimu menyalakan lampu neon, pada saat yang sama terjadi perubahan energi listrik menjadi energi cahaya. Contoh lain adalah perubahan energi listrik menjadi energi panas (setrika), energi listrik menjadi energi gerak (kipas angin) dll. Proses perubahan bentuk energi ini sebenarnya disebabkan oleh adanya perubahan antara energi potensial dan energi kinetik pada tingkat atom.
Pada tingkat makroskopis, kita juga bisa menemukan begitu banyak contoh perubahan energi. Buah mangga yang menggelayut di tangkainya memiliki energi potensial. Pada saat buah mangga jatuh ke tanah, energi potensialnya berkurang sepanjang lintasan geraknya menuju tanah. Ketika mulai jatuh, energi potensial berkurang karena jarak vertikal buah mangga dari tanah makin kecil. Energi Potensial tersebut berubah bentuk menjadi Energi Kinetik karena kecepatan buah mangga bertambah akibat gravitasi yang bernilai konstan. Pada saat hendak mencapai tanah, Energi Kinetik menjadi sangat besar, sedangkan Energi Potensial sangat kecil. Mengapa demikian ? semakin dekat dengan permukaan tanah, jarak buah mangga semakin kecil sehingga EP‐nya menjadi kecil. Sebaliknya, semakin mendekati tanah, Energi Kinetik semakin besar karena gerakan mangga makin cepat akibat adanya percepatan gravitasi yang konstan. Ketika tiba di permukaan tanah, energi potensial bernilai nol karena h = 0 sedangkan energi kinetik buah mangga menjadi bernilai maksimum. Contoh lain misalnya Energi potensial yang tersimpan pada ketapel yang diregangkan dapat berubah menjadi energi kinetik batu apabila ketapel kita lepas.
Hal yang luar biasa dalam fisika dan kehidupan kita sehari‐hari adalah ketika energi dipindahkan atau diubah dari satu bentuk ke bentuk yang lain, tidak ada energi yang hilang dalam setiap proses tersebut. Ini adalah hukum kekekalan energi, sebuah prinsip yang penting dalam ilmu fisika.
Hukum kekekalan energi dapat kita nyatakan sebagai berikut :
Energi dapat diubah dari satu bentuk ke bentuk lain dan dipindahkan dari satu benda ke benda yang lain tetapi jumlahnya selalu tetap. Jadi energi total tidak berkurang dan juga tidak bertambah.
- Hukum Kekekalan Energi Mekanik
Jumlah total Energi Kinetik dan Energi Potensial disebut Energi Mekanik. Ketika terjadi perubahan energi dari Ep menjadi Ek atau Ek menjadi Ep, walaupun salah satunya berkurang, bentuk energi lainnya bertambah. Misalnya ketika Ep berkurang, besar Ek bertambah. Demikian juga ketika Ek berkurang, pada saat yang sama besar Ep bertambah. Total energinya tetap sama, yakni Energi Mekanik. Sebelum kita tinjau HKE secara kuantitatif (penurunan persamaan matematis/rumus Hukum Kekekalan Energi), terlebih dahulu kita harus mempelajari tentang gaya‐gaya konservatif dan gaya tak konservatif karena gaya-gaya konservatif dan gaya tak konservatif berkaitan dengan hokum kekekalan energy mekanik dan dapat membantu kita lebih memahami apa itu hokum kekekalan energy mekanik.
Gaya–gaya konservatif dan Gaya‐gaya Tak Konservatif
Misalnya kita melemparkan sebuah benda tegak lurus ke atas. Setelah bergerak ke atas mencapai ketinggian maksimum, benda akan jatuh tegak lurus ke tanah (tangan kita). Ketika dilemparkan ke atas, benda tersebut bergerak dengan kecepatan tertentu sehingga ia memiliki energi kinetik (Ek= ½ mv2). Selama bergerak di udara, terjadi perubahan energi kinetik menjadi energi potensial. Semakin ke atas, kecepatan bola makin kecil, sedangkan jarak benda dari tanah makin besar sehingga Ek benda menjadi kecil dan Ep‐nya bertambah besar. Ketika mencapai titik tertinggi, kecepatan benda = 0, sehingga Ek juga bernilai nol. Ek benda seluruhnya berubah menjadi Ep, karena ketika benda mencapai ketinggian maksimum, jarak vertikal benda bernilai maksimum (Ep = mgh). Karena pengaruh gravitasi, benda tersebut bergerak kembali ke bawah. Sepanjang lintasan terjadi perubahan Ep menjadi Ek. Semakin ke bawah, Ep semakin berkurang, sedangkan Ek semakin bertambah. Ep berkurang karena ketika jatuh, ketinggian alias jarak vertikal makin kecil. Ek bertambah karena ketika bergerak ke bawah, kecepatan benda makin besar akibat adanya percepatan gravitasi yang bernilai tetap. Kecepatan benda bertambah secara teratur akibat adanya percepatan gravitasi. Benda kehilangan Ek selama bergerak ke atas, tetapi Ek diperoleh kembali ketika bergerak ke bawah. Energi kinetik diartikan sebagai kemampuan melakukan usaha. Karena Energi kinetik benda tetap maka kita dapat mengatakan bahwa kemampuan benda untuk melakukan usaha juga bernilai tetap. Gaya gravitasi yang mempengaruhi gerakan benda, baik ketika benda bergerak ke atas maupun ketika benda bergerak ke bawah dikatakan bersifat konservatif karena pengaruh gaya tersebut tidak bergantung pada lintasan yang dilalui benda, tetapi hanya bergantung pada posisi awal dan akhir benda.
Contoh gaya konservatif lain adalah gaya elastik. Misalnya kita letakan sebuah pegas di atas permukaan meja percobaan. Salah satu ujung pegas telah diikat pada dinding, sehingga pegas tidak bergeser ketika digerakan. Anggap saja permukaan meja sangat licin dan pegas yang kita gunakan adalah pegas ideal sehingga memenuhi hukum Hooke. Sekarang kita kaitkan sebuah benda pada salah satu ujung pegas.
Jika benda kita tarik ke kanan sehingga pegas teregang sejauh x, maka pada benda bekerja gaya pemulih pegas, yang arahnya berlawanan dengan arah tarikan kita. Ketika benda berada pada simpangan x, Ep benda maksimum sedangkan Ek benda nol (benda masih diam).
Ketika benda kita lepaskan, gaya pemulih pegas menggerakan benda ke kiri, kembali ke posisi setimbangnya. Ep benda menjadi berkurang dan menjadi nol ketika benda berada pada posisi setimbangnya. Selama bergerak menuju posisi setimbang, Ep berubah menjadi Ek. Ketika benda kembali ke posisi setimbangnya, gaya pemulih pegas bernilai nol tetapi pada titik ini kecepatan benda maksimum. Karena kecepatannya maksimum, maka ketika berada pada posisi setimbang, Ek bernilai maksimum.
Benda masih terus bergerak ke kiri karena ketika berada pada posisi setimbang, kecepatan benda maksimum. Ketika bergerak ke kiri, Gaya pemulih pegas menarik benda kembali ke posisi setimbang, sehingga benda berhenti sesaat pada simpangan sejauh –x dan bergerak kembali menuju posisi setimbang. Ketika benda berada pada simpangan sejauh –x, EK benda = 0 karena kecepatan benda = 0. pada posisi ini EP bernilai maksimum.
Proses perubahan energi antara Ek dan Ep berlangsung terus menerus selama benda bergerak bolak balik.
Pada penjelasan di atas, tampak bahwa ketika bergerak dari posisi setimbang menuju ke kiri sejauh x = ‐A (A = amplitudo / simpangan terjauh), kecepatan benda menjadi berkurang dan bernilai nol ketika benda tepat berada pada x = ‐A. Karena kecepatan benda berkurang, maka Ek benda juga berkurang dan bernilai nol ketika benda berada pada x = ‐A. Karena adanya gaya pemulih pegas yang menarik benda kembali ke kanan (menuju posisi setimbang), benda memperoleh kecepatan dan Energi Kinetiknya lagi. Ek benda bernilai maksimum ketika benda tepat berada pada x = 0, karena laju gerak benda pada posisi tersebut bernilai maksimum. Benda kehilangan Ek pada salah satu bagian geraknya, tetapi memperoleh Energi Kinetiknya kembali pada bagian geraknya lain. Energi kinetik merupakan kemampuan melakukan usaha karena adanya gerak. setelah bergerak bolak balik, kemampuan melakukan usahanya tetap sama dan besarnya tetap alias kekal. Gaya elastis yang dilakukan pegas ini disebut bersifat konservatif.
Apabila pada suatu benda bekerja satu atau lebih gaya dan ketika benda bergerak kembali ke posisi semula, Energi Kinetik‐nya berubah (bertambah atau berkurang), maka kemampuan melakukan usahanya juga berubah. Dalam hal ini, kemampuan melakukan usahanya tidak kekal. Dapat dipastikan, salah satu gaya yang bekerja pada benda bersifat tak‐konservatif. Untuk menambah pemahaman anda berkaitan dengan gaya tak konservatif, kita umpamakan permukaan meja tidak licin / kasar, sehingga selain gaya pegas, pada benda bekerja juga gaya gesekan. Ketika benda bergerak akibat adanya gaya pemulih pegas, gaya gesekan menghambat gerakan benda/mengurangi kecepatan benda (gaya gesek berlawanan arah dengan gaya pemulih pegas). Akibat adanya gaya gesek, ketika kembali ke posisi semula kecepatan benda menjadi berkurang. Karena kecepatan benda berkurang maka Energi Kinetiknya juga berkurang. Karena Energi Kinetik benda berkurang maka kemampuan melakukan usaha juga berkurang. Dari penjelasan di atas kita tahu bahwa gaya pegas bersifat konservatif sehingga berkurangnya Ek pasti disebabkan oleh gaya gesekan. Kita dapat menyatakan bahwa gaya yang berlaku demikian bersifat tak‐konservatif.
Secara umum, sebuah gaya bersifat konservatif apabila usaha yang dilakukan oleh gaya pada sebuah benda yang melakukan gerakan menempuh lintasan tertentu hingga kembali ke posisi awalnya sama dengan nol. Sebuah gaya bersifat tak‐konservatif apabila usaha yang dilakukan oleh gaya tersebut pada sebuah benda yang melakukan gerakan menempuh lintasan tertentu hingga kembali ke posisi semula tidak sama dengan nol.
Apabila hanya gaya‐gaya konservatif yang bekerja pada sebuah sistem, maka kita akan tiba pada kesimpulan yang sangat sederhana dan yang melibatkan energi. Apabila tidak ada gaya tak‐konservatif, maka berlaku Hukum Kekekalan Energi Mekanik. Sekarang mari kita turunkan persamaan Hukum Kekekalan Energi Mekanik.
Misalnya sebuah benda bermassa m berada pada kedudukan awal sejauh h1 dari permukaan tanah. Benda tersebut jatuh dan setelah beberapa saat benda berada pada kedudukan akhir (h2). Benda jatuh karena pada benda bekerja gravitasi, di mana arahnya tegak lurus menuju permukaan bumi.
Ketika berada pada kedudukan awal, benda memiliki Energi Potensial sebesar Ep1 (Ep1 = mgh1). Ketika berada pada kedudukan akhir, benda memiliki Energi Potensial sebesar Ep2 (Ep2 = mgh2). Usaha yang dilakukan oleh gaya berat dari kedudukan awal (h1) menuju kedudukan akhir (h2) sama dengan selisih Ep1 dan Ep2.
Secara matematis ditulis :
W = Ep1 – Ep2 = mgh1 - mgh2 ( Persamaan 2.12 )
Misalnya kecepatan benda pada kedudukan awal = v1 dan kecepatan benda pada kedudukan akhir = v2.. Pada kedudukan awal, benda memiliki Energi Kinetik sebesar Ek1 (Ek1 = ½ mv12). Pada kedudukan akhir, benda memiliki Energi Kinetik sebesar Ek2 (Ek2 = ½ mv22 ). Usaha yang dilakukan oleh gaya berat untuk menggerakan benda sama dengan perubahan energi.
Secara matematis ditulis :
W = Ek2 – Ek1 = ½ mv22 ‐ ½ mv12 ( Persamaan 2.13 )
Kedua persamaan ini kita tulis kembali menjadi :
W = W
Ep1 – Ep2 = Ek2 – Ek1
Mgh1 mgh2 = ½ mv22 ‐ ½ mv12
mgh1 + ½ mv12 = mgh2 + ½ mv22 ( Persamaan 2.14 )
Jumlah total Energi Potensial (Ep) dan Energi Kinetik (Ek) = Energi Mekanik (Em). Secara matematis kita tulis :
Em = Ep + Ek ( Persamaan 2.15 )
Penerapan Hukum Kekekalan Energi Mekanik pada berbagai jenis gerakan
Hukum Kekekalan Energi Mekanik pada Gerak Jatuh Bebas
Suatu contoh sederhana dari Hukum Kekekalan Energi Mekanik adalah ketika sebuah benda melakukan Gerak Jatuh Bebas.
Misalnya kita tinjau sebuah batu yang dijatuhkan dari ketinggian tertentu. Pada analisis mengenai Gerak Jatuh Bebas, hambatan udara diabaikan, sehingga pada batu hanya bekerja gaya berat (gaya berat merupakan gaya gravitasi yang bekerja pada benda, di mana arahnya selalu tegak lurus menuju permukaan bumi).
Ketika batu berada pada ketinggian tertentu dari permukaan tanah dan batu masih dalam keadaan diam, batu tersebut memiliki Energi Potensial sebesar Ep = mgh. m adalah massa batu, g adalah percepatan gravitasi dan h adalah kedudukan batu dari permukaan tanah (kita gunakan tanah sebagai titik acuan). ketika berada di atas permukaan tanah sejauh h (h = high = tinggi), Energi Kinetik (Ek) batu = 0. mengapa nol ? batu masih dalam keadaan diam, sehingga kecepatannya 0. Ek = ½ mv2, karena v = 0 maka Ek juga bernilai nol alias tidak ada Energi Kinetik. Total Energi Mekanik = Energi Potensial.
Em = Ep + Ek
Em = Ep + 0
Em = Ep
Apabila batu kita lepaskan, batu akan jatuh ke bawah akibat gaya tarik gravitasi yang bekerja pada batu tersebut. Semakin ke bawah, Ep batu semakin berkurang karena kedudukan batu semakin dekat dengan permukaan tanah (h makin kecil). Ketika batu bergerak ke bawah, Energi Kinetik batu bertambah. Ketika bergerak, batu mempunyai kecepatan. Karena besar percepatan gravitasi tetap (g = 9,8 m/s2), kecepatan batu bertambah secara teratur. Makin lama makin cepat. Akibatnya Energi Kinetik batu juga semakin besar. Nah, Energi Potensial batu malah semakin kecil karena semakin ke bawah ketinggian batu makin berkurang. Jadi sejak batu dijatuhkan, Ep batu berkurang dan Ek batu bertambah. Jumlah total Energi Mekanik (Energi Kinetik + Energi Potensial = Energi Mekanik) bernilai tetap alias kekal bin tidak berubah. Yang terjadi hanya perubahan Energi Potensial menjadi Energi Kinetik.
Ketika batu mencapai setengah dari jarak tempuh total, besar Ep = Ek. Jadi pada posisi ini, setengah dari Energi Mekanik = Ep dan setengah dari Energi Mekanik = Ek. Ketika batu mencium tanah, batu, pasir dan debu dengan kecepatan tertentu, Ep batu lenyap tak berbekas karena h = 0, sedangkan Ek bernilai maksimum. Pada posisi ini, total Energi Mekanik = Energi Kinetik.
Em = Ep + Ek
Em = 0 + Ek
Em = Ek
Hukum Kekekalan Energi Mekanik pada Gerak parabola
Hukum kekekalan energi mekanik juga berlaku ketika benda melakukan gerakan parabola.
Ketika benda hendak bergerak (benda masih diam), Energi Mekanik yang dimiliki benda sama dengan nol. Ketika diberikan kecepatan awal sehingga benda melakukan gerakan parabola, Ek bernilai maksimum (kecepatan benda besar) sedangakn Ep bernilai minimum (jarak vertikal alias h kecil). Semakin ke atas, kecepatan benda makin berkurang sehingga Ek makin kecil, tetapi Ep makin besar karena kedudukan benda makin tinggi dari permukaan tanah. Ketika mencapai titik tertinggi, Ep bernilai maksimum (h maksimum), sedangkan Ek bernilai minimum (hanya ada komponen kecepatan pada arah vertikal). Ketika kembali ke permukaan tanah, Ep makin berkurang sedangkan Ek makin besar dan Ek bernilai maksimum ketika benda menyentuh tanah. Jumlah energi mekanik selama benda bergerak bernilai tetap, hanya selama gerakan terjadi perubahan energi kinetik menjadi energi potensial (ketika benda bergerak ke atas) dan sebaliknya ketika benda bergerak ke bawah terjadi perubahan energi potensial menjadi energi kinetik.
Hukum Kekekalan Energi Mekanik pada Gerak Harmonik Sederhana
Terdapat dua jenis gerakan yang merupakan Gerak Harmonik Sederhana, yakni ayunan sederhana dan getaran pegas.
Untuk menggerakan benda yang diikatkan pada ujung tali, benda tersebut kita tarik ke kanan hingga mencapai titik A. Ketika benda belum dilepaskan (benda masih diam), Energi Potensial benda bernilai maksimum, sedangkan Ek = 0 (Ek = 0 karena benda diam ). Pada posisi ini, Em = Ep. Ingat bahwa pada benda bekerja gaya berat w = mg. Karena benda diikatkan pada tali, maka ketika benda dilepaskan, gaya berat sebesar w = mg cos teta menggerakan benda menuju posisi setimbang (titik B). Ketika benda bergerak dari titik A, Ep menjadi berkurang karena h makin kecil. Sebaliknya Ek benda bertambah karena benda telah bergerak. Pada saat benda mencapai posisi B, kecepatan benda bernilai maksimum, sehingga pada titik B Energi Kinetik menjadi bernilai maksimum sedangkan Ep bernilai minimum. Karena pada titik B kecepatan benda maksimum, maka benda bergerak terus ke titik C. Semakin mendekati titik C, kecepatan benda makin berkurang sedangkan h makin besar. Kecepatan berkurang akibat adanya gaya berat benda sebesar w = mg cos teta yang menarik benda kembali ke posisi setimbangnya di titik B. Ketika tepat berada di titik C, benda berhenti sesaat sehingga v = 0. karena v = 0 maka Ek = 0. pada posisi ini, Ep bernilai maksimum karena h bernilai maksimum. Em pada titik C = Ep. Akibat tarikan gaya berat sebesar w = mg cos teta, maka benda bergerak kembali menuju titik B. Semakin mendekati titik B, kecepatan gerak benda makin besar, karenanya Ek semakin bertambah dan bernilai maksimum pada saat benda tepat berada pada titik B. Demikian seterusnya, selalu terjadi perubahan antara Ek dan Ep. Total Energi Mekanik bernilai tetap (Em = Ep + Ek).
Hukum Kekekalan Energi Mekanik (HKEM) pada Getaran Pegas
Getaran pegas terdiri dari dua jenis, yakni getaran pegas yang diletakan secara horisontal dan getaran pegas yang digantungkan secara vertikal. Sebelum kita membahas satu persatu, perlu anda ketahui bahwa Energi Potensial tidak mempunyai suatu persamaan umum yang mewakili semua jenis gerakan, seperti Ek. Persamaan Ek tersebut bersifat umum untuk semua jenis gerakan, sedangkan Energi potensial tidak. Persamaan Ek = mgh merupakan persamaan Ep gravitasi, sedangkan Ep elastis (untuk pegas dkk), persamaan Ep‐nya adalah :
Ep elastis = ½ kx2
- Pegas yang diletakan horisontal
Misalnya kita letakan sebuah pegas di atas permukaan meja percobaan. Salah satu ujung pegas telah diikat pada dinding, sehingga pegas tidak bergeser ketika digerakan. Anggap saja permukaan meja sangat licin dan pegas yang kita gunakan adalah pegas ideal sehingga memenuhi hukum Hooke. Sekarang kita kaitkan sebuah benda pada salah satu ujung pegas.
Jika benda kita tarik ke kanan sehingga pegas teregang sejauh x, maka pada benda bekerja gaya pemulih pegas, yang arahnya berlawanan dengan arah tarikan kita. Ketika benda berada pada simpangan x, Ep benda maksimum sedangkan Ek benda nol (benda masih diam).
Ketika benda kita lepaskan, gaya pemulih pegas menggerakan benda ke kiri, kembali ke posisi setimbangnya. Ep benda menjadi berkurang dan menjadi nol ketika benda berada pada posisi setimbangnya. Selama bergerak menuju posisi setimbang, Ep berubah menjadi Ek. Ketika benda kembali ke posisi setimbangnya, gaya pemulih pegas bernilai nol tetapi pada titik ini kecepatan benda maksimum. Karena kecepatannya maksimum, maka ketika berada pada posisi setimbang, Ek bernilai maksimum.
Benda masih terus bergerak ke kiri karena ketika berada pada posisi setimbang, kecepatan benda maksimum. Ketika bergerak ke kiri, Gaya pemulih pegas menarik benda kembali ke posisi setimbang, sehingga benda berhenti sesaat pada simpangan sejauh –A dan bergerak kembali menuju posisi setimbang. Ketika benda berada pada simpangan sejauh –A, Ek benda = 0 karena kecepatan benda = 0. pada posisi ini Ep bernilai maksimum.
Pada penjelasan di atas, tampak bahwa ketika bergerak dari posisi setimbang menuju ke kiri sejauh x = ‐A (A = amplitudo / simpangan terjauh), kecepatan benda menjadi berkurang dan bernilai nol ketika benda tepat berada pada x = ‐A. Karena kecepatan benda berkurang, maka Ek benda juga berkurang dan bernilai nol ketika benda berada pada x = ‐A. Karena adanya gaya pemulih pegas yang menarik benda kembali ke kanan (menuju posisi setimbang), benda memperoleh kecepatan dan Energi Kinetiknya lagi. Ek benda bernilai maksimum ketika benda tepat berada pada x = 0, karena laju gerak benda pada posisi tersebut bernilai maksimum. Proses perubahan energi antara Ek dan Ep berlangsung terus menerus selama benda bergerak bolak balik. Total Ep dan Ek selama benda bergetar besarnya tetap alias kekal bin konstan.
- Pegas yang diletakan vertikal
Pada dasarnya osilasi alias getaran dari pegas yang digantungkan secara vertikal sama dengan getaran pegas yang diletakan horisontal. Bedanya, pegas yang digantungkan secara vertikal lebih panjang karena pengaruh gravitasi yang bekerja pada benda (gravitasi hanya bekerja pada arah vertikal, tidak pada arah horisontal). Mari kita tinjau lebih jauh getaran pada pegas yang digantungkan secara vertikal.
Pada pegas yang kita letakan horisontal (mendatar), posisi benda disesuaikan dengan panjang pegas alami. Pegas akan meregang atau mengerut jika diberikan gaya luar (ditarik atau ditekan). Nah, pada pegas yang digantungkan vertikal, gravitasi bekerja pada benda bermassa yang dikaitkan pada ujung pegas. Akibatnya, walaupun tidak ditarik ke bawah, pegas dengan sendirinya meregang sejauh x0. Pada keadaan ini benda yang digantungkan pada pegas berada pada posisi setimbang.
Berdasarkan hukum II Newton, benda berada dalam keadaan setimbang jika gaya total = 0. Gaya yang bekerja pada benda yang digantung adalah gaya pegas (F0 = ‐kx0) yang arahnya ke atas dan gaya berat (w = mg) yang arahnya ke bawah. Total kedua gaya ini sama dengan nol. Mari kita analisis secara matematis.
ƩF = mg – kx02
ƩF = 0 F0 = mg
Resultan gaya yang bekerja pada titik kesetimbangan = 0. Hal ini berarti benda diam alias tidak bergerak.
Jika kita meregangkan pegas (menarik pegas ke bawah) sejauh x, maka pada keadaan ini bekerja gaya pegas yang nilainya lebih besar dari pada gaya berat, sehingga benda tidak lagi berada pada keadaan setimbang.
Total kedua gaya ini tidak sama dengan nol karena terdapat pertambahan jarak sejauh x; sehingga gaya pegas bernilai lebih besar dari gaya berat. Ketika benda kita diamkan sesaat (belum dilepaskan), Ep benda bernilai maksimum sedangkan Ek = 0. Ep maksimum karena benda berada pada simpangan sejauh x. Ek = 0 karena benda masih diam.
Karena terdapat gaya pegas (gaya pemulih) yang berarah ke atas maka benda akan bergerak ke atas menuju titik setimbang.
Pada titik setimbang, besar gaya total = 0, tetapi laju gerak benda bernilai maksimum (v maks). Pada posisi ini, Ek bernilai maksimum, sedangkan Ep = 0. Ek maksimum karena v maks, sedangkan Ep = 0, karena benda berada pada titik setimbang (x = 0).
Karena pada posisi setimbang kecepatan gerak benda maksimum, maka benda bergerak terus ke atas sejauh ‐x. Laju gerak benda perlahan‐lahan menurun, sedangkan besar gaya pemulih meningkat dan mencapai nilai maksimum pada jarak –x. Ketika benda berada pada simpangan sejauh –x, Ep bernilai maksimum sedangkan Ek = 0. lagi‐lagi alasannya klasik ;) Setelah mencapai jarak ‐x, gaya pemulih pegas menggerakan benda kembali lagi ke posisi setimbang (lihat gambar di bawah). Demikian seterusnya. Benda akan bergerak ke bawah dan ke atas secara periodik. Selama benda bergerak, selalu terjadi perubahan energi antara Ep dan Ek. Energi Mekanik bernilai tetap. Pada benda berada pada titik kesetimbangan (x = 0), Em = Ek. Ketika benda berada pada simpangan sejauh –x atau +x, Em = Ep.
Hukum Kekekalan Energi Mekanik (HKEM) pada Bidang Miring
Misalnya sebuah benda diletakan pada bidang miring sebagaimana tampak pada gambar di atas. pada analisis ini kita menganggap permukaan bidang miring sangat licin sehingga tidak ada gaya gesek yang menghambat gerakan benda. Kita juga mengabaikan hambatan udara. Ini adalah model ideal.
Apabila benda kita letakan pada bagian paling atas bidang miring, ketika benda belum dilepaskan, benda tersebut memiliki Ep maksimum. Pada titik itu Ek‐nya = 0 karena benda masih diam. Total Energi Mekanik benda = Energi Potensial (Em = Ep).
Perhatikan bahwa pada benda tersebut bekerja gaya berat yang besarnya adalah mg cos teta. Ketika benda kita lepaskan, maka benda pasti meluncur ke bawah akibat tarikan gravitasi.. Ketika benda mulai bergerak meninggalkan posisi awalnya dan bergerak menuju ke bawah, Ep mulai berkurang dan Ek mulai bertambah. Ek bertambah karena gerakan benda makin cepat akibat adanya percepatan gravitasi yang nilainya tetap yakni g cos teta. Ketika benda tiba pada separuh lintasannya, jumlah Ep telah berkurang menjadi separuh, sedangkan Ek bertambah setengahnya. Total Energi Mekanik = ½ Ep + ½ Ek.
Semakin ke bawah, jumlah Ep makin berkurang sedangkan jumlah Ek semakin meningkat. Ketika tiba pada akhir lintasan (kedudukan akhir di mana h2 = 0), semua Ep berubah menjadi Ek. Dengan kata lain, pada posisi akhir lintasan benda, Ep = 0 dan Ek bernilai maksimum. Total Energi Mekanik = Energi Kinetik.
Hukum Kekekalan Energi Mekanik (HKEM) pada Bidang Lengkung
Ketika benda berada pada bagian A dan benda masih dalam keadaan diam, Energi Potensial benda maksimum, karena benda berada pada ketinggian maksimum (hmaks). Pada benda tersebut bekerja gaya berat yang menariknya ke bawah. Ketika dilepaskan, benda akan meleuncur ke bawah. Ketika mulai bergerak ke bawah, h semakin kecil sehingga Ep benda makin berkurang. Semakin ke bawah, kecepatan benda semakin makin besar sehingga Ek bertambah. Ketika berada pada posisi B, kecepatan benda mencapai nilai maksimum, sehingga Ek benda bernilai maksimum. Sebaliknya, Ep = 0 karena h = 0. Karena kecepatan benda maksimum pada posisi ini, benda masih terus bergerak ke atas menuju titik C. Semakin ke atas, Ek benda semakin berkurang sedangkan Ep benda semakin bertambah. Ketika berada pada titik C, Ep benda kembali seperti semula (Ep bernilai maksimum) dan benda berhenti bergerak sehingga Ek = 0. Jumlah Energi Mekanik tetap sama sepanjang lintasan.
Hukum Kekekalan Energi Mekanik (HKEM) pada Bidang Lingkaran
Salah satu contoh aplikasi Hukum Kekekalan Energi Mekanik pada gerak melingkar adalah gerakan Roller Coaster pada lintasan lingkaran vertikal sebagaimana tampak pada gambar di atas. Kita menganggap bahwa Roler coaster bergerak hanya dengan bantuan gaya gravitasi, sehingga agar bisa bergerak pada lintasan lingkaran vertikal, roler coaster harus digiring sampai ketinggian h1. Kita mengunakan model ideal, di mana gaya gesekan, baik gesekan udara maupun gesekan pada permukaan lintasan diabaikan. Pada ketinggian titik A, Roller coaster memiliki Ep maksimum sedangkan Ek‐nya nol, karena roller coaster belum bergerak. Ketika tiba di titik B, Roller coaster memiliki laju maksimum, sehingga pada posisi ini Ek‐nya bernilai maksimum. Karena pada titik B laju Roller coaster maksimum maka ia terus bergerak ke titik C. Benda tidak berhenti pada titik C tetapi sedang bergerak dengan laju tertentu, sehingga pada titik ini Roller coaster masih memiliki sebagian Ek. Sebagian Energi Kinetik telah berubah menjadi Energi Potensial karena roller coaster berada pada ketinggian maksimum dari lintasan lingkaran. Roller coaster terus bergerak kembali ke titik C. Pada titik C, Energi Kinetik Roller coaster kembali bernilai maksimum, sedangkan Ep‐nya bernilai nol. Energi Mekanik bernilai tetap sepanjang lintasan.... Karena kita menganggap bahwa tidak ada gaya gesekan, maka Roller coaster akan terus bergerak lagi ke titik C dan seterusnya.
Hukum Kekekalan Energi Mekanik (HKEM) pada Gerak Satelit
Energi Potensial tidak mempunyai persamaan umum untuk semua jenis gerakan. Persamaan Ek dapat digunakan untuk semua jenis gerakan, sedangkan Ep tidak. Pada pembahasan di atas, dirimu dapat melihat perbedaan antara persamaan Ep Gravitasi dan Ep elastis. nah, Energi Potensial sebuah benda yang berada pada jarak yang jauh dari permukaan bumi (tidak di dekat permukaan bumi) juga memiliki persamaan yang berbeda. Ep suatu benda yang berada pada jarak yang jauh dari permukaan bumi dinyatakan dengan persamaan :
Ep = mgh RE
r
re = jari‐jari bumi dan r adalah jarak benda dari permukaan bumi. untuk gerakan satelit, r adalah jari‐jari orbit satelit. Ketika berada di dekat permukaan bumi, r sangat kecil sehingga nilainya hampir sama dengan R. Karenanya Energi Potensial hampir sama dengan mgh. Ketika benda berada jauh dari bumi, seperti satelit misalnya, maka Ep‐nya adalah mgh kali re/r.
Kita tahu bahwa jari‐jari orbit satelit selalu tetap jika diukur dari permukaan bumi. Satelit memiliki Ep karena ia berada pada pada jarak r dari permukaan bumi. Ep bernilai tetap selama satelit mengorbit bumi, karena jari‐jari orbitnya tetap. Bagaimana dengan Ek satelit ? kita tahu bahwa satelit biasanya mengorbit bumi secara periodik. Jadi laju tangensialnya selalu sama sepanjang lintasan. Dengan demikian, Energi Kinetik satelit juga besarnya tetap sepanjang lintasan. Jadi selama mengorbit bumi, Ep dan Ek satelit selalu tetap alias tidak berubah sepanjang lintasan. Energi total satelit yang mengorbit bumi adalah jumlah energi potensial dan energi kinetiknya. Sepanjang orbitnya, besar Energi Mekanik satelit selalu tetap.
Daya
Dalam ilmu fisika, daya diartikan sebagai laju dilakukannya usaha atau perbandingan antara usaha dengan selang waktu dilakukannya usaha. Dalam kaitan dengan energi, daya diartikan sebagai laju perubahan energi. Sedangkan Daya rata‐rata didefinisikan sebagai perbandingan usaha total yang dilakukan dengan selang waktu total yang dibutuhkan untuk melakukan usaha. Secara matematis, hubungan antara daya, usaha dan waktu dirumuskan sebagai berikut :
Daya rata-rata = Usaha total = Perubahan energi
Waktu total waktu total
P͞ = ΔW
Δt
berdasarkan persamaan ini, dapat disimpulkan bahwa semakin besar laju usaha, semakin besar Daya. Sebaliknya, semakin kecil laju Usaha maka semakin kecil laju Daya. Yang dimaksudkan dengan laju usaha adalah seberapa cepat sebuah usaha dilakukan. Misalnya mobil A dan B memiliki massa yang sama menempuh suatu lintasan berjarak 1 km. Apabila mobil A menempuh lintasan tersebut dalam waktu yang lebih singkat dibandingkan dengan mobil B, maka ketika menempuh lintasan itu, daya mobil A lebih besar dari mobil B. Dengan kata lain, Mobil A memiliki laju perubahan energi kimia menjadi energi mekanik yang lebih besar dari pada mobil B.
Daya merupakan besaran skalar, besaran yang hanya mempunyai nilai alias besar, tidak mempunyai arah. Satuan Daya dalam Sistem Internasional adalah Joule/detik. Joule/detik juga biasa disebut Watt (disingkat W).
Contoh soal 1 :
Seseorang yang bermassa 60 kg menaiki tangga selama 4 sekon. Apabila ketinggian vertikal tangga tersebut adalah 4 meter, hitunglah daya orang itu dalam satuan watt dan besarnya energi yang dibutuhkan untuk menaiki tangga. Anggap saja percepatan gravitasi (g) = 10 m/s2.
Penyelesaian :
Diketahui : m = 60 kg
t = 4 s
h = 4 meter
g = 10 m/s2
P = W = F.s = (mg)(h)
t t t
P = (60kg).(10m/s2).(4m) = 600 J/s = 600 Watt
4s
E = P.t = (600 J/s).(4s) = 2400 Joule
BAB III
PENUTUP
3.1 Kesimpulan
Dari penjelasan di atas, dapat kami simpulkan bahwa :
Usaha merupakan sesuatu yang dilakukan oleh gaya pada sebuah benda, yang menyebabkan benda bergerak. Dengan rumus (formula): W = F s cos α, satuannya joule yang dilambangkan dengan J.
Energi merupakan salah satu konsep yang paling penting dalam fisika. Secara sederhana, energi merupakan kemampuan melakukan usaha. Secara umum, tanpa energi kita tidak dapat melakukan kerja. Dengan satuan dari energy yaitu joule yang dilambangkan dengan J. Energi dapat dibagi menjadi 2 yaitu energy potensial dan energy kinetic.
Energi potensial adalah energi yang tersimpan dalam sebuah benda atau dalam suatu kedaan tertentu. Energi potensial grafitasi dapat dirumuskan dengan Ep = m g h dan energy potensial elastic pegas dirumuskan dengan Ep = ½ k x2.
Energi Kinetik merupakan energi yang dimiliki benda karena gerakannya atau kecepatannya. Energi kinetic dirumuskan dengan Ek = ½ mv2.
Hukum kekekalan energi dapat kita nyatakan sebagai berikut :
Energi dapat diubah dari satu bentuk ke bentuk lain dan dipindahkan dari satu benda ke benda yang lain tetapi jumlahnya selalu tetap. Jadi energi total tidak berkurang dan juga tidak bertambah.
Energi Mekanik adalah jumlah total energy potensial dan energy kinetic (Em = Ep + Ek).
Dalam ilmu fisika, daya diartikan sebagai laju dilakukannya usaha atau perbandingan antara usaha dengan selang waktu dilakukannya usaha. Daya dirumuskan dengan P͞ = ΔW
Δt
3.2 Saran
Dari penjelasan diatas, yang dapat kami sarankan adalah belajar materi pembelajaran tentang Usaha dan Energi harus dengan konsentrasi, memahami dari setiap permasalahannya karena materi tentang Usaha dan Energi bukan materi pembelajaran yang mudah. Persering latihan soal, melakukan percobaan-percobaan tentang Usaha dan Energi.
Pembelajaran materi tentang Usaha dan Energi di sekolah harus terperinci. Jangan hanya memberikan rumus-rumus yang sudah jadi kepada peserta didik, namun berikan bagaimana cara rumus tersebut diperoleh. Berikan contoh-contoh soal, dengan variasi soal yang berbeda-beda.
Dan dalam pembuatan makalah dapat kami sarankan agar pembuatan makalah tersebut di rencanakan secara baik dan carilah materi dari makalah tersebut dari berbagai sumber agar mendapatkan materi makalah yang benar. Tanpa ada kesalahan materi atau konsep dalam makalah yang dibuat.
DAFTAR PUSTAKA
- Giancoli, Douglas C. 2001. Fisika Jilid I (Terjemahan). Jakarta : Penerbit Erlangga.
- Halliday dan Resnick. 1991. Fisika Jilid I (Terjemahan). Jakarta : Penerbit Erlangga.
- Tipler, P.A. 1998. Fisika untuk Sains dan Teknik–Jilid I (Terjemahan). Jakarta : Penebit Erlangga.
- Young, Hugh D. & Freedman, Roger A. 2002. Fisika Universitas (Terjemahan). Jakarta : Penerbit Erlangga.
- Sutrisno. 1997. Fisika Dasar (Edisi kelima). Jakarta. Penerbit Erlangga.
Itulah informasi contoh makalah Fisika yang dapat kami berikan untuk sahabat. semoaga bermanfaat dan bisa menjadi referensi ketika sahabat mencari sumber untuk menyelesaikan tugas makalaha fis
