Usaha (disimbolkan dengan W)

Usaha adalah energi yang ditransfer melalui gaya yang bekerja pada suatu benda (Walker dkk, 2011). Tiga kata kunci yang berkaitan dengan usaha (W) adalah gaya (F), perpindahan (s), dan akibat. Artinya gaya harus mengakibatkan perpindahan agar dapat dikatakan melakukan usaha.

Jika arah perpindahan sejajar dengan komponen gaya, artinya ada usaha yang dilakukan. Usaha adalah besaran skalar, sedangkan gaya dan perpindahan adalah besaran vektor. Satuan usaha dalam SI (Satuan Internasional) adalah joule (J). Satu joule setara dengan 1 kg.m2/s2. Setidaknya dikenal tiga jenis usaha yaitu sebagai berikut:

Usaha nol

Usaha nol terjadi jika tidak ada usaha yang dilakukan. Misalnya secangkir kopi yang ada di atas meja dan Andi yang memanggul majalah sambil berjalan. Dalam peristiwa ini tidak ada usaha yang dilakukan terhadap majalah karena gaya untuk memanggul majalah adalah gaya vertikal, tetapi perpindahannya secara horizontal.

Gambar (1) Jenis-jenis usaha

Usaha Positif

Usaha positif terjadi ketika terjadi perpindahan vertikal ke atas dan serong ke atas dengan kecepatan tetap. Atau dalam kalimat yang lebih sederhana, usaha positif ini disebabkan oleh gaya yang terjadi pada benda sehingga bekerja searah atas perpindahan benda tersebut. Perhatikan ilustrasi di atas supaya lebih mudah paham.

Cara yang sangat mudah dalam menentukan apakah usaha itu positif atau bukan adalah dengan melihat arah perpindahan benda oleh gaya. Andai arah gaya yang ditimbulkan, sehingga mengakibatkan arah perpindahan bentu juga searah, maka usaha tersebut adalah usaha positif.

Jika dalam matematika, kedua garis yang ditampilkan pada gambar di atas adalah berimpitan. Yakni saling tumbuk atau bisa juga dikatakan arah tujuannya sama dengan gaya. Gaya itulah yang membentuk sudut NOL derajat dengan arah benda sehingga disebut usaha positif.

Usaha negatif

Usaha negatif terjadi ketika terjadi perpindahan vertikal ke bawah dan serong ke bawah dengan kecepatan tetap. Misalnya ketika Andi mengangkat secangkir kopi ke atas terjadi usaha positif, kemudian saat Andi kembali menurunkan secangkir kopi ke posisi semula terjadi usaha negatif. Sedangkan pada benda yang bergerak, usaha negatif adalah usaha yang melawan perpindahan. Misalnya Andi mendorong motor saat banjir, yang mana air banjir melakukan usaha negatif pada motor sehingga Andi mengeluarkan tenaga ekstra.

Persamaan usaha (W) dalam penulisan yang lebih umum perlu dipahami.

Terdapat tiga keadaan istimewa pada sudut antara gaya dan perpindahan:

Contoh Soal:

Andi meletakkan benda bermassa m di lantai. Benda ditarik dengan sudut 60° dari arah perpindahan. Gaya yang dipakai sebesar 5 N. Berapa usaha yang dihasilkan jika perpindahan benda sejauh 4 meter?

Energi (Disimbolkan dengan E)

Energi adalah kemampuan untuk melakukan usaha (Nurachmandani, 2009). Energi hanya menyatakan kuantitas dan termasuk besaran skalar (Abdullah, 2016).

1. Energi Kinetik

Energi Kinetik (Ek) adalah energi yang dimiliki benda bergerak. Energi kinetik tidak pernah bernilai negatif. Dalam SI satuan energi kinetik adalah joule (J). Persamaan energi kinetik adalah sebagai berikut:

Ek   =   m v2

Teorema usaha-energi kinetik menyatakan bahwa usaha total yang dilakukan gaya total pada benda sama dengan perubahan energi kinetik benda tersebut (Abdullah, 2016). Apabila gaya gesek kinetik (fk) diabaikan, persamaannya adalah sebagai berikut:

Jika gaya gesek (fk) diperhitungkan, maka persamaan teorema usaha-energi kinetik adalah sebagai berikut:

Contoh soal:

Motor bermassa 200 kg bergerak ke barat dengan kecepatan 40 m/s. Berapa energi kinetik motor tersebut?

2. Energi Potensial (Ep)

Energi potensial adalah energi yang dimiliki benda karena kedudukan atau bentuknya. Energi potensial termasuk besaran skalar.

a. Energi Potensial Gravitasi (Ep grav)

Besar usaha (Wgrav) yang dilakukan gaya gravitasi sama dengan minus perubahan energi potensial gravitasi (Nurachmandani, 2009). Persamaan energi potensial gravitasi (Ep grav) adalah sebagai berikut:

Ep grav   =          m g h

Wgrav     =          Ep grav 0Ep grav

1                      =          – Ep grav

b. Energi Potensial Pegas (Ep pegas)

Persamaan energi potensial pegas (Ep pegas) adalah sebagai berikut:

Contoh soal:

Pegas berkonstanta k terkena bola bermassa 0,5 kg hingga memendek 2 cm. Lalu bola memantul dengan kecepatan 5 m/s. Berapa nilai konstanta pegas jika tidak ada energi yang hilang dalam sistem?

3. Energi Mekanik (Em)

Energi mekanik (Em) meliputi energi kinetik (Ek) dan energi potensial (Ep). Persamaan energi mekanik (Em) adalah sebagai berikut:

Em   =   Ek + Ep

Hukum kekekalan ernergi mekanik menyatakan bahwa energi mekanik total selalu sama atau tetap (Raharja dkk, 2014). Hukum ini berlaku jika hanya gaya konservatif yang bekerja dan jika tidak ada energi yang masuk dan keluar dalam sistem. Gaya konservatif terjadi karena gaya internal (misal gaya gravitasi dan gaya pegas) yang mengubah energi benda menjadi energi lain tanpa mengubah energi mekanik total benda tersebut (Raharja dkk, 2014). Hukum kekekalan ernergi mekanikdapat diterapkan pada jenis gerak apa saja tanpa melihat lintasan. Penulisan matematis hukum kekekalan energi mekanik adalah sebagai berikut:

Em 0         =          Em 1

Ep0+ Ek0           =          Ep 1 +Ek1

(m g h0) + ( m v02)     =     (m g h1) + ( m v12)

Contoh soal:

Andi melempar melon bermassa 0,25 kg ke atas dengan kelajuan 20 m/s. Jika gesekan udara diabaikan, berapa energi potensial pada ketinggian maksimum? (g = 9,8 m/s2)

Referensi:

Abdullah, Mikrajuddin. 2016. Fisika Dasar I. Bandung: Institut Teknologi Bandung.

Walker, Jearl dkk. 2011. Fundamentals of Physics. New Jersey: John Wiley & Sons, Inc.

Raharja, Bagus dkk. 2014. Panduan Belajar Fisika 2A SMA Kelas XI. Surabaya: Penerbit Yudhistira.

Nurachmandani, Setya. 2009. Fisika 2: Untuk SMA/MA Kelas XI. Jakarta: Pusat Perbukuan, Departemen Pendidikan Nasional.