BELAJAR FISIKA ENERGI DAN USAHA

Latar Belakang

Di dalam ilmu fisika ada yang dikenal dengan sebutan "Energi dan Usaha". Apa dan bagaimana sebenarnya energi usaha itu sendiri. Coba kita telusuri latar belakang di angkatnya materi ini sebagai materi pelajaran fisika yang cukup penting. Semua mahluk hidup di dunia ini setiap hari melakukan pekerjaan atau aktifitas masing-masing secara rutin. Mahluk hidup yang ada di bumi ini baik manusia, hewan dan tumbuhan ternyata selalu berhubungan dengan yang namanya energi ataupun usaha. Jangankan mahluk hidup ternyata mahluk matipun memerlukan energi untuk melakukan sesuatu perkerjaan seperti mesin yang memerlukan energi listrik.

Ternyata sejak dulu para ilmuwan ataupun ahli fisika sudah tertarik untuk mengungkapkan rahasia pemahaman mengenai energi pada mahluk hidup yang peruntukannya untuk melakukan sesuatu usaha. Dari mana mahluk hidup itu memperoleh energinya, ataupun dari mana suatu mesin bisa mendapatkan energi listrik. Kalau mahluk hidup mendapatkan energi dari makanan. Makanan bermacam-macam dan mengandung zat-zat seperti karbohidrat, lemak, protein, mineral dan zat-zat lainnya. Zat makanan yang dikenal sebagai penghasil energi paling besar adalah karbohidrat. Karbohidrat ini biasanya terkandung dalam tanaman biji-bijian seperti padi, gandum, sagu dan lain-lain. Biasanya porsi karbohidrat lebih banyak dari porsi zat lain yang dimakan oleh manusia, ini karena manusia harus memperoleh energi yang cukup dalam melakukan bermacam-macam pekerjaan dalam satu hari. Untuk orang Indonesia energi paling banyak diperoleh dari nasi (beras yang dimasak). Sedangkan orang Barat biasanya kebutuhan karbohidrat mereka peroleh dari roti (olahan gandum).

Selain energi yang terkandung dalam makanan untuk kebutuhan kelangsungan hidup manusia, ternyata energi lain yang sangat mempengaruhi kehidupan kita dewasa ini adalah energi listrik. Coba bayangkan sekarang ini jika kita tidak mendapat pasokan listrik yang cukup dari PLN, atau sering mendapat pemadaman bergilir. Betapa kesalnya kita biasanya dalam menungu listrik yang padam karena semua peralatan rumah tangga membutuhkan energi listrik seperti televisi, kulkas, rice cooker, AC, kipas angin dan banyak lagi peralatan listrik lainnya.

Ahli fisika Inggris, James Prescott Joule, yang namanya menjadi satuan energi adalah penemu hukum kekekalan energi. Pada hukum ini dikatakan bahwa "energi hanya dapat dipindahkan tetapi tidak bisa diciptakan ataupun dimusnahkan". Atau yang kita sering dengar dengan istilah "Transfer Energi". Kalau kita orang awam yang bukan ilmuwan ataupun ahli pikir mungkin agak bingung dengan pernyataan di atas. Apaka benar energi itu tidak bisa diciptakan atau dihilangkan, sedangkan kita sendiri harus makan dengan rutin untuk mendapatkan pasokan energi yang habis akibat melakukan berbagai kegiatan. Tapi kalau menurut saya memang energi itu tidak hilang atau diciptakan tetapi hanya berpindah, contohnya sewaktu kita makan berarti kita memindahkan energi yang terkandung dalam makanan tersebut ke dalam tubuh kita. Energi listrik baterai yang habis karena pemakaian peralatan listrik juga adalah proses pemindahan energi, misalnya kipas angin mengubah energi listrik menjadi energi gerak, lampu mengubah energi listrik menjadi energi cahaya dan setrika mengubah energi listrik menjadi energi panas. Jadi jika tidak ada energi listrik yang dapat di ubah oleh peralatan tersebut maka peralatan tersebut tidak bisa melakukan usaha apa-apa.

Pengertian

Energi adalah kemampuan untuk melakukan usaha. Sedangkan, usaha adalah besarnya gaya yang bekerja pada suatu benda untuk melakukan perpindahan (gaya dikali perpindahan). Pengertian energi dan usaha di atas adalah pengertian secara fisika, sedangkan dalam kehidupan sehari-hari agak sedikit berbeda. Misalnya : Bedu mempunyai usaha pembuatan batu bata dan Amir mempunyai usaha toko manisan. Atau sering kita dengar kata-kata orang tua bahwa kita harus ber-usaha keras untuk mengejar cita-cita. Tetapi sebenarnya bukan pengertian itu yag kita mau bahas pada artikel energi dan usaha ini, melainkan pengertian energi dan usaha secara fisika. 

Pembahasan

Karena blog ini merupakan blog yang membahas mengenai ilmu pengetahuan atau memerlukan pembuktian ilmiah, maka yang akan kita bahas bukan masalah makna kata-kata dari energi dan usaha atau usaha dan energi, melainkan kita akan mencoba mengetahui perhitungan secara matematis. Jadi setiap benda mati ataupun mahluk hidup yang melakukan suatu pekerjaan akan dapat kita hitung besarnya energi yang dibutuhkannya. Ada rumus-rumus khusus yang telah dibakukan dalam penyelesaian materi fisika energi dan usaha ini.

Sebelumnya saya ingin membahas sekilas tentang pernyataan teman kuliah saya dulu. Memang pernyataan ini adalah hukum yang sudah dibakukan di dalam ilmu fisika, tetapi seuntai kalimat ini selalu teringat oleh saya yaitu "energi masuk sama dengan energi keluar". Mengapa pernyataan atau hukum fisika satu ini selalu saya ingat karena seringnya dulu saya ditegor oleh teman saya mengenai ini. Jadi karena saya jurusan tehnik elektro, maka seringkali mengikuti materi kuliah praktikum. Didalam praktikum dulu saya sering mengungkapkan ide yang bertentangan dengan hukum tersebut. Mungkin karena dorongan ingin mencari ide cemerlang maka ide-ide saya ternyata sangat bertentangan. Dari bebarapa kali saya diingatkan mengenai hukum ini, ada satu yang paling saya ingat yaitu ide untuk menghubungkan poros suatu motor yang bergerak ke suatu generator. Jadi maksud saya energi yang dipakai untuk menggerakkan motor listrik dapat kita ambil dengan cara memasang generator pada poros yang sama dan mengalirkannya kembali sebagai supply listrik pada motor. Secara pikiran sederhana memang pada saat generator mendapatkan putaran mekanis maka kumparannya akan mendapatkan listrik. Tetapi kalau kita lebih detail bahwa energi yang dibutuhkan untuk memutar poros motor yang terkopel dengan generator tadi akan lebih besar karena terbebani oleh generator. Jadi energi listrik akan sama dengan energi yang masuk pada motor ditambah energi yang masuk pada generator, sehingga mustahil bagi saya untuk menyuplai rangkaian kembali dari energi listrik hasil generator tersebut.

Contoh gambar orang yang mengeluarkan energi :

Berjalan kaki : Orang yang sedang mengeluarkan energi

Contoh gambar orang yang sedang melakukan usaha :

Orang sedang mendorong meja

Dari kedua contoh gambar usaha dan energi di atas dapat kita mengerti bahwa keduanya sedang mengeluarkan sejumlah energi tertentu untuk melakukan usaha yaitu jalan kaki dan mendorong meja. Secara fisika kita dapat menghitung seberapa besar energi yang dibutuhkan untuk suatu benda berpindah dalam jarak tertentu. Misalnya orang yang berjalan kaki sejauh sekian meter, maka dapat diperoleh berapa energi yang dikeluarkannya dengan rumus fisika tentang energi dan usaha. Begitu juga halnya pada orang yang sedang mengeluarkan energi untuk mendorong meja.

Jenis-jenis Energi dalam Fisika

Dari beberapa artikel fisika yang saya baca umumnya energi dibedakan menjadi 3 (tiga) yaitu :

1. Energi Potensial

Yaitu energi yang dimiliki oleh benda karena kedudukannya, contohnya : pegas. Energi ini sifatnya tersembunyi dan akan keluar jika dilakukan sesuatu kepadanya. Coba anda tarik sebuah pegas dengan kencang-kencang, maka pegas tersebut akan bergerak berulang-ulang atau melepaskan energi secara berulang-ulang. Padahal kita hanya menariknya satu kali saja. Contoh energi potensial pada pegas ini disebut juga energi potensial elastis.

2. Energi Kinetik

Yaitu energi yang dimilki oleh suatu benda karena gerakannya. Jadi bisa dikatakan energi kinetik ini adalah energi yang berhubungan dengan gerakan, misalnya : percobaan menjatuhkan beberapa benda dengan berat yang sama pada tanah yang berlumpur. Diperoleh kesimpulan bahwa kuadrat kecepatan akan berbanding lurus dengan kedalaman tanah tersebut.

3. Energi Mekanik

Yaitu energi yang diperoleh dari hasil penjumlahan energi potensial dengan energi kinetik.

\

Rumus-rumus Fisika Energi dan Usaha

I. Rumus pada Energi
1. Rumus pada energi Potensial
Ep = m. g. h
Ket :
Ep = Energi potensial gravitasi (Joule)
m = Massa benda (Kg) 
g = Percepatan gravitasi (N/kg) atau (m/s kuadrat)
h = Ketinggian benda (meter)

Rumus lain energi potensial :
Ep = Em - Ek

2. Rumus pada Energi Kinetik
Ek =
Ket :
Ek = Energi kinetik
v = kecepatan (m/s)
m = massa benda (kg)

Rumus lain energi kinetik :
Ek = Em - Ep

3. Rumus Energi Mekanik
Em = Ep + Ek
Ket:
Em = Energi Mekanik

II. Rumus Usaha
W = F.s
atau
W = F. s cos θ 
Ket :
W = Usaha (Joule atau Kg m/s)
F = Gaya (Newton)
s = Jarak perpindahan benda
θ = Sudut antara arah gaya dengan arah perpindahan


III. Rumus Hubungan Energi dan Usaha
W = ΔEp = m. g. (h2 - h1)
atau
W = ΔEk =
    
Ep1 + Ek1 = Ep2 + Ek2
Keterangan :
W = Usaha
Ep1 = Energi potensial awal
Ek1 = Energi kinetik awal
Ep2 = Energi potensial akhir
Ek2 = Energi kinetik akhir


IV. Rumus Hubungan, Energi, Usaha dan Daya

P =ΔE / Δt

atau
P = W / Δt 
atau
P = F. s / Δt 
atau
P = F. v  
Keterangan :
P = Daya (Watt atau J/s)
ΔE = Perubahan energi (J)

Δt = Perubahan waktu (s)
W = Usaha (J)
F = Gaya (N)
s = Jarak (m)



Contoh Soal Energi dan Usaha 

1. Terdapat Benda beratnya w Newton (g = 9,8 m/s²) mula-mula dalam keadaan diam. Gaya besarnya 10 newton bekerja pada benda selama 10 detik. Jika gaya telah melakukan usaha sebesar 3000 joule, berapa w dan berapa besarnya daya dalam watt dan HP.

2. Benda yang massanya 4 kg sedang bergerak. Hitunglah besar usaha untuk : 

a. Menaikkan kecepatan benda dari 3 m/s menjadi 6 m/s. 

b. Menghentikan gerak benda yang kecepatannya 10 m/s  (g = 9,8 m/s²)

3.Kapan Energi Potensial pegas akan sama dengan 0 ?

4. Untuk Menggeser sebuah balok pada bidang datar Yakub mengeluarkan usaha 20 joule, Hitunglah gaya dorong Yakub jika balok tersebut bergeser sejauh 50 Cm ?

5. Jika Yakub membawa ransel seberat 20 Kg kemudian mendaki bukit dengan ketinggian 20 meter, jika Yakub bergerak dengan kecepatan tetap, Hitunglah usaha yagn harus dilakukan Yakub ?

Video Edukasi Tentang Energi dan Usaha



Sumber video dari youtube

Artikel Terkait :

Jika anda ingin membagikan artikel BELAJAR FISIKA ENERGI DAN USAHA ini, maka anda harus mencantumkan link sumbernya. Terimakasih, semoga bermanfaat.