Fisika kelas X: Usaha dan Energi

Fisika Kelas X1000guru.net 1Fisika Kelas X1000guru.net 1
Usaha dan Energi
• Konsep Usaha/Kerja dan Daya
dalam Fisika
• Hubungan Usaha dan Energi
• Hukum Konservasi Energi

Usaha dan Energi dalam Fisika
Usaha/kerja di dalam fisika bukanlah usaha yang terkait
dengan “mencari nafkah”
Usaha dalam fisika terkait
dengan perubahan energi

Definisi Usaha (oleh gaya konstan)
𝐹
𝑑
Usaha adalah perkalian dari gaya konstan yang sejajar
dengan arah perpindahan benda.
𝑊 = 𝐹. 𝑑W : work
d : distance
𝐹
𝛼
𝐹cos𝛼 𝑊 = 𝐹cos𝛼 . 𝑑

Definisi Usaha
• Satuan Usaha:
Sistem Internasional (SI) atau MKS: Joule
Sistem CGS: erg
1 joule = 107
erg
• Jika ada beberapa gaya yang bekerja pada sebuah
benda, maka total usaha yang dilakukan pada benda
tersebut adalah jumlah dari usaha yang dilakukan
setiap gaya.
𝐹1
𝐹2
𝐹3
𝑑
𝑊 = 𝐹1cos 𝛼 . 𝑑 + 𝐹2 cos 𝛽 . 𝑑 + 𝐹3 cos 𝛾 . 𝑑

Contoh Soal #1:
Sebuah balok berada bidang datar. Karena pengaruh gaya
140 N, balok tersebut mengalami perpindahan mendatar
sejauh 5 m, berapa usaha yang dilakukan pada balok ini
apabila:
(a) Gaya mendatar
(b) Gaya membentuk sudut 60o terhadap bidang datar
Jawab:
(a) 𝑊 = 𝐹 . 𝑑 = 140 N × 5 m = 700 joule
(b) 𝑊 = 𝐹 cos 𝛼 . 𝑑 = 140 cos 60∘
× 5 = 140.
1
2
× 5 = 350 joule

Contoh Soal #2:
Gaya sebesar 40 N bekerja pada sebuah benda dan
menyebabkan benda berpindah tempat sejauh 80 cm pada
bidang datar. Jika usaha yang dilakukannya adalah 25,6
joule, berapakah sudut yang dibentuk gaya terhadap
bidang?
Jawab:
𝑊 = 𝐹 cos 𝛼 . 𝑑
cos 𝛼 =
𝑊
𝐹. 𝑑
=
25,6 joule
40 N × 0,8 m
Gunakan satuan SI
=
25,6
32
= 0,8
𝛼 = 37∘
5
4
3
37o
cos 37∘ =
4
5
= 0,8

Usaha dan Daya
Daya adalah usaha yang dilakukan tiap satuan waktu.
𝑃 =
𝑊
𝑡
P : power
t : time
Satuan:
Daya  watt
Usaha  joule
Waktu  sekon
Selain watt, ada beberapa satuan non-SI yang sering
digunakan untuk menyatakan daya
1 hp = 1 DK = 1 PK = 746 watt
(hp = horse power, DK = daya kuda, PK = paarden kracht)
Ada juga satuan usaha non-SI selain erg, yaitu kwh.
1 kwh = 1 kilowatt hour = 1000 watt . 3600 sekon
= 3,6 x 106 joule

Contoh Soal #3:
Sebuah mesin pengangkat barang dapat mengangkat balok
yang massanya 3 ton setinggi 10 meter dalam waktu 20
detik. Berapa daya mesin tersebut jika percepatan
gravitasi 10 m/s2?
Jawab: Usaha yang dilakukan di sini terkait perpindahan ke arah
vertikal untuk melawan gaya berat. Untuk menghitung daya,
kita hitung dulu usaha ini.
𝑑F = m . g
𝑊 = 𝐹. 𝑑 = 𝑚𝑔𝑑
= 3000 kg . 10 m/s2. 10 m
= 300.000 joule
Daya:

Definisi Energi
• Suatu sistem dikatakan mempunyai energi jika sistem
tersebut mempunyai kemampuan untuk melakukan
usaha.
• Besarnya energi suatu sistem sama dengan besarnya
usaha yang mampu ditimbulkan oleh sistem tersebut.
 Satuan energi sama dengan satuan usaha (joule)
• Prinsip usaha-energi
Usaha adalah transfer energi yang dilakukan oleh
gaya-gaya yang bekerja pada benda).
• Beberapa macam energi: energi mekanik (kinetik +
potensial), energi panas, energi listrik, nuklir, dll…

Energi kinetik
Energi kinetik: energi yang dimiliki oleh setiap benda yang
bergerak dengan kecepatan tertentu.
𝑎 =
𝑣2 − 𝑣1
𝑡
𝑑 = 𝑣. 𝑡 =
𝑣1 + 𝑣2
2
. 𝑡
𝑣1
Dari pelajaran kinematika, kita bisa hitung percepatan dan perpindahan:
Lalu, bagaimana merumuskan energi kinetiknya?
posisi mula-mula
𝑑
𝑣2posisi akhir

Energi kinetik
𝑎 =
𝑣2 − 𝑣1
𝑡
𝑑 = 𝑣. 𝑡 =
𝑣1 + 𝑣2
2
. 𝑡
𝑣1
𝑑
𝑣2
Modifikasi rumus 𝑑:
𝑑 =
𝑣1 + 𝑣2
2
.
𝑣2 − 𝑣1
𝑎
Modifikasi rumus 𝑎 untuk
dapatkan 𝑡:
𝑡 =
𝑣2 − 𝑣1
𝑎
posisi mula-mula posisi akhir

Energi kinetik
𝑣1
𝑑
𝑣2
𝑑 =
𝑣1 + 𝑣2
2
.
𝑣2 − 𝑣1
𝑎
=
(𝑣2)2
− (𝑣1)2
2𝑎
2𝑎. 𝑑 = 𝑣2
2
− 𝑣1
2
𝐹. 𝑑 =
𝑚
2
(𝑣2
2
− 𝑣1
2
)
→ 2
𝐹
𝑚
. 𝑑 = 𝑣2
2
− 𝑣1
2
𝑊 =
1
2
𝑚𝑣2
2
−
1
2
𝑚𝑣1
2

Energi kinetik
𝑣1 𝑣2
𝑊 =
1
2
𝑚𝑣2
2 −
1
2
𝑚𝑣1
2
𝐸𝐾 =
1
2
𝑚𝑣2
= 𝐸𝐾2 − 𝐸𝐾1
Energi kinetik: energi yang dimiliki
oleh setiap benda bermassa yang
bergerak dengan kecepatan tertentu.
𝑊 = 𝐸𝐾2 − 𝐸𝐾1 Transfer usaha  energi kinetik

Contoh Soal #4:
Berapa besar energi kinetik suatu benda yang bergerak
dengan kecepatan 20 m/s jika massa benda 1000 kg?
Berapa usaha konstan yang perlu diberikan pada benda
tersebut agar dapat berhenti?
Jawab: 𝐸𝐾 =
1
2
𝑚𝑣2
=
1
2
(1000)(202
)
= 500 × 400 = 𝟐𝟎𝟎. 𝟎𝟎𝟎 𝐣𝐨𝐮𝐥𝐞
𝑊 = 𝐸𝐾2 − 𝐸𝐾1
Usaha:
(akhir) (mula-mula)
Keadaan akhir:
berhenti  𝑣2 = 0  𝐸𝐾2 = 0 joule
Keadaan mula-mula:
bergerak  𝑣1 = 20 m/s  𝐸𝐾1 = 200.000 joule
= 0 − 200.000 = −𝟐𝟎𝟎. 𝟎𝟎𝟎 𝐣𝐨𝐮𝐥𝐞
(usaha oleh gesekan bernilai negatif)

Sebuah benda dengan massa sebesar M bergerak di atas
lantai kasar dengan kecepatan mula-mula sebesar 10 m/s.
Jika besarnya koefisien gesekan 0,25, hitunglah jarak
yang ditempuh benda hingga ia berhenti dengan asumsikan
percepatan gravitasi g = 10 m/s2.
Contoh Soal #5:
Jawab:
𝑊 = 𝐸𝐾2 − 𝐸𝐾1
Usaha:
(akhir) (mula-mula)
Keadaan akhir:
berhenti  𝑣2 = 0  𝐸𝐾2 = 0
Keadaan mula-mula:
bergerak  𝑣1 = 10 m/s  𝐸𝐾1 =
1
2
𝑚𝑣1
2
=
1
2
𝑀 × 102
= 50𝑀
= 0 − 50𝑀 = −𝟓𝟎𝑴
• Hitung dulu usaha W = EK2 – EK1
• Dari rumus W = F.d bisa diperoleh jarak
• F di kasus ini adalah gaya gesek: F = µ . N = µ . M g
𝑊 = 𝐹. 𝑑 = −𝜇. 𝑀𝑔 . 𝑑 = −0,25𝑀. 10 . 𝑑 = −𝟐, 𝟓 𝑴. 𝒅
⇒ −50 𝑀 = −2,5 𝑀𝑑 ⇒ 𝒅 =
𝟓𝟎
𝟐, 𝟓
= 𝟐𝟎 𝐦𝐞𝐭𝐞𝐫

Energi potensial gravitasi
Energi potensial gravitasi: energi yang dimiliki suatu benda
karena ketinggiannya di atas permukaan bumi .
ℎ1
F = m . g
ℎ2
ketinggian
mula-mula
ketinggian
akhir
𝑑
Usaha yang dilakukan di sini
terkait dengan gaya gravitasi
(gaya berat)
𝑊 = 𝐹. 𝑑
= 𝑚𝑔. 𝑑
= 𝑚𝑔(ℎ1 − ℎ2)
= 𝑚𝑔ℎ1 − 𝑚𝑔ℎ2
𝑊 = 𝐸𝑃1 − 𝐸𝑃2
𝐸𝑃 = 𝑚𝑔ℎ

Sebuah tangki penampung air terletak pada ketinggian 8 m.
Jika massa tanki beserta isinya 1200 kg, berapakah
besarnya energi potensial tangki tersebut? Selanjutnya,
jika kita ingin menyedot air dari tangki tersebut ke
ketinggian 12 m selama 1 menit, berapa daya listrik yang
diperlukan? (Asumsikan percepatan gravitasi 10 m/s2)
Contoh Soal #6:
Jawab: 𝐸𝑃 = 𝑚𝑔ℎ = 1200 kg × 10 m s2 × 8 m
= 96.000 jouleSelanjutnya,
daya bisa dihitung jika diketahui usaha: 𝑊 = 𝐸𝑃1 − 𝐸𝑃2
𝐸𝑃1 awal = 96.000 joule
𝐸𝑃2 akhir = 𝑚𝑔ℎ2 = 1200 × 10 × 12 = 144.000 joule
𝑊 = 𝐸𝑃1 − 𝐸𝑃2 = 96.000 − 144.000 = −48.000 joule
𝑃 =
𝑊
𝑡
=
48.000 joule
60 sekon
Daya: = 𝟖𝟎𝟎 𝐰𝐚𝐭𝐭

Konservasi Energi Mekanik
Energi mekanik: kombinasi energi kinetik & energi potensial.
ℎ1
F = m . g
ℎ2
ketinggian
mula-mula
ketinggian
akhir
𝑣1
𝑣2
F = m . g
𝑊 = 𝐸𝑃1 − 𝐸𝑃2𝑊 = 𝐸𝐾2 − 𝐸𝐾1
𝐸𝐾2 − 𝐸𝐾1 = 𝐸𝑃1 − 𝐸𝑃2
𝐸𝐾2 + 𝐸𝑃2 = 𝐸𝐾1 + 𝐸𝑃1
𝐸𝑀2 = 𝐸𝑀1 𝐸𝑀 = 𝐸𝐾 + 𝐸𝑃
Energi mekanik akhir
sama seperti
Energi mekanik awal

Sebuah bandul didorong hingga mencapai ketinggian 1,8 m
kemudian dilepaskan hingga bergerak dengan kecepatan v
seperti pada gambar di bawah. Jika percepatan gravitasi
10 m/s2, maka berapakah besar kecepatan v?
Contoh Soal #7:
𝑣
Jawab:
𝐸𝐾2 + 𝐸𝑃2 = 𝐸𝐾1 + 𝐸𝑃1
Gunakan prinsip konservasi EM
Posisi 2
Posisi 1
ℎ2
ℎ1
1,8 m
1
2
𝑚𝑣2 + 𝑚𝑔ℎ2 = 0 + 𝑚𝑔ℎ1
1
2
𝑣2 + 𝑔ℎ2 = 𝑔ℎ1
1
2
𝑣2
= 𝑔(ℎ1−ℎ2)
𝑣2
= 2𝑔(ℎ1−ℎ2) → 𝑣 = 2𝑔(ℎ1 − ℎ2)
𝑣 = 2 × 10 × 1,8 = 36 = 𝟔 𝐦/𝐬

Fisika kelas X: Usaha dan Energi

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

Viewers also liked

Viewers also liked (7)

Similar to Fisika kelas X: Usaha dan Energi

Similar to Fisika kelas X: Usaha dan Energi (20)

More from 1000 guru

More from 1000 guru (6)

Recently uploaded

Recently uploaded (20)

Fisika kelas X: Usaha dan Energi