Dinamika Gerak- Usaha

Usaha dalam Fisika

Istilah usaha dalam ilmu fisika berbeda dengan istilah usaha yang sering kita dengar dalam kehidupan sehari-hari. Usaha dalam ilmu fisika diartikan sebagai jumlah energi yang dibutuhkan untuk memindahkan objek atau benda. Secara matematis cara menghitung usaha dibedakan menjadi tiga berdasarkan konteks gerak benda, yaitu:

1. Usaha Akibat Gaya Luar

Lalu bagaimana cara menghitung usaha yang dilakukan sebuah gaya pada objek hingga objek melakukan perpindahan?

Usaha yang dilakukan sama dengan hasil perkalian komponen gaya dan perpindahannya, dimana gaya yang diberikan searah dengan perpindahan benda tersebut. 

Usaha akibat gaya secara matematis dapat ditulis seperti berikut:

W = F.s 

Keterangan :

W = usaha/kerja (joule)(J)

F = gaya (Newton)(N)

S = perpindahan (m)

Contoh Soal:

Balok bermassa 2 kg berada pada bidang datar licin. Bila gaya mendatar sebesar 20 N bekerja pada balok sehingga balok berpindah sejauh 50 cm. Usaha yang dilakukan oleh gaya tersebut adalah...

Penyelesaian

Diketahui :

m = 2 kg

F = 20 N

s = 50 cm = 0,5 m

Ditanya :

W?

Jawab :

W = F . S

     = 20 . 0,5

W = 10 J

Jika lantai kasar, maka gaya gesekan atar objek dan permukaan benda harus diperhitungkan, seperti pada contoh berikut ini usaha pada bidang datar kasar,

Contoh Soal:

Balok bermassa 5 kg berada pada bidang datar kasar. Bila gaya mendatar sebesar 30 N bekerja pada balok dan disaat bersamaan gaya gesek sebesar 10 N muncul akibat gesekan objek, sehingga balok berpindah sejauh 50 cm. Usaha yang dilakukan oleh gaya tersebut adalah...

Penyelesaian

Diketahui :

m = 5 kg

F = 30 N

fk = 10 N

s = 50 cm = 0,5 m

Ditanya :

W?

Jawab :

W = (F - fk). S

     = (30 - 10). 0,5

W = 10 J

Lalu bagaimana jika gaya yang diberikan pada objek tidak sejajar dengan sumbu X? Seperti keadaan contoh soal di bawah ini,

Contoh Soal:

Sekotak air mineral di tarik dengan sebuah tali dengan gaya 20 N membentuk sudut 30° terhadap bidang datar. Jika antara kotak air mineral dan lantai terdapat gaya gesekan sebesar 5 N. Berapakah usaha yang dikeluarkan untuk memindahkan sekotak air mineral bermassa 2 kg sejauh 4 m?

Penyelesaian:

Diketahui :

F = 20 N

fk = 5 N

◇ = 30 °

m = 5 kg

S = 4 m

Ditanya :

W?

Jawab :

W = F. S

     = (F cos ◇ - fk) . S

     = [20 (1/2) - 5] . 4

W = 20 J

2. Usaha dari Perubahan Energi Potensial

Saat benda mengalami peristiwa jatuh bebas, apakah benda memiliki nilai usaha? Tentu saja iya! 

Pada benda yang bergerak jatuh bebas gaya yang bekerja pada benda adalah gaya berat menyebabkan benda bergerak lurus ke bawah menuju ke pusat bumi.

Benda yang bergerak jatuh bebas mengalami perubahan posisi setiap saat, perubahan posisi ini menyebabkan adanya perubahan energi potensial di setiap saatnya.

Sudahkah kalian memahami pengertian dari energi potensial?

Energi potensial adalah energi yang dimiliki oleh suatu benda akibat posisinya terhadap objek lain. Energi potensial bisa disebut juga dengan energi diam, karena bisa dimiliki oleh benda yang diam. Energi potensial akibat posisinya terhadap permukaan bumi disebut dengan energi potensial grafitasi. 

Ep = m.g.h

Keterangan 

Ep = Energi Potensial (joule)(J)

m = massa benda (Kg)

g = percepatan grafitasi ( 10 m/s^2)

h = ketinggian objek dari permukaan tanah (m)

Perubahan posisi akibat gaya gravitasi/gaya berat sama halnya dengan usaha yang dilakukan gaya gravitasi/gaya berat sehingga hubungan keduanya dapat dirumuskan sebagai berikut:

W = 🔺️Ep

     = m.g.h2 - m.g.h1

W = m.g.(h2 - h1)

Bagaimana aplikasinya dalam permasalahan sehari-hari? Mari kita pahami lewat contoh soal dibawah ini,

Contoh Soal

Buah kelapa bermassa 1 kg terjatuh dari atas pohon setinggi 5 m. Berapakah usaha yang dikeluarkan saat kelapa berada pada ketinggian 2 meter dari permukaan tanah? (g = 10 m/s^2)

3. Usaha dari Perubahan Energi Kinetik

Selain perubahan energi potensial, ternyata perubahan energi kinetik juga dapat menyatakan besarnya usaha yang dilakukan oleh suatu objek.

Secara fisis energi kinetik diartikan sebagai energi yang dimiliki benda saat benda bergerak. Secara matematis di tuliskan sebagai berikut:

Misalnya sebuah kendaraan melaju dengan kecepatan V awal dan kemudian meningkatkan kecepatan menjadi V akhir, ini menyatakan bahwa ada usaha yang dilakukan mesin kendaraan untuk meningkatkan kecepatan. 

Usaha yang dilakukan oleh mesin kendaraan sama besarnya dengan perubahan energi kinetik yang dialami kendaraan tersebut. Secara matematis dapat ditulis seperti berikut:

Untul lebih memahami penerapannya dalam kehidupan sehari-hari, marilah kita belajar dnegan contoh soal berikut ini,

Contoh soal:

Mobil bermassa 1 ton bergerak dari keadaan diam. Sesaat kemudian kecepatannya sudah berubah menjadi 10 m/s. Besar usaha yang dilakukan oleh mesin mobil tersebut adalah...

Berikut adalah penjelasan singkat mengenai usaha dan hubungannya dengan energi, untuk mengukur pemahaman kalian kerjakanlah soal-soal berikut di buku catatan kalian!

LATIHAN SOAL

1. Seseorang dengan massa 70 kg menaiki tangga yang tingginya 8 meter dalam waktu 1 menit. Berapakah usaha yang di lakukan oleh orang tersebut?

2. Berapa usaha yang diperlukan seorang pelari cepat dengan massa 60 kg untuk mencapai kecepatan 2 m/s dari keadaan diam?

3. Atlit lompat tinggi perlu melompat setinggi 5 meter untuk bisa memecahkan rekor di kelasnya. Bila massa atlit 60 kg, berapakah usaha yang diperlukan atlit untuk mencapai ketinggian tersebut?

4. Mobil bermassa 4 kwintal bergerak dengan kecepatan 20 m/s. Pada jarak 50 m pengendara mobil melihat lampu lalu lintas berwarna merah, sehingga melakukan pengereman sehingga kecepatannya berubah menjadi 5 m/s. Berapakah usaha yang dilakukan kanvas rem pada peristiwa tersebut?

5. Sebuah meja massanya 10 kg mula-mula diam di atas lantai licin, didorong selama 3 sekon bergerak lurus dengan percepatan 2 m/s^2. Besar usaha yang terjadi adalah...

By. Ayu Andhira