Banyak dari kendaraan
rekreasi dipekan raya atau taman hiburan yang menggunakan prinsip hukum kekekalan energi mekanik.
Misalnya, kereta luncur (roller
coaster). Kereta ini mula-mula
dinaikkan ke atas lereng yang curam, dan kemudian dilepaskan. Kereta ini melaju
direlnya tanpa ada mesin yang menjalankannya sepanjang lintasan. Hal ini bisa
terjadi karena puncak lereng lebih tinggi dari bagian lintasan rel yang lain.
Kereta luncur mendapat simpanan energi potensial yang banyak, yang kemudian
berubah menjadi energi kinetik saat gaya gravitasi menarik kereta ini.
 |
| Gambar 1. Rooler Coaster Menurut Hukum Kekekalan Energi |
A. Usaha
Di dalam kehidupan sehari-hari, mungkin kalian sering mendengar
kata usaha. Pengertian usaha dalam kehidupan sehari-hari adalah mengerahkan kemampuan
yang dimilikinya untuk mencapai tujuan atau kerja yang dilakukan orang atau
mesin. Apapun hasil kerja itu, berhasil atau tidak, asalkan orang atau mesin
itu melakukan sesuatu, dikatakan orang atau mesin tersebut melakukan usaha. Pengertian
usaha dalam fisika didefinisikan sebagai perkalian antara besar gaya yang
menyebabkan benda berpindah dengan besar perpindahan benda yang searah dengan
arah gaya tersebut. Secara matematis dapat ditulis sebagai berikut.
W = F
x s
Keterangan:
W : usaha (J)
F : gaya yang
beraksi pada benda (N)
s : jarak
pergeseran (m)
Telah kalian ketahui bahwa gaya dikatakan tidak melakukan usaha
jika gaya yang bekerja pada suatu benda memiliki resultan nol. Bagaimana jika resultan
gayanya tidak sama dengan nol tetapi benda tidak berpindah atau bergeser? Pada
kasus-kasus tertentu, gaya yang beraksi pada benda tidak mengubah kedudukan
benda. Misalnya ketika kalian mendorong tembok. Kalian dikatakan tidak
melakukan usaha karena tembok yang kalian dorong tidak berpindah (s = 0;
maka W = 0) Contoh yang lain adalah peristiwa atlet angkat besi yang menahan
barbel di atas kepala. Saat mengangkat barbel, atlet memberikan sejumlah gaya
yang sebanding dengan berat barbel. Gaya ini mengubah posisi barbel dari lantai
ke atas kepala atlet. Pada saat mengangkat barbel dari atas lantai ke atas kepalanya
atlet dikatakan melakukan usaha. Namun, setelah barbel berada di atas kepala,
atlet dikatakan tidak melakukan usaha, meskipun ia mengerahkan segenap tenaga
untuk menahan barbel tersebut. Hal ini disebabkan barbel tidak mengalami
perpindahan (s = 0; maka W = 0).
Pada kehidupan nyata, jarang dijumpai adanya gaya tunggal yang bekerja
pada benda. Misalnya, saat kalian berjalan. Gaya-gaya yang bekerja pada saat kalian
berjalan adalah gaya berat, gaya normal, dan gaya gesekan. Bagaimanakah cara
menentukan usaha yang dilakukan oleh berbagai gaya? Untuk dapat menentukan
usahanya, Kalian harus mengetahui besar gaya dan arahnya.
Usaha total yang dilakukan oleh beberapa gaya yang bekerja searah dapat
dihitung sebagai hasil kali resultan komponen gaya yang segaris dengan
perpindahan dan besarnya perpindahan.
W =
W1 + W2
W =
(F1 + F2) x s
Sedangkan usaha
yang dilakukan oleh gaya-gaya yang berlawanan arah merupakan selisih dari
perpaduan dua gaya yang berlawanan arah tersebut.
W =
W1 - W2
W =
(F1 - F2) x s
Menghitung
Usaha dengan Grafik
Usaha yang dilakukan oleh sebuah gaya dapat dilukiskan secara
grafis, yaitu dengan menarik garis komponen gaya sebagai fungsi perpindahannya.
Perhatikanlah Gambar berikut!
 |
| Gambar 2. Grafik Gaya terhadap Perpindahan |
Luas daerah diarsir di bawah grafik F– s menyatakan usaha
yang dilakukan oleh gaya sebesar F untuk perpindahan benda sejauh s.
Sehingga untuk menghitung usaha yang dilakukan oleh suatu gaya, Kalian cukup
menghitung luas daerah di bawah grafik gaya terhadap perpindahan. Hal ini
berlaku untuk segala jenis grafik gaya.
Usaha
yang Dilakukan Oleh Gaya Berat
Anggap sebuah benda bermassa m dilepaskan dari ketinggian h
di atas permukaan bumi. Benda akan jatuh karena pengaruh gaya gravitasi. Besarnya
usaha yang dilakukan oleh gaya gravitasi adalah:
Wgrav
= Fgrav x h = m x g x h
Usaha ini positif karena arah gaya dan perpindahan sama-sama ke bawah.
Sekarang kalian lihat kasus di mana benda dinaikkan dari lantai perlahan-lahan
hingga ketinggian h. Di sini arah perpindahan (ke atas) berlawanan
dengan arah gaya berat (ke bawah) sehingga usahanya negatif:
W = - (m x g x h)
Ketika benda berpindah secara horizontal gaya gravitasi tidak
melakukan usaha karena arah perpindahan tegak lurus arah gaya. Berdasarkan ketiga hal tersebut, dapat disimpulkan sebagai berikut.
• Jika benda berpindah sejauh h vertikal ke atas, maka
besarnya usaha gaya gravitasi adalah
W = - (m x g x h)
• Jika benda berpindah sejauh h vertikal ke bawah, maka
besarnya usaha gaya gravitasi adalah
W = m x g x h
• Jika benda berpindah sejauh h mendatar, maka besarnya
usaha gravitasi adalah
W = 0.
B. Energi
Energi merupakan kemampuan untuk melakukan usaha. Kalian tentu tahu
tentang hukum kekekalan energi. Hukum kekekalan energi menyatakan bahwa energi
tidak dapat diciptakan dan dimusnahkan melainkan hanya dapat diubah bentuknya.
Proses perubahan bentuk energi dari satu bentuk ke bentuk lainnya disebut konversi
energi. Alat untuk mengubah energi disebut konventer energi. Perubahan
energi terjadi ketika usaha sedang dilakukan. Misalnya, ketika kalian melakukan
usaha dengan mendorong mobil hingga mobil tersebut bergerak maju. Pada proses
usaha sedang berlangsung, sebagian energi kimia yang tersimpan dalam tubuh kalian
diubah menjadi energi mekanik. Di sini kalian berfungsi sebagai pengubah energi
(konverter energi).
 |
| Gambar 1. Air merupakan salah sumber energi yang dapat membangkitkan listrik. Listrik merupakan salah energi yang banyak digunakan manusia. |
Kalian telah mengenal berbagai sumber energi, antara lain, energi matahari,
energi panas bumi, energi angin, energi air, dan energi nuklir. Sumber utama
semua energi adalah energi matahari. Energi listrik merupakan salah satu bentuk
energi yang sering digunakan. Dari jaringan listrik PLN di rumah, kalian dapat
melakukan berbagai kegiatan, antara lain, menyalakan lampu, komputer,
menyetrika baju, mendengarkan radio, melihat siaran televisi. Hal ini
menunjukkan bahwa energi listrik dapat diubah menjadi bentuk energi lain yang kalian
butuhkan. Energi listrik diperoleh dari berbagai sumber. Misalnya dari air
terjun atau bendungan (PLTA), diesel (PLTD), panas bumi (PLTG), batubara
(PLTU), dan nuklir (PLTN).
Sumber energi fosil (minyak bumi, gas alam, batubara) merupakan
jenis sumber energi yang tidak dapat diperbaharui. Oleh karena itu, kalian
harus menghemat energi supaya sumber energi yang dimiliki tidak cepat habis.
1.
Energi Potensial
Energi potensial diartikan sebagai energi yang dimiliki benda
karena keadaan atau kedudukan (posisinya). Misalnya, energi pegas (per), energi
ketapel, energi busur, dan energi air terjun. Energi potensial juga dapat diartikan
sebagai energi yang tersimpan dalam suatu benda. Misalnya energi kimia dan
energi listrik. Contoh energi kimia adalah energi minyak bumi dan energi
nuklir.
a. Energi Potensial Gravitasi adalah energi yang dimiliki benda karena kedudukan ketinggian dari
benda lain. Secara matematis ditulis sebagai berikut:
Ep = m x g x h
Ep :
energi potensial gravitasi (N)
m : massa benda
(kg)
g : percepatan gravitasi (m/s2)
Energi potensial gravitasi tersebut adalah energi potensial benda terhadap
bidang acuan yang terletak pada jarak h di bawah benda. Energi potensial
gravitasi terhadap bidang acuan lain tentu saja berbeda besarnya. Misalnya,
terhadap bidang acuan yang jaraknya h1, di bawah kedudukan benda,
maka energi potensial gravitasinya adalah m x g x h1. Bidang
acuan tidak harus berada di bawah kedudukan benda. Dapat saja dipilih bidang acuan
yang letaknya di atas kedudukan benda. Dalam hal demikian energi potensial
gravitasi memiliki nilai negatif. Namun, biasanya bidang acuan dipilih di bawah
kedudukan benda.
b. Hubungan Antara Usaha dengan Energi Potensial Gravitasi adalah misalnya sebuah balok bermassa m diikat pada seutas
tali dan tali digulung pada suatu katrol licin. Anggap katrol dan tali
tak bermassa. Balok mula-mula berada pada ketinggian h1,
beberapa saat kemudian balok berada pada ketinggian h2.
W
= m x g x ( h1 – h2 )
2.
Energi Kinetik
Energi kinetik adalah
energi yang dimiliki oleh benda karena geraknya. Secara umum energi kinetik
suatu benda yang memiliki massa m dan bergerak dengan kecepatan v dirumuskan
oleh persamaan berikut.
E
= ½ x m x v2
Pada persamaan diatas tampak bahwa energi kinetik sebanding dengan massa
m dan kuadrat kecepatan (v2).
3. Hukum Kekekalan Energi Mekanik
Energi mekanik didefinisikan sebagai penjumlahan antara energi
kinetik dan energi potensial. Untuk lebih memahami energi kinetik perhatikan
sebuah bola yang dilempar ke atas. Kecepatan bola yang dilempar ke atas makin
lama makin berkurang. Makin tinggi kedudukan bola (energi potensial gravitasi makin
besar), makin kecil kecepatannya (energi kinetik bola makin kecil). Saat mencapai
keadaan tertinggi, bola akan diam. Hal ini berarti energi potensial gravitasinya
maksimum, namun energi kinetiknya minimun (v = 0). Pada waktu bola mulai
jatuh, kecepatannya mulai bertambah (energi kinetiknya bertambah) dan tingginya
berkurang (energi potensial gravitasi berkurang). Berdasarkan kejadian di atas,
seolah terjadi semacam pertukaran energi antara energi kinetik dan energi
potensial gravitasi. Hukum kekekalan energi mekanik berlaku dalam hal ini.
EMA = EMB
EPA + EKA = EPB + EKB
m x g x hA + ½ x m x vA2 = m x g x hB + ½ x
m x vA2
Perlu digaris bawahi bahwa hukum kekekalan energi mekanik berlaku hanya
jika tidak ada energi yang hilang akibat adanya gaya konservatif. Misalnya
akibat gesekan udara maupun gesekan antara dua bidang yang bersentuhan. Gaya
konservatif adalah gaya yang tidak bergantung pada lintasan, tetapi hanya
ditentukan oleh keadaan awal dan akhir. Usaha yang dilakukan oleh gaya
konservatif untuk berpindah antara dua posisi tertentu hanya bergantung pada
kedua posisi tersebut, dan tidak bergantung pada jalan yang ditempuh. Contoh
gaya konservatif adalah gaya gravitasi dan gaya pegas.
 |
| Gambar 4. Terjadi Perubahan Energi Potensial dan Kinetik secara Bergantian pada Ayunan |
Mula-mula usaha luar diberikan
kepada sistem untuk membawa ayunan dari titik terendah O ke titik
tertinggi A dan B. Di titik A dan B, sistem
memiliki energi potensial maksimum dan energi kinetiknya nol. Ketika sistem
mulai berayun, energi potensial mulai berkurang karena sebagian energi
potensial diubah menjadi energi kinetik (sesuai dengan hukum kekekalan energi
mekanik). Pada waktu ayunan mencapai titik O energi potensial bandul nol
karena semua energi potensialnya telah berubah menjadi energi kinetik. Selanjutnya
pada perjalanan dari O ke B energi kinetik makin kecil karena sebagian
energi kinetik diubah menjadi energi potensial. Ketika bandul tiba di B seluruh
energi kinetik bandul telah diubah menjadi energi potensial (di titik ini
energi potensial maksimum). Jika selama ayunan berlangsung ada hambatan udara
maka hukum kekekalan energi mekanik tidak berlaku lagi. Ayunan makin lama makin
melemah dan bandul tidak akan mencapai titik A. Suatu saat akhirnya bandul
akan berhenti. Ketika Kalian ukur suhu bandul yang sudah berhenti ini dengan
alat yang memiliki ketelitian tinggi, maka akan terbaca suhu bandul naik. Hal
ini menunjukkan bahwa hambatan udara menyebabkan sebagian energi mekanik sistem
berubah menjadi energi panas. Contoh lain peristiwa sehari-hari yang sesuai
hukum frekuensi energi mekanik adalah lompat galah dan buah jatuh bebas dari
pohonnya.
Demikian penjelasan terkait Usaha dan Energi, sebagai kesimpulan berikut kami berikan Peta Konsep Materi Usaha dan Energi. Semoga bermanfaat
 |
| Gambar 5. Peta Konsep Materi Usaha dan Energi |
Thx gan...
BalasHapus