Usaha dan Energi Pemahaman siswa tentang konsep usaha dan energi : sebuah studi kasus.

G. Usaha dan Energi

1. Usaha Pengertian usaha dalam kehidupan sehari-hari berbeda dengan pengertia n usaha dalam fisika. Contoh “usaha” berdasarkan pengertian sehari-hari: a. Bila seseorang mahasiswa ingin lulus dengan IPK yang baik, diperlukan usaha keras untuk belajar b. Dosen yang baik, selalu berusaha dengan berbagai cara untuk menerangkan mata kuliahnya, agar dapat difahami dengan baik oleh mahasiswanya. Dari dua contoh di atas dapat disimpulkan bahwa kata “usaha” dalam bahasa sehari-hari menjelaskan hampir semua aktivitas sehari-hari. Kata “usaha” dalam pengertian sehari-hari ini tidak dapat dinyatakan dengan suatu angka atau ukuran dan tidak dapat pula dinyatakan dengan rumus matematis. Tetapi dalam fisika usaha merupakan definisi yang sudah pasti, mempunyai arti dan dapat dinyatakan dengan rumus matematis. Pengertian usaha menurut bahasa sehari-hari adalah “upaya” untuk mendapatkan sesuatu. Dalam fisika, usaha merupakan proses perubahan energi dan selalu dihubungkan dengan gaya F dan perpindahan s suatu benda. Dengan kata lain, bila ada gaya pada benda ada perpindahan suatu benda itu, maka Gambar 1. Gaya F dan Pergesera Benda Sejauh s dikatakan gaya tersebut melakukan usaha terhadap benda. Usaha dapat ditimbulkan oleh gaya yang konstan dan juga gaya yang tidak konstan. a. Usaha oleh Gaya Konstan Usaha yang dilakukan oleh sebuah gaya pada suatu benda adalah hasil kali gaya tersebut dengan perpindahan benda di mana gaya itu bekerja Tipler, 1998: 156. Jika arah gaya dan arah perpindahan berbeda, maka hanya komponen gaya yang berimpit dengan perpindahan yang melakukan kerja. Besar usaha oleh gaya konstan merupakan hasil kali besar komponen gaya yang berimpit dengan perpindahan dengan besarnya perpindahan. Apabila pergeseran tidak searah dengan arah maka yang digunakan adalah komponen gaya yang berimpit pergeseran. Usaha akan maksimal bila memiliki arah yang sama dengan pergeseran, usaha akan nol 0 bila gaya yang dikerahkan tegak lurus dengan pergeseran. Gaya bekerja pada benda yang mengalami pergeseran sejauh s. Komponen gaya F yang berimpit dengan perpindahan adalah , maka besarnya usaha adalah Satuan Internasional SI dari usaha adalah Joule J, yang sama dengan perkalian dari Newton dan meter. N m Seandainya pada sebuah benda dikenai gaya lebih dari satu, misalkan tiga buah gaya F 1 , F 2 , dan F 3 , dan benda mengalami perpindahan sejauh s, sehingga usaha oleh masing-masing gaya tersebut dijumlahkan. Usaha masing-masing gaya dapat dicari dengan menggunakan rumus: Gaya F 1 akan melakukan usaha sebesar Gambar 2. Usaha oleh Beberapa Gaya Gaya F 2 akan melakukan usaha sebesar Gaya F 3 akan melakukan usaha sebesar Maka Usaha total Usaha yang dilakukan oleh ketiga gaya tersebut b. Usaha oleh Gaya yang Tidak Konstan Contoh gaya yang tidak konstan adalah gaya yang bergantung pada posisi. Contoh gaya yang tergantung pada posisi adalah gaya pegas, gaya gravitasi antarplanet, gaya listrik antara dua benda bermuatan, dan sebagainya. Gaya yang berubah terhadap posisi dapat kita anggap sebagai sederetan gaya-gaya konstan. Usaha yang dilakukan pada tiap selang adalah luasan di bawah gaya seperti pada gambar 3. Jadi, usaha total adalah jumlah seluruh luasan. Gambar 3.Grafik Gaya yang Tidak Konstan terhadap 2. Energi Energi merupakan kemampuan untuk melakukan usaha. Energi di alam adalah besaran yang kekal, dengan sifat-sifat sebagai berikut : a. Energi dapat diubah menjadi energi bentuk lain, tidak dapat hilang. Misalnya energi pembakaran berubah menjadi energi penggerak mesin. b. Energi dapat dipindahkan dari suatu benda ke benda lain atau dari sistem ke sistem lain. Misalnya kita memasak air. Energi dari api pindah ke air menjadi energi panas, dan energi panas atau kalor dipindah lagi ke uap menjadi energi uap. c. Energi dapat dipindah ke sistem lain melalui kerja mekanik. d. Energi tidak dapat dibentuk dari nol dan tidak dapat dimusnahkan. Sumber-sumber energi yang banyak digunakan dalam kehidupan sehari-hari adalah energi minyak bumi, energi batubara, energi air terjun, energi nuklir dan energi kimia. 3. Macam-Macam Energi a. Energi Kinetik Energi kinetik merupakan energi yang dipunyai benda karena geraknya. Energi kinetik diperkenalkan pertama kali oleh Lord Kelvin, fisikawan Inggris. Kata kinetik berasal dari bahasa Yunani yang berarti gerak. Energi kinetik bergantung pada massa dan kelajuan benda Kanginan, 2013: 118. Hubungan yang penting antara usaha total yang bekerja pada sebuah benda sama dengan perubahan energi kinetiknya. Pernyataan ini merupakan prinsip usaha-energi. Prinsip usaha- energi berlaku jika W adalah usaha total yang dilakukan oleh setiap gaya yang bekerja pada benda. Jika usaha positif W bekerja pada suatu benda, maka energi kinetiknya bertambah sesuai dengan besar usaha positif tersebut W. Jika usaha W yang dilakukan pada benda bernilai negatif, maka energi kinetik benda tersebut berkurang sebesar W. Dapat dikatakan bahwa gaya total yang diberikan pada benda di mana arahnya berlawanan dengan arah gerak benda, maka gaya total tersebut mengurangi laju dan energi kinetik benda. Jika besar usaha total yang dilakukan pada benda adalah nol, maka besar energi kinetik benda tetap laju benda konstan. Karena usaha yang yang dilakukan oleh gaya sama dengan usaha total yang dilakukan partikel Dengan Maka Hasil ini dikenal sebagai Teorema Usaha-Energi bahwa usaha yang dilakukan oleh gaya resultan yang bekerja pada suatu benda sama dengan perubahan energi kinetik yang dialami benda itu, yaitu energi kinetik akhir dikurang energi kinetik awal Kanginan, 2013: 120. b. Energi Potensial Energi potensial adalah energi yang dimiliki benda akibat kedudukannya bidang acuan. Yang dimaksud dengan bidang acuan adalah bidang yang diambil sebagai acuan tempat benda mempunyai energi potensial sama dengan nol. Contoh energi potensial adalah energi pegas, energi karet ketapel, energi air terjun. 1 Energi Potensial Gravitasi Energi Potensial gravitasi suatu benda yang bermassa m dan berada di dalam medan gravitasi benda lain yang bermassa M dalam kasus ini diambil bumi yang bermassa M dengan titik acuan tak berhingga. Apabila permukaan bumi sebagai bidang potensial nol dan ketinggian tidak melebihi 1000 km percepatan gravitasi tidak terlalu berbeda, dianggap konstan, perumusan energi potensial, secara matematis dapat ditulis: Ep = m g h Untuk lebih memahaminya, mari kita perhatikan sebuah buku yang berada di atas sebuah meja. Dikatakan bahwa buku tersebut mempunyai energi potensial gravitasi terhadap lantai. Jika buku tersebut mempunyai energi potensial gravitasi berarti gaya gravitasi pada benda tersebut mampu melakukan usaha dari tempat semula ke lantai. Dalam kasus ini, bidang lantai dianggap sebagai bidang acuan. 2 Energi Potensial Pegas Energi potensial pegas adalah kemampuan pegas untuk kembali ke bentuk semula. Secara umum persamaan energi potensial pegas adalah : 4. Kekekalan Energi Mekanik Usaha yang dilakukan gaya gravitasi pada benda yang berpindah dari suatu titik ke titik lain tidak bergantung pada jalan yang ditempuh. Jumlah energi kinetik dan energi potensial di dalam medan gravitasi konstan. Jumlah energi kinetik dan energi potensial ini disebut energi mekanik. Hal di atas dikenal sebagai Hukum kekekalan energi mekanik yang berbunyi : Jika pada suatu sistem hanya bekerja gaya-gaya yang bersifat konservatif, maka energi mekanik sistem pada posisi apa saja selalu tetap dengan kata lain energi mekanik pada posisi akhir sama dengan energi mekanik pada posisi awal. USAHA Teorema Usaha- Energi Energi Kinetik Energi Potensial Gravitasi ENERGI Energi Potensial Energi PotensialPegas Kekekalan Energi Energi Total Energi Mekanik PETA KONSEP USAHA DAN ENERGI 20 BAB III Metodologi

A. Jenis Penelitian