Daya Mikrajuddin Abdullah Fisika Dasar I 2016

Bab 5 Kerja dan Energi 372 v F     5.28 Tampak dari persamaan 5.28 bahwa makin besar gaya yang dikerjakan maka makin besar daya yang dihasilkan. Untuk kendaraan bermotor, mesin dirancang untuk menghasilkan daya tertentu. Makin besar daya mesin maka makin besar gaya yang dihasilkan kendaraan saat bergerak sehingga makin cepat kendaraan mencapai kecepatan tertentu. Mesin mobil Xenia 1000 cc Gambar 5.16, kiri menghasilkan daya maksimum 63 daya kuda yang setara dengan 47 ribu watt. Mobil ini dapat mencapai laju 100 kmjam dari keadaan diam dalam waktu 20 detik. Mobil dengan daya terbesar yang ada hingga saat ini adalah SSC Ultimate Aero TT Gambar 5.16, kanan. Mesin mobil ini mengeluarkan daya maksimum 1.180 daya kuda atau setara dengan 880 ribu watt. Untuk mencapai laju 100 kmjam dari keadaan diam hanya dibutuhkan waktu 2,8 detik. mobilbaru.net automotoportal.com Gambar 5.16 Mobil All New Xenia 1000cc dengan daya maksimum mesin 62 daya kuda 47 ribu watt dan SSC Ultimate Aero TT dengan daya maksimum mesin 1.180 daya kuda 880 ribu watt. Pembangkit listrik tenaga air PLTA Cirata di Purwakarta, Jawa Barat menghasilkan daya listrik 1.008 MW yang terkoneksi pada sistem jaringan Jawa-Bali Gambar 5.7, kiri. PLTA dengan daya terbesar di dunia adalah Three Gorges Dam yang terletak di Propinsi Hubei, China. Daya yang dihasilkan adalah 18,2 GW atau setara dengan 18 buah PLTA Cirata Gambar 5.17, kanan. PLTA Jatiluhur yang sangat terkenal di Indonesia hanya menghasilkan daya 175 MW. Bab 5 Kerja dan Energi 373 absolutechinatours.com esdm.go.id Gambar 5.17 kiri PLTA Cirata dan kanan PLTA Three Gorges Dam Contoh 5.6 Posisi benda yang melakukan gerak osilasi memenuhi persamaan cos t A t x   . Gaya yang bekerja tiap saat memenuhi hukum Hooke, kx F   . Berapakah daya tiap saat? Jawab Pertama kita tentukan kecepatan tiap saat. Karena gerak hanya bersifat satu dimensi maka kecepatan tiap saat adalah dt dx v  sin t A     Daya tiap saat adalah Fv P  Bab 5 Kerja dan Energi 374     sin cos t A t kA        sin cos t t kA     Contoh 5.7 Pembangkit Listrik Tenaga Air PLTA Cirata di Kabupaten Purwakarta merupakan salah satu sumber jaringan listrik interkoneksi Jawa-Bali Gambar 5.17 kiri. PLTA tersebut memiliki 8 turbin yang digerakkan oleh air. Tiap turbin didorong oleh air yang jatuh dari ketinggian 112,5 meter dengan debit 135 m 3 detik. Massa jenis air adalah  = 1.000 kgm 3 . a Berapa daya yang dihasilkan air ketika mencapai masing-masing turbin? b Jika turbin dapat mengubah 85 energi air menjadi energi listrik, berapakan daya listrik yang dihasilkan oleh masing-masing turbin. c Berapakah daya listrik total yang dihasilkan PLTA Cirata? Jawab a Kita perhatikan satu turbin dulu. Volume air yang jatuh adalah 135 m 3 detik. Dengan demikian massa air yang jatuh adalah 135  1.000 = 135.000 kgdetik. Air jatuh dari ketinggian h = 112,5 meter, sehingga energi yang dihasilkan air per detik daya yang dihasilkan adalah 135.000  g  h = 135.000  10  112,5 = 1,52  10 8 jouledetik = 1,52  10 8 watt. b Daya listrik yang dihasilkan masing-masing turbin adalah 85  1,52  10 8 watt = 0,85  1,52  10 8 watt = 1,29  10 8 watt c Daya listrik total yang dihasilkan 8 turbin adalah 8  1,29  10 8 watt = 1,29  10 8 watt = 1,032  10 8 watt = 1,032 GW. Kerja oleh Pembalab Sepeda. Ketika pembalab mengayuh sepeda, mula-mula kerja yang dikeluarkan sangat besar. Lama-kelamaan kerja yang dikeluarkan makin kecil dan pada akhirnya hampir tidak ada lagi kerja yang dapat dikalukan karena telah kehabisan tenaga. Dari sejumlah pengukuran yang dilakukan ternyata kerja yang dilakukan oleh pembalap sepeda di saat-saat awal mengayuh dapat didekati dengan persamaan [I.R.C. Nickling, Bikework, American Journal of Physics 51, 423 1983]   exp 1 T t W t W    5.29 Bab 5 Kerja dan Energi 375 di mana T adalah waktu karakteristik. Waktu karakteristik berbeda untuk pembalap yang berbeda. Ketika waktu sudah berlangsung selama t = T maka   exp 1 T T W T W      1 exp 1    W   632 , 367879 , 1 W W    5.30 Gambar 5.18 Daya dan kerja yang dihasilkan pembalap sepeda sebagai fungsi waktu. Tampak dari persamaan 5.30 bahwa waktu karakteristik T adalah Bab 5 Kerja dan Energi 376 waktu yang yang diperlukan sehingga kerja yang dikeluarkan pembalap tinggal 0,632 63,2 dari kerja mula-mula. Dari persamaan kerja tersebut kita dapat mendapatkan daya yang dikeluarkan pembalap tiap saat, yaitu exp T t T W dt dW P    exp T t P   5.31 dengan P = W T . Dari sejumlah pembalap yang diukur didapat W  53.2  10 3 J dan T  64.2 s. Grafik perubahan kerja dan daya yang dihasilkan pembalap tampak pada Gambar 5.18. Fisika Balapan. Awal tahun 1960, insinyur Roger Huntington membangun persamaan empirik yang mengaitkan rasio daya dan berat terhadap laju kendaraan. Persamaan yang didapat adalah laju dalam satuam MPH memenuhi persamaan 3 1        berat daya K MPH 5.32 dengan K = 225; daya dalam horse power; berat dalam pound; MPH adalah laju dalam satuan mile per hour. Fox membangun landasan teori untuk persamaan Huntington tersebut [G.T. Fox, On the Physics of Drag Racing, American Journal of Physics 41, Bab 5 Kerja dan Energi 377 311 1973]. Asumsi yang digunakan adalah constant power approximation CPA, artinya selama balapan, daya yang dihasilkan kendaraan tetap nilainya. Energi kinetik yang dimiliki kendaraan sama dengan kerja yang dilakukan mesin dan kerja yang dilakukan mesin sama dengan integral daya terhadap waktu. Dengan demikian kita dapat menulis   t Pdt mv 2 2 1 5.33 Karena daya bernilai konstan selama balapan maka daya dapat dikeluarkan dari tanda integral dan kita peroleh Pt mv  2 2 1 Atau laju kendaraan memenuhi persamaan 2 1 2        m Pt v 5.34 Dari persamaan laju maka kita dapat menentukan jarak tempuh kendaraan dengan proses integral, yaitu   t vdt x         t dt t m P 2 1 2 1 2 Bab 5 Kerja dan Energi 378 2 3 2 1 2 3 2 t m P        Dari hasil ini kita peroleh lama balapan adalah 3 2 2 1 2 2 3                x P m t 5.35 Substitusi t ke dalam persamaan untuk v maka diperoleh 3 1 3        m xP v 3 1 3        mg xgP   3 1 3 1 3        W P xg 3 1        W P K 5.36 Yang bentuknya persis sama dengan persamaan empirik Huntington.

5.6 Gaya Konservatif

Kerja yang dilakukan oleh gaya untuk memindahkan benda umumnya bergantung pada lintasan yang ditempuh seperti tampak pada persamaan 5.3, di mana integral dilakukan sesuai dengan lintasan tempuh. Lintasan yang berbeda umumnya menghasilkan kerja yang berbeda meskipun posisi awal dan akhir sama. Namun ada jenis gaya, di mana usaha yang dilakukan oleh gaya tersebut sama sekali tidak Bab 5 Kerja dan Energi 379 bergantung pada lintasan yang ditempuh Gambar 5.19. Usaha yang dilakukan gaya semata-mata bergantung pada posisi awal dan posisi akhir benda. Gaya yang memiliki sifat demikian disebut gaya konservatif. Contoh gaya konservatif adalah Gaya gravitasi: 2 2 1 r m m G r F   5.37 Gaya listrik Coulomb: 2 2 1 r q q k r F  5.38 Gaya pegas Hooke: kx x F   5.39 Gaya antar molekul: 13 7 12 6 r B r A r F    5.40 Gaya Mie-Lennard-Jones:             1 1 n n m m r r n m mn r F    5.41 Gaya Buckingham:             7 6 1 1 6 6 r e m m r F r m     5.42 Gaya Morse:   1 1 2 2            r c r c e e c r F 5.43 Gaya Yukawa:        r r ge r G r 1   5.44