Dokumen tersebut membahas tentang usaha dan energi secara fisika, meliputi pengertian usaha, energi kinetik, energi potensial gravitasi, hukum kekekalan energi, dan contoh soal perhitungan usaha.

1. Usaha dan Energi
Adri Suryana H.
Liborius Wagner

2. Usaha dan Energi
PENDAHULUAN
DASAR TEORI
CONTOH SOAL

3. Dalam kehidupan sehari-hari,ungkapan usaha dan energi merupakan
kata-katayang sering digunakan dalam percakapan.Orang sering
mengistilahkan usaha adalah segala sesuatu untuk mencapai tujuan.
Sedangkan energi atau orang menyebutnya dengan tenaga. Tenaga
adalah kemampuan untuk melakukan usaha atau kerja. Apa usaha dan
energi dalam kehidupan sehari-hari sama artinya dengan usaha dan
energi dalam fisika?

4. Usaha
Gaya Konservatif
Energi
Daya

5. Usaha
Secara fisis usaha adalah transfer energi melalui gaya sehingga benda
berpindah.
Pada gambar ini, seorang anak mendoorong dengan gaya sebesar F
(Newton), sehingga mengalamiperpindahan sejauh s (meter). Gaya F tersebut
dikatakan melakukanusaha sebesar W (Joule).
Usaha yang dilakukan oleh sebuah gaya didefinisikan oleh sebuah gaya
dideifnisikan sebagai hasil kali antargaya dan perpindahannya.
Gaya dan perpindahannya adalah besaran skalar,maka secara matematika
Usaha dapat dituliskan menjadi
W = F.s
dimana : W = Usaha (Joule)
F = Gaya (N)
s = Perpindahan (m)

6. Satuan Usaha
Satu joule adalah besarnya usaha yang dilakukan
oleh gaya sebesar 1 newton untuk memindahkan
benda sejauh 1 meter (arah gaya seaarah dengan
arah perpindahan).
Dalam sistem satuan cgs, satuan gaya adalah dyne dan perpindahan
adalah centimeter, sehingga satuan usaha dalam cgs adalah dynecm
atau erg
1 Joule = 1 Nm2 1 erg = 1 dynecm
= 1 Kgm2s-2 = 1 gcm2s-2
Jadi, 1 Joule = 107 erg

7. USAHA YANG DILAKUKAN OLEH GAYA
Persamaan diatas (W = F.s) itu hanya berlaku jika gaya yang berkerja segaris
dan searah dengan perpindahan. Jika gaya yang bekerja membentuk sudut
terhadap perpindahan maka persamaan tersebut tidak dapat digunakan. Akan
dapat digunakan jika kita menambahkan cos θ dalam persamaan tersebut jika
ditarik ke arah sumbu x. Dimana θ adalah besar sudut antara gaya terhadap
perpindahan.
Perhatikan gambar di bawah ini
Hasil akhir persamaannya menjadi :
W = F cos θ.s

8. USAHA BERNILAI NOL (TIDAK MELAKUKAN USAHA)
Tidak semua gaya yang sudah bekerja dikatakan melalukan usaha atau semua
benda yang berpindah
telah dikenai usaha. Untuk lebih jelasnya mari kita bahas, berikut ini peristiwa
yang usahanya bernilai nol
• Gaya penyebab ada tetapi tidak ada perpindahan. F tidak sama dengan nol
dan s sama dengan nol, contohnya adalah ketika kita mendorong tembok.
Walaupun kita sudah mengeluarkan gaya tetapi tembok tidak berpindah
maka kita dikatakan tidak melakukan usaha.
• Gaya penyebab tidak ada tetapi terjadi perpindahan. Contohnya adalah
ketika kita bermain sky dan kita sedang ber GLB maka resultan gayanya
sama dengan nol tetapi kita mengalami perpindahan. Kejadian ini juga
tergolong usaha bernilai nol atau kita dikatakan tidak melakukan usaha.
• Gaya dan perpindahan membentuk sudut 90 derajat. Contohnya ketika kita
menenteng tas dan berjalan maju, sudut yang dibentuk gaya penyebab
dengan perpindahan yang dihasilkan adalah 90 derajat. Jika kita masukkan
kedalam persamaan gaya yang membentuk sudut maka akan kita peroleh
hasil Usaha sama dengan nol atau kita dikatakan tidak melakukan usaha.

9. Energi
Dalam melakukan kegiatan sehari hari, manusia
membutuhkan energi yang dapat diperoleh dari
makanan dan minuman yang mengandung energi
kimia dan kemudian diproses dalam tubuh. Energi
yang dihasilkan oleh tubuh kemudian digunakan
untuk melakukan usaha atau kerja.
Dengan demikian, energi dapat didefinisikan
sebagai kemampuan untuk melakukan usaha.

10. Sumber Sumber Energi
Di dunia ini, bnyak sekali sumber energi yang bisa dimanfaatkan untuk
kehidupan manusia,di antaranya air, matahari, bahan bakar minyak (BBM),
angin, dan nuklir. Energi yang dihasilkan dari sumber energi tersebut
diantaranya untuk pembangkit listrik dan untuk kendaraan yang perannya
sangat vital untuk kehidupan manusia.
Sumber energi yang masih paling banyak digunakan adalah sumber energi dari
BBM. Karena BBM berasal dari fosil yang pada suatu saat akan habis, makin
banyak orang merekayasa alat untuk mengubah energi dari sumber lain agar
tidak kebingungan saat BBM benar benar akan habis. Selain itu,sumber energi
lain seperti air,angin dan udara tidak menyebabkan polusi udara,seperti BBM
dan nuklir.

11. Energi Kinetik
Mobil bergerak adalah salah satu contoh
gerak benda yang memiliki energi kinetik.
Dengan menghubungkan rumus usaha
W = F.s
dengan hukum II Newton yaitu F = m.a
serta persamaan GLBB dengan kecepatan
awal sama dengan nol yaitu v2 = 2as, maka
diperoleh rumus Energi Kinetik
W = F.s
= (m./a) v2 /2a
= ½.m.v2

12. Energi Potensial Gravitasi
Energi Potensial gravitasi adalah kemampuan
suatu benda melakukan usaha karena kedudukannya
dalam medan gravitasi.
Energi potensial gravitasi dimiliki oleh suatu
benda karena ketinggian atau kedudukannya diukur
dari permukaan Bumi.
Energi Potensial berbanding lurus dengan massa
benda dan ketinggian juga berpengaruh terhadap
besarnya energi potensial gravitasi.

13. Jika benda gambar di samping jatuh sejauh dari h2 ke h1,
besarnya usaha (W) yang dilakukan gaya berat yaitu:
W = F.s = m.g.h
Karena energi adalah kemampuan melakukan usaha, besaran mgh
adalah bentuk energi yang disebut energi potensial gravitasi.
Ep = m.g.h
Pada kedudukan benda yang berbeda, akan mengubah besarnya energi potensial
gravitasi, sehingga usaha (W) adalah:
W = Ep1 - Ep2 = ΔEp

14. Energi Potensial Pegas
Apabila kita menempelkan sebuah benda pada ujung pegas, kemudian pegas
tersebut kita tekan, maka setelah dilepaskan benda yang berada di ujung
pegas pasti terlempar.
Ketika berada dalam keadaan diam, setiap pegas memiliki panjang alami,
seperti ditunjukkan gambar a (lihat gambar di bawah). Jika pegas di tekan
sejauh x dari panjang alami, diperlukan gaya sebesar FT (gaya tekan) yang
nilainya berbanding lurus dengan x, yakni :
F = k.x
Dimana:
k = pegas (ukuran kelenturan/elastisitas pegas)
dan besarnya tetap.
x = perpanjangan

15. Ketika ditekan, pegas memberikan gaya reaksi, yang besarnya sama dengan gaya tekan
tetapi arahnya berlawanan. gaya reaksi pegas tersebut dikenal sebagai gaya pemulih.
Besarnya gaya pemulih adalah :
FP = -kx
Tanda minus menunjukkan bahwa arah gaya pemulih berlawanan arah dengan gaya tekan.
Ini adalah persamaan hukum Hooke. Persamaan ini berlaku apabila pegas tidak ditekan
sampai melewati batas elastisitasnya (x tidak sangat besar).

16. Untuk menghitung Energi Potensial pegas yang ditekan atau diregangkan, terlebih dahulu
kita hitung gaya usaha yang diperlukan untuk menekan atau meregangkan pegas. Kita tidak
bisa menggunakan persamaan W = F s = F x, karena gaya tekan atau gaya regang yang kita
berikan pada pegas selalu berubah-ubah selama pegas ditekan. Ketika menekan pegas
mi s a l n y a , s ema k i n b e s a r x , g a y a t e k a n k i t a j u g a s ema k i n b e s a r .
Untuk pertambahan panjang yang selalu berubah akibat perubahan gaya yang diberikan pada
pegas, maka untuk mempermudah kasus ini diambil gaya rata-ratanya, yaitu:
FT = ½.k.x
Dengan mensubtitusi persamaan di atas ke dalam persamaan umum usaha W = F.s , maka
diperoleh besar usaha yaitu:
W = (½.k.x).x
W = ½.k.x2
½ .k.x adalah besarnya energy potensial yang dimiliki oleh pegas.

17. Energi Mekanik
Hukum Kekekalan Energi Mekanik
Jika sebuah benda dilepaskan dari ketinggian maka benda
tersebut akan mengalami perubahan energi kinetik dan energi
potensial gravitasi.
Perubahan energi kinetik dirumuskan:
W = ΔEk = Ek2 - Ek1
Perubahan energi potensial gravitasi
W = -ΔEp = -(Ep2 – Ep1) = (Ep1 – Ep2)
Besar Energi Kinetik sama dengan besar energi potensial gravitasi pada suatu sistem, yaitu:
Ek2 - Ek1 = Ep2 – Ep1
Ek2 + Ep1 = Ek1 + Ep2
2 + mgh1 = ½mv2
½mv1
2 + mgh2
Persamaan diatas dinamakan Hukum Kekekalan Mekanik, energi mekanik diperoleh dari
sistem yang terjadi antara energi kinetik dan energi potensial walaupun berubah namun
energi total tetap (energi mekanik)

18. Hukum Konversi Energi
• Hukum kekekalan energi adalah salah satu
dari hukum-hukum kekekalan yang
meliputi energi kinetik dan energi
potensial. Hukum ini adalah hukum
pertama dalam termodinamika.
• Hukum Kekekalan Energi (Hukum I
Termodinamika) berbunyi: "Energi dapat
berubah dari satu bentuk ke bentuk yang
lain tapi tidak bisa diciptakan ataupun
dimusnahkan (konversi energi)".

19. Penerapan EM Dalam Mesin
• Dalam mesin mobil misalnya, energi panas hasil
pembakaran bahan bakar diubah menjadi energi gerak mobil.
Tetapi, dalam semua mesin kalor kita ketahui bahwa
pengubahan energi panas ke energi mekanik selalu disertai
pengeluaran gas buang, yang membawa sejumlah energi panas.
• Dengan demikian, hanya sebagian energi panas hasil
pembakaran bahan bakar yang diubah ke energi mekanik.
Contoh lain adalah dalam mesin pembangkit tenaga listrik; batu
bara atau bahan bakar lain dibakar dan energi panas yang
dihasilkan digunakan untuk mengubah wujud air ke uap. Uap ini
diarahkan ke sudu-sudu sebuah turbin, membuat sudu-sudu ini
berputar. Akhirnya energi mekanik putaran ini digunakan untuk
menggerakkan generator listrik.

23. Gaya Konservatif
Gerak benda jatuh bebas adalah gerak sistem yang memiliki energi kinetik dan energi
potensial, walaupun kedua energi tersebut pada saat tertentu energinya berubah atau saling
bertukar energi, akan tetapi jumlah energi keduanya selalu tetap yang disebut sebagai Energi
Mekanik. Energi yang kekal atau selalu tetap adalah Gaya Konservat i f .
Gaya konservatif memiliki sifat: bahwa usaha yang dilakukan oleh suatu benda:
1. Tidak bergantung pada lintasannya tetapi hanya bergantung pada posisi awal dan posisi
akhir.
2. Selalu sama dengan nol jika benda bergerak kembali ke posisi semula dalam lintasan
tertutup.
3. Selalu dapat dinyatakan sebagai perbedaan antara energi potensial dan energi potensial
akhir.

24. Sedangkan jika usaha dilakukanoleh suatu benda tidak memiliki sifat dari gaya
konservatif disebut Gaya Tak Konservatif.
Gaya Konservatif Gaya Tak Konservatif
Gravitasi
Elastis
Listrik
Gesekan
Hambatan Udara
Tegangan Tali
Gaya Tarik

25. Daya
Pada pembahasan sebelumnya tentang usaha (W) belum
sekalipun dikaitkan dengan besara waktu (t), padahal setiap
benda diberikan gaya (F) sehingga berpindah posisi (s)
memerlukan waktu.
Usaha yang dilakukan dalam per satuan waktu (t)
disebut sebagai daya. Secara matematis, daya rata – rata
yang dibutuhkan ubtuk melakukan kerja dalam selang waktu
tertentu didefinisikan sebagai :
P = ΔW/Δt
Jika ΔW dinyatakan dalam joule dan Δt dinyatakan dalam sekon, maka satuan untuk
daya (P) adalah joule per sekon atau diebut watt. Agar daya bersatuan watt, satuan usaha
dapat dituliskan watt sekon dan untuk satuan usaha yang lebih besar dapat digunakan
kilowatt jam atau dapat disingkat kWh (kilowatt hour)
Faktor konversi
1kWh = (1.000 watt) x (3.600 sekon)
= 3,6 x 106 watt sekon
= 3,6 x 106 joule

26. Tentukan usaha yang harus dialkukan orang untuk membawa ransel (m = 15 kg) di punggungnya saat mendaki bukit setinggi 10m. anggap orang itu mendaki dengan ΣFy = 0  Fatas - W = 0  Fatas = W = (15.10) = 150 N
Contoh Soal dan Pembahasan
Tentukan usaha yang harus dilakukan orang untuk
membawa ransel (m = 15 kg) di punggungnya saat
mendaki bukit setinggi 10m. anggap orang itu
mendaki dengan kecepatan tetap.
Jawab:
ΣFy = 0  Fatas - W = 0  Fatas = W = (15.10) = 150 N
W = Fatas . h = (150.10) = 1500 Nm
W = Fatas . h = (150.10) = 1500 Nm

27. Berapa besar usaha yang diperlukan untuk
mempercepat sebuah mobil bermassa 1000
kg dari 20 m/s menjadi 30 m/s?
Jawab:
W = Ek– Ek= 1/2.m (v2 – v2)
2 1 2
1
= ½ (1000)(302 – 202)
= 250.000 J

28. Andi melempar sebuah bola 0,2 kg vertical ke atas dengan kecepatan 24,5 m/s.
Dengan mengabaikan gesekan udara, berapa ketinggian yang dapat dicapai bola
tersebut?
Jawab:
h2 v2
Ep1 = m.g.h1 = (0,2)(1,0)(0) = 0
Ep2 = m.g.h2 = (0,2)(1,0)(h2) = 2h2
h1 = 0 v1 = 24,5 m/s
2 = ½ (0,2)(24,5)2 = 60,025 J m = 0,2 kg
Ek1 = ½ m.v1
2 = ½ (0,2)(0)2 = 0
Ek2 = ½ m.v2
Ep1 + Ek1 = Ep2 + Ek2  0 + 60,025 = 2h2 + 0  h2 = 30,0125

29. Konversi: perubahan energi
Konservasi : kekekalan ennergi
Pada kasus konversi energi terjadi hukum koservasi
energi.

30. Pertanyaan
• Mirrah syafmanurillah : Penjelasan ulang gaya konservatif dan
contoh
• Rayvandi Ardiansyah: Kpan pengguanaan satuan joule dan erg
• Nurul Fauziyah:Hubungan energi mekanik dan gaya tak
konservatif applikasinya
• Anggoro: Penjelasan ulang tentang pegas
• Faiz nabil :kenapa membawa tas usahanya 0?
• Ikhe Athifiyah: apa rumus Ek dikuadratkan sndiri2 atau
langsung?
• M Derry Afandi : kenapa usaha selalu ada di sumbu x?