Usaha dan Energi: Pengertian, Rumus & Contoh Soal

Salah satu konsep yang penting dalam fisika adalah konsep usaha energi. Berbagai persoalan terkait fisika bisa diselesaikan menggunakan konsep ini dibandingkan menggunakan konsep hukum Newton. Di jagat raya ini ada berbagai jenis energi seperti energi panas, energi nuklir, energi cahaya dan lainnya.

Matahari adalah sumber dari berbagai energi yang ada di tata surya ini. Apabila matahari tidak ada maka musnahlah seluruh energi di muka bumi. Sementara konsep usaha berbicara mengenai kemampuan suatu hal dalam memindahkan benda dari posisi awal ke posisi akhir.

Usaha

Konsep usaha energi dalam Fisika tentu berbeda dengan konsep usaha di kehidupan sehari-hari. Usaha dalam Fisika berbicara mengenai kemampuan suatu gaya untuk memindahkan benda dari posisi semula.

A. Pengertian dan Rumus Usaha

Usaha menurut pengertiannya dalam teori Fisika adalah perkalian antara gaya yang memiliki besar tertentu sehingga benda dapat berpindah dari posisi awalnya dengan besar perpindahan benda searah dengan arah gaya. Usaha dapat dirumuskan dengan persamaan berikut ini:

W = F x s

Keterangan:

W = usaha (Joule)
F = Gaya pada benda (Newton)
s = jarak perpindahan benda (meter)

B. Usaha yang Diberikan Pada Benda dengan Kondisi Tertentu

Rumus usaha di atas merupakan rumus utama yang berlaku apabila gaya yang bekerja pada benda segaris dengan arah gerak benda tersebut. Namun, pada kondisi tertentu seperti arah gaya yang membentuk sudut tertentu, maka ada sedikit perbedaan pada rumus yang berlaku.

1. Usaha yang Berasal dari Gaya dengan Sudut Sembarang

Pada Gambar 1. di atas terlihat bahwa seseorang menarik kotak dengan arah gaya F berbeda dengan arah perpindahan kotak yang horizontal. Oleh karena itu harus dihitung terlebih dahulu komponen gaya F yang bekerja segaris dengan perpindahan kotak.

Misalnya sudut yang terbentuk antara komponen gaya F segaris dengan bidang horizontal tempat perpindahan kotak adalah α, maka komponen gaya F yang segaris bidang horizontal (Fx) bisa dihitung dengan rumus berikut:

Fx = F cos α

Sehingga untuk menghitung usaha yang dilakukan terhadap kotak tersebut menggunakan rumus berikut:

W = Fx x s

W = F cos α x s

W = F x s cos α

2. Usaha Bernilai Negatif

Usaha tidak selalu bernilai positif. Pada kondisi tertentu usaha bisa saja bernilai negative. Usaha bisa bernilai negative saat α berada di rentang nilai 90º < α < 270º karena nilai cos α pada rentang ini bernilai negative.

Sebagai contoh pada benda yang dilempar ke atas maka selama benda tersebut bergerak ke atas, benda akan berpindah sejauh h meter. Sementara itu pada benda tersebut juga bekerja gaya berat w yang arahnya ke bawah. Arah gaya berat w berlawanan dengan arah perpindahan benda ke atas.

Benda yang dilempar ke atas memperoleh sejumlah energi untuk melawan gaya berat w. Oleh karena itu usaha yang diberikan oleh gaya berat bernilai negative. Selain itu usaha yang dilakukan gaya gesek juga bernilai negative.

3. Gaya Tidak Terhitung Melakukan Usaha Apabila Benda Tidak Berpindah

Sesuai dengan persamaan usaha di atas diketahui jika gaya baru dikatakan melakukan usaha apabila gaya yang dikenakan terhadap suatu benda dapat memindahkan benda tersebut dari kondisi awalnya. Gaya juga dikatakan tidak melakukan usaha apabila resultannya bernilai nol.

Sebagai contoh, seseorang yang mendorong tembok memberikan gaya kepada tembok tersebut meskipun tembok tidak berpindah (s = 0) sehingga orang tersebut dikatakan tidak melakukan usaha (W = 0).

C. Contoh Soal Usaha Energi dalam Kehidupan Sehari-Hari

Sebuah kotak mengalami gaya yang membentuk sudut sebesar 60 derajat dengan sumbu X positif. Besar gaya tersebut adalah sebesar 40 N. Gaya tersebut berhasil memindahkan kotak sejauh 5 meter pada arah sumbu X positif. Berapakah besar usaha yang dihasilkan oleh gaya tersebut?

Energi

Ada banyak bentuk usaha energi di alam ini seperti energi kimia, energi matahari, energi angina, energi nuklir, energi panas bumi dan lainnya yang bersumber dari energi matahari.

A. Pengertian Energi

Energi adalah kemampuan untuk melakukan usaha. Energi tidak dapat diciptakan dan dimusnahkan namun dapat diubah bentuknya. Perubahan bentuk energi dari satu bentuk ke bentuk yang lain disebut sebagai konversi energi. Untuk mengubah bentuk energi dibutuhkan alat yang disebut konventor energi.

Energi mengalami perubahan bentuk saat usaha sedang dilakukan. Sebagai contoh, terjadi perubahan energi dari energi kimia yang ada di dalam tubuh ke energi mekanik ketika sedang melakukan usaha untuk mendorong mobil agar bergerak maju.

B. Jenis-Jenis Energi dalam Kehidupan

1. Energi Potensial Gravitasi

Energi potensial gravitasi adalah energi yang dimiliki suatu benda disebabkan oleh posisi atau kedudukan ketinggian benda tersebut dari pusat gravitasi bumi. Persamaan energi potensial gravitasi adalah:

Ep = m x g x h

Keterangan:

Ep = energi potensial gravitasi (N)
m = massa benda (kg)
h = ketinggian benda terhadap acuan (m)
g = percepatan gravitasi (m/s²)

2. Energi Kinetik

Energi kinetik merupakan energi yang dimiliki oleh benda dikarenakan gerak benda tersebut. Persamaan energi kinetik ditunjukkan secara matematis berikut:

Ek = ½ m x v²

Keterangan:

Ek = energi kinetik (N)
m = massa benda (kg)
v = kecepatan benda bergerak (m/s)

C. Contoh Soal Energi dalam Kehidupan Sehari-Hari

Sebuah balok yang memiliki massa sebesar 5 kg diberikan gaya sebesar 10 N sehingga balok bergerak secara horizontal selama 6 s. Berapa energi kinetik akhir yang dimiliki oleh balok tersebut?

Kesimpulan

Usaha energi yaitu kemampuan suatu gaya untuk memindahkan benda dari posisi semula. Sehingga apabila gaya tidak dapat memindahkan benda dari posisi awalnya dikatakan gaya tidak melakukan usaha. Energi adalah kemampuan untuk melakukan usaha yang terdiri dari energi potensial dan kinetik.