Usaha fisika

Apabila anda mendorong sebuah buku yang terletak di atas meja hingga buku bergerak maka anda melakukan usaha pada buku tersebut. Ketika sebuah benda jatuh ke permukaan bumi karena ditarik oleh gaya gravitasi bumi maka gaya gravitasi bumi melakukan usaha pada benda tersebut. Sebaliknya jika anda mendorong sebuah benda sekuat tenaga hingga bermandikan keringat tetapi jika benda itu tidak bergerak maka anda tidak melakukan usaha pada benda tersebut. Dalam kehidupan sehari-hari, anda dikatakan telah melakukan usaha atau kerja keras mendorong benda tetapi menurut fisika anda tidak melakukan usaha pada benda tersebut karena benda tidak mengalami perpindahan (benda tidak berpindah tempat).

Usaha dapat dilakukan oleh gaya konstan (besar dan arah gaya selalu tetap) atau gaya tidak konstan (besar dan arah gaya berubah-ubah). Contoh gaya yang besar dan arahnya tetap adalah gaya gravitasi yang bekerja pada benda di dekat permukaan bumi. Contoh gaya yang besar dan arahnya tidak tetap adalah gaya pegas. Jika anda meregangkan pegas, semakin anda meregangkan pegas, semakin keras anda menariknya, karenanya besar gaya tidak konstan seiring meregannya pegas. Contoh lain adalah ketika sebuah roket bergerak ke luar angkasa, semakin jauh dari permukaan bumi, gaya gravitasi bumi yang bekerja pada roket semakin kecil.

1.1 Usaha yang dilakukan oleh gaya konstan
Secara matematis, usaha yang dilakukan oleh gaya konstan pada sebuah benda adalah hasil kali perpindahan benda dengan gaya atau komponen gaya yang searah dengan perpindahan benda.
Pengertian-usaha-dalam-fisika-1

Usaha yang dilakukan oleh gaya dorong (F) :
W = (F)(s)(cos θ) = F s (cos 0) = F s (1) = F s
Usaha yang dilakukan oleh komponen gaya F pada arah horisontal (F cos θ) :
W = (F cos θ)(s)(cos 0) = (F cos θ)(s)(1) = F s cos θ
Usaha yang dilakukan oleh gaya gesek kinetis (fk) :
W = (fk cos θ)(s)(cos 180) = (fk )(s)(-1) = – fk s
Usaha yang dilakukan oleh gaya normal (N) :
W = (N)(s)(cos 90o) = (N)(s)(0) = 0
Usaha yang dilakukan oleh gaya berat (w) :
W = (w)(s)(cos 90o) = (w)(s)(0) = 0
Keterangan : W = usaha atau kerja (Joule), s = perpindahan (meter), θ = sudut yang dibentuk oleh gaya dengan perpindahan

Pada contoh sebelumnya, usaha yang dilakukan oleh gaya berat (w) bernilai nol karena arah gaya berat tegak lurus (membentuk sudut 90o) dengan arah perpindahan (arah gerak) benda. Perlu diketahui bahwa kerja yang dilakukan oleh berat tidak bernilai nol jika arah gaya berat sama dengan atau berlawanan dengan arah perpindahan.
Pengertian-usaha-dalam-fisika-4

Usaha yang dilakukan oleh gaya berat (w) pada benda yang jatuh bebas pada gambar a adalah :
W = F s (cos θ) = w h (cos 0) = w h (1) = w h = m g h
Usaha yang dilakukan oleh gaya berat (w) pada benda yang bergerak vertikal ke atas pada gambar b adalah :
W = F s (cos θ) = w h (cos 180) = w h (-1) = -w h = -m g h

Keterangan : w = berat (Newton), h = ketinggian (meter), m = massa (kg), g = percepatan gravitasi (meter per sekon kuadrat)

Berdasarkan penjelasan sebelumnya dapat disimpulkan beberapa hal berikut :
Pertama, jika benda tidak mengalami perpindahan, maka gaya yang bekerja pada perpindahan tersebut tidak melakukan usaha. Jika s = 0 maka W = 0.
Kedua, Jika gaya membentuk sudut tertentu terhadap perpindahan benda maka hanya komponen gaya yang searah perpindahan benda saja yang melakukan usaha pada benda tersebut.
Ketiga, gaya yang arahnya tegak lurus dengan perpindahan benda tidak melakukan usaha pada benda tersebut. Jika gaya tegak lurus dengan perpindahan maka sudut yang dibentuk adalah 90o. Cos 90o = 0.
Keempat, Usaha dapat bernilai positif atau negatif. Jika gaya searah perpindahan benda sehingga sudut yang dibentuk 0o maka gaya melakukan usaha positif, sebaliknya jika gaya berlawanan arah dengan perpindahan sehingga sudut yang terbentuk 180o maka gaya melakukan usaha negatif pada benda.
Pengertian-usaha-dalam-fisika-6Usaha yang dilakukan oleh gaya konstan pada benda selama benda mengalami perpindahan sama dengan luas luasan yang diarsir dalam grafik gaya (F) dan perpindahan (s).
Lambang usaha adalah W (hurus besar) sedangkan lambang berat adalah w (huruf kecil). Satuan sistem internasional usaha adalah Newton meter (N m). Nama lain dari Newton meter adalah Joule, disingkat J, dinamakan demikian untuk menghormati fisikawan abad ke-19 berkebangsaan Inggris bernama James Prescott Joule.

1.2. Usaha yang dilakukan oleh gaya tidak konstan
Salah satu contoh gaya tidak konstan adalah gaya pegas. Besar gaya pegas selalu berubah sehingga usaha yang dilakukan oleh gaya pegas pada suatu benda tidak dapat dihitung menggunakan rumus usaha yang dilakukan oleh gaya konstan.

Jika pegas diregangkan, semakin panjang pegas, gaya yang diperlukan juga semakin besar. Demikian juga sebaliknya, semakin ditekan, gaya ketika pegas semakin pendek, gaya yang diperlukan semakin besar. Selama pegas ditekan atau diregangkan, gaya pegas berubah dari 0 (x = 0) hingga maksimum (F = k x) maka gaya pegas dihitung menggunakan rata-rata. Besar gaya pegas rata-rata adalah :
F = ½ (0 + kx) = ½ k x
Usaha yang dilakukan oleh gaya pegas pada suatu benda adalah :
W = F x = ½ k x2
Keterangan : W = usaha (satuan Joule), x = pertambahan panjang pegas (satuan meter), F = gaya pegas (satuan Newton).

2. Resultan usaha atau usaha total (usaha yang dilakukan oleh gaya total)
Apabila hanya ada sebuah gaya yang bekerja pada sebuah benda selama benda mengalami perpindahan maka usaha yang dilakukan oleh gaya total sama dengan usaha yang dilakukan oleh gaya tersebut. Misalnya ketika sebuah benda jatuh bebas di mana hambatan udara diabaikan maka satu-satunya gaya yang bekerja pada benda adalah gaya gravitasi.
W= Wgravitasi
Jika terdapat beberapa gaya yang bekerja pada suatu benda selama benda mengalami perpindahan maka usaha yang dilakukan oleh gaya total sama dengan jumlah usaha yang dilakukan oleh semua gaya yang bekerja pada benda tersebut.
W = W1 + W2 + W3 + … + Wn
Usaha yang dilakukan oleh beberapa gaya yang bekerja pada suatu benda juga dapat dihitung dengan terlebih dahulu mencari besar gaya total lalu mengalikannya dengan besar perpindahan.
W = (Resultan gaya)(perpindahan) = (resultan F)(s)

Referensi

(Ukuran kertas : F4, Jumlah halaman : 9)

Materi Pembelajaran :

  1. Pengertian usaha
  2. Teorema usaha-energi kinetik
  3. Gaya konservatif dan gaya tak konservatif
  4. Usaha yang dilakukan oleh gaya konservatif dan perubahan energi potensial
  5. Teorema usaha-energi mekanik
  6. Daya
Anda perlu masuk untuk melihat isi sepenuhnya. Silahkan . Bukan Member? Bergabung