Usaha, Energi, dan Pesawat Sederhana

A. Usaha

sumber gambar : https://bimamedia-gurusiana.ap-south-1.linodeobjects.com/d10c3d8e2eab13e9d3db9f2c7d44a78a/2020/10/14/l-images20201014223954.png
 

Pada saat kita mendorong dinding yang kokoh, secara umum dapat dikatakan bahwa kita melakukan usaha terhadap tembok. Akan tetapi secara fisika, mendorong tembok yang tetap diam dikatakan bahawa kitatidak melakukan usaha meskipun orang tersebut mengeluarkan energi besar untuk mendorong tembok. Mengapa bisa begitu?

Dalam ilmu fisika pengertian usaha adalah suatu proses yang dilakukan untuk memindahkan kedudukan suatu benda. 

 Usaha jika dituliskan dalam bentuk persamaan seperti berikut :
 

W = F.s

Keterangan:

W = usaha (joule)
F = gaya (N)
s = jarak perpindahan benda (m)

sehingga jika perpindahan benda bernilai nol, maka usaha pun akan bernilai nol.

 

dan bahwasanya seorang manusia tiada memperoleh selain apa yang telah diusahakannya

 

Usaha berkaitan erat dengan energi. Energi adalah kemampuan untuk melakukan usaha atau kerja.
Usaha merupakan energi yang disalurkan gaya ke sebuah benda sehingga benda tersebut bergerak.

 

B. Energi

Seperti yang dibahas sebelumnya, energi merupakan kemampuan untuk melakukan usaha atau kerja. Dalam Satuan Internasional, satuan energi dinyatakan dalam joule (J) atau kalori (kal).

1. Macam-macam Energi
Energi memiliki berbagai macam jenis. Berdasarkan bentuknya, energi dibedakan menjadi energi kinetik, energi potensial, energi kalor, energi kimia, energi cahaya, energi bunyi, energi nuklir, energi listrik dan sebagainya.

2. Perubahan Energi
Energi dapat mengalami perubahan bentuk dari energi satu menjadi energi yang lain. Bentuk perubahan energi ditunjukkan melalui contoh berikut.

a. Energi listrik menjadi energi cahaya
Contoh: lampu

b. Energi cahaya menjadi energi listrik
Contoh: sel surya

c. Energi kimia menjadi energi kinetik
Contoh: makanan dijadikan energi untuk manusia sehingga memudahkan pergerakan

d. Energi listrik menjadi energi bunyi
Contoh: radio dan bel

e. Energi listrik menjadi energi kinetik
Contoh: kipas angin

f. Energi nuklir menjadi energi listrik
Contoh: Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir


3. Sumber Energi

Secara umum ada dua sumber energi :

a. Dapat Diperbarui (Renewable)
Contoh: cahaya matahari, angin, air (air terjun dan gerakan ombak laut)

b. Tidak Dapat Diperbarui (Unrenewable)
Contoh: nuklir dan fosil (bahan bakar minyak dan gas)

Energi dibagi menjadi tiga bagian : yaitu Energi potensial, energi kinetik, energi mekanik

1. Energi Kinetik
Energi kinetik adalah energi yang dimiliki benda karena geraknya (kecepatan). Energi kinetik jika dituliskan dalam bentuk persamaan seperti berikut.

 
2. Energi Potensial
Energi potensial adalah energi yang dimiliki benda karena posisi kedudukannya (ketinggian) terhadap gaya tarikan gravitasi. Energi potensial jika dituliskan dalam persamaan matematis seperti berikut.

3. Energi Mekanik
Energi mekanik merupakan energi total yang dimiliki benda. Energi mekanik juga dapat dikatakan jumlah energi kinetik dan energi potensial. Apabila energi mekanik dituliskan dalam persamaan seperti berikut.

 

Hukum Kekekalan Energi Mekanik 

Bunyi hukum kekekalan energi : Energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan, tapi energi dapat diubah dari bentuk yang satu ke bentuk yang lainnya.

Perhatikan ilustrasi berikut, sebuah kelapa jatuh dari pohonnya, misal. Pada waktu buah kelapa tersebut masih berada di pohonnya, buah kelapa memiliki energi potensial. Kemudian pada saat jatuh, energi potensial tersebut menjadi energi kinetik. Terdapat energi kinetk yang maksimum pada saat buah kelapa sebelum sampai ke tanah. Jadi kalau sudah sampai ke tanah, hukum kekekalan energinya tidak berlaku. Dan energinya berubah menjadi energi bunyi dan kalor.

sehingga pada berdasarkan hukum kekekalan energi mekanik berlaku persamaan :

EmA = EmB

EpA + EkA = EpB + EkB

  


LATIHAN USAHA DAN ENERGI (klik untuk kuis)

 

 

Pesawat Sederhana
Pesawat sederhana adalah alat yang memudahkan kerja manusia.
Pesawat sederhana hanya membutuhkan satu gaya untuk bekerja
 

Contohnya untuk memindahkan beban berat ke tempat yang lebih tinggi digunakan pesawat sederhana yaitu katrol dan bidang miring.
Pada prinsipnya pesawat adalah alat untuk memudahkan melakukan usaha, dengan besar usaha yang dilakukan tetap. 

TUAS

Pengungkit atau tuas adalah pesawat sederhana yang berupa batang yang memiliki rotasi pada titik tumpu.

BIDANG MIRING 
Keuntungan mekanis:

w = beban
s = panjang bidang miring
F = gaya kuasa
h = tinggi bidang miring 

Semakin tinggi bidang miring, semakin besar gaya kuasa, semakin kecil keuntungan mekanisnya.

KATROL

Katrol dapat merubah arah gaya.
Berdasarkan tempat kedudukan katrol terbagi menjadi: 

1. Katrol tetap (titik tumpu berada di antara beban dan titik kuasa).

2. Katrol bergerak/bebas (beban berada diantara titik kuasa dan titik tumpu).

3. Katrol ganda/majemuk (gabungan katrol tetap dengan katrol bergerak).

RODA BERPOROS/GEAR

Roda berporos adalah pesaat sederhana yang menggunakan roda yang terpasang pada sebuah poros sebagai pusat putarannya.

Prinsip dasar dari roda berporos adalah untuk mempermudah pekerjaan manusia, khususnya dalam memindahkan benda atau mengubah gaya. Keuntungan mekanis: Roda berporos bekerja dengan memperbesar gaya pada poros, sehingga gaya yang dibutuhkan untuk memutar roda menjadi lebih kecil.
 

Cara kerja: Ketika roda diputar, poros akan ikut berputar. Gaya kuasa diberikan pada roda (lingkaran yang lebih besar), sedangkan gaya beban bekerja pada poros (lingkaran yang lebih kecil).

Keuntungan mekanis (KM) pada roda berporos dapat dihitung dengan :

 

Sehingga persamaan pada roda berporos adalah :

 

Perputaran roda yang lebih besar akan menghasilkan gaya yang lebih besar pula pada poros yang lebih kecil, sehingga memudahkan kita untuk melakukan pekerjaan.

Contoh roda berporos dalam kehidupan sehari-hari
 

Prinsip roda berporos banyak diterapkan pada berbagai alat untuk memudahkan pekerjaan, di antaranya:

• Setir mobil: Pengemudi memberikan gaya kecil pada setir (roda besar) untuk memutar poros di dalamnya, yang kemudian menggerakkan roda mobil dengan gaya yang lebih besar.
• Obeng: Pegangan obeng berfungsi sebagai roda, sedangkan batang besi kecil berfungsi sebagai poros. Dengan memutar pegangan, kita dapat mengencangkan atau melonggarkan sekrup dengan mudah.
• Gagang pintu: Memutar gagang pintu (roda) memungkinkan kita untuk memutar selot (poros) di dalamnya, sehingga pintu dapat terbuka.
• Gerinda: Alat ini memanfaatkan prinsip roda berporos untuk memotong atau mengasah benda.
• Gir sepeda: Gir pada sepeda menggunakan prinsip roda dan poros yang saling terhubung. Pengayuh memberikan gaya pada gir besar (roda), yang kemudian memutar gir kecil (poros), sehingga roda sepeda berputar.
• Kincir air: Perputaran kincir air (roda) akan memutar poros di dalamnya, yang dapat digunakan untuk menggerakkan mesin penggiling atau generator.

PESAWAT SEDERHANA DALAM SISTEM RANGKA



Pada tubuh kita juga bekerja berbagai prinsip pesawat sederhana.

Otot-otot leher bekerja ketika kita sedang mendongakkan kepala.


Leher merupakan titik tumpu, dagu merupakan posisi beban, dan otot leher bagian belakang merupakan titik kuasa. Sistem ini merupakan pengungkit jenis pertama.
Sistem pesawat sederhana terdapat pada otot-otot leher yang termasuk pengungkit jenis pertama

 

 

Contoh soal :

1. Ali sedang memikul dua beras dengan menggunakan kayu yang diletakkan di bahunya. Berat dari beras pertama adalah 50 Newton dan 100 Newton. Jarak lengan kayu antara Ali dengan beras pertama adalah 100 cm, maka berapakah panjang tongkat yang dibutuhkan agar beras dapat dipikul dengan seimbang?

2. Sebuah sistem katrol digunakan untuk mengangkat beban seperti gambar. Tentukan besar beban yang bisa diangkat oleh katrol ?

 

JAWAB

 

 

 

3. Sebuah kotak seberat 4.000 N akan didorong pada bidang miring dengan panjang 3 meter dan tinggi 75 cm. Hitunglah gaya yang dibutuhkan untuk mendorong kotak tersebut?

4. Sebuah roda berporos memiliki jari-jari roda luar (𝑅) 10 cm dan jari-jari poros (𝑟) 5 cm. Jika beban sebesar 100 N digantungkan pada poros, berapa besar gaya (𝐹) yang diperlukan untuk mengangkat beban tersebut?