Materi Fisika Kelas 11 - Usaha dan Energi

Pendahuluan

Pernahkah kamu merasa kelelahan setelah mendorong meja tetapi meja tersebut tidak bergerak? 🤔 Ternyata, dalam Fisika, usaha (kerja) hanya terjadi jika gaya yang diberikan menyebabkan perpindahan benda!

Selain usaha, kita juga akan membahas energi, yang merupakan kapasitas suatu benda untuk melakukan usaha. Mari kita bahas lebih dalam! 🚀

---

1. Usaha (Work, \( W \))

Pengertian Usaha

Usaha terjadi jika gaya yang diberikan pada suatu benda menyebabkan perpindahan.

Persamaan Usaha

\[ W = F \cdot s \cdot \cos \theta \]

dengan:

• \( W \) = usaha (Joule atau J)
• \( F \) = gaya (Newton atau N)
• \( s \) = perpindahan (meter atau m)
• \( \theta \) = sudut antara gaya dan arah perpindahan

📌 Catatan Penting:

• Jika gaya searah dengan perpindahan (\( \theta = 0^\circ \)), maka \( \cos 0^\circ = 1 \), sehingga:

\[ W = F \cdot s \]

• Jika gaya tegak lurus terhadap perpindahan (\( \theta = 90^\circ \)), maka \( \cos 90^\circ = 0 \), sehingga:

\[ W = 0 \]

(Tidak ada usaha yang dilakukan, misalnya saat seseorang mengangkat tas tanpa berpindah tempat).

---

Jenis-Jenis Usaha

1. Usaha Positif

- Terjadi jika gaya searah dengan perpindahan.

- Contoh: Saat kamu mendorong meja ke depan.

1. Usaha Negatif

- Terjadi jika gaya berlawanan dengan arah perpindahan.

- Contoh: Gaya gesek yang menghambat gerak benda.

1. Usaha Nol

- Terjadi jika gaya tegak lurus terhadap perpindahan.

- Contoh: Seseorang membawa tas sambil berjalan, gaya angkat tegak lurus dengan perpindahan.

---

2. Energi

Pengertian Energi

Energi adalah kemampuan suatu benda untuk melakukan usaha. Energi memiliki banyak bentuk, tetapi kita akan fokus pada energi kinetik dan energi potensial.

---

a. Energi Kinetik

Energi kinetik adalah energi yang dimiliki benda karena geraknya.

Persamaan Energi Kinetik

\[ E_k = \frac{1}{2} m v^2 \]

dengan:

• \( E_k \) = energi kinetik (Joule atau J)
• \( m \) = massa benda (kg)
• \( v \) = kecepatan benda (m/s)

📌 Artinya:

• Semakin besar massa atau kecepatan, semakin besar energi kinetiknya.
• Jika benda diam (\( v = 0 \)), maka energi kinetiknya nol.

---

b. Energi Potensial

Energi potensial adalah energi yang dimiliki benda karena posisinya dalam medan gaya tertentu, misalnya medan gravitasi.

Persamaan Energi Potensial Gravitasi

\[ E_p = m g h \]

dengan:

• \( E_p \) = energi potensial (Joule atau J)
• \( m \) = massa benda (kg)
• \( g \) = percepatan gravitasi (9,8 m/s²)
• \( h \) = ketinggian dari titik acuan (m)

📌 Artinya:

• Semakin tinggi posisi benda, semakin besar energi potensialnya.
• Jika benda berada di tanah (\( h = 0 \)), maka energi potensialnya nol.

---

3. Hukum Kekekalan Energi Mekanik

"Energi dalam sistem tertutup tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan, tetapi hanya berubah bentuk."

Dalam sistem tanpa gaya luar seperti gesekan, jumlah energi mekanik selalu tetap:

\[ E_m = E_k + E_p \]

Sehingga:

\[ E_{m1} = E_{m2} \]

atau

\[ E_{k1} + E_{p1} = E_{k2} + E_{p2} \]

📌 Contoh:

• Sebuah bola jatuh dari ketinggian, energi potensialnya berubah menjadi energi kinetik saat mendekati tanah.
• Ayunan bolak-balik mengubah energi kinetik menjadi energi potensial dan sebaliknya.

---

Contoh Soal dan Pembahasan

Contoh Soal 1: Menghitung Usaha

Seseorang mendorong meja dengan gaya 50 N sejauh 2 m ke depan. Hitung usaha yang dilakukan jika gaya searah perpindahan!

Jawaban:

Gunakan rumus usaha:

\[ W = F \cdot s \] \[ W = (50)(2) = 100 \text{ J} \]

Jadi, usaha yang dilakukan adalah 100 Joule.

---

Contoh Soal 2: Menghitung Energi Kinetik

Sebuah mobil bermassa 1000 kg bergerak dengan kecepatan 20 m/s. Hitung energi kinetiknya!

Jawaban:

Gunakan rumus energi kinetik:

\[ E_k = \frac{1}{2} m v^2 \] \[ E_k = \frac{1}{2} (1000)(20)^2 \] \[ E_k = 500 \times 400 \] \[ E_k = 200,000 \text{ J} \]

Jadi, energi kinetiknya adalah 200 kJ.

---

Contoh Soal 3: Hukum Kekekalan Energi Mekanik

Sebuah benda 2 kg jatuh bebas dari ketinggian 5 m. Berapa kecepatannya saat menyentuh tanah?

Jawaban:

Gunakan hukum kekekalan energi:

\[ E_{p1} = E_{k2} \] \[ m g h = \frac{1}{2} m v^2 \]

Karena massa bisa dicoret, maka:

\[ g h = \frac{1}{2} v^2 \] \[ (9,8)(5) = \frac{1}{2} v^2 \] \[ 49 = \frac{1}{2} v^2 \] \[ 98 = v^2 \] \[ v = \sqrt{98} \approx 9.9 \text{ m/s} \]

Jadi, kecepatan benda saat menyentuh tanah sekitar 9,9 m/s.

---

Latihan Soal

1. Sebuah bola bermassa 0,5 kg dilempar dengan kecepatan 10 m/s. Hitung energi kinetiknya!
2. Sebuah benda 4 kg berada di ketinggian 8 m. Hitung energi potensialnya!
3. Seorang pekerja mendorong kotak dengan gaya 60 N sejauh 3 meter dengan sudut 30° terhadap arah perpindahan. Hitung usahanya!
4. Sebuah anak panah jatuh dari ketinggian 10 m. Berapa kecepatan anak panah saat ketinggiannya tinggal 2 m?

---

Kesimpulan

• Usaha terjadi jika ada gaya yang menyebabkan perpindahan.
• Energi kinetik berhubungan dengan gerak, sedangkan energi potensial berhubungan dengan ketinggian.
• Hukum kekekalan energi menyatakan bahwa energi tidak bisa hilang, hanya berubah bentuk.

Semoga materi ini membantu! Selamat belajar Fisika! 🚀🔥