Mengenal usaha dan energi

Mengangkat tas bermassa 2 kg ke rak setinggi 1.5 m memerlukan usaha sekitar 29 joule, dan tas melepaskan kembali 29 J yang sama jika jatuh.

Usaha: gaya dikali perpindahan

Dalam fisika, usaha memiliki arti yang khusus. Ketika gaya memindahkan benda, usaha yang dilakukan adalah gaya dikali perpindahan searah gaya: W = F d. Usaha diukur dalam joule (J), dan 1 J = 1 N × 1 m. Dorong troli dengan gaya 100 N sejauh 3 m, maka usahamu 300 J. Angkat tas bermassa 2 kg dengan kelajuan tetap ke rak setinggi 1.5 m. Kamu memberi gaya ke atas sebesar beratnya, 2 × 9.81 = 19.6 N, sepanjang 1.5 m, sehingga usahanya sekitar 29 J.

Arah juga penting. Jika kamu membawa tas yang sama melintasi ruangan datar, lenganmu memberi gaya ke atas sementara tas bergerak menyamping. Jadi, menurut fisika, gaya ke atas itu tidak melakukan usaha pada tas, meskipun lenganmu terasa lelah. Jika kamu mendorong dinding yang tidak bergerak, perpindahannya nol, sehingga usahanya juga nol.

Energi: kemampuan melakukan usaha

Energi memungkinkan benda melakukan usaha dan juga diukur dalam joule. Dua jenis energi muncul dalam setiap soal gerak. Energi kinetik adalah energi gerak: KE = ½ m v². Mobil bermassa 1000 kg dengan kelajuan 20 m/s memiliki energi kinetik ½ × 1000 × 20² = 200 000 J. Karena ada v², kelajuan dua kali lipat menghasilkan energi kinetik empat kali lipat. Itulah sebabnya jarak henti bertambah begitu cepat saat kelajuan naik. Energi potensial gravitasi adalah energi yang tersimpan karena ketinggian: PE = m g h. Tas bermassa 2 kg di rak setinggi 1.5 m memiliki energi sekitar 29 J lebih besar daripada saat di lantai, tepat sebesar usaha yang kamu lakukan untuk mengangkatnya.

Bentuk energi berubah, tetapi jumlahnya tetap

Jatuhkan bola dari ketinggian h. Selama jatuh, energi potensialnya berkurang dan energi kinetiknya bertambah. Tanpa udara, jumlah keduanya selalu tetap. Dengan menyamakan m g h = ½ m v², diperoleh kelajuan di titik terbawah, v = √(2 g h). Dari ketinggian 5 m, kelajuannya sekitar 9.9 m/s; dari 20 m, sekitar 19.8 m/s. Hasilnya sama dengan persamaan jatuh bebas. Massa kembali saling habis, seperti dalam hukum kedua Newton.

Bandul di laboratorium memperlihatkan pertukaran yang sama berulang kali. Di ujung ayunan, beban berada paling tinggi dan berhenti: seluruh energinya berupa energi potensial. Di titik terendah, beban paling rendah dan bergerak paling cepat: seluruhnya berupa energi kinetik. Bandul sepanjang 1 m yang dilepaskan dari 60° turun sejauh 0.5 m dan melewati titik terendah dengan kelajuan √(2 × 9.81 × 0.5) ≈ 3.1 m/s. Pada bandul nyata, sedikit energi berpindah ke udara dan titik gantung sebagai kalor setiap ayunan, sehingga ayunannya perlahan mereda. Gesekan tidak memusnahkan energi; gesekan mengubahnya menjadi kalor yang lebih sulit dimanfaatkan. Kursus Energi membahas gagasan ini lebih lanjut.

Laju melakukan usaha disebut daya: P = W ÷ t, diukur dalam watt (W), dengan 1 W = 1 J per detik. Orang bermassa 60 kg yang menaiki tangga setinggi 3 m melakukan usaha melawan gravitasi sebesar 60 × 9.81 × 3 ≈ 1766 J. Jika dilakukan dalam 5 s, dayanya sekitar 353 W; jika berjalan santai selama 15 s, sekitar 118 W. Usahanya sama dalam kedua kasus. Itulah sebabnya berlari menaiki tangga membuatmu terengah-engah, sedangkan berjalan tidak: energinya sama, tetapi kamu mengerahkannya tiga kali lebih cepat.