ENERGI DAN USAHA
1. Pengertian Energi
Ketika kamu berolahraga, misalnya main basket. Kamu
mengeluarkan tenaga untuk berlari dan memainkan bola. Otot-otot
tubuhmu mengubah energi kimia yang diperoleh dari
makanan menjadi energi otot yang digunakan untuk bergerak.
Perhatikan jika kamu menyetrika baju sekolahmu! Kamu
pasti menggunakan setrika listrik untuk melakukannya. Setrika
dapat digunakan jika terhubung dengan sumber arus listrik.
Di dalam setrika terdapat komponen-komponen elektronika
yang mengubah energi listrik menjadi energi panas.
Perhatikan juga jika kamu melempar bola ke atas dan jatuh
di tanah yang agak lembek! Apa yang terjadi? Batu yang kamu
lemparkan akan meninggalkan jejak di tanah dan menimbulkan
suara. Dalam hal ini, batu mempunyai energi gerak dan mengubahnya
menjadi gaya untuk dapat meninggalkan jejak dan menimbulkan
suara. Dari mana energi batu yang kamu lemparkan?
Pada bagian selanjutnya kamu akan mengetahuinya.
Kamu memperoleh energi untuk bermain basket, setrika memperoleh energi listrik
untuk memanaskan elemen pemanasnya yang digunakan untuk
merapikan baju, batu yang dilemparkan mempunyai energi
untuk dapat meninggalkan jejak di tanah dan menimbulkan
suara. Dengan demikian, energi dapat didefinisikan sebagai
kemampuan untuk melakukan usaha.
2. Bentuk-Bentuk Energi
Jika kamu memperhatikan contoh-contoh yang diberikan,
terlihat bahwa ada bermacam-macam energi. Pada saat kamu
main basket kamu memperoleh energi kimia dari makanan yang
kamu konsumsi dan mengubahnya menjadi energi gerak.
Setrika mempunyai energi listrik yang diubahnya menjadi
energi panas. Batu yang dilemparkan mempunyai energi
mekanik yang diubah menjadi energi gerak dan energi bunyi.
a. Energi Kimia
Seperti telah disinggung sebelumnya, makanan yang kamu
makan dan minuman yang kamu minum mengandung
energi kimia. Zat-zat kimia yang terkandung di dalam
makanan dan minuman tersebut dapat menghasilkan energi
kimia karena di dalam tubuhmu sebenarnya terjadi reaksi
kimia yang mengubah zat-zat yang terkandung dalam
makanan menjadi energi. Gas, bensin, solar, batu bara, dan
minyak tanah juga merupakan sumber energi kimia. Jika
contoh-contoh sumber energi tersebut direaksikan, dapat
menghasilkan energi.
b. Energi Listrik
Saat kamu menonton televisi atau mendengarkan radio,
darimana televisi dan radio memperoleh energi? Televisi dan
radio serta alat-alat elektronika lainnya memperoleh energi
dari energi listrik. Pada televisi, energi listrik ini diubah
menjadi energi cahaya dan energi bunyi, sedangkan pada
radio diubah menjadi energi bunyi.
c. Energi Panas
Energi panas sering disebut juga energi kalor, merupakan
salah satu bentuk energi yang berasal dari partikel-partikel
penyusun suatu benda. Mengapa partikel-partikel suatu
benda dapat menghasilkan energi panas? Kamu telah
mengetahui bahwa setiap benda tersusun oleh partikelpartikel.
Jika ada sesuatu yang dapat membuat partikelpartikel
ini bergerak, benda tersebut akan menghasilkan
energi panas. Kamu mungkin pernah mendengar bahwa
orang dapat membuat api dari kayu kering yang digosokgosokkan.
Kayu-kayu kering yang saling digosokkan akan
menimbulkan panas yang dapat membakar bahan-bahan
yang mudah terbakar.
d. Energi Bunyi
Untuk mengamati energi bunyi, lakukan kegiatan sederhana
berikut. Peganglah sebuah mistar, kemudian getarkan mistar
tersebut. Kamu akan mendengar bunyi yang dihasilkan dari
getaran mistar tersebut. Dapatkah kamu menjelaskannya?
Ketika penggaris kamu getarkan, partikel-partikel udara di
sekitar mistar akan ikut bergetar, partikel-partikel inilah yang
menimbulkan bunyi. Dengan demikian, bunyi dapat
dihasilkan oleh getaran partikel udara di sekitar sumber bunyi.
e. Energi Nuklir
Pernahkah kamu mendengar energi nuklir? Reaksi nuklir
terjadi karena reaksi inti di dalam inti radioaktif. Contoh
energi nuklir terjadi pada ledakan bom atom dan reaksi inti
yang terjadi di Matahari. Energi nuklir dapat digunakan
sebagai energi pada Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PLTN).
Di Matahari, terjadi reaksi inti fusi yang menghasilkan
energi nuklir yang sangat besar sehingga energi ini
merupakan sumber energi utama di bumi.
3. Perubahan Energi
Ketika sebuah batu jatuh dari suatu ketinggian, batu tersebut
memiliki energi. Jika batu tersebut jatuh ke tanah, energi ini
akan diubah menjadi energi panas (dapat teramati pada tanah
yang menjadi hangat ketika terkena batu) dan energi bunyi.
Jika jumlah energi tersebut dihitung, jumlah total energi tersebut
adalah sama. Energi gerak yang dimiliki batu yang jatuh akan
sama dengan energi bunyi ditambah energi kalor. Untuk
mengetahui perhitungan energi secara kuantitatif akan
dijelaskan pada bagian lain. Jadi, energi tidak pernah hilang,
tetapi diubah ke dalam bentuk energi lain.
Dengan konsep di atas, maka energi dapat dimanfaatkan
dalam kehidupan sehari-hari. Tidak semua energi dapat
langsung dimanfaatkan tetapi perlu diubah ke bentuk lain.
Contoh perubahan energi antara lain sebagai berikut.
a. Energi listrik menjadi energi panas, misalnya pada setrika
listrik, kompor listrik, dan solder listrik.
b. Energi listrik menjadi energi cahaya, misalnya pada lampu.
c. Energi listrik menjadi energi kimia, misalnya pada
penyetruman (pengisian) aki.
d. Energi cahaya menjadi energi kimia, misalnya fotosintesis.
3. Energi Mekanik
Pernahkah kamu melihat buah jatuh dari pohonnya? Buah
yang jatuh dari suatu ketinggian tersebut memiliki energi
mekanik. Apa yang dimaksud energi mekanik? Energi mekanik
adalah energi yang dimiliki suatu benda yang berkaitan dengan
gerak. Energi mekanik terdiri atas energi potensial dan energi
kinetik. Berikut penjelasan kedua energi tersebut.
a. Energi Potensial
Untuk mengamati energi potensial, lakukan kegiatan
sederhana berikut! Peganglah sebuah batu. Julurkan tanganmu
ke depan, kemudian lepaskan batu tersebut. Batu akan
jatuh menimpa lantai dan kamu dapat mendengar suaranya.
Sekarang, berjongkoklah di lantai, kemudian angkat batu
kurang lebih 5 cm dari ubin. Kemudian, lepaskan. Kamu
akan mendengar suara benturan batu dengan lantai lebih
pelan. Mari kita amati peristiwa tersebut. Pada suatu
ketinggian, batu memiliki energi. Pada saat batu masih
dipegang, batu tersebut tidak dapat melakukan usaha. Akan
tetapi, ketika dilepaskan dari ketinggian, batu dapat bergerak
ke bawah. Berarti, batu tersebut mempunyai energi untuk
melakukan gerak. Bentuk energi ini dapat kamu buktikan
dengan suara benturan batu dengan lantai. Hal ini
menandakan energi tersebut telah berubah menjadi energi
bunyi. Jika batu tersebut dijatuhkan dari ketinggian 5 cm,
bunyi akibat benturan batu dengan lantai terdengar lebih
pelan. Hal ini menunjukkan bahwa energi dari ketinggian
ini lebih kecil daripada energi yang dihasilkan sewaktu kamu
berdiri.
Percobaan sederhana tersebut membuktikan adanya energi
potensial. Jadi, energi potensial adalah energi yang disebabkan
oleh posisi benda. Pada kasus ini, posisi benda
adalah ketinggian diukur dari lantai. Semakin besar
ketinggian batu dari lantai, semakin besar pula energi
potensial yang dimiliki batu tersebut.Energi potensial juga dipengaruhi oleh massa benda. Kamu akan mendengar
bunyi lebih keras ketika menjatuhkan sebongkah batu yang
massanya lebih besar daripada bunyi yang dihasilkan oleh
jatuhnya batu kecil. Dari uraian di atas, energi potensial dapat
ditulis ke dalam bentuk matematis sebagai berikut.
Ep = m × g × h ....... (7.1)
Keterangan:
EP = energi potensial (Joule)
m = massa (kg)
g = percepatan gravitasi (m/s2)
h = ketinggian (m)
b. Energi Kinetik
Mengapa peluru yang keluar dari sebuah senapan sangat
berbahaya jika mengenai manusia, padahal massa peluru
hanya beberapa gram? Meskipun massanya kecil, peluru
yang keluar dari senapan memiliki energi yang sangat besar.
Hal ini disebabkan peluru tersebut mempunyai kelajuan yang
sangat besar. Jika massa peluru tersebut diperbesar dengan
gaya yang sama, energinya akan semakin besar pula. Energi
apakah yang dimiliki peluru yang keluar dari senapan?
Energi tersebut dinamakan energi kinetik. Jadi energi
kinetik dapat didefinisikan sebagai energi yang dimiliki
sebuah benda karena kelajuannya.
Pada kasus peluru yang keluar dari senapan dapat disimpulkan
bahwa besar energi kinetik bergantung pada massa
benda dan kecepatannya. Energi kinetik dapat dirumuskan
sebagai berikut.
E= 1\2×m×v ....... (7.2)
Keterangan:
Ek = energi kinetik (Joule)
m = massa (kg)
v = kelajuan (m/s)
c. Energi Potensial dan Energi Kinetik pada Benda Bergerak
Perhatikan kembali batu yang kamu jatuhkan dari suatu
ketinggian. Ketika batu berada pada suatu ketinggian, batu
bermassa m pada suatu ketinggian h mempunyai energi
potensial EP yang besarnya m × g × h.
Ketika batu tersebut dijatuhkan, energi potensial tersebut
berubah menjadi energi kinetik. Semakin bergerak ke
bawah, energi potensialnya semakin berkurang dan energi
kinetiknya semakin bertambah. Hal ini dikarenakan semakin
bergerak ke bawah, ketinggian batu tersebut dari lantai
semakin kecil (energi potensial berkurang) dan kelajuannya
semakin besar (energi kinetiknya bertambah).
Pada ketinggian tertentu, batu akan mempunyai energi
potensial sama dengan energi kinetiknya. Pada akhirnya,
batu tersebut jatuh ke lantai. Pada saat ini, energi yang
dimiliki batu seluruhnya merupakan energi kinetik.
d. Hukum Kekekalan Energi
Pada bagian terdahulu telah dibahas mengenai bentukbentuk
energi. Kamu tidak dapat bermain basket terusmenerus
tanpa istirahat, makan, dan minum karena energi
kimia dalam tubuhmu yang diperoleh dari makanan akan
habis. Energi tidak dapat dimusnahkan atau diciptakan,
tetapi energi dapat diubah dari suatu bentuk ke bentuk lain.
Pernyataan ini dikenal dengan hukum kekekalan energi.
Ketika batu kamu jatuhkan dari suatu ketinggian, terjadi
perubahan energi yaitu energi potensial menjadi energi
kinetik. Pada akhirnya, energi kinetik ini pun akan berubah
menjadi bentuk lain ketika batu sampai di lantai. Marilah
kita selidiki hukum kekekalan energi pada kasus benda jatuh
bebas.
Pada sebuah benda yang jatuh bebas, terdapat dua buah
energi yaitu energi mekanik. Energi mekanik terdiri atas
energi potensial dan energi kinetik. Meskipun energi
potensial benda yang jatuh bebas akan semakin kecil ketika
ketinggian semakin rendah, tetapi di sisi lain energi
kinetiknya bertambah. Dengan demikian energi mekaniknya
tetap sama (konstan).
Pada kedudukan 1, energi mekanik seluruhnya merupakan
energi potensial. Dapat dituliskan sebagai berikut.
Em = Ep = m × g × h
Pada kedudukan 2, energi mekanik merupakan jumlah
energi potensial dan energi kinetik. Dapat dituliskan sebagai
berikut.
Em = Ep+ Ek
= m × g × h + 1\2 × m × v2
Pada kedudukan 3, energi mekanik seluruhnya merupakan
energi kinetik. Dapat dituliskan sebagai berikut.
Em = Ek = 1\2 × m × v2
B. Usaha
Dalam kehidupan sehari-hari, kamu pasti sering mendengar
kata “usaha”. Misalnya, kamu berusaha keras mempelajari
pelajaran Fisika untuk mempersiapkan diri menghadapi
ulangan. Seorang atlet balap sepeda berusaha keras untuk
menghadapi olimpiade. Romi berusaha mendorong lemari
sejauh 3 meter.
1. Pengertian Usaha
Dalam kehidupan sehari-hari usaha berarti upaya manusia
untuk melakukan sesuatu guna tujuan tertentu. Apa pengertian
usaha dalam Sains? Sebuah benda dikatakan melakukan usaha
jika ada gaya yang dilakukan pada benda tersebut atau benda
tersebut memberikan gaya yang menyebabkan benda tersebut
berubah posisinya. Dari tiga contoh yang diberikan di atas, coba
kamu tentukan mana yang merupakan usaha menurut Fisika
dan mana yang bukan.
Dari pengertian gaya, usaha (W) dapat dituliskan dalam
bentuk matematis, yaitu hasil kali antara gaya (F) dan
perpindahan (s). Dalam hal ini, usaha searah dengan gaya,
sehingga usaha merupakan besaran vektor.
Dalam bentuk matematis, usaha dapat dituliskan sebagai
berikut.
W = F × s ....... (7.3)
Kamu harus ingat bahwa gaya yang dimaksud dalam
persamaan ini adalah gaya yang searah dengan arah
perpindahan.
Seorang pramusaji yang sedang berjalan mengantarkan
makanan ke meja pelanggannya dikatakan tidak melakukan
usaha meskipun tangannya memberikan gaya untuk menahan
makanan yang dibawanya. Hal ini dikarenakan gaya yang
diberikan pramusaji tersebut tegak lurus dengan arah
berjalannya. Gaya tangannya ke atas dan arah berjalannya
mendatar.
Apa satuan usaha? Jika sebuah benda melakukan usaha
dengan gaya F = 1 N sehingga membuat benda bergeser 1 m,
usaha dan satuannya dapat dihitung sebagai berikut.
W = F × s
= 1 N × 1 m
= 1 Nm
Selanjutnya, diperoleh bahwa 1 Nm = 1 Joule.
2. Hubungan Energi dengan Usaha
Ketika kamu menarik sebuah kotak, kamu memberikan gaya
otot pada peti tersebut sehingga peti tersebut dapat bergerak.
Dalam peristiwa itu, energi kimia dalam otot berubah menjadi
energi gerak seperti yang telah kamu di depan, bahwa suatu
bentuk energi dapat diubah ke bentuk energi lain.
Dapat dikatakan bahwa proses melakukan usaha merupakan
cara untuk memindahkan energi. Usaha yang dilakukan suatu
benda sama dengan besarnya energi yang dipindahkan. Pada
contoh di atas, energi kimia di dalam ototmu digunakan untuk
menggeser kotak. Besarnya usaha untuk menggeser kotak
tersebut sama dengan besar energi otot.
Selain menggunakan energi kimia, usaha dapat juga
dilakukan oleh sebuah benda yang memiliki energi lain misalnya
energi listrik.
Kamu memegang batu pada suatu ketinggian h1, kemudian
batu tersebut kamu ubah kedudukannya ke tempat yang lebih
tinggi h2. Untuk melakukan itu, otot tanganmu melakukan
usaha yang besarnya sama dengan selisih energi potensial pada
ketinggian h2 (Ep2) dan energi potensial pada ketinggian h1 (Ep1).
Usaha di sini dapat dituliskan dalam bentuk persaman berikut.
Keterangan:
W = usaha (Joule)
E1 = energi pada keadaan 1 (Joule)
E2 = energi pada keadaan 2 (Joule)
C Daya
Pada pembahasan tentang gerak, kamu telah mengetahui
bahwa kecepatan adalah perubahan jarak per satu sekon.
Misalkan, sebuah mobil kecepatannya 20 m/s. Angka ini
mengandung arti bahwa dalam satu sekon, mobil tersebut
mampu menempuh jarak 20 m. Terlihat bahwa kecepatan
merupakan perubahan jarak setiap satu sekon.
Usaha dapat didefinisikan sebagai perubahan energi. Jika
perubahan energi ini diukur setiap satu sekon, akan didapatkan
sebuah besaran baru yaitu perubahan usaha setiap satu sekon.
Besaran tersebut disebut daya. Jadi, daya dapat didefinisikan
sebagai perubahan energi setiap satu sekon. Dalam bahasa
Inggris, daya adalah power. Dengan demikian, daya dilambangkan
dengan P.
Secara matematis, daya dituliskan sebagai berikut.
P= W\t....... (7.5)
Keterangan:
P = daya (Joule/sekon)
W = usaha (Joule)
t = waktu (sekon)
Satuan daya yaitu Joule/sekon. Dalam satuan SI disebut
sebagai watt dilambangkan W.
1 watt = 1 Joule/sekon
