Pengertian Usaha dalam Fisika (FISIKA KELAS XI)

Pengertian Usaha dalam Fisika - Usaha atau kerja sering diartikan sebagai upaya untuk mencapai tujuan, misalnya usaha untuk menjadi juara kelas, usaha untuk memenangkan lomba balap sepeda, dan usaha untuk mencapai finis dalam lomba lari. Selama orang melakukan kegiatan maka dikatakan dia berusaha, tanpa mempedulikan tercapai atau tidak tujuannya. Pengertian usaha dalam fisika hampir sama dengan pengertian dalam kehidupan sehari-hari, keduanya merupakan kegiatan dengan mengerahkan tenaga. Energi adalah kemampuan untuk melakukan usaha. Ada bermacam-macam bentuk energi yang dapat diubah menjadi bentuk energi yang lain. Dalam setiap perubahan bentuk energi, tidak ada energi yang hilang, karena energi bersifat kekal sehingga tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan. Pada saat kita mendorong sebuah meja dengan gaya tertentu, ternyata meja bergerak. Akan tetapi, ketika kita mendorong tembok dengan gaya yang sama, ternyata tembok tetap diam. Dalam pengertian sehari-hari keduanya dianggap sebagai usaha, tanpa memerhatikan benda tersebut bergerak atau diam.
Dalam fisika, usaha memiliki pengertian khusus untuk mendeskripsikan apa yang dihasilkan oleh gaya ketika bekerja pada benda sehingga benda bergerak pada jarak tertentu. Usaha yang dilakukan oleh gaya didefinisikan sebagai hasil kali komponen gaya yang segaris dengan perpindahan dengan besarnya perpindahan. Gambar 4.2. menunjukkan gaya F yang bekerja pada benda yang terletak pada bidang horizontal sehingga benda berpindah sejauh s.

Usaha yang dilakukan oleh gaya F

Besarnya komponen gaya yang segaris atau searah dengan perpindahan adalah F = F.cos α , sehingga besarnya usaha dirumuskan:

W = F . s

W = F.cos α .s = F.s.cos α …………….. (4.1)

dengan:
W = usaha ( J)
F = gaya (N)
s = perpindahan (m)
α = sudut antara F dengan s

Usaha yang ditentukan sudut antara gaya dengan perpindahan benda

Berdasarkan persamaan (4.1), besarnya usaha yang dilakukan oleh gaya ditentukan oleh besarnya sudut antara arah gaya dengan perpindahan benda. Berikut ini beberapa keadaan istimewa yang berhubungan dengan arah gaya dan perpindahan benda.
a. Jika α = 0^o, berarti gaya F searah dengan arah perpindahan.
Karena cos 0^o = 1, maka usaha yang dilakukan: W = F.s.
b. Jika α = 90^o, berarti gaya F tegak lurus dengan arah perpindahan.
Karena cos 90^o = 0, maka: W = 0.
Dikatakan bahwa gaya tidak menghasilkan usaha.
c. Jika α = 180^o, berarti gaya F berlawanan dengan arah perpindahan.
Karena cos 180^o = -1, maka: W = -F . s.
d. Jika s = 0, berarti gaya tidak menyebabkan benda berpindah, maka: W = 0.
1. Usaha oleh beberapa gaya
Gambar 4.4 menunjukkan sebuah benda yang dipengaruhi oleh gaya F₁ dan F₂ yang bertitik tangkap sama, sehingga benda bergeser sejauh s pada arah horizontal.

Usaha yang dilakukan oleh dua gaya F₁ dan F₂
Komponen gaya F₁ yang searah dengan perpindahan adalah:
F_1x = F₁.cos α₁, sehingga:

W₁ = F₁.cos α₁. s = F₁.s.cos α₁

Komponen gaya F₂ yang searah dengan perpindahan adalah:
F_2x = F₂.cos α₂, sehingga:

W₂ = F₂.cos α₂.s = F₂.s.cos α₂

Karena usaha adalah besaran skalar, maka usaha yang dilakukan oleh beberapa gaya bertitik tangkap sama merupakan jumlah aljabar dari usaha yang dilakukan masing-masing gaya.

W = W₁ + W₂ + … + W_n ………………………………….. (4.2)

2. Grafik gaya terhadap perpindahan
Apabila benda dipengaruhi oleh gaya yang konstan (besar dan arahnya tetap), maka grafik antara gaya F dan perpindahan s dapat digambarkan dengan Gambar 4.5. Usaha yang dilakukan oleh gaya F selama perpindahan sama dengan luas daerah yang diarsir. Usaha bernilai positif jika luas daerah yang diarsir berada di atas sumbu s, dan akan bernilai negatif jika luas daerah yang diarsir berada di bawah sumbu s.

Grafik gaya terhadap perpindahan

Contoh soal
1. Sebuah benda dengan massa 50 kg ditarik sejauh 40 m sepanjang lantai horizontal dengan gaya tetap 100 N dan membentuk sudut 37^o terhadap arah mendatar. Jika gaya gesek terhadap lantai 50 N, maka tentukan usaha yang dilakukan oleh masing-masing gaya!

Penyelesaian:
Diketahui: F = 100 N
α₁ = 37^o
F_y = 50 N
s = 40 m
Ditanya: W = … ?
Jawab:
Usaha yang dilakukan oleh F adalah:
W₁ = F₁.s.cos α₁
= 100 x 40 x cos 37o
= 3.200 J
Usaha yang dilakukan oleh gaya gesek F_y adalah:
W₂ = F_y.s.cos α₂
= 50 x 40 x cos 180^o = -2.000 J
W_t = W₁ + W₂
= 3.200 J – 2.000 J = 1.200 J
atau dengan cara:
ΣF_x = F.cos α₁ – F_y
= 100 . cos 37^o – 50 N = 30 N
W =  ΣF_x . s
= 30 N x 40 m = 1.200 J
2. Perhatikan grafik gaya F terhadap perpindahan s di samping.
Tentukan usaha total yang dilakukan oleh gaya!

Penyelesaian:
Usaha = luas daerah di bawah grafik
W₁ = luas trapesium
= (10 + 6) x ½ x 8 = 64 J
W₂ = luas segitiga = ½  x (-4) x 5
= -10 J
Besarnya usaha total:
W_tot = W₁ + W₂
= (64 – 10) J = 54 J

Posted in: FISIKA XI,XI