Dalam Fisika, dikenal adanya Hukum Kekekalan Energi.
Menurut hukum tersebut, energi yang digunakan oleh seorang atlet papan seluncur (skateboard) ketika melakukan peluncuran dari titik tertinggi hingga titik lain pada bidang luncur, jumlah energinya selalu sama atau konstan. Hanya saja, energi tersebut berubah dari energi potensial menjadi energi kinetik atau sebaliknya.
Bagaimanakah cara menentukan besar energi potensial dan energi kinetik tersebut? Bagaimanakah hubungannya dengan usaha yang dilakukan oleh atlet skateboard untuk meluncur? Bagaimana juga hubungan usaha dan energi tersebut dengan kecepatan atlet skateboard untuk meluncur?
Agar Anda dapat menjawab pertanyaan-pertanyaan tersebut,
materi dalam Bab ini yang akan menjelaskan tentang usaha, energi, dan daya dalam Fisika.
Pada bab ini, Anda akan diajak untuk dapat menganalisis gejala alam dan keteraturannya dalam cakupan mekanika benda titik dengan cara menganalisis hubungan antara usaha, perubahan energi, dan hukum kekekalan energi mekanik, serta menerapkan hukum kekekalan energi mekanik untuk menganalisis gerak dalam kehidupan sehari-hari.
A. Usaha
Kata usaha dalam kehidupan sehari-hari adalah berbagai aktivitas yang dilakukan manusia. Contohnya, Valentino Rossi berusaha meningkatkan kelajuan motornya untuk menjadi juara dunia Moto GP yang ke delapan kalinya, Ronaldinho berusaha mengecoh penjaga gawang agar dapat mencetak gol, dan Firdaus berusaha mempelajari Fisika untuk persiapan ulangan harian.
Anda pun dikatakan melakukan usaha saat mendorong sebuah kotak yang terletak di atas lantai. Besar usaha yang Anda lakukan bergantung pada besar gaya yang Anda berikan untuk mendorong kotak dan besar perpindahan kotak.
Dalam Fisika, usaha memiliki definisi yang lebih khusus. Jika Anda memberikan gaya konstan F pada suatu benda sehingga menyebabkan benda berpindah sejauh s, usaha W yang dilakukan gaya tersebut dinyatakan dengan :
W = F x s (1-1)
dengan :
F = gaya (N),
s = perpindahan (m), dan
W = usaha (Nm = joule).
 |
| Gambar 1. Sebuah balok yang berpindah sejauh karena gaya memiliki usaha W=Fs. |
Terdapat dua persyaratan khusus mengenai definisi usaha dalam Fisika ini. Pertama, gaya yang diberikan pada benda haruslah menyebabkan benda tersebut berpindah sejauh jarak tertentu. Perhatikanlah Gambar 2. Walaupun orang tersebut mendorong dinding tembok hingga tenaganya habis, dinding tembok tersebut tidak berpindah. Dalam Fisika, usaha yang dilakukan orang tersebut terhadap dinding tembok sama dengan nol atau ia dikatakan tidak melakukan usaha pada dinding tembok karena tidak terjadi perpindahan pada objek kerja/usaha yaitu dinding tembok. Kedua, agar suatu gaya dapat melakukan usaha pada benda, gaya tersebut harus memiliki komponen arah yang paralel terhadap arah perpindahan.
 |
| Gambar 2. Contoh gaya yang tidak menimbulkan perpindahan benda sehingga W = 0. [2] |
Perhatikanlah Gambar 3. Juwita menarik kereta api mainan dengan menggunakan tali sehingga gaya tariknya membentuk sudut α terhadap bidang horizontal dan kereta api mainan tersebut berpindah sejauh s.
 |
| Gambar 3. Gaya tarik yang dilakukan Juwita membentuk sudut α terhadap arah perpindahannya. [2] |
Dengan demikian, gaya yang bekerja pada kereta api mainan membentuk sudut α terhadap arah perpindahannya. Oleh karena itu, besar usaha yang dilakukan gaya tersebut dinyatakan dengan persamaan :
W = F cos α s (1-2)
dengan α = sudut antara gaya dan perpindahan benda (derajat).
Contoh Soal 1 :
Sebuah benda yang beratnya 10 N berada pada bidang datar. Pada benda tersebut bekerja sebuah gaya mendatar sebesar 20 N sehingga benda berpindah sejauh 50 cm. Berapakah usaha yang dilakukan oleh gaya tersebut?
Kunci Jawaban :
Diketahui :
W = 10 N,
F = 20 N, dan
s = 50 cm.
W = Fs
W = (20 N)(0,5 m) = 10 joule
Contoh Soal 2 :
Sebuah gaya F = (3i + 4j) N melakukan usaha dengan titik tangkapnya berpindah menurut r = (5i + 5j) m dan vektor i dan j berturut-turut adalah vektor satuan yang searah dengan sumbu-x dan sumbu-y pada koordinat Cartesian. Berapakah usaha yang dilakukan gaya tersebut?
Kunci Jawaban :
Diketahui: F = (3i + 4j)N dan r = (5i + 5j)m.
W = F x s atau W = F x r = (3i + 4j)N x (5i + 5j)m = 15 + 20 = 35 joule
Contoh Soal 3 :
Sebuah balok bermassa 10 kg ditarik dengan gaya 50 N sehingga berpindah sejauh 8 m. Jika α = 60° dan gesekan antara balok dan lantai diabaikan, berapakah usaha yang dilakukan gaya itu?
Kunci Jawaban :
Diketahui: F = 50 N, s = 8 m, dan α = 60°.
W = F cosα s
W = (50 N)(cos 60°)(8 m)
W = (50 N)(1/2)(8 m)
W = 200 joule.
Contoh Soal 4 :
Sebuah benda m = 4 kg ditarik dengan gaya 60 N (lihat gambar). Usaha yang dilakukan gaya tersebut untuk memindahkan benda sejauh 5 m adalah …
a. 40 joule
b. 75 joule
c. 150 joule
d. 200 joule
e. 300 joule
Kunci Jawaban :
W = Fs
W = 60 cos (60°). 5
W = (60) (1/2 ) (5)
W = 150 joule
Jawab: c
