Kalau kita ngomongin soal usaha dalam kehidupan sehari-hari, biasanya yang langsung terlintas di kepala itu adalah “kerja keras” atau “pantang menyerah”, iya nggak?
Misalnya, orang yang rajin buka usaha kecil-kecilan, atau seorang pelajar yang lagi berusaha keras biar bisa lulus ujian. Nah, makna itu memang bener kok, karena pada dasarnya usaha identik dengan aktivitas yang butuh tenaga, niat, dan konsistensi.
Tapi ternyata, di dunia Fisika, istilah usaha punya makna khusus yang beda, meskipun konsepnya masih nyambung dengan pengeluaran tenaga. Jadi jangan heran kalau di buku Fisika kamu sering ketemu kata “usaha”, tapi maksudnya bukan soal kerja kantoran atau jualan online, melainkan tentang bagaimana gaya bisa bikin suatu benda berpindah tempat.
Pengertian Usaha
Apa yang dimaksud usaha dalam ilmu Fisika?
Usaha adalah hasil kali gaya yang diberikan pada sebuah benda dengan perpindahan benda tersebut ke arah gaya. Artinya, kalau ada gaya yang bekerja pada sebuah benda dan benda itu benar-benar bergerak atau berpindah sesuai arah gaya, barulah bisa disebut sebagai usaha.
Seperti contoh ketika kamu mendorong lemari sekuat tenaga, kalau lemarinya geser meski beberapa sentimeter, berarti kamu telah melakukan usaha. Tapi kalau lemarinya gak geser sama sekali karena doronganmu, secara Fisika ya berarti belum termasuk usaha.
Maka dari itu, usaha tak terpisahkan dari dua hal, yaitu gaya dan perpindahan. Tanpa salah satunya, rumusnya gak akan jalan.
Rumus Usaha dalam Fisika
Tentu saja ada rumus yang menjadi patokan dasar untuk menghitung usaha, yaitu..
W = F × s
Keterangan:
- W = usaha (dalam Joule, disingkat J)
- F = gaya yang diberikan (dalam Newton)
- s = perpindahan benda (dalam meter)
Semisal kamu memberikan gaya 10 Newton untuk mendorong sebuah benda, lalu benda tersebut berpindah sejauh 2 meter, maka usaha yang kamu lakukan adalah 20 Joule. Perlu dicatat, satuan usaha adalah Joule (J), yang juga menjadi satuan standar energi di Fisika.
Jenis-Jenis Usaha
Usaha sendiri didalam ilmu Fisika terbagi lagi menjadi beberapa jenis. Karena tiap kondisi benda bisa menghasilkan jenis usaha yang berbeda pula, berikut jenis-jenis dari usaha..
1. Usaha Positif
Usaha positif bisa terjadi kalau arah gaya sejalan dengan perpindahan benda. Dengan kata lain, gaya yang kamu berikan membantu benda untuk bergerak ke arah yang sama.
Kita ambil contoh ketika kamu ngedorong troli belanja di supermarket ke depan, arah gaya dorongan sama dengan arah gerak troli. Yang berarti usaha yang dilakukan adalah usaha positif.
Semakin besar gaya atau semakin jauh perpindahannya, makin besar pula usahanya.
2. Usaha Negatif
Usaha negatif jelas kebalikannya usaha positif, usaha negatif terjadi kalau gayanya berlawanan arah dengan perpindahan benda. Jadi bukannya mempercepat, gaya malah menghambat pergerakan.
Seperti contoh pas kamu ngerem sepeda, bantalan rem menekan roda berlawanan arah dengan gerakan roda. Akibatnya sepeda jadi melambat, itulah contoh dari penerapan usaha negatif.
Walaupun dinamai negatif, konsep fisikanya tentu dapat dimanfaatkan untuk memperlambat energi gerak benda.
3. Usaha di Bidang Datar
Sedangkan usaha di bidang datar berarti bendanya bergerak di permukaan yang rata atau horizontal, misal lantai rumah, jalan, atau permukaan meja.
Menariknya, walaupun bidangnya datar, tak selalu gaya yang kita berikan lurus sejajar dengan perpindahan. Karena terkadang arah gaya bisa membentuk sudut dengan arah gerak benda.
Semisal kamu narik koper dengan tali, posisinya miring. Jadi, gaya yang kamu kasih ada sudutnya dengan arah gerak koper.
Nah karena ada sudutnya, rumus usaha di bidang datar jadi ada perubahan..
W = F · cos θ · s
Keterangan:
- θ = sudut antara gaya dan perpindahan
Yang berarti jika sudutnya semakin besar, bagian gaya yang searah dengan perpindahan akan semakin kecil, sehingga usaha yang dihasilkan pun juga makin kecil.
4. Usaha di Bidang Miring
Dengan konsep yang hampir mirip dengan usaha di bidang datar, bedanya benda tak bergerak di permukaan rata, melainkan di permukaan dengan sudut kemiringan tertentu.
Sebagai contoh kasus, kamu mau naikin galon air ke atas meja. Kalau langsung diangkat memang bisa, tapi jelas berat.
Agar lebih ringan, kamu gunakan papan panjang yang dimiringkan, jadi galonnya bisa nggelinding atau ditarik lewat bidang miring yang jadi lintasan naik. Jadi usahanya tetap ada, tapi gaya yang dibutuhkan lebih kecil.
Untuk rumus usaha di bidang miring sbb..
W = m · g · sin θ · s
Keterangan:
- m = massa benda (kg)
- g = percepatan gravitasi (9,8 m/s²)
- θ = sudut kemiringan bidang
- s = panjang lintasan perpindahan (m)
Semakin miring bidangnya (θ makin kecil), maka gaya yang dibutuhkan untuk memindahkan benda jadi lebih ringan. Sebuah prinsip fisika sederhana yang kalau diterapkan bisa mempermudah pekerjaan berat.
Pengertian Energi
Pembahasan tentang usaha kali ini, tentu akan ada kaitannya dengan energi. Jadi, energi bisa diartikan sebagai kemampuan untuk melakukan usaha.
Tanpa adanya energi, mustahil sebuah benda bisa bergerak atau bahkan sebuah sistem bisa mengalami perubahan.
Ketika kamu berlari, belajar, ngangkat beban, semua bisa kamu lakukan karena adanya energi yang kamu dapat dari makanan. Sebuah mobil pun bisa melaju karena adanya energi yang berasal dari bensin.
Jadi, energi ibarat modal utama agar segala sesuatu di alam semesta ini bisa berjalan.
Sifat-Sifat Energi
Sebagaimana materi-materi lainnya, energi pun memiliki beberapa sifat unik tersendiri, berikut diantaranya..
- Energi Tak Bisa Diciptakan atau Dimusnahkan
Hukum kekekalan energi menjelaskan kalau energi bersifat kekal alias tak bisa diciptakan dari nol ataupun dihapus begitu saja. Energi hanya bisa berubah bentuk atau berpindah.
Misal energi kimia yang ada di dalam bensin mobil gak hilang pas dibakar, energinya hanya berubah menjadi energi panas dan energi gerak. - Energi Bisa Berubah Bentuknya
Misal energi listrik berubah menjadi energi cahaya saat lampu menyala, energi potensial air di bendungan bisa berubah jadi energi listrik melalui turbin. Energi dari panas matahari pun bisa diubah menjadi listrik lewat panel surya. - Energi Bisa Berpindah
Selain berubah bentuk, energi juga gampang berpindah dari satu benda ke benda lain. Misal pas kamu masak mie instan, energi panas dari api kompor pindah ke panci, terus ke air sampai akhirnya airnya mendidih. - Energi Bisa Disimpan
Energi pun juga bisa disimpan untuk digunakan nantinya, contohnya seperti baterai. Energi kimia di dalamnya disimpan, kalau kamu pasang di remot buat nyalain tv, energinya diubah menjadi energi listrik.
Jenis-Jenis Energi
Di dalam fisika sendiri, energi memiliki masing-masing jenis, berikut diantaranya..
1. Energi Kinetik
Energi kinetik adalah energi yang dimiliki benda karena gerakannya. Semakin cepat suatu benda melaju atau semakin besar massanya, makin gede pula energi kinetiknya.
Jadi kalau benda sedang diam, energi kinetiknya = nol.
Rumusnya:
Ek = ½ · m · v2
Keterangan:
- Ek = energi kinetik (Joule)
- m = massa benda (kg)
- v = kecepatan benda (m/s)
Contoh gampangnya, sebuah bola yang menggelinding kencang jelas memiliki energi kinetik lebih besar dibanding bola yang jatuhnya perlahan.
2. Energi Potensial
Kalau energi kinetik karena gerak, energi potensial dikarenakan adanya kedudukan benda. Semakin tinggi posisi benda, makin besar pula energi potensialnya.
Rumusnya:
Ep = m · g · h
Keterangan:
- Ep = energi potensial (Joule)
- m = massa benda (kg)
- g = percepatan gravitasi (9,8 m/s²)
- h = ketinggian benda (m)
Buah apel yang masih ada di pohon memiliki energi potensial karena posisinya yang tinggi. Begitu buah apel jatuh, energi potensialnya berubah menjadi energi kinetik.
3. Energi Potensial Pegas
Adalah sebuah energi yang tersimpan di benda elastis, seperti misalnya pegas atau karet. Kalau ditarik atau ditekan, karet akan menyimpan energi yang nanti bisa dilepas balik.
Rumusnya:
Ep = ½ · k · (Δx)2
Keterangan:
- Ep = energi potensial pegas (Joule)
- k = konstanta pegas (N/m)
- Δx = perubahan panjang pegas (m)
Contohnya ya ketapel, makin jauh narik karetnya, semakin besar pula energi potensial pegas yang tersimpan, jelas batu yang terlempar juga semakin kencang.
4. Energi Mekanik
Sedangkan energi mekanik adalah jumlah dari energi kinetik + energi potensial.
Rumusnya:
Em = Ek + Ep
Jadi, kalau sebuah benda sedang bergerak serta memiliki ketinggian, energi totalnya disebut energi mekanik.
Misal bola yang dilempar ke atas, pas baru dilempar, energi kinetiknya besar. Pas sampai di titik tertinggi lemparan, energi kinetiknya mengecil, tapi energi potensialnya membesar.
Dan totalnya = energi mekanik, dan itu bernilai tetap.
Hubungan antara Usaha dan Energi
Usaha dan energi adalah dua hal yang tak bisa dipisahkan, karena dibutuhkan energi untuk melakukan usaha. Dan dari usaha yang dilakukan, energi suatu benda bisa berubah.
Jadi hubungan antara usaha dan energi sudah seperti siklus yang terus berputar, saling melengkapi satu sama lain.
Kita ambil contoh pas kamu ngedorong motor mogok. Kamu butuh energi dari tubuh (hasil makan mi ayam misalnya) untuk bisa melakukan usaha. Usaha yang kamu keluarkan itu akan merubah energi motor—dari diam (energi kinetik nol) jadi bergerak.
Didalam fisika hubungan ini dibagi menjadi dua contoh besar, yaitu..
- Hubungan usaha dengan energi kinetik
- Hubungan usaha dengan energi potensial
a. Hubungan Usaha dengan Energi Kinetik
Energi kinetik kan energi yang dimiliki oleh benda karena gerakannya. Jadi, besaran usaha yang dilakukan pada sebuah benda = perubahan energi kinetik benda itu.
Kalau sulit dipahami, intinya adalah kalau sebuah benda kamu kasih usaha (misalnya didorong atau ditarik) maka kecepatannya bakal berubah. Semakin besar usaha yang kamu berikan, makin besar pula perubahan kecepatan atau energi kinetik yang dihasilkan.
Kita ambil contoh pas ngedorong motor, pas diem, energi kinetiknya = 0. Terus kamu dorong, kalau dorongannya lemes, motornya jelas pelan jalannya.
Tapi kalau kamu ngedorong lebih kuat, motornya bisa melaju lebih cepat. Jadi usaha yang kamu keluarkan itu persis sebanding sama perubahan energi kinetik motor.
Secara rumus..
W = ΔEk = ½ m (v22 – v12)
Keterangan:
- Ek = energi kinetik (J)
- m = massa benda (kg)
- v1 = kecepatan benda awal (m)
- v2 = kecepatan benda akhir (m)
b. Hubungan Usaha dengan Energi Potensial
Hubungan antara usaha dan energi potensial adalah usaha yang kita lakukan untuk mengangkat atau menurunkan benda = perubahan energi potensial benda itu.
Misal kamu ngangkat galon air ke atas dispenser. Usaha yang kamu keluarkan untuk ngangkat galon itu sama nilainya dengan energi potensial yang nambah karena galon posisinya lebih tinggi dari lantai.
Begitupun sebaliknya, kalau galonnya terjatuh, energi potensialnya berubah menjadi energi kinetik. Dalam proses jatuhnya, usaha dilakukan oleh gaya gravitasi, jadi ya tak ada energi yang hilang, cuman berubah bentuknya.
Rumusnya:
W = ΔEp = ½ m g (h2 – h1)
Keterangan:
- Ep = energi potensial (J)
- m = massa (kg)
- g = percepatan gravitasi (9,8 m/s²)
- h1 = ketinggian benda awal (m)
- h2 = ketinggian benda akhir (m)
Penerapan Usaha dan Energi dalam Kehidupan Sehari-Hari
Lantas apa saja contoh penerapan dari usaha dan energi yang bisa kita lihat di kehidupan sehari-hari? Berikut admin rangkumkan beberapa contohnya..
- Olahraga
Saat kamu lari, energi kimia dari makanan yang sudah dicerna tubuh berubah menjadi energi kinetik untuk menggerakkan otot. Coba kalau belum makan, mau lari-lari pun pasti males, karena modal energi-nya gak ada. - Transportasi
Mobil, motor, atau kendaraan lain perlu bahan bakar. Energi kimia didalam bensin diubah menjadi energi gerak lewat mesin, sehingga kendaraan pun bisa melaju. - Listrik
Di pembangkit listrik tenaga air (PLTA), energi potensial air di bendungan diubah menjadi energi kinetik saat air mengalir. Energi kinetik lalu digunakan untuk memutar turbin, yang akhirnya menghasilkan energi listrik. - Alat Rumah Tangga
Blender, kipas angin, mesin cuci adalah contoh dari energi listrik yang diubah menjadi energi mekanik (gerak), membuat alat-alat tersebut bisa berfungsi. - Energi Terbarukan
Panel surya menyerap cahaya matahari (energi radiasi) lalu mengubahnya menjadi energi listrik, dimana lebih ramah lingkungan karena tak perlu pembakaran bahan fosil.
Penutup
Mungkin sampai disini dulu ya apa yang bisa admin uraikan terkait usaha dan energi. Pada intinya, kedua konsep ini tak bisa dipisahkan dan akan selalu menyambung satu sama lain.
Mulai dari teori, rumus dan berbagai contohnya di kehidupan nyata, semuanya menunjukkan kalau usaha dan energi adalah bagian penting dari kehidupan kita.