Usaha, energi dan daya
Diperkenalkan| English | Bahasa Indonesia |
|---|---|
| work done/wɜːk dʌn/ | usaha |
| displacement/dɪˈspleɪsmənt/ | perpindahan |
| conservation of energy/ˌkɒnsəˈveɪʃn ɒv ˈenədʒi/ | Kekekalan energi |
| efficiency/ɪˈfɪʃənsi/ | Efisiensi |
| thermal energy/ˈθɜːml ˈenədʒi/ | energi termal |
| power/ˈpaʊə/ | daya |
Membawa tas tidak melakukan usaha
- Pegang tas berat diam-diam dan lengan Anda pegal — tetapi secara fisika Anda melakukan nol usaha.
- Usaha memerlukan gaya untuk memindahkan sesuatu sepanjang arahnya.
- Tidak ada pergerakan (atau gaya menyamping) berarti tidak ada usaha yang dilakukan.
Usaha oleh suatu gaya
- $W = F s \cos\theta$, di mana $\theta$ adalah sudut antara gaya dan perpindahan.
- Hanya bagian gaya yang searah dengan gerak yang melakukan usaha. Unit: $\text{J} = \text{N}\cdot\text{m}$.
Usaha, energi & daya
PE + KE = konstan
Usaha mentransfer energi; saat jatuh, PE berubah menjadi KE dengan total tetap.
Sebuah gaya $10\ \text{N}$ mendorong kotak sejauh $3.0\ \text{m}$ searah dengan gaya. Berapa banyak usaha yang dilakukan?
Gaya searah dengan gerak ($\theta = 0$), sehingga $W = Fs = 10 \times 3.0 = 30\ \text{J}$.
Positif, negatif, nol
- Gaya searah gerak → usaha positif (energi diberikan ke objek).
- Gaya berlawanan gerak → usaha negatif (misalnya gesekan menghilangkan energi).
- Gaya pada sudut tegak lurus → nol usaha.
Hanya komponen F cos(theta) sepanjang perpindahan yang melakukan usaha
Sebuah gaya yang bekerja tegak lurus terhadap gerak melakukan berapa banyak usaha?
$W = Fs\cos 90^{\circ} = 0$. Gaya kontak normal pada mobil di jalan datar tidak melakukan usaha.
Gaya gesek pada benda yang meluncur melakukan usaha negatif.
Gaya gesek berarah berlawanan dengan gerak ($\theta = 180^{\circ}$), sehingga $W = -Fs$ — ia mengurangi energi.
Kekekalan energi
- Energi tidak pernah tercipta atau musnah — ia hanya berubah bentuk atau berpindah antar objek.
- Dalam sistem tertutup, total energi tetap konstan.
Usaha positif (gaya searah gerak) dan usaha negatif (gaya berlawanan gerak)
Energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan, hanya ____ dari satu bentuk ke bentuk lain.
Itu adalah kekekalan energi — total dalam sistem tertutup tetap sama.
Cocokkan setiap istilah dengan definisi yang ditandai oleh penguji.
Frasa terakhir definisi usaha itulah yang menyebabkan gaya tegak lurus terhadap gerak tidak melakukan usaha sama sekali.
Efisiensi
- $\text{efficiency} = \dfrac{\text{useful output}}{\text{total input}} \times 100\%$.
- Selalu di bawah $100\%$ — sebagian energi berakhir sebagai energi termal "tak berguna".
Usaha yang sama dilakukan dalam waktu lebih singkat berarti daya lebih besar
Aliran energi & efisiensi
Energi input terbagi menjadi usaha berguna dan energi terbuang; efisiensi = berguna ÷ input, dan berguna + terbuang selalu sama dengan input.
Sebuah mesin menerima $200\ \text{J}$ dan menghasilkan $60\ \text{J}$ energi berguna. Berapakah efisiensinya (dalam %)?
$\dfrac{60}{200} \times 100\% = 30\%$. Sisa $140\ \text{J}$ terbuang, sebagian besar sebagai panas.
Daya
- Daya adalah laju melakukan usaha: $P = \dfrac{W}{t} = \dfrac{\Delta E}{\Delta t}$.
- Unit: $\text{W} = \dfrac{\text{J}}{\text{s}}$.
Daya, gaya dan kecepatan
- Untuk gaya $F$ searah gerak pada kecepatan $v$: $P = Fv$.
- Mobil dengan kecepatan stabil membutuhkan $P = F_{\text{resist}} \times v$; mengangkat beban dengan kecepatan $v$ membutuhkan $P = mgv$.
Sebuah gaya $F$ bekerja pada benda bergerak dengan kecepatan $v$ searah dengan gaya. Daya yang disalurkan adalah:
Dalam waktu $\Delta t$ perpindahan adalah $v\Delta t$ dan usahanya adalah $Fv\Delta t$; membagi dengan $\Delta t$ menghasilkan $P = Fv$.
Contoh soal: mobil dengan kecepatan stabil
- Sebuah mobil melaju dengan kecepatan konstan $25\ \text{m/s}$ melawan gaya hambat total sebesar $600\ \text{N}$. Tentukan daya output berguna dari mesinnya.
- Pada kecepatan konstan, resultan gaya adalah nol, sehingga gaya penggerak sama dengan gaya hambat: $F = 600\ \text{N}$.
- $P = Fv = 600 \times 25 = 1.5\times10^{4}\ \text{W} = 15\ \text{kW}$.
- Langkah yang membawa poin tersebut menyatakan mengapa gaya penggerak sama dengan $600\ \text{N}$: kecepatan konstan berarti resultan gaya nol.
- Jika mobil sedang berakselerasi, gaya penggerak akan lebih besar dari $600\ \text{N}$ dan Anda tidak dapat menggunakan gaya hambat dalam $P = Fv$ sama sekali.
⟦⟧ Nilai yang sering terlewat
- Efisiensi adalah output useful dibagi input total. Input selalu merupakan angka yang lebih besar, sehingga jawaban di atas $100\%$ berarti keduanya tertukar.
- Dalam $P = Fv$, $F$ adalah gaya penggerak. Gaya ini sama dengan gaya hambat hanya pada kecepatan konstan.
- Gunakan tinggi vertikal dalam $mg\Delta h$, jangan pernah jarak sepanjang lereng.
- Usaha oleh sebuah gaya adalah gaya dikali jarak bergerak searah dengan gaya tersebut. Gaya yang tegak lurus terhadap gerak tidak melakukan usaha apa pun.
- Pada grafik gaya-perpanjangan, luas adalah energi tersimpan. Gradien adalah kekakuan, dan membaca satu untuk yang lain adalah seluruh soal yang hilang.
Sebuah mobil berjalan konstan 25 m/s melawan total gaya hambat 600 N. Berapakah daya output berguna, dalam kW?
Kecepatan konstan berarti resultan gaya nol, sehingga gaya penggerak adalah 600 N dan P = Fv = 15 kW. Menjelaskan MENGAPA gaya penggerak sama dengan gaya hambat adalah poin yang dinilai.
Pada kasus mana gaya melakukan usaha nol? Pilih semua yang berlaku.
Pengereman melakukan banyak usaha, hanya berupa usaha negatif. Orbit adalah contoh bersih: gravitasi selalu tegak lurus terhadap gerak, sehingga kecepatan satelit tidak pernah berubah.
Urutkan perhitungan efisiensi.
Input selalu angka yang lebih besar. Efisiensi di atas 100% berarti keduanya tertukar, dan membagi dengan energi terbuang adalah jalur salah umum lainnya.
Anda telah memahaminya
- usaha $W = Fs\cos\theta$ — hanya bagian dari $F$ yang searah dengan gerak yang dihitung
- energi terkonservasi; efisiensi = useful ÷ total (selalu < 100%)
- daya $P = \dfrac{W}{t} = Fv$