MAKALAH REVISI

MenganalisisKonsepenergi, usaha, hubungan usaha dan perubahan energi, dan hukum kekekalan energi untuk menyelesaikan permasalahan gerak dalam kehidupan sehari-hari

diajukan untuk memenuhi salah satu tugas Mata Kuliah Fisika Sekolah I

diampuoleh

Drs. Sutrisno, M.Pd.

Muhamad Gina Nugraha, S.Pd, M.Pd.

disusunoleh:

Sandi Kurnia(1507515)

Susilawati (1506510)

DEPARTEMEN PENDIDIKAN FISIKA

FAKULTAS PENDIDIKAN MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS PENDIDIKAN INDONESIA

2016

A. Kompetensi Inti

1. Menghayati dan mengamalkan ajaran agama yang dianutnya.

2. Mengembangkan perilaku (jujur, peduli, santun, ramah lingkungan, gotong royong, kerjasama, cinta damai, responsif dan proaktif) dan menunjukan sikap sebagai bagian dari solusi atas berbagai permasalahan bangsa dalam berinteraksi secara efektif. Dengan lingkungan sosial dan alam serta dalam menempatkan diri sebagai cerminan bangsa dalam pergaulan dunia.

3. Memahami, menerapkan, menganalisis dan menjelaskan pengetahuan faktual, koseptual, prosedural dan metakognitif dalam ilmu pengetahuan, teknologi, seni, budaya, dan humaniora dengan wawasan kemanusiaan, kebangsaan, kenegaraan, dan peradaban terkain fenomena dan kejadian, penyebab fenomena dan kejadian, serta menerapkan pengetahuan prosedural pada bidang kajian yang spesifik sesuai dengan bakat dan minatnya untuk memecahkan masalah.

4. Mencoba, mengolah dan menyaji dalam ranah konkret dan ranah abstrak terkait dengan pengembangan dari yang dipelajarinya di sekolah secara mandiri, bertindak secara efektif dan kreatif, serta mampu menggunakan metoda sesuai kaidah keilmuan.

B. Kompetensi Dasar

3.3 MenganalisisKonsepenergi, usaha, hubungan usaha dan perubahan energi, dan hukum kekekalan energi untuk menyelesaikan permasalahan gerak dalam kehidupan sehari-hari

C. Indikator

1. Menjelaskan pengertian Usaha.

2. Membedakan usaha oleh gaya konstan dan usaha oleh gaya tidak konstan

3. Membedakan usaha oleh gaya konservatif dan gaya Non konservatif.

4. Menjelaskan pengertian Energi.

5. Menganalisis hubungan antara usaha dan energi potensial.

6. Menganalisis hubungan antara usaha dan energi kinetik.

7. Menganalisis hukum kekekalan energi mekanik.

8. Menerapkan hukum kekekalan energi mekanik untuk menyelesaikan permasalahan gerak dalam kehidupan sehari-hari.

9. Menjelaskan pengertian daya.

D. Materi Ajar

1. Usaha

a. Pengertian Usaha

b. Usaha oleh gaya konstan

c. Usaha oleh gaya non konstan

d. Usaha oleh Gaya Konservatif

Hukum kekekalan energi mekanik

e. Gaya Non konservatif

Teorema Usaha-Energi

2. Energi

a. Energi Kinetik gravitasi

b. Energi Potensial gravitasi

c. Energi mekanik

3. Daya

E. MateriPrasyarat

1. Gerak

F. KonsepEsensial

1. Gaya ( Konstan, Non konstan, Konservatif dan Non konservatif)

2. Perpindahan

3. Usaha

4. Selang waktu

5. Daya

6. Energi Potensial Gravitasi

7. Energi kinetik Gravitasi

G. (Energi Potensial)Peta Konsep

(Karena PerubahanKetinggian) (Menyebabkanbendamengalami) (Gaya )

(Usaha)

(Menghasilkan)

(Karena PerubahanKecepatan) (Perpindahan)

(Energi Kinetik)

(Menghasilkan) (Selang Waktu)

(Daya)

H. (Pengertian konsep usaha)Bagan Materi

(Usaha oleh gayakonstan)

(Usaha oleh gaya non konstan) (Usaha)

(Usaha oleh gayakonservatif)

(Usaha oleh gaya nonkonservatif)

(PengertianEnergiEnergiPotensial GravitasiEnergiEnergiMekanikEnergiKinetikGravitasi) (Usahadan Energi)

(Daya)

I. KandunganAspek-aspekMotorik

No.

Sub Materi Pokok

Aspek

Contoh Aplikasi

Kognitif

Afektif

Psikomotor

1.

Pengertian Usaha

√

√

√

Kognitif:

Menjelaskanpengertian usaha dan formulasinya

Afektif : mampu gaya yang diberikan pada suatu benda.

Psikomotor : mendorong benda dengan berbagai gaya yang diberikan kemudian amati perpindahan benda.

2.

Usaha oleh gaya konstan dan gaya non konstan

√

Kognitif : Membedakan usaha oleh gaya konstan dan gaya non konstan

3

Usaha oleh gaya konservatif dan gaya non konservatif

√

Kognitif : Membedakan usaha oleh gaya konservatif dan gaya non konservatif

3.

PengertianDaya

√

Kognitif : Menjelaskan pengertian daya

4

Hubungan antara usaha dan energi potensial

√

√

√

Kognitif : memahami hubungan antara usaha dan energi potensial

Afektif : menempatkan barang yang berat dibagian bawah rak. Agar tidak perlu mengeluarkan usaha yang besar untuk mengangkat barang..

Psikomotor : menentukan nilai energi potensial dengan ketinggian benda yang berbeda.

5

Hubungan antara usaha dan energi kinetik

√

√

√

Kognitif : memahami hubungan antara usaha dan energi kinetik.

Afektif : ketika mengayuh sepeda, untuk menghasilkan gerak yang cepat maka dibutuhkan usaha yang lebih besar.

Psikomotor : Menentukan besar energi kinetik melalui percobaan bandul sederhana

6

Hukum Kekekalan energi Mekanik

√

Kognitif : Memahami hukum kekekalan energi mekanik

7

Menerapkan hukum kekekalan energi mekanik dalam kehidupan sehari-hari.

√

√

√

Kognitif : memahami hukum kekekalan enrgi mekanik

Afektif : menggunakan lintasan miring ketika memindahkan benda yang bermassa besar ke tempat yang tinggi

Psikomotor : mampu mencari energi mekanik dari percobaan bandul sederhana

I. Uraian Materi

1. Konsep Usaha

Berdasarkan gambar diatas, suatu gaya konstan F bekerja pada suatu benda menybabkan benda berpindah sejauh sdan tidak searah dengan arah gaya F. Komponen gaya F yang segaris dengan perpindahan adalah Fx = F cos . Maka diperoleh usaha sebagai berikut :

Dimana satuan berdasarkan SI dari gaya adalah Newton (N) dan satuan SI dari jarak perpindahan adalah meter (m). Berdasarkan persamaan diatas, maka diperoleh satuan dari usaha adalah Newton.meter (Nm) dan sering dinyatakan sebagai Joule (J) karena 1 Nm = 1 Joule.

Usaha dapat bernilai positif atau negatif, bergantung pada arah komponen gerak dan arah gaya yang bekerja pada benda tersebut. Jika benda yang mendapatkan usaha memiliki arah komponen gerak yang searah dengan arah gaya, maka usaha tersebut bernilai positif. Sebaliknya, jika benda yang mendapatkan usaha tersebut memiliki arah komponen gerak yang berlawanan dengan arah gaya, maka usaha tersebut berharga negatif.

a. Usaha oleh Gaya Tetap

Sebuah balok kuningan dengan massa sebesar 198,52 gram, ditarik ke arah kanan menggunakan neraca pegas yang dibuat konstan, gaya yang terukurnya sebesar 2 Newton. Balok tersebut berpindah (yang permukaannya dianggap licin) searah dengan arah gaya (ke kanan) dari posisi diam di x1 seperti yang telah terukur di penggaris sebesar 5,2 cm dari jarak yang telah dipatok menggunakan penggaris tersebut ke posisi akhir di x2 yang terukur penggaris sebesar 6,7 cm. Sehingga perpindahan balok ialah sebesar selisih dari posisi akhir dan posisi awal yaitu 1,5 cm. Jadi, usaha yang dilakukan oleh balok yang diberikan gaya konstan tersebut ialah perkalian dari gaya dan perpindahannya yang telah dikonversikan ke satuan meter:

Karena balok diberi gaya yang konstan maka percepatan yang dialami balok kuningan tersebut juga konstan. Sehingga balok tersebut bergerak lurus berubah beraturan.

b. Usaha oleh Gaya Berubah

Balok kuningan dengan massa yang telah diukur oleh neraca digital sebesar 100,02 gram, didorong oleh jari telunjuk ke arah kanan sehingga balok kuningan tersebut berpindah (yang permukaannya dianggap licin) dari posisi awal di x1 yang terukur penggaris sebesar 5 cm dari jarak yang telah dipatok menggunakan penggaris tersebut ke posisi akhir di x2 sebesar 25 cm. Dorongan diberikan dengan percepatan yang berbeda.

Nilai percepatan yang berbeda-beda setiap waktu perpindahan balok tersebut karena gaya yang diberikan pada balok berbeda-beda, sehingga menghasilkan nilai usaha yang berbeda-beda pula bergantung pada besar percepatan di setiap jarak perpindahannya.

Jika digambarkan dalam bentuk grafik, maka besar usaha itu sama dengan luas daerah di bawah kurva gaya sebagai fungsi posisi, seperti gambar di samping ini.

Jika contoh dari fenomena ini adalah yang terjadi pada pegas, pegas berubah panjangnya dari keadaan teregang x1 menjadi x2, maka x2> x1. Dan persamaannya menjadi:

Sedangkan sesuai dengan hukum hooke, maka gaya pegas itu memenuhi persamaan

Dari kedua persamaan terakhir di atas dapat diperoleh usaha oleh gaya pegas adalah

c. Usaha oleh Gaya Konservatif

Besar usaha pada medan gaya konservatif tidak bergantung pada panjang lintasan dimana benda tersebut bergerak ketika diberikan gaya. Besar usaha pada medan gaya ini hanya bergantung pada posisi awal dan posisi akhir benda saja.

Seperti yang terlihat pada gambar disamping, bola yang dipindahkan dari ketinggian h0ke h1 akan melakukan usaha yang sama baik dari lintasan I, lintasan II, dan lintasan III. Kemudian ketika bola dipindahkan kembali dari ketinggian h1ke h0 akan melakukan usaha yang bernilai negatif dari usaha yang dilakukan bola ketika berpindah dari ketinggian h0ke h1karena arah perpindahan dan arah gayanya yang saling berlawanan.

Hal itu berarti bahwa energi yang dikeluarkan oleh pelaku usaha untuk memindahkan bola dari ketinggian h0 ke ketinggian h1tidaklah hilang melainkan disimpan dalam medan dan energi itu diperoleh kembali ketika mengembalikan benda dari ketinggian h1 ke ketinggian h0.

Dengan demikian seandainya dalikukan usaha memindahkan benda dari ketinggian h0 ke ketinggian h1 dan kemudian dari ketinggian h1 ke ketinggian h0 dalam sebuah lintasan tertutup, maka besar usaha totalnya adalah nol. Fenomena itulah yang disebut dengan usaha oleh medan gaya konservatif.

Contoh dari medan gaya konservatif adalahmedan gaya pegas. Dimana usaha oleh gaya pegas atau usaha pada pegas tidak bergantuk dengan bentuk lintasan melainkan pada panjang awal dan panjang akhir pegas, sehingga usaha total dalam lintasan tertutup berharga nol.

d. Usaha oleh Gaya Non-Konservatif

Berbeda dengan besar usaha pada medan gaya konservatif, besar usaha pada medan gaya non-konservatif bergantung pada lintasan benda, dan usaha total pada sebuah lintasan tertutup tidak sama dengan nol.

Contoh dari medan gaya non-konservatif adalah gaya gesek. Arah gaya gesek selalu melawan arah gerak benda. Dengan demikian, maka usaha oleh gaya gesek adalah negatif, dan usaha ini terjadi terus selama benda bergerak baik itu pergerakannya dalam lintasan yang tertutup atau tidak. Oleh sebab itu, usaha oleh gesekan ini tidak sama dengan nol meski perpindahan benda adalah nol ketika bergerak dalam lintasan tertutup.

Untuk benda yang dalam keadaan bergerak maka gaya gesekan yang dimaksud adalah gaya gesekan kinetik, dan usaha oleh gaya gesekan kinetik ini dinyatakan dengan persamaan:

Karena gaya gesekan kinetik berlawanan arah dengan perpindahan , maka usaha oleh gaya gesekan kinetik besarnya adalah:

Dengan adanya usaha oleh gaya gesekan ini maka benda yang bergerak pada bidang yang kasar energinya makin lama akan semakin kecil. Energi yang hilang atau lepas dari benda itu karena gesekan akan berubah menjadi kalor atau panas.

Sebagai contoh faktanya diambil dari fakta pada usaha oleh gaya tetap dimana telah diperoleh usaha sebesar Joule. Jika permukaan dianggap tidak licin, maka usaha oleh gaya gesek kinetik dari balok kuningan tersebut adalah (dimana diperoleh dari literatur bahwa koefisien gesek kinetik kuningan sebesar 0,51, maka gaya gesek kinetik sebesar 0,51 x 9,8 m/s2 = 4,998 N)

Jadi, usaha total dari gerak balok kuningan tersebut adalah:

2. Energi

Energi adalah kemampuan untuk melakukan usaha. Di alam semesta ini energi hadir dalam lima bentuk, yaitu: energi mekanik, energi kalor, energi kimia, energi elektromagnetik (listrik, magnet, dan cahaya), dan energi nuklir.

Selain itu, energi juga dapat berubah dari bentuk yang satu ke bentuk lainnya. Misalnya pada setrika listrik, energi listrik diubah menjadi energi kalor. Peristiwa perubahan bentuk energi disebut konversi energi, sedangkan alat pelaku konversi energi disebut konverter energi. Misalnya, pada contoh di atas, setrika adalah sebagai konverter energi.

a. Energi Potensial

Pada gambar di samping, terlihat adanya gaya luar mengangkat sebuah bola dari ketinggian ke ketinggian 1. Usaha oleh gaya luar pada bola tersebut adalah:

Bila bola terangkat ke atas dengan kelajuantetap, maka bola tidak akan mengalami perubahan energi kinetik. Sehingga besar gaya luar tersebut sama dengan gaya berat bola, sehingga dapat dirumuskan menjadi:

atau

Pada persamaan di atas, ruas kiri adalah usaha oleh gaya luar sehingga merupakan besaran energi dan karena ruas kanan sama dengan ruas kiri, maka ruas kanan pun harus menyatakan besaran energi. Energi dalam ruas kanan itu adalah energi bola pada ketinggian-ketinggian yang bersangkutan yang berkaitan dengan posisi bola tersebut. Energi bolatersebut yang ditentukan oleh posisinya dalam medan gravitasi itu disebut juga sebagai energi potensial gravitasi yang biasa disebut secara singkat sebagai energi potensial. Jadi persamaan di atas menunjukkan bahwa usaha sama dengan perubahan energi potensial benda yang menerima usaha. Energi potensial benda yang massanya m pada ketinggian h di atas permukaan bumi adalah

Yang sudah dilakukan di atas adalah menghitung usaha gaya luar untuk memindahkan benda dari ketinggian ho ke ketinggian h1 di atas permukaan tanah. Usaha itu sama dengan positif dari perubahan energi potensial, artinya energi diberikan oleh pelaku usaha ke benda sehingga energi potensial benda bertambah.

Kesimpulan lainnya adalah bahwa usaha oleh gaya luar ternyata negatif dari usaha oleh gaya berat. Ini sesuai dengan logika bahwa untuk mengengkat benda itu pelaku usaha harus melawan gaya berat yang menarik benda justru ke arah yang berlawanan yaitu ke bawah atau ke pusat bumi.

b. Energi Kinetik

Pada materi sebelumnya, telah dibahas bahwa usaha merupakan hasil perkalian besaran vektor gaya dengan perpindahan dimana arah komponen gaya searah dengan arah perpindahan. Hal tersebut harus memenuhi hukum II Newton, sehingga persamaannya menjadi:

Ketika gaya yang bekerja konstan, maka percepatan yang dialami benda konstan dan itu berarti benda bergerak lurus berubah beraturan yangberdasarkan kinematika gerak lurus diperoleh percepatan memenuhi persamaan:

Dan besar perpindahan:

Dari ketiga persamaan diatas, disubstitusikan dengan persamaan usaha yang telah dirumuskan sebelumnya sebagai berikut:

Bila kita tulis dalam bentuk lain maka hasil itu adalah

Pada persamaan terakhir di atas, ruas kiri (W) adalah usaha yang berarti besaran energi, dan karena ruas kanan sama dengan ruas kiri maka ruas kanan juga harus merupakan energi. Energi yang dinyatakan di ruas kanan itu merupakan energi yang dimiliki oleh benda yang bergerak dan oleh sebab itu disebut sebagai energi gerak kinetik, dan secara umum persamaannya adalah

Maka hubungan anatara usaha dengan energi kinetik pada benda yang menerima usaha itu adalah:

Itulah yang sering disebut sebagai teorema usaha-energi yang menyatakan bahwa besarnya usaha yang diterima oleh sebuah benda sama dengan perubahan energy kinetik benda itu

c. Hukum Kekekalan Energi Mekanik

Berdasarkan yang diperoleh dari teorema usaha-energi bahwa usaha total atau usaha yang dilakukan oleh gaya total pada sebuah benda sama dengan perubahan energi kinetik benda, juga sama dengan perubahan energi potensial benda.

Berdasarkan gambar disamping, apabila kita mengasumsikan bola di posisi awal A adalah diam dan bergerak ke posisi akhir B dengan kecepatan tertentu, maka dapat disimpulkan bahwa v1>v0, yang berarti energi kinetik bola tersebut dari posisi awal ke posisi akhir adalah bertambah. Persamaannya adalah sebagai berikut:

Dari gambar diatas juga kita dapat memperoleh persamaan perubahan energi potensial dimana gaya yang ada pada bola tersebut senilai dengan besar gaya beratnya, posisi A mempunyai ketinggian yang lebih besar dari posisi B atau dapat disimbolkan menjadi h0>h1, yang berarti bahwa energi potensial bola tersebut dari posisi awal ke posisi akhir berkurang. Persamaannya adalah:

Maka disimpulkan bahwa h0>h1, yang berarti energi potensial suatu benda dari posisi awal ke posisi akhir adalah berkurang.

Dari kedua persamaan diatas merupakan besar dari usaha, jadi jika disubstitusikan satu sama lain maka persamaan menjadi:

Energi mekanik mula-mula sama dengan energi mekanik akhir. Itulah yang disebut dengan hukum kekekalan energi mekanik. Kekekalan energi mekanik tidak berlaku pada usaha pada medan gaya non-konservatif, karena pada gaya non-konservatif ada energi yang hilang dan berubah menjadi energi yang lain.

3. Menerapkan hukum kekekalan energi mekanik untuk menyelesaikan permasalahan gerak dalam kehidupan sehari-hari.

Gerak Jatuh bebas

Berdasarkan gambar tersebut, energi mekanik pada masing-masing posisi sebagai berikut :

a. Dititik tertinggi A

Pada titik tertinggian A (ketinggian maksimum) kecepatan benda sama dengan nol, karena kecepatannya nol, maka benda tidak memiliki energi kinetik ( Ek = 0) sehingga energi mekanik sama dengan energi potensial.

b. Dititik tengah T

Ketika benda bergerak dengan selang waktu tertentu, hingga mencapai ketinggian sebesar h, selain ketinggian, benda juga memiliki kecepatan. Oleh karena itu, energi mekanik benda adalah penjumlahan dari energi kinetik dan energi potensial.

c. Dititik terendah B

Pada ketinggian terendah tepat sebelum benda akan berhenti, benda tidak lagi memiliki ketinggian (Ep = 0), oleh karena itu energi mekanik sama dengan energi kinetik.

4. Daya

Penggunaan konsep energi saja kadang tidak cukup menggambarkan kemampuan seseorang atau suatu sistem dalam melakukan kerja. Sebagai contoh, A dan B masing-masing dapat memindahkan sebuah benda yang sama dari lantai ke lantai lainnya dalam selang waktu yang berbeda, Jika usahanya sama, tetapi selang waktu yang diperlukan untuk melakukan usaha itu berbeda, maka dikatakan bahwa dayanya berbeda.

Jadi, daya didefinisikan sebagai laju usaha yang dilakukan atau besar usaha (W) persatuan waktu (t)

Secara matematis dapat dinyatakan dengan pesamaan:

Dimana satuan SI dari usaha (W) adalah Joule dan satuan SI waktu (t) adalah sekon, maka daya mempunyai satuan SI:

= J/S = Watt

J. (UsahaGayaEnergiDayaEnergi MekanikEnergi PotensialEnergi KinetikGaya KonservatifGaya Non Konservatif)Daftar Pustaka

Dwi Satya, dkk. 2009. Fisika untuk SMA/MA Kelas XI. Jakarta: Pusat Perbukuan Departemen Pendidikan Nasional.

Supiyanto. 2006. Fisika untuk SMA kelas XI. Jakarta : Penerbit PHiβETA.

Tipler, Paul A. (1998). Fisika Untuk Sains dan TeknikEdisiKetigaJilid 1. Jakarta : Erlangga.