USAHA

Pada saat kita mendorong mobil maka dapat dikatakan kita melakukan usaha terhadap mobil. Tanpa kita pedulikan apakah mobil bergerak atau tidak, kita sudah melakukan usaha. Adapun kerja atau energy merupakan kemampuan untuk melakukan usaha. Dalam hal ini energi adalah tenaga yang kita keluarkan untuk mendorong mobil tersebut. Jadi apakah yang dimaksud dengan usaha dan energi? Untuk lebih memahaminya ikutilah pembahasan berikut ini.

Pengertian Usaha Dalam Fisika

Di dalam kehidupan sehari-hari, mungkin Anda sering mendengar kata usaha. Pengertian usaha dalam kehidupan sehari-hari adalah mengerahkan kemampuan yang dimilikinya untuk mencapai tujuan atau kerja yang dilakukan orang atau mesin. Apapun hasil kerja itu, berhasil atau tidak, asalkan orang atau mesin itu melakukan sesuatu, dikatakan orang atau mesin tersebut melakukan usaha. Pengertian usaha dalam fisika didefinisikan sebagai perkalian antara besar gaya yang menyebabkan benda berpindah dengan besar perpindahan benda yang searah dengan arah gaya tersebut. Secara matematis dapat ditulis sebagai berikut.

W = F . s

Keterangan:

W : usaha (J)
F : gaya yang beraksi pada benda (N)
s : jarak pergeseran (m)

Usaha yang Dilakukan Gaya Membentuk Sudut

Usaha yang dilakukan oleh gaya F menyebabkan perpindahan sejauh s. 

Perhatikan Gambar! Toni menarik balok dengan suatu gaya konstan F dan menyebabkan balok berpindah sejauh s dan tidak searah dengan arah gaya F. Komponen gaya F yang segaris dengan perpindahan adalah Fx = F cos α, dengan α merupakan sudut apit antara arah gaya dan bidang horizontal. Berdasarkan definisi usaha tersebut diperoleh persamaan sebagai berikut. 

W = F . s

W = F cos α

W = F . s cos α 

Usaha yang Bernilai Negatif Usaha boleh bernilai negatif. 

Berdasarkan persamaan W = F cos α . s , ketika α berada pada rentang 90° < α < 270°, usaha bernilai negatif. Hal ini disebabkan cos α_ bernilai negatif. Misalnya, pada kasus benda yang dilempar ke atas. Selama benda bergerak ke atas benda berpindah setinggi h meter, pada benda bekerja gaya berat w yang arahnya ke bawah. Pada kasus ini arah gaya berat ke bawah berlawanan dengan arah perpindahan benda. Ketika benda dilemparkan, benda mendapat sejumlah energi untuk melawan gaya berat benda. Jadi, usaha yang dilakukan oleh gaya berat adalah negatif. Kasus lain yang bernilai negative adalah usaha yang dilakukan oleh gaya gesekan.

Usaha yang Dilakukan Gaya Membentuk Sudut 90' 

Berdasarkan persamaan W = F · s cos_ , jika _ = 90°, maka perpindahan benda tegak lurus terhadap gaya yang beraksi pada benda. Karena nilai cos 90° = 0, maka diperoleh W = 0. Ketika W = 0, dikatakan gaya tersebut tidak melakukan usaha. Pada kasus ini dapat diartikan bahwa perpindahan benda bukan disebabkan oleh gaya tersebut. Perhatikan Gambar! Misalkan, Rinto membawa sebuah buku sambil berjalan dengan kecepatan tetap. Untuk membawa buku yang beratnya w = m · g, Rinto mengeluarkan gaya ke atas sebesar F yang sama dengan berat buku (w). Namun, karena gaya F arahnya tegak lurus dengan perpindahan, maka dikatakan Rinto tidak melakukan usaha. Bagaimana dengan gerak mendatar Rinto? Pada gerak mendatar, Rinto bergerak dengan kecepatan konstan (percepatan (a) = 0), sehingga besarnya gaya mendatar nol (ingat F = m · a = m · 0 = 0). Menurut definisi usaha, jika gaya nol, maka usahanya juga nol. Jadi, usaha total yang dilakukan Rinto sama dengan nol (Rinto tidak melakukan usaha).

Gaya Tidak Melakukan Usaha Jika Benda Tidak Berpindah

Telah Anda ketahui bahwa gaya dikatakan tidak melakukan usaha jika gaya yang bekerja pada suatu benda memiliki resultan nol. Bagaimana jika resultan gayanya tidak sama dengan nol tetapi benda tidak berpindah atau bergeser? Pada kasus-kasus tertentu, gaya yang beraksi pada benda tidak mengubah kedudukan benda. Misalnya ketika Anda mendorong tembok. Anda dikatakan tidak melakukan usaha karena tembok yang anda dorong tidak berpindah (s = 0; maka W = 0)

Contoh yang lain adalah peristiwa atlet besi yang menahan barbel di atas kepala. Saat mengangkat barbel, atlet memberikan sejumlah gaya yang sebanding dengan berat barbel. Gaya ini mengubah posisi barbel dari lantai ke atas kepala atlet. Pada saat mengangkat barbel dari atas lantai ke atas kepalanya atlet dikatakan melakukan usaha. Namun, setelah barbel berada di atas kepala, atlet dikatakan tidak melakukan usaha, meskipun ia mengerahkan segenap tenaga untuk menahan barbel tersebut. Hal ini disebabkan barbel tidak mengalami perpindahan (s = 0; maka W = 0).

Usaha oleh Berbagai Gaya 

Pada kehidupan nyata, jarang dijumpai adanya gaya tunggal yang bekerja pada benda. Misalnya, saat Anda berjalan. Gaya-gaya yang bekerja pada saat Anda berjalan adalah gaya berat, gaya normal, dan gaya gesekan. Bagaimanakah cara menentukan usaha yang dilakukan oleh berbagai gaya? Untuk dapat menentukan usahanya, Anda harus mengetahui besar gaya dan arahnya.

Masing-Masing Gaya Bekerja Serentak pada Perpindahan yang Sama 

Usaha total yang dilakukan oleh beberapa gaya yang bekerja serentak dapat dihitung sebagai hasil kali resultan komponen gaya yang segaris dengan perpindahan dan besarnya perpindahan.

Masing-Masing Gaya Bekerja pada Perpindahan yang Berbeda

Mengingat bahwa usaha adalah besaran skalar, maka usaha yang dilakukan oleh beberapa gaya pada perpindahan yang berbeda dapat dihitung sebagai hasil penjumlahan aljabar dari usaha yang dilakukan oleh masing-masing gaya secara individual. Secara matematis dapat ditulis sebagai berikut. Perhatikan usaha yang dilakukan oleh beberapa gaya pada Gambar!

Berdasarkan Gambar di atas , diperoleh besarnya usaha yang dilakukan adalah:

Menghitung Usaha dengan Grafik

Usaha yang dilakukan oleh sebuah gaya dapat dilukiskan secara grafis, yaitu dengan menarik garis komponen gaya sebagai fungsi perpindahannya.Perhatikanlah Gambar! Luas daerah diarsir di bawah grafik F– s menyatakan usaha yang dilakukan oleh gaya sebesar F untuk perpindahan benda sejauh s. Sehingga untuk menghitung usaha yang dilakukan oleh suatu gaya, Anda cukup menghitung luas daerah di bawah grafik gaya terhadap perpindahan. Hal ini berlaku untuk segala jenis grafik gaya. Perhatikan Gambar ! Usaha yang dilakukan sebuah benda dengan perpindahan _x digambarkan oleh luas daerah di bawah kurva gaya sebagai fungsi posisi. Pada gambar terlihat bahwa telah dibagi selang dari x1 ke x2 menjadi kumpulan selangselang yang mempunyai panjang _x . Untuk tiap selang _x , usaha yang dilakukan adalah luas persegi di bawah kurva F–x. Jumlah seluruh luas persegi panjang tiap selang _x merupakan luas daerah di bawah kurva. Oleh karena itu, dapat didefinisikan usaha total yang dilakukan oleh gaya yang berubah-ubah dari x1 ke x2 adalah luas total di bawah kurva untuk selang x1 ke x2. 

Dengan demikian dapat dinyatakan bahwa usaha yang dilakukan oleh gaya F untuk perpindahan _x = x2–x1 sama dengan luas daerah di bawah kurva F–x dengan batas x1 dan x2.