Usaha, Energi, dan Daya Listrik
1. Pengertian Energi
Energi memegang peranan yang sangat penting bagi kehidupan manusia dan kemajuan suatu negara. Seluruh aktivitas kehidupan manusia bisa dilakukan dengan melibatkan penggunaan energi. Pada zaman prasejarah sampai awal zaman sejarah, hanya kayu yang digunakan sebagai sumber energi untuk keperluan memasak dan pemanasan. Sekitar awal abad ke-13 mulai digunakan batubara. Penemuan mesin uap yang menggunakan batubara sebagai sumber energinya pada abad ke-18 membawa perkembang- an baru dalam kehidupan manusia. Mesin uap ini mampu menghasilkan energi yang cukup besar untuk menggerakkan mesin-mesin industri sehingga memacu api revolusi industri di Eropa, di mana energi mulai digunakan secara besar-besaran.
Pada awal abad ke-19, muncullah minyak bumi yang berperan sebagai sumber energi untuk pemanasan dan penerangan sehingga mulai menggantikan peran batubara. Kemudian, peran minyak bumi pun mulai digantikan oleh energi listrik pada akhir abad ke-19.
Energi listrik dihasilkan dari proses pengubahan energi gerak putaran generator. Pada umumnya, sumber energi yang digunakan untuk memutar generator berasal dari minyak bumi, batubara, dan gas alam. Oleh karena energi listrik ini dihasilkan dari proses pengubahan energi lain yang tersedia di alam, energi listrik disebut juga energi sekunder. Energi listrik terus memegang peranan penting dalam kehidupan manusia sampai saat ini. Pada abad ke-20 ditemukan lagi alternatif sumber energi yang dapat dimanfaatkan oleh manusia, di antaranya energi panas bumi, nuklir, dan surya.
Apakah energi itu? Secara umum, dapat dikatakan bahwa energi adalah kemampuan untuk melakukan usaha. Anda membutuhkan energi agar dapat berjalan, berlari, bekerja, dan melakukan berbagai aktivitas lainnya. Dari manakah energi yang Anda butuhkan untuk beraktivitas tersebut? Makanan dan minuman memberikan Anda energi kimia yang siap dibakar dalam tubuh sehingga akan dihasilkan energi yang Anda perlukan untuk melakukan usaha atau aktivitas sehari-hari. Mobil dan sepeda motor dapat bergerak karena adanya sumber energi kimia yang terkandung dalam bensin. Dapatkah Anda menyebutkan bentuk-bentuk energi lainnya yang Anda ketahui?
Energi baru dapat dirasakan manfaatnya apabila energi tersebut telah berubah bentuk. Contohnya, energi kimia dalam bahan bakar berubah menjadi energi gerak untuk memutar roda. Energi listrik berubah menjadi energi cahaya lampu, menjadi energi kalor pada setrika, rice cooker, magic jar, dan dispenser, serta menjadi energi gerak pada bor, mesin cuci, mixer, dan kipas angin.
2. Energi Potensial
Suatu benda dapat menyimpan energi karena kedudukan atau posisi benda tersebut. Contohnya, suatu beban yang diangkat setinggi h akan memiliki energi potensial, sementara busur panah yang berada pada posisi normal (saat busur itu tidak diregangkan) tidak memiliki energi potensial. Dengan demikian, energi potensial adalah energi yang tersimpan dalam suatu benda akibat kedudukan atau posisi benda tersebut dan suatu saat dapat dimunculkan.
Energi potensial terbagi atas dua, yaitu energi potensial gravitasi dan energi potensial elastis. Energi potensial gravitasi ini timbul akibat tarikan gaya gravitasi Bumi yang bekerja pada benda. Contoh energi potensial gravitasi ini adalah seperti pada Gambar 4.5a. Jika massa beban diperbesar, energi potensial gravitasinya juga akan membesar. Demikian juga, apabila ketinggian benda dari tanah diperbesar, energi potensial gravitasi beban tersebut akan semakin besar. Hubungan ini dinyatakan dengan persamaan
Sebuah benda yang berada pada suatu ketinggian tertentu apabila dilepaskan, akan bergerak jatuh bebas sebab benda tersebut memiliki energi potensial gravitasi. Energi potensial gravitasi benda yang mengalami jatuh bebas akan berubah karena usaha yang dilakukan oleh gaya berat.
Perhatikanlah Gambar 4.6. Apabila tinggi benda mula-mula h1, usaha yang dilakukan oleh gaya berat untuk mencapai tempat setinggi h2 adalah sebesar:
dengan: Ww = usaha oleh gaya berat.Oleh karena mgh = EP, perubahan energi potensial gravitasinya dapat dinyatakan sebagai Δ EP sehingga Persamaan (4–4) dapat dituliskan
Bentuk energi potensial yang kedua adalah energi potensial elastis. Energi potensial adalah energi yang tersimpan di dalam benda elastis karena adanya gaya tekan dan gaya regang yang bekerja pada benda. Contoh energi potensial ini ditunjukkan pada Gambar 4.5b.
Besarnya energi potensial elastis bergantung pada besarnya gaya tekan atau gaya regang yang diberikan pada benda tersebut.
Anda telah mempelajari sifat elastis pada pegas dan telah mengetahui bahwa gaya pemulih pada pegas berbanding lurus dengan pertambahan panjangnya. Pegas yang berada dalam keadaan tertekan atau teregang dikatakan memiliki energi potensial elastis karena pegas tidak berada dalam keadaan posisi setimbang. Perhatikanlah Gambar 4.7.
Grafik tersebut menunjukkan kurva hubungan antara gaya dan pertambahan panjang pegas yang memenuhi Hukum Hooke. Jika pada saat Anda menarik pegas dengan gaya sebesar F1, pegas itu bertambah panjang sebesar Δ x1. Demikian pula, jika Anda menarik pegas dengan gaya sebesar F2, pegas akan bertambah panjang sebesar Δ x2. Begitu seterusnya. Dengan demikian, usaha total yang Anda berikan untuk meregangkan pegas adalah
Besarnya usaha total ini sama dengan luas segitiga di bawah kurva F terhadap Δ x sehingga dapat dituliskan
Oleh karena usaha yang diberikan pada pegas ini akan tersimpan sebagai energi potensial, dapat dituliskan persamaan energi potensial pegas adalah sebagai berikut.
Energi potensial pegas ini juga dapat berubah karena usaha yang dilakukan oleh gaya pegas. Besar usaha yang dilakukan oleh gaya pegas itu dituliskan dengan persamaan
3. Energi Kinetik
Enegi kinetik adalah energi yang dimiliki suatu benda karena gerakannya. Jadi, setiap benda yang bergerak memiliki energi kinetik. Contohnya, energi kinetik dimiliki oleh mobil yang sedang melaju, pesawat yang sedang terbang, dan anak yang sedang berlari.
Perhatikanlah Gambar 4.8. Benda bermassa m1 bergerak dengan kece- patan v1. Benda tersebut bergerak lurus berubah beraturan sehingga setelah menempuh jarak sebesar s, kecepatan benda berubah menjadi v2. Oleh karena itu, pada benda berlaku persamaan
Anda telah mengetahui bahwa percepatan yang timbul pada gerak lurus berubah beraturan berhubungan dengan gaya F yang bekerja padanya sehingga benda bergerak dengan percepatan a.
Besar usaha yang dilakukan gaya sebesar F pada benda dapat dihitung dengan persamaan
Oleh karena gerak benda adalah gerak lurus berubah beraturan, nilai a dan s pada Persamaan (4–8) dapat disubstitusikan dengan persamaan a dan s dari gerak lurus berubah beraturan, yaitu
sehingga diperoleh
Besaran
merupakan energi kinetik benda karena menyatakan kemampuan benda untuk melakukan usaha. Secara umum, persamaan energi kinetik dituliskan sebagai
Dari Persamaan (4–10), Anda dapat memahami bahwa energi kinetik benda berbanding lurus dengan kuadrat kecepatannya. Apabila kecepatan benda meningkat dua kali lipat kecepatan semula, energi kinetik benda akan naik menjadi empat kali lipat. Dengan demikian, semakin besar kecepatan suatu benda, energi kinetiknya akan semakin besar pula.
merupakan besar usaha yang dilakukan oleh resultan gaya yang bekerja pada benda. Secara matematis, persamaannya dapat dituliskan sebagai
4. Hukum Kekekalan Energi Mekanik
Dalam proses melakukan usaha, benda yang melakukan usaha itu memindahkan energi yang dimilikinya ke benda lain. Energi yang dimiliki benda agar benda itu dapat melakukan usaha dinamakan energi mekanik.
Perhatikanlah Gambar 4.9. Beban yang ditarik sampai di ketinggian h memiliki energi mekanik dalam bentuk energi potensial. Saat tali yang menahan berat beban digunting, energi berubah menjadi energi kinetik. Selanjutnya, saat beban menumbuk pasak yang terletak di bawahnya, beban tersebut memberikan gaya yang menyebabkan pasak terbenam ke dalam tanah. Beban itu dikatakan melakukan usaha pada pasak.
Dengan demikian, energi mekanik dapat didefinisikan sebagai jumlah energi potensial dan energi kinetik yang dimiliki oleh suatu benda, atau disebut juga energi total. Besarnya energi mekanik suatu benda selalu tetap, sedangkan energi kinetik dan energi potensialnya dapat berubah-ubah. Penulisannya secara matematis adalah sebagai berikut.
Benda yang jatuh bebas akan mengalami perubahan energi kinetik dan energi potensial gravitasi. Perhatikanlah Gambar 4.10.
Suatu bola dilepaskan dari suatu ketinggian sehingga saat bola berada pada ketinggian h1 dari permukaan tanah, bola itu memiliki v1. Setelah mencapai ketinggian h2 dari permukaan tanah, kecepatan benda berubah menjadi v2.
Saat bola benda berada di ketinggian h1, energi potensial gravitasinya adalah EP1 dan energi kinetiknya EK1. Saat benda mencapai ketinggian h2, energi potensialnya dinyatakan sebagai EP2 dan energi kinetiknya EK2. Anda telah mempelajari bahwa perubahan energi kinetik dan energi potensial benda adalah usaha yang dilakukan gaya pada benda. Dengan demikian, dapat dituliskan
Persamaan (4–13) ini disebut Hukum Kekekalan Energi Mekanik.
