Fisika, selain menjadi kata yang sayangnya membuat takut penggemar sains potensial di masa depan, adalah inti dari studi tentangbagaimana benda bergerak. Ini mencakup segala sesuatu mulai dari seluruh kelompok galaksi hingga partikel yang hampir terlalu kecil untuk dibayangkan, apalagi divisualisasikan dengan benar.
Dan sebagian besar fisika terapan (yaitu, cabang ilmu fisika yang berkaitan dengan penggunaan pengetahuan daripada "hanya" berteori) mencari cara untuk mendapatkan lebih banyakkerjadari kurangenergi.
Bekerja, selain menjadi kewajiban hampir sehari-hari bagi karyawan dan mahasiswa serta seorang jenderal penanda usaha yang dikeluarkan dengan baik, adalah salah satu dari sejumlah besaran formal vital dalam fisika yang memiliki satuan energi. Singkatnya, setiap kali energi digunakan untuk membuat suatu benda bergerak, pekerjaan sedang dilakukan pada benda itu.
Contoh pekerjaan sehari-hari yang dilakukan termasuk lift yang membawa tamu hotel ke lantai mereka, seorang anak yang menarik kereta luncur ke atas bukit atau ekspansi gas dalam mesin pembakaran yang menggerakkan piston. Untuk memahami konsep ini dengan benar, ada baiknya untuk meninjau beberapa dasar tentang energi, gerak, dan materi yang membuat "kerja" menjadi konsep yang layak dalam ilmu fisika.
Definisi Pekerjaan
Kerjakan hasil fisik dari gaya yang diterapkan pada jarak tertentu, karena gaya menghasilkan perpindahan objek tempat ia bekerja. Usaha bernilai positif bila gaya searah dengan gerak dan bernilai negatif bila berada dalam is arah yang berlawanan (bahwa "pekerjaan negatif" bahkan dapat terjadi mungkin tampak aneh, tetapi Anda akan melihat caranya sesaat). Setiap sistem yang memiliki energi mampu melakukan kerja.
Ketika sebuah benda tidak bergerak, tidak ada usaha yang dilakukan padanya. Ini benar tidak peduli berapa banyak usaha yang dilakukan untuk suatu tugas, seperti mencoba memindahkan batu besar sendiri. Dalam hal ini, energi dari kontraksi otot Anda hilang saat panas hilang dari otot-otot tersebut. Jadi, meskipun Anda tidak melakukan pekerjaan dalam skenario ini, setidaknya Anda mendapatkan pekerjaandi luarmacam.
Hanya komponen gaya yang diarahkan searah dengan perpindahan benda yang berkontribusi terhadap usaha yang dilakukan padanya. Jika seseorang berjalan dalam arah yang sesuai dengan sumbu x positif pada sistem koordinat yang khas dan mengalami gaya dari kirinya yang vektornya adalahhampirtegak lurus terhadap gerakannya tetapi menunjuk sangat sedikit ke arah x, hanya komponen x yang relatif kecil dari faktor gaya ke dalam masalah.
Saat Anda menuruni tangga, Anda melakukan pekerjaan untuk mencegah diri Anda bergerak lebih cepat (jatuh bebas), tapi karena gerak anda masih ke arah berlawanan dengan usaha anda, ini adalah contoh karya dengan negatif tanda. Kerja bersih gabungan yang dilakukan pada Anda oleh gravitasi dan diri Anda sendiri adalah positif, tetapi angka positif yang lebih kecil daripada tanpa "kerja" Anda dalam pertentangan langsung.
Usaha Memiliki Satuan Energi
Energi total suatu sistem adalah energi internal atau panasnya ditambah energi mekaniknya. Energi mekanik dapat dibagi menjadi energi gerak (energi kinetik) dan energi "tersimpan" (energi potensial). Energi mekanik total dalam sistem apa pun adalah jumlah energi potensial dan kinetiknya, yang masing-masing dapat mengambil berbagai bentuk.
Energi kinetik adalah energi gerak melalui ruang, baik linier maupun rotasi. Jika massasayadiadakan jarakhdi atas tanah, energi potensialnya adalahsayagh. Dimana percepatan gravitasi,g, memiliki nilai 9,80 m/s2 dekat permukaan bumi.
Jika benda dilepaskan dari keadaan diam pada ketinggian h dan dibiarkan jatuh ke bumi (h = 0), energi kinetiknya saat tumbukan adalah (1/2)mv2= mgh, karena semua energi telah diubah dari potensial ke kinetik selama jatuh (dengan asumsi tidak ada kehilangan energi gesekan atau panas). Setiap saat, jumlah energi potensial partikel dan energi kinetiknya tetap konstan.
- Karena gaya memiliki satuannewton(kg⋅m/s2) dalam sistem SI (metrik) dan jarak dalam meter, usaha dan energi secara umum memiliki satuan kg⋅m2/s2. Satuan kerja SI ini dikenal sebagaiJoule.
Rumus untuk Bekerja
Persamaan standar untuk usaha adalah:
W=F\cdot d
dimanadadalah perpindahan. Meskipun gaya dan perpindahan keduanya merupakan besaran vektor, hasil kali keduanya merupakan hasil kali skalar (juga disebut hasil kali titik). Keingintahuan ini berlaku untuk besaran vektor lain yang dikalikan bersama, seperti gaya dan kecepatan, yang perkaliannya menghasilkan pangkat besaran skalar. Dalam situasi fisik lainnya, perkalian vektor menghasilkan besaran vektor, yang dikenal sebagai perkalian silang.
Kekuatan individu dalam suatu sistemF1, F2, F3 ... Ftidakmelakukan pekerjaan dengan besaran yang sama denganF1d1, F2d2, dan seterusnya; produk individu ini, yang dapat mencakup nilai negatif maupun positif, dapat dijumlahkan untuk memberikan sistempekerjaan total, ataukerja bersih. Rumus untuk kerja bersih Wbersih dilakukan pada suatu benda dengan gaya totalFtidakuntuk aku s
W_{net}=F_{net}\cdot d=F_{net}d\cos{\theta}
dimanaθadalah sudut antara arah gerak dan gaya yang diberikan. Anda dapat melihatnya untuk nilaiθyang kosinus sudutnya adalah 0, seperti ketika gaya tegak lurus terhadap arah gerak, tidak ada kerja total yang dilakukan. Juga, ketika gaya total bekerja berlawanan dengan arah gerakan, fungsi kosinus memberikan nilai negatif, menghasilkan "kerja negatif" yang disebutkan di atas.
Cara Menghitung Usaha
Anda dapat menghitung usaha total dengan menjumlahkan jumlah usaha yang dilakukan oleh gaya-gaya yang berbeda dalam suatu masalah. Dalam semua kasus, pekerjaan menghitung membutuhkan pemahaman yang lengkap tentang vektor-vektor dalam masalah, bukan hanya angka-angka yang menyertainya. Anda harus menggunakan trigonometri dasar untuk digunakan.
- catatan:Dalam kehidupan nyata, ketika sebuah gaya bekerja pada objek selain gravitasi, itu tidak mungkin konstan. Setiap gaya F yang Anda lihat disebutkan dalam contoh ini dapat dianggap sebagai gaya konstan. Ketika gaya bervariasi, hubungan yang dicatat di sini tetap valid, tetapi Anda perlu melakukan kalkulus integral untuk menyelesaikan masalah terkait.
Contoh:Seekor anjing yang menarik kombinasi kereta luncur anak 20 kg melintasi lapangan salju horizontal dipercepat dari keadaan diam menjadi kecepatan 5 m/s selama 5 detik (Sebuah= 1 m/s2). Berapa banyak pekerjaan yang dilakukan anjing pada kombinasi kereta luncur anak? Asumsikan gesekan diabaikan.
Pertama, Anda menghitung gaya total yang diterapkan oleh anjing ke anak dan kereta luncur:F= mSebuah= (20 kg)(1 m/s2) = 20 N Perpindahan adalah kecepatan rata-rata (v – v0)/2 (= 5/2) dikalikan dengan waktu t (= 5 s), yaitu 12,5 m. Jadi usaha totalnya adalah (20 N)(12,5 m) =250 J.
- Bagaimana Anda memecahkan masalah ini dengan menggunakan teorema usaha-energi?
Bekerja untuk Gaya pada Sudut
Ketika gaya tidak diterapkan pada 0 derajat (yaitu, jika itu membentuk sudut terhadap objek), gunakan trigonometri sederhana untuk menemukan pekerjaan yang dilakukan pada objek itu. Anda hanya perlu tahu cara menggunakan kosinus dan sinus untuk masalah tingkat pengantar.
Misalnya, bayangkan anjing dalam situasi di atas berdiri di tepi tebing, sehingga tali antara anak dan anjing membentuk sudut 45 derajat dengan bidang salju horizontal. Jika anjing menerapkan gaya yang sama seperti sebelumnya pada sudut baru ini, Anda menemukan bahwa komponen horizontal dari gaya ini diberikan (cos 45°)(20 N) = 14,1 N, dan bahwa usaha yang dilakukan pada kereta luncur adalah (14,1 N)(12,5 m) =176,8 J. Percepatan baru anak diberikan oleh nilai gaya dan hukum Newton,F= mSebuah: (14,1 N)/20 kg) = 0,71 m/s2.
Teorema Usaha-Energi
Ini adalahteorema usaha-energiyang secara resmi memberikan pekerjaan "hak istimewa" untuk diekspresikan dalam bentuk energi. Menurut teorema usaha-energi, kerja total yang dilakukan pada suatu benda sama dengan perubahan energi kinetik:
W_{net}=\frac{1}{2}mv^2-\frac{1}{2}mv_0^2
di mana m adalah massa benda danv0danvadalah kecepatan awal dan akhir.
Hubungan ini sangat berguna dalam masalah yang melibatkan kerja, gaya, dan kecepatan di mana besarnya gaya atau beberapa variabel lain tidak diketahui, tetapi Anda memiliki atau dapat menghitung sisa dari apa yang Anda perlukan untuk melanjutkan ke a larutan. Ini juga menggarisbawahi fakta bahwa tidak ada kerja bersih yang dilakukan dengan kecepatan konstan.
Pekerjaan Rotasi
Teorema usaha-energi, atau prinsip kerja-energi, mengambil bentuk yang dapat dikenali, tetapi sedikit berbeda untuk benda yang berputar pada sumbu tetap:
W_{net}=\frac{1}{2}I\omega_f^2-\frac{1}{2}I\omega_i^2
Siniωadalah kecepatan sudut dalam radian per detik (atau derajat per detik) dansayaadalah besaran yang dianalogikan dengan massa dalam gerak linier yang disebut momen inersia (atau momen luas kedua). Ini khusus untuk bentuk objek yang berputar dan juga tergantung pada sumbu rotasi. Perhitungan dilakukan dengan cara umum yang sama seperti untuk gerak linier.
Apa itu Hukum Gerak Newton?
Isaac Newton, salah satu pemikir matematis dan ilmiah terkemuka dari Revolusi Ilmiah, mengusulkan tiga hukum yang mengatur perilaku benda bergerak.
- hukum gerak pertama Newtonmenyatakan bahwa suatu benda yang bergerak dengan konstankecepatanakan tetap dalam keadaan itu kecuali ditindaklanjuti oleh eksternal yang tidak seimbangmemaksa. Konsekuensi penting dari inihukum inersiaadalah bahwa gaya total tidak diperlukan untuk mempertahankan bahkan kecepatan tertinggi asalkan kecepatan tidak berubah.
- hukum kedua Newton tentang gerakmenyatakan bahwa gaya total bertindak untuk mengubah kecepatan, ataumempercepat, massa:Fbersih= mSebuah. Gaya dan percepatan adalahbesaran vektordan memiliki besaran dan arah (komponen x-, y- dan z, atau koordinat sudut); massa adalahbesaran skalardan hanya memiliki besaran. Usaha, seperti semua bentuk energi, adalah besaran skalar.
- hukum ketiga Newton tentang gerakmenyatakan bahwa untuk setiap gaya di alam terdapat gaya yang besarnya sama tetapi arahnya berlawanan. Artinya, untuk setiapFada kekuatan-Fdalam sistem yang sama, apakah sistem itu adalah sistem yang telah Anda definisikan dengan batas-batas Anda sendiri atau sekadar kosmos secara keseluruhan.
Hukum kedua Newton berhubungan langsung dengan hukum kekekalan energi, yang menyatakan bahwa energi total dalam suatu sistem (potensial ditambah kinetik) tetap konstan, dengan energi yang ditransfer dari satu bentuk ke bentuk lain tetapi tidak pernah "dihancurkan" atau dihasilkan dari tidak ada.