Saat belajar fisika mekanik, kamu akan sering bertemu dengan istilah 'usaha'. Misalnya, ketika mempelajari pergerakan benda. Dalam materi ini, usaha adalah energi yang keluar untuk mengubah posisi.
Guna mengetahui ukuran besarannya, perlu melakukan penghitungan dengan menggunakan rumus usaha dalam fisika. Bagaimana penerapannya? Simak penjelasannya berikut ini!
Sebagaimana dijelaskan pada paragraf pembuka, usaha adalah sekumpulan energi yang dicurahkan sehingga suatu benda bisa berpindah tempat. Besarnya usaha diketahui dari kekuatan gaya (F) untuk memindahkan benda sesuai jarak (S) yang telah ditetapkan.
Adapun gaya merupakan interaksi apa pun yang menyebabkan benda bergerak dari satu tempat ke tempat lainnya. Pemberian gaya gak cuma membuat benda diam bergerak, tetapi juga mengubah benda bergerak menjadi diam.
Dalam fisika, besaran usaha diukur menggunakan rumus usaha. Nah, karena usaha memerlukan gaya dan jarak, maka rumusnya yakni:
W = F.s
Dengan keterangan seperti berikut:
W= usaha yang diberikan terhadap benda
F= gaya
s= jarak perpindahan benda setelah mendapatkan gaya
Usaha dilambangkan dengan huruf W yang berarti ‘Work’. Setiap usaha memiliki satuan joule atau J yang didasarkan pada nama penemunya yakni James Prescott Joule. Joule sendiri merupakan Newton pada setiap meternya.
Adapun gaya dinotasikan dengan huruf F yang berarti ‘Force’ dan satuan yang digunakan adalah Newton. Untuk mencari besaran usaha, maka gaya perlu dikalikan dengan jarak. Dilambangkan dengan huruf s yang berarti ‘space’, jarak diukur menggunakan satuan internasional meter.
Gaya dan jarak termasuk dalam besaran vektor. Perkalian dot antar vektor akan menghasilkan besaran skalar. Oleh karena itu, usaha fisika termasuk dalam besaran skalar. Artinya, usaha hanya memiliki nilai besar saja dan gak punya nilai arah.
Selain menggunakan rumus usaha di atas, besaran usaha juga bisa diketahui melalui perubahan energi. Termasuk energi potensial dan energi kinetik. Keduanya memiliki rumus masing-masing, ya.
Usaha dengan energi potensial
Misalnya, kamu memindahkan barang dengan cara mengangkatnya. Maka, untuk mengetahui besaran usaha, bisa menggunakan rumus energi potensial, yakni:
W = ΔEp
W = m.g.h2 - m.g.h1
W = m.g (h2 - h1)
Dengan keterangan:
W = usaha
ΔEp = perubahan energi potensial
m = massa
g = gravitasi
h = high atau ketinggian
Pada dasarnya, besaran usaha yang dihasilkan sama besar dengan perubahan energi potensial yang terjadi.
Usaha dengan energi kinetik
Apabila benda yang kamu berikan usaha mengalami perubahan kelajuan, maka besaran usaha bisa diketahui menggunakan rumus energi kinetik. Adapun rumus yang digunakan yakni:
W = ΔEk
W = ½.m.v22 - ½.m.v21
W = ½.m (v2 - v1)2
Dengan keterangan:
W = usaha
ΔEk = perubahan energi kinetik
m = massa
v = kecepatan
Ada kalanya kamu menjumpai soal atau kasus benda dikenai gaya, tetapi ada sudut di antara gaya dan jarak. Nah, kalau kamu menjumpai yang seperti ini, maka perlu menggunakan rumus usaha dengan sudut. Penggunaannya pun berbeda, ya. Tergantung pada bidang di mana benda bergerak.
Usaha di bidang datar
Saat kamu menggerakkan benda di bidang datar, ada kalanya gak selalu lurus. Berarti, ada sudut tercipta antara gaya dan jarak. Untuk itu, kamu bisa mengukur besaran usaha menggunakan rumus:
W = F.s.cosθ
Dengan keterangan:
W = usaha
F = gaya
s = jarak
cosθ = sudut
Usaha di bidang miring
Berbeda dengan bidang datar, menggerakkan benda di bidang miring jelas menunjukkan sudut tertentu. Kalau kamu hendak mengukur besaran usaha pada kondisi demikian, maka gunakan rumus:
W = m.g.s.sinθ
Dengan keterangan:
W = usaha
m = massa
g = gravitasi
s = jarak
sinθ = sudut
Pada beberapa kasus, benda tetap pada tempatnya meskipun sudah terkena gaya. Kondisi ini disebut sebagai usaha bernilai nol. Selain itu, usaha bernilai nol ketika gaya yang diterapkan tegak lurus dengan perpindahan.
Contohnya, saat kamu mendorong tembok, maka struktur bangunan ini akan tetap dan gak bergerak ke mana pun. Selain itu, ketika kamu mengangkat batu secara vertikal sambil berjalan horizontal, maka usaha juga bernilai nol.
Ini terjadi karena beberapa hal. Penyebab pertama, karena gaya gak memberikan gerak pada benda yang gak bisa berpindah tempat. Adapun pada kondisi kedua, nilai θ sama dengan cos90 yang berarti nol. Oleh karenanya, ketika dimasukkan ke dalam rumus perkalian usaha akan menghasilkan usaha nol.
Pusing dengan penjelasan di atas? Tenang, biar makin paham, bisa pemanasan menggunakan contoh soal-soal rumus usaha di bawah ini.
Contoh soal pertama
Andi menarik sebuah bangku dengan tali dengan sudut 60 derajat. Gaya yang diperlukan untuk menariknya adalah 60 Newton. Maka, berapakah besaran usaha yang Andi perlukan jika bangku tersebut bergerak sejauh 10 meter?
Nah, karena berkaitan dengan sudut, maka menggunakan rumus:
W = F.s.cosθ
W = 60.10.cos60
W = 60.10.0.5
W = 300 Joule
Dari penghitungan di atas, maka besaran usaha yang Andi perlukan untuk memindahkan bangku sebesar 300 J.
Contoh soal kedua
Dua petugas di bandara memindahkan sebuah kardus sejauh 10 meter. Apabila petugas pertama mendorong benda dengan gaya sebesar 200 Newton, sedangkan petugas kedua memberikan gaya 400 Newton. Berapa besar usahanya?
Catatan: karena terdapat dua gaya, maka kamu perlu menghitungnya satu per satu, lalu menjumlahkannya untuk mengetahui besar usaha keseluruhan.
W = F.s
W1 = 200. 10 = 2000 J
W2 = 400.10 = 4000 J
Total usaha yang diberikan = 2000 J + 4000 J
Total usaha = 6000 J
Jadi, total usaha yang diberikan oleh dua orang petugas bandara untuk memindahkan benda tersebut adalah 6000 J.
Itulah penjelasan mengenai rumus usaha dalam fisika. Kamu sudah paham belum? Ilmu ini bisa bantu kamu ketika perlu perkiraan besaran usaha untuk mengubah posisi benda dalam aktivitas sehari-hari, lho!