Usaha (fisika)

Untuk kegunaan lain, lihat Usaha (disambiguasi).

Usaha atau kerja (dilambangkan dengan W dari Bahasa Inggris Work) adalah energi yang disalurkan gaya ke sebuah benda sehingga benda tersebut bergerak.

Kerja
Pemukul baseball melakukan kerja positif pada bola dengan memberikan gaya padanya.
Simbol umum	W
Satuan SI	joule (J)
Dalam satuan pokok SI	1 kg⋅m2/s2
Dimensi SI	M L2 T−2
Turunan dari besaran lainnya	W = F ⋅ s W = τ θ

Usaha didefinisikan sebagai integral garis (pembaca yang tidak akrab dengan kalkulus peubah banyak lihat "rumus mudah" di bawah):

$W=\int _{C}{\vec {F}}\cdot {\vec {ds}}$

di mana

C adalah lintasan yang dilalui oleh benda;

${\vec {F}}$ adalah gaya;

${\vec {s}}$ adalah posisi.

Usaha adalah besaran skalar, tetapi dia dapat positif atau negatif. Tidak semua gaya melakukan kerja. contohnya, gaya sentripetal dalam gerakan berputar seragam tidak menyalurkan energi; kecepatan objek yang bergerak tetap konstan. Kenyataan ini diyakinkan oleh formula: bila vektor dari gaya dan perpindahan tegak lurus, yakni perkalian titik mereka sama dengan nol.

Bentuk usaha tidak selalu mekanis, seperti usaha listrik, dapat dipandang sebagai kasus khusus dari prinsip ini; misalnya, di dalam kasus listrik, usaha dilakukan dalam partikel bermuatan yang bergerak melalui sebuah medium.

Konduksi panas dari badan yang lebih hangat ke yang lebih dingin biasanya bukan merupakan usaha mekanis, karena pada ukuran mikroskopik, tidak ada gaya yang dapat diukur. Pada ukuran atomik, ada gaya di mana atom berbenturan, tetapi dalam jumlahnya usaha hampir sama dengan nol.

Sejarah

Menurut Jammer, istilah kerja diperkenalkan pada tahun 1826 oleh ahli matematika Prancis Gaspar Gustave de Coriolis sebagai "berat yang diangkat melalui ketinggian", yang didasarkan pada penggunaan mesin uap awal untuk mengangkat ember air dari tambang bijih yang banjir. Menurut[1] René Dugas, insinyur dan sejarawan Prancis, kepada Solomon dari Caux "kita berhutang pada istilah kerja dalam arti yang digunakan dalam mekanika sekarang". Meskipun pekerjaan tidak digunakan secara resmi sampai tahun 1826, konsep serupa sudah ada sebelum itu. Pada tahun 1759, [2]John Smeaton menggambarkan suatu besaran yang disebutnya "kekuatan" "untuk menandakan pengerahan tenaga, gravitasi, impuls, atau tekanan, untuk menghasilkan gerakan." Smeaton melanjutkan bahwa kuantitas ini dapat dihitung jika "berat yang diangkat dikalikan dengan tinggi yang dapat dinaikkan dalam waktu tertentu," membuat definisi ini sangat mirip dengan Coriolis.

Satuan

Setara newton-meter (N⋅m) secara dimensi kadang-kadang digunakan sebagai satuan pengukuran untuk kerja, tetapi ini dapat dikacaukan dengan satuan pengukuran torsi. Penggunaan N⋅m tidak dianjurkan oleh otoritas SI, karena dapat menimbulkan kebingungan apakah besaran yang dinyatakan dalam newton meter adalah pengukuran torsi, atau pengukuran kerja.

Satuan kerja non-SI meliputi newton meter, erg, [3]foot pound, [[4]]foot poundal, [[5]]kilowatt hours,liter atmosfer, dan [[6]]horsepower-hour. Karena kerja memiliki dimensi fisik yang sama dengan panas, kadang-kadang satuan pengukuran biasanya dicadangkan untuk panas atau kandungan energi, Satuan kerja SI adalah joule (J), dinamai sesuai dengan fisikawan Inggris abad ke-19 James Prescott Joule, yang didefinisikan sebagai kerja yang diperlukan untuk mengerahkan gaya sebesar satu newton melalui perpindahan sejauh satu meter. seperti term, BTU dan kalori, digunakan sebagai satuan pengukuran.

Usaha dan Energi

Usaha W yang dilakukan oleh gaya konstan sebesar F pada titik yang memindahkan perpindahan dalam garis lurus ke arah gaya adalah produk

W=F.s

Misalnya, jika gaya 10 newton (F = 10 N) bekerja di sepanjang titik yang menempuh jarak 2 meter (s = 2 m), maka W = Fs = (10 N) (2 m) = 20 J. Ini kira-kira pekerjaan yang dilakukan mengangkat benda 1 kg dari permukaan tanah ke atas kepala seseorang melawan gaya gravitasi.

Pekerjaan digandakan baik dengan mengangkat dua kali berat pada jarak yang sama atau dengan mengangkat beban yang sama dua kali jarak.

Usaha erat kaitannya dengan energi. Prinsip kerja-energi menyatakan bahwa peningkatan energi kinetik benda tegar disebabkan oleh jumlah yang sama dari kerja positif yang dilakukan pada benda oleh gaya resultan yang bekerja pada benda tersebut. Sebaliknya, penurunan energi kinetik disebabkan oleh jumlah yang sama dari pekerjaan negatif yang dilakukan oleh gaya yang dihasilkan. Jadi, jika usaha bersihnya positif, maka energi kinetik partikel bertambah sebesar usaha. Jika kerja bersih yang dilakukan negatif, maka energi kinetik partikel berkurang dengan jumlah kerja.

Dari hukum kedua Newton, dapat ditunjukkan bahwa kerja pada benda bebas (tanpa medan), kaku (tanpa derajat kebebasan internal), sama dengan perubahan energi kinetik Ek yang sesuai dengan kecepatan linier dan kecepatan sudut benda itu,

W=∆Ek

Kerja gaya-gaya yang dihasilkan oleh fungsi potensial dikenal sebagai energi potensial dan gaya-gaya tersebut dikatakan konservatif. Oleh karena itu, kerja pada sebuah benda yang hanya dipindahkan dalam medan gaya konservatif, tanpa perubahan kecepatan atau rotasi, sama dengan dikurangi perubahan energi potensial Ep benda,

Rumus-rumus ini menunjukkan bahwa usaha adalah energi yang terkait dengan aksi suatu gaya, sehingga kerja selanjutnya memiliki dimensi fisik, dan satuan energi. Prinsip kerja/energi yang dibahas di sini identik dengan prinsip kerja/energi listrik.

Kekuatan Kendala

Gaya kendala menentukan perpindahan objek dalam sistem, membatasinya dalam suatu jangkauan. Sebagai contoh, dalam kasus kemiringan ditambah gravitasi, benda tersebut menempel pada kemiringan dan, ketika diikat pada tali yang kencang, benda itu tidak dapat bergerak ke arah luar untuk membuat tali menjadi mengencang. Ini menghilangkan semua perpindahan ke arah itu, yaitu, kecepatan dalam arah kendala terbatas pada 0, sehingga gaya kendala tidak melakukan kerja pada sistem.

Untuk sistem mekanis, gaya kendala menghilangkan gerakan dalam arah yang menjadi ciri kendala. Jadi kerja virtual yang dilakukan oleh gaya-gaya kendala adalah nol, hasil yang hanya benar jika gaya gesekan dikecualikan.

Gaya kendala tetap tanpa gesekan tidak melakukan kerja pada sistem, karena sudut antara gerak dan gaya kendala selalu 90°. Contoh kendala workless adalah: interkoneksi kaku antara partikel, gerakan geser pada permukaan tanpa gesekan, dan kontak bergulir tanpa slip.

Misalnya, dalam sistem katrol seperti mesin Atwood, gaya internal pada tali dan pada katrol pendukung tidak bekerja pada sistem. Oleh karena itu, usaha hanya perlu dihitung untuk gaya gravitasi yang bekerja pada benda. Contoh lain adalah gaya sentripetal yang diberikan ke dalam oleh tali pada bola yang bergerak melingkar beraturan ke samping membatasi bola pada gerakan melingkar yang membatasi gerakannya menjauh dari pusat lingkaran. Gaya ini tidak bekerja nol karena tegak lurus dengan kecepatan bola.

Gaya magnet pada partikel bermuatan adalah F = qv × B, di mana q adalah muatan, v adalah kecepatan partikel, dan B adalah medan magnet. Hasil perkalian silang selalu tegak lurus kedua vektor asal, jadi F v. Hasil kali titik dua vektor tegak lurus selalu nol, sehingga usaha W = F v = 0, dan gaya magnet tidak dilakukan kerja. Itu dapat mengubah arah gerak tetapi tidak pernah mengubah kecepatan.

Perhitungan matematis

Untuk benda bergerak, besarnya kerja/waktu (daya) bisa dihitung. Maka, besarnya kerja yang dilakukan gaya (diukur dalam joule/sekon atau watt) adalah perkalian skalar dari gaya (vektor) dengan kecepatan (vektor). Perkalian skalar dari gaya dan kecepatan ini adalah daya sesaat. Seperti kecepatan yang diintegrasikan terhadap waktu untuk mendapatkan jarak total, menurut teorema dasar kalkulus, total kerja sepanjang lintasan adalah integral waktu dari daya sesaat sepanjang lintasan yang dilewati.

Usaha adalah hasil gaya pada suatu titik yang mengikuti kurva X, dengan kecepatan v, setiap saat. Jumlah kecil pekerjaan W yang terjadi selama waktu dt dihitung sebagai

Penerapan perhitungan

Gerak rotasi pada benda tegar

Perhitungan usaha dapat dilakukan pada sebuah gaya (F) yang bekerja pada jarak (R) pada sumbu putar suatu benda. Pada benda tegar, sebuah momen gaya melakukan rotasi pada sudut tertentu (R) dengan nilai usaha (W) yang dapat dirumuskan melalui gerak linier yaitu: W = F. Rθ. Perhitungan F.R merupakan perhitungan momen gaya, sehingga perumusan nilai usaha dapat diubah menjadi: W= τ θ. Nilai usaha dalam gerak rotasi benda tegar dinyatakan dalam satuan Joule. Momen gaya dinyatakan dengan satuan kg.m, sedangkan sudut yang dibentuk dinyatakan dalam satuan rad.

Bacaan lebih lanjut

• Abdullah, Mikrajuddin (2007). Fisika 2A SMA dan MA Untuk Kelas XI Semester 1. Jakarta: Esis/Erlangga. ISBN 974-734-646-3.  (Indonesia)