PEKERJAAN MEKANIS: APA ITU, KONDISI, CONTOH, LATIHAN - FISIK - 2025

Pekerjaan mekanis didefinisikan sebagai perubahan keadaan energi suatu sistem, yang disebabkan oleh gaya luar seperti gaya gravitasi atau gesekan. Satuan kerja mekanik dalam Sistem Internasional (SI) adalah newton x meter atau joule yang disingkat J.

Secara matematis ini didefinisikan sebagai produk skalar dari vektor gaya dan vektor perpindahan. Jika F adalah gaya konstan dan l adalah perpindahan, kedua vektor tersebut, pekerjaan W dinyatakan sebagai: W = F l

Gambar 1. Saat atlet mengangkat beban, ia melakukan latihan melawan gravitasi, tetapi ketika ia menjaga agar beban tidak bergerak, dari sudut pandang Fisika ia tidak melakukan latihan. sumber: needpix.com

Ketika gaya tidak konstan, maka kita harus menganalisis pekerjaan yang dilakukan saat perpindahan sangat kecil atau diferensial. Dalam hal ini, jika titik A dianggap sebagai titik awal dan B sebagai titik kedatangan, total pekerjaan diperoleh dengan menjumlahkan semua kontribusi padanya. Ini sama dengan menghitung integral berikut:

Variasi energi sistem = Pekerjaan yang dilakukan oleh gaya-gaya luar

Ketika energi ditambahkan ke sistem, W> 0 dan ketika energi dikurangi W <0. Nah, jika ΔE = 0, itu bisa berarti:

-Sistem terisolasi dan tidak ada gaya eksternal yang bekerja padanya.

-Ada kekuatan eksternal, tetapi mereka tidak bekerja pada sistem.

Karena perubahan energi sama dengan usaha yang dilakukan oleh gaya-gaya luar, satuan SI energi juga merupakan joule. Ini termasuk semua jenis energi: kinetik, potensial, termal, kimiawi, dan lainnya.

Kondisi untuk pekerjaan mekanis

Kita telah melihat bahwa pekerjaan didefinisikan sebagai perkalian titik. Mari kita ambil definisi pekerjaan yang dilakukan oleh gaya konstan dan terapkan konsep perkalian titik di antara dua vektor:

Di mana F adalah besar gaya, l adalah besar perpindahan dan θ adalah sudut antara gaya dan perpindahan. Pada gambar 2 ada contoh gaya eksternal miring yang bekerja pada balok (sistem), yang menghasilkan perpindahan horizontal.

Gambar 2. Diagram benda bebas dari suatu balok yang bergerak pada permukaan datar. Sumber: F. Zapata.

Menulis ulang karya dengan cara berikut:

Dapat dikatakan bahwa hanya gaya yang sejajar dengan perpindahan: F. cos θ yang mampu melakukan pekerjaan. Jika θ = 90º maka cos θ = 0 dan pekerjaannya menjadi nol.

Oleh karena itu dapat disimpulkan bahwa gaya-gaya yang tegak lurus dengan perpindahan tidak melakukan kerja mekanis.

Dalam kasus Gambar 2, baik gaya normal N maupun berat P tidak bekerja, karena keduanya tegak lurus terhadap perpindahan l .

Tanda-tanda pekerjaan

Seperti dijelaskan di atas, W bisa positif atau negatif. Jika cos θ> 0, usaha yang dilakukan gaya bertanda positif karena searah gerak yang sama.

Jika cos θ = 1, gaya dan perpindahan adalah sejajar dan usaha yang dilakukan adalah maksimum.

Dalam kasus cos θ <1, gaya tidak mendukung gerakan dan pekerjaannya negatif.

Jika cos θ = -1, gaya tersebut benar-benar berlawanan dengan perpindahan, seperti gaya gesek kinetik, yang efeknya memperlambat benda tempat ia bekerja. Jadi pekerjaannya minimal.

Ini sesuai dengan apa yang dikatakan di awal: jika pekerjaannya positif, energi ditambahkan ke sistem, dan jika negatif, itu dikurangi.

Kerja bersih W _net didefinisikan sebagai jumlah usaha yang dilakukan oleh semua gaya yang bekerja pada sistem:

Maka dapat disimpulkan bahwa untuk menjamin adanya pekerjaan mekanik bersih diperlukan bahwa:

- Gaya eksternal bekerja pada objek.

- Gaya-gaya yang disebutkan tidak semuanya tegak lurus dengan perpindahan (cos θ ≠ 0).

-Pekerjaan yang dilakukan oleh masing-masing kekuatan tidak saling membatalkan.

-Ada perpindahan.

Contoh pekerjaan mekanik

-Setiap kali diminta untuk menggerakkan objek mulai dari diam, itu perlu dilakukan pekerjaan mekanis. Misalnya mendorong lemari es atau bagasi yang berat pada permukaan horizontal.

Contoh lain dari situasi di mana pekerjaan mekanis perlu dilakukan adalah mengubah kecepatan bola yang bergerak.

-Perlu dilakukan pekerjaan untuk menaikkan suatu benda ke ketinggian tertentu di atas lantai.

Namun, ada situasi umum yang sama di mana pekerjaan tidak dilakukan, meskipun penampilan menunjukkan sebaliknya. Kami telah mengatakan bahwa untuk mengangkat suatu benda ke ketinggian tertentu Anda harus bekerja, jadi kami membawa benda itu, mengangkatnya di atas kepala kami, dan menahannya di sana. Apakah kita sedang bekerja?

Ternyata ya, karena jika benda itu berat maka lengan akan cepat lelah, namun sekeras apapun itu, tidak ada pekerjaan yang dilakukan dari sudut pandang Fisika. Kenapa tidak? Nah, karena benda tersebut tidak bergerak.

Kasus lain di mana, meskipun memiliki gaya eksternal, ia tidak melakukan kerja mekanis adalah ketika partikel memiliki gerakan melingkar yang seragam.

Misalnya seorang anak memutar batu yang diikat dengan tali. Tegangan tali adalah gaya sentripetal yang memungkinkan batu berputar. Tetapi setiap saat gaya ini tegak lurus dengan perpindahan. Kemudian dia tidak melakukan pekerjaan mekanis, meskipun lebih menyukai gerakan.

Teorema energi kinetik-kerja

Energi kinetik dari sistem adalah yang dimilikinya berdasarkan gerakannya. Jika m adalah massa dan v adalah kecepatan gerak, energi kinetik dilambangkan dengan K dan diberikan oleh:

Menurut definisi, energi kinetik suatu benda tidak boleh negatif, karena massa dan kuadrat kecepatan selalu berupa besaran positif. Energi kinetik bisa menjadi 0, saat benda diam.

Untuk mengubah energi kinetik suatu sistem, kecepatannya harus bervariasi - kita akan menganggap bahwa massa tetap konstan, meskipun tidak selalu demikian. Ini membutuhkan melakukan pekerjaan jaringan pada sistem, oleh karena itu:

Ini adalah teorema kerja - energi kinetik. Ini menyatakan bahwa:

Perhatikan bahwa meskipun K selalu positif, ΔK bisa positif atau negatif, karena:

Jika K _akhir > K _awal , sistem memperoleh energi dan ΔK> 0. Sebaliknya, jika K _akhir <K _awal , sistem telah melepaskan energi.

Pekerjaan yang dilakukan untuk meregangkan pegas

Ketika pegas diregangkan (atau dikompresi), pekerjaan harus dilakukan. Pekerjaan ini disimpan di pegas, memungkinkan pegas untuk mengerjakan, katakanlah, sebuah balok yang dipasang pada salah satu ujungnya.

Hukum Hooke menyatakan bahwa gaya yang diberikan oleh pegas adalah gaya restitusi –berbeda dengan perpindahan- dan juga sebanding dengan perpindahan tersebut. Konstanta proporsionalitas tergantung pada bagaimana pegas itu: lunak dan mudah berubah bentuk atau kaku.

Gaya ini diberikan oleh:

Dalam pernyataannya, F _r adalah gaya, k adalah konstanta pegas, dan x adalah perpindahan. Tanda negatif menunjukkan bahwa gaya yang diberikan oleh pegas berlawanan dengan perpindahan.

Gambar 3. Pegas yang dikompres atau diregangkan bekerja pada sebuah benda yang diikat ke ujungnya. Sumber: Wikimedia Commons.

Jika pegas dikompresi (ke kiri pada gambar), balok di ujungnya akan bergerak ke kanan. Dan ketika pegas diregangkan (ke kanan) balok akan bergerak ke kiri.

Untuk memampatkan atau meregangkan pegas, beberapa agen eksternal harus melakukan pekerjaan, dan karena ini adalah gaya variabel, untuk menghitung pekerjaan tersebut, kita harus menggunakan definisi yang diberikan di awal:

Sangat penting untuk dicatat bahwa ini adalah pekerjaan yang dilakukan oleh agen eksternal (tangan seseorang, misalnya) untuk mengompres atau meregangkan pegas. Itu sebabnya tanda negatif tidak muncul. Dan karena posisinya berbentuk persegi, tidak masalah apakah itu kompresi atau regangan.

Pekerjaan yang akan dilakukan pegas pada blok tersebut adalah:

Latihan

Latihan 1

Balok pada gambar 4 bermassa M = 2 kg dan meluncur ke bawah bidang miring tanpa gesekan, dengan α = 36,9º. Dengan asumsi bahwa balok dibiarkan meluncur dari posisi diam dari atas bidang, yang tingginya h = 3 m, tentukan kecepatan balok mencapai alas bidang, menggunakan teorema energi kinetik-kerja.

Gambar 4. Sebuah balok bergeser ke bawah pada bidang miring tanpa gesekan. Sumber: F. Zapata.

Larutan

Diagram benda-bebas menunjukkan bahwa satu-satunya gaya yang mampu melakukan pekerjaan pada balok adalah berat. Lebih akurat: komponen bobot di sepanjang sumbu x.

Jarak yang ditempuh balok di pesawat dihitung menggunakan trigonometri:

Dengan teorema energi kinetik-kerja:

Karena dilepaskan dari keadaan diam, v _o = 0, oleh karena itu:

Latihan 2

Sebuah pegas horizontal, yang konstantanya k = 750 N / m, dipasang di salah satu ujungnya ke dinding. Seseorang mengompres ujung lainnya sejauh 5 cm. Hitung: a) Gaya yang diberikan oleh orang tersebut, b) Pekerjaan yang dia lakukan untuk menekan pegas.

Larutan

a) Besarnya gaya yang diterapkan oleh orang tersebut adalah:

b) Jika ujung pegas semula pada x ₁ = 0, untuk membawanya ke posisi akhir x ₂ = 5 cm, maka perlu dilakukan pekerjaan berikut, sesuai dengan hasil yang diperoleh pada bagian sebelumnya:

Referensi

1. Figueroa, D. (2005). Seri: Fisika untuk Sains dan Teknik. Volume 2. Dinamika. Diedit oleh Douglas Figueroa (USB).
2. Iparraguirre, L. 2009. Mekanika Dasar. Koleksi Ilmu Pengetahuan Alam dan Matematika. Distribusi online gratis.
3. Knight, R. 2017. Fisika untuk Ilmuwan dan Teknik: Pendekatan Strategi. Pearson.
4. Libreteks Fisika. Teorema energi kerja. Diperoleh dari: phys.libretexts.org
5. Kerja dan Energi. Diperoleh dari: physics.bu.edu
6. Kerja, energi dan tenaga. Diperoleh dari: ncert.nic.in