ENERGY SEBUAH SYSTEM (CHAPTER 7)

7.1 Sistem dan Lingkungan
7.2 Usaha yang dilakukan oleh Gaya Konstan
7.3 Skalar Produk dari Dua Vektor
7.4 Usaha yang dilakukan oleh Bermacam-macam Gaya
7.5 Energi Kinetik dan Teorema Usaha- Energi Kinetic
7.6 Energi Potensial dari sebuah System
7.7 Gaya Konservatif dan nonkonservatif
7.8 Hubungan Antara Gaya Konservatif dan Energi Potensial
7.9 Diagram Energi dan Kesetimbangan System

Definisi besaran seperti posisi, kelajuan, percepatan, dan gaya serta prinsip-prinsip yang terkait seperti hukum kedua Newton telah memungkinkan kita untuk memecahkan berbagai masalah. Beberapa masalah yang secara teoritis dapat diselesaikan dengan hukum Newton, namun, sangat sulit dalam prakteknya, tetapi mereka dapat dibuat jauh lebih sederhana dengan pendekatan yang berbeda. Di sini dan dalam bab-bab berikutnya, kita akan menyelidiki pendekatan baru ini, yang akan mencakup definisi besaran yang mungkin tidak familiar bagi Anda. Besaran lain mungkin terdengar asing, tetapi mereka mungkin memiliki arti yang lebih spesifik dalam fisika daripada di kehidupan sehari-hari. Kita mulai diskusi ini dengan mengeksplorasi konsep energi.

Konsep energi adalah salah satu topik yang paling penting dalam sains dan teknik. Dalam kehidupan sehari-hari, kita berpikir tentang energi dalam hal bahan bakar untuk transportasi dan pemanas, listrik untuk lampu dan peralatan rumah, dan makanan untuk konsumsi. Gagasan ini, bagaimanapun, tidak benar-benar mendefinisikan energi. Mereka hanya mengatakan bahwa bahan bakar yang diperlukan untuk melakukan pekerjaan dan bahwa bahan bakar memberikan kita sesuatu yang kita sebut energi.

Energi hadir di alam semesta dalam berbagai bentuk. Setiap proses fisik yang terjadi di alam semesta melibatkan energi dan transfer atau transformasi energi. Sayangnya, meskipun begitu penting, energi tidak dapat dengan mudah didefinisikan. Variabel dalam bab-bab sebelumnya relatif konkrit, kita memiliki pengalaman sehari-hari dengan kecepatan dan gaya misalnya. Meskipun kita memiliki pengalaman dengan energi, seperti kehabisan bensin atau kehilangan layanan listrik kita setelah badai, gagasan tentang energi lebih abstrak.

Konsep energi dapat diterapkan pada sistem mekanis tanpa menggunakan hukum Newton. Selain itu, pendekatan energi memungkinkan kita untuk memahami fenomena panas dan listrik dalam bab-bab selanjutnya dari buku ini.

Model Analisis kami disajikan dalam bab-bab sebelumnya didasarkan pada gerakan partikel atau benda yang dapat dimodelkan sebagai sebuah partikel. Kita mulai pendekatan baru kita dengan memfokuskan perhatian kita pada sistem dan model analisis berdasarkan model sistem. Model analisis ini akan diperkenalkan secara resmi pada Bab 8. Dalam bab ini, kami memperkenalkan sistem dan tiga cara untuk menyimpan energi dalam suatu sistem.

7.1 Sistem dan Lingkungan

Dalam model sistem, kita memusatkan perhatian pada sebagian kecil dari sistem alam semesta dan mengabaikan detail di luar sistem alam semesta. Sebuah keterampilan kritis dalam menerapkan model sistem untuk masalah adalah mengidentifikasi sistem.
Sebuah sistem yang valid:

• mungkin satu objek atau partikel
• mungkin kumpulan benda-benda atau partikel
• mungkin daerah ruang (seperti interior mesin mobil silinder pembakaran)
• mungkin berbeda dengan waktu dalam ukuran dan bentuk (seperti bola karet, yang berubah bentuk pada saat menumbuk dinding)

Mengidentifikasi perlunya pendekatan sistem untuk memecahkan masalah (sebagai lawan pendekatan partikel) adalah bagian dari Kategorisasi langkah dalam Strategi Pemecahan Masalah Umum yang diuraikan dalam Bab 2. Mengidentifikasi sistem tertentu adalah bagian kedua dari langkah ini.

Tidak peduli apa sistem tertentu dalam suatu masalah yang diberikan, kita mengidentifikasi batas sistem, permukaan imajiner (tidak harus bertepatan dengan permukaan fisik) yang membagi alam semesta ke dalam sistem dan lingkungan sekitar sistem.

Sebagai contoh, bayangkan sebuah gaya yang diterapkan ke obyek dalam ruang kosong. Kita dapat menentukan objek sebagai sistem dan permukaannya sebagai batas sistem. Gaya yang diterapkan untuk itu adalah pengaruh pada sistem dari lingkungan yang bertindak melintasi batas sistem. Kita akan melihat bagaimana menganalisis situasi ini dari pendekatan sistem dalam bagian berikutnya dari bab ini.

Contoh lain terlihat pada Contoh 5.10, dimana sistem dapat didefinisikan sebagai kombinasi dari bola, blok, dan kabelnya. Pengaruh dari lingkungan termasuk gaya gravitasi pada bola dan blok, gaya normal dan gesekan di blok, dan gaya yang diberikan oleh katrol pada kabelnya. Gaya yang diberikan oleh kabel pada bola dan blok dalam internal sistem
dan karena itu tidak termasuk sebagai pengaruh dari lingkungan.

Ada sejumlah mekanisme yang sistem dapat dipengaruhi oleh lingkungannya. Yang pertama kita akan selidiki adalah usaha.

7.2 Usaha Yang Dilakukan Oleh Gaya Konstan

Hampir semua persyaratan telah kita gunakan sejauh-kecepatan, percepatan, gaya, dan sebagainya-menyampaikan makna yang sama dalam fisika seperti yang mereka lakukan dalam kehidupan sehari-hari. Sekarang, bagaimanapun, kita menemukan istilah yang maknanya dalam fisika jelas berbeda dari makna sehari-hari: Usaha.

Untuk memahami usaha sebagai pengaruh pada sistem sarana untuk fisikawan, pertimbangkan situasi yang diilustrasikan pada Gambar 7.1. Sebuah gaya F diterapkan pada penghapus papan tulis, yang kita kenal sebagai sistem, dan penghapus bergeser sepanjang baki. Jika kita ingin tahu seberapa efektif gaya dalam menggerakkan penghapus, kita harus pertimbangkan tidak hanya besarnya gaya tetapi juga arah. Perhatikan bahwa jari pada Gambar 7.1 berlaku gaya dalam tiga arah yang berbeda pada penghapus. Dengan asumsi besarnya gaya yang diterapkan adalah sama pada ketiga foto, dorongan diterapkan pada Gambar 7.1b tidak lebih untuk memindahkan penghapus daripada dorongan pada Gambar 7.1a. Di sisi lain, Gambar 7.1c menunjukkan situasi di mana gaya yang diterapkan tidak menggerakkan penghapus sama sekali, terlepas dari betapa sulitnya didorong (kecuali, tentu saja, kita menerapkan gaya yang begitu besar dan  kita mematahkan baki papan tulis ). Hasil ini menunjukkan bahwa ketika menganalisis gaya untuk menentukan pengaruh yang mereka miliki pada sistem, kita harus mempertimbangkan sifat vektor gaya. Kita juga harus mempertimbangkan besarnya gaya. Perpindahan sebuah gaya dengan besarnya |F| = 2 N melalui perpindahan mewakili pengaruh lebih besar pada sistem daripada memindahkan gaya yang besarnya 1 N melalui perpindahan yang sama. Besarnya perpindahan juga penting. Perpindahan penghapus 3 m sepanjang baki merupakan pengaruh yang lebih besar daripada bergerak 2 cm jika gaya yang sama digunakan dalam kedua kasus.

Mari kita periksa situasi pada Gambar 7.2, di mana objek (sistem) mengalami perpindahan sepanjang garis lurus sementara berkerja gaya konstan besarnya F yang membuat sudut qdengan arah perpindahan.

Usaha W yang dilakukan pada sistem dengan agen mengerahkan gaya konstan pada sistem adalah produk dari besarnya F dari gaya, besarnya perpindahan ∆r dari titik penerapan gaya, dan cos q, di mana qadalah sudut antara gaya dan vektor perpindahan:
W@ F ∆r cos q                                               (7.1)

Perhatikan pada Persamaan 7.1 bahwa usaha adalah sebuah besaran skalar, meskipun itu didefinisikan dalam hal dua vektor, gaya Fdan perpindahan ∆r Dalam Bagian 7.3, kita membahas bagaimana untuk menggabungkan dua vektor untuk menghasilkan besaran skalar.

Perhatikan juga bahwa perpindahan dalam Persamaan 7.1 adalah bahwa dari titik penerapan gaya. Jika gaya diterapkan pada partikel atau benda kaku yang dapat dimodelkan sebagai sebuah partikel, perpindahan ini adalah sama dengan partikel. Untuk sistem yang  mampu mengalami deformasi (perubahan bentuk), bagaimanapun, pemindahan ini tidak sama. Sebagai contoh, bayangkan menekan dalam pada sisi balon dengan kedua tangan. Pusat balon bergerak melalui nol perpindahan. Titik-titik penerapan gaya dari tangan Anda pada sisi balon, bagaimanapun, memang bergerak melalui perpindahan sebagaimana balon ditekan, dan itu adalah perpindahan yang akan digunakan dalam Persamaan 7.1. Kita akan melihat contoh-contoh lain dari sistem yang mampu berdeformasi, seperti mata air dan sampel gas yang terkandung dalam kapal.

Sebagai contoh perbedaan antara definisi usaha dan pemahaman kata kita sehari-hari, pertimbangkan memegang kursi berat di lengan panjang selama 3 menit. Pada akhir interval waktu ini, lengan Anda yang lelah dapat mengarahkan Anda untuk berpikir Anda telah melakukan cukup banyak pekerjaan di kursi. Menurut definisi kita, namun Anda telah melakukan tidak ada pekerjaan apapun di atasnya. Anda mengerahkan gaya untuk menggeser kursi, tetapi Anda tidak memindahkannya. Suatu gaya tidak melakukan usaha pada objek jika gaya tidak bergerak melalui suatu perpindahan. Jika ∆r= 0, Persamaan 7.1 memberikan W=0, yang merupakan situasi yang digambarkan pada Gambar 7.1c.

Juga perhatikan dari Persamaan 7.1 bahwa kerja yang dilakukan oleh gaya pada benda bergerak adalah nol ketika gaya diterapkan tegak lurus terhadap perpindahan titik aplikasi. Artinya, jika  q = 90⁰, maka W = 0 karena cos 90⁰ = 0. Sebagai contoh, pada Gambar 7.3, usaha yang dilakukan oleh gaya normal pada objek dan usaha yang dilakukan oleh gaya gravitasi pada objek keduanya nol karena kedua gaya tegak lurus terhadap perpindahan dan memiliki nol komponen sepanjang sumbu ke arah ∆r.

Tanda usaha juga tergantung pada arah dari F relatif terhadap ∆r Kerja yang dilakukan oleh gaya yang diterapkan pada sistem adalah positif ketika proyeksi Fke ∆r berada dalam arah yang sama dengan perpindahan. Sebagai contoh, ketika sebuah benda diangkat, usaha yang dilakukan oleh gaya yang diterapkan pada suatu obyek bernilai positif karena arah gayanya ke atas, ke arah yang sama dengan perpindahan titik aplikasi. Ketika proyeksi F ke ∆rberada di arah yang berlawanan perpindahan, W bernilai negatif. Sebagai contoh,  obyek diangkat, usaha yang dilakukan oleh gaya gravitasi pada objek adalah negatif. Faktor  cos q dalam definisi W (Persamaan 7.1) secara otomatis manyatakan tanda.

Jika diterapkan gaya F berada di arah yang sama dengan perpindahan ∆r, maka q = 0 dan cos 0 = 1. Dalam hal ini, Persamaan 7.1 memberikan:
W = F ∆r

Unit usaha adalah gaya dikalikan dengan panjang. Oleh karena itu, satuan usaha SI adalah newton^.meter (N.m = kg.m²/s²). Kombinasi satuan ini digunakan begitu  sering sehingga telah diberi nama sendiri,  yaitu joule (J).

Satu pertimbangan penting untuk pendekatan sistem dari masalah adalah bahwa usaha adalah transfer energi. Jika W adalah kerja yang dilakukan pada sistem dan W adalah positif, energi yang ditransfer ke sistem, jika W adalah negatif, energi yang ditransfer dari sistem. Oleh karena itu, jika sistem berinteraksi dengan lingkungannya, interaksi ini dapat digambarkan sebagai transfer energi melintasi batas sistem. Hasilnya adalah perubahan energi yang tersimpan dalam sistem. Kita akan belajar tentang jenis pertama penyimpanan energi dalam Bagian 7.5, setelah kita menyelidiki lebih banyak aspek usaha. (Serway,2010:165-168)