Pengertian Pekerjaan Mekanik

Evelyn Maitee Marin
Insinyur Industri, MSc Fisika, dan EdD

Dari sudut pandang fisika, kerja mekanik adalah jumlah energi yang dipindahkan ketika suatu gaya menggerakkan suatu benda melalui jarak yang searah dengan gaya tersebut. Ini didefinisikan sebagai produk titik dari gaya yang diberikan \(\left( {\vec F} \right)\) dan perpindahan yang dihasilkan dari objek \(\left( \overrightarrow {Δr} \right)\) di arah kekuatan.

Satuan standar pengukuran untuk kerja mekanik adalah joule (J), yang sama dengan energi yang ditransfer saat diterapkan gaya sebesar satu Newton (N) ke sebuah benda dan memindahkannya sejauh satu meter (m) ke arah memaksa.

Kerja mekanik tergantung pada besarnya gaya yang diberikan dan jarak benda bergerak ke arah gaya, sehingga rumus kerja mekanik adalah:
\(W = \vec F \cdot \overrightarrow {Δr} \)

Yang setara dengan:
\(W = F \cdot d \cdot cos\theta \)

di mana W adalah kerja mekanik, F adalah gaya yang diterapkan, d adalah jarak yang ditempuh, dan θ adalah sudut antara arah gaya dan perpindahan benda.

Penting untuk disebutkan bahwa kerja mekanik bisa positif atau negatif, tergantung pada apakah gaya searah dengan perpindahan benda atau berlawanan arah.

Gambar tersebut menunjukkan bahwa pria yang mengangkut gerobak dorong dengan muatan sedang melakukan pekerjaan dari sudut pandang fisika, karena sebagian besar gaya yang Anda terapkan pada gerobak dorong berada dalam arah perpindahan yang sama (horisontal).

Pengaruh sudut penerapan gaya dalam pekerjaan

Sudut penerapan gaya memiliki pengaruh terhadap kerja mekanik yang dilakukan pada suatu benda. Dalam rumus kerja mekanik W = F x d x cos (θ), sudut θ mengacu pada sudut antara arah gaya yang diberikan dan perpindahan benda.

Jika sudutnya 0 derajat, itu berarti gaya diterapkan dalam arah yang sama dengan yang diterapkan. menggerakkan benda, maka kerja mekanik maksimum dan sama dengan gaya dikalikan jarak bepergian.

Jika sudutnya 90 derajat, ini menyiratkan bahwa gaya yang diberikan tegak lurus terhadap arah gerak, maka kerja mekaniknya nol.

Untuk sudut kurang dari 90° usaha adalah positif (gaya mendukung perpindahan), dan untuk sudut lebih besar dari 90° dan sampai 180°, usaha adalah negatif (gaya melawan gerakan).

Secara umum, semakin kecil sudut antara gaya dan perpindahan benda, semakin banyak kerja mekanis yang dilakukan. Oleh karena itu, sudut penerapan gaya merupakan faktor penting untuk dipertimbangkan saat menghitung kerja mekanis dalam situasi tertentu.

Gambar menunjukkan gerobak dorong tempat dua kotak diangkut. Jika kotak yang lebih besar (yang terletak di bawah kotak kedua) dianalisa, terlihat gaya-gaya yang bekerja padanya adalah beratnya, dua normal yang diberikan padanya oleh dua permukaan gerobak tempat ia bersandar, dan normal dari kotak kedua. Di sisi kanan, kerja yang dilakukan oleh masing-masing gaya ini untuk perpindahan Δr ditunjukkan.

Kerja yang dilakukan oleh gaya variabel

Untuk menghitung usaha yang dilakukan oleh gaya variabel, perpindahan benda dapat dibagi menjadi bagian-bagian kecil yang sama. Diasumsikan bahwa gaya konstan pada setiap bagian dan usaha yang dilakukan pada bagian tersebut dihitung menggunakan persamaan usaha untuk gaya konstan:

\(W = \vec F \cdot \overrightarrow {Δr} \)

di mana \(\vec F\) adalah gaya pada bagian tersebut dan \(\overrightarrow {Δr} \) adalah perpindahan pada bagian tersebut.

Kemudian, usaha yang dilakukan pada semua bagian ditambahkan untuk memperoleh usaha total yang dilakukan oleh gaya variabel sepanjang perpindahan benda. Metode ini merupakan perkiraan dan dapat kehilangan akurasi jika terdapat variasi gaya yang signifikan pada titik perpindahan yang berbeda. Dalam kasus seperti itu, kalkulus integral dapat digunakan untuk mendapatkan solusi yang lebih tepat, khususnya ketika gaya berubah secara kontinyu.

\(\sum W = {W_{net}} = \smallint \left( {\sum \vec F} \right) \cdot d\vec r\)

Ungkapan ini menunjukkan bahwa kerja mekanis menyatakan luas di bawah kurva pada diagram gaya versus perpindahan.

pekerjaan musim semi

Untuk menghitung usaha yang dilakukan pegas, dapat digunakan hukum Hooke, yang menyatakan bahwa gaya yang diberikan oleh pegas sebanding dengan deformasi pegas; dan konstanta proporsionalitas disebut konstanta pegas, diwakili oleh huruf k.

Parameter untuk menentukan kerja mekanik yang dilakukan pada pegas adalah konstanta (k) dan besarnya deformasi (x).

Pertama, deformasi pegas (x) dan gaya yang diberikan olehnya pada setiap titik sepanjang perpindahan harus diukur. Kemudian pekerjaan yang dilakukan oleh pegas di setiap bagian harus dihitung dengan menggunakan ekspresi:

\({W_R} = \frac{1}{2} \cdot k \cdot {x^2}\)

di mana k adalah konstanta pegas dan x adalah deformasi pada peregangan itu. Akhirnya, kerja yang dilakukan pada semua bagian harus dijumlahkan untuk memperoleh kerja total yang dilakukan pegas.

Penting untuk dicatat bahwa usaha yang dilakukan pegas selalu positif, karena gaya dan perpindahan selalu bekerja dalam arah yang sama.

Contoh pekerjaan mekanik

Misalkan sebuah benda bermassa 2 kg diangkat vertikal dengan kecepatan konstan 1 meter menggunakan tali. Seperti yang terlihat pada diagram berikut, gaya pada tali diberikan dalam arah yang sama dengan perpindahan benda ke arah di atas dan besarnya adalah berat, yang ditentukan sebagai perkalian massa dengan gravitasi, yaitu 19,62 N (sekitar 2 kg x 9,81 m/dtk²).

Untuk mencari kerja mekanik, ekspresi \(W = F \cdot d \cdot cos\theta \) diterapkan, di mana θ adalah sudut antara arah gaya yang diberikan dan perpindahan benda, dalam hal ini θ = 0° derajat, karena baik tegangan (T) dan perpindahan menuju di atas. Oleh karena itu, seseorang memiliki:

W = F x d x cos (0) = 19,62 N x 1 m x 1 = 19,62 J

Hasil ini menunjukkan bahwa tegangan yang diperlukan untuk mengangkat benda melawan gravitasi melakukan kerja mekanik sebesar 19,62 joule.