Daya & Efisiensi — Fisika Kelas 11–12

Setelah ini kamu bisa menghitung daya sebagai laju usaha $P = W/t$ dan efisiensi mesin $\eta = E_{\text{berguna}}/E_{\text{masuk}}$ , serta membandingkan kinerja motor berbeda daya.

Dua motor lift yang sama bertenaga mengangkat kabin ke lantai atas. Yang satu melakukannya dalam 10 detik, yang lain dalam 20 detik. Usaha yang dilakukan kedua motor ternyata sama — gravitasi tidak peduli cepat atau lambat. Tetapi motor pertama jelas “lebih kuat”: ia menyelesaikan usaha yang sama dalam waktu setengahnya. Itulah daya. Coba lihat sendiri di bawah.

Geser slider waktu pada grafik berikut dan perhatikan: usaha tetap, tetapi daya berubah tergantung berapa cepat usaha itu dilakukan.

Daya: laju melakukan usaha

Usaha mengukur berapa banyak energi dipindahkan, tetapi tidak peduli berapa lama. Dua orang yang menaiki tangga yang sama melakukan usaha yang sama, tetapi yang berlari memindahkan energi itu lebih cepat. Besaran yang menggabungkan usaha dan waktu adalah daya.

$P = \frac{W}{t}$

Arti tiap simbol: $P$ = daya rata-rata (watt, W), $W$ = usaha (joule, J), $t$ = selang waktu (s). Satu watt = satu joule per sekon (1 W = 1 J/s).

Daya adalah laju pemindahan energi atau laju melakukan usaha. Satuan SI-nya watt (W), dengan 1 W = 1 J/s. Daya besar berarti energi banyak dipindahkan dalam waktu singkat.

Karena daya menggabungkan usaha dan waktu, satuan watt sering kecil untuk mesin nyata. Spesifikasi mobil memakai kilowatt (1 kW = 1000 W) atau tenaga kuda (1 hp ≈ 746 W); tagihan listrik memakai kilowatt-jam untuk energi, bukan daya.

Bentuk lain: P = F·v

Karena $W = F \cdot s$ dan $v = s/t$ (untuk gerak tetap sepanjang gaya), daya dapat ditulis ulang sebagai hasil kali gaya dan kelajuan.

$P = F \cdot v$

Arti tiap simbol: $P$ = daya (W), $F$ = besar gaya searah gerak (N), $v$ = kelajuan (m/s). Berguna saat gaya dan kelajuan diketahui, bukan usaha total.

Bayangkan kamu mendorong mobil mogok. Dorongan kecil tetapi konsisten membuat mobil makin cepat — daya yang kamu berikan tidak berubah, tetapi karena $P = Fv$ , saat $v$ membesar dengan $F$ tetap, daya yang dibutuhkan juga membesar. Itulah sebabnya makin cepat mendorong mobil makin lelah, walau gaya dorongan sama.

Membandingkan motor berbeda daya

Dua motor lift yang mengangkat kabin yang sama melakukan usaha yang sama (melawan gravitasi: $W = mgh$ ). Motor dengan daya lebih besar menyelesaikan usaha itu dalam waktu lebih singkat — $t = W/P$ . Lihat pada alat berikut bagaimana garis energi-waktu motor berdaya besar lebih curam (energi naik lebih cepat).

Efisiensi: berapa banyak energi yang berguna

Mesin nyata tidak pernah mengubah seluruh energi masukannya menjadi kerja berguna — sebagian selalu berubah jadi kalor (gesekan), bunyi, atau getaran. Efisiensi mengukur rasio energi yang benar-benar berguna terhadap energi yang dimasukkan.

$\eta = \frac{E_{\text{berguna}}}{E_{\text{masuk}}} \times 100\% = \frac{W_{\text{keluar}}}{W_{\text{masuk}}} \times 100\%$

Arti tiap simbol: $\eta$ = efisiensi (persen), $E_{\text{berguna}}$ = energi yang menjadi kerja yang diinginkan (J), $E_{\text{masuk}}$ = total energi yang dimasukkan ke mesin (J). $\eta$ selalu $\leq 100\%$ .

Efisiensi mesin adalah perbandingan energi/karya berguna yang dihasilkan dengan energi yang dimasukkan, dinyatakan dalam persen. Tidak ada mesin nyata yang mencapai 100% karena sebagian energi selalu terbuang menjadi kalor.

Pada grafik berikut, geser slider efisiensi dan perhatikan energi berguna membesar sedangkan rugi mengecil — total keduanya tetap sama dengan energi masuk.

Soal daya dan efisiensi sering muncul terkait mesin pengangkat, pompa air, atau kendaraan. Tip: hitung dulu usaha $W = Fs = mgh$ yang harus dilakukan, lalu bagilah dengan waktu atau daya untuk dapat besaran lain. Untuk efisiensi, ingat bahwa rugi energi = energi masuk − energi berguna, dan efisiensi tak pernah melebihi 100% (hukum termodinamika). Pada mesin kalor, efisiensi Carnot adalah batas atas teoretis.

Coba dulu di kertas, baru buka.

Soal. Sebuah motor mengangkat beban 50 kg setinggi 6 m dalam waktu 15 sekon. Ambil $g = 10$ m/s². (a) Berapa usaha yang dilakukan motor? (b) Berapa daya rata-ratanya?

Usaha untuk mengangkat benda sejauh $h$ ke atas adalah $W = mgh = 50 \times 10 \times 6 = 3000$ J.

$P = W/t = 3000/15 = 200$ W. Jadi daya rata-rata motor adalah 200 watt.

Latih rumus ini dengan angka acak — kerjakan di kertas dulu, baru ketik jawabanmu.

Jebakan: menyamakan daya dengan usaha. Yang benar: daya adalah laju usaha (W = usaha total, P = usaha per satuan waktu). Dua mesin dapat melakukan usaha yang sama dengan daya yang berbeda.

Jebakan: mengira efisiensi boleh lebih dari 100%. Yang benar: $\eta = E_{\text{berguna}}/E_{\text{masuk}}$ selalu $\leq 100\%$ karena sebagian energi selalu berubah menjadi kalor. Klaim mesin “lebih dari 100%” melanggar hukum termodinamika.

Jebakan: keliru antara kilowatt (kW, daya) dan kilowatt-jam (kWh, energi). Yang benar: kW adalah satuan daya (1000 W); kWh adalah satuan energi (1 kWh = 1000 W × 3600 s = 3,6 MJ) — tagihan listrik memakai kWh untuk energi yang dikonsumsi.

Daya = laju usaha: $P = W/t$ ; satuan SI watt (W), dengan 1 W = 1 J/s.
Bentuk alternatif: $P = F \cdot v$ untuk gaya searah gerak.
Dua motor dengan usaha sama: yang dayanya lebih besar menyelesaikan lebih cepat ( $t = W/P$ ).
Efisiensi $\eta = E_{\text{berguna}}/E_{\text{masuk}} \times 100\%$ ; selalu $\leq 100\%$ .
Rugi energi = energi masuk − energi berguna, berubah menjadi kalor/bunyi — tak hilang dari alam.