RANGKUMAN TENTANG ENERGI POTENSIAL DAN KEKEKALAN ENERGI
“ ENERGI POTENSIAL DAN KEKEKALAN ENERGI ”
Oleh :
RIAN WAHYU PRATAMA PUTRA. ( NIM : 170204015 )
Universitas Hamzanwadi
Fakultas Teknik
Teknik Komputer
2017
Jln. Prof. M Yamin No. 35, Pancor Lombok Timur, 83611
ENERGI POTENSIAL DAN KEKEKALAN ENERGI
A. Energi Potensial
Jika kita ingin mengetahui informasi mengenai energi potensial gravitasi, maka kita datang ke tempat yang tepat. Di dalam artikel ini ada penjelasan singkat beserta contohnya yang akan disajikan di paragraf di bawah ini. Sebelum kita memulai, mari kita buka dengan pengertian dari energi potensial itu sendiri.
Energi potensial adalah energi yang mempengaruhi benda karena posisi ketunggian benda tersebut yang mana kecenderungan tersebut menuju tak terhingga dengan arah dari gaya yang ditimbulkan dari energi potensial tersebut. Satuan SI untuk mengukur usaha dan juga energi dilambangkan ke satuan Joule dengan symbol J. Sebagai informasi, energi potensial ditemukan pertama kali oleh seorang teknik dan fisikawan berkebangsaan Skotlandia William Rankine.
B. Kekekalan Energi
Dalam ilmu fisika, hukum kekekalan energi menyatakan bahwa jumlah energi dari sebuah sistem tertutup itu tidak berubah—ia akan tetap sama.[1][2] Energi tersebut tidak dapat diciptakan maupun dimusnahkan oleh manusia ; namun ia dapat berubah dari satu bentuk energi ke bentuk energi lain. Contohnya, energi kimia dapat diubah menjadienergi kinetik dalam ledakan dinamit.
Hukum Kekekalan Energi (Hukum I Termodinamika) berbunyi:
Energi dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk yang lain tetapi tidak bisa diciptakan atau dimusnahkan (konversi energi).
SUBTOPIK
1. ENERGI POTENSIAL GRAVITASI
Energi potensial gravitasi memiliki sifat sebagai jumlah energi yang hadir dalam suatu objek yang ditempatkan di medan gravitasi. Memang hal ini agak sedikit berbeda dari energi potensial pada umumnya. Jika energi potensial memiliki ketekaitan dengan tinggi dan juga berat benda, namun energi potensial gravitasi memiliki suatu gravitasi yang nantinya akan menciptakan gaya atau usaha.
Energi potensial gravitasi akan berubah seiring dengan posisinya di hadapan gravitasi. Factor yang mempengaruhi energi potensial semacam ini adalah ketinggian suatu benda tersebut yang akan dijatuhkan dari ketinggian tertentu, berat benda yang dimiliki, dan juga kecepatan benda ketika benda dijatuhkan dari tempat yang tinggi yang menimbulkan gaya dan usaha yang berbeda.
Contoh singkat dan simple mengenai energi potensial gravitasi adalah ketika batu dijatuhkan dari gedung lantai 5, maka batu akan jatuh dan jika mendarat di tanah, tanah akan berlubang dan batu kan meninggalkan bekas yang lumayan dalam. Hal ini tentunya juga tergantung dari massa batu yang dijatuhkan.
Semakin berat batu yang dijatuhkan, maka bekas lubang akan semakin dalam. Seperti contoh asteroid yang jatuh ke bumi. Asteroid yang pernah jatuh ke bumi meninggalkan lubang yang begitu besar karena massanya sangat berat dan mempunyai kecepatan yang sangat luar biasa cepatnya sehingga batu asteroid tersebut akan jatuh ke tanah dan akan menimbulkan lubang yang sangat besar.
Penjelasan Mengenai Energi Potensial Gravitasi
Kali ini kita akan membahas mengenai besarnya energi potensial gravitasi sebuah benda di dekat permukaan bumi. Misalnya saja kita akan mengangkat sebuah batu yang memiliki massa m. Gaya angkat yang Anda berikan pada batu tersebut paling tidak sama dengan gaya berat yang bekerja pada batu tersebut yaitu m x g (massa yang dikalikan percepatan gravitasi).
Untuk mengangkat batu tersebut dari permukaan tanah hingga mencapai ketinggian h, maka kita harus melakukan usaha yang besarnya sama dengan hasil kali gaya berat batu (W = m g) dengan ketinggian h.
Persamaan I
Usaha (W) = perubahan energi potensial gravitasi (EP2 – EP1).
W = EP2 – EP1
W = m g h2 – m g h1
W = m g (h2 – h1)
Sehingga, energi potensial gravitasi sebuah benda merupakan hasil kali gaya berat benda (m x g) dan ketinggiannya (h). H = (h2 – h1).
Persamaan 2
EP = m g h
Jika dilihat dari persamaan energi potensial di atas, menunjukkan bahwa semakin tinggi (h) benda di atas permukaan tanah, maka semakin besar pula energi potensial yang dimiliki benda tersebut. Yang perlu diingat adalah Energi potensial gravitasi bergantung pada jarak vertikal atau keinggian benda di atas titik acuan tertentu.
Biasanya tanah merupakan titik acuan jika benda tersebut mulai dari bergeral dari permukaan tanah atau gerakan benda menuju permukaan tanah.
Comtoh soal1. Energi 5000 Joule digunakan untuk mengangkat benda bermassa 50 kg. Benda akan naik setinggi… g = 10 m/s2
A. 5 m B. 10 m C. 12 m D. 15 m E. 20 m
Pembahasan :
Diketahui :
EP gravitasi = 5000 Joule, m = 50 kg, g = 10 m/s2.
Ditanya :
h ?
Jawab :
EP = m g h
5000 = (50)(10)(h)
5000 = 500 h
h = 5000 / 500 = 10 meter
Jawaban yang benar adalah B.
2. Sebuah benda massa 2 kg berada 5 meter di atas permukaan tanah. Percepatan gravitasi = 10 m/s2. Usaha yang diperlukan untuk mengangkat benda ke ketinggian 15 meter di atas permukaan bumi adalah…
A. 100 Joule B. 200 Joule C. 300 Joule D. 400 Joule E. 500 Joule
Pembahasan :
Diketahui :
m = 2 kg, h1 = 5 meter, h2 = 15 meter, g = 10 m/s2
Ditanya :
W ?
Jawab :
W = m g (h2 – h1) W = (2)(10)(15-5) = (2)(10)(10) = 200 Joule.
Jawaban yang benar adalah B.
Contoh penerapan Energi Potensial Gravitasi di Kehidupan Sehari Hari
Kita juga bisa menyimpulkan bahwa energi potensial gravitasi tergantung ketinggian dan juga usaha yang dihasilkan suatu objek tersebut. Misalkan saja kita membandingkan dua benda yang akan kita jatuhkan. Benda yang satunya berupa monitor tabung yang memiliki berat hingga 10 KG dan benda yang satunya lagi akan batu padat yang mempunyai ukuran besar dan beratnya mencapai 15 KG.
Kita bisa menjatuhkan kedua benda ini dan kita akan melihat hasilkan manakah benda yang akan meninggalkan bekas lubang di tanah. Kedua benda ini memang mampu meninggalkan bekas lubang ditanah, namun batu yang memiliki massa yang lebih besar tentunya akan meninggalkan lubang yang lebih dalam, meskipun monitor memiliki ukuran yang lebih besar.
Anak panah yang diluncurkan ke sasaran tembak juga merupakan energi potensial. Hal ini juga termasuk dalam energi potensial gravitasi, meskipun kasusnya tidak jatuhkan seperti yang ada di dalam paragraph sebelumnya. Meluncurnya anak panah ke sasaran tembak mempunyai beberapa pengaruh yaitu gravitasi, berat anak panah yang meluncur, sudut yang diciptakan oleh sang penembak dan tentu saja angin. Angin sangat berpengaruh besar disini selain menimbulkan energi potensial gravitasi.
2. ENERGI POTENSIAL ELASTIK
Energi potensial elastis adalah energi potensial dari sebuah benda elastis (contohnya adalah busur panah) yang mengalami perubahan bentuk karena adanya tekanan atau kompresi. Akibatnya adalah akan ditimbulkannya gaya yang akan berusaha untuk mengembalikan bentuk benda tersebut ke bentuk awalnya. Jika tekanan/renggangan ini dilepas, maka energi ini akan berpindah menjadi energi kinetik.
Contoh: anak panah yang melesat saat dilepaskan dari busurnya; pegas dapat dipakai untuk menciptakan energi potensial elastis.
Berkenaan dengan sifat elastis pada pegas, gaya pemulih pada pegas akan berbanding lurus dengan pertambahan panjangnya. Pegas yang berada dalam keadaan tertekan atau teregang dikatakan memiliki energi potensial elastis karena pegas tidak berada dalam keadaan posisi setimbang. Perhatikanlah gambar di bawah. Gambar tersebut menunjukkan kurva hubungan antara gaya dan pertambahan panjang pegas yang memenuhi Hukum Hooke. Jika pada saat pegas di tarik dengan gaya sebesar F1, pegas itu bertambah panjang sebesar Δx1. Demikian pula, jika pegas ditarik dengan gaya sebesar F2, pegas akan bertambah panjang sebesar Δ x2. Begitu seterusnya.
hubungan gaya dan pertambahan panjang pegas
Dengan demikian, usaha total yang diberikan untuk meregangkan pegas adalah
W = F1Δ x1 + F2Δ x2 + …
Besarnya usaha total ini sama dengan luas segitiga di bawah kurva F terhadap Δ xsehingga dapat dituliskan
W = ½ FΔ x
W = ½ (kΔ xΔ x)
W = ½ kΔ x2
Oleh karena usaha yang diberikan pada pegas ini akan tersimpan sebagai energi potensial, dapat dituliskan persamaan energi potensial pegas adalah sebagai berikut.
EP = ½ kΔ x2
Persamaan ini sering digunakan dalam perhitungan posisi kesetimbangan mekanis.
Energi potensial pegas ini juga dapat berubah karena usaha yang dilakukan oleh gaya pegas. Besar usaha yang dilakukan oleh gaya pegas itu dituliskan dengan persamaan
W = –Δ EP
CONTOH SOAL :
1. Sebuah pegas diberi beban 2 kg dan digantung vertikal pada sebuah statif. Jika pegas bertambah panjang 4 cm maka perubahan energi potensial elastis pegas tersebut adalah… g = 10 m/s2
Pembahasan
Diketahui :
Massa beban (m) = 2 kg
Percepatan gravitasi (g) = 10 m/s2
Berat beban (w) = m g = (2)(10) = 20 Newton
Pertambahan panjang pegas (x) = 4 cm = 0,04 meter
Ditanya : energi potensial elastis pegas
Jawab :
Rumus hukum Hooke adalah F = k x, di mana F = gaya, k = konstanta pegas dan x = pertambahan panjang pegas. Jika disesuaikan dengan soal ini maka rumus hukum Hooke diubah menjadi w = k x, di mana w = gaya berat. Untuk menghitung konstanta pegas, ubah rumus hukum Hooke menjadi k = w / x. Jadi konstanta pegas adalah k = w / x = 20 / 0,04 = 500 Newton/meter.
Perubahan energi potensial elastis pegas adalah :
EP = ½ k x2 = ½ (500)(0,04)2 = (250)(0,0016) = 0,4 Joule
3. HUKUM KEKEKALAN ENERGI MEKANIK
Hukum kekekalan energi mekanik dirumuskan dengan EmA = EmB. Hal ini berarti bahwa jumlah energi mekanik benda yang dipengaruhi oleh gaya gravitasi adalah tetap. Energi mekanik didefinisikan sebagai penjumlahan antara energi kinetik dan energi potensial.
Sebuah benda yang dilempar ke atas akan memiliki energi potensial dan energi kinetik. Energi potensial dimiliki karena ketinggiannya, sedangkan energi kinetik karena geraknya. Makin tinggi benda tersebut terlempar ke atas, makin besar energi potensialnya. Namun, makin kecil energi kinetiknya. Pada ketinggian maksimal, benda mempunyai energi potensial tertinggi dan energi kinetik terendah.
Untuk lebih memahami energi kinetik perhatikan sebuah bola yang dilempar ke atas. Kecepatan bola yang dilempar ke atas makin lama makin berkurang. Makin tinggi kedudukan bola (energi potensial gravitasi makin besar), makin kecil kecepatannya (energi kinetik bola makin kecil). Saat mencapai keadaan tertinggi, bola akan diam. Hal ini berarti energi potensial gravitasinya maksimum, namun energi kinetiknya minimun (v = 0). Pada waktu bola mulai jatuh, kecepatannya mulai bertambah (energi kinetiknya bertambah) dan tingginya berkurang (energi potensial gravitasi berkurang). Berdasarkan kejadian di atas, seolah terjadi semacam pertukaran energi antara energi kinetik dan energi potensial gravitasi. Apakah hukum kekekalan energi mekanik berlaku dalam hal ini?
Analisa Hukum Kekekalan Energi Mekanik
Saat benda jatuh, makin berkurang ketinggiannya makin kecil energi potensialnya, sedangkan energi kinetiknya makin besar. Ketika benda mencapai titik terendah, energi potensialnya terkecil dan energi kinetiknya terbesar. Mengapa demikian?
Bola yang jatuh dari ketinggian h.
Perhatikan gambar diatas, ketika sebuah bola berada pada ketinggian h, maka energi potensial di titik A adalah EpA = m · g · h, sedangkan energi kinetiknya EkA =
Karena v = 0, maka EkA = 0. Jumlah antara energi potensial di titik A dan energi kinetik di titik A sama dengan energi mekanik. Besarnya energi mekanik adalah:
EmA = EpA + EkA
EmA = mgh + 0
EmA = mgh
Misalnya, dalam waktu t sekon bola jatuh sejauh h1 (titik B), sehingga jarak bola dari tanah adalah h – h1. Energi potensial bola di titik B adalah EpB = mg(h – h1). Dari titik A ke titik B ternyata energi potensialnya berkurang sebesar m g h1. Sedangkan, energi kinetik saat bola di B adalah sebagai berikut. Saat bola jatuh setinggi h1, bola bergerak berubah beraturan dengan kecepatan awal nol.
Kecepatan benda tersebut adalah:
v = vo + g · t ——– (vo = 0)
v = gt = g
Jadi, energi kinetik bola di titik B adalah:
EkB =
EkB =
EkB =
EkB = mgh1
Jumlah energi kinetik dan energi potensial setelah benda jatuh sejauh h1 (di titik B) adalah sebagai berikut.
EmB = EkB + EpB
EmB = mgh1 + (mgh – mgh1)
EmB = mgh
Jadi, energi mekanik di titik B adalah EmB = mgh
Berdasarkan perhitungan menunjukkan energi mekanik di titik A besarnya sama dengan energi mekanik di titik B (EmA = EmB). Jadi, dapat disimpulkan bahwa jumlah energi mekanik benda yang dipengaruhi oleh gaya gravitasi adalah tetap.
Jika pada saat kedudukan di A jumlah energi potensial dan energi kinetik adalah EpA + EkA, sedangkan pada saat kedudukan di B jumlah energi potensial dan energi kinetik adalah EpB + EkB, maka : EpA + EkA = EpB + EkB atau Ep + Ek = tetap. Inilah yang dinamakan Hukum kekekalan energi mekanik.
CONTOH SOAL :
1. Bola pejal bermassa 1 kg dilempar vertikal ke atas dari tanah dengan kecepatan awal 40 m/s.Jika percepatan gravitasi di tempat itu adalah 10 m/s2, maka besar energi kinetik bola saat bola mencapai ketinggian 20 meter adalah ....
Jawab
Berdasarkan soal: Dik : m = 1 kg,
h1 = 0,
v1 = 40 m/s,
g = 10 m/s2,
h2 = 20 m
Dit : Ek2 = ... ?
Sesuai hukum kekekalan energi mekanik:
⇒ m.g.h1 + ½ m.v1.2 = m.g.h2 + Ek2
⇒ 1 (10) (0) + ½ 1 (40)2 = 1 (10) (20) + Ek2
⇒ 800 = 200 + Ek2
⇒ Ek2 = 800 200
⇒ Ek2 = 600 J
2.Sebuah balok meluncur dari bagian atas bidang miring licin hingga tiba di bagian dasar bidang miring tersebut. Jika puncak bidang miring berada pada ketinggian 3,2 meter di atas permukaan lantai, maka kecepatan balok saat tiba di dasar bidang adalah ....
Jawab
Pembahasan :
Dik : h1= 3,2 m, h2= 0
Vo = 0,
Dit : Vt = .... ?
Berdasakan hukum kekekalan energi mekanik:
⇒ Em1 = Em2
⇒ Ep1+ Ek1= Ep2+ Ek2
⇒ m.g.h1+ ½ m.vo2= m.g.h2+ ½ m.vt2
⇒ m.g.h1+ 0 = 0 + ½ m.vt2
⇒ g.h1 = ½ vt2
⇒ 2 g.h1= vt2
⇒ 2 (10) (3,2) = vt2
⇒ 64 = vt2
⇒ vt = 8 m/s
4. Gaya Dan Energi Potensial Pegas.
A. Gaya
Gaya adalah suatu kekuatan (Tarikan atau doronagan) yang mengakibatkan benda yang dikenainya mengalami perubahan posisi atau kedudukan (bergerak) dan atau berubah bentuk. Gaya juga dapat diartikan sebagai suatu tarikan atau dorongan yang dikerahkan sebuah benda terhadap benda lain. Misalnya pada kegiatan tarik tambang yang membuat pelakunya berpindah tempat.
Gaya yang berupa tarikan atau dorongan tersebut mempunyai arah gaya. Tarikan mempunyai arah yang mendekati orang/hewan/benda yang menariknya. Sedangkan dorongan mempunyai arah yang menjauhi orang/hewan/benda yang mendorongnya. Selain mempunyai arah, gaya pun mempunyai nilai, maka gaya merupakan besaran vektor.
B. RUMUS DAN SATUAN GAYA
Gaya dirumuskan dengan tiga rumusan dasar yang menjelaskan kaitan gaya dengan gerak benda. Tiga Rumusan dasar ini adalah HUKUM NEWTON 1, 2, dan 3.
a. Hukum Newton 1
Jika Resultan (Penjumlahan atau pengurangan gaya) yang bekerja pada benda sama dengan nol, maka benda yang semula diam akan tetap diam, dan benda yang bergerak lurus beraturan akan tetap bergerak lurus beraturan.
Jadi Rumus Hukum Newton 1 adalah :
∑F = 0
Keterangan :
∑F = resultan gaya (Kg m/s2)
b. Hukum Newton 2
Percepatan (Perubahan dari kecepatan) gerak benda selalu berbanding lurus dengan resultan gaya yang bekerja pada suatu benda dan selalu berbanding terbalik dengan massa benda.
Jadi Rumus Hukum Newton 2 adalah :
∑F = m.a
Keterangan :
∑F = resultan gaya (Kg m/s2)
m = Massa Benda (Kg)
a = percepatan (m/s2)
c. Hukum Newton 3
Setiap Aksi akan menimbulkan reaksi, artinya Jika Suatu benda mengerjakan gaya terhadap benda kedua makan, benda kedua akan membalas gaya dari benda pertama dengan arah yang berlawanan.
Jadi Rumus Hukum Newton 3 adalah :
∑FAKSI = -∑FREAKSI
Contoh soal gaya;
1. Tiga buah gaya bekerja pada sebuah benda. Jika F1= 40 N, F2= 50 N, dan F3= 60 N, makadari keempat sistem di bawah ini, sistem kerja yang memiliki resultan gaya paling besar adalah ....
Pembahasan :
Opsi A :
⇒ ∑F = √(F3 F1)^2+ F2^2
⇒ ∑F = √(60 40)^2 + 50^2
⇒ ∑F = √400 + 2500
⇒ ∑F = √2900
⇒ ∑F = 53,8 N
Opsi B :
⇒ ∑F = F2+ F3 F1
⇒ ∑F = 50 + 60 40
⇒ ∑F = 70 N
Opsi C :
⇒ ∑F = F1+ F2 F3
⇒ ∑F = 40 + 50 60
⇒ ∑F = 30 N
Opsi D :
⇒ ∑F = F1+ F3 F2
⇒ ∑F = 40 + 60 50
⇒ ∑F = 50 N
Jadi, resultan gaya yang terbesar adalah sistem pada opsi B yaitu 70 N.
C. Energi Potensial Pegas
Energi potensial pegas adalah energi yang ada pada suatu benda disebabkan karena posisi benda tersebut atau posisi tinggi benda tersebut dari tanah. Sedangkan energi pegas adalah energi yang dimiliki oleh benda yang memiliki potensial atau benda yang elastis yang mempunyai potensi.
Contoh Soal :
1. ) Sebuah pegas dengan konstanta pegas 200 N/m diberi gaya sehingga meregang sejauh 10 cm. Tentukan energi potensial pegas yang dialami pegas tersebut!
Penyelesaian:
Ep = ½ . f . Dx2
Ep = ½ . 200 . 0,12
Ep = ½ joule
Komentar
Posting Komentar