Bab 4 Usaha, Energi, dan Daya
B. Energi
Energi merupakan salah satu konsep penting dalam sains. Energi dapat diartikan sebagai kemampuan untuk melakukan usaha atau kerja. Cobalah kamu sebutkan beberapa jenis energi yang kamu kenal! Ba-gaimanakah sifat energi tersebut? Apakah energi itu tetap ada namun dapat berubah bentuk? Jelaskanlah salah satu bentuk energi yang kamu kenal dalam melakukan suatu usaha atau gerak!
Dalam fisika terdapat berbagai jenis energi, di antaranya energi potensial, energi kinetik, dan energi mekanik yang akan dibahas berikut ini.
1. Energi Potensial
Energi potensial adalah energi yang berkaitan dengan kedudukan benda terhadap titik acuan. Dengan demikian, titik acuan akan men-jadi tolok ukur penentuan ketinggian suatu benda. Energi potensial ada beberapa macam, seperti berikut ini.
a. Energi potensial gravitasi
Kamu tentu pernah melihat air terjun bukan? Pada air ter-jun tersimpan energi potensial gravitasi yang disebabkan oleh ketinggiannya. Demikian juga ketika kita meletakkan sebuah benda pada suatu ketinggian, pada hakikatnya dalam benda tersebut tersimpan energi potensial gravitasi. Energi potensial gravitasi adalah energi potensial suatu benda yang disebabkan oleh kedudukan benda terhadap gravitasi bumi.
Jika kita menggantungkan bola bermassa m, (lihat gambar 4.7) pada ketinggian h dari permukaan tanah maka energi potensial gravitasi bola tersebut dinyatakan:
Ep = m . g . h . . . (4.3)
Keterangan:
Ep : energi potensial (joule)
m : massa (kg)
g : percepatan gravitasi (m/s2)
h : ketinggian terhadap titik acuan (m) b. Energi potensial gravitasi Newton
Energi potensial gravitasi Newton adalah energi potensial gravitasi antara dua benda angkasa. Energi ini dirumuskan sebagai berikut.
Ep = - . . . (4.4)
Keterangan:
Ep : energi potensial gravitasi Newton (joule)
M : massa planet (kg)
m : massa benda (kg)
r : jarak benda ke pusat planet (m)
G : tetapan gravitasi universal = 6,673 x 10-11 N.m2/kg2.
Dari rumus di atas terlihat bahwa Ep bernilai negatif. Artinya, untuk memindahkan benda dari posisi tertentu ke posisi lain yang jaraknya lebih jauh dari pusat planet diperlukan sejumlah energi. Selain itu, tanda negatif pada Ep juga menunjukkan bahwa suatu planet akan tetap terikat pada medan gravitasi matahari, sehingga planet tetap berada pada orbitnya.
c. Energi potensial pegas
Dari pembahasan sebelumnya diketahui bahwa hubungan antara pertambahan panjang dengan gaya pegas adalah seba-gai berikut.
Agar kamu lebih memahami konsep energi potensial pada pegas, ambillah sebuah pegas! Setelah itu, tekan pegas tersebut dengan tanganmu! Apa yang ter-jadi? Jika kamu memberikan gaya tekan yang besar pada pegas maka pegas terse-but juga akan mempunyai energi potensial yang besar. Perhatikan gambar 4.8!
Jika tekanan yang kamu berikan pada pegas tiba-tiba kamu lepaskan, pegas akan kembali ke bentuk semula dengan cepat. Kemampuan pegas untuk kembali ke bentuk semula disebut energi potensial pegas.
Energi potensial pegas dapat
diten-tukan dengan meng gambarkan gaya pegas dan pertambahan panjang pegas seperti gambar 4.9. Luas di bawah kurva pada gambar 4.9 menunjuk-kan besarnya energi potensial pegas dan dapat dituliskan:
Ep = luas segitiga
Ep = . xA . FA
Ep = . xA . k . xA
Ep = k . xA2
Secara umum, energi potensial pegas dapat dirumuskan:
Ep = . k . x2 . . . (4.5)
Keterangan:
Ep : energi potensial pegas (joule)
k : konstanta pegas (N/m)
x : pertambahan panjang (m)
F : gaya pegas (N)
Contoh penerapan energi potensial pegas yaitu pada anak panah yang dilepaskan. Contoh lainnya adalah pada mobil mainan yang akan bergerak maju setelah kita beri gaya dorong ke belakang. Untuk membantumu memahami tentang energi potensial, perhatikan contoh soal berikut!
Contoh Soal
Gambar 4.9 Grafik hubungan antara gaya dan pertambahan panjang pegas
F FA
0
Suatu benda ketika berada di permukaan bumi menerima energi gravitasi Newton sebesar 10 joule. Tentukan energi potensial gravitasi Newton yang dialami benda itu ketika berada pada ketinggian satu kali jari-jari bumi dari permukaan bumi! Penyelesaian: Diketahui: Ep1 = 10 joule r2 = 2r1 Ditanyakan:Ep2= . . .? Jawab:
2. Energi Kinetik
Energi kinetik adalah energi yang berkaitan dengan gerak suatu benda. Jadi, setiap
benda yang bergerak memiliki energi kinetik. Meskipun gerak suatu benda dapat dilihat sebagai suatu sikap relatif, namun
penentuan kerangka acuan dari gerak harus tetap di-lakukan untuk menentukan gerak itu.
Persamaan energi kinetik dapat dirumuskan sebagai berikut.
Ek = . m v2 . . . (4.6)
Keterangan:
Ek : energi kinetik (joule)
m : massa benda (kg)
v : kecepatan gerak suatu benda (m/s)
3. Energi Mekanik
Energi mekanik adalah energi total yang dimiliki oleh suatu ben-da. Energi mekanik berasal dari energi potensial dan energi kinetik
Hukum Kekekalan Energi Me-kanik benda tersebut. Untuk lebih jelasnya, simaklah uraian berikut!
Perhatikan benda yang jatuh dari suatu ketinggian! Bagai-manakah perubahan kecepatan dan ketinggiannnya? Pada benda yang jatuh tampak bahwa ketinggiannya akan selalu berkurang. Hal ini berarti energi potensialnya juga berkurang. Apakah energi potensial yang berkurang tersebut hilang begitu saja? Tentu tidak. Karena energi tersebut berubah menjadi energi kinetik, sehingga energi kinetik dan kecepatan benda tersebut akan bertambah. Den-gan demikian, besar energi mekanik benda tersebut adalah tetap dan dirumuskan sebagai berikut.
Em = Ep+ Ek . . . (4.7)
Energi mekanik suatu benda bersifat kekal, artinya energi mekanik tidak dapat dimusnahkan, namun dapat berubah bentuk.
Pernyataan di atas disebut hukum kekekalan energi mekanik.
Secara matematis, hukum kekekalan energi mekanik dapat diru-muskan:
Ep1+ Ek1 = Ep2+ Ek2 . . . (4.8)
Persamaan di atas hanya berlaku jika tidak terjadi gesekan. Jika terjadi gesekan, sebagian energi akan berubah menjadi energi panas. Agar kamu dapat lebih memahami penerapan rumus-rumus energi, pelajari contoh soal berikut! Kemudian kerjakan soal-soal di bawahnya!
Contoh Soal
1. Buah kelapa bermassa 4 kg jatuh dari pohon setinggi 12,5 m. Tentukan kecepatan kelapa saat menyentuh tanah! Penyelesaian: Diketahui: m = 4 kg h = 12,5 m Ditanyakan: v2 = . . .? Jawab:
Kelapa jatuh mengalami gerak jatuh bebas, sehingga kecepatan awalnya nol. Saat jatuh di tanah ketinggian kelapa sama dengan nol.
m . g . h1 + . m . v12 = m . g . h2 + . m . v22
Jika semua ruas dibagi dengan m maka diperoleh:
g . h1 + . v12 = g . h2 + . v22
10.12,5 + . 02 = 10 . 0 + .v22
125 + 0 = 0 + v22
v2 = 15,8 m/s
2. Sebuah benda jatuh dari ketinggian 4 m, kemudian melewati bidang leng-kung seperempat lingkaran licin dengan jari-jari 2 m. Tentukan kelajuan saat lepas dari bidang lengkung tersebut!
Penyelesaian:
Diketahui: h1 = 6 m
Ditanyakan:v2 = . . .? Jawab:
Jika bidang lintasan licin maka benda mengalami gerak jatuh bebas. Lin-tasan benda tidak perlu diperhatikan, sehingga diperoleh:
m . g . h1 + .m . v12 = m . g . h2 + .m.v22 g . h1 + . v12 = g . h2 + .v22 10 . 6 + . 02 = 10 . 0 + .v22 60 + 0 = 0 + v22 v2 = v2 = 10,95 m/s
Kerjakan soal berikut dengan tepat!
1. Sebutkan beberapa bentuk energi yang ada di alam semesta berikut sumbernya! 2. Tuliskan cara memanfaatkan energi tersebut, kemudian uraikan kelebihan dan
kekurangannya!
3. Presentasikan hasil kerjamu di depan kelas secara bergantian!
A
B 4 m