Usaha, Energi Kinetik, Energi Potensial dan Energi Mekanik

Seperti yang sudah dijelaskan pada materi usaha dan energi bahwa usaha yang dilakukan pada sebuah benda akan menimbulkan perubahan energi pada benda itu. Sebagai contoh apabila ada sebuah benda yang bergerak dengan kecepatan V tertentu diberikan suatu usaha padanya, maka benda tersebut akan bergerak bertambah cepat yang menandakan energi gerak benda tersebut menjadi berubah atau bertambah besar. Jika usaha yang dilakukan terhadap benda tersebut berlawanan arah dengan arah geraknya, maka akan terjadi juga perubahan energi geraknya yaitu bertambah kecil. Pada artikel kali ini kita akan membahas energi kinetik, energi potensial dan energi mekanik benda serta hubungan antara energi tersebut dengan usaha.

Energi Kinetik Benda (Ek)

Energi kinetik merupakan energi yang dimiliki oleh setiap benda yang bergerak. Dengan kata lain energi kinetik benda hanya akan timbul ketika benda itu bergerak. Semakin cepat gerak benda tersebut semakin besar pula energi kinetik yang timbul padanya, sebaliknya semakin lambat gerak benda semakin kecil pula energi kinetik yang dimiliki benda itu. Bagaimana kalau benda itu diam atau tidak bergerak? Sesuai dengan definisi yang sudah disampaikan di atas, maka benda yang diam tidak memiliki energi kinetik. Secara matematik energi kinetik benda ini dapat dituliskan sebagai berikut:

Ek        = ½.m.v²

Dimana:

m         = massa benda dalam satuan kg

V         = kecepatan gerak benda dalam satuan m/s

Contoh soal:

Sebuah benda yang massanya 10 kg bergerak dengan kecepatan tetap sebesar 8 m/s. Hitunglah energi kinetik yang dimiliki oleh benda itu!

Penyelesaian:

Dik :

            M         = 10 kg

            V         = 8 m/s

Dit :

            Energi kinetik benda?

Jawab :

            Ek        = ½.m.v²

                        = ½.10.8²

                        = 320 joule

Ketika sebuah benda bergerak mengalami perubahan kecepatan sebagai akibat dari usaha yang diberikan kepadanya, maka akan terjadi juga perubahan energi kinetik pada benda tersebut. Semakin besar usaha yang diberikan kepadanya akan semakin besar pula perubahan kecepatan benda dan semakin besar pula perubahan energi kinetiknya. Secara matematik keadaan ini bisa kita tuliskan sebagai berikut:

W        = ΔEk

            = Ek akhir – Ek awal

            = ½.m.V² - ½.m.Vo²

Contoh soal

Sebuah mobil yang massanya 1 ton bergerak dengan kecepatan 36 km/jam. Kemudian mobil dipercepat sehingga kecepatannya menjadi 72 km/jam. Berapakah usaha yang dilakukan untuk mempercepat mobil tersebut?

Penyelesaian:

Dik :

            M         = 1 ton = 1000 kg

            Vo        = 36 km/jam =36.000 m / 3600 s = 10 m/s

            V         = 72 km/jam =72.000 m / 3.600 s = 20 m/s

Dit :

            W=  ?

Jawab :

            W        = ΔEk

                        = Ek akhir – Ek awal

                        = ½.m.V² - ½.m.Vo²

                        = ½.1000.20² - ½.1000.10²

                        = 200.000 – 50.000

                        = 150.000 joule

Energi Potensial Benda (Ep)

Kalau energi kinetik benda merupakan energi yang dimiliki benda karena geraknya, maka energi potensial adalah energi yang dimiliki benda karena kedudukannya atau letaknya yang diukur dari permukaan bumi. Semakin tinggi kedudukan atau letak benda dari permukaan bumi semakin besar energi potensial yang dimilikinya, demikian juga sebaliknya semakin rendah atau dekat dengan permukaan bumi energi potensialnya semakin kecil juga. Bagaimana kalau letaknya di permukaan bumi? Karena permukan bumi dinyatakan dengan ketinggian 0 maka energi potensial benda yang terletak dipermukaan bumi besarnya adalah 0. Secara matematis energi potensial benda Ep dapat dituliskan sebagai berikut:

Ep        = m.g.h

Dimana:

Ep        = energi potensial benda dalam joule

m         = massa benda dalam kg

g          = percepatan grafitasi bumi dalam m/s²

h          = kedudukan atau ketinggian benda dalam meter

contoh soal

jika ada sebuah benda yang massanya 10 kg terletak 100 meter di atas permukaan tanah, maka energi potensial yang dimiliki benda tersebut adalah? Asumsikan grafitasi bumi besarnya 10 m/s².

Penyelesaian:

Dik :

            m         = 10 kg

            g          = 10 m/s² 

            h          = 100 m

Dit :

            Ep        = ..?

Jawab :

            Ep        = m.g.h

                        = 10.10.100

                        = 10.000 joule

Jika pada benda tersebut terjadi perubahan kedudukan (letak ketinggian) maka akan terjadi pulah perubahan energi potensialnya. Perubahan kedudukan ini tentunya disebabkan oleh usaha yang diberikan kepada benda itu. Secara matematis hubungan antara usaha yang diberikan pada benda dengan perubahan energi potensial benda dapat dituliskan sebagai berikut:

W        = ΔEp

            = Ep akhir – Ep awal

            = m.g.h – m.g.ho

Lihat contoh soal di sini

Khusus untuk pegas yang ditarik dengan gaya F = k.x akan menerima usaha sebesar energi potensial pegas. Besarnya dapat dihitung dengan rumus berikut:

W        = ½.k.x²

Dimana :

W        = usaha yang dilakukan dalam joule

k          = konstanta pegas dalam satuan N/m

x          = pertambahan panjang pegas dalam meter

Energi Mekanik Benda (Em)

Energi mekanik merupakan jumlah dari energi kinetik benda dengan energi potensial benda. Secara matematik dapat dituliskan sebagai berikut:

Em       = Ek + Ep

Jika tidak ada gaya luar yang bekerja pada benda (kecuali gaya berat), maka akan berlaku hukum kekekalan energi mekanik yaitu:

Ek + Ep      = tetap

Ini berarti energi mekanik benda tidak mengalami perubahan alias tetap artinya energi mekanik awal sama saja dengan energi mekanik akhir. Secara matematik dapat kita tuliskan sebagai berikut:

(Em) awal                    = (Em) akhir

(Ek      + Ep) awal       = (Ek   + Ep) akhir

Contoh soal

Sebuah benda yang massanya 10 kg dijatuhkan dari ketinggian 10 meter dari permukaan tanah. Tentukan kecepatan benda saat menyentuh tanah.

Penyelesaian:

Dik :

            M         = 10 kg

            H         = 10 m

Dit :

            Kecepatan saat menyentuh tanah (V) ?

Jawab :

            (Em) awal                                = (Em) akhir

            (Ek      + Ep) awal                   = (Ek   + Ep) akhir

            ½.m.Vo² + m.g.ho                  = ½.m.V² + m.g.h

            ½.10.0² + 10.10.10                 = ½.10.V² + 10.10.0

            0          +          1000                = 5V²  +  0

                        1000                            = 5V²  

                                   5V²                    = 1000

                                               V²          = 200

                                                V         = 14,14 m/s

Kalau kita cermati dari soal di atas akan terlihat bahwa pada posisi awal benda hanya memiliki energi potensial Ep sebesar 1.000 joule sedangkan Ek mula-mula besarnya 0 (karena awalnya Vo = 0). Pada posisi akhir kita lihat Ep benda yang menjadi 0 (karena ketinggian nilainya 0) sedangkan Ek benda menjadi 1.000 joule. Ini artinya semua energi potensial yang dimiliki benda waktu mula-mula berubah total menjadi energi kinetik ketika benda menyentuh tanah. Berarti Energi mekanik benda tersebut tetap.

Tweet

Subscribe to receive free email updates: