A.
Energi Potensial
Energi potensial merupakan energi yang dihubungkan dengan gaya-gaya yang
bergantung pada posisi atau wujud benda dan lingkungannya. Banyak sekali contoh
energi potensial dalam kehidupan kita. Karet ketapel yang kita regangkan
memiliki energi potensial. Karet ketapel dapat melontarkan batu karena adanya
energi potensial pada karet yang diregangkan. Demikian juga busur yang ditarik
oleh pemanah dapat menggerakan anak panah, karena terdapat energi potensial
pada busur yang diregangkan. Contoh lain adaah pegas yang ditekan atau
diregangkan. Energi potensial pada tiga contoh ini disebut energi potensial
elastik. Energi kimia pada makanan yang kita makan atau energi kimia pada bahan
bakar juga termasuk energi potensial. Ketika makanan di makan atau bahan bakar
mengalami pembakaran, baru energi kimia yang terdapat pada makanan atau bahan
bakar tersebut dapat dimanfaatkan. Energi magnet juga termasuk energi
potensial. Ketika kita memegang sesuatu yang terbuat dari besi di dekat magnet,
pada benda tersebut sebenarnya bekerja energi potensial magnet. Ketika kita
melepaskan benda yang kita pegang (paku, misalnya), dalam waktu singkat paku
tersebut bergerak menuju magnet dan menempel pada magnet. Perlu dipahami bahwa
paku memiliki energi potensial magnet ketika berada jarak tertentu dari magnet; ketika menempel pada
magnet, energi potensial bernilai nol.
Energi Potensial Gravitasi
Contoh yang paling umum dari energi potensial adalah energi potensial
gravitasi. Buah mangga yang lezat dan ranum memiliki energi potensial gravitasi
ketika sedang menggelayut pada tangkainya. Demikian juga ketika anda berada
pada ketinggian tertentu dari permukaan tanah (misalnya di atap rumah ) atau di dalam pesawat).
Energi potensial gravitasi dimiliki benda karena posisi relatifnya terhadap bumi.
Setiap benda yang memiliki energi potensial gravitasi dapat melakukan kerja
apabila benda tersebut bergerak menuju permukaan bumi (misalnya buah mangga
jatuh dari pohon). Untuk memudahkan pemahamanmu, lakukan percobaan sederhana
berikut ini Pancangkan sebuah paku di tanah. Angkatlah sebuah batu yang
ukurannya agak besar dan jatuhkan batu tegak lurus pada paku tersebut. Amati
bahwa paku tersebut terpancang semakin dalam akibat usaha alias kerja yang
dilakukan oleh batu yang anda jatuhkan.
Sekarang mari kita tentukan besar energi potensial gravitasi sebuah benda di
dekat permukaan bumi. Misalnya kita mengangkat sebuah batu bermassa m. gaya
angkat yang kita berikan pada batu paling tidak sama dengan gaya berat yang
bekerja pada batu tersebut, yakni mg (massa kali percepatan gravitasi). Untuk
mengangkat batu dari permukaan tanah hingga mencapai ketinggian h, maka kita
harus melakukan usaha yang besarnya sama dengan hasil kali gaya berat batu (W =
mg) dengan ketinggian h. Ingat ya, arah gaya angkat kita sejajar dengan arah
perpindahan batu, yakni ke atas… FA = gaya angkat
W = FA . s = (m)(-g) (s) = – mg(h2-h1) —– persamaan 1
Tanda negatif menunjukkan bahwa arah percepatan
gravitasi menuju ke bawah…
Dengan demikian, energi potensial gravitasi sebuah benda merupakan hasil kali
gaya berat benda (mg) dan ketinggiannya (h). h = h2 – h1\
EP = mgh —— persamaan 2
Berdasarkan persamaan EP di atas, tampak bahwa makin tinggi (h) benda di atas
permukaan tanah, makin besar EP yang dimiliki benda tersebut. Ingat ya, EP
gravitasi bergantung pada jarak vertikal alias ketinggian benda di atas titik
acuan tertentu. Biasanya kita tetapkan tanah sebagai titik acuan jika benda
mulai bergerak dari permukaan tanah atau gerakan benda menuju permukaan tanah.
Apabila kita memegang sebuah buku pada ketinggian tertentu di atas meja, kita
bisa memilih meja sebagai titik acuan atau kita juga bisa menentukan permukaan
lantai sebagai titik acuan. Jika kita tetapkan permukaan meja sebagai titik
acuan maka h alias ketinggian buku kita ukur dari permukaan meja. Apabila kita
tetapkan tanah sebagai titik acuan maka ketinggian buku (h) kita ukur dari
permukaan lantai.
Jika kita gabungkan persamaan 1 dengan persamaan 2 :
Persamaan ini menyatakan bahwa usaha
yang dilakukan oleh gaya yang menggerakan benda dari h1 ke h2 (tanpa
percepatan) sama dengan perubahan energi potensial benda antara h1 dan h2.
Setiap bentuk energi potensial memiliki hubungan dengan suatu gaya tertentu dan
dapat dinyatakan sama dengan EP gravitasi. Secara umum, perubahan EP yang
memiliki hubungan dengan suatu gaya tertentu, sama dengan usaha yang dilakukan
gaya jika benda dipindahkan dari kedudukan pertama ke kedudukan kedua. Dalam
makna yang lebih sempit, bisa dinyatakan bahwa perubahan EP merupakan usaha
yang diperlukan oleh suatu gaya luar untuk memindahkan benda antara dua titik,
tanpa percepatan.
Contoh soal 1 :
Buah
mangga yang ranum dan mengundang selera menggelayut pada tangkai pohon mangga
yang berjarak 10 meter dari permukaan tanah. Jika massa buah mangga tersebut
0,2 kg, berapakah energi potensialnya ? anggap saja percepatan gravitasi 10
m/s2
Panduan jawaban :
EP = mgh
EP = (0,2 kg) (10 m/s2) (10 m)
EP = 20 Kg m2/s2 = 20 N.m = 20 Joule
Contoh soal 2 :
Seekor monyet bermassa 5 kg berayun dari satu dahan ke dahan lain yang lebih
tinggi 2 meter. Berapakah perubahan energi potensial monyet tersebut ? g = 10
m/s2
Panduan jawaban :
Soal ini sangat mudah…
kita tetapkan dahan pertama sebagai titik acuan, di mana h = 0. Kita hanya
perlu menghitung EP monyet ketika berada pada dahan kedua…
EP = mgh = (5 kg) (10 m/s2) (2 m)
EP = 100 Joule
Dengan
demikian, perubahan energi potensial monyet = 100 Joule.
Contoh soal 3 :
Seorang buruh pelabuhan yang tingginya 1,50 meter mengangkat sekarung beras
yang bermassa 50 kg dari permukaan tanah dan memberikan kepada seorang temannya
yang berdiri di atas kapal. Jika orang tersebut tersebut berada 0,5 meter tepat
di atas kepala buruh pelabuhan, hitunglah energi potensial karung berisi beras
relatif terhadap :
a) permukaan tanah
b) kepala buruh pelabuhan
Panduan jawaban :
a). EP karung berisi beras relatif terhadap permukaan tanah
Ketinggian total karung beras dari permukaan tanah = 1,5 m + 0,5 m = 2 meter Dengan demikian,
EP = mgh = (50 kg) (10 m/s2) (2 m)
EP = 1000 Joule
b). EP karung berisi beras relatif terhadap kepala buruh pelabuhan
Kedudukan karung beras diukur dari kepala buruh pelabuhan adalah 0,5 meter.
EP = mgh = (50 kg) (10 m/s2) (0,5 m)
EP = 250 Joule
Energi Potensial Elastis
Sebagaimana dijelaskan pada bagian awal tulisan ini, selain energi potensial
gravitasi terdapat juga energi potensial elastis. EP elestis berhubungan dengan
benda-benda yang elastis, misalnya pegas. Mari kita bayangkan sebuah pegas yang
ditekan dengan tangan. Apabila kita melepaskan tekanan pada pegas, maka pegas
tersebut melakukan usaha pada tangan kita. Efek yang dirasakan adalah tangan
kita terasa seperti di dorong. Apabila kita menempelkan sebuah benda pada ujung
pegas, kemudian pegas tersebut kita tekan, maka setelah dilepaskan benda yang
berada di ujung pegas pasti terlempar…. perhatikan gambar di bawah. Jika dirimu
mempunyai koleksi pegas, baik di rumah maupun di sekolah, silahkan melakukan
percobaan ini untuk membuktikannya….
Ketika berada dalam keadaan diam, setiap pegas memiliki panjang alami, seperti
ditunjukkan gambar a (lihat gambar di bawah). Jika pegas di tekan sejauh x dari
panjang alami, diperlukan gaya sebesar FT (gaya tekan) yang nilainya berbanding
lurus dengan x, yakni :
FT = kx
k adalah konstanta pegas (ukuran kelenturan/elastisitas pegas) dan besarnya
tetap. Ketika ditekan, pegas memberikan gaya reaksi, yang besarnya sama dengan
gaya tekan tetapi arahnya berlawanan. gaya reaksi pegas tersebut dikenal
sebagai gaya pemulih. Besarnya gaya pemulih adalah :
FP = -kx
Tanda minus menunjukkan bahwa arah gaya pemulih berlawanan arah dengan gaya
tekan. Ini adalah persamaan hukum Hooke. Persamaan ini berlaku apabila pegas
tidak ditekan sampai melewati batas elastisitasnya (x tidak sangat besar).
Untuk menghitung Energi Potensial pegas yang ditekan atau diregangkan, terlebih
dahulu kita hitung gaya usaha yang diperlukan untuk menekan atau meregangkan
pegas. Kita tidak bisa menggunakan persamaan W = F s = F x, karena gaya tekan
atau gaya regang yang kita berikan pada pegas selalu berubah-ubah selama pegas
ditekan. Ketika menekan pegas misalnya, semakin besar x, gaya tekan kita juga
semakin besar. Beda dengan gaya angkat yang besarnya tetap ketika kita
mengangkat batu. Lalu bagaimana cara mengakalinya ?
Kita menggunakan gaya rata-rata. Gaya tekan atau gaya regang selalu berubah,
dari F = 0 ketika x = 0 sampai F = kx (ketika pegas tertekan atau teregang
sejauh x). Besar gaya rata-rata adalah :
x merupakan jarak total pegas yang teregang atau pegas yang tertekan
(bandingkan dengan gambar di atas).
Daftar
Pustaka
·
Giancoli, Douglas C.,
2001, Fisika Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penerbit Erlangga
· Tipler, P.A.,1998, Fisika untuk Sains dan Teknik-Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penebit Erlangga
·
Young, Hugh D. &
Freedman, Roger A., 2002, Fisika Universitas (terjemahan), Jakarta :
Penerbit Erlangga
Comments
Post a Comment