Energi (energi kinetik,potensial dan mekanik)

Energi

Energi merupakan salah satu konsep penting dalam sains. Kata energi berasal dari bahasa Yunani, yaitu ergon yang berarti “kerja”. Jadi, energi didefinisikan sebagai kemampuan untuk melakukan kerja atau usaha. Energi merupakan sesuatu yang sangat penting dalam kehidupan di alam ini, terutama bagi kehidupan manusia, karena segala sesuatu yang kita lakukan memerlukan energi.
Berbagai sumber energi, antara lain, energi matahari, energi panas bumi, energi angin, energi air, dan energi nuklir. Sumber utama semua energi adalah energi matahari.

Gambar 1.1. Enegi Matahari Panas matahari memberikan suhu yang pas untuk kelangsungan hidup organisme di Bumi. Cahaya matahari dimanfaatkan secara langsung oleh tumbuhan berklorofil untuk melangsungkan fotosintesis, juga untuk pembangkit listrik dan masih banyak lagi

Gambar 1.2. Energi Angin Energi angin dapat digunakan untuk irigrasi dan pembangkit listrik

Gambar 1.3. Energi Panas Bumi Pemanfaatan tidak langsung yaitu memanfaatkan energi panas bumi untuk pembangkit listrik. Sedangkan pemanfaatan langsung yaitu memanfaatkan secara langsung panas yang terkandung pada fluida panas bumi untuk berbagai keperluan.

Gambar 1.4. Energi Air dimanfaatkan untuk pembangkit listrik

Gambar 1.5. Energi Nuklir Energi nuklir banyak dimanfaatkan untuk pembangkit listrik

Dalam fisika terdapat berbagai jenis energi, di antaranya energi potensial, energi kinetik, dan energi mekanik yang akan dibahas berikut ini.

2.1. Energi Potensial
Energi potensial adalah energi yang berkaitan dengan kedudukan benda terhadap titik acuan. Dengan demikian, titik acuan akan menjadi tolok ukur penentuan ketinggian suatu benda. Energi potensial ada beberapa macam, seperti berikut ini.
a. 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, pada ketinggian h dari permukaan tanah maka energi potensial gravitasi bola tersebut dinyatakan:
Ep = m . g . h  …………………………………(2-1)
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:

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
Kemampuan pegas untuk kembali ke bentuk semula disebut energi potensial pegas.
Secara umum, energi potensial pegas dapat dirumuskan:

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.


2.2. Energi Kinetik
Energi kinetik adalah energi yang berkaitan dengan gerak suatu benda. Jadi, setiap benda yang bergerak memiliki energi kinetik.
Persamaan energi kinetik dapat dirumuskan sebagai berikut:

Keterangan:
Ek : energi kinetik (joule)
m : massa benda (kg)
v : kecepatan gerak suatu benda (m/s)


2.3. Energi Mekanik
Energi mekanik adalah energi yang dihasilkan oleh benda karena sifat geraknya. Energi mekanik merupakan jumlah energi potensial dan energi kinetik yang dimiliki oleh benda atau energi total yang dimiliki oleh suatu benda. Energi mekanik berasal dari energi potensial dan energi kinetik benda tersebut.
Secara matematis dituliskan:
Em = Ep + Ek…………………………………………………………(2-5)
Jumlah total Energi Kinetik dan Energi Potensial disebut Energi Mekanik. Ketika terjadi perubahan energi dari Ep menjadi Ek atau Ek menjadi Ep, walaupun salah satunya berkurang, bentuk energi lainnya bertambah. Misalnya ketika Ep berkurang, besar Ek bertambah. Demikian juga ketika Ek berkurang, pada saat yang sama besar Ep bertambah. Total energinya tetap sama, yakni Energi Mekanik.
Energi mekanik suatu benda bersifat kekal, artinya energi mekanik tidak dapat dimusnahkan, namun dapat berubah bentuk. Energi dapat diubah dari satu bentuk ke bentuk lain dan dipindahkan dari satu benda ke benda yang lain tetapi jumlahnya selalu tetap. Pernyataan di atas disebut hukum kekekalan energi mekanik.
Em₁ = Em₂……………………………………………………………(2-6)


Gaya yang menyebabkan energi mekanik kekal (tetap) disebut gaya konservatif. Yang termasuk gaya konservatif antara lain :

1. Gaya gravitasi konstan, F = m.g
2. Gaya elastic pegas, F = k.x
3. Gaya gravitasi Newton,

Gaya konservatif memiliki sifat bahwa usaha yang dilakukan oleh suatu benda :

1. tidak bergantung pada lintasannya, tetapi hanya bergantung pada keadaan awal dan keadaan akhir
2. selalu sama dengan nol jika benda bergerak kembali ke posisi semula dalam lintasan tertutup
3. selalu dapat dinyatakan sebagai perbedaan antara energi potensial awal dan energi potensial akhir

Kita dapat menyimpulkan bahwa usaha yang dilakukan oleh gaya tak konservatif bergantung pada lintasan. Contoh gaya tak konservatif antara lain gaya dorong, gaya gesekan, dan gaya hambatan udara.
Secara matematis, hukum kekekalan energi mekanik dapat dirumuskan:
Ep₁ + Ek₁ = Ep₂ + Ek₂ ……………………………………(2-6)
Persamaan di atas hanya berlaku jika tidak terjadi gesekan. Jika terjadi gesekan, sebagian energi akan berubah menjadi energi panas.

1. kesimpulan rumus umum energi mekanik
   EM1 = EM2
   Ep1 + Ek1 = Ep2 + Ek2
   
   dengan :
   EM1 = energi mekanik keadaan pertama
   EM2 = energi mekanik keadaan kedua
   Ep1 = energi potensial keadaan pertama
   Ep2 = energi potensial keadaan kedua
   Ek1 = energi kinetik keadaan pertama
   Ek2 = energi kinetik keadaan kedua
   
   Contoh :
   Sebuah bola bermassa 200 g jatuh dari ketinggian 20 m di atas tanah. Tentukan energi kinetik benda saat berada pada ketinggian 10 m di atas tanah.
   
   Pembahasan 
   Dik :
   m = 200 g = 0,2 kg
   h1 = 20 m
   h2 = 10 m
   v1 = 0 ---> karena bola jatuh tanpa kecepatan awal.
   Ek1 = 0 ---> karena v1 = 0
   
   Berdasarkan hukum kekekalan energi berlaku :
   Ep1 + Ek1 = Ep2 + Ek2
   m g h1 + 0 = m g h2 + Ek2
   Ek2 = m g h1 - m g h2
   Ek2 = m g (h1 - h2)
   Ek2 = 0,2 (10) (20 - 10)
   Ek2 = 20 Joule.

Hubungan Energi dan Usaha
Bila dikaitkan dengan energi, usaha merupakan perubahan energi. Usaha dapat berupa perubahan energi potensial ataupun perubahan energi kinetik. Secara matematis dapat ditulis sebagai berikut :

1. Hubungan usaha dengan energi potensial : 
   
   W = Δ Ep = mg (Δh)
   
   dengan :
   W = usaha (J)
   Δ Ep = perubahan energi potensial (J)
   m = massa benda (kg)
   g = gravitasi bumi (m/s²)
   Δh = perubahan ketinggian (m)
   
   Contoh :
   Sebuah bola bermassa 500 gram dijatuhkan dari atas gedung setinggi 2 m. Tentukan besar usaha selama perpindahan bola tersebut.
   
   Pembahasan 
   Dik :
   m = 500 g = 0,5 kg
   Δh = 2 m
   
   W = m g Δh
   W = 0,5 (10) (2)
   W = 10 Joule.
   
   
2. Hubungan usaha dengan energi kinetik :
   
   
   W = Δ Ek = ½ m (v2² - v1²)
   
   dengan :
   W = usaha (J)
   Δ Ek = perubahan energi kinetik (J)
   m = massa benda (kg)
   v2 = kecepatan akhir benda (m/s)
   v1 = kecepatan awal benda (m/s)
   
   Contoh :
   Tentukan esar usaha yang dilakukan oleh mesin terhadap sebuah mobil bermassa 1 ton yang mula-mula diam sehingga bergerak dengan kecepatan 5 m/s.
   
   Pembahasan 
   Dik :
   v2 = 5 m/s
   m = 1000 kg
   v1 = 0
   
   W = ∆Ek
   W = ½. m (v2² - v1²)
   W = ½ (1000) (25 - 0)
   W = 12.500 Joule