ENERGI

 

PETA KONSEP

A. Pengertian Energi 

Dalam percakapan sehari-hari, kita sering menggunakan kata “energi” dalam banyak hal. Misalnya, seorang anak yang berlarian dan bermain kesana kemari tanpa kenal lelah sering kita katakana penuh dengan energi. Kita sering pula menyebut “krisis energi” bila membicarakan berkurangnya sumber-sumber minyak dan gas alam.

Gambar 2.1 Api unggun perubahan energi kimia menjadi energi cahaya dan energi panas

Energi merupakan konsep yang sangat abstrak. Energi tidak memiliki massa, tidak dapat diamati, dan tidak dapat diukur secara langsung. Akan tetapi kita dapat merasakan perubahannya. Kita dapat beraktivitas sehari-hari karena tubuh kita memiliki energi. Sumber energi utama di bumi adalah matahari. Sebagai penyebab berubahanya benda-benda, energi mengalami perubahan dari satu bentuk ke bentuk lain. Misalnya pada api unggun terjadi perubahan energi kimia yang ada di dalam kayu menjadi energi cahaya dan energi panas. 

B. Bentuk Energi

Konsep bentuk energi tidak terlepas dari perubahan energi, karena yang berubah adalah bentuk energi. Contoh : jika seseorang meletakkan bola di tempat yang lebih tinggi, kemudian bola tersebut menggelinding ke bawah. Pada saat bola berada di tempat yang tinggi dan diam, ia memiliki energi potensial dan ketika bola bergerak energi potensial berubah menjadi energi kinetik. 

Gambar 2.2 Bola menggelinding dari suatu ketinggian memiliki energi mekanik

C. Energi Kinetik

Setiap benda yang bergerak memiliki energi. Benda yang bergerak memiliki kemampuan untuk melakukan usaha, karenanya dapat dikatakan memiliki energi. Energi pada benda yang bergerak disebut energi kinetik. Dengan demikian, dapat disimpulkan bahwa energi kinetik merupakan energi yang dimiliki benda karena gerakannya atau kecepatannya.

Gambar 2.3 Ilustrasi gambar energi kinetik

(Marthen Kanginan, Fisika untuk SMA/MA Kurikulum 2013)

Agar benda dipercepat beraturan sampai bergerak dengan laju v maka pada benda tersebut harus diberikan gaya total yang konstan dan searah dengan arah gerak benda sejauh s. untuk itu dilakukan usaha atau kerja pada benda tersebut sebesar :

Karena benda memilik laju awal  , laju akhir    dan bergerak sejauh s , maka untuk menghitung nilai percepatan a, kita menggunakan persamaan :

Kita subsitusikan nilai percepatan a ke dalam persamaan gaya F = m a , untuk menentukan besar usaha : 

Persamaan tersebut menjelaskan usaha total yang dikerjakan pada benda. Karena W = EK maka dapat disimpulkan bahwa energi kinetik pada benda yaitu :

Keterangan :

EK = energi kinetik (Joule)

m = Massa (kg)

v = kecepatan (m/s²)

Gambar 2.4 Percakapan menunjukkan besarnya energi kinetik

Perhatikan video di atas, motor melaju lebih cepat daripada truk. Hal ini dikarenakan massa motor lebih kecil dibandingkan massa truk. Akibatnya untuk dapat melaju lebih cepat truk tersebut membutuhkan energi yang lebih besar. Jadi, semakin besar massa suatu benda maka energi kinetiknya semakin besar, semakin cepat benda itu bergerak maka energi kinetiknya juga semakin besar

Contoh Soal

Seorang atlet melontarkan bola tolak peluru bermassa 4,2 kg dengan kecepatan 12 m/s. Berapakah energi kinetik benda itu ? Berapakah usaha yang dilakukan atlet itu ?

Penyelesaian Soal

Diketahui :

Ditanya :

EK dan W ?

Jawab : 

D. Energi Potensial

Energi potensial gravitasi adalah energi yang dimiliki suatu benda karena kedudukannya (ketinggiannya) terhadap suatu bidang acuan tertentu. Semakin tinggi benda di atas permukaan tanah, makin besar energi potensial yang dimiliki benda tersebut. Contoh yang paling umum, ketika sebuah bata yang terletak pada ketinggian tertentu dari tanah (katakanlah di atas atap rumah) memiliki energi potensial gravitasi karena posisi relative benda ini terhadap bumi. Bata tersebut memiliki kemampuan untuk melakukan usaha, dan usaha ini muncul pada saat benda itu jatuh ke tanah.

Dengan demikian, energi potensial (EP) gravitasi sebuah benda merupakan hasil kali gaya berat benda dan ketinggiannya

Keterangan :

EP = Energi Potensial (Joule)

m = Massa (kg)

g = Gravitasi  (m/s²)

h = Ketinggian (meter)

Secara umum perubahan energi potensial yang memiliki hubungan dengan suatu gaya tertentu, sama dengan usaha yang dilakukan gaya jika benda dipindahkan dari kedudukan pertama ke kedudukan kedua. Dalam arti sempit perubahan energi potensial merupakan usaha yang diperlukan oleh suatu gaya luar untuk memindahkan benda antara dua titik tanpa percepatan.

Contoh Soal

Sebuah mobil dengan massa 1200 kg bergerak dari titik A ke titik B, kemudian ke titik C (lihat gambar di bawah ini). berapakah energi potensial di B dan C terhadap titik acuan A dan berapakah perubahan energi potensial ketika mobil bergerak dari B ke C ?

Gambar 2.5 Ilustrasi gambar dalam soal

Penyelesaian Soal

Diketahui :

Ditanya :

Jawab :

Titik A kita pilih sebagai titik acuan. Artinya pada kedudukan A, ketinggian  Ketinggian B dan C terhadap adalah :

           

Tanda negatif menyatakan bahwa energi potensial berkurang 294 000 J. Ketika mobil bergerak dari B ke C

E. Energi Potensial pada Pegas

Energi potensial pada pegas berhubungan dengan benda-benda yang elastis, misalnya pegas. Misalkan, sebuah pegas yang ditekan dengan tangan, apabila kita melepaskan tekanan pada pegas, maka pegas tersebut melakukan usaha pada tangan kita. Perhatikan gambar di bawah ini : 

Gambar 2.6 Energi potensial pada pegas

Ketika berada dalam keadaan diam, setiap pegas memiliki panjang alami, seperti ditunjukkan pada gambar di atas. Jika pegas di tekan sejauh x dari panjang alami, diperlukan gaya sebesar F (gaya tekan) yang nilainya berbanding lurus dengan x yakni :

Keterangan :

F = Gaya (Newton)

k = Konstanta pegas (N/m)

x = Jarak (m)

Ketika pegas ditekan, pegas memberikan gaya reaksi yang besarnya sama dengan gaya tekan tetapi arahnya berlawanan, gaya reaksi tersebut dikenal sebagai gaya pemulih. Besarnya gaya pemulih adalah :

Tanda minus menunjukkan bahwa arah gaya pemulih berlawanan dengan gaya tekan. Ini adalah persamaan hukum Hooke. Persamaan ini berlaku apabila pegas tidak ditekan sampai melewati batas elastisitasnya.

Untuk menghitung energi potensial pada pegas, terlebih dahulu menghitung usaha yang diperlukan untuk menekan atau meregangkan pegas. Ketika menekan pegas misalnya semakin besar x , gaya tekan kita juga semakin besar. Gaya tekan atau gaya renggang selalu berubah, dari F = 0 ketika x = 0 sampai F = kx (ketika pegas tertekan atau teregang sejauh x).

Keterangan :

EP elastis = Energi Potensial Elastis (Joule)

k = Konstanta pegas (N/m)

x = Jarak (m)

Contoh Soal 

Di atas meja licin, sebuah balok 1,0 kg diikatkan pada ujung sebuah pegas mendatar, dengan tetapan gaya k = 400 N/m. Pegas ditekan ke posisi x = -5 cm (lihat gambar) dan dibebaskan sehingga bergerak bolak-balik sepanjang meja licin. (gesekan dapat diabaikan) Hitunglah usaha yang dilakukan pegas pada balok ketika balok bergerak dari posisi x = -5 cm ke posisi x = + 3 cm ?

Gambar 2.7 Ilustrasi gambar dari soal

Penyelesaian Soal

Diketahui :

Ditanya :

W ?

Jawab :

Usaha yang dilakukan oleh gaya pegas pada balok termasuk gaya konservatif, untuk berpindah dari 

 ke   adalah

 

F. Energi Mekanik

Energi mekanik adalah energi yang dimiliki suatu benda karena sifat geraknya. Energi mekanik terdiri dari energi potensial dan energi kinetik

Gambar 2.8 Energi mekanik pada batu yang jatuh dari ketinggian 

(www.id.scribd.com) 

Sebelumnya kita telah mengenal kekekalan energi melalui contoh berikut, kita memiliki energi karena kita makan (energi kimia). Dari mana asal energi kimia bahan makanan yang kita makan ? ternyata asalnya dari matahari. Contoh ini menunjukkan bahwa energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan, melainkan hanya dapat diubah dari satu bentuk ke bentuk lainnya. Inilah yang dinamakan hukum kekekalan energi mekanik. Secara matematis dapat dirumuskan sebagai berikut : 

Keterangan :

EM = Energi Mekanik (Joule)

EP = Energi Potensial (Joule)

EK = Energi Kinetik (Joule)

G. Hubungan Gaya Konservatif Dengan Hukum Kekekalan 

1. Gaya Berat

Untuk sistem yang bergerak di bawah gaya berat, misalnya pada kasus gerak jatuh bebas, gerak vertikal ke atas dan gerak peluru. Energi mekaniknya terdiri dari energi potensial gravitasi dan energi kinetik  , sehingga hukum kekekalan energi mekanik dapat ditulis :

2. Gaya Pegas

Untuk sistem yang bergerak di bawah pengaruh gaya pegas, misalnya pada kasus gerak benda yang dihubungkan ke ujung pegas mendatar, energi mekaniknya terdiri dari energi potensial pegas

 dan energi kinetik benda , sehingga hukum kekekalan energi mekanik ditulis :

3. Gaya Gravitasi Newton

Untuk sistem yang bergerak di bawah pengaruh gaya gravitasi Newton, misalnya benda pada ketinggian dan laju tertentu energi mekaniknya terdiri dari energi potensial gravitasi   dan    dengan demikian hukum kekekalan energi mekaniknya ditulis :

Contoh  Soal

Seorang peloncat indah dengan berat 640 N meloncat dari sebuah papan menara yang

memliki ketinggian 10,0 m dari permukaan air. Jika peloncat mendorong papan luncur

sehingga ia meninggalkan papan dengan kelajuan 2,00 m/s, tentukanlah kelajuan peloncat

itu saat :

a. Berada pada ketinggian 5meter diatas permukaan air

b. Menyentuh permukaan air

Diketahui

m = 64 kg

h1 = 10 m

v0 = 2 m/s

h2 = 5 m

√104 = 10,2

v2 ... ?

Penyelesaian

Dengan menggunakan teori hukum kekekalan energi

a. Berada pada ketinggian 5meter diatas permukaan air

Ep1 + Ek1 = Ep2 + Ek2  (hukum kekekalan energi mekanik)

mgh1 + 1/2 mv1² = mgh2 + 1/2 mv2²

mgh1 - mgh2 = 1/2 mv2² - 1/2 mv1²

mg (h1-h2) = 1/2 m (v2²-v1²)

g (h1-h2) = 1/2 (v2²-v1²)

10 (10-5) = 1/2 (v2²-2²)

100        = v2² - 4

100 + 4 = v2²

v2 = √104

v2 = 10,2m/s

 

b. Menyentuh permukaan air

Ep1 + Ek1 = Ep2 + Ek2  (hukum kekekalan energi mekanik)

mgh1 + 1/2 mv1² = mgh2 + 1/2 mv2²

mgh1 - mgh2 = 1/2 mv2² - 1/2 mv1²

g (h1-h2) = 1/2 (v2²-v1²)

10 (10-0) = 1/2 (v2²-2²)

200       = v2² - 4

204 + 4 = v2²

v2 = √204

v2 = 14,3 m/s

Penyelesaian Soal

Sebelum mengerjakan mari gambar terlebih dahulu untuk menganalisis :

Gambar 2.9 Ilustrasi gambar dari soal

Diketahui :

Ditanya :

Jawab :

Kelajuan peloncat pada ketinggian 5 m di atas permukaan air (posisi 2), v2, dapat dihitung dengan menggunakan hukum kekekalan energi mekanik di posisi 2 dan posisi 1 , dengan posisi 3 diambil sebagai acuan

m = 64 kg

h1 = 10 m

v0 = 2 m/s

h2 = 5 m

√104 = 10,1

v2 ... ?

v3 ... ?

Ep1 + Ek1 = Ep2 + Ek2

mgh1 + 1/2 mv1² = mgh2 + 1/2 mv2²

mgh1 - mgh2 = 1/2 mv2² - 1/2 mv1²

mg (h1-h2) = 1/2 m (v2²-v1²)

10 (10-5) = 1/2 (v2²-2²)

50 × 2 = v2² - 4

100 + 4 = v2²

v2 = √104

v2 = 10,2 m/s

Dengan menggunakan hukum kekekalan energi mekanik pada posisi 3 dan 1 akan diperoleh kelajuan peloncat ketika menyentuh permukaan air (posisi 3), yaitu :

H. Aplikasi Kekekalan Energi Mekanik Dalam Keseharian

1. Buah Jatuh Bebas dari Pohonnya 

Gambar 2.10 Buah kelapa yang jatuh dari pohonnya merupakan aplikasi energi mekanik

Ketika buah jatuh dari pohonnya, terjadi konversi energi dari bentuk energi potensial menjadi energi kinetik. Energi potensial (EP) makin berkurang, sedangkan energi kinetik (EK) makin bertambah, tetapi energi mekanik (EM)  adalah konstan di posisi mana saja (asalkan gaya hambatan udara diabaikan). Dengan demikian, energi kinetik saat buat mengenai tanah sama dengan energi potensial saat buah masih menggantung di pohonnya.

2. Lompat Galah

Perhatikan video olahraga lompat galah berikut ini :

Pada olahraga lompat galah, ini merupakan aplikasi dari energi mekanik. Mula-mula pelompat mengerahkan energi kimia dalah tubuhnya untuk berlari sambil memegang galah. Di situ terjadi konversi dari energi kimia menjadi energi kinetik pelompat yang berlari. Tepat di dekat palang, pelompat yang sedang berlari menancapkan ujung galah ke dalam sebuah soket yang terdapat di tanah. Energi kinetik lari pelompat disimpan sementara dalam galah yang membengkok sebagai energi potensial elastis galah. Ketika galah melurus, energi potensial elastis galah dikembalikan lagi ke pelompat, sebagai energi potensial gravitasi dan sebagian lagi sebagai energi kinetic untuk melontarkan pelompat dengan kecepatan awal tertentu saat ia melepaskan pegangannya pada galah.

3. Olahraga Memanah

       Perhatikan video olahraga memanah berikut ini : 

Pada olahraga memanah ini merupakan aplikasi dari energi mekanik. Anak panah dapat mencapai sasaran karena mendapat energi dari pemanah. Sebelum melepaskan anak panah, seorang pemanah harus merentangkan busurnya telebih dahulu. Busur yang terentang memiliki energi potensial. Ketika anak panah dilepaskan, energi potensial tersebut berubah menjadi energi kinetic yang digunakan anak panah untuk bergerak

DAFTAR PUSTAKA

Dwiyantoro, Puji. 2011. Fisika itu Mudah & Menyenangkan.Jakarta : Cerdas Interaktif

Kanginan, Marthen. 2013. Fisika untuk SMA / MA Kelas XI Kurikulum 2013. Jakarta : Erlangga

Tipler, P A. 1998. Fisika untuk Sains dan Teknik Jilid I (terjemahan). Jakarta : Erlangga