Energi

Energi

Note : Pahami dulu artikel Energi 2 - Usaha sebelum mulai baca artikel ini. Jangan stress duluan ya liat isi artikel ini banyak banget, wajar banyak soalnya di satu artikel ini gua langsung bahas 3 energi(kinetik, potensial, & potensial pegas).


Energi adalah kemampuan melakukan kerja. Kerja disini maksudnya WORK atau USAHA, jadi energi adalah segala sesuatu yg dapat menimbulkan usaha. Usaha sendiri adalah gaya yg menyebabkan perpindahan, jadi bisa dibilang kalo energi adalah segala sesuatu yg akan menghasilkan gaya dan dapat memindahkan benda(ini hanyalah definisi umum dan mudahnya, dalam praktik sesungguhnya dan dalam kajian energi yg lebih rumit, jelas kalau definisi ini kurang tepat, tapi gapapalah buat belajar di sekolah doang mah wkwk).

Energi ada banyak macamnya; mulai dari energi bunyi, energi panas, energi cahaya, energi kimia, energi kinetik, energi potensial, energi potensial pegas, energi listrik, dan lain-lain. Namun pada bab ini, fokus kita hanyalah pada energi kinetik, energi potensial, dan energi potensial pegas.

Kebanyakan dari ini udah kita pelajarin di SMP sih, cuma agak lebih diperdalam aja, mari disimak~

1. Energi Kinetik

Kata kinetik berasal dari bahasa Yunani yaitu "kinektikos" yg artinya gerak. Jadi energi kinetik adalah energi yg dimiliki oleh benda bergerak. Istilah energi kinetik sendiri pertama kali dikemukakan oleh Lord Kelvin.

Semua benda bergerak memiliki energi kinetik.




 Telah kita ketahui kalau W = F.S (kita ambil versi sederhana dari rumus usaha agar mudah menurunkannya). Kita juga tau kalau energi dapat menimbulkan usaha, yg artinya berlaku kebalikan atau usaha dapat menghasilkan energi.

Misalkan benda awalnya diam, lalu diberi usaha, maka :

W = F.S = benda bergerak= energi kinetik

Kita simpulkan kalau (1) energi kinetik = F.S

Dari rumus GLBB yg telah kita pelajari, kita tau S = Vo.t + 1/2at^2 (baca lagi Kinematika 5 - GLBB part 2 jika lupa). Dalam kasus ini, benda awalnya diam yg artinya Vo = 0m/s sehingga :
(2) S = 1/2at^2

Dari rumus GLBB lainnya telah kita ketahui kalau Vt = Vo + at, dengan nilai Vo = 0m/s karena alasan yg sama, yaitu benda awalnya diam. maka :
Vt = at, dengan Vt disini maksudnya kecepatan benda setelah diberi usaha, kita cukup tuliskan dengan simbol v
(3) v = at

Ingat hk. 2 Newton yaitu (4) F = m.a

Masukan persamaan (3) pada persamaan (2) :

S = 1/2at^2 = 1/2.a.t.t, sedangkan v = at maka :
(5) S = 1/2.v.t

 Masukan persamaan (4) menggantikan F pada persamaan (1), dan masukan persamaan (5) menggantikan S pada persamaan (1) maka :

energi kinetik = F.S = m.a . 1/2vt = 1/2 . m .v .at

Tadi udah tau kalo v = at dari persamaan (3), berarti persamaan diatas jadi :

energi kinetik = 1/2.m.v.a.t = 1/2.m.v.v = 1/2.m.v^2

Energi Kinetik = 1/2 .m.v^2

Itulah asal muasal rumus energi kinetik yg kita pelajarin selama ini~

2. Energi Potensial Gravitasi

Energi potensial sebenernya kurang tepat dalam penamaan, karena energi potensial pegas juga salah satu energi potensial, cuma pendidikan di Indonesia entah kenapa yg disebut energi potensial itu maksudnya energi potensial yg disebabkan oleh gravitasi.

Istilah energi potensial pertama kali dikemukakan oleh pak William J.M. Rankine.

Semua benda yg punya ketinggian pasti punya energi potensial.

William J.M. Rankine

Energi potensial bisa dibilang bukan energi yg sesungguhnya. Maksud gua, energi potensial itu bukan bener-bener energi kayak energi kinetik, tapi energi potensial itu hanya istilah buat suatu keadaan benda dimana benda itu "berpotensi" menghasilkan energi. Yaa analoginya kayak batere deh, walaupun dia punya energi, tapi selama ga dipake, ya dia diem aja kan, ga ngapa-ngapain. Nah sama kayak energi potensial, dia diem, tapi menyimpan potensi untuk menghasilkan energi, nyimpen energi lah istilahnya.


Sama kayak tadi, kita tau kalo usaha menimbulkan energi, termasuk energi potensial. Jadi kita bisa tulis :

(1) W = F.S = energi potensial

Energi potensial dimiliki benda yg mempunyai ketinggian(h).

Misalkan benda awalnya di tanah terus diangkat keatas dengan gaya F sejauh h, berarti energi potensial benda = F.S

Tapi dalam kasus ini, S atau perpindahan benda adalah ketinggian dia atau h(dari dasar tanah diangkat sejauh h, berarti perpindahan(S)nya ya h). Maka :
(2) S = h

Terus gaya F minimum yg dibutuhkan buat ngangkat bendanya ya sesuai sama berat bendanya. Misalkan karung beras beratnya 10kg, buat ngangkat benda itu ya minimal kita ngeluarin gaya sebesar berat karung berasnya, kalo engga ga akan keangkat wkwk. Nah berat benda kan m.g, jadinya
(3) F = berat benda = m.g

masukin deh persamaan (2) ke persamaan (1) buat gantiin Snya, masukin persamaan (3) ke persamaan (1) buat gantiin Fnya, jadi :

energi potensial = F.S = m.g.h

Energi Potensial Gravitasi = m.g.h

Masalahnya, rumus diatas punya kelemahan, disitu ada g yg nilainya ga konstan. Inget kan kalo g itu medan gravitasi dan nilainya = GM/r^2 ? Nah padahal r^2 disitu nilainya ga tetapkan, tergantung tinggi bendanya. Emangsih nilainya ga gede-gede amat jd masih oke aja dibuletin juga. Tapi kalo bendanya udah di ruang angkasa gimana? Yakali masih pake mgh buat nyari energi potensialnya wkwk, g di ruang angkasa kan hampir 0, udah kecil bangeeet. Jadi kita pake cara lain....

Kan tadi udah tau kalo F pada benda yg punya energi potensial itu = beratnya = mg. Tapi g kan ga konstan, gaya berat itu sebenernya gaya tarik bumi kan? Jadi kita pake F = GMm/r^2.

r disitu = jarak dari pusat bumi ke benda. Nah tadi energi potensial = F.S, S nya sekarang adalah tinggi benda sama kayak h tadi, tapi h kan tinggi benda diukur dari permukaan bumi, karena skrng tingginya udah tinggi banget, jadi udh gabisa pake h lagi, kita harus pake tingginya itu diukur dari pusat bumi ke bendanya. Diawal paragraf udh dibilang kalo r = jarak dari pusat bumi ke benda, jadi tinggi benda atau S disini = r.

Jadi :
energi potensial = F.S = GMm/r^2 . r = GMm/r

Energi Potensial Gravitasi untuk benda yang sangat jauh dari permukaan bumi = GMm/r
*jauh disini kisaran >10km diatas permukaan bumi

Gausah terlalu hiraukan tanda minus(-) kayak yg ada di buku2, itu cuma masalah asumsi aja....


Nah keliatankan bedanya? Benda makin jauh dari bumi energi potensialnya pasti makin tinggi. Tapi lama kelamaan kalo udah terlalu jauh, mungkin emang h nambah terus, cuma karena udh kejauhan jadi g nya malah berkurang, g jauh lebih banyak ngurang daripada nambahnya h jadi otomatis energi potensialnya kalo udh terlalu tinggi malah ngurang.

Singkatnya, kalo masih wajar tingginya(masih pake mgh), makin jauh dari permukaan bumi, energi potensialnya makin nambah. Kalo tingginya udah ga wajar, misal di ruang angkasa, makin tinggi/jauh dari permukaan bumi, energi potensialnya malah ngurang. Nah ini sebenernya alasan kenapa di buku-buku rumus GMm/r^2 di depannya dikasih tanda minus(-), karena dia makin tinggi malah makin kecil/ngurang ga kayak mgh.

3. Energi Potensial Pegas

Supaya singkat, energi potensial pegas bakal gua sebut energi pegas aja mulai dari sini.

Kalo udah ngomongin pegas, gabakal jauh-jauh dari orang ini. Sepertinya ilmuwan yg satu ini sangat menyukai pegas wkwk, pokoknya semua hukum-hukum seputar pegas dari dia semua dah wkwk

Robert Hooke

Ini penurunan rumus yg paling rumit, tapi jangan kabur, tetep baca dulu wkwk

Usaha menghasilkan energi, maka jelas yg satu ini juga, usaha menghasilkan energi pegas.
W = energi pegas = F.S

Yang jadi masalah, F pada energi pegas jelas gaya pegas. Nah gaya pegas itu kan rumusnya F = -kx (ga akan dibahas lebih lanjut soal gaya pegas, karena di kelas x udah dan nanti jadi melenceng kemana-mana wkwk). x itukan = S(maksudnya sama, perpindahan), jadi gaya pegasnya bakal berubah-ubah terus besarnya sesuai sama x/S nya, singkatnya gaya pegasnya jadi ga konstan.

Karena ga konstan, kita gabisa lagi pake energi pegas = F.S, soalnya F.S cuma kalo Fnya konstan, atau perubahannya teratur. Kalo kita buat grafik gaya pegas terhadap perpindahannya(ohya perpindahan(S) pada gaya dan energi pegas ini disebut juga "simpangan"(x), jadi kalo ada kata2 "disimpangkan sejauh 2cm" maksudnya ditarik/dipindahin sejauh 2cm) pasti bentuk grafiknya kurva-kurva.

Jadiii, disini kita harus pake cara mencari usaha yg kedua, yaitu dengan integral~

W = energi pegas = ∫ F(x) dx

F atau gaya disini adalah gaya pegas = -kΔx, kita ubah jadi :

energi pegas = ∫ -kx dx = -k.1/2.x^2
atau bisa ditulis :
energi pegas = -1/2.k.x^2

sama kayak tadi, gausah pusing2 lah sama tanda minus(-)nya, itu cuma masalah arah aja, intinya :

Energi Pegas = 1/2 .k.x^2
  

Hukum Kekekalan Energi

Dari SD kita udah belajar soal hukum yg satu ini. Adalah bahwa energi tak dapat dimusnahkan, tak dapat diciptakan, tak dapat dilihat, tetapi hanya dapat dirasakan dan diubah bentuknya.

Contoh siklus energi : energi kimia di matahari berupa reaksi fisi dan fusi yg terjadi terus menerus berubah bentuk jadi energi cahaya. Cahaya matahari sampe di bumi, diserap tumbuhan. Energi cahaya ini lalu diubah jadi energi panas dan membantu pembentukan ATP(balik jadi energi kimia lagi). ATP ini kemudian dihidrolisis jadi ADP + P dimana dalam proses hidrolisis ini akan dihasilkan energi panas dan panas ini dipake tumbuhan buat menjalankan aktivitasnya(bergerak, energi kinetik). Dengan bantuan energi panas ini, tumbuhan menyerap zat hara(energi kimia) di tanah terus akhirnya tumbuhan menyimpan cadangan makanan entah berupa buah atau akar atau daun atau apapun. Nah cadangan makanan ini kita makan, dalam proses pembakaran energi kimia dari makanan ini dirubah jadi energi gerak(energi kinetik). Tanaman yg kita konsumsi misalkan mati, dia terurai, dan balik lagi jadi zat hara(energi kimia). Kita bergerak misalkan ngayuh sepeda ke atas gunung, energi kinetik kita berubah jadi energi potensial. Kita teriak-teriak pas udah sampe diatas gunung, energi kinetik di pita suara berubah jadi energi bunyi. Dan seterusnya ga akan pernah abis.....
*buat para dewa dewi bio, maap kalo salah2 dibagian bionya, intinya sih cuma mau ngasih contoh kalo energi itu kekal wkwk

Soal kekekalan energi ini mungkin bakal kita bahas lebih dalam di bab smt 2 fisika nanti, Thermodinamika. Sebenernya, hukum kekekalan energi itu adalah hukum pertama Thermodinamika.

Intinya ya sesimpel definisinya, energi dimanapun selalu sama jumlahnya, ga akan pernah berkurang totalnya.
Jangan lupa juga kalo usaha itu salah satu bentuk hasil dari energi, jadi misalkan ada energi yg berkurang, energi yg berkurang itu pasti berubah jadi usaha.

Hukum Kekekalan Energi :
Ep1 + Ek1 = Ep2 + Ek2
*Ep disini bisa energi potensial gravitasi atau energi potensial pegas, atau energi-energi potensial lainnya
**Ini cuma berlaku kalo tidak terjadi usaha, karena kalo ada usaha otomatis ada energi yg berkurang(berubah jadi usaha)

Soal-soal seputar energi hampir 95% selalu penyelesaiannya menggunakan hukum kekekalan energi ini.

Contoh Soal Energi

1. Sebuah balok bermassa meluncur dari puncak bukit tanpa kecepatan awal dengan ketinggian bukitnya 5m. Berapakah kecepatan balok ketika meninggalkan dasar bukit? (anggap bukit licin)

 

 Jawab : Hk kekekalan Energi -> E awal = E akhir
Energi total waktu balok masih di puncak hanyalah Epg, balok belum memiliki Ek karena masih diam(tanpa kecepatan awal). Jadi E awal = mgh = 5.10.5 = 250 J.
Energi balok sewaktu tiba di dasar bukit hanyalah Ek, karena ketinggian atau h nya = 0 ketika balok berada di dasar bukit. Jadi E akhir = 1/2mv^2 = 1/2.5.v^2 = 2.5 v^2 J

E awal = E akhir
250 J = 2.5 v^2 J
100 = v^2
v = 10 m/s

2. Sebuah benda bermassa 2kg jatuh bebas dari ketinggian h1 = 25m dari permukaan tanah. Berapakah energi kinetik benda ketika benda berada di ketinggian h2 = 5m dari permukaan tanah? *abaikan tulisan v1 pada gambar



 Jawab : Hk kekekalan energi -> E awal = E akhir

Energi awal benda hanyalah Epg, benda tidak punya Ek karena awalnya diam(jatuh bebas). E awal = mgh1 = 2.10.25 = 500 J.
Energi akhir benda adalah Epg + Ek karena benda masih punya ketinggian tetapi dia juga mempunyai kecepatan. E akhir = mgh2 + Ek = 2.10.5 + Ek = 100 J + Ek

E awal = E akhir
500 J = 100 J +Ek
500 J - 100 J = Ek
Ek = 400 J

3. Sebuah roller coaster memiliki lintasan berbentuk melingkar seperti pada gambar. Panjang jari-jari(R) lintasan lingkarannya adalah 2 meter. Berapakah tinggi(h) stasiun peluncuran awal roller coaster minimal yg dibutuhkan agar pengguna roller coaster dapat selamat melewati lintasan? (baca dan pahami, termasuk soal cukup sulit dan kemungkinan soal ini keluar di ulangan pak Ali tinggi)



Jawab : E awal = E akhir
Energi awal benda adalah saat benda berada di stasiun peluncuran awal, roller coaster tersebut hanya memiliki Epg karena belum mulai bergerak. E awal = Epg = mgh = m.10.h = 10.m.h (besar massa roller coaster dan ketinggian h tidak diberikan sehingga kita gunakan simbol m(massa, bukan meter) terlebih dahulu disini dan untuk seterusnya sampai kita dapatkan jawabannya).

Energi akhir benda, kita ambil di titik saat roller coaster tepat berada di atas/di puncak lintasan melingkar. Dalam keadaan ini, roller coaster memiliki Epg karena punya ketinggian sebesar H = 2R = 4 meter, sekaligus memiliki Ek juga karena bergerak yaitu sebesar 1/2.m.v^2.
E akhir = mg2R + 1/2.m.v^2 = m.10.4 + 1/2.m.v^2 = 40.m + 1/2.m.v^2

Berapa nilai v^2? Kita gunakan hukum Newton 2 untuk mencarinya.
ΣF = m.a
Karena roller coaster mengalami gerak melingkar saat melalui lintasan melingkar, maka a atau percepatan disini adalah percepatan sentripetal yaitu as = v^2/R (baca lagi Kinematika 7 - Gerak Melingkar kalo lupa).
maka :
ΣF = m.v^2/R = m.v^2/2
Lihat roller coaster waktu berada di puncak lintasan melingkar hanya diperngaruhi oleh 1 gaya yaitu gaya berat atau mg, maka ΣF nya = m.g
maka :
m.g = m.v^2/R
g = v^2/R
v^2 = gR
kita telah dapat nilai dari v^2, masukan nilai ini ke persamaan hk kekekalan energi bagian energi akhir yg tadi
E akhir = 40.m + 1/2.m.v^2 = 40.m + 1/2.m.gR = 40.m + 1/2.m.10.2 = 40.m + 10.m = 50.m

E awal = E akhir
10.m.h = 50.m
10.h = 50
h = 5 meter

4. Sebuah pegas diletakkan sebagai sasaran tembak. Apabila gaya sebesar 100 N mendorong pegas tersebut, maka pegas akan terdorong sejauh 1m. Kemudian sebuah peluru bermassa 1kg ditembakkan kearah sebuah pegas. Pegas terdorong sejauh 10cm. Berapakah kecepatan peluru sebelum menabrak pegas dan mendorongnya? (baca dan pahami, termasuk soal cukup sulit dan kemungkinan soal ini keluar di ulangan pak Ali tinggi)

 

Jawab : E awal = E akhir

Energi awal peluru adalah energi kinetik, karena peluru awalnya memiliki kecepatan.
E awal = 1/2mv^2 = 1/2.1.v^2 = 1/2.v^2

Enegi akhir peluru adalah energi pegas, seluruh energi kinetiknya diubah kedalam bentuk energi pegas(Epp). Setelah peluru menumbuk pegas, lama-lama kecepatannya berkurang dan akhirnya diam. Artinya E akhir sudah tidak mengandung Ek karena benda di akhir diam.
E akhir = 1/2.k.x^2 = 1/2.k.(0.1)^2 *x harus dalam meter

Tetapi pada soal tidak diberikan nilai k, meski begitu pada awal soal kita diberi informasi tambahan yaitu
"Apabila gaya sebesar 100 N mendorong pegas tersebut, maka pegas akan terdorong sejauh 1m". Dengan ini kita dapat mencari nilai dari k dengan hukum Hooke.
F = kx
100 N = k.1m
k = 100 N/m
Udah dapat nilai k nya, masukin deh ke E akhir tadi~

E akhir = 1/2.k.x^2 = 1/2.100N/m.(0.1)^2 = 1/2 J
maka :

E awal = E akhir
1/2.v^2 J = 1/2 J
v^2 = 1
v = 1 m/s

5. Sebuah balok bermassa 2kg diletakkan diatas puncak bidang miring yg memiliki kemiringan 30 derajat. Pada dasar bidang miring dipasang sebuah pegas. Jarak dari puncak bidang miring sampai ke pegas adalah 4 meter. Balok kemudian dibiarkan meluncur menuruni bidang miring tanpa kecepatan awal dan ketika sampai dibawah menekan pegasnya. Jika konstanta pegas tersebut 20 N/m, maka berapa panjangkah pegas akan terdorong? (baca dan pahami, termasuk soal cukup sulit dan kemungkinan soal ini keluar di ulangan pak Ali tinggi)




Jawab : E awal = E akhir

Energi balok ketika masih di puncak hanyalah Epg, tidak bergerak artinya tak memiliki Ek.
Energi awal = Epg = m.g.h = 2.10.h

Di soal tidak diberitahu berapakah ketinggian balok berada dari pegas. Untuk mencari tingginya kita bisa gunakan persamaan trigonometri.
sin = de/mi
sin30 = 1/2 = tinggi/jarak balok-pegas = h/4m
1/2 = h/4m
h = 4m . 1/2 = 2 meter

Jadi :
Energi awal = Epg = m.g.h = 2.10.2 = 40 J

Energi akhir adalah ketika balok mendorong pegas. Seluruh Epg balok diubah menjadi Epp. Balok tak mempunyai Ek karena setelah balok mendorong pegas, kecepatannya berkurang dan lama-lama diam(terbenam di pegas).
Energi akhir = Epp = 1/2.k.x^2 = 1/2.20.x^2 = 10.x^2 J

E awal = E akhir
40 J = 10.x^2 J
x^2 = 40/10 = 4 meter
x = 2 meter


Kerjain soal lain juga yaa~ Terutama yg di buku cetak kurkul 13 Marthen wkwk, keliatannya pa Ali banyak ngambil soal dari situ deh, mungkin karena soal-soal disitu butuh analisis dan lebih sulit dr yg di buku mandiri sampul biru.


Buat yang udah baca dan paham isi artikel ini, tolong ilmunya bagi ke temen2 yg lain ya :)
#fisikasukber37