ENERGI POTENSIAL GRAVITASI, ENERGI KINETIK, DAN ENERGI MEKANIK

Juni 27th, 2017

Pada post saya sebelumnya, telah diuraikan bahwa besarnya kerja total yang dilakukan terhadap suatu benda adalah sama dengan hasil kali titik antara vektor resultan semua gaya yang bekerja pada benda tersebut dengan vektor perpindahan. Mari kita terapkan hal tersebut pada kasus berikut ini.

Gambar 1

Perhatikan Gambar 1. Sebuah benda bermassa m semula berada pada ketinggian h1 diberikan gaya F yang besarnya sama dengan gaya berat w namun arahnya berlawanan dengan w. Jadi, kerja total yang diberikan kepada benda itu adalah nol (Wtotal = 0). Berapakah kerja yang dilakukan oleh F dan oleh w pada saat benda telah berpindah sejauh Δh vertikal ke atas?

 

Kerja yang dilakukan F

Perhatikan bahwa besarnya F adalah F = w = mg.

Perpindahan (Δh) yang terjadi adalah sebesar Δh = h2 – h1

Karena F dan Δh searah, sudut apit keduanya adalah 0.

Kerja yang dilakukan oleh F adalah WF = (mg).Δh.cos 0 = mg(h2 – h1).1 = mgh2 – mgh1

 

Kerja yang dilakukan w

Kerja total yang bekerja pada benda dapat dinyatakan sebagai penjumlahan antara kerja oleh F (WF) dan kerja oleh w (Ww)

Wtotal = WF + Ww

0 = WF + Ww

0 = (mgh2 – mgh1) + Ww

Ww = mgh1 – mgh2

 

Dalam fisika, hasil kali antara massa (m), percepatan gravitasi (g), dan ketinggian (h, yang diukur dari suatu titik acuan tertentu) biasa diistilahkan dengan energi potensial gravitasi, yaitu energi yang dimiliki oleh suatu benda karena ketinggian yang dimilikinya. (Namun pendefinisian yang lebih tepat mengenai energi potensial gravitasi akan dibahas tersendiri dalam post saya yang lain.) Dalam post ini energi potensial gravitasi disingkat dengan EP.

 

Jadi, hasil-hasil di atas dapat dinyatakan dengan cara lain sebagai berikut.

WF = EP2 – EP1 dan Ww = EP1 – EP2

Perhatikan bahwa F searah dengan perpindahan (Δh), sehingga WF positif. Karena WF positif, EP2 > EP1:

“Kerja yang dilakukan oleh F menaikkan energi potensial gravitasi benda tersebut. Untuk menaikkan energi potensial gravitasi suatu benda diperlukan suatu kerja/usaha (yang positif).”

 

Sekarang, bagaimana apabila dari suatu ketinggian, gaya F tadi kita hilangkan (sehingga tidak ada lagi gaya ke atas yang menahan benda agar tidak meluncur ke bawah)? Akibatnya satu-satunya gaya yang bekerja pada benda itu adalah w, yaitu gaya berat (gaya gravitasi bumi). (Lihat Gambar 2)

Gambar 2

 

Pada post saya sebelumnya telah diuraikan prinsip kerja-energi: “Besarnya kerja total yang diberikan kepada sebuah benda sama dengan perubahan energi kinetiknya.” Berbeda dengan kasus sebelumnya, kali ini resultan gaya yang bekerja pada benda tidak nol (yaitu w) dan benda berpindah sejauh Δh searah dengan w sehingga kerja total yang diberikan kepada benda positif, yaitu sebesar Wtotal = w.Δh.cos 0 = w(h1 – h2).1 = wh1 – wh2 = mgh1 – mgh2 = EP1 – EP2. Menurut prinsip kerja-energi:

Wtotal = ΔEK

Wtotal = EK2 – EK1

Karena Wtotal = EP1 – EP2, berlakulah: EP1 – EP2 = EK2 – EK1 ⇔ EP1 + EK1 = EP2 + EK2

Penjumlahan antara energi potensial gravitasi dengan energi kinetik dinamakan energi mekanik (EM) sehingga kesamaan di atas dapat dituliskan sebagai EM1 = EM2 [Hukum Kekekalan Energi Mekanik: Enegi Mekanik semula = Energi Mekanik akhir]. Ini berlaku apabila dalam sistem yang kita tinjau tidak ada gaya nonkonservatif yang dilibatkan. Hal ini akan dibahas secara khusus dalam post saya lainnya.

 

Perhatikan bahwa Wtotal > 0 [karena EP1 > EP2]. w melakukan kerja yang positif terhadap benda. Kerja oleh w ini seketika itu juga digunakan benda untuk menambah energi kinetiknya [EK2 > EK1]. Berkurangnya energi potensial gravitasi benda [EP2 < EP1] digunakan untuk menambah energi kinetiknya. Di sini kita menyaksikan perubahan bentuk energi. Energi potensial gravitasi “berubah wujud” menjadi energi kinetik.

 

Pada post saya yang berjudul Kerja dan Perubahan Energi Kinetik (2) ditunjukkan bagaimana suatu kerja total digunakan untuk merubah energi kinetik benda. Dengan adanya kerja total yang positif, energi kinetik benda bertambah. Dengan adanya kerja total yang negatif, energi kinetik benda berkurang. Pada contoh pertama pada post ini, benda kita angkat vertikal ke atas dengan gaya F yang besarnya sama dengan gaya berat w (namun arahnya berlawanan dengan w). Dengan cara ini, kerja total yang diberikan kepada benda adalah nol, sehingga tidak ada perubahan energi kinetik. Dengan kata lain, dalam gerakan ke atas ini, benda naik dengan kecepatan konstan. Kerja yang dilakukan oleh F tidak digunakan untuk menambah energi kinetik benda, tetapi digunakan untuk menaikkan energi potensial gravitasi benda tersebut.  Namun pada contoh kedua post ini, benda dibiarkan jatuh bebas sehingga satu-satunya gaya yang bekerja pada benda itu adalah w. Kerja yang dilakukan oleh gaya berat ini diwujudkan dalam meningkatnya energi kinetik. Energi kinetik ini bertambah sebanyak energi potensial gravitasi yang berkurang selama gerak turunnya benda tersebut. Energi potensial gravitasi yang tampaknya hilang sebenarnya tidak hilang namun berubah wujud menjadi energi kinetik.

 

Catatan

Perhatikan perbedaan gerakan naik dan gerakan turun pada contoh-contoh di atas. Pada contoh tersebut, pada gerakan naik tidak ada penambahan energi kinetik, hanya ada penambahan energi potensial gravitasi. Gaya F yang diberikan ke atas tidak menambah energi kinetik, namun hanya menambah energi potensial gravitasi. Dalam gerakan turun, energi kinetik bertambah. Pertanyaannya sekarang adalah mengapa dalam gerakan ke atas, F tidak menambah energi kinetik? Ini tidak lain adalah karena pada benda tidak hanya bekerja gaya F, tetapi juga gaya berat w. Kerja yang dilakukan oleh w (nilainya negatif) inilah yang membuat nol kerja total, sehingga ΔEK = 0, tidak ada perubahan energi kinetik. Bagaimana agar dalam gerak ke atas pun terjadi perubahan energi kinetik? Agar dalam gerak ke atas timbul perubahan energi kinetik, haruslah F > w. Apabila F > w maka resultan gaya akan positif ke arah atas; ini menghasilkan kerja total yang positif dan pada akhirnya dihasilkan ΔEK > 0, benda dipercepat ke atas.

 

Saran pembelajaran:

Untuk pemahaman yang lebih optimal, harap para pengunjung website ini mempelajari materi dalam urutan sebagai berikut: Kerja dan Perubahan Energi Kinetik (1), Kerja dan Perubahan Energi Kinetik (2), kemudian Kerja dan Perubahan Energi Potensial (post ini). Dengan demikian, keterkaitan antara kerja, energi kinetik, dan energi potensial akan lebih dipahami.

Tagging: , ,

Most visitors also read :



Tinggalkan Balasan

Alamat email Anda tidak akan dipublikasikan. Ruas yang wajib ditandai *