USAHA DAN ENERGI

(Bagian 2)

 

Energi adalah kata yang cenderung banyak digunakan dalam kehidupan sehari-hari. Meskipun sering digunakan secara lumrah, kata ini memiliki arti fisik yang sangat spesifik.

Energi adalah ukuran kemampuan sesuatu untuk melakukan usaha. Itu bukan substansi material. Energi dapat disimpan dan diukur dalam berbagai bentuk.

Meskipun kita sering mendengar orang berbicara tentang konsumsi energi, energi tidak pernah benar-benar dimusnahkan. Itu hanya ditransfer dari satu bentuk ke bentuk lain, melakukan usaha dalam prosesnya.

 

Energi Potensial Gravitasi

Suatu benda dapat menyimpan energi sebagai hasil dari posisinya. Energi yang bersumber atau kerena posisi ini disebut sebagai energi potensial. Energi potensial adalah energi yang tersimpan dalam posisi yang dimiliki oleh suatu benda.

Contohnya adalah bola yang berat digantung pada mesin menyimpan energi saat berada pada posisi yang lebih tinggi. Demikian pula, busur yang ditarik mampu menyimpan energi sebagai hasil dari posisinya. Saat mengambil posisi (yaitu, saat tidak ditarik), tidak ada energi yang disimpan. Namun ketika posisinya diubah dari posisi kesetimbangan biasanya, busur mampu menyimpan energi berdasarkan posisinya.

Dua contoh di atas mengilustrasikan dua bentuk energi potensial yang akan dibahas dalam pembahasan ini yakni energi potensial gravitasi dan energi potensial elastis. Energi potensial gravitasi adalah energi yang tersimpan dalam suatu benda akibat posisi vertikal atau ketinggiannya. Energi tersebut disimpan sebagai hasil dari tarikan gravitasi bumi terhadap benda tersebut. Energi potensial gravitasi bola dari mesin bergantung pada dua variabel - massa bola dan ketinggian bola itu dinaikkan. Ada hubungan langsung antara energi potensial gravitasi dan massa suatu benda. Bola memiliki energi potensial gravitasi yang lebih besar. Ada juga hubungan langsung antara energi potensial gravitasi dan ketinggian suatu benda. Semakin tinggi suatu benda dinaikkan, semakin besar energi potensial gravitasinya seperti yang tertera pada gambar di bawah ini.

Hubungan tersebut diekspresikan oleh persamaan berikut:

Keterangan

EP = Energi Potensial (Joule)

m = Massa (kg)

g = Percepatan Gravitasi (m/s2)

h = Ketinggian (meter)

 

Energi Kinetik

Energi kinetik adalah energi gerak. Sebuah benda yang memiliki gerak - baik itu gerak vertikal maupun horizontal - memiliki energi kinetik. Ada banyak bentuk energi kinetik - vibrasi (energi akibat gerak getaran), rotasi (energi akibat gerak berputar), dan translasi (energi akibat gerak dari satu lokasi ke lokasi lain). Untuk menyederhanakan masalahnya, kita akan fokus pada energi kinetik translasi. Jumlah energi kinetik translasi dimiliki suatu benda bergantung pada dua variabel: massa (m) benda dan kecepatan (v) benda. Persamaan berikut digunakan untuk merepresentasikan energi kinetik (EK) suatu benda.

Keterangan:

Ek = energi Kinetik (Joule)

m = Massa (kg)

v = kecepatan (m/s)

Persamaan ini mengungkapkan bahwa energi kinetik suatu benda berbanding lurus dengan kuadrat kecepatannya. Artinya, untuk peningkatan kecepatan dua kali lipat, energi kinetik akan meningkat empat kali lipat. Untuk peningkatan kecepatan tiga kali lipat, energi kinetik akan meningkat dengan faktor sembilan. Dan untuk peningkatan kecepatan empat kali lipat, energi kinetik akan meningkat dengan faktor enam belas. Energi kinetik bergantung pada kuadrat kecepatan. Seperti yang sering dikatakan, persamaan bukan hanya resep untuk pemecahan masalah aljabar, tetapi juga panduan untuk memikirkan hubungan antar besaran.

 

Energi Mekanik

Pada bagian sebelumnya dari Pelajaran 1, dikatakan bahwa usaha dilakukan pada suatu benda setiap kali ada gaya yang beusaha padanya yang menyebabkannya bergeser. Usaha melibatkan gaya yang beusaha pada suatu benda untuk menyebabkan perpindahan. Jika bajak dipindahkan melintasi ladang, maka beberapa bentuk peralatan pertanian (biasanya traktor atau kuda) memasok energi untuk melakukan usaha membajak. Jika sebuah mobil roller coaster dipindahkan dari permukaan tanah ke puncak dari penurunan pertama perjalanan roller coaster, maka rantai yang digerakkan oleh motor memasok energi untuk melakukan usaha pada mobil tersebut. Dalam semua kasus, sebuah benda yang memiliki suatu bentuk energi memasok gaya untuk melakukan usaha itu. Dalam contoh yang dijelaskan di sini, benda yang melakukan usaha ( traktor dan motor / rantai) memiliki energi potensial kimia yang disimpan dalam makanan atau bahan bakar yang diubah menjadi usaha. Dalam proses melakukan usaha, objek yang melakukan usaha bertukar energi dengan objek tempat usaha tersebut dilakukan. Ketika usaha dilakukan pada benda tersebut, benda itu memperoleh energi. Energi yang diperoleh benda-benda yang menjadi tempat usaha dikenal sebagai energi mekanik.

Energi mekanik adalah energi yang dimiliki suatu benda karena geraknya atau posisinya. Energi mekanik dapat berupa energi kinetik (energi gerak) atau energi potensial (energi tersimpan posisi). Benda memiliki energi mekanik jika sedang bergerak dan / atau berada pada posisi tertentu yang relatif terhadap posisi energi potensial nol (misalnya, batu bata yang dipegang pada posisi vertikal di atas tanah atau posisi ketinggian nol). Mobil yang bergerak memiliki energi mekanik karena geraknya (energi kinetik). Sebuah bola bisbol yang bergerak memiliki energi mekanik karena kecepatan tinggi (energi kinetik) dan posisi vertikalnya di atas tanah (energi potensial gravitasi). Sebuah barbel yang diangkat tinggi di atas kepala atlet angkat besi memiliki energi mekanik karena posisinya yang vertikal di atas tanah (energi potensial gravitasi). Busur yang ditarik memiliki energi mekanik karena posisinya yang direntangkan (energi potensial elastis).

 

Energi Mekanik sebagai Kemampuan Melakukan Usaha

Suatu benda yang memiliki energi mekanik mampu melakukan usaha. Padahal, energi mekanik sering diartikan sebagai kemampuan melakukan usaha. Setiap benda yang memiliki energi mekanik - baik berupa energi potensial maupun energi kinetik - dapat melakukan usaha. Artinya, energi mekaniknya memungkinkan benda itu menerapkan gaya ke benda lain untuk membuatnya tergeser.

Contohnya bola pada mesin. Bola diayunkan ke belakang ke posisi yang tinggi dan dibiarkan terayun ke depan ke dalam struktur bangunan atau benda lain untuk menghancurkannya. Saat mengenai struktur, bola penghancur memberikan gaya padanya untuk menyebabkan dinding struktur bergeser. Diagram di bawah ini menggambarkan proses di mana energi mekanik  pada bola dapat digunakan untuk melakukan usaha.

Seperti yang telah disebutkan, energi mekanik suatu benda dapat merupakan hasil dari gerakannya (yaitu, energi kinetik) dan / atau hasil dari posisi energi yang tersimpan (yaitu, energi potensial). Jumlah total energi mekanik hanyalah penjumlahan energi potensial dan energi kinetik. Jumlah ini secara sederhana disebut sebagai energi mekanik total (EM).

Keterangan:

EM = Energi Mekanik (Joule)

EP = Energi Potensial (Joule)

EK = Energi Kinetik (Joule)

Perhatikan gambar di bawah ini!

Energi mekanik total pemain ski di atas adalah penjumlahan energi potensial dan kinetik. Kedua bentuk energi tersebut berjumlah 50.000 Joule. Perhatikan juga bahwa total energi mekanik pemain ski tetap selama gerakannya. Ada kondisi dimana energi mekanik total akan menjadi tetap dan kondisi dimana energi mekanik akan berubah. Untuk saat ini, ingatlah saja bahwa energi mekanik total adalah energi yang dimiliki oleh suatu benda baik karena gerakannya maupun energi yang tersimpan pada posisinya. Jumlah total energi mekanik hanyalah penjumlahan dari kedua bentuk energi ini. Dan akhirnya, sebuah benda berenergi mekanik mampu melakukan usaha pada benda lain.

 

Tulisan in dambil dan diolah berdasarkan pada :
https://www.khanacademy.org/  dan  https://www.physicsclassroom.com/