Ilmu Fisika

Lanjutan Energi Potensial - Potential Energy

Kita juga dapat menuliskan Δ_EP dalam hubungannya dengan usaha yang dilakukan gravitasi itu sendiri, \[W_{\textrm{Gravity}}=-m\,g\,(y_{2}-y_{1})\] \[ W_{\textrm{Gravity}}=-\Delta{EP}\]

Dengan demikian, usaha yang dilakukan oleh gravitasi, sementara massa m bergerak dari titik 1 ke titik 2 sama dengan negatif dari perbedaan energi potensial antara titik 1 dan titik 2.

Perhatikan bahwa energi potensial gravitasi bergantung pada ketinggian vertikal benda di atas tingkat acuan tertentu, dan pada beberapa situasi, Anda mungkin bingung dari titik mana ketinggian y diukur. Energi potensial gravitasi sebuah buku yang dipegang tinggi di atas meja, misalnya, bergantung pada apakah kita mengukur y dari permukaan meja, dari lantai, atau dari titik acuan lainnya. Yang penting secara fisis pada situasi apa pun adalah perubahan energi potensial, Δ_EP, karena itulah yang berhubungan dengan usaha yang dilakukan, dan Δ_EP –lah yang dapat diukur. Dengan demikian kita dapat memilih pengukuran y dari titik acuan mana pun yang sesuai, tetapi kita harus memilihnya pada saat awal dan konsisten selama perhitungan. Perubahan energi potensial antara dua titik tidak bergantung pada pilihan ini.

Suatu hasil penting yang telah kita bahas sebelumnya adalah karena gaya gravitasi hanya melakukan usaha pada arah vertikal, usaha yang dilakukan gravitasi hanya bergantung pada ketinggian vertikal h, dan tidak pada lintasan yang dipakai, apakah gerak tersebut murni vertikal atau, katakanlah, gerakan sepanjang bidang miring. Itulah sebabnya, dari persamaan potsing sebelumnya Energi Potensial – Potential Energi , kita lihat bahwa perubahan energi potensial gravitasi hanya bergantung pada ketinggian vertikal dan tidak pada lintasan yang diambil.

Kita telah membahas bagaimana sebuah benda dikatakan memiliki energi sebagai sifat dari geraknya, yang kita sebut sebagai energi kinetik. Tetapi benda juga mungkin memiliki energi potensial, yang merupakan energi yang dihubungkan dengan gaya-gaya yang bergantung posisi atau konfigurasi benda (atau benda-benda) dan lingkungannya. Berbagai energi jenis energi potensial (EP) dapat didefinisikan, dan setiap jenis dihubungkan dengan suatu gaya tertentu.

Pegas pada jam yang diputar merupakan contoh energi potensial. Pegas jam mendapatkan energi potensialnya karena dilakukan usaha padanya oleh orang yang memutar jam tersebut. Sementara pegas memutar balik, ia memberikan gaya dan melakukan usaha untuk memutar jarum jam.

Butir kelapa ketika diam di tangkainya memiliki energi potensial, dan akan berubah menjadi energi kinetik ketika jatuh bebas. Energi kinetik akan terus bertambah dan energi potensial akan terus berkurang. Namun jumlah totalnya konstan.

Mungkin contoh yang paling umum dari energi potensial adalah energi potensial gravitasi. Sebuah batu bata yang dipegang tinggi di udara memiliki energi potensial karena posisi relatifnya terhadap bumi. Batu itu mempunyai kemampuan untuk melakukan usaha, karena jika dilepaskan, batu tersebut akan jatuh ke tanah karena adanya gaya gravitasi, dan dapat melakukan usaha, katakanlah, pada sebuah tiang yang dipancangkan dan menanamnya ke tanah. Mari kita tentukan energi potensial gravitasi sebuah benda dekat dengan permukaan Bumi. Untuk mengangkat vertikal benda dengan massa m, gaya ke atas yang paling tidak sama dengan beratnya, mg, harus diberikan kepadanya, katakanlah oleh tangan seseorang. Untuk mengangkat benda itu setinggi h tanpa percepatan, dari posisi y₁, ke y₂, orang harus melakukan usaha yang sama dengan hasil kali gaya eksternal yang dibutuhkan, F_eksternal = m g ke atas dan jarak vertikal h. Yaitu \[W_{\textrm{eksternal}}=F_{\textrm{eksternal}}\,d\,cos 0^{\circ}=mgh\]

Atau \[W_{\textrm{eksternal}}=mg(y_{2}-y_{1})\]

Gravitasi juga bekerja pada benda sewaktu bergerak dari posisi y₁, ke y₂, dan melakukan usaha padanya yang sama dengan \[W_{\textrm{gravity}}= F_{\textrm{gravity}}\,d\,cos180^{\circ}\]

Di mana θ = 180° karena F_gravity dan perpindahan d menunjuk ke arah yang berlawanan. Jadi \[W_{\textrm{gravity}}=-m\,g\,h=-m\,g\,(y_{2}-y{1})\]

Jika sekarang kita melepaskan benda itu dari keadaan diam kemudian benda itu jatuh bebas di bawah pengaruh gravitasi, benda itu akan memiliki kecepatan v²= 2 g h setelah jatuh dari ketinggian h. Benda kemudian memiliki energi kinetik ½ m v2 = ½ m (2 g h) = m g h, dan jika benda tersebut mengenai tiang pancang, ia dapat melakukan usaha terhadap tiang pancang tersebut sebesar m g h (prinsip usaha—energi). Dengan demikian, menaikkan sebuah benda dengan massa m sampat ketinggian h membutuhkan sejumlah usaha yang sama dengan m g h. Dan begitu benda itu pada poosisi h, ia memiliki kemampuan untuk melakukan usaha sebesar m g h.

Dengan demikian kita definisikan energi potensial gravitasi sebuah benda sebagai hasil kali beratnya, m g, dan ketinggiannya, y, di atas tingkat acuan tertentu (misalnya tanah).

\[EP_{\textrm{grav}}=m\,g\,y\]

Makin tinggi suatu benda di atas tanah, makin besar pula energi potensial gravitasi yang dimilikinya. Kita gabungkan persamaan-persamaan di atas diperoleh

\[W_{\textrm{eksternal}}=m\,g\,(y_{2}-y_{1})\] \[ W_{\textrm{eksternal}}=EP_{2}-EP_{1}=\Delta{EP}\]

Dengan demikian, usaha yang dilakukan oleh gaya eksternal untuk menggerakkan massa m dari titik 1 ke titik 2 (tanpa percepatan) sama dengan perubahan energi potensial benda antara titik 1 dan titik 2.

Bersambung ke Energi Potensial (2) - Potential Energy (2)