Home / Fisika / Energi Mekanik

Energi Mekanik

  • 11 min read

Penulis : Deyan Prashna, Departemen Fisika, FMIPA, Universitas Indonesia 2016

Energi merupakan kemampuan untuk melakukan usaha. Terdapat tiga jenis energi, yaitu energi potensial, kinetik, dan mekanik. Energi potensial merupakan energi yang dimiliki benda karena ketinggian (posisi) benda tersebut terhadap permukaan bumi. Energi potensial terdiri dari energi potensial listrik, energi potensial gravitasi bumi, dan energi potensial benda elastis.

Energi kinetik merupakan energi yang dimiliki benda karena pergerakan benda tersebut. Energi kinetik terdiri dari energi kinetik translasi, energi kinetik rotasi, dan energi kinetik relativistik.

Energi mekanik merupakan penggabungan dari energi potensial dan kinetik. Hubungan antara energi mekanik dengan energi potensial dan kinetik adalah berbanding lurus. Besar energi mekanik sangat dipengaruhi oleh besar energi potensial dan kinetik.

Apakah kamu tahu energi mekanik itu apa? Apakah kamu tahu tentang energi kinetik dan potensial? Kedua energi tersebut ada hubungannya loh dengan energi mekanik. Lalu, bagaimana hubungannya? Bagaimana rumusnya? Yuk, simak artikel ini untuk mengetahui jawabannya.

Pengertian Energi

Energi merupakan kemampuan untuk melakukan usaha (kerja). Energi dapat diubah dari satu bentuk energi menjadi bentuk energi lainnya dimana energi tidak dapat diciptakan dan dimusnahkan, sesuai dengan hukum kekekalan energi. Contoh, energi potensial adalah energi potensial air diubah menjadi energi kinetik oleh turbin untuk menggerakkan generator dimana energi kinetik pada generator diubah menjadi energi listrik.

Prinsip demikian digunakan pada PLTA (Pembangkit Listrik Tenaga Air). Energi merupakan besaran skalar (hanya menyatakan kuantitas saja). Energi memiliki hubungan dengan usaha.

Usaha merupakan kemampuan untuk melakukan sesuatu sehingga menyebabkan terjadinya perpindahan posisi, dengan rumus sbb:

rumus energi

dimana W merupakan usaha (J), F merupakan gaya yang diberikan (N), dan s merupakan perpindahan (m).

Adanya gaya disebabkan adanya energi dan energi menyebabkan terjadinya usaha. Gaya didefinisikan sebagai tarikan atau dorongan.

Jadi, hubungan antara energi, gaya dengan usaha yaitu adanya kemampuan berupa energi untuk memberikan sebuah tarikan atau dorongan (gaya) pada suatu benda sehingga benda tersebut berpindah posisi (usaha) dan melakukan perpindahan sejauh satuan jarak. Satuan jarak (panjang) dalam sistem SI adalah meter (m).

Satuan gaya dalam sistem SI adalah Newton (N) dan satuan energi dalam sistem SI adalah Joule (J), sedangkan usaha adalah Joule (J). Usaha juga merupakan besaran skalar.

Perlu kamu ketahui bahwa 1 J didefinisikan sebagai besar energi untuk melakukan usaha sebesar 1 J sehingga menyebabkan benda berpindah posisi sejauh 1 m. Satuan lain dari energi adalah kalori dimana 1 kalori didefinisikan sebagai jumlah energi yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 gram air sebesar .

Dengan demikian, adanya gaya tidak mungkin jika tidak adanya energi. Begitu juga dengan usaha, adanya usaha pasti dimula dengan adanya energi kemudian energi tersebut ditransfer dalam bentuk gaya sehingga menghasilkan usaha.

Oleh karena itu, hubungan antara energi, gaya dan usaha sangat berkaitan dan berbanding lurus.

Bagi kamu yang ingin mengetahui tentang energi dan usaha, kamu dapat membaca artikel usaha dan energi.

Energi Potensial

Energi potensial merupakan kemampuan yang dimiliki suatu benda karena ketinggian benda tersebut atau pun karena posisi benda terhadap acuan permukaan bumi (bisa juga berupa permukaan laut) dan benda dalam keadaan diam. Besar energi potensial dipengaruhi oleh massa benda, besar percepatan gravitasi bumi tempat benda berada, dan ketinggian benda tersebut terhadap permukaan bumi.

Energi potensial ini juga disebut sebagai energi potensial saja. Berikut rumus umum dari energi potensial:

rumus energi potensial

dimana Ep merupakan energi potensial (J), m merupakan massa (kg), 2 merupakan percepatan gravitasi bumi 3 , dan h merupakan ketinggian benda terhadap permukaan bumi (m).

Gaya gravitasi bumi adalah gaya tarik menuju pusat bumi. Sehingga percepatan gravitasi bumi di kutub lebih besar daripada di khatulistiwa karena perbedaan jarak terhadap inti bumi.

Selain itu, juga karena perbedaan jari – jari bumi dimana jari – jari di kutub lebih kecil daripada di khatulistiwa.

Energi potensial memiliki beragam bentuk, yaitu energi potensial listrik, energi potensial gravitasi, dan energi potensial benda elastis. Berikut penjelasannya:

Energi potensial listrik

Energi potensial listrik merupakan energi potensial yang dimiliki oleh muatan listrik untuk berpindah dari satu posisi ke posisi lainnya sehingga dapat menghasilkan kuat arus listrik. Energi ini juga disebut sebagai energi potensial elektrostatik, dengan rumus sbb:

rumus energi potensial listrik

dimana ue merupakan energi potensial listrik (J), k merupakan konstanta Coulomb dengan besar 5 , 6 merupakan muatan listrik pertama dengan satuan Coulomb (C), 7 merupakan muatan listrik kedua dengan satuan Coulomb (C), dan r merupakan jarak antara kedua muatan tersebut (m).

Energi potensial gravitasi bumi

Energi potensial gravitasi bumi atau sering juga disebut sebagai energi potensial saja merupakan energi potensial yang dimiliki oleh benda bermassa di permukaan bumi dimana gerakannya selalu menuju pusat bumi (permukaan bumi). Besar energi potensialnya dipengaruhi oleh massa bendanya, besar percepatan gravitasi bumi tempat benda berada, dan ketinggian benda terhadap permukaan bumi.

Semakin lama benda berada pada ketinggian tertentu dari permukaan bumi, maka semakin besar energi potensialnya, dan sebaliknya. Rumusnya sebagaimana dinyatakan pada pers. (2).

Energi potensial gravitasi bumi juga bisa berlaku bagi benda angkasa yang mendekati bumi atau menggunakan bumi sebagai acuannya. Rumusnya sbb:

rumus energi potensial listrik

dimana 9 merupakan energi potensial benda angkasa terhadap bumi (J), G merupakan konstanta gravitasi bumi dengan besar konstata gravitasi bumi , M merupakan massa benda yang lebih besar (kg), m merupakan massa benda yang lebih kecil (kg), dan r merupakan jarak antara kedua benda (m).

Energi potensial benda elastis

Energi potensial benda elastis hanya dimiliki oleh benda elastis dimana benda elastis merupakan suatu benda jika diberikan gaya maka benda tersebut dapat kembali ke bentuk semula karena masih berada dalam daerah elastis. Energi potensial ini diakibatkan adanya pemberian gaya pada benda elastis sehingga mengalami pertambahan panjang dimana sesuai dengan hukum Hooke yang menyatakan bahwa jika suatu gaya diberikan pada benda elastis dan tidak melampaui batas elastisitasnya, maka pertambahan panjangnya sebanding dengan besar gaya yang diberikan.

Benda elastis yang dimaksud pada hukum Hooke adalah pegas. Berikut rumus hukum Hooke:

rumus hukum hooke

dimana F merupakan besar gaya yang diberikan (N), k merupakan konstanta pegas (N/m), dan 10 merupakan pertambahan panjang pegas (m).

Tanda negatif pada pers. (5) menunjukkan bahwa gaya pemulih (gaya untuk mengembalikan pegas ke posisi semula) berlawanan arah dengan simpangan pegas.

Sedangkan rumus energi potensial benda elastis (pegas) sbb:

rumus energi potensial benda elastis

dimana satuan dari energi potensial elastis adalah Joule (J).

Bagi kamu yang ingin mengetahui lebih dalam mengenai energi potensial, kamu dapat membaca artikel energi potensial.

Energi Kinetik

Energi kinetik merupakan energi yang dimiliki suatu benda karena pergerakan benda tersebut. Energi kinetik berasal dari energi potensial.

Dikarenakan adanya energi untuk mengerakkan benda diam yang memiliki energi potensial, maka benda tersebut menjadi bergerak dan energi potensial diubah menjadi gerak benda sehingga bendanya memiliki energi kinetik. Energi kinetik dapat dibedakan menjadi energi kinetik translasi, energi kinetik rotasi, dan energi kinetik relativistik.

Berikut penjelasannya:

Energi kinetik translasi

Energi kintetik translasi merupakan energi kinetik yang dimiliki benda ketika melakukan pergerakan translasi baik berupa gerak lurus beraturan (GLB) atau pun gerak lurus berubah beraturan (GLBB). Energi kinetik translasi atau disebut juga energi kinetik saja memiliki rumus sbb:

rumus Energi kinetik translasi

dimana 11 merupakan energi kinetik translasi (J), m merupakan massa benda (kg), dan v merupakan kecepatan gerak benda (m/s).

Perlu kamu ketahui bahwa pers. (7) merupakan bentuk persamaan umum dari energi kinetik. Besar energi kinetik berbanding lurus dengan massa benda dan berbanding terbalik dengan kecepatannya.

Jadi, semakin besar massa benda dan semakin cepat gerak benda maka semakin besar energi kinetik yang dimiliki benda tersebut, dan sebaliknya.

Energi kinetik rotasi

Energi kinetik rotasi merupakan energi kinetik yang dimiliki oleh benda yang melakukan gerak rotasi (gerak melingkar). Rumus dari energi kinetik rotasi sbb:

energi kinetik rotasi

dimana 12 merupakan energi kinetik rotasi (J), I merupakan momen inersia 14 , dan 17 merupakan kecepatan sudut (rad/s).

Kecepatan sudut merupakan kecepatan benda yang bergerak rotasi dan memiliki rumus, sbb:

17

dimana 19 merupakan kecepatan sudut (rad/s), v merupakan kecepatan benda (m/s), dan r merupakan jari-jari benda (m).

Energi kinetik rotasi memiliki kaitan dengan momen inersia, kamu dapat membaca materi momen inersia pada artikel momen inersia.

Penggabungan energi kinetik translasi dengan rotasi dinamakan sebagai energi kinetik menggelinding, dengan rumus sbb:

dimana 16 merupakan energi kinetik menggelinding (J), m merupakan massa benda (kg), dan v merupakan kecepatan gerak benda (m/s).

Energi kinetik relativistik

Energi kinetik relativistik merupakan energi kinetik yang dimiliki benda dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya dimana mekanika Newton tidak berlaku, melainkan gerakannya sesuai dengan teori relativitas Eisntein. Berikut rumusnya:

rumus teori relativitas

dimana 21 merupakan energi kinetik relativistik (J), 24 merupakan tetapan transformasi Lorentz, m merupakan massa benda (kg), dan c merupakan kecepatan cahaya dengan besar 26 .

Rumus transformasi Lorentz yaitu sbb:

Rumus transformasi Lorentz

dimana v merupakan kecepatan benda (m/s), dan c merupakan kecepatan cahaya dengan besar .

Energi Mekanik

Energi mekanik merupakan penjumlahan dari energi potensial dan energi kinetik. Jadi, energi kienetik, potensial dan mekanik sangat berhubungan dan berbanding lurus. Namun, antar kedua penjumlahan tersebut saling berhubungan, berikut beberapa rumus dari energi mekanik:

Energi mekanik umum

Energi mekanik umum adalah energi mekanik yang pada umumnya digunakan pada soal-soal latihan. Energi mekanik ini merupakan penjumlahan dari energi potensial umum dan energi kinetik translasi.

Berikut rumusnya:

rumus Energi mekanik umum

Energi mekanik benda angkasa

Rumus dari energi mekanik benda angkasa sama seperti pers. (4), namun terdapat tanda negatif dimana tanda ini menunjukkan bentuk orbit yang melingkar atau elips. Berikut rumusnya:

rumus Energi mekanik benda angkasa

Jadi, dapat disimpulkan bahwa energi mekanik merupakan penggabungan dari energi potensial dan kinetik. Energi potensial merupakan energi yang dimiliki benda diam karena ketinggian (posisi) benda tersebut terhadap permukaan bumi.

Massa benda, percepatan gravitasi bumi dan ketinggian terhadap bumi sangat berpengaruh terhadap besar energi potensial. Bentuk energi potensial yaitu energi potensial listrik, energi potensial gravitasi bumi, dan energi potensial benda elastis.

Sedangkan energi kinetik merupakan energi yang dimiliki benda karena pergerakan benda tersebut. Besar energi kinetik dipengaruhi oleh massa benda dan kecepatan geraknya.

Bentuk energi kinetik berupa energi kinetik translasi, energi kinetik rotasi, dan energi kinetik relativistik. Dalam kehidupan, energi tidak bisa dipisahkan karena energi merupakan kemampuan untuk melakukan usaha.

Daftar Pustaka

  • Fajrul. Rumus Energi Kinetik Beserta Penjelasan dan Contoh Soal Lengkap. Diperoleh dari https://www.google.com/amp/s/saintif.com/rumus-energi-kinetik/amp/ (diakses pada 28 Juni 2020).
  • Prashna, Deyan. 2020. Energi Potensial. Diperoleh dari https://bacaboy.com/energi-potensial/ (diakses pada 28 Juni 2020).
  • Prashna, Deyan. 2020. Momen Gaya (Torsi). Diperoleh dari https://bacaboy.com/momen-gaya/ (diakses pada 28 Juni 2020).
  • Prashna, Deyan. 2020. Usaha dan Energi. Diperoleh dari https://bacaboy.com/usaha-dan-energi/#:~:text=Satuan%20energi%20dan%20usaha%20dalam,1%20meter%20(sesuai%20dengan%20pers. (diakses pada 28 Juni 2020).
  • Putra, Aditya. Perdana. 2020. Fisika – Relativitas Khusus. Diperoleh dari https://www.google.com/amp/s/pahamify.com/blog/artikel/fisika-relativitas-khusus/amp/ (diakses pada 28 Juni 2020).
  • Vitaafryda. 2017. Jawaban dari: Bagaimana nilai percepatan gravitasi di daerah kutub dan khatulistiwa? Diperoleh dari https://brainly.co.id/tugas/9219849#:~:text=Karena%20kutub%20lebih%20dekat%20sekitar,percepatan%20gravitasi%20bumi%20semakin%20kecil. (diakses pada 28 Juni 2020).

Baca juga