Hukum Kekekalan Energi Mekanik Hukum Kekekalan Energi Mekanik

Hukum Kekekalan Energi Mekanik
Konsep Hukum Kekekalan Energi
Dalam kehidupan kita sehari-hari terdapat banyak jenis energi. Selain energi potensial dan
energi kinetik pada benda-benda biasa (skala makroskopis), terdapat juga bentuk energi lain.
Ada energi listrik, energi panas, energi litsrik, energi kimia yang tersimpan dalam makanan
dan bahan bakar, energi nuklir, dll. Setelah muncul teori atom, dikatakan bahwa bentuk energi
lain tersebut (energi listrik, energi kimia, dll) merupakan energi kinetik atau energi potensial
pada tingkat atom.
Energi tersebut dapat berubah bentuk dari satu bentuk energi ke bentuk energi lain. Misalnya
ketika dirimu menyalakan lampu neon, pada saat yang sama terjadi perubahan energi listrik
menjadi energi cahaya. Contoh lain adalah perubahan energi listrik menjadi energi panas
(setrika), energi listrik menjadi energi gerak (kipas angin) dll. Proses perubahan bentuk energi
ini sebenarnya disebabkan oleh adanya perubahan energi antara energi potensial dan energi
kinetik pada tingkat atom. Pada tingkat makroskopis, kita juga bisa menemukan begitu
banyak contoh perubahan energi.
Buah mangga yang menggelayut di tangkainya memiliki energi potensial. Pada saat batu
dijatuhkan, energi potensialnya berkurang sepanjang lintasan geraknya menuju tanah. Ketika
mulai jatuh, energi potensial berkurang karena EP berubah bentuk menjadi Energi kinetik.
Pada saat hendak mencapai tanah, energi kinetik menjadi sangat besar, sedangkan EP sangat
kecil. Mengapa demikian ? semakin dekat dengan permukaan tanah, jarak buah mangga
semakin kecil sehingga EP-nya menjadi kecil. Sebaliknya, semakin mendekati tanah, Energi
Kinetik semakin besar karena gerakan mangga makin cepat akibat adanya percepatan
gravitasi yang konstan. Ketika tiba di permukaan tanah, energi potensial dan energi kinetik
buah mangga hilang, karena h (tinggi) dan v (kecepatan) = 0. ini salah satu contoh…
Perubahan energi biasanya melibatkan perpindahan energi dari satu benda ke benda lainnya.
Air pada bendungan memiliki energi potensial dan berubah menjadi energi kinetik ketika air
jatuh. Energi kinetik ini dpindahkan ke turbin. selanjutnya energi gerak turbin diubah menjadi
energi listrik. Energi potensial yang tersimpan pada ketapel yang regangkan, dapat berubah
menjadi energi kinetik batu apabila ketapel kita lepas. Busur yang melengkung juga memiliki
energi potensial. Energi potensial pada busur yang melengkung dapat berubah menjadi energi
kinetik anak panah.
Contoh yang disebutkan di atas menunjukkan bahwa pada perpindahan energi selalu disertai
dengan adanya usaha. Air melakukan usaha pada turbin, karet ketapel melakukan usaha pada
batu, busur melakukan usaha pada anak panah. Hal ini menandakan bahwa usaha selalu
dilakukan ketika energi dipindahkan dari satu benda ke benda yang lainnya…
Hal yang luar biasa dalam fisika dan kehidupan kita sehari-hari adalah ketika energi
dipindahkan atau diubah dari satu bentuk ke bentuk yang lain, ternyata tidak ada energi yang
hilang bin lenyap dalam setiap proses tersebut… ini adalah hukum kekekalan energi, sebuah
prinsip yang penting dalam ilmu fisika. Hukum kekekalan energi dapat kita nyatakan sebagai
berikut :
Energi dapat diubah dari satu bentuk ke bentuk lain dan dipindahkan dari satu benda ke
benda yang lain tetapi jumlahnya selalu tetap. Jadi energi total tidak berkurang dan juga
tidak bertambah.
HUKUM KEKEKALAN ENERGI MEKANIK
Pada Skala makroskopis, kita juga dapat menjumpai perubahan energi antara Energi Kinetik
dan Energi Potensial, misalnya batu yang dijatuhkan dari ketinggian tertentu, anak panah dan
busur, batu dan ketapel, pegas dan beban yang diikatkan pada pegas, bandul sederhana, dll.
Jumlah total Energi Kinetik dan Energi Potensial disebut Energi Mekanik. Ketika terjadi
perubahan energi dari EP menjadi EK atau EK menjadi EP, walaupun salah satunya
berkurang, bentuk energi lainnya bertambah. Misalnya ketika EP berkurang, besar EK
bertambah. Demikian juga ketika EK berkurang, pada saat yang sama besar EP bertambah.
Total energinya tetap sama, yakni Energi Mekanik. Jadi Energi Mekanik selalu tetap alias
kekal selama terjadi perubahan energi antara EP dan EK. Karenanya kita menyebutnya
Hukum Kekekalan Energi Mekanik.
Sebelum kita tinjau HKE secara kuantitaif (penurunan persamaan matematis alias rumus
Hukum Kekekalan Energi), terlebih dahulu kita berkenalan dengan gaya-gaya konservatif
dan gaya tak konservatif. Walaupun ini adalah pelajaran tingkat lanjut, tetapi sebenarnya
menjadi dasar yang perlu diketahui agar dirimu bisa lebih memahami apa dan bagaimana
Hukum Kekekalan Energi Mekanik dengan baik…
Gaya-gaya konservatif dan Gaya-gaya Tak Konservatif
Mari kita berkenalan dengan gaya konservatif dan gaya tak-konservatif. Setelah mempelajari
pembahasan ini, mudah-mudahan dirimu dapat membedakan gaya konservatif dan gaya tak
konservatif. Pemahaman akan gaya konservatif dan tak konservatif sangat diperlukan karena
konsep ini sangat berkaitan dengan Hukum Kekekalan Energi Mekanik. Langsung aja ya ?
tetap semangat……
Misalnya kita melemparkan sebuah benda tegak lurus ke atas. Setelah bergerak ke atas
mencapai ketinggian maksimum, benda akan jatuh tegak lurus ke tanah (tangan kita). Ketika
dilemparkan ke atas, benda tersebut bergerak dengan kecepatan tertentu sehingga ia memiliki
energi kinetik (EK = ½ mv2). Selama bergerak di udara, terjadi perubahan energi kinetik
menjadi energi potensial. Semakin ke atas, kecepatan bola makin kecil, sedangkan jarak
benda dari tanah makin besar sehingga EK benda menjadi kecil dan EP-nya bertambah besar.
Ketika mencapai titik tertinggi, kecepatan benda = 0, sehingga EK juga bernilai nol. EK
benda seluruhnya berubah menjadi EP, karena ketika benda mencapai ketinggian maksimum,
jarak vertikal benda bernilai maksimum (EP = mgh). Karena pengaruh gravitasi, benda
tersebut bergerak kembali ke bawah. Sepanjang lintasan terjadi perubahan EP menjadi EK.
Semakin ke bawah, EP semakin berkurang, sedangkan EK semakin bertambah. EP berkurang
karena ketika jatuh, ketinggian alias jarak vertikal makin kecil. EK bertambah karena ketika
bergerak ke bawah, kecepatan benda makin besar akibat adanya percepatan gravitasi yang
bernilai tetap. Kecepatan benda bertambah secara teratur akibat adanya percepatan gravitasi.
Benda kehilangan EK selama bergerak ke atas, tetapi EK diperoleh kembali ketika bergerak
ke bawah. Energi kinetik diartikan sebagai kemampuan melakukan usaha. Karena Energi
kinetik benda tetap maka kita dapat mengatakan bahwa kemampuan benda untuk melakukan
usaha juga bernilai tetap. Gaya gravitasi yang mempengaruhi gerakan benda, baik ketika
benda bergerak ke atas maupun ketika benda bergerak ke bawah dikatakan bersifat
konservatif karena pengaruh gaya tersebut tidak bergantung pada lintasan yang dilalui benda,
tetapi hanya bergantung pada posisi awal dan akhir benda.
Contoh gaya konservatif lain adalah gaya elastik. Misalnya kita letakan sebuah pegas di atas
permukaan meja percobaan. Salah satu ujung pegas telah diikat pada dinding, sehingga pegas
tidak bergeser ketika digerakan. Anggap saja permukaan meja sangat licin dan pegas yang
kita gunakan adalah pegas ideal sehingga memenuhi hukum Hooke. Sekarang kita kaitkan
sebuah benda pada salah satu ujung pegas.
Jika benda kita tarik ke kanan sehingga pegas teregang sejauh x, maka pada benda bekerja
gaya pemulih pegas, yang arahnya berlawanan dengan arah tarikan kita. Ketika benda berada
pada simpangan x, EP benda maksimum sedangkan EK benda nol (benda masih diam).
Ketika benda kita lepaskan, gaya pemulih pegas menggerakan benda ke kiri, kembali ke
posisi setimbangnya. EP benda menjadi berkurang dan menjadi nol ketika benda berada pada
posisi setimbangnya. Selama bergerak menuju posisi setimbang, EP berubah menjadi EK.
Ketika benda kembali ke posisi setimbangnya, gaya pemulih pegas bernilai nol tetapi pada
titik ini kecepatan benda maksimum. Karena kecepatannya maksimum, maka ketika berada
pada posisi setimbang, EK bernilai maksimum.
Benda masih terus bergerak ke kiri karena ketika berada pada posisi setimbang, kecepatan
benda maksimum. Ketika bergerak ke kiri, Gaya pemulih pegas menarik benda kembali ke
posisi setimbang, sehingga benda berhenti sesaat pada simpangan sejauh -x dan bergerak
kembali menuju posisi setimbang. Ketika benda berada pada simpangan sejauh -x, EK benda
= 0 karena kecepatan benda = 0. pada posisi ini EP bernilai maksimum.
Proses perubahan energi antara EK dan EP berlangsung terus menerus selama benda bergerak
bolak balik.
Pada penjelasan di atas, tampak bahwa ketika bergerak dari posisi setimbang menuju ke kiri
sejauh x = -A (A = amplitudo / simpangan terjauh), kecepatan benda menjadi berkurang dan
bernilai nol ketika benda tepat berada pada x = -A. Karena kecepatan benda berkurang, maka
EK benda juga berkurang dan bernilai nol ketika benda berada pada x = -A. Karena adanya
gaya pemulih pegas yang menarik benda kembali ke kanan (menuju posisi setimbang), benda
memperoleh kecepatan dan Energi Kinetiknya lagi. EK benda bernilai maksimum ketika
benda tepat berada pada x = 0, karena laju gerak benda pada posisi tersebut bernilai
maksimum. Benda kehilangan EK pada salah satu bagian geraknya, tetapi memperoleh Energi
Kinetiknya kembali pada bagian geraknya lain. Energi kinetik merupaka kemampuan
melakukan usaha karena adanya gerak. setelah bergerak bolak balik, kemampuan melakukan
usahanya tetap sama dan besarnya tetap alias kekal. Gaya elastis yang dilakukan pegas ini
disebut bersifat konservatif.
Apabila pada suatu benda bekerja satu atau lebih gaya dan ketika benda bergerak kembali ke
posisi semula, Energi Kinetik-nya berubah (bertambah atau berkurang), maka kemampuan
melakukan usahanya juga berubah. Dalam hal ini, kemampuan melakukan usahanya tidak
kekal. Dapat dipastikan, salah satu gaya yang bekerja pada benda bersifat tak-konservatif.
Untuk menambah pemahaman anda berkaitan dengan gaya tak konservatif, kita umpamakan
permukaan meja tidak licin / kasar, sehingga selain gaya pegas, pada benda bekerja juga gaya
gesekan. Ketika benda bergerak akibat adanya gaya pemulih pegas, gaya gesekan
menghambat gerakan benda/mengurangi kecepatan benda (gaya gesek berlawanan arah
dengan gaya pemulih pegas). Akibat adanya gaya gesek, ketika kembali ke posisi semula
kecepatan benda menjadi berkurang. Karena kecepatan benda berkurang maka Energi
Kinetiknya juga berkurang. Karena Energi Kinetik benda berkurang maka kemampuan
melakukan usaha juga berkurang. Dari penjelasan di atas kita tahu bahwa gaya pegas bersifat
konservatif sehingga berkurangnya EK pasti disebabkan oleh gaya gesekan. Kita dapat
menyatakan bahwa gaya yang berlaku demikian bersifat tak-konservatif. Perlu anda ketahui
juga bahwa selain gaya pemulih pegas dan gaya gesekan, pada benda bekerja juga gaya berat
dan gaya normal. Arah gaya berat dan gaya normal tegak lurus arah gerakan benda, sehingga
bernilai nol (ingat kembali pembahasan mengenai usaha yang telah dimuat pada blog ini).
Secara umum, sebuah gaya bersifat konservatif apabila usaha yang dilakukan oleh gaya pada
sebuah benda yang melakukan gerakan menempuh lintasan tertentu hingga kembali ke posisi
awalnya sama dengan nol. Sebuah gaya bersifat tak-konservatif apabila usaha yang dilakukan
oleh gaya tersebut pada sebuah benda yang melakukan gerakan menempuh lintasan tertentu
hingga kembali ke posisi semula tidak sama dengan nol.
Penjelasan panjang lebar mengenai gaya konservatif dan gaya tak konservatif di atas
bertujuan untuk membantu anda lebih memahami Hukum Kekekalan Energi Mekanik.
Mengenai gaya konservatif dan gaya tak konservatif, selengkapnya dapat anda pelajari pada
jenjang yang lebih tinggi (universitas dan kawan-kawan).
Apabila hanya gaya-gaya konservatif yang bekerja pada sebuah sistem, maka kita akan tiba
pada kesimpulan yang sangat sederhana dan menarik yang melibatkan energi. Apabila tidak
ada gaya tak-konservatif, maka berlaku Hukum Kekekalan Energi Mekanik. Sekarang mari
kita turunkan persamaan Hukum Kekekalan Energi Mekanik.
Misalnya sebuah benda bermassa m berada pada kedudukan awal sejauh h1 dari permukaan
tanah (amati gambar di bawah). Benda tersebut jatuh dan setelah beberapa saat benda berada
pada kedudukan akhir (h2). Benda jatuh karena pada benda bekerja gaya berat (gaya berat =
gaya gravitasi yang bekerja pada benda, di mana arahnya tegak lurus menuju permukaan
bumi).
\Ketika berada pada kedudukan awal, benda memiliki Energi Potensial sebesar EP1 (EP1 =
mgh1). Ketika berada pada kedudukan awal, benda memiliki Energi Potensial sebesar EP2
(EP2 = mgh2). Usaha yang dilakukan oleh gaya berat (w = weight = berat — huruf w kecil.
Kalo huruf W besar = usaha = work) dari kedudukan awal (h1) menuju kedudukan akhir (h2)
sama dengan selisih EP1 dan EP2. Secara matematis ditulis :
W = EP1 – EP2 = mgh1 – mgh2
Misalnya kecepatan benda pada kedudukan awal = v1 dan kecepatan benda pada kedudukan
akhir = v2.. Pada kedudukan awal, benda memiliki Energi Kinetik sebesar EK1 (EK1 = ½
mv12). Pada kedudukan akhir, benda memiliki Energi Kinetik sebesar EK2 (EK2 = ½ mv22).
Usaha yang dilakukan oleh gaya berat untuk menggerakan benda sama dengan perubahan
energi kinetik (sesuai dengan prinsip usaha dan energi yang telah dibahas pada pokok
bahasan usaha dan energi-materinya ada di blog ini). Secara matematis ditulis :
W = EK2 – EK1 = ½ mv22 – ½ mv12
Kedua persamaan ini kita tulis kembali menjadi :
W=W
EP1 – EP2 = EK2 – EK1
mgh1 – mgh2 = ½ mv22 – ½ mv12
mgh1 + ½ mv12 = mgh2 + ½ mv22
Jumlah total Energi Potensial (EP) dan Energi Kinetik (EK) = Energi Mekanik (EM). Secara
matematis kita tulis :
EM = EP + EK
Ketika benda berada pada kedudukan awal (h1), Energi Mekanik benda adalah :
EM1 = EP1 + EK1
Ketika benda berada pada kedudukan akhir (h2), Energi Mekanik benda adalah :
EM2 = EP2 + EK2
Apabila tidak ada gaya tak-konservatif yang bekerja pada benda, maka Energi Mekanik benda
pada posisi awal sama dengan Energi Mekanik benda pada posisi akhir. Secara matematis kita
tulis :
EM1 = EM2
Jumlah Energi Mekanik benda ketika berada pada kedudukan awal = jumlah Energi Mekanik
benda ketika berada pada kedudukan akhir. Dengan kata lain, apabila Energi Kinetik benda
bertambah maka Energi Potensial harus berkurang dengan besar yang sama untuk
mengimbanginya. Sebaliknya, jika Energi Kinetik benda berkurang, maka Energi Potensial
harus bertambah dengan besar yang sama. Dengan demikian, jumlah total EP + EK (= Energi
Mekanik) bernilai tetap alias kekal dan konstan. Ini adalah Hukum Kekekalan Energi
Mekanik untuk gaya-gaya konservatif.
Apabila hanya gaya-gaya konservatif yang bekerja, maka jumlah total Energi Mekanik pada
sebuah sistem tidak berkurang atau bertambah. Energi Mekanik bernilai tetap atau kekal.
http://www.gurumuda.com/usaha-energi