Konsep
Energi
Untuk memperoleh perhatian dan memotivasi peserta
didik demonstrasikanlah suatu benda jatuh dari suatu ketinggian tertentu, misalnya
penghapus papan tulis atau bila guru membawa peralatan lain sangat baik,
seperti mainan mobil-mobilan yang dimainkan di bidang miring. Kemudian minta
peserta didik untuk mengungkapan apa yang mereka lihat dalam gambar tersebut.
Pertemuan I dimaksudkan untuk
mengantarkan peserta didik kepada pemahaman tentang konsep energi. Melatih kesadaran
kepada peserta didik bahwa pada hakikat dirinya terdapat energi potensial. Manusia
membutuhkan energi untuk bekerja, bergerak, bernapas, dan mengerjakan banyak
hal lainnya. Energi menyebabkan mobil, motor, pesawat, dan kereta api dapat
berjalan. Energi menyalakan peralatan listrik di rumah kita. Energi ada di
mana-mana. Bahkan tumbuhan dan hewan membutuhkan energi untuk tumbuh dan berkembang.
Dengan demikian untuk melakukan usaha diperlukan energi. Dengan kata lain,
energi adalah kemampuan untuk mengatur ulang suatu kumpulan materi. Misalnya,
Anda menggunakan energi untuk membalik halaman buku ini. Energi terdapat dalam
berbagai bentuk dan kerja kehidupan tergantung pada kemampuan organisme mengubah
energi dari suatu bentuk ke bentuk lainnya.
Energi adalah
kemampuan untuk melakukan usaha (kerja) atau melakukan suatu perubahan. Energi
memiliki berbagai bentuk.
a.
Energi Potensial
Suatu benda dapat menyimpan energi
karena kedudukan atau posisi benda tersebut. Contohnya, suatu beban yang
diangkat setinggi h akan memiliki energi potensial, sementara busur panah yang
berada pada posisi normal (saat busur itu tidak diregangkan) tidak memiliki
energi potensial. Dengan demikian, energi potensial adalah energi yang
tersimpan dalam suatu benda akibat kedudukan atau posisi benda tersebut dan
suatu saat dapat dimunculkan.
Gambar
6.1 Energi potensial
Energi potensial terbagi atas
dua, yaitu energi potensial gravitasi dan energi potensial elastis. Energi
potensial gravitasi ini timbul akibat tarikan gaya gravitasi Bumi yang bekerja
pada benda. Jika massa beban diperbesar, energi potensial gravitasinya juga
akan membesar. Demikian juga, apabila ketinggian benda dari tanah diperbesar,
energi potensial gravitasi beban tersebut akan semakin besar. Hubungan ini
dinyatakan dengan persamaan.
EP = mgh …………………………………(1)
dengan:
EP = energi potensial
(Joule),
w = berat benda (newton) = mg,
m = massa
benda (kg),
g =
percepatan gravitasi bumi (m/s2), dan
h = tinggi benda (m).
Sebuah benda yang berada pada
suatu ketinggian tertentu apabila dilepaskan, akan bergerak jatuh bebas sebab
benda tersebut memiliki energi potensial gravitasi. Energi potensial gravitasi
benda yang mengalami jatuh bebas akan berubah karena usaha yang dilakukan oleh gaya
berat.
Gambar 6.2 Usaha yang ditimbulkan
oleh gaya berat
Perhatikanlah Gambar 6.2 Apabila tinggi benda
mula-mula h1, usaha yang dilakukan oleh gaya berat untuk mencapai tempat setinggi h2
adalah sebesar:
Ww = mgh1 – mgh2
Ww = mg (h1 – h2)
Ww = –mg(h2 – h1)
……………………….. (2)
dengan: Ww = usaha oleh gaya berat.
Oleh karena mgh
= EP, perubahan energi potensial gravitasinya dapat dinyatakan
sebagai ΔEP sehingga Persamaan (2) dapat dituliskan Ww = Δ
EP
Bentuk energi
potensial yang kedua adalah energi potensial elastis. Energi potensial adalah
energi yang tersimpan di dalam benda elastis karena adanya gaya tekan dan gaya regang
yang bekerja pada benda. Besarnya energi potensial elastis bergantung pada besarnya
gaya tekan atau gaya regang yang diberikan pada benda tersebut.
Kita telah
mempelajari sifat elastis pada pegas dan telah mengetahui bahwa gaya pemulih
pada pegas berbanding lurus dengan pertambahan panjangnya. Pegas yang berada
dalam keadaan tertekan atau teregang dikatakan memiliki energi potensial elastis
karena pegas tidak berada dalam keadaan posisi setimbang. Perhatikanlah Gambar
6.3 Grafik tersebut menunjukkan kurva hubungan antara gaya dan pertambahan panjang
pegas yang memenuhi Hukum Hooke. Jika kita menarik pegas dengan gaya sebesar F1,
pegas itu bertambah panjang sebesar Δx1. Demikian pula, jika kita menarik pegas
dengan gaya sebesar F2, pegas akan bertambah panjang sebesar Δ x2.
Begitu seterusnya.
Gambar
6.3 Grafik hubungan terhadap Δx pada kurva F = kΔx.
Dengan demikian,
usaha total yang Anda berikan untuk meregangkan pegas adalah
W = F1Δ x1 + F2Δ
x2 + …
Besarnya usaha total
ini sama dengan luas segitiga di bawah kurva F terhadap Δ x sehingga
dapat dituliskan
W = ½ (kΔ xΔ x)
W = ½ kΔ x2 ………….. (3)
Oleh karena usaha
yang diberikan pada pegas ini akan tersimpan sebagai energi potensial, dapat
dituliskan persamaan energi potensial pegas adalah sebagai berikut.
EP = ½ kΔ x2
Energi potensial
pegas ini juga dapat berubah karena usaha yang dilakukan oleh gaya pegas. Besar
usaha yang dilakukan oleh gaya pegas itu dituliskan dengan persamaan
W = –Δ EP
b.
Energi Kinetik
Energi kinetik adalah
energi yang dimiliki suatu benda yang sedang bergerak. Secara khusus, energi
kinetik adalah energi yang dimiliki suatu benda bermassa m yang sedang
bergerak dengan kelajuan v. Misalkan: Seekor gajah yang sedang berlari
mempunyai energi kinetik lebih besar daripada seorang atlet yang sedang berlari
(dengan kelajuan yang sama) karena gajah mempunyai massa yang lebih besar. Atau
mobil balap yang sedang bergerak mempunyai energi kinetik lebih besar daripada mobil
pada umumnya (dengan massa yang sama pula) karena mobil balap mempunyai
kelajuan yang lebih besar. Dapat diambil kesimpulan bahwa faktor yang
mempengaruhi energi kinetik adalah massa dan kelajuan suatu benda.
Rumus umum dari
energi kinetik adalah:
Ek = 1/2.m.v2
Rumus tersebut
diperoleh dari penurunan rumus usaha (W=F.s).
Berikut penurunannya.
Kita mulai dengan persamaan untuk jarak yang ditempuh benda
dengan kelajuan awal v0, percepatan a,
dalam waktu t.
S
= v0.t +
Jika
v0=0, maka didapatkan:
S ... (1)
Untuk
kelajuan benda vt dengan v0 = 0, didapatkan:
Vt
= V0 + a.t
Vt
= a.t
t
= Vt/a ...(2)
Subtitusikan
persamaan (2) ke persamaan (1), sehingga:
S
S
Kita subtitusikan Hukum II Newton
dan persamaan (3) ke rumus usaha (W=F.s) sehingga diperoleh:
W
= F.s
W
W
Nah, W=1/2.m.vt2
inilah yang disebut energi kinetik.
Gambar 6.4
Macam-macam Bentuk Energi
