Dirimu pasti
sangat pasti sering mendengar istilah ini, Hukum Kekekalan Energi (HKE).
Tetapi apakah dirimu memahami dengan baik dan benar apa yang
dimaksudkan dengan HKE ? apa kaitannya dengan Hukum Kekekalan Energi
Mekanik ? jika kebingungan berlanjut, silahkan pelajari materi ini
sampai dirimu memahaminya.
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, dan kawan-kawan…. Pokoknya banyak banget :)
setelah muncul teori atom, dikatakan bahwa bentuk energi lain tersebut
(energi listrik, energi kimia, dkk) merupakan energi kinetik atau energi
potensial pada tingkat atom (pada skala mikroskopis - disebut mikro
karena atom tu kecil banget…). cukup sampai di sini ya penjelasannya
mengenai energi potensial atau energi kinetik pada tingkat atom… intinya
bentuk energi lain tersebut merupakan energi potensial atau energi
kinetik pada skala atomik… jika penasaran, bisa request melalui kolom
komentar. Nanti akan anda pelajari pada pelajaran fisika di tingkat yang
lebih tinggi.
Energi tersebut dapat berubah bentuk dari
satu bentuk energi ke bentuk energi lain. Masa sich ? 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… luar biasa khan si energi :) ?
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 berkecambah… eh bertambah, sorry…
HUKUM KEKEKALAN ENERGI MEKANIK
Penjelasan di atas bersifat
kualitatif. Sekarang mari kita tinjau Hukum Kekekalan Energi secara
kuantitaif alias ada rumusnya… jangan meringis dunk … he8….
Oya, perlu anda ketahui bahwa pada
contoh perubahan energi, misalnya energi listrik berubah menjadi energi
panas atau energi nuklir menjadi energi panas, perubahan bentuk energi
tersebut terjadi akibat adanya perubahan antara energi potensial dan
energi kinetik pada skala mikroskopis. Perubahan energi ini terjadi pada
level atom…
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).
Sekarang, mari kita kembali ke Hukum Kekekalan Energi Mekanik. Istirahat aja dulu ah, cape… :)
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 bin 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.
Wah…. akhirnya pembahasan mengenai Hukum Kekekalan Energi Mekanik berakhir…. :) mohon maaf lahir dan batin jika penjelasan panjang lebar di atas membuat dahimu berkerut. Baca perlahan-lahan sambil dipahami ya…. jika kebingungan berlanjut, silahkan pelajari kembali. Jangan lupa bertanya melalui kolom komentar di bawah apabila dirimu tersesat……
Sumber : http://basicsphysics.blogspot.com/2008/12/energi-mekanik.html
