Energi Potensial: Pengertian, Macam, Rumus, Contoh Soal

Pada materi Fisika SMA kelas XI, dipelajari konsep energi dan juga pembagian jenis-jenis energi. Salah satu jenis energi yang banyak dipelajari adalah energi potensial. Energi potensial wajib dipelajari mengingat jenis energi ini mudah ditemukan di kehidupan seperti energi dari benda jatuh dan lainnya.

Pengertian Energi Potensial

Energi potensial merupakan jenis energi yang sudah dimiliki oleh suatu benda dikarenakan kedudukan (posisi) atau keadaan benda tersebut. Oleh karena itu bisa dikatakan energi potensial secara alami sudah dimiliki atau tersimpan oleh suatu benda meski dalam keadaan diam.

Ada banyak jenis energi potensial di muka bumi ini seperti energi ketapel, energi air terjun, energi busur, energi pegas dan lainnya. Energi potensial juga dimiliki oleh energi listrik dan juga energi kimia seperti energi minyak bumi dan energi nuklir.

Sebagaimana di dalam hukum kekekalan energi, energi potensial yang sudah tersimpan di dalam suatu benda tersebut tidak akan dapat dihilangkan atau diciptakan kembali. Energi yang tersimpan di dalam benda tersebut hanya dapat diubah menjadi bentuk energi lainnya.

Energi Potensial Listrik

Energi potensial listrik adalah energi yang dimiliki oleh suatu partikel bermuatan yang bergerak dalam suatu medan listrik. Pada kondisi ini medan listrik akan mengerahkan gaya serta melakukan kerja terhadap partikel bermuatan tersebut.

Energi potensial listrik bisa diubah menjadi energi cahaya atau energi panas pada alat-alat listrik dikarenakan arus yang umumnya agak besar. Pada aliran arus listrik ini akan terjadi banyak tumbukan antara atom dan elektron pada kawat.

Setiap kali atom dan elektron saling menumbuk, maka akan terjadi transfer energi dari elektron ke atom yang ditumbuk. Hal ini membuat energi kinetik atom bertambah serta menyebabkan suhu elemen kawat semakin tinggi. Secara matematis, energi potensial listrik dirumuskan sebagai berikut:

Ep = k(q0 x q/r)

Keterangan:

Ep = energi potensial listrik (Joule)
q0 = muatan sumber (Coloumb)
q = muatan uji (Coloumb)
k = konstanta (9 x 109 N.m²/C²)

Energi Potensial Gravitasi

Energi potensial gravitasi merupakan energi yang dimiliki oleh benda dikarenakan kedudukan (posisi) atau ketinggian benda tersebut dari benda lainnya. Energi potensial gravitasi yaitu energi potensial benda terhadap bidang acuan yang terletak di jarak h di bawah dari benda.

Bidang acuan terkadang bisa saja berada di atas kedudukan benda. Apabila bidang acuan berada di atas kedudukan benda, maka energi potensial gravitasi bernilai negatif. Secara matematis, persamaan energi potensial gravitasi menggunakan rumus berikut ini:

Ep = m x g x h

Keterangan:

Ep = energi potensial gravitasi (Joule)
g = percepatan gravitasi (m/s²)
h = ketinggian terhadap titik acuan (m)
m = massa benda (kg)

Energi Potensial Pegas

Pegas juga memiliki energi potensial yang berkaitan dengan kemampuan pegas untuk meregang akibat adanya usaha dari luar pegas. Energi potensial sistem pegas akan tercapai ketika beban menarik pegas secara maksimal sehingga pegas teregang maksimal.

Kemampuan pegas untuk meregang berbeda-beda untuk setiap pegas karena ditentukan oleh konstanta pegas tersebut sebesar k. Untuk mengetahui energi potensial pegas maka sangat erat kaitannya dengan usaha dalam menarik pegas tersebut hingga teregang maksimal.

Pegas yang diikat ujungnya menggunakan balok dengan massa m yang ditaruh di atas lantai yang licin. Pegas sendiri memiliki massa yang jauh lebih kecil dibandingkan massa balok. Selanjutnya balok ditarik secara perlahan-lahan hingga pegas meregang sejauh x dengan kecepatan konstan.

Gaya yang diberikan kepada pegas oleh balok sebesar Fluar = kx maka gaya yang dikerahkan oleh pegas sebesar F = kx dengan arah yang berlawanan. Oleh karena itu gaya total antara gaya luar dan gaya pegas bernilai nol sehingga balok akan terus bergerak dengan kecepatan konstan.

Pegas dan juga balok membentuk suatu sistem yang dikenal sebagai sistem pegas balok. Usaha yang dilakukan oleh gaya luar pegas sebesar:

Wluar = ½ kx²

Sementara usaha yang dilakukan pegas sebesar

Wpegas = -½ kx²

Total usaha yang dikerjakan pada balok merupakan penjumlahan usaha pegas ditambah dengan usaha yang berasal dari luar dengan total bernilai nol. Sehingga perubahan energi kinetik sistem sebesar 0 atau berarti tidak terjadi perubahan energi kinetik pada pegas.

Usaha dari luar yang diberikan oleh balok terhadap pegas menyebabkan pegas mengalami perubahan konfigurasi. Energi yang terkait dengan perubahan konfigurasi pegas dinamakan energi potensial pegas. Usaha dari luar yang diberikan ke sistem balok pegas akan disimpan sebagai tenaga potensial.

Apabila energi potensial disebut U, maka saat balok berada di posisi x=0, tenaga potensial balok dianggap 0. Sehingga energi potensial yang dimiliki oleh sistem pegas massa sebesar:

U(x) = ½ kx²

Rumus di atas bisa digunakan untuk menghitung energi potensial sistem pegas di setiap posisi balok. Energi potensial maksimal sistem pegas tercapai ketika balok meregang di jarak maksimal.

Sebaliknya, ketika pegas tertekan oleh balok sejauh –x, maka energi potensial sistem bisa dihitung menggunakan persamaan di atas yang mana hasilnya akan sama dengan balok yang diregangkan sejauh x.

Energi Potensial Dalam Kehidupan Sehari-Hari

Energi potensial gravitasi sangat mudah ditemukan dalam kehidupan sehari-hari karena ada banyak benda yang berada pada ketinggian tertentu secara otomatis menyimpan energi potensial karena posisi (ketinggiannya). Berikut beberapa contoh energi potensial dalam kehidupan sehari-hari:

  • Buah-buahan yang jatuh dari atas pohon seperti buah kelapa, buah durian dan lainnya
  • Dua muatan yang terletak segaris dengan jarak tertentu
  • Benda yang jatuh dari atas ketinggian tertentu
  • Air terjun yang jatuh memiliki energi potensial sesuai tingkat ketinggiannya

Contoh Soal Energi Potensial

  • Contoh 1

Hitunglah energi potensial yang dimiliki oleh batu yang ada di ketinggian 15 m di atas permukaan bumi dengan massa 5 kg. Apabila gravitasi bumi yang ada di tempat tersebut sebesar 9,8 m/s²

Pembahasan

Diketahui:

m = 5 kg
h = 15 m
g = 9,8 m/s²

Ditanya:

Energi potensial (Ep)

Jawab:

Ep = m x g x h

Ep = 5 kg x 9,8 m/s² x 15 m

Ep = 735 Joule

  • Contoh 2

Suatu pegas mempunyai konstanta pegas dengan nilai sebesar 500 N/m. Pada ujung pegas diikat sebuah balok dengan massa sebesar 0,5 kg diletakkan secara mendatar di atas lantai. Pegas direnggangkan sejauh 10 cm. Besar gesekan antara balok dan lantai diabaikan. Hitung kerja pegas!

Pembahasan

Diketahui:

k = 400 N/m
∆x = 10 – 0 = 10 cm = 0,1 m
m = 0,5 kg

Ditanya:

Besar usaha pegas?

Jawab:

W = ½ kx²

W = ½ x 400 x (0,1)² = 2 Joule

Kesimpulan

Energi potensial yaitu energi yang dimiliki oleh suatu benda dikarenakan kedudukan (posisi) atau keadaan benda tersebut. Ada banyak jenis energi potensial yang bisa ditemukan di kehidupan sehari-hari seperti energi potensial gravitasi, energi potensial listrik, energi potensial kimia, dan lainnya.

Kembali ke Materi Fisika