Energi adalah konsep Fisika yang sangat penting karena berbicara mengenai kemampuan untuk melakukan usaha. Energi yang ada di alam semesta ini tidak dapat diciptakan maupun dimusnahkan sehingga dikenal sebagai hukum kekekalan energi.
Energi yang ada di alam hanya dapat diubah bentuknya dari satu bentuk ke bentuk yang lain. Sebagai contoh energi panas matahari dapat diubah menjadi energi listrik menggunakan sel surya. Energi kimia dalam tubuh diubah menjadi energi mekanik ketika seseorang mendorong mobil dan lain sebagainya.
Pengertian Hukum Kekekalan Energi
Hukum kekekalan energi secara umum memiliki pengertian bahwa energi yang ada di alam semesta ini tidak dapat diciptakan serta tidak dapat dimusnahkan melainkan hanya bisa diubah bentuknya saja dari satu bentuk energi ke bentuk energi yang lain.
Untuk mengubah satu bentuk energi ke bentuk energi yang lain dibutuhkan alat pengubah energi atau energy converter. Misalnya energi potensial yang dimiliki oleh air terjun dapat berubah menjadi energi listrik setelah sebelumnya menjadi energi kinetic yang menggerakkan turbin air kemudian berubah menjadi listrik.
Sifat energi yang tidak dapat dimusnahkan ini menjadikan energi disebut bersifat kekal. Energi yang ada di alam yang dimanfaatkan seperti energi panas, energi nuklir, energi potensial, energi kimiawi berasal dari energi matahari.
Energi Mekanik
Sebelum membahas mengenai energi mekanik, maka konsep Fisika lainnya yang harus sudah dipahami adalah konsep energi potensial dan energi kinetik. Energi potensial merupakan energi yang dimiliki oleh suatu benda dikarenakan posisinya terhadap ketinggian tertentu dari pusat gravitasi.
Semakin besar massa suatu benda dan semakin tinggi posisi benda tersebut dari pusat gravitasi bumi maka semakin besarlah energi potensial yang dimiliki benda tersebut. Berbeda dengan energi potensial, energi kinetik adalah energi yang dimiliki oleh suatu benda disebabkan oleh gerak benda tersebut.
Benda yang sedang bergerak memiliki energi kinetik tertentu yang sangat dipengaruhi oleh kecepatan benda tersebut bergerak dan juga massanya. Energi kinetik sendiri sebanding dengan massa serta kuadrat kecepatan benda.
Oleh karena itu energi kinetik yang dimiliki oleh peluru sangat besar dikarenakan gerak peluru yang cepat hingga dapat menembus pohon.
Energi mekanik sendiri adalah energi yang dimiliki oleh suatu benda yang bergerak dan memiliki ketinggian tertentu. Oleh karena itu energi mekanik merupakan penjumlahan dari energi potensial dan energi kinetik. Medan gaya gravitasi termasuk ke dalam medan gaya konservatif.
Rumus Hukum Kekekalan Energi
- Rumus Energi Mekanik
Energi mekanik merupakan total energi yang dimiliki benda bergerak di ketinggian tertentu. Sehingga nilai energi mekanik adalah penjumlahan energi potensial dengan energi kinetik.
Em = Ep + Ek
Em = (m x g x h) +( ½ x m x v²)
- Rumus Hukum Kekekalan Energi
Medan gaya konservatif adalah medan gaya yang di dalamnya memberlakukan prinsip kekekalan energi mekanik. Hal ini karena gaya konservatif akan menghasilkan usaha yang tidak mengubah energi mekanik dari suatu benda.
Sehingga hukum kekekalan energi mekanik akan berlaku pada benda yang bergerak di daerah medan gaya gravitasi.
Em = Ep + Ek = kekal
Em1 = Em2
Ep1 + Ek1 = Ep2 + Ek2
(m x g x h1) +( ½ x m x v1²) = (m x g x h2) +( ½ x m x v2²)
Keterangan:
Em = Energi mekanik (Joule)
Ep = Energi potensial (Joule)
Ek = Energi kinetik (Joule)
m = massa benda (kg)
g = percepatan gravitasi di tempat tersebut (umumnya di permukaan bumi adalah 9,8 m/s² atau dibulatkan menjadi 10 m/s²)
h = ketinggian benda dari permukaan bumi (m)
v = kecepatan benda bergerak (m/s)
Hukum kekekalan energi mekanik di atas bisa digunakan untuk menentukan kecepatan dan juga ketinggian dari suatu benda yang sama. Hal ini karena untuk benda dengan massa yang sama akan memiliki energi mekanik yang sama di titik manapun dan pada kecepatan berapapun.
Contoh Soal Hukum Kekekalan Energi
- Contoh 1
Sebuah kelereng yang memiliki massa sebesar 0,3 kg dilempar ke atas dengan kecepatan awal 20 m/s dari ketinggian sebesar 1,6 m dari permukaan bumi. Percepatan gravitasi di tempat tersebut adalah g = 10 m/s². Hitunglah ketinggian kelereng ketika kecepatan kelereng tersebut mencapai 5 m/s.
Diketahui:
m = 0,3 kg
v1 = 20 m/s
h1 = 1,6 m
g = 10 m/s²
v2 = 5 m/s
Ditanya:
ketinggian kelereng saat kecepatan mencapai v2 (h2)
Jawab:
Untuk mencari ketinggian kelereng ketika kecepatannya sudah mencapai v2 bisa menggunakan hukum kekekalan energi mekanik:
Em = Ep + Ek = kekal
Em1 = Em2
Ep1 + Ek1 = Ep2 + Ek2
(m x g x h1) +( ½ x m x v1²) = (m x g x h2) +( ½ x m x v2²)
(0,3 x 10 x 1,6) +( ½ x 0,3 x (20)²) = (0,3 x 10 x h2) +( ½ x 0,3 x 5²)
16 + 200 = 10h2 + 12,5
203,5 = 10h2
h2 = 20,35 meter
Sehingga ketinggian kelereng ketika berada pada kecepatan v2 = 5 m/s adalah 20,35 meter dari permukaan bumi.
- Contoh 2
Sebuah benda dilepar dari atas bangunan dengan ketinggian mencapai 25 meter. Kecepatan awal saat bola dilempar adalah 30 m/s dengan arah bola dengan arah 30 derajat di atas garis horizontal. Tentukan kelajuan bola sesaat sebelum menumbuk tanah.
Diketahui:
h1 = 25 meter
v1 = 30 m/s
α = 30º
h2 = 0 meter
Ditanya:
Kecepatan bola sesaat sebelum menumbuk tanah (v2)?
Jawab:
Untuk mengetahui kelajuan bola sesaat sebelum menumbuk tanah (v2) akan lebih cepat jika menggunakan rumus hukum kekekalan energi mekanik dibandingkan menggunakan rumus gerak peluru. Cukup bandingkan keadaan bola di posisi sesaat sebelum dilempar dan sesaat sebelum menyentuh tanah.
Em1 = Em2
Ep1 + Ek1 = Ep2 + Ek2
(m x g x h1) +( ½ x m x v1²) = (m x g x h2) +( ½ x m x v2²)
Besar massa benda (m) baik di sisi kanan dan di sisi kiri sama sehingga bisa dicoret untuk memudahkan perhitungan. Percepatan gravitasi benda (g) bisa dianggap sebesar 10 m/s².
(10 x 25) +( ½ x (30)²) = (10 x 0) +( ½ x v2²)
250 + 450 = ½ (v2)²
1400 = (v2)²
v2 = √1400
v2 = 37.41 m/s
Energi yang ada di alam hanya dapat diubah bentuknya dari satu bentuk ke bentuk yang lain. Energi tidak dapat dibuat ataupun dimusnahkan sehingga dikenal dengan hukum kekekalan energi. Hukum kekekalan ini membuat energi mekanik yang dimiliki benda saat di posisi awal dengan posisi akhir bernilai sama.