Di SMP, Anda telah mempelajari bahwa energi merupakan kemampuan untuk melakukan usaha. Pada bagian pengantarjuga telah disinggung beberapa bentuk energi. Anda tentu juga tahu tentang hukum kekekalan energi.
Hukum kekekalan energi menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan dan dimusnahkan melainkan hanya dapat diubah bentuknya. Proses perubahan bentuk energi dari satu bentuk ke bentuk lainnya disebut konversi energi. Alat untuk mengubah energi disebut konventor energi. Perubahan energi terjadi ketika usaha sedang dilakukan.
Misalnya, ketika Anda melakukan usaha dengan mendorong mobil hingga mobil tersebut bergerak maju. Pada proses usaha sedang berlangsung, sebagian energi kimia yang tersimpan dalam tubuh Anda diubah menjadi energi mekanik.
Di sini Anda berfungsi sebagai pengubah energi (konverter energi). Anda telah mengenal berbagai sumber energi, antara lain, energi matahari, energi panas bumi, energi angin, energi air, dan energi nuklir. Sumber utama semua energi adalah energi matahari. Energi listrik merupakan salah satu bentuk energi yang sering digunakan.
Dari jaringan listrik PLN di rumah, Anda dapat melakukan berbagai kegiatan, antara lain, menyalakan lampu, komputer, menyetrika baju, mendengarkan radio, melihat siaran televisi. Hal ini menunjukkan bahwa energi listrik dapat diubah menjadi bentuk energi lain yang Anda butuhkan. Energi listrik diperoleh dari berbagai sumber.
Misalnya dari air terjun atau bendungan (PLTA), diesel (PLTD), panas bumi (PLTG), batubara (PLTU), dan nuklir (PLTN). Sumber energi fosil (minyak bumi, gas alam, batubara) merupakan jenis sumber energi yang tidak dapat diperbaharui. Oleh karena itu, Anda harus menghemat energi supaya sumber energi yang dimiliki tidak cepat habis.
1. Energi Potensial
Energi potensial diartikan sebagai energi yang dimiliki benda karena keadaan atau kedudukan (posisinya). Misalnya, energi pegas (per), energi ketapel, energi busur, dan energi air terjun. Energi potensial juga dapat diartikan sebagai energi yang tersimpan dalam suatu benda. Misalnya energi kimia dan energi listrik. Contoh energi kimia adalah energi minyak bumi dan energi nuklir.
a. Energi Potensial Gravitasi
Energi potensial gravitasi adalah energi yang dimiliki benda karena kedudukan ketinggian dari benda lain. Secara matematis ditulis sebagai berikut. Ep = m g h Keterangan: Ep : energi potensial gravitasi (N) m : massa benda (kg) g : percepatan gravitasi (m/s2) h : ketinggian terhadap acuan (m)
Energi potensial gravitasi tersebut adalah energi potensial benda terhadap bidang acuan yang terletak pada jarak h di bawah benda. Energi potensial gravitasi terhadap bidang acuan lain tentu saja berbeda besarnya. Misalnya, terhadap bidang acuan yang jaraknya h1, di bawah kedudukan benda, maka energi potensial gravitasinya adalah m g h1.
Bidang acuan tidak harus berada di bawah kedudukan benda. Dapat saja dipilih bidang acuan yang letaknya di atas kedudukan benda. Dalam hal demikian energi potensial gravitasi memiliki nilai negatif. Namun, biasanya bidang acuan dipilih di bawah kedudukan benda.
b. Hubungan Antara Usaha dengan Energi Potensial Gravitasi
Misalnya sebuah balok bermassa m diikat pada seutas tali dan tali digulung pada suatu katrol licin. Anggap katrol dan tali tak bermassa. Balok mula-mula berada pada ketinggian h1, beberapa saat kemudia balok berada pada ketinggian h2.
2. Energi Kinetik
Energi kinetik adalah energi yang dimiliki oleh benda karena geraknya. Di SMP, Anda sudah mempelajari energi kinetik secara kuantitatif. Sekarang Anda akan mempelajari energi kinetik secara kualitatif, yaitu menurunkan rumus energi kinetik. Secara umum energi kinetik suatu benda yang memiliki massa m dan bergerak dengan kecepatan v.
3. Hukum Kekekalan Energi Mekanik
Energi mekanik didefinisikan sebagai penjumlahan antara energi kinetik dan energi potensial. Untuk lebih memahami energi kinetik perhatikan sebuah bola yang dilempar ke atas.
Kecepatan bola yang dilempar ke atas makin lama makin berkurang. Makin tinggi kedudukan bola (energi potensial gravitasi makin besar), makin kecil kecepatannya (energi kinetik bola makin kecil). Saat mencapai keadaan tertinggi, bola akan diam. Hal ini berarti energi potensial gravitasinya maksimum, namun energi kinetiknya minimun (v = 0).
Pada waktu bola mulai jatuh, kecepatannya mulai bertambah (energi kinetiknya bertambah) dan tingginya berkurang (energi potensial gravitasi berkurang). Berdasarkan kejadian di atas, seolah terjadi semacam pertukaran energi antara energi kinetik dan energi potensial gravitasi.
Apakah hukum kekekalan energi mekanik berlaku dalam hal ini? Misalkan terdapat suatu benda yang dijatuhkan dari ketinggian hA di atas tanah. Pada ketinggian tersebut benda memiliki EPA = m g hA terhadap tanah dan EKA = 0. Kemudian dalam selang waktu t benda jatuh sejauh hB (jarak benda dari tanah hA – hB). Persamaan
a. Gaya Konservatif
Usaha yang dilakukan oleh gaya konservatif untuk berpindah antara dua posisi tertentu hanya bergantung pada kedua posisi tersebut, dan tidak bergantung pada jalan yang ditempuh. Contoh gaya konservatif adalah gaya gravitasi dan gaya pegas.
b. Aplikasi Hukum Kekekalan Energi Mekanik
Salah satu aplikasi hukum kekekalan energi mekanik dalam kehidupan sehari-hari adalah pada permainan bilyar. Misalnya, bola bilyar A menumbuk bola bilyar B yang sedang diam. Pada peristiwa tumbukan bola bilyar dianggap tidak ada energi yang hilang jadi panas dan tidak ada gaya gesekan sehingga hukum kekekalan energi mekanik berlaku.
Karena energi potensial semua bola sama sebelum dan sesudah tumbukan, maka energi kinetik kedua bola bilyar sebelum dan sesudah tumbukan sama besar. Jadi, ketika bola A kehilangan sejumlah energi kinetik, maka bola B akan menerima tambahan energi kinetik sebesar energi kinetik yang hilang dari bola A.
