Semua siswa fisika memiliki potensi – energi potensial, yaitu. Tetapi mereka yang meluangkan waktu untuk menentukan apa artinya dalam hal fisika akan memilikilebih potensialmempengaruhi dunia di sekitar mereka daripada mereka yang tidak. Paling tidak, mereka akan dapat dengan sadar membalas orang dewasa yang mengomel dengan sindiran meme internet: "Saya tidak malas, saya dipenuhi dengan energi potensial."
Apa Itu Energi Potensial?
Konsep energi potensial mungkin tampak membingungkan pada awalnya. Namun singkatnya, Anda dapat menganggap energi potensial sebagai energi yang tersimpan. Ini memilikipotensiuntuk berubah menjadi gerakan dan membuat sesuatu terjadi, seperti baterai yang belum terhubung atau sepiring spageti yang akan dimakan pelari pada malam sebelum perlombaan.
Energi potensial adalah salah satu dari tiga kategori besar energi yang ditemukan di alam semesta. Dua lainnya adalah energi kinetik, yang merupakan energi gerak, dan energi panas, yang merupakan jenis energi kinetik khusus yang tidak dapat digunakan kembali.
Tanpa energi potensial, tidak ada energi yang dapat disimpan untuk digunakan nanti. Untungnya, banyak energi potensial memang ada, dan ia terus-menerus mengubah bolak-balik antara dirinya sendiri dan energi kinetik, membuat hal-hal terjadi.
Dengan setiap transformasi, beberapa energi potensial dan kinetik berubah menjadi energi panas, juga dikenal sebagai panas. Akhirnya, semua energi alam semesta akan diubah menjadi energi panas, dan akan mengalami "kematian panas", ketika tidak ada lagi energi potensial. Tetapi sampai waktu yang jauh di masa depan itu, energi potensial akan menjaga kemungkinan tindakan tetap terbuka.
Satuan SI untuk energi potensial, dan untuk energi apa pun dalam hal ini, adalah joule, di mana 1 joule = 1 (newton)(meter).
Jenis dan Contoh Energi Potensial
Ada banyak jenis energi potensial. Di antara bentuk energi tersebut adalah:
Energi potensial mekanik:Juga dikenal sebagai energi potensial gravitasi, atau GPE, ini mengacu pada energi yang disimpan olehposisi objek relatif terhadap medan gravitasi, seperti di dekat permukaan bumi.
Misalnya, sebuah buku yang diletakkan di atas rak berpotensi jatuh karena gaya gravitasi. Semakin tinggi dalam kaitannya dengan tanah – dan dengan demikian dalam kaitannya dengan Bumi, sumber medan gravitasi – semakin lama jatuh yang berpotensi untuk dilalui. Lebih lanjut tentang ini nanti.
Energi potensial kimia:Energi yang tersimpan dalam ikatan molekul adalah energi kimia. Itu dapat dilepaskan dan diubah menjadi energi kinetik dengan memutuskan ikatan.Oleh karena itu, semakin banyak ikatan dalam suatu molekul, semakin banyak energi potensial yang dikandungnya.
Misalnya, saat makan makanan, proses pencernaan memecah molekul lemak, protein, karbohidrat atau asam amino sehingga tubuh dapat menggunakan energi itu untuk bergerak. Karena lemak adalah molekul terpanjang dengan ikatan antar atom paling banyak, mereka menyimpan energi paling banyak.
Demikian pula, kayu gelondongan yang digunakan dalam api unggun mengandung energi potensial kimia yang dilepaskan ketika dibakar dan ikatan antar molekul dalam kayu terputus. Apa pun yang memerlukan reaksi kimia untuk "berjalan" – termasuk menggunakan baterai atau membakar bensin di dalam mobil – mengandung energi potensial kimia.
Energi potensial elastis:Bentuk energi potensial ini adalah energi yang tersimpan dalam deformasi suatu benda dari bentuk normalnya. Ketika sebuah benda diregangkan atau dikompresi dari bentuk aslinya – katakanlah sebuah karet gelang ditarik keluar atau pegas yang dipegang dalam gulungan yang rapat – benda itu memilikipotensiuntuk melompat atau bangkit kembali saat dilepaskan. Atau, bantal sofa empuk ditekan dengan jejak seseorang yang duduk di atasnya sehingga, ketika mereka berdiri, jejak itu perlahan-lahan naik kembali hingga sofa terlihat seperti sebelum mereka duduk.
Energi potensial nuklir:Banyak energi potensial disimpan oleh gaya nuklir yang menyatukan atom-atom. Misalnya, gaya nuklir kuat di dalam inti yang menahan proton dan neutron pada tempatnya. Inilah sebabnya mengapa sangat sulit untuk membagi atom, sebuah proses yang hanya terjadi di reaktor nuklir, akselerator partikel, pusat bintang atau situasi energi tinggi lainnya.
Jangan bingung dengan energi potensial kimia, energi potensial nuklir disimpandi dalam atom individu. Seperti namanya, bom atom mewakili salah satu penggunaan energi potensial nuklir yang paling agresif oleh manusia.
Energi potensial listrik:Energi ini disimpan dengan menahan muatan listrik dalam konfigurasi tertentu. Misalnya, ketika sweater yang memiliki banyak muatan negatif didekatkan ke benda positif atau netral, ia memilikipotensimenyebabkan gerakan dengan menarik muatan positif dan menolak muatan negatif lainnya.
Setiap partikel bermuatan tunggal yang ditahan di dalam medan listrik juga memiliki energi potensial listrik. Contoh ini analog dengan energi potensial gravitasi di mana posisi muatan dalam kaitannya dengan medan listrik adalah menentukan jumlah energi potensialnya, sama seperti posisi objek dalam kaitannya dengan medan gravitasi menentukan GPE-nya.
Rumus Energi Potensial Gravitasi
Energi potensial gravitasi, atau GPE, adalah salah satu dari sedikit jenis energi yang biasanya dilakukan oleh siswa fisika sekolah menengah atas (yang lainnya adalah energi kinetik linier dan rotasi). Ini hasil dari gaya gravitasi. Variabel yang mempengaruhi seberapa besar GPE yang dimiliki suatu benda adalah massam,percepatan gravitasig, dan tinggih.
IPK=mgh
Dimana GPE diukur dalam joule (J), massa dalam kilogram (kg), percepatan gravitasi dalam meter per detik per detik (m/s2) dan tinggi badan dalam meter (m).
Perhatikan bahwa di Bumi,gdiperlakukan selalu sama dengan 9,8 m/s2. Di lokasi lain di mana Bumi bukan sumber percepatan gravitasi lokal, seperti di planet lain,gmemiliki nilai-nilai lain.
Rumus untuk GPE menyiratkan bahwa semakin besar suatu benda atau semakin tinggi ditempatkan, semakin banyak energi potensial yang dikandungnya. Ini pada gilirannya menjelaskan mengapa satu sen yang dijatuhkan dari atas sebuah gedung akan mengalir lebih cepat di bagian bawah daripada yang dijatuhkan dari saku seseorang tepat di atas trotoar. (Ini juga merupakan ilustrasi kekekalan energi: saat benda jatuh, energi potensialnya berkurang, sehingga energi kinetiknya harus meningkat dengan jumlah yang sama agar energi total tetap konstan.)
Mulai dari ketinggian yang lebih tinggi berarti sen akan berakselerasi ke bawah dalam jarak yang lebih jauh, menghasilkan kecepatan yang lebih cepat di akhir perjalanan. Atau, untuk terus bergerak dalam jarak yang lebih jauh, sen di atap harus dimulai dengan lebih banyak energi potensial, yang dihitung oleh rumus GPE.
Contoh GPE
Urutkan benda-benda berikut dari energi potensial gravitasi yang paling besar hingga yang paling kecil:
- Seorang wanita 50 kg di puncak tangga 3 m
- Sebuah kotak bergerak 30 kg di atas pendaratan 10 m
- Sebuah barbel seberat 250 kg dipegang 0,5 m di atas kepala seorang pengangkat listrik power
Untuk membandingkannya, hitung GPE untuk setiap situasi menggunakan rumus GPE = mgh.
- GPE Wanita = (55 kg)(9,8 m/s2)(3 m) = 1.617 J
- Kotak bergerak GPE = (30 kg)(9,8 m/s2)(10 m) = 2.940 J
- Barbel GPE = (250 kg)(9,8 m/s2)(0,5 m) = 1.470 J
Jadi, dari GPE paling banyak ke paling kecil urutannya adalah: moving box, woman, barbell.
Perhatikan bahwa, secara matematis, karena semua benda berada di Bumi dan memiliki nilai yang sama untukg, meninggalkan nomor itu tetap akan menghasilkan urutan yang benar (tetapi melakukannya akantidakmemberikan jumlah energi yang sebenarnya dalam joule!).
Sebagai gantinya, pertimbangkan bahwa kotak yang bergerak itu berada di Mars, bukan di Bumi. Di Mars, percepatan gravitasi kira-kira sepertiga dari percepatan di Bumi. Itu berarti kotak yang bergerak akan memiliki sekitar sepertiga jumlah GPE di Mars pada ketinggian 10 m, atau 980 J.
