Cara Menghitung Energi Potensial

Energi potensial terdengar seperti energi yang belum diaktualisasikan, dan memikirkannya seperti itu dapat membuat Anda percaya bahwa itu tidak nyata. Berdirilah di bawah brankas yang tergantung 30 kaki di atas tanah, dan pendapat Anda mungkin berubah. Brankas memiliki energi potensial karena gaya gravitasi, dan jika seseorang memotong tali yang menahannya, energi itu akan berubah menjadi energi kinetik, dan pada saat brankas mencapai Anda, itu akan memiliki energi "aktualisasi" yang cukup untuk memberi Anda pemisahan sakit kepala.

Definisi energi potensial yang lebih baik adalah energi yang tersimpan, dan dibutuhkan "usaha" untuk menyimpan energi tersebut. Fisika memiliki definisi kerja yang spesifik - pekerjaan dilakukan ketika sebuah gaya menggerakkan sebuah benda pada jarak tertentu. Usaha berkaitan dengan energi. Ini diukur dalam joule dalam sistem SI., yang juga merupakan satuan energi potensial dan kinetik. Untuk mengubah usaha menjadi energi potensial, Anda harus bertindak melawan jenis gaya tertentu, dan ada beberapa. Gaya bisa berupa gravitasi, pegas atau medan listrik. Karakteristik gaya menentukan jumlah energi potensial yang Anda simpan dengan melakukan usaha melawannya.

Cara kerja gravitasi adalah bahwa dua benda saling menarik, tetapi segala sesuatu di bumi sangat kecil dibandingkan dengan planet itu sendiri sehingga hanya medan gravitasi bumi yang signifikan. Jika Anda mengangkat tubuh (saya) di atas tanah, benda tersebut mengalami gaya yang cenderung membuatnya berakselerasi menuju tanah. Besarnya gaya (F), dari hukum ke-2 Newton, diberikan oleh F = mg, dimana g adalah percepatan gravitasi, yang konstan di mana-mana di Bumi.

Misalkan Anda mengangkat tubuh ke ketinggian h. Jumlah pekerjaan yang Anda lakukan untuk mencapai ini adalah gaya × jarak, atau mgh. Pekerjaan itu disimpan sebagai energi potensial, sehingga persamaan energi potensial untuk medan gravitasi bumi adalah:

Energi Potensial Gravitasi = mgh

Pegas, karet gelang, dan bahan elastis lainnya dapat menyimpan energi, yang pada dasarnya adalah apa yang Anda lakukan saat menarik busur tepat sebelum menembakkan panah. Saat Anda meregangkan atau menekan pegas, pegas memberikan gaya berlawanan yang bekerja untuk mengembalikan pegas ke posisi semula posisi kesetimbangan Besarnya gaya sebanding dengan jarak yang Anda regangkan atau tekan saya t (x). Konstanta proporsionalitas (k) adalah karakteristik musim semi. Menurut hukum Hooke, F = −kx. Tanda minus menunjukkan kekuatan pemulih pegas, yang bekerja dalam arah yang berlawanan dengan yang meregangkan atau menekannya.

Untuk menghitung energi potensial yang tersimpan dalam bahan elastis, Anda harus mengakui bahwa gaya semakin besar sebagai x meningkat. Untuk jarak yang sangat kecil, F adalah konstan. Dengan menjumlahkan gaya dari semua jarak yang sangat kecil antara 0 (keseimbangan) dan perpanjangan akhir atau kompresi x, Anda dapat menghitung usaha yang dilakukan dan energi yang tersimpan. Proses penjumlahan ini merupakan teknik matematika yang disebut integrasi. Ini menghasilkan rumus energi potensial untuk bahan elastis:

Energi potensial = kx²/2

dimana x adalah ekstensi dan k adalah konstanta pegas.

Pertimbangkan untuk memindahkan muatan positif q dalam medan listrik yang dihasilkan oleh muatan positif yang lebih besar Q. Karena gaya tolak listrik, dibutuhkan usaha untuk memindahkan muatan yang lebih kecil lebih dekat ke muatan yang lebih besar. Menurut hukum Coulomb, gaya antara muatan di setiap titik adalah kqQ/r², dimana r adalah jarak antara mereka. Pada kasus ini, k adalah konstanta Coulomb, bukan konstanta pegas. Fisikawan menunjukkan keduanya dengan k. Anda menghitung energi potensial dengan mempertimbangkan pekerjaan yang diperlukan untuk bergerak q dari jauh tak terhingga dari Q untuk jaraknya r. Ini memberikan persamaan energi potensial listrik:

Energi Potensial Listrik = kqQ/r

Potensial listrik sedikit berbeda. Ini adalah jumlah energi yang disimpan per satuan muatan, dan ini dikenal sebagai tegangan, diukur dalam volt (joule/coulomb). Persamaan untuk potensial listrik atau tegangan yang dihasilkan oleh muatan Q di kejauhan r aku s:

Potensial Listrik = kQ/r