ENERGI KINETIK: KARAKTERISTIK, JENIS, CONTOH, LATIHAN - FISIK - 2025

The energi kinetik dari sebuah benda yang yang berhubungan dengan pergerakannya, yang mengapa benda diam kekurangan itu, meskipun mereka mungkin memiliki jenis energi lainnya. Massa dan kecepatan benda berkontribusi pada energi kinetik, yang pada prinsipnya dihitung dengan persamaan: K = ½ mv ²

Dimana K adalah energi kinetik dalam joule (satuan energi dalam Sistem Internasional), m adalah massa, dan v adalah kecepatan benda. Terkadang energi kinetik juga dilambangkan sebagai E _c atau T.

Gambar 1. Mobil yang bergerak memiliki energi kinetik berdasarkan gerakannya. Sumber: Pixabay.

Karakteristik energi kinetik

-Energi kinetik adalah skalar, oleh karena itu nilainya tidak bergantung pada arah atau indera di mana benda bergerak.

-Tergantung pada kuadrat kecepatan, yang berarti dengan menggandakan kecepatan, energi kinetiknya tidak hanya dua kali lipat, tetapi meningkat 4 kali lipat. Dan jika kecepatannya tiga kali lipat, maka energinya dikalikan sembilan dan seterusnya.

-Energi kinetik selalu positif, karena massa dan kuadrat kecepatan dan faktor ½ adalah.

-Sebuah benda memiliki 0 energi kinetik saat diam.

-Beberapa kali perubahan energi kinetik suatu benda menarik, yang bisa negatif. Misalnya, jika pada awal gerakannya benda memiliki kecepatan yang lebih besar kemudian mulai mengerem, maka selisih _akhir K - K _awal kurang dari 0.

-Jika suatu benda tidak mengubah energi kinetiknya, kecepatan dan massanya tetap konstan.

Jenis

Terlepas dari jenis gerakan yang dimiliki suatu benda, setiap kali benda itu bergerak, ia akan memiliki energi kinetik, apakah bergerak di sepanjang garis lurus, berputar dalam orbit melingkar atau jenis lainnya, atau mengalami gabungan gerakan rotasi dan translasi. .

Dalam hal ini, jika benda dimodelkan sebagai partikel, yaitu meskipun bermassa, namun dimensinya tidak diperhitungkan, energi kinetiknya adalah ½ mv ² , seperti yang disebutkan di awal.

Misalnya, energi kinetik Bumi dalam gerakan translasi mengelilingi Matahari, dihitung dengan mengetahui massanya 6,0 · 10 ²⁴ kg dengan kecepatan 3,0 · 10 ⁴ m / s adalah:

Lebih banyak contoh energi kinetik akan ditunjukkan nanti untuk berbagai situasi, tetapi untuk saat ini Anda mungkin bertanya-tanya tentang apa yang terjadi pada energi kinetik sistem partikel, karena benda nyata memiliki banyak.

Energi kinetik dari sistem partikel

Jika Anda memiliki sistem partikel, energi kinetik sistem dihitung dengan menjumlahkan masing-masing energi kinetik:

Menggunakan notasi penjumlahannya tetap: K = ½ ∑m _i v _i ² , di mana subskrip "i" menunjukkan partikel ke-i dari sistem tersebut, salah satu dari sekian banyak yang membentuk sistem tersebut.

Perlu dicatat bahwa ekspresi ini valid baik sistem diterjemahkan atau diputar, tetapi dalam kasus terakhir, hubungan antara kecepatan linier v dan kecepatan sudut ω dapat digunakan dan ekspresi baru untuk K dapat ditemukan:

Dalam persamaan ini, r _i adalah jarak antara partikel ke-i dan sumbu rotasi yang dianggap tetap.

Sekarang, misalkan kecepatan sudut masing-masing partikel ini sama, yang terjadi jika jarak di antara mereka tetap konstan, serta jarak ke sumbu rotasi. Jika demikian, subskrip "i" tidak diperlukan untuk ω dan keluar dari penjumlahan:

Energi kinetik rotasi

Memanggil I ke jumlah dalam tanda kurung, kita mendapatkan ekspresi yang lebih ringkas ini, yang dikenal sebagai energi kinetik rotasi:

Di sini saya disebut momen inersia sistem partikel. Momen inersia bergantung, seperti yang kita lihat, tidak hanya pada nilai massa, tetapi juga pada jarak antara mereka dan sumbu rotasi.

Berdasarkan hal ini, sistem mungkin merasa lebih mudah untuk memutar sekitar satu sumbu daripada sumbu lainnya. Untuk alasan ini, mengetahui momen inersia suatu sistem membantu menetapkan apa tanggapannya terhadap rotasi.

Gambar 2. Orang yang berputar pada roda korsel memiliki energi kinetik rotasi. Sumber: Pixabay.

Contoh

Gerakan adalah hal biasa di alam semesta, namun jarang ada partikel yang diam. Pada tingkat mikroskopis, materi tersusun dari molekul dan atom dengan susunan tertentu. Tetapi ini tidak berarti bahwa atom dan molekul dari zat apa pun juga diam.

Padahal, partikel di dalam benda itu bergetar terus menerus. Mereka tidak selalu bergerak maju mundur, tetapi mereka mengalami osilasi. Penurunan suhu sejalan dengan penurunan getaran ini, sedemikian rupa sehingga nol absolut akan setara dengan penghentian total.

Tetapi nol mutlak belum tercapai sejauh ini, meskipun beberapa laboratorium bersuhu rendah telah hampir mencapainya.

Gerakan umum terjadi baik pada skala galaksi maupun pada skala atom dan inti atom, sehingga rentang nilai energi kinetiknya sangat lebar. Mari kita lihat beberapa contoh numerik:

-Seorang orang seberat 70 kg yang berlari dengan kecepatan 3,50 m / s memiliki energi kinetik 428,75 J

-Selama ledakan supernova, partikel dengan energi kinetik 10 ⁴⁶ J.

-Buku yang dijatuhkan dari ketinggian 10 sentimeter mencapai tanah dengan energi kinetik kurang lebih setara 1 joule.

-Jika orang dalam contoh pertama memutuskan untuk berlari dengan kecepatan 8 m / s, energi kinetiknya meningkat hingga mencapai 2240 J.

-Bola bisbol bermassa 0,142 kg yang dilempar pada kecepatan 35,8 km / jam memiliki energi kinetik 91 J.

-Rata-rata, energi kinetik molekul udara adalah 6,1 x 10 ^-21 J.

Gambar 3. Ledakan Supernova di Galaksi Cerutu yang dilihat oleh teleskop Hubble. Sumber: NASA Goddard.

Teorema kerja - energi kinetik

Pekerjaan yang dilakukan oleh suatu gaya pada suatu benda mampu mengubah gerakannya. Dan dalam melakukannya, energi kinetik bervariasi, dan dapat meningkat atau menurun.

Jika partikel atau benda berpindah dari titik A ke titik B, kerja W _{AB yang} diperlukan sama dengan selisih antara energi kinetik benda antara titik B dan yang ada di titik A:

Simbol "Δ" dibaca "delta" dan melambangkan perbedaan antara kuantitas akhir dan kuantitas awal. Sekarang mari kita lihat kasus tertentu:

-Jika usaha yang dilakukan terhadap benda tersebut negatif, berarti gaya tersebut melawan gerakan tersebut. Oleh karena itu energi kinetik menurun.

-Sebaliknya, bila usaha positif, berarti gaya yang bergerak mendukung dan energi kinetik meningkat.

- Mungkin saja gaya tidak bekerja pada objek, yang tidak berarti tidak bisa bergerak. Dalam kasus seperti itu, energi kinetik tubuh tidak berubah.

Ketika bola dilempar ke atas secara vertikal, gravitasi melakukan kerja negatif selama jalur ke atas dan bola melambat, tetapi pada jalur ke bawah, gravitasi mendukung penurunan dengan meningkatkan kecepatan.

Akhirnya, benda-benda yang memiliki gerak bujursangkar seragam atau gerak melingkar seragam tidak mengalami variasi dalam energi kinetiknya, karena kecepatannya tetap.

Hubungan antara energi kinetik dan momen

Momentum atau momentum adalah vektor dilambangkan P . Jangan sampai tertukar dengan berat benda, vektor lain yang sering dilambangkan dengan cara yang sama. Momen tersebut didefinisikan sebagai:

P = m. v

Di mana m adalah massa dan v adalah vektor kecepatan benda. Besarnya momen dan energi kinetik memiliki hubungan tertentu, karena keduanya bergantung pada massa dan kecepatan. Anda dapat dengan mudah menemukan hubungan antara dua kuantitas:

Hal yang baik tentang menemukan hubungan antara momentum dan energi kinetik, atau antara momentum dan besaran fisik lainnya, adalah momentum dipertahankan dalam banyak situasi, seperti selama tumbukan dan situasi kompleks lainnya. Dan ini membuatnya lebih mudah untuk menemukan solusi untuk masalah semacam ini.

Kekekalan energi kinetik

Energi kinetik suatu sistem tidak selalu kekal, kecuali dalam kasus tertentu seperti tumbukan elastis sempurna. Yang terjadi di antara objek yang hampir tidak dapat dideformasi seperti bola biliar dan partikel subatom sangat mendekati ideal ini.

Selama tumbukan elastis sempurna dan dengan asumsi bahwa sistem diisolasi, partikel-partikel dapat saling mentransfer energi kinetik, tetapi dengan syarat jumlah energi kinetik individu tetap konstan.

Namun, pada kebanyakan tumbukan, hal ini tidak terjadi, karena sejumlah energi kinetik sistem diubah menjadi energi panas, deformasi, atau bunyi.

Meskipun demikian, momen (sistem) masih kekal, karena gaya interaksi antar objek, selama tumbukan berlangsung, jauh lebih kuat daripada gaya eksternal mana pun dan dalam keadaan ini, dapat ditunjukkan bahwa momen selalu kekal. .

Latihan

- Latihan 1

Vas kaca yang massanya 2,40 kg dijatuhkan dari ketinggian 1,30 m. Hitung energi kinetiknya sebelum mencapai tanah, tanpa memperhitungkan hambatan udara.

Larutan

Untuk mengaplikasikan persamaan energi kinetik, perlu diketahui kecepatan v saat vas mencapai tanah. Ini adalah jatuh bebas dan tinggi total h tersedia, oleh karena itu, menggunakan persamaan kinematika:

Dalam persamaan ini, g adalah nilai percepatan gravitasi dan v _o adalah kecepatan awal, yang dalam hal ini adalah 0 karena vas dijatuhkan, maka:

Anda dapat menghitung kuadrat kecepatan dengan persamaan ini. Perhatikan bahwa kecepatannya sendiri tidak diperlukan, karena K = ½ mv ² . Anda juga dapat memasukkan kuadrat kecepatan ke dalam persamaan untuk K:

Dan akhirnya dievaluasi dengan data yang disediakan dalam pernyataan:

Menarik untuk dicatat bahwa dalam kasus ini, energi kinetik bergantung pada ketinggian tempat vas dijatuhkan. Dan seperti yang Anda duga, energi kinetik vas ini meningkat sejak turun. Itu karena gravitasi sedang melakukan pekerjaan positif pada vas, seperti dijelaskan di atas.

- Latihan 2

Sebuah truk bermassa m = 1250 kg memiliki kecepatan v ₀ = 105 km / h (29,2 m / s). Hitung pekerjaan yang harus dilakukan rem untuk menghentikan Anda sepenuhnya.

Larutan

Untuk menyelesaikan latihan ini, kita harus menggunakan teorema energi kinetik-kerja yang disebutkan di atas:

Energi kinetik awal adalah ½ mv _atau ² dan energi kinetik akhir adalah 0, karena pernyataan tersebut mengatakan bahwa truk berhenti total. Dalam kasus seperti itu, pekerjaan yang dilakukan rem sepenuhnya terbalik untuk menghentikan kendaraan. Mempertimbangkannya:

Sebelum mengganti nilai, nilainya harus dinyatakan dalam satuan Sistem Internasional, untuk mendapatkan joule saat menghitung pekerjaan:

Dan nilai-nilai tersebut diganti ke dalam persamaan untuk pekerjaan itu:

Perhatikan bahwa pekerjaannya negatif, yang masuk akal karena gaya rem melawan gerakan kendaraan, menyebabkan energi kinetiknya berkurang.

- Latihan 3

Anda memiliki dua mobil yang sedang bergerak. Yang pertama memiliki massa dua kali massa yang terakhir, tetapi hanya setengah energi kinetiknya. Saat kedua mobil meningkatkan kecepatannya sebesar 5,0 m / s, energi kinetiknya sama. Berapa kecepatan asli kedua mobil tersebut?

Larutan

Mobil 1 pada awalnya memiliki energi kinetik K _1o dan massa m ₁ , sedangkan mobil 2 memiliki energi kinetik K _2o dan massa m ₂ . Diketahui juga bahwa:

m ₁ = 2m ₂ = 2m

K _ke-1 = ½ K _ke-2

Dengan pemikiran ini kita menulis: K _1o = ½ (2m) v ₁ ² dan K _2o = ½ mv ₂ ²

Diketahui bahwa K _1o = ½ K _2o yang artinya:

Jadi:

Kemudian dia mengatakan bahwa jika kecepatan meningkat menjadi 5 m / s energi kinetiknya sama:

½ 2m (v ₁ + 5) ² = ½ m (v ₂ + 5) ² → 2 (v ₁ + 5) ² = (v ₂ + 5) ²

Hubungan antara kedua kecepatan diganti:

2 (v ₁ + 5) ² = (2v ₁ + 5) ²

Akar kuadrat diterapkan pada kedua sisi, untuk menyelesaikan v ₁ :

√2 (v ₁ + 5) = (2v ₁ + 5)

Referensi

1. Bauer, W. 2011. Fisika untuk Teknik dan Sains. Jilid 1. Mc Graw Hill.
2. Figueroa, D. (2005). Seri: Fisika untuk Sains dan Teknik. Volume 2. Dinamika. Diedit oleh Douglas Figueroa (USB).
3. Giancoli, D. 2006. Fisika: Prinsip dengan Aplikasi. 6. Ed Prentice Hall.
4. Knight, R. 2017. Fisika untuk Ilmuwan dan Teknik: Pendekatan Strategi. Pearson.
5. Sears, Zemansky. 2016. Fisika Universitas dengan Fisika Modern. 14. Ed. Volume 1-2.