ENERGI MEKANIK: RUMUS, KONSEP, JENIS, CONTOH, LATIHAN - FISIK - 2025

The energi mekanik dari suatu obyek atau sistem didefinisikan sebagai jumlah energi potensial dan energi kinetik nya. Seperti namanya, sistem memperoleh energi mekanik berkat aksi gaya mekanis seperti berat dan gaya elastis.

Bergantung pada jumlah energi mekanik yang dimiliki tubuh, ia juga akan memiliki kemampuan untuk melakukan pekerjaan mekanis.

Gambar 1. Gerakan mobil roller coaster dapat digambarkan dengan kekekalan energi mekanik. Sumber: Pixabay.

Energi - apapun jenisnya - adalah besaran skalar, oleh karena itu kurang arah dan makna. Misalkan E _m energi mekanik suatu benda, U energi potensial dan K energi kinetiknya, rumus untuk menghitungnya adalah:

Satuan dalam Sistem Internasional untuk energi jenis apapun adalah joule, yang disingkat J. 1 J sama dengan 1 Nm (newton per meter).

Mengenai energi kinetik dihitung sebagai berikut:

Dimana m adalah massa benda dan v kecepatannya. Energi kinetik selalu berupa besaran positif, karena massa dan kuadrat kecepatan adalah. Mengenai energi potensial, jika itu adalah energi potensial gravitasi, kita memiliki:

Di sini m masih merupakan massa, g adalah percepatan gravitasi dan h adalah ketinggian terhadap level referensi atau jika Anda lebih suka, tanah.

Nah, jika benda yang dimaksud memiliki energi potensial elastis - ini bisa menjadi pegas - itu karena ia terkompresi atau mungkin memanjang. Dalam hal ini energi potensial yang terkait adalah:

Dengan k sebagai konstanta pegas, yang menunjukkan seberapa mudah atau sulit untuk mendeformasi dan x panjang deformasi tersebut.

Konsep dan karakteristik energi mekanik

Mendalami lebih dalam definisi yang diberikan sebelumnya, energi mekanik kemudian bergantung pada energi yang terkait dengan gerakan benda: energi kinetik, ditambah kontribusi energi potensial, yang seperti yang telah kami katakan dapat berupa gravitasi, baik karena bobotnya maupun kekuatannya. posisi tubuh terhadap tanah atau tingkat referensi.

Mari kita ilustrasikan ini dengan contoh sederhana: misalkan Anda memiliki pot di tanah dan diam. Karena ia diam, ia tidak memiliki energi kinetik, dan ia juga berada di tanah, tempat ia tidak dapat jatuh; oleh karena itu ia kekurangan energi potensial gravitasi dan energi mekaniknya adalah 0.

Sekarang misalkan seseorang menempatkan pot tepat di tepi atap atau jendela, setinggi 3,0 meter. Untuk ini orang tersebut harus bekerja melawan gravitasi. Panci tersebut sekarang memiliki energi potensial gravitasi, ia dapat jatuh dari ketinggian tersebut dan energi mekaniknya tidak lagi nol.

Gambar 2. Pot bunga di bagian atas jendela memiliki energi potensial gravitasi. Sumber: Pixabay.

Dalam keadaan ini pot memiliki E _m = U dan jumlah ini tergantung pada tinggi dan berat pot, seperti yang ditunjukkan sebelumnya.

Misalkan pot jatuh karena posisinya genting. Saat jatuh, kecepatannya bertambah dan dengan itu energi kinetiknya, sedangkan energi potensial gravitasi berkurang, karena ia kehilangan ketinggian. Energi mekanik saat jatuh adalah:

Kekuatan konservatif dan non-konservatif

Ketika pot berada pada ketinggian tertentu, ia memiliki energi potensial gravitasi karena siapa pun yang mengangkatnya akan melawan gravitasi. Besarnya pekerjaan ini sama dengan gravitasi ketika pot jatuh dari ketinggian yang sama, tetapi memiliki tanda yang berlawanan, karena dilakukan melawannya.

Pekerjaan yang dilakukan oleh gaya seperti gravitasi dan elastisitas hanya bergantung pada posisi awal dan posisi akhir yang diperoleh benda. Jalan yang diikuti untuk pergi dari satu jalan ke jalan lainnya tidak masalah, hanya nilai itu sendiri yang penting. Gaya yang berperilaku seperti ini disebut gaya konservatif.

Dan karena mereka konservatif, mereka memungkinkan pekerjaan yang dilakukan oleh mereka disimpan sebagai energi potensial dalam konfigurasi objek atau sistem. Itulah sebabnya pot di tepi jendela atau atap, memiliki kemungkinan jatuh, dan dengan itu mengembangkan gerakan.

Sebaliknya ada gaya-gaya yang pekerjaannya bergantung pada jalur yang diikuti oleh objek tempat mereka bekerja. Gesekan termasuk jenis gaya ini. Sol sepatu Anda akan lebih aus saat Anda pergi dari satu tempat ke tempat lain di jalan dengan banyak belokan, dibandingkan saat Anda lewat di jalan yang lebih langsung.

Gaya gesekan melakukan pekerjaan yang menurunkan energi kinetik benda, karena hal itu memperlambatnya. Dan itulah sebabnya energi mekanik dari sistem di mana gesekan cenderung menurun.

Beberapa pekerjaan yang dilakukan dengan paksa hilang oleh panas atau suara, misalnya.

Jenis-jenis energi mekanik

Energi mekanik, seperti yang kita katakan, adalah penjumlahan energi kinetik dan energi potensial. Sekarang, energi potensial dapat berasal dari berbagai gaya konservatif: berat, gaya elastis, dan gaya elektrostatis.

- Energi kinetik

Energi kinetik adalah besaran skalar yang selalu berasal dari gerak. Setiap partikel atau benda yang bergerak memiliki energi kinetik. Sebuah benda yang bergerak dalam garis lurus memiliki energi kinetik translasi. Hal yang sama terjadi jika ia berputar, dalam hal ini kita berbicara tentang energi kinetik rotasi.

Misalnya, mobil yang melaju di jalan raya memiliki energi kinetik. Juga bola sepak sambil bergerak di sekitar lapangan atau orang yang terburu-buru pergi ke kantor.

- Energi potensial

Selalu mungkin untuk mengasosiasikan dengan gaya konservatif fungsi skalar yang disebut energi potensial. Berikut ini dibedakan:

Energi potensial gravitasi

Salah satu yang dimiliki semua objek berdasarkan ketinggiannya dari tanah, atau tingkat referensi yang telah dipilih seperti itu. Sebagai contoh, seseorang yang sedang istirahat di teras gedung 10 lantai, memiliki 0 energi potensial terhadap lantai teras, tetapi tidak untuk jalan yang 10 lantai di bawahnya.

Energi potensial elastis

Biasanya disimpan dalam objek seperti karet gelang dan pegas, terkait dengan deformasi yang mereka alami saat diregangkan atau dikompresi.

Energi potensial elektrostatis

Itu disimpan dalam sistem muatan listrik dalam kesetimbangan, karena interaksi elektrostatik di antara mereka. Misalkan kita memiliki dua muatan listrik dari tanda yang sama yang dipisahkan oleh jarak yang kecil; karena muatan listrik dari tanda yang sama saling tolak, diharapkan beberapa agen eksternal telah bekerja untuk mendekatkan mereka.

Setelah diposisikan, sistem berhasil menyimpan pekerjaan yang dilakukan agen untuk mengkonfigurasinya, dalam bentuk energi potensial elektrostatis.

Konservasi energi mekanik

Kembali ke pot jatuh, energi potensial gravitasi yang dimilikinya saat berada di tepi atap diubah menjadi energi kinetik gerak. Ini meningkat dengan mengorbankan yang pertama, tetapi jumlah keduanya tetap konstan, karena jatuhnya pot diaktifkan oleh gravitasi, yang merupakan gaya konservatif.

Ada pertukaran antara satu jenis energi dan jenis lainnya, tetapi jumlah aslinya sama. Oleh karena itu sah untuk ditegaskan bahwa:

Kalau tidak:

Dengan kata lain energi mekanik tidak berubah dan ∆E _m = 0. Simbol "∆" berarti variasi atau perbedaan antara kuantitas akhir dan awal.

Untuk menerapkan prinsip kekekalan energi mekanik dengan benar pada pemecahan masalah, perlu diperhatikan bahwa:

-Ini hanya diterapkan ketika gaya yang bekerja pada sistem bersifat konservatif (gravitasi, elastis dan elektrostatis). Dalam hal ini: ∆E _m = 0.

-Sistem yang diteliti harus diisolasi. Tidak ada transfer energi dalam arti apapun.

-Jika gesekan muncul dalam masalah, maka ∆E _m ≠ 0. Meskipun demikian, masalah tersebut dapat diatasi dengan mencari usaha yang dilakukan oleh gaya konservatif, karena hal tersebut merupakan penyebab penurunan energi mekanik.

Pengurangan kekekalan energi mekanik

Misalkan gaya konservatif bekerja pada sistem yang bekerja W. Pekerjaan ini menyebabkan perubahan energi kinetik:

Menyamakan persamaan ini, karena keduanya merujuk pada pekerjaan yang dilakukan pada objek:

Subskrip melambangkan "akhir" dan "awal". Pengelompokan:

Contoh energi mekanik

Banyak benda memiliki gerakan yang kompleks, di mana sulit untuk menemukan ekspresi posisi, kecepatan, dan percepatan sebagai fungsi waktu. Dalam kasus seperti itu, menerapkan prinsip kekekalan energi mekanik merupakan prosedur yang lebih efisien daripada mencoba menerapkan hukum Newton secara langsung.

Mari kita lihat beberapa contoh di mana energi mekanik dikonservasi:

- Pemain ski yang meluncur menuruni bukit di bukit bersalju , asalkan dianggap tidak gesekan. Dalam hal ini, beban adalah gaya yang menyebabkan pergerakan di sepanjang lintasan.

- Kereta roller coaster adalah salah satu contoh paling umum. Di sini, juga, berat adalah gaya yang menentukan gerakan dan energi mekanik dipertahankan jika tidak ada gesekan.

- Pendulum sederhana terdiri dari massa yang menempel pada tali yang tidak dapat diperpanjang - panjangnya tidak berubah-, yang dipisahkan sebentar dari vertikal dan dibiarkan berosilasi. Kita tahu bahwa pada akhirnya ia akan mengerem dari gesekan, tetapi jika gesekan tidak diperhitungkan, energi mekanik juga ikut terjaga.

- Sebuah balok yang menabrak pegas yang dipasang di salah satu ujungnya ke dinding, semua ditempatkan di atas meja yang sangat halus. Balok menekan pegas, menempuh jarak tertentu, dan kemudian dilemparkan ke arah yang berlawanan karena pegas diregangkan. Di sini balok memperoleh energi potensial berkat pekerjaan yang dilakukan pegas di atasnya.

- Pegas dan bola : saat pegas dikompresi oleh bola, pegas akan memantul. Hal ini karena saat pegas dilepaskan, energi potensial diubah menjadi energi kinetik pada bola.

- Lompatan trampolin : cara kerjanya mirip dengan pegas, secara elastis mendorong orang yang melompat di atasnya. Ini memanfaatkan beratnya saat melompat, yang dengannya ia merusak loncatan, tetapi ini, ketika kembali ke posisi semula, memberikan dorongan ke pelompat.

Gambar 3. Trampolin berfungsi seperti pegas, mendorong orang yang melompat ke atas. Sumber: Pixabay.

Latihan terselesaikan

- Latihan 1

Sebuah benda bermassa m = 1 kg dijatuhkan dari ketinggian 1 m. Jika ramp sangat mulus, tentukan kecepatan benda tepat saat pegas bertabrakan.

Gambar 4. Sebuah benda turun di jalur landai tanpa gesekan dan menekan pegas yang terpasang ke dinding. Sumber: F. Zapata.

Larutan

Pernyataan tersebut menginformasikan bahwa tanjakan mulus, yang berarti bahwa satu-satunya gaya yang bekerja pada benda adalah beratnya, gaya konservatif. Jadi, diindikasikan untuk menerapkan kekekalan energi mekanik antara titik manapun dari jalur.

Perhatikan poin-poin yang ditandai pada gambar 5: A, B dan C.

Gambar 5. Jalur yang diikuti benda bebas gesekan dan energi mekanik kekal di antara pasangan titik mana pun. Sumber: F. Zapata.

Dimungkinkan untuk mengatur kekekalan energi antara A dan B, B dan C atau A dan C, atau salah satu titik di antaranya di jalan. Misalnya, antara A dan C Anda memiliki:

Saat dilepaskan dari titik A, kecepatan v _A = 0, sebaliknya h _C = 0. Selanjutnya, massa m meniadakan, karena merupakan faktor persekutuan. Begitu:

- Latihan 2

Tentukan kompresi maksimum yang akan dialami pegas pada latihan 1, jika konstanta elastisitasnya adalah 200 N / m.

Larutan

Konstanta pegas pada pegas menunjukkan gaya yang perlu diterapkan untuk mendeformasi pegas sebesar satu satuan panjang. Karena konstanta pegas ini adalah k = 200 N / m, hal ini menunjukkan bahwa diperlukan 200 N untuk memampatkan atau meregangkannya 1 m.

Misalkan x adalah jarak benda memampatkan pegas sebelum berhenti di titik D:

Gambar 6. Objek menekan pegas sejauh x dan berhenti sejenak. Sumber: F. Zapata.

Kekekalan energi antara titik C dan D, menetapkan bahwa:

Pada titik C ia tidak memiliki energi potensial gravitasi, karena tingginya 0, tetapi memiliki energi kinetik. D telah berhenti sepenuhnya, jadi ada untuk K _D = 0, tetapi sebaliknya membuat energi potensial dari pegas U _{D yang} dikompresi .

Kekekalan energi mekanik adalah sebagai:

½ mv _C ² = ½ kx ²

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 1. Kinematika. Diedit oleh Douglas Figueroa (USB).
3. Knight, R. 2017. Fisika untuk Ilmuwan dan Teknik: Pendekatan Strategi. Pearson.
4. Sears, Zemansky. 2016. Fisika Universitas dengan Fisika Modern. 14. Ed. Volume 1.
5. Wikipedia. Energi mekanik Diperoleh dari: es.wikipedia.org.