ENERGI POTENSIAL: KARAKTERISTIK, JENIS, PERHITUNGAN DAN CONTOH - FISIK - 2025

The energi potensial adalah energi yang tubuh di bawah konfigurasi sendiri. Ketika objek berinteraksi, ada kekuatan di antara mereka yang mampu melakukan pekerjaan, dan kemampuan untuk melakukan pekerjaan ini, yang disimpan dalam pengaturannya, dapat diterjemahkan menjadi energi.

Misalnya, manusia telah memanfaatkan energi potensial air terjun sejak zaman dahulu kala, pertama dengan pabrik pemintalan dan kemudian di pembangkit listrik tenaga air.

Air Terjun Niagara: reservoir besar energi potensial gravitasi. Sumber: Pixabay.

Di sisi lain, banyak bahan memiliki kemampuan luar biasa untuk melakukan pekerjaan dengan mendeformasi dan kemudian kembali ke ukuran aslinya. Dan pada keadaan lain, pengaturan muatan listrik memungkinkan terjadinya penyimpanan energi potensial listrik, seperti misalnya pada kapasitor.

Energi potensial menawarkan banyak kemungkinan untuk diubah menjadi bentuk energi lain yang dapat digunakan, oleh karena itu penting untuk mengetahui hukum yang mengaturnya.

Asal energi potensial

Energi potensial suatu benda berasal dari gaya yang mempengaruhinya. Akan tetapi, energi potensial adalah besaran skalar, sedangkan gaya adalah vektor. Oleh karena itu, untuk menentukan energi potensial, cukup dengan menunjukkan nilai numeriknya dan satuan yang dipilih.

Kualitas penting lainnya adalah jenis gaya yang dapat digunakan untuk menyimpan energi potensial, karena tidak setiap gaya memiliki keutamaan ini. Hanya gaya konservatif yang menyimpan energi potensial dalam sistem tempat mereka bertindak.

Gaya konservatif adalah gaya yang pekerjaannya tidak bergantung pada jalur yang diikuti benda, tetapi hanya pada titik awal dan titik kedatangan. Gaya yang menggerakkan air yang jatuh adalah gravitasi, yang merupakan gaya konservatif.

Di sisi lain, gaya elastis dan elektrostatis juga memiliki kualitas ini, oleh karena itu terdapat energi potensial yang terkait dengannya.

Pasukan yang tidak memenuhi persyaratan tersebut di atas disebut non-konservatif; Contohnya adalah gesekan dan hambatan udara.

Jenis energi potensial

Karena energi potensial selalu berasal dari gaya konservatif seperti yang telah disebutkan, kita berbicara tentang energi potensial gravitasi, energi potensial elastis, energi potensial elektrostatis, energi potensial nuklir, dan energi potensial kimia.

Energi potensial gravitasi

Setiap benda memiliki energi potensial sebagai fungsi dari ketinggiannya dari tanah. Fakta yang tampaknya sederhana ini menggambarkan mengapa air yang jatuh mampu menggerakkan turbin dan akhirnya diubah menjadi energi listrik. Contoh pemain ski yang ditunjukkan di sini juga menunjukkan hubungan berat dan tinggi dengan energi potensial gravitasi.

Contoh lainnya adalah mobil roller coaster, yang memiliki energi potensial lebih tinggi ketika berada pada ketinggian tertentu di atas permukaan tanah. Setelah mencapai permukaan tanah, tingginya sama dengan nol dan semua energi potensial diubah menjadi energi kinetik (energi gerak).

Animasi tersebut menunjukkan pertukaran antara energi potensial gravitasi dan energi kinetik, dari sebuah benda yang bergerak di atas roller coaster. Jumlah kedua energi, yang disebut energi mekanik, konstan sepanjang gerakan. Sumber: Wikimedia Commons.

Energi potensial elastis

Benda-benda seperti pegas, busur, busur silang, dan karet gelang mampu menyimpan energi potensial elastis.

Dengan menggambar busur, pemanah melakukan pekerjaan yang disimpan sebagai energi potensial sistem anak panah. Saat Anda melepaskan busur, energi ini diubah menjadi gerakan anak panah. Sumber: Pixabay.

Elastisitas benda atau bahan dijelaskan oleh hukum Hooke (sampai batas tertentu), yang memberi tahu kita bahwa gaya yang mampu bekerja ketika dikompresi atau diregangkan sebanding dengan deformasi.

Misalnya dalam kasus pegas atau pegas, ini berarti semakin menyusut atau meregang, semakin besar gaya yang dapat diberikannya pada benda yang ditempatkan di salah satu ujungnya.

Energi potensial elektrostatis

Ini adalah energi yang dimiliki muatan listrik berdasarkan konfigurasinya. Muatan listrik dari tanda yang sama saling tolak, jadi untuk menempatkan sepasang muatan positif atau negatif pada posisi tertentu, agen eksternal harus bekerja. Kalau tidak, mereka cenderung berpisah.

Pekerjaan ini disimpan dengan cara penempatan beban. Semakin dekat muatan dari tanda yang sama, semakin tinggi energi potensial yang dimiliki konfigurasi tersebut. Kebalikannya terjadi jika menyangkut banyak tanda yang berbeda; Saat mereka menarik satu sama lain, semakin dekat mereka, semakin sedikit energi potensial yang mereka miliki.

Energi potensial nuklir

Representasi perkiraan atom Helium. Dalam inti, proton diwakili dengan warna merah dan neutron dengan warna biru.

Inti atom terdiri dari proton dan neutron, yang secara umum disebut nukleon. Yang pertama memiliki muatan listrik positif dan yang terakhir netral.

Karena mereka teraglomerasi dalam ruang kecil di luar imajinasi, dan mengetahui bahwa muatan dari tanda yang sama saling tolak, orang bertanya-tanya bagaimana inti atom tetap kohesif.

Jawabannya terletak pada gaya lain selain tolakan elektrostatis, karakteristik inti, seperti interaksi inti kuat dan interaksi inti lemah. Ini adalah gaya yang sangat kuat, jauh melebihi gaya elektrostatis.

Energi potensial kimia

Bentuk energi potensial ini berasal dari bagaimana atom dan molekul zat diatur, menurut jenis ikatan kimia yang berbeda.

Ketika reaksi kimia berlangsung, energi ini dapat diubah menjadi jenis lain, misalnya melalui sel atau baterai listrik.

Contoh energi potensial

Energi potensial hadir dalam kehidupan sehari-hari dengan berbagai cara. Mengamati efeknya semudah menempatkan objek apa pun pada ketinggian tertentu dan memastikan bahwa benda itu dapat berguling atau jatuh kapan saja.

Berikut beberapa manifestasi dari jenis energi potensial yang telah dijelaskan sebelumnya:

-Roller coaster

-Mobil atau bola bergulir menuruni bukit

-Busur dan anak panah

-Baterai listrik

-Jam pendulum

Ketika salah satu bola di ujung digerakkan, gerakan ditransmisikan ke yang lain. Sumber: Pixabay.

-Mengayun di ayunan

-Melompat di atas trampolin

-Gunakan pena yang bisa ditarik.

Lihat: contoh energi potensial.

Perhitungan energi potensial

Energi potensial bergantung pada usaha yang dilakukan oleh gaya dan ini pada gilirannya tidak bergantung pada lintasan, sehingga dapat dinyatakan bahwa:

-Jika A dan B adalah dua titik, pekerjaan W _{AB yang} diperlukan untuk berpindah dari A ke B sama dengan pekerjaan yang diperlukan untuk berpindah dari B ke A. Oleh karena itu: W _AB = W _BA , jadi:

-Dan jika dua lintasan berbeda 1 dan 2 dicoba untuk menggabungkan titik A dan B tersebut, pekerjaan yang dilakukan pada kedua kasus tersebut juga sama:

W ₁ = W ₂ .

Dalam kasus lain, objek mengalami perubahan energi potensial:

Nah, energi potensial benda didefinisikan sebagai negatif dari usaha yang dilakukan oleh gaya (konservatif):

Tetapi karena pekerjaan ditentukan oleh integral ini:

:

Perhatikan bahwa satuan energi potensial sama dengan satuan kerja. Dalam Sistem Internasional SI, satuannya adalah joule, yang disingkat J dan sama dengan 1 newton x meter, oleh fisikawan Inggris James Joule (1818-1889).

Satuan lain untuk energi termasuk cgs erg, pound-force x foot, BTU (British Thermal Unit), kalori, dan kilowatt-hour.

Mari kita lihat di bawah ini beberapa kasus khusus tentang cara menghitung energi potensial.

Perhitungan energi potensial gravitasi

Di sekitar permukaan bumi, gaya gravitasi menunjuk ke bawah secara vertikal dan besarnya ditentukan oleh persamaan Berat = massa x gravitasi.

Menandakan sumbu vertikal dengan huruf "y" dan menetapkan ke arah ini vektor satuan j , positif ke atas dan negatif ke bawah, perubahan energi potensial ketika benda bergerak dari y = y _A ke y = dan _B adalah :

Perhitungan energi potensial elastis

Hukum Hooke memberi tahu kita bahwa gaya sebanding dengan deformasi:

Di sini x adalah regangan dan k adalah konstanta eigen pegas, yang menunjukkan seberapa kaku pegas tersebut. Melalui ungkapan ini energi potensial elastis dihitung, dengan mempertimbangkan bahwa i adalah vektor satuan dalam arah horizontal:

Perhitungan energi potensial elektrostatis

Ketika Anda memiliki sebuah titik muatan listrik Q, ia menghasilkan medan listrik yang merasakan muatan titik lain q, dan yang bekerja padanya ketika dipindahkan dari satu posisi ke posisi lain di tengah medan. Gaya elektrostatis antara dua muatan titik memiliki arah radial yang dilambangkan dengan vektor satuan r :

Gambar misalnya 1. Sumber: F. Zapata.

Larutan

Ketika balok berada pada ketinggian h _A terhadap lantai, balok memiliki energi potensial gravitasi karena tingginya. Saat dilepaskan, energi potensial ini secara bertahap diubah menjadi energi kinetik, dan saat ia meluncur menuruni lereng yang melengkung mulus, kecepatannya meningkat.

Selama jalur dari A ke B, persamaan gerak bujursangkar yang bervariasi secara seragam tidak dapat diterapkan. Walaupun gravitasi bertanggung jawab atas pergerakan balok, gerakan yang dialaminya lebih kompleks, karena lintasannya tidak bujursangkar.

Kekekalan energi di jalur AB

Namun, karena gravitasi adalah gaya konservatif dan tidak ada gesekan pada ramp, Anda dapat menggunakan kekekalan energi mekanik untuk mencari kecepatan di ujung ramp:

Ekspresi tersebut disederhanakan dengan mencatat bahwa massa muncul di setiap suku. Ini dilepaskan dari istirahat v _A = 0. Dan h _B berada di permukaan tanah, h _B = 0. Dengan penyederhanaan ini, ekspresi berkurang menjadi:

Pekerjaan dilakukan dengan menggosok di bagian BC

Sekarang balok memulai perjalanannya di bagian kasar dengan kecepatan ini dan akhirnya berhenti di titik C. Oleh karena itu v _C = 0. Energi mekanik tidak lagi kekal, karena gesekan adalah gaya disipatif, yang membuat a mengerjakan blok yang diberikan oleh:

Karya ini bertanda negatif karena gesekan kinetik memperlambat gerak benda, berlawanan dengan gerakannya. Besarnya gaya gesek kinetik f _k adalah:

Dimana N adalah besar gaya normal. Gaya normal diberikan oleh permukaan balok, dan karena permukaan benar-benar horizontal, ia menyeimbangkan berat P = mg, oleh karena itu besarnya normal adalah:

Yang mengarah ke:

Pekerjaan yang dilakukan _fk pada balok adalah: W _k = - f _k. D = - μ _k .mg.D.

Perhitungan perubahan energi mekanik

Pekerjaan ini setara dengan perubahan energi mekanik, dihitung seperti ini:

Dalam persamaan ini ada beberapa istilah yang hilang: K _C = 0, karena balok berhenti di C dan U _C = U _B juga lenyap , karena titik-titik ini berada di permukaan tanah. Hasil penyederhanaan dalam:

Massa kembali membatalkan dan D dapat diperoleh sebagai berikut:

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.