Energi potensial
Menaikkan beban jam kukuk bermassa 0.500 kg sejauh 1 m menyimpan 4.90 J, yang digunakan jam saat beban turun.
Energi yang disimpan dengan mengangkat benda
Angkat buku ke rak dengan kelajuan tetap. Kamu mendorong ke atas dengan gaya sebesar beratnya, m g, sepanjang ketinggian h. Usaha yang kamu lakukan W = m g h. Energi itu tidak lenyap. Energi tersimpan dalam sistem buku dan Bumi, siap berubah kembali menjadi gerak jika buku jatuh. Energi tersimpan ini disebut energi potensial gravitasi, PE = m g h.
Jam kukuk memanfaatkan hal ini secara langsung. Memutar penggeraknya menaikkan beban; saat beban turun perlahan, gravitasi melakukan usaha pada roda gigi. OpenStax menghitungnya: beban 0.500 kg yang dinaikkan 1.00 m mendapat energi 0.500 × 9.80 × 1.00 = 4.90 J. Jam memakai 4.90 J itu selama berjam-jam saat beban turun.
Ketinggian dari mana? Bidang acuan
Ketinggian harus diukur dari suatu tempat, dan kamu bebas memilihnya. Kamu bisa mengukur dari lantai, permukaan meja, atau permukaan laut. Nilai PE berubah sesuai pilihan itu, tetapi selisih antara dua posisi tidak berubah, dan hanya selisih itulah yang penting. Mengangkat kotak dari anak tangga kedua ke ketiga memerlukan energi yang sama dengan mengangkatnya dari anak tangga kedelapan ke kesembilan. Pilih bidang acuan yang memudahkan perhitunganmu, biasanya titik terendah dalam soal.
Lintasan tidak berpengaruh
Gravitasi memiliki sifat khusus. Perubahan energi potensial antara dua titik hanya bergantung pada perubahan ketinggian, bukan lintasannya. Berjalanlah di bidang miring panjang yang landai atau naiklah lurus dengan tangga ke tempat yang sama: perubahannya tetap m g h. Bidang miring memerlukan gaya lebih kecil sepanjang jarak lebih jauh; hasil kalinya sama. Gaya dengan sifat ini disebut gaya konservatif. Gesekan bukan gaya konservatif, karena lintasan yang lebih panjang berarti lebih banyak energi berubah menjadi kalor.
Dari potensial ke kinetik
Biarkan benda yang terangkat jatuh. Gravitasi melakukan usaha m g h padanya dan mengubah energi tersimpan menjadi energi kinetik. OpenStax memakai hal ini untuk menjelaskan bahaya mendarat dengan kaki kaku. Orang bermassa 60.0 kg melompat turun dari ketinggian 3.00 m. Tepat sebelum mendarat, energi kinetiknya sama dengan energi potensial yang hilang, 60.0 × 9.80 × 3.00 = 1764 J. Jika lututnya hanya menekuk sejauh 0.500 cm, lantai harus menghilangkan 1764 J sepanjang 0.005 m. Diperlukan gaya rata-rata sekitar 3.5 × 10⁵ N, kira-kira 600 kali berat tubuhnya. Menekuk kaki sejauh 0.5 m menurunkan gaya itu seratus kali lipat. Kanguru selalu mendarat dengan cara ini.
Energi potensial elastis
Pegas juga menyimpan energi. Pegas yang mematuhi hukum Hooke memerlukan gaya k x untuk diregangkan atau ditekan sejauh x, dengan k sebagai konstanta pegas dalam newton per meter. Energi yang tersimpan PE = ½ k x². Contoh mobil mainan OpenStax memakai pegas dengan k = 250 N/m yang ditekan sejauh 4.00 cm: ½ × 250 × 0.0400² = 0.200 J. Saat dilepas, pegas meluncurkan mobil 0.100 kg menaiki bidang miring setinggi 0.180 m. Ini memerlukan 0.100 × 9.8 × 0.180 = 0.176 J, menyisakan energi kinetik 0.024 J di puncak, cukup untuk kelajuan sekitar 0.69 m/s.
Seret untuk memutar. Gulir atau rapatkan dan renggangkan dua jari untuk mengatur zoom.
Bendungan pembangkit listrik menyimpan energi dengan cara yang sama, hanya dengan air dalam jumlah besar. Setiap kilogram air yang jatuh 100 m menuju turbin melepaskan m g h = 1 × 9.8 × 100 = 980 J. Satu ton air (1000 kg) melepaskan 980 000 J, sekitar 0.98 MJ. Bendungan besar mengalirkan berton-ton air setiap detik. Semakin tinggi bendungan dan semakin banyak air yang mengalir, semakin besar daya yang dihasilkan. Itulah sebabnya bendungan semacam ini dibangun di lembah dalam dengan sungai besar.
| PE gravitasi | PE = m g h |
| Bidang acuan | Tempat h = 0; pilihan apa pun boleh karena hanya selisihnya yang penting |
| Gaya konservatif | Usaha hanya bergantung pada titik awal dan akhir, bukan lintasan (gravitasi, pegas) |
| PE pegas | PE = ½ k x² |
- PE = m g h adalah usaha untuk mengangkat benda dengan kelajuan tetap.
- Pilih bidang acuan mana pun; hanya selisih PE yang penting.
- Untuk gravitasi, perubahan PE hanya bergantung pada perubahan ketinggian.
- Pegas menyimpan energi ½ k x².
- Berapa pertambahan PE beban 0.500 kg yang dinaikkan 1.00 m, dalam joule? (g = 9.8)
- Kotak 10 kg diangkat 2 m. Berapa pertambahan PE dalam joule? (g = 9.8)
- Kamu membawa kotak lewat bidang miring panjang, bukan tangga, ke ketinggian yang sama. Pertambahan PE-nya:
- Sama
- Lebih besar
- Lebih kecil
- Nol
- Gaya mana yang BUKAN konservatif?
- Gesekan
- Gravitasi
- Gaya pegas ideal
- Tidak satu pun
- Orang bermassa 60.0 kg melompat dari ketinggian 3.00 m. Berapa energi kinetiknya tepat sebelum mendarat, dalam joule? (g = 9.8)
- Berapa gaya rata-rata untuk menghentikan orang itu dalam 0.005 m (abaikan tambahan penurunan yang kecil), dalam newton?
- Pegas dengan k = 250 N/m ditekan sejauh 0.04 m. Berapa energi tersimpannya dalam joule?
- Kamu menekan pegas dua kali lebih jauh. Energi tersimpannya menjadi:
- 4 kali lipat
- 2 kali lipat
- Sama
- Setengahnya
- Mengubah bidang acuan dari lantai ke permukaan meja mengubah:
- Nilai PE, bukan selisihnya
- Selisih PE
- Massa benda
- Nilai g
- Seberapa tinggi bola 2 kg harus diangkat untuk menyimpan 49 J? (g = 9.8, dalam meter)
Sumber kursus ini (8)
- OpenStax College Physics 2e (openstax.org/books/college-physics-2e): 7.1 Work: the scientific definition (W = F d cos θ, briefcase cases, 1 J = 1 N·m, 1 J lifts a 100 g apple about 1 m, lawn mower 75.0 N at 35° for 25.0 m = 1.54 × 10³ J, 1 kcal = 4186 J, under 10% of food energy goes into work)
- 7.2 Kinetic energy and the work-energy theorem (KE = ½ m v², 30.0 kg package at 0.500 m/s = 3.75 J, 120 N push with 5.00 N friction over 0.800 m = 92.0 J net, final speed 2.53 m/s, a car at 100 km/h has four times the KE it has at 50 km/h)
- 7.3 Gravitational potential energy (ΔPE = m g h, reference level, path independence, 0.500 kg cuckoo clock weight raised 1.00 m = 4.90 J, 60.0 kg person landing stiffly from 3.00 m, roller coaster 20.0 m hill: 19.8 m/s, and 20.4 m/s with a 5.00 m/s start, mass cancels)
- 7.4 Conservative forces and potential energy (spring PE = ½ k x², 0.100 kg toy car, k = 250 N/m, 4.00 cm, 0.180 m rise)
- 7.5 Nonconservative forces (friction turns mechanical energy into thermal energy)
- 7.6 Conservation of energy (statement of the law, forms of energy, Table 7.1: 1000 kg car at 90 km/h 3.1 × 10⁵ J, tennis ball at 100 km/h 22 J, mosquito 1.3 × 10⁻⁶ J, daily food intake 1.2 × 10⁷ J, 1 gallon gasoline 1.2 × 10⁸ J, 1 g fat 3.9 × 10⁴ J; efficiency, Table 7.2: cycling and climbing 20%, swimming at the surface 2%, gasoline engine 30%, diesel 35%, coal power plant 42%, electric motor 98%, solar cell 10%)
- 7.7 Power (P = W ÷ t, 1 W = 1 J/s, 1 hp = 746 W, 60.0 kg woman up 3.00 m stairs in 3.50 s reaching 2.00 m/s = 538 W, Table 7.3: Sun 4 × 10²⁶ W, car 8 × 10⁴ W, person at rest 100 W, heart at rest 8 W, clothes dryer 4 × 10³ W, a 60 W incandescent bulb gives 5 W of light, power plants turn 35 to 40% of fuel energy into electricity, E = P t, 0.200 kW computer 6.00 h a day for 30.0 days = 36.0 kWh, $4.32 at $0.120 per kWh)
- g = 9.8 m/s² as in OpenStax examples (NIST standard gravity 9.80665 m/s², physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?gn).
Diperiksa: 2026-10-17