Kekekalan Energi

Saat sebuah benda bergerak, energinya bisa berpindah bolak-balik antara gerak (energi kinetik) dan posisi (energi potensial), tetapi total energi mekaniknya tetap sama selama tidak ada gesekan atau hambatan udara yang mengambilnya. Benda yang jatuh menukar ketinggian dengan kecepatan, dan benda yang naik menukar kecepatan dengan ketinggian — jumlah totalnya tidak pernah berubah.

Rumus

E = ½ · m · v² + m · g · h

E — energi mekanik total (J): gabungan energi gerak dan posisi, tetap konstan tanpa gesekan
m — massa (kg): seberapa banyak materi yang dimiliki benda
v — kecepatan (m/s): seberapa cepat benda bergerak pada saat itu
g — percepatan gravitasi (m/s²): kekuatan tarikan gravitasi, sekitar 9,8 m/s² di dekat permukaan Bumi
h — ketinggian (m): seberapa jauh benda berada di atas suatu titik acuan

Contoh yang diselesaikan

Sebuah bola bermassa 2 kg berayun melalui lintasannya pada ketinggian 5 m di atas tanah, bergerak dengan kecepatan 4 m/s. Dengan g = 9,8 meter per detik kuadrat, berapa energi mekanik totalnya?

m = 2 kg
v = 4 m/s
h = 5 m

E = ½ · m · v² + m · g · h
E = ½ · 2 kg · (4 m/s)² + 2 kg · 9.8 m/s² · 5 m

E = 114 J

Uji diri Anda

Bola 2 kg yang sama kini mencapai ketinggian 10 m, masih bergerak dengan kecepatan 4 m/s pada titik itu. Berapa energi mekanik totalnya?

228 J
Jawaban benar: 212 J
114 J

Benar! E = ½ × 2 kg × (4 m/s)² + 2 kg × 9,8 m/s² × 10 m = 16 J + 196 J = 212 J.

Sebuah bola menggelinding menuruni bukit tanpa gesekan, kehilangan ketinggian seiring geraknya. Apa yang terjadi pada kecepatan dan energi mekanik totalnya?

Jawaban benar: Kecepatan bertambah, energi total tetap sama
Kecepatan berkurang, energi total tetap sama
Kecepatan bertambah, energi total bertambah

Tepat sekali! Ketinggian berubah menjadi kecepatan — energi kinetik naik seiring energi potensial turun, tetapi totalnya tetap konstan tanpa gesekan.

Di mana Anda melihatnya

Pendulum berayun tertinggi di ujungnya, di mana sebentar tidak bergerak, dan tercepat di bagian bawah, menukar ketinggian dengan kecepatan dan kembali lagi setiap ayunan. Bukit tertinggi roller coaster selalu yang pertama — kereta tidak pernah dapat naik lebih tinggi dari titik awalnya setelah mulai mengubah ketinggian menjadi kecepatan.

Kesalahan umum

Kesalahan yang sering terjadi adalah mengasumsikan energi “habis” ketika sesuatu melambat — itu tidak hilang, ia mengubah menjadi bentuk lain, biasanya panas dari gesekan atau hambatan udara yang tidak dilacak total energi mekanis sederhana. Yang lain adalah mencampur ketergantungan energi kinetik dan potensial: energi potensial (mgh) hanya bergantung pada ketinggian, bukan kecepatan, sedangkan energi kinetik (½mv²) hanya bergantung pada kecepatan, bukan ketinggian.

Bagaimana ini terhubung

Ini adalah setengah kedua dari toolkit yang dimulai konservasi momentum: momentum melacak arah dan selalu dilestarikan dalam sistem tertutup, sementara energi mekanis melacak gerak-plus-posisi dan hanya dilestarikan ketika gesekan tidak mencuri apa pun. Torsi dan tuas, berikutnya, menerapkan ide-ide gaya yang sama untuk rotasi bukan gerakan garis lurus.