Pengertian energi kinetik adalah energi yang dimiliki suatu benda karena gerakannya. Jadi, setiap benda yang bergerak memiliki energi kinetik. Contohnya, energi kinetik dimiliki oleh mobil yang sedang melaju, pesawat yang sedang terbang, dan anak yang sedang berlari. Perhatikanlah Gambar di bawah ini.
Gambar 1. Gaya F menyebabkan benda bergerak sejauh s sehingga kecepatan benda berubah dari v1 menjadi v2.
Benda bermassa m1 bergerak dengan kecepatan v1. Benda tersebut bergerak lurus berubah beraturan sehingga setelah menempuh jarak sebesar s, kecepatan benda berubah menjadi v2. Oleh karena itu, pada benda berlaku persamaan
v2 = v1 + at dan s = v1t + ½ at2.
Anda telah mengetahui bahwa percepatan yang timbul pada gerak lurus berubah beraturan berhubungan dengan gaya F yang bekerja padanya sehingga benda bergerak dengan percepatan a. Besar usaha yang dilakukan gaya sebesar F pada benda dapat dihitung dengan persamaan
W = Fs = m.a.s …………… (1)
Oleh karena gerak benda adalah gerak lurus berubah beraturan, nilai a dan s pada Persamaan (1) dapat disubstitusikan dengan persamaan a dan s dari gerak lurus berubah beraturan, yaitu
a = (v2 – v1)/t
dan s = ½ (v2 + v1)t
sehingga diperoleh
W = [m( v2 – v1)/t] ½ (v2 + v1)t
Fs = m (v2 – v1) (v2 + v1)
Fs = ½ (mv22 – mv12) ………… (2)
Besaran ½ mv2 merupakan energi kinetik benda karena menyatakan kemampuan benda untuk melakukan usaha. Secara umum, persamaan energi kinetik dituliskan sebagai
EK = ½ mv2 ……… (3)
dengan: EK = energi kinetik (joule),
m = massa benda (kg), dan
v = kecepatan benda (m/s).
Dari Persamaan (3), Anda dapat memahami bahwa energi kinetik benda berbanding lurus dengan kuadrat kecepatannya. Apabila kecepatan benda meningkat dua kali lipat kecepatan semula, energi kinetik benda akan naik menjadi empat kali lipat. Dengan demikian, semakin besar kecepatan suatu benda, energi kinetiknya akan semakin besar pula. Perubahan energi kinetik benda dari EK = ½ mv12 menjadi EK = ½ mv22 merupakan besar usaha yang dilakukan oleh resultan gaya yang bekerja pada benda. Secara matematis, persamaannya dapat dituliskan sebagai
W = ½ mv22– ½ mv12
W = EK2 – EK1 = Δ EK
Hukum Kekekalan Energi Mekanik
Dalam proses melakukan usaha, benda yang melakukan usaha itu memindahkan energi yang dimilikinya ke benda lain. Energi yang dimiliki benda agar benda itu dapat melakukan usaha dinamakan energi mekanik.
Gambar 2. Energi mekanik benda dalam bentuk energi potensial dan energi kinetik dapat diubah menjadi usaha.
Perhatikanlah Gambar 2. Beban yang ditarik sampai di ketinggian h memiliki energi mekanik dalam bentuk energi potensial. Saat tali yang menahan berat beban digunting, energi berubah menjadi energi kinetik. Selanjutnya, saat beban menumbuk pasak yang terletak di bawahnya, beban tersebut memberikan gaya yang menyebabkan pasak terbenam ke dalam tanah. Beban itu dikatakan melakukan usaha pada pasak.
Dengan demikian, energi mekanik dapat didefinisikan sebagai jumlah energi potensial dan energi kinetik yang dimiliki oleh suatu benda, atau disebut juga energi total. Besarnya energi mekanik suatu benda selalu tetap, sedangkan energi kinetik dan energi potensialnya dapat berubah-ubah. Penulisannya secara matematis adalah sebagai berikut.
EM = EP + EK ………. (4)
Benda yang jatuh bebas akan mengalami perubahan energi kinetik dan energi potensial gravitasi. Perhatikanlah Gambar 3. Suatu bola dilepaskan dari suatu ketinggian sehingga saat bola berada pada ketinggian h1 dari permukaan tanah, bola itu memiliki v1. Setelah mencapai ketinggian h2 dari permukaan tanah, kecepatan benda berubah menjadi v2.
Gambar 3. Hukum Kekekalan Energi Mekanik suatu bola yang jatuh bebas dari ketinggian h1 dengan kecepatan awal v1 ke ketinggian h2 dengan kecepatan v2.
Saat bola benda berada di ketinggian h1, energi potensial gravitasinya adalah EP1 dan energi kinetiknya EK1. Saat benda mencapai ketinggian h2, energi potensialnya dinyatakan sebagai EP2 dan energi kinetiknya EK2. Anda telah mempelajari bahwa perubahan energi kinetik dan energi potensial benda adalah usaha yang dilakukan gaya pada benda. Dengan demikian, dapat dituliskan
W = ΔEK = ΔEP
EK2 – EK1 = EP1 – EP2
EP1 + EK1 = EP2 + EK2
mgh1 + ½ mv12 = mgh2 + ½ mv22 ……….. (5)
Persamaan (5) ini disebut Hukum Kekekalan Energi Mekanik.
Contoh soal
Sebuah benda berada dalam keadaan diam pada ketinggian 80 cm dari permukaan tanah. Massa benda 5 kg dan percepatan gravitasi bumi g = 10 m/s2. Tentukan energi mekanik benda tersebut.
Jawab
Diketahui: v = 0 m/s, h = 80 cm = 0,8 m, dan g = 10 m/s2.
EM = EP + EK = mgh + ½ mv2
= (5 kg)(10 m/s2)(0,8 m) + 0 = 40 joule
Jadi, energi mekanik benda yang diam akan sama dengan energi potensialnya karena energi kinetiknya nol.
Demikianlah sedikit ulasan kami mengenai pengertian energi kinetik hukum kekekalan energi mekanik disertai dengan contoh soalnya. Semoga bermanfaat (maglearning.id).