Dalam mata pelajaran fisika, siswa akan mempelajari tentang energi yang merupakan suatu kapasitas untuk melakukan suatu pekerjaan atau usaha. Energi sendiri dibagi menjadi tiga jenis, yaitu energi potensial, mekanik, dan kinetik.
Salah satu topik mengenai energi yang menarik, adalah soal energi potensial. Ini merupakanenergi yang dimiliki suatu benda sebagai akibat dari keadaan atau kedudukannya. Bentuk energi ini, kerap disebut juga sebagai energi diam karena dimiliki oleh setiap benda yang tidak bergerak.
Ulasan berikut ini akan membahas mengenai pengertian, jenis-jenis, serta contoh soal energi potensial.
Pengertian dan Jenis-jenis Energi Potensial
Energi potensial adalah jenis energi yang dimiliki oleh suatu objek berdasarkan posisinya atau keadaannya. Energi ini memiliki potensi untuk melakukan kerja atau berubah menjadi energi kinetik (energi gerakan) ketika objek bergerak.
Ada beberapa jenis energi potensial yang berbeda, tergantung pada sumbernya dan mekanisme penyimpanan energinya. Berikut ini jenis-jenis energi potensial.
1. Energi Potensial Gravitasi
Dikutip dari bahan ajar Universitas Gunadarma, energi potensial gravitasi adalah energi potensial suatu benda yang disebabkan oleh kedudukan benda tersebut terhadap gravitasi bumi.
Rumus energi potensial gravitasi adalah sebagai berikut.
Ep = m x g x h
Keterangan:
Ep = energi potensial (Joule)
m = massa benda (kg)
g = gravitasi bumi (biasanya 10 m/s&³2;)
h = ketinggian benda (m)
2. Energi Potensial Listrik
Energi potensial listrik adalah energi yang diperoleh ketika sebuah partikel bermuatan bergerak dalam suatu medan listrik. Ketika itulah, medan listrik akan mengarahkan gaya dan melakukan kerja terhadap partikel tersebut.
Rumus energi potensial listrik adalah sebagai berikut.
Ep = k x (Q x q / r)
Keterangan:
- Ep = energi potensial (Joule)
- k = konstanta Coulomb
- Q = muatan sumber atau muatan listrik yang menimbulkan medan listrik (Coulomb)
- q = muatan uji atau muatan listrik yang mengalami perpindahan dalam medan listrik (Coulomb)
- r = jarak muatan dari q ke Q (m)
3. Energi Potensial Elastis
Energi potensial elastis adalah energi yang disimpan dalam objek yang mengalami deformasi elastis, seperti pegas atau bahan elastis lainnya. Ketika objek ini ditekan atau ditarik, energi potensial elastis disimpan dalam objek tersebut dan dapat dilepaskan saat objek kembali ke bentuk asalnya. Contoh penerapan energi potensial pegas adalah sebagai berikut.
- Pada anak panah yang dilepaskan.
- Pada mobil mainan yang bergerak maju setelah diberi gaya dorong dari belakang.
Rumus energi potensial ini adalah sebagai berikut.
Ep = 1/2 x k x (x&³2;)
Keterangan:
- Ep = energi potensial (Joule)
- k = konstanta Coulomb
- x = perubahan posisi (m)
4. Energi Potensial Kimia
Energi potensial kimia adalah energi yang disimpan dalam ikatan kimia antara atom dan molekul dalam suatu zat. Ketika reaksi kimia terjadi, energi potensial kimia dapat dilepaskan dalam bentuk panas atau energi kinetik. Contoh energi potensial kimia termasuk baterai, bahan bakar, dan makanan yang dapat digunakan untuk menghasilkan energi.
Rumus energi potensial kimia dapat berbeda tergantung pada jenis reaksi kimia yang terlibat. Namun, dalam banyak kasus, energi potensial kimia dapat dihitung dengan menggunakan rumus berikut:
E=n x ΔH
Keterangan:
- E adalah energi potensial kimia (dalam joule).
- nn adalah jumlah mol zat yang terlibat dalam reaksi.
- ΔHΔH adalah perubahan entalpi reaksi (dalam joule per mol).
Perubahan entalpi reaksi (ΔH) adalah perbedaan antara entalpi produk dan entalpi reaktan dalam reaksi kimia. Ini dapat berupa nilai positif (reaksi endotermik, memerlukan energi) atau nilai negatif (reaksi eksotermik, melepaskan energi).
Patut diingat, bahwa rumus ini mengasumsikan bahwa entalpi reaktan dan produk dalam reaksi kimia diukur dalam kondisi standar. Juga, energi potensial kimia yang dihitung dengan rumus di atas adalah energi yang dapat dilepaskan atau diserap dalam reaksi kimia.
Contoh Soal Energi Potensial
Berikut dibawah ini sepuluh contoh soal energi potensial dari berbagai sumber yang bisa dipelajari.
Contoh Soal 1
Sebuah benda bermassa 5 kg memiliki energi potensial sebesar 1000 Joule pada ketinggian tertentu. Jika gravitasi di tempat itu adalah 10 m/s2, berapakah perkiraan ketinggian benda tersebut dari permukaan bumi?
Jawaban:
EP=m.g.h
h=Ep/(m.g)
h=1000/(5.10)
h=20
Jadi, ketinggiannya adalah 20 meter
Contoh Soal 2
Diketahui sebuah pegas memiliki massa 4 kg. Ketika siang hari, pegas tersebut berubah panjang dari 6 cm menjadi 8 cm. Berapakah energi potensial pegas tersebut?
Pembahasan:
a) x = 8 – 6 cm
x = 2 cm
x = 0,02 m
b) F = w
F = m.g
F = 4. 10
F = 40N
c) k = F / x
k = 40 / 0.02
k = 2000
d) Maka:
Ep = 1/2. 2000.(0.02. 0.02)
Ep = 1000. (0.0004)
Ep = 0,4 Joule
Jadi, energi potensial pegas tersebut sebesar 0,4 Joule.
Contoh Soal 3
- x1 = 5 cm = 0,05 m
- x2 = 6 cm = 0,06 m
- F = 200 N
Contoh Soal 4
Sebuah benda berada pada ketinggian 12 meter di atas lantai. Jika massa benda 8 kg dan percepatan gravitasi bumi 10 m/s, maka energi potensial yang dimiliki benda tersebut adalah?
Diketahui
h = 12 m
m = 8 kg
g = 10 m/s
Ditanya: Ep?
Ep = m x g x h
= 8 kg. 10 m/s. 12 m
= 960 J (c)
Contoh Soal 5
Benda bermassa 5 kg jatuh bebas dari ketinggian 20 m di atas tanah dan percepatan gravitasinya 10 m/s2. Tentukan usaha yang dilakukan gaya berat benda tersebut pada saat mencapai tanah!
Pembahasan:
m = 5 kg; h0 = 0; g =10 m/s2.
W = …?
Jawab:
W = m . g . (ht – h0 ) = 5 . 10 . (20 – 0) = 20 . 20 W
W = 1000 joule
Jadi, energi potensial benda tersebut sebesar 1000 Joule.
Contoh Soal 6
Sebuah pegas memiliki konstanta sebesar 200 Nm. Pegas kemudian direntangkan dan panjangnya berubah menjadi 20 cm. Tentukan energi potensial elastis pegas tersebut.
Jawaban:
Diketahui,
k = 200 Nm
x = 20 cm = 0,2 m
Ep = 1/2 x k x (x&³2;) = 1/2 x 200 x 0,2 x 0,2 = 4 Joule
Jadi, energi potensial elastis pada pegas tersebut adalah 4 Joule.
Contoh Soal 7
Diketahui 2 buah muatan, A dan B, terpisah 3 meter satu sama lain. Muatan A memiliki q sebesar +11 μC dan muatan B memiliki q sebesar -5 μC. Berapa perubahan energi potensial yang terjadi ketika muatan B bergerak ke muatan A?
Jawaban:
Diketahui,
r = 3 m
Q = 11 x 10^-6 C
q = 5 x 10^-6 C
k = 9 x 10^9 N.m&³2;/C&³2;
Ep = k x (Q x q / r)
Ep = 9 x 10^9 x (11 x 10^-6 x 5 x 10^-6) / 3
Ep = 495 x 10^-3 / 3
Ep = 165 x 10^-3 Joule
Jadi, energi potensial listrik yang terjadi ketika muatan B bergerak ke muatan A adalah sebesar 0,165 Joule.
Contoh Soal 8
Seorang buruh pelabuhan yang tingginya 1,5 meter mengangkat sekarung beras yang bermassa 50 kg dari permukaan tanah dan memberikan kepada seorang temannya yang berdiri di atas kapal. Jika orang tersebut tersebut berada 0,5 meter tepat di atas kepala buruh pelabuhan, hitunglah energi potensial karung berisi beras relatif terhadap:
a)permukaan tanah
b)kepala buruh pelabuhan
Jawaban:
Diketahui:
m = 50 kg
g = 10 m/s2
h = 1.5 m + 0.5 m = 2 m.
Ditanya: energi potensial terhadap:
- Permukaan tanah
- Kepala buruh pelabuhan
Dijawab:
- EP karung berisi beras relatif terhadap permukaan tanah.
Ketinggian total karung beras dari permukaan tanah = 1,5 m + 0,5 m = 2 m.
EP = m,g.h EP = 50.10.2
EP = 1000 Joule
- EP karung berisi beras relatif terhadap kepala buruh pelabuhan.
Kedudukan karung beras diukur dari kepala buruh pelabuhan adalah 0,5 meter.
EP = m.g.h
EP = 50.10.0,5
EP = 250 Joule
Contoh Soal 9
Sebuah pegas memiliki panjang sebesar 50 cm. Apabila energi potensial yang dimilikinya sebesar 10 Joule, berapakah konstanta pegas tersebut?
Jawaban:
Diketahui,
x = 50 cm = 0,5 m
Ep = 10 Joule
Ep = 1/2 x k x (x&³2;)
10 = 1/2 x k x 0,5 x 0,5
k = 80 Nm
Jadi, konstanta pegas tersebut adalah sebesar 80 Nm.
Contoh Soal 10
Diketahui sebuah pegas memiliki massa 4 kg. Ketika siang hari, pegas tersebut berubah panjang dari 6 cm menjadi 8 cm. Berapakah energi potensial pegas tersebut?
Pembahasan:
a). x = 8 – 6 cm
x = 2 cm
x = 0,02 m
b). F = w
F = m.g
F = 4. 10
F = 40N
c). k = F / x
k = 40 / 0.02
k = 2000
d). Maka:
Ep = 1/2. 2000.(0.02. 0.02)
Ep = 1000. (0.0004)
Ep = 0,4 Joule
Jadi, energi potensial pegas tersebut sebesar 0,4 Joule.