Rumus energi potensial, lengkap dengan pengertian, jenis, dan contoh soalnya

Brilio.net - Sadar nggak sih setiap aktivitas yang kita lakukan memerlukan energi? Energi inilah yang menyebabkan kita bisa bergerak, begitu juga dengan benda-benda di sekitar kita juga memerlukan energi. Dalam fisika, energi tersebut terbagi menjadi tiga bagian, yaitu energi potensial, energi kinetik dan energi mekanik.

Dari ketiga bagian energi tersebut, energi potensial merupakan materi yang kerap dibahas dalam ilmu fisika. Energi potensial merupakan energi yang dimiliki oleh benda diam. Misalnya mobil yang diam kemudian bergerak melaju, mobil memiliki energi potensi dari akinya yang diubah menjadi energi gerak (kinetik).

Energi potensial inilah yang membantu benda-benda sekitar bergerak atau mengalami perubahan posisi atau kondisinya. Nah, berikut rumus energi potensial, lengkap dengan pengertian, jenis, dan contoh soalnya, dilansir brilio.net dari berbagai sumber pada Sabtu (16/9).

Pengertian energi potensial

foto: freepik.com

Energi potensial adalah energi yang dimiliki oleh suatu benda akibat adanya pengaruh tempat atau kedudukan dari benda tersebut. Energi potensial disebut juga dengan energi diam karena benda yang dalam keadaan diam dapat memiliki energi. Jika benda tersebut bergerak, maka benda tersebut mengalami perubahan energi potensial menjadi energi gerak.

Misalnya, seorang pemburu yang meregangkan panahnya sambil memusatkan sasaran tembak. Tali busur mendapat energi potensial elastis. Jika tali busur dilepaskan, anak panah akan melesat menjadi energi kinetik. Contoh lainnya, air yang tertampung di waduk bendungan untuk berbagai keperluan seperti pembangkit listrik di pembangkit listrik tenaga air, irigasi, pencegahan banjir, konsumsi manusia, keperluan industri, dan lain-lain.

Air memiliki energi potensial gravitasi karena ketinggiannya. Jika air mengalir ke turbin generator, air akan berubah menjadi energi listrik. Dari penjelasan tersebut dapat dipahami bahwa setiap benda memiliki energinya masing-masing. Salah satu energi potensial ini yaitu energi yang dimiliki benda akibat perubahan kedudukan atau posisi benda tersebut.

Jenis-jenis energi potensial

foto: Istimewa

1. Energi gravitasi.

Energi potensial gravitasi, yaitu energi yang dimiliki oleh benda akibat adanya gaya gravitasi bumi. Contohnya, buah yang jatuh dari pohon, bola yang dilemparkan ke atas, atau air terjun. Rumus energi potensial gravitasi adalah:

Ep = m.g.h

Keterangan:
Ep : energi potensial (Joule)
m : massa benda (kg)
g : gravitasi bumi (m/s²)
h : ketinggian suatu benda (m)

2. Energi potensial pegas.

Energi potensial pegas, yaitu energi yang dimiliki oleh benda elastis akibat adanya regangan atau tegangan. Contohnya, tali busur yang ditarik, pegas yang ditekan, atau bola karet yang dipantulkan. Rumus energi potensial pegas adalah:

Ep = 1/2k.x²

Keterangan:
Ep : energi potensial (Joule)
k : konstanta pegas (N/m)
x : perubahan panjang pegas (m)

3. Energi potensial listrik.

Energi potensial listrik, yaitu energi yang dimiliki oleh partikel bermuatan listrik akibat adanya medan listrik. Contohnya, aki mobil, baterai, atau kapasitor. Rumus energi potensial listrik adalah:

Ep = q.V

Keterangan:
Ep : energi potensial (Joule)
q : muatan listrik (Coulomb)
V : beda potensial listrik (Volt)

Contoh soal tentang energi potensial

foto: Istimewa

1. Sebuah benda bermassa 2 kg diletakkan di atas meja setinggi 1,5 m. Jika percepatan gravitasi bumi adalah 10 m/s², berapakah energi potensial gravitasi yang dimiliki benda tersebut?

Jawaban:

Energi potensial gravitasi dapat dihitung dengan rumus:
Ep = m.g.h
Ep = 2 x 10 x 1,5
Ep = 30 Joule
Jadi, energi potensial gravitasi benda adalah 30 Joule.

2. Sebuah pegas memiliki konstanta pegas 200 N/m. Jika pegas diregangkan sejauh 0,1 m dari posisi setimbangnya, berapakah energi potensial elastis yang dimiliki pegas?

Jawaban:
Ep = (1/2) k.x²
Ep = (1/2) x 200 x (0,1)²
Ep = 1 Joule
Jadi, energi potensial elastis pegas adalah 1 Joule.

3. Sebuah muatan listrik sebesar 4 C berada pada titik A yang memiliki potensial listrik sebesar 20 V. Jika muatan tersebut dipindahkan ke titik B yang memiliki potensial listrik sebesar 10 V, berapakah perubahan energi potensial listrik yang dialami muatan tersebut?

Jawaban:
ΔEp = q.(Vb - Va)
ΔEp = 4 x (10 - 20)
ΔEp = -40 Joule

Jadi, perubahan energi potensial listrik muatan adalah -40 Joule. Artinya, muatan tersebut kehilangan energi potensial listrik sebesar 40 Joule.

4. Sebuah bola bermassa 0,5 kg dilemparkan ke atas dengan kecepatan awal 20 m/s. Jika bola mencapai ketinggian maksimum sebesar 15 m dari permukaan tanah, berapakah energi kinetik dan energi potensial gravitasi bola pada ketinggian tersebut?

Jawaban:

Pada ketinggian maksimum, kecepatan bola menjadi nol, sehingga energi kinetik bola juga menjadi nol. Energi kinetik bola dapat dihitung dengan rumus:

Ek = (1/2) m.v²
Ek = (1/2) x 0,5 x (0)²
Ek = 0 Joule

Energi potensial gravitasi bola dapat dihitung dengan rumus:
Ep = m.g.h
Ep = 0,5 x 10 x 15
Ep = 75 Joule

Jadi, energi kinetik bola adalah 0 Joule dan energi potensial gravitasi bola adalah 75 Joule.

5. Sebuah anak panah bermassa 0,1 kg ditarik pada busur dengan gaya tarik sebesar 100 N. Jika panjang busur adalah 1 m dan panjang tali busur adalah 0,8 m, berapakah energi potensial elastis yang dimiliki anak panah saat dilepaskan?

Jawaban:

Ep = (1/2) k.x²

Namun, kita perlu mencari nilai k dan x terlebih dahulu. Nilai k dapat dicari dengan rumus Hukum Hooke:

F = k.x

Karena gaya tarik tali busur sama dengan gaya regang pegas, maka kita dapat menulis:

Ft = k.xt
Ft = 100 N
xt = 1 - 0,8 = 0,2 m
k = Ft / xt
k = 100 / 0,2
k = 500 N/m

Nilai x adalah perubahan panjang pegas, yang sama dengan perubahan panjang tali busur. Jadi, kita dapat menulis:

x = xt - xo

xo adalah panjang tali busur saat tidak ditarik, yang sama dengan panjang busur. Jadi, xo = 1 m.

x = 0,2 - 1
x = -0,8 m

Karena nilai x negatif, maka kita harus mengambil nilai mutlaknya agar energi potensial elastis tetap positif. Jadi, kita dapat menulis:

Ep = (1/2) k.|x|²
Ep = (1/2) x 500 x (0,8)²
Ep = 160 Joule
Jadi, energi potensial elastis anak panah adalah 160 Joule.