Energi mekanis

Dalam ilmu fisika, energi mekanis atau tenaga mekanis adalah hasil penjumlahan energi potensial dan energi kinetis. Energi ini diasosiasikan dengan gerak dan posisi dari sebuah objek. Asas energi mekanik mengatakan bahwa dalam sebuah sistem terisolasi dimana hanya ada gaya konservatif maka besarnya energi mekanik adalah konstan. Jika suatu benda bergerak dalam arah berlawanan dari gaya konservatif, maka energi potensial naik dan jika kecepatan (bukan kelajuan) objek berubah, maka energi kinetiknya juga berubah. Namun, dalam semua sistem yang sesungguhnya, gaya non konservatif seperti gaya gesek akan muncul, tapi sering kali nilainya diabaikan. Hal ini membuat nilai energi mekanik dapat dianggap konstan. Dalam tumbukan elastis, energi mekanik akan disimpan namun dalam tumbukan nonelastis, beberapa energi mekanik berubah menjadi panas. Hubungan antara hilangnya energi mekanik (disipasi) dan naiknya suhu ditemukan oleh James Prescott Joule.^[1]

Contoh sebuah sistem mekanis: Sebuah satelit yang mengorbit bumi hanya dipengaruhi gaya gravitasi konservatif; maka energi mekaniknya konstan. Satelit berakselerasi menuju bumi dengan arah tegak lurus terhadap kecepatan. Percepatan ini ditandai dengan vektor percepatan warna "hijau" dan kecepatan ditandai dengan vektor kecepatan "merah". Meski kecepatan terus berubah seiring arah vektor akibat akselerasi vektor, kelajuan satelit tidak berubah karena besaran vektor kecepatan tetap.

Banyak alat yang digunakan untuk mengubah energi mekanik dari dan ke bentuk energi lainnya, seperti motor listrik yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanik, generator listrik mengubah energi mekanik menjadi energi listrik dan mesin uap mengubah panas menjadi energi mekanik.

Umum

Energi adalah besaran skalar dan energi mekanik dari sebuah sistem adalah jumlah energi potensial yang diukur dari posisi sistem. Energi kinetik juga disebut sebagai energi gerak:^[2][3]

${\displaystyle E_{\mathrm {mekanik} }=U+K\,}$

Energi potensial, U, tergantung dari posisi objek terhadap gaya konservatif. Didefinisikan sebagai kemampuan objek untuk melakukan kerja dan nilainya naik apabila objek bergerak pada arah berlawanan dari gaya.^{[nb 1][2]} Jika F melambangkan gaya konservatif dan x posisi, energi potensial antara 2 posisi x₁ dan x₂ didefinisikan sebagai integral negatif F dari x₁ sampai x₂:^[5]

${\displaystyle U=-\int \limits _{x_{1}}^{x_{2}}{\vec {F}}\cdot d{\vec {x}}}$

Energi kinetik, K, bergantung dari kelajuan objek dan kemampuan objek bergerak untuk melakukan kerja pada objek lainnya ketika bertumbukan dengan objek tersebut.^{[nb 2][9]} Didefinisikan sebagai setengah dikali massa dikali kuadrat kecepatan benda, total energi kinetik sebuah sistem adalah jumlah semua energi kinetik dari objek yang ada:^[2][10]

${\displaystyle K={1 \over 2}mv^{2}}$

Asas kekekalan energi mekanik menyatakan bahwa jika sebuah benda/sistem hanya dikenai gaya konservatif, maka besarnya energi mekanik adalah konstan.^[11] Perbedaan antara gaya konservatif dan non-konservatif adalah ketika gaya konservatif memindahkan suatu objek dari satu titik ke titik lainnya, kerja yang dihasilkan dari gaya konservatif tidak tergantung lintasan. Sebaliknya, ketika gaya non-konservatif bekerja pada objek, kerja yang dihasilkan oleh gaya non konservatif tergantung lintasan.^[1][12]

Asas

Asas kekekalan energi mekanik

Asas kekekalan energi mekanik adalah sebuah asas dalam mekanika yang menyatakan bahwa jumlah energi mekanik selalu konstan. Dalam asas ini, energi kinetik dan energi potensial saling menggantikan sehingga jumlah energi mekanik secara keseluruhan tetap sama dan tidak berubah. Asas kekekalan energi mekanik merupakan hasil pengembangan dari konsep usaha dan energi kinetik. Dalam asas kekekalan energi usaha tidak dinyatakan dalam satuan daya. Asas kekekalan energi mekanik digunakan untuk menganalisa gerakan suatu benda tanpa dipengaruhi oleh faktor lingkungan di luar benda tersebut. Analisis dilakukan dengan menghitung besarnya perubahan energi dari benda tersebut.^[13]

Perbedaan dengan jenis energi lainnya

Pengelompokan energi ke dalam beberapa "jenis" kerap mengikuti batasan-batasan cabang pengkajian ilmu pengetahuan alam.

• Energi kimia, sejenis energi potensial yang tersimpan di dalam ikatan kimia; dikaji di dalam ilmu kimia.^[14]
• Energi nuklir, energi yang disimpan di dalam interaksi antar-partikel di dalam inti atom; dikaji di dalam fisika nuklir.^[15]
• Energi elektromagnetis, di dalam bentuk muatan listrik, medan magnet, dan foton; dikaji di dalam elektromagnetisme.^[16][17]
• Berbagai bentuk energi di dalam mekanika kuantum; misalnya, tingkat energi elektron di dalam sebuah atom.^[18][19]

Catatan kaki

1. Resnick, Robert and Halliday, David (1966), Physics, Section 8-3 (Vol I and II, Combined edition), Wiley International Edition, Library of Congress Catalog Card No. 66-11527
2. Wilczek, Frank (2008). "Conservation laws (physics)". AccessScience. McGraw-Hill Companies. Diarsipkan dari versi asli tanggal 2013-07-19. Diakses tanggal 2011-08-26.
3. "mechanical energy". The New Encyclopædia Britannica: Micropædia: Ready Reference. 7 (edisi ke-15th). 2003. Parameter |access-date= membutuhkan |url= (bantuan)
4. Newton 1999, hlm. 409
5. "Potential Energy". Texas A&M University–Kingsville. Diarsipkan dari versi asli tanggal 2012-04-14. Diakses tanggal 2011-08-25.
6. Brodie 1998, hlm. 129–131
7. Rusk, Rogers D. (2008). "Speed". AccessScience. McGraw-Hill Companies. Diarsipkan dari versi asli tanggal 2013-07-19. Diakses tanggal 2011-08-28.
8. Rusk, Rogers D. (2008). "Velocity". AccessScience. McGraw-Hill Companies. Diarsipkan dari versi asli tanggal 2013-07-19. Diakses tanggal 2011-08-28.
9. Brodie 1998, hlm. 101
10. Jain 2009, hlm. 9
11. Jain 2009, hlm. 12
12. Department of Physics. "Review D: Potential Energy and the Conservation of Mechanical Energy" (PDF). Massachusetts Institute of Technology. Diakses tanggal 2011-08-03.
13. Asraf, A., dan Kurniawan, B. (2021). Fisika Dasar untuk Sains dan Teknik: Jilid 1 Mekanika. Jakarta: Bumi Aksara. hlm. 223. ISBN 978-602-444-954-4. Parameter |url-status= yang tidak diketahui akan diabaikan (bantuan)Pemeliharaan CS1: Banyak nama: authors list (link)
14. Atkins, Peter W. (2008). "Chemical energy". AccessScience. McGraw-Hill Companies. Diarsipkan dari versi asli tanggal 2013-07-19. Diakses tanggal 2011-10-17.
15. Duckworth, Henry E.; Wilkinson, D. H. (2008). "Nuclear binding energy". AccessScience. McGraw-Hill Companies. Diarsipkan dari versi asli tanggal 2013-07-19. Diakses tanggal 2011-10-17.
16. Hartwig, William H. (2008). "Electrical energy measurement". AccessScience. McGraw-Hill Companies. Diarsipkan dari versi asli tanggal 2013-07-19. Diakses tanggal 2011-10-17.
17. Smythe, William R. (2008). "Electromagnetic radiation". AccessScience. McGraw-Hill Companies. Diarsipkan dari versi asli tanggal 2013-07-19. Diakses tanggal 2011-10-17.
18. Gerjuoy, Edward (2008). "Quantum mechanics". AccessScience. McGraw-Hill Companies. Diarsipkan dari versi asli tanggal 2013-07-19. Diakses tanggal 2011-10-17.
19. March-Russell, John (2008). "Energy level (quantum mechanics)". AccessScience. McGraw-Hill Companies. Diarsipkan dari versi asli tanggal 2013-07-19. Diakses tanggal 2011-10-17.

Catatan

1. Penting untuk dicermati ketika mengukur energi mekanik, sebuah objek dianggap satu kesatuan, seperti disampaikan Isaac Newton dalam Principia: "Pergerakan satu benda sama dengan jumlahan gerak bagian-bagiannya, maka posisi satu benda sama dengan jumlahan bagian-bagian benda tersebut."^[4]
2. Dalam fisika, kelajuan adalah besaran skalar dan kecepatan adalah besaran vektor. Dengan kata lain, kecepatan adalah kelajuan dengan arah dan dapat berubah tanpa mengubah kelajuan objek tersebut.^[6][7][8]