Rumus Energi Potensial dan Cara Menggunakannya (Soal)

Daftar Isi

Rumus energi potensial (E_P) dalam fisika adalah E_P = m . g . h , di mana (m) adalah massa benda, (g) adalah percepatan gravitasi, dan (h) adalah ketinggian dari permukaan tanah.

Halo adik-adik, kali ini kakak akan menjelaskan salah satu rumus penting dalam fisika, yaitu rumus energi potensial. Kalian pasti sedang mempelajari rumus ini di sekolah, baik di SMP maupun di SMA.

 

Nah materi rumus energi potensial ini hadir untuk melengkapi penjelasan dari bapak/ibu guru. Di tingkat SMP, rumus energi potensial barulah berbentuk rumus-rumus dasar yang hanya mencakup beberapa besaran.

 

Rumus energi potensial akan mengalami perluasan ketika dipelajari di tingkat SMA dengan meliputi besaran-besaran lainnya yang berkaitan dengan energi potensial. 

 

Namun, kalian tenang saja, rumusnya tidak sulit-sulit amat kok. Setelah membaca materi ini, kakak yakin kalian juga pasti bisa menggunakan rumus energi potensial untuk menyelesaikan soal.

Baiklah, kita mulai saja materinya...

Pengertian Energi Potensial

Apa yang dimaksud dengan energi potensial? Secara umum, energi potensial adalah energi yang tersimpan dalam benda atau sistem karena kedudukannya, bentuknya atau keadaannya dan jika keadaan memungkinkan, energi tersebut dapat dimunculkan.

Misalnya, benda yang berada pada kedudukan tertentu di atas permukaan tanah, maka benda tersebut menyimpan energi potensial karena faktor ketinggiannya. Semakin tinggi posisinya dari permukaan tanah, maka semakin besar pula energi potensialnya.

Baca Juga:

• Rumus Energi Kinetik

Dalam contoh yang lain, pada tali busur yang sedang ditegangkan. Pada keadaan ini, tali busur memiliki energi potensial. Jika tali busur dilepaskan, anak panah dapat terlempar dengan jarak tertentu.

Begitu juga pada ketapel, energi potensial muncul ketika karet ketapel ditegangkan, kemudian hilang ketika karet ketapel dilepaskan.

Benda yang memiliki energi potensial cenderung untuk melakukan usaha.

Simbol dan Satuan Energi Potensial

Dalam fisika, energi potensial disimbolkan dengan E_P , satuannya menurut Sistem Satuan Internasional (SI) adalah kg.^m2/_s² atau Joule, serta dinyatakan dengan dimensi [M][L]²[T]^-2.

Berdasarkan jenis satuannya, maka energi potensial termasuk ke dalam besaran turunan, yaitu besaran yang tersusun dari besaran pokok.

Jenis-Jenis Energi Potensial dan Rumusnya

Energi potensial meliputi energi potensial gravitasi, listrik, pegas, nuklir, dan kimia. Berikut ini akan kakak bahas satu per satu:

1. Energi Potensial Gravitasi

Energi potensial gravitasi adalah energi yang dimiliki benda karena ketinggian atau kedudukannya di atas permukaan tanah. Energi ini disebabkan oleh adanya gravitasi bumi.

Sebuah benda yang berada pada ketinggian tertentu terhadap bumi akan dipengaruhi oleh percepatan gravitasi bumi (g) sehingga benda itu mempunyai berat. Gaya berat inilah yang mampu melakukan usaha, yaitu menggerakkan benda ke bumi.

1.1. Rumus Energi Potensial Gravitasi

Misalnya, berat benda w mempunyai massa m kg berada pada ketinggian h meter terhadap bumi. Berat benda, w = m x g. Usaha yang dilakukan benda, W = F x s. Dalam hal ini, F = w (berat benda) dan s = h (ketinggian benda) sehingga W = w x h atau W = m x g x h.

Karena besarnya energi sama dengan usaha yang dilakukan, maka energi potensial gravitasi benda dirumuskan:

E_P = m . g . h

Keterangan:

• E_P = Energi potensial (J)
• m = massa benda (kg)
• h = ketinggian (m)
• g = percepatan gravitasi  

2. Energi Potensial Listrik

Sebuah muatan listrik yang diletakkan pada medan listrik akan memiliki energi potensial listrik.

Jika hendak menggerakkan muatan listrik positif dari satu titik ke titik lain yang berlawanan arah dengan medan listrik, kita harus melakukan usaha dan untuk itu diperlukan energi.

Akibatnya, muatan listrik itu mempunyai energi potensial listrik. Hal yang sama juga berlaku untuk menggerakkan muatan listrik negatif searah medan listrik.

2.1. Rumus Energi Potensial Listrik

Energi potensial listrik yang dimiliki oleh dua buah muatan q₁ dan q₂ adalah:

E_P = k . ^q₁.q₂/_r

Atau:

E_P = q . V

Keterangan:

• E_P = Energi potensial listrik (J)
• k = 9.10⁹ (N ^m2/_c²)
• q1 = muatan listrik 1 (C)
• q2 = muatan listrik 2 (C)
• r = jarak antar muatan (m) 
• V = beda potensial (Volt)
• q = muatan listrik (C)

3. Energi Potensial Pegas (Elastik)

Energi potensial pegas disebut juga dengan energi potensial elastik karena dimiliki oleh benda yang elastis seperti pegas. Perhatikan gambar di bawah:

Pada mulanya, pegas dalam keadaan tanpa teregang. Kemudian sebuah bola diletakkan pada ujung pegas dan pegas ditekan. Bola dilepaskan dan ternyata bola akan bergerak.

Percobaan ini menunjukkan bahwa pegas yang tertekan dari keadaan seimbang mempunyai energi.

3.1. Rumus Energi Potensial Pegas (Elastik)

Nilai energi potensial elastik pegas sebanding dengan kuadrat simpangan pegas (x), dirumuskan:

E_P = ¹/₂.k . x²

Keterangan:

• E_P = Energi potensial pegas (J)
• k = konstanta pegas (N/m)
• x = perubahan posisi (m)

4. Energi Potensial Kimia

Energi potensial yang dikandung dalam molekul-molekul benda sering disebut dengan energi potensial kimia. Energi potensial kimia dapat diubah menjadi bermacam-macam energi, seperti energi mekanik, energi kalor, energi cahaya, energi listrik, dan energi nuklir.

Hubungan Energi Potensial dan Usaha

Untuk mengetahui hubungan energi potensial dan usaha, bayangkan ilustrasi ketika kamu memindahkan benda dari tempat yang lebih rendah ke tempat yang lebih tinggi, misalnya dari kursi ke atas meja, atau sebaliknya.

Kegiatan menunjukkan bahwa kamu telah melakukan usaha pada benda itu sehingga benda berpindah dari kursi ke meja.

Energi potensial benda yang berada di kursi setelah kami pindah ke meja akan berubah karena ketinggian kursi dan meja berbeda.

Jika energi potensial benda pada saat berada di kursi sebesar E_P1 dan energi potensial benda setelah berada di meja sebesar E_P2, maka besar usaha yang kamu lakukan pada benda adalah sebesar perubahan energi potensial benda itu, yaitu energi potensial akhir benda dikurangi energi potensial mula-mula yang dirumuskan sebagai berikut:

W = E_P2 - E_P1

Keterangan:

• W = Usaha yang dilakukan pada benda (J)
• E_P1 = Energi potensial pada keadaan awal (J) 
• E_P2 = Energi potensial pada keadaan akhir (J)

Baca Juga:

• Rumus Usaha

Contoh Energi Potensial dalam Kehidupan Sehari-hari

Berikut ini adalah beberapa contoh peristiwa yang menunjukkan energi potensial dalam kehidupan sehari-hari:

1. Buah di Pohon 

Energi potensial yang dimiliki oleh buah yang berada di atas pohon. Buah tersebut memiliki energi yang disebut energi potensial.

Buktinya, ketika buah jatuh, maka buah memiliki kecepatan. Artinya, buah tersebut memiliki energi saat berada di atas pohon, yaitu energi potensial.

2. Pegas

Pada saat menekan pegas, energi yang dipakai untuk menekan pegas tidak hilang begitu saja, tetapi tersimpan dalam pegas. Misalnya, sebuah batu diletakkan di atas pegas.

Ketika batu dan pegas dilepas, energi yang tersimpan dalam pegas akan melempar benda ke atas. Energi yang tersimpan dalam pegas ini dinamakan energi potensial pegas.

Dinamakan energi potensial karena energi ini hanya ada ketika pegas berada pada posisi tertekan atau teregang saja.

Jika pegas tidak berada pada posisi tertekan (tidak mempunyai energi potensial), pegas tidak akan mempunyai energi potensial sehingga pegas tidak mampu melemparkan benda ke atas.

3. Ketapel

Pada waktu tali ketapel ditarik kemudian ditahan, kita memberikan energi pada ketapel. Energi ini disimpan sebagai energi potensial ketapel.

Jika sebuah batu diletakkan di ujung karet ketapel lalu dilepaskan, maka batu akan terlontar. Lontaran ini adalah akibat usaha yang dilakukan oleh karet ketapel.

Kemampuan melakukan usaha ini berasal dari energi potensial ketapel.

4. Busur

Pada waktu kita menarik tali busur lalu menahannya, sebenarnya kita memberikan energi pada tali busur ini. Energi ini disimpan sebagai energi potensial tali busur.

Jika tali busur itu dilepaskan, anak panah akan melesat. Melesatnya anak panah ini adalah akibat usaha yang dilakukan oleh tali busur. Kemampuan melakukan usaha ini berasal dari energi potensial tali busur tersebut.

5. Bendungan Air

Bendungan mengumpulkan air untuk mengumpulkan energi potensial yang dipunyai air. Energi ini bisa dimanfaatkan sebagai Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA), ketinggian air di dalam bendungan yang berada di atas turbin digunakan untuk menghasilkan listrik.

6. Minyak Bumi

Energi dari minyak bumi atau energi yang dimiliki bahan bakar merupakan energi potensial kimia.

Energi ini ada karena muatan listrik dalam atom-atom menempati posisi tertentu atau membentuk suatu susunan molekul tertentu.

Energi yang tersimpan di dalam minyak bumi bisa dimanfaatkan untuk menggerakkan mesin-mesin kendaraan.

Contoh Soal Energi Potensial

Berikut ini telah kakak siapkan beberapa contoh soal yang berkaitan dengan energi potensial:

Contoh Soal 1

Hitunglah besarnya energi potensial suatu benda yang bermassa 0,075 kg yang terlempar ke atas dengan ketinggian maksimum 1,4 m.

Jawaban:

Diketahui:

• m = 0,075 kg
• h = 1,4 m

Ditanyakan:

• E_P...?

Penyelesaian:

E_P = m . g . h
     = 0,075 kg . 10 ^m/_s² . 1,4 m
    = 1,05 J

Jadi, energi potensial yang dimiliki benda tersebut adalah 1,05 Joule

Contoh Soal 2

Hitunglah setiap energi potensial benda 10 kg pada ketinggian 5 m diatas tanah (g = 10 ^m/_s²)

Jawaban:

Diketahui:

• m = 10 kg
• h = 5 m
• g = 10 ^m/_s²

Ditanyakan:

• E_P.....?

Penyelesaian:

E_P = m . g . h
     = 10 kg . 5 m .  10 ^m/_s²
     = 500 J

Jadi, energi potensial benda tersebut adalah 500 Joule.

Contoh Soal 3 

Energi potensial sebuah benda yang berada pada ketinggian 20 m adalah 200 joule. Jika percepatan gravitasi 10 ^m/_s² maka berapa massa benda?

Jawaban:

Diketahui:

• h = 20 m
• E_P = 200 J
• g = 10 ^m/_s²

Ditanyakan:

• m.....?

Penyelesaian:

E_P = m . g . h

200 J = m . 10 ^m/_s² . 20 m

m = ^{200 J}/(10 ^m/_s²)_{. 20 m}

m = 1 kg

Contoh Soal 4

Sebuah TV yang massanya 5 kg dipindahkan dari tempat setinggi 100 cm ke tempat yang tingginya 3 m. Jika percepatan gravitasi bumi di tempat itu 10 m/s2, berapa usaha yang dilakukan pada TV?

Jawaban:

Diketahui:

• m = 5 kg
• h₁ = 100 cm = 1 m
• h₂ = 3 m
• g = 10 ^m/_s²

Ditanya:

• W...?

Penyelesaian:

W = E_P2 - E_P1
     = mgh₂ - mgh₁
     = mg (h₂ - h₁)
     = 5 kg x 10 ^m/_s² x (3 m - 1 m)
     = 100 J

Jadi, usaha yang dilakukan pada TV sebesar 100 J.

Contoh Soal 5

Tentukan energi potensial listrik sistem yang terdiri dari muatan q₁ dan q₂, seperti pada gambar di bawah:

Jawaban:

Diketahui:

• q₁ = 20 μC = 20 x 10^-6 C
• q₂ = -10 μC = 20 x 10^-6 C
• r = 20 cm = 0,2 m = 2 x 10^-1 m
• k = 9.10⁹ N ^m2/_c²

Ditanyakan:

• E_P .....?

Penyelesaian:

E_P = k . ^q₁.q₂/_r
     = 9.10⁹ N ^m2/_c² . ^{20 x 10-6 C . 20 x 10-6 C}/_{2 x 10^-1 m}
     = -9 J

Contoh Soal 6

Sebuah pegas yang panjangnya 30 cm tergantung tanpa beban. Kemudian, ujung bawah pegas digantungi beban 100 gram, sehingga panjang pegas menjadi 35 cm. Jika beban tersebut ditarik ke bawah sejauh 5 cm, dan percepatan gravitasi bumi 10 ^m/_s², berapakah energi potensial tersebut?

Jawaban:

Berikut ini penggambaran dari soal di atas:

Keadaan pegas sebelum beban ditarik:

W = k . Δx
k = ^W/Δx
   = ^m.g/Δx
   = ^0,1.(10)/_0,05
   = 20 N/m

Beban ditarik sejauh 5 cm, jadi total pertambahan panjang pegas sekarang 10 cm = 0,1 m

E_P = ¹/₂. k . x²
     = ¹/₂. 20 . (0,1)²
     = 0,1 J

Jadi, besar energi potensial pegas tersebut adalah 0,1 Joule.

Kesimpulan

Rumus energi potensial (E_P) dalam fisika adalah E_P = m . g . h , di mana (m) adalah massa benda, (g) adalah percepatan gravitasi, dan (h) adalah ketinggian dari permukaan tanah.

Gimana adik-adik, udah paham kan materi rumus energi potensial di atas? Jangan bingung lagi yah saat mendapat pertanyaan serupa.

Sekian dulu materi kali ini, bagikan agar teman yang lain bisa membacanya. Terima kasih, semoga bermanfaat.

Referensi:

• Abdullah, Mikrajuddin. 2004. IPA Fisika 3 SMP dan MTs untuk Kelas IX. Jakarta: ESIS.  
• Arifudin, M. Achya. 2007. Fisika untuk SMA/MA Kelas XI. Jakarta: Inter Plus.
• Fuad, Ahmad. 2005. Cepat Menyelesaikan Soal Fisika SMA. Depok: Kawan Pustaka.
• Surya, Yohanes. 2009. Mekanika dan Fluida Buku 1. Tangerang: PT. Kandel.