Energi Mekanik: Pengertian, Rumus, Contoh Soal (Lengkap)

Daftar Isi

Energi mekanik adalah energi yang dimiliki oleh benda karena gerak dan kedudukannya. Energi mekanik terdiri atas energi kinetik (E_K) dan energi potensial (E_P), dirumuskan E_M = E_K + E_P.

Apa kabar adik-adik? Semoga kalian selalu dalam keadaan sehat. Materi fisika kita kali ini akan membahas tentang energi mekanik.

Sebelumnya, kita telah menuntaskan pembahasan tentang energi kinetik dan energi potensial. Kalian bisa membaca materinya di sini:

• Energi Kinetik
• Energi Potensial

Nah, gabungan dari kedua energi itulah yang disebut energi mekanik. Setiap benda memiliki kedua energi tersebut di dalam dirinya.

Lantas, apa sih sebenarnya hakikat energi mekanik itu? Bagaimana bentuk perhitungannya? Materi ini akan menguraikannya dengan lengkap disertai dengan contoh soal.

Baiklah, kita mulai saja materinya...

Pengertian Energi Mekanik

Apa yang dimaksud dengan energi mekanik? Dalam ilmu fisika, energi mekanik (mekanis) adalah energi yang dimiliki oleh benda karena gerak dan kedudukannya (posisi).

Energi mekanik merupakan jumlah atau gabungan dari energi kinetik dan energi potensial. 

 

Sifat energi mekanik adalah nilainya selalu tetap, meskipun energi kinetik dan energi potensialnya berubah-berubah.

 

Jika energi kinetiknya minimum, maka energi potensialnya maksimum. Begitupun sebaliknya, jika energi kinetiknya maksimum, maka energi potensialnya minium.

 

Hal inilah yang membuat nilai energi mekanik selalu tetap.

 

Oleh karena energi mekanik tersusun dari energi kinetik dan energi potensial, mungkin ada baiknya kita bahasa satu per satu kedua jenis energi tersebut.

1. Energi Kinetik

Apa yang dimaksud energi kinetik? Menurut ilmu fisika, energi kinetik adalah energi yang dimiliki oleh sebuah benda karena geraknya. Dengan kata lain, energi ini adalah energi yang terdapat pada benda bergerak.

Energi kinetik baru akan muncul ketika suatu benda bergerak. Pada saat benda berhenti atau diam, maka energi kinetiknya juga ikut berhenti atau bernilai nol (0).

Pada saat benda berhenti atau diam, maka energi kinetiknya juga ikut berhenti atau bernilai nol (0).

Berdasarkan penjelasan di atas, gerak merupakan komponen terpenting dari sebuah benda bermassa untuk bisa memiliki energi kinetik. Tanpa adanya gerak, maka tidak akan ada energi kinetik. 

Kecepatan gerak merupakan besaran pembeda ketika terdapat dua benda yang bermassa sama akan ditinjau energi kinetiknya. Di antara dua benda tersebut, benda dengan gerak tercepatlah yang memiliki energi kinetik terbesar. 

Makin besar kecepatan benda bergerak, maka makin besar pula energi kinetik yang dimilikinya.

Namun, selain kecepatan, besaran yang juga ikut berpengaruh terhadap energi kinetik adalah massa benda. Jika terdapat dua benda dengan kecepatan gerak sama besar, maka benda dengan massa paling besar yang memiliki energi kinetik terbesar.

Makin besar massa suatu benda, maka makin besar pula energi kinetik yang dimilikinya.

Berdasarkan jenis satuannya, energi kinetik termasuk besaran turunan. Energi kinetik dinyatakan dengan satuan SI kg.^m2/_s² atau Joule, serta dinyatakan dengan dimensi [M][L]²[T]^-2.

Rumus Energi Kinetik

Dari pemahaman di atas, terlihat energi kinetik bergantung pada besaran massa dan kecepatan. Dua besaran inilah yang menyusun rumus umum energi kinetik. Energi kinetik berbanding lurus dengan massa dan kuadrat kecepatan benda, dituliskan dalam bentuk persamaan matematis:

E_K = ¹/₂ m . v²

Keterangan:

• E_K = energi kinetik benda (J)
• m = massa benda (kg)
• v = kecepatan benda (^m/s)

2. 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.

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. 

 

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.  

 

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.  

 

Simbol dan Satuan Energi Mekanik

Simbol energi mekanik yang umum digunakan adalah (E_M). Dalam Sistem Satuan Internasional, energi mekanik dinyatakan dengan satuan yang sama dengan satuan energi lainnya, yaitu Joule (J).

Energi mekanik merupakan besaran turunan sehingga cukup dinyatakan nilai atau angka saja, tidak mempunyai arah.

Rumus Energi Mekanik

Berdasarkan definisi energi mekanik di atas, maka rumus energi mekanik bisa dituliskan dengan persamaan:

 

E_M = E_K + E_P

 

Keterangan:

• E_M = Energi mekanik benda (J)
• E_K = Energi kinetik benda (J)
• E_P = Energi potensial benda (J)

Hukum Kekekalan Energi Mekanik

Hukum kekekalan energi mekanik menyatakan bahwa:

Energi mekanik benda akan selalu konstan (tetap) jika tidak ada gaya luar yang bekerja padanya.

Gaya luar (eksternal) yang dimaksud di sini bisa berupa dorongan seperti mobil yang dipercepat atau bisa juga berupa gesekan.

Selama gaya-gaya semacam itu tidak bekerja pada benda maka besar energi mekaniknya tidak berubah atau konstan.

Rumus Hukum Kekekalan Energi Mekanik

Hukum kekekalan energi mekanik dirumuskan:
 

E_M1 = E_M2 = Konstan, atau
E_K1 + E_P1 = E_K2 + E_P2 = Konstan 

Keterangan:

• E_M1 dan E_M2 = Energi mekanik awal dan energi mekanik akhir (J)
• E_K1 dan E_K2 = Energi kinetik awal dan energi kinetik akhir (J)
• E_P1 dan E_P2 = Energi potensial awal dan energi potensial akhir (J)

Contoh Soal Energi Mekanik 

Berikut ini adalah beberapa contoh soal tentang energi mekanik:

1. Apa yang dimaksud dengan energi mekanik?

Jawab:

Energi mekanik adalah energi yang dimiliki oleh benda karena gerak dan kedudukannya (posisi), atau gabungan dari energi kinetik dan energi potensial.

2. Suatu bola dengan massa 0,3 kg didorong dari permukaan meja yang tingginya 2 meter dari tanah. Jika kecepatan bola pada saat lepas dari bibir meja 10 ^m/_s, maka energi mekanik bola pada saat ketinggian 1 meter dari tanah adalah? 

Jawab:

Diketahui:

• m = 0,3 kg
• h = 2 m
• v = 10 ^m/_s

Ditanyakan:

• E_M saat h = 1 m

Penyelesaian:

 

E_M = E_K + E_P

       = ¹/₂ m . v² + m . g . (h₂ - h₁)

       = ¹/₂ 0,3 . 10² + 0,3 . 10 . (2 - 1) 

       = 15 + 3

       = 18 J

 

Jadi, energi mekanik bola pada saat ketinggian 1 meter dari tanah adalah 18 Joule. 

3. Sebutkan beberapa contoh energi mekanik dalam kehidupan sehari-hari​!

Jawab:

Contoh energi mekanik dalam kehidupan sehari-hari, antara lain:

• Bola yang Terletak di atas: ketika bola ditempatkan di atas meja, maka bola tersebut akan diam dan memiliki energi potensial karena ketinggiannya dari tanah. Ketika bola tersebut jatuh dari meja, energi potensial akan berubah menjadi energi kinetik. Jumlah energi akan tetap konstan dan menjadi energi mekanik total sistem. Tepat sebelum bola menyentuh lantai bawah, energi potensial total sistem akan berkurang turun ke nol dan bola itu hanya akan memiliki energi kinetik.
• Pembangkit Listrik Tenaga Air: pembangkit listrik tenaga air adalah contoh perubahan energi mekanik menjadi energi listrik. Energi mekanik dari air jatuh dari air terjun digunakan untuk memutar turbin yang ada di bagian bawah air terjun. Rotasi turbin ini digunakan untuk menghasilkan listrik.
• Mesin Uap: mesin uap berjalan dengan uap yang energi panas. Energi panas ini diubah menjadi energi mekanik yang digunakan untuk menjalankan lokomotif atau perubahan energi panas menjadi energi mekanik
• Mesin pembakaran internal: mesin pembakaran internal akan mengubah energi kimia menjadi energi mekanik. Perubahan ini dicapai dengan pembakaran bahan bakar. Energi mekanik kemudian digunakan untuk mengatur kendaraan bergerak.
• Kincir Angin: Kincir angin biasanya digunakan dalam pembangkitan listrik. Energi kinetik dari angin menyebabkan pisau berputar. Kincir angin mengubah energi kinetik dari angin menjadi energi listrik.
• Pistol Panah Mainan: pistol panah dapat menyimpan energi mekanik dalam bentuk energi elastis. Pistol panah mainan memiliki pegas yang dapat menyimpan energi elastis bila dalam posisi terkompresi. Energi ini akan dilepaskan ketika musim pegas merenggang, menyebabkan panah bergerak. Sehingga mengubah energi elastis pegas menjadi energi kinetik anak panah yang bergerak
• Bola Bilyard: ketika bermain bilyard, energi mekanik dari tongkat diteruskan ke bola bilyard menyebabkan bola  bilyard  bergerak dan menempuh jarak sebelum bola tersebut berhenti.
• Mesin Listrik: energi listrik yang digunakan dalam mesin akan diubah menjadi energi mekanik. Energi mekanik ini hadir dalam bentuk energi kinetik lokomotif atau kendaraan bergerak. 

4. Besar energi mekanik yang dimiliki oleh sebuah benda yang jatuh dari atas gedung adalah?

Jawab:

Tetap (Ingat hukum kekekalan energi mekanik)

5. Besar energi mekanik pada benda yang jatuh bebas adalah 84 Joule. Besar energi kinetik saat energi potensialnya 34 Joule adalah...

Jawab:

Diketahui:

• E_M = 84 J
• E_P = 34 J

Ditanyakan:

• E_K =...?

Penyelesaian:

 

E_M = E_K + E_P

84 = E_K + 34

E_K = 84 - 34

      = 50 J

 

Jadi, besar energi kinetiknya adalah 50 J.

 

6. Bola massa 50 gram di lempar vertikal ke atas dengan kecepatan 20 ^m/_s, tentukan energi potensial, energi kinetik, dan energi mekanik saat berada:

a. pada ketinggian 5 m

b. di puncak lintasan (titik tertinggi)

Jawab:

Diketahui:

• v = 20 ^m/_s 
• m = 50 gram = 0,05 kg
  

Ditanyakan: 

• E_P, E_K, E_M pada h = 5 m
• E_P, E_K, E_M pada h_max 

Penyelesaian:

 

a. E_P, E_K, E_M pada h = 5 m

 

E_P = m . g . h

     = 0,05 . 10 . 5 

     = 2,5 J

 

E_K = ¹/₂ m . v²

      = ¹/₂ 0,05 . 20².

      = 10 J

 

E_M = E_K + E_P.

      = 10 J + 2,5 J

      = 12,5 J

 

b. E_P, E_K, E_M pada h_max

 

h_max = ^v₀2/_2g

         = ²⁰²/_2.10

         = ⁴⁰⁰/₂₀

         = 20 meter

 

Pada h_max, v = 0 ^m/_s

 

E_P = m . g . (h_max + h)

     = 0,05 . 10 . (20 + 5)

     = 12,5 J

 

E_K = ¹/₂ m . v²

      = ¹/₂ 0,05 . 0²

      = 0 J

 

E_M = E_K + E_P.

      = 0 J + 12,5 J

      = 12,5 J

Kesimpulan

Jadi, energi mekanik adalah energi yang dimiliki oleh benda karena gerak dan kedudukannya. Energi mekanik terdiri atas energi kinetik (E_K) dan energi potensial (E_P), dirumuskan E_M = E_K + E_P.

 

Gimana adik-adik, udah paham kan materi ini energi mekanik di atas? Jangan lupa lagi yah.

 

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

 

Referensi:

• Wijaya Agung, dkk. 2008. IPA Terpadu VIIIB untuk SMP/MTs Kelas VIII. Jakarta: Grasindo.
• https://www.fisika.co.id/2020/08/rumus-energi-kinetik.html
• https://www.fisika.co.id/2020/08/rumus-energi-potensial-soal.html