Energi potensial adalah energi tersimpan yang menunggu untuk dilepaskan - energi yang dimiliki oleh sebuah batu besar di puncak bukit atau yang ditahan oleh busur yang ditarik di anggota tubuhnya. Kalkulator ini menghitung energi potensial gravitasi (PE = m·g·h) dan energi potensial pegas elastis (PE = ½·k·x²), menyelesaikan variabel mana pun yang Anda biarkan kosong, dan menghubungkannya dengan energi kinetik sehingga Anda dapat mengubah ketinggian jatuh menjadi kecepatan tumbukan. Panduan ini menjelaskan kedua bentuk tersebut, mengapa pilihan ketinggian referensi penting, dan bagaimana energi dihemat saat benda jatuh.
Apa itu energi potensial dan mengapa energi potensial itu relatif
Energi potensial adalah energi yang dimiliki suatu benda karena letaknya atau cara penyusunannya, dan bukan karena kecepatan geraknya. Angkat suatu benda dan Anda melakukan usaha melawan gravitasi; usaha itu disimpan sebagai PE gravitasi dan dilepaskan saat benda jatuh. Kompres pegas dan kerja yang Anda lakukan disimpan sebagai PE elastis, yang dilepaskan saat pegas memantul. Kehalusan utama PE gravitasi adalah bahwa PE gravitasi selalu diukur relatif terhadap tingkat referensi yang dipilih: buku di atas meja memiliki PE yang berbeda bergantung pada apakah Anda mengukur ketinggian dari meja, lantai, atau ruang bawah tanah. Hanya perbedaan dalam PE yang melakukan pekerjaan fisik, jadi kalkulator ini menganggap tinggi yang Anda masukkan sebagai tinggi di atas angka nol yang Anda pilih.
Energi potensial gravitasi: PE = m·g·h
Di dekat permukaan planet, energi potensial gravitasi adalah massa dikali gravitasi dikali tinggi. Suku gravitasi adalah perubahan antardunia: g adalah 9,81 m/s² di Bumi, 1,62 di Bulan, dan 3,71 di Mars, sehingga gaya angkat yang sama menyimpan energi sekitar enam kali lebih sedikit di Bulan dibandingkan di Bumi. Rumus ini mengasumsikan g adalah konstan, yang merupakan perkiraan yang sangat baik di dekat permukaan namun terpecah dalam jarak yang sebanding dengan jari-jari planet — untuk masalah satelit dan kecepatan lepas, Anda memerlukan potensi gravitasi penuh −G·M·m/r sebagai gantinya. Dalam jangkauannya, PE = m·g·h adalah angka yang tepat, dan dengan mengatur ulang PE, Anda dapat menentukan massa atau tinggi yang dibutuhkan untuk menyimpan sejumlah energi target.
Energi potensial elastis dan hukum Hooke
Pegas ideal mematuhi hukum Hooke: gaya pemulih sebanding dengan perpindahan, F = k·x, dengan k adalah konstanta pegas dalam newton per meter. Energi yang tersimpan adalah luas di bawah garis gaya-versus-perpindahan — sebuah segitiga — yang menghasilkan PE = ½·k·x². Perpindahan kuadrat mempunyai konsekuensi praktis yang besar: meregangkan pegas dua kali lebih jauh akan menyimpan empat kali lebih banyak energi, dan tiga kali lebih jauh akan menyimpan sembilan kali lebih banyak energi. Itulah sebabnya tarikan busur atau peregangan trampolin yang terakhir menyimpan lebih banyak energi daripada tarikan pertama. Pegas nyata hanya mengikuti hukum Hooke sampai batas elastisnya; meregangkannya terlalu jauh dan akan berubah bentuk secara permanen, sehingga hasil pegas ideal kalkulator adalah perkiraan yang mendekati rentang kerja normal.
Konservasi energi: mengubah ketinggian menjadi kecepatan
Penggunaan energi potensial yang paling ampuh adalah memprediksi gerakan tanpa melacak gaya dari waktu ke waktu. Ketika suatu benda jatuh bebas dari keadaan diam, prinsip kekekalan energi mengatakan PE gravitasinya berubah seluruhnya menjadi energi kinetik: m·g·h = ½·m·v². Massanya hilang, sehingga menghasilkan hasil yang terkenal v = √(2gh) — setiap benda, berat atau ringan, mencapai kecepatan yang sama saat jatuh ke ketinggian yang sama dalam ruang hampa, persis seperti argumen Galileo. Tab Konservasi Energi menunjukkan pertukaran ini sebagai dua kurva bersilangan: PE turun ke nol sementara KE naik hingga mencapai total awal. Hambatan udara dan gesekan menyedot sejumlah energi di dunia nyata, sehingga angka tanpa gesekan pada kalkulator adalah batas atas kecepatan tumbukan sebenarnya.
Batasan dan kasus tepi
Ada beberapa situasi yang berada di luar model sederhana. Kalkulator menolak konstanta massa, tinggi, dan pegas yang nol atau negatif karena secara fisik tidak ada artinya, dan kalkulator memperlakukan ketinggian sebagai jarak non-negatif di atas tingkat referensi Anda. Energi potensial itu sendiri dapat didefinisikan sebagai energi negatif jika Anda menempatkan angka nol di atas benda, namun di sini masukannya tetap positif agar lebih jelas. Asumsi konstan-g membatasi rumus gravitasi pada permasalahan dekat permukaan, dan asumsi pegas ideal membatasi rumus elastis pada perpindahan dalam rentang elastis pegas. Untuk rantai peluruhan energi, sistem rotasi, atau kecepatan relativistik, rumus klasik ini memberikan perkiraan awal yang berguna, namun diperlukan model yang lebih detail.