Energi dan kerja

Mata uang alam semesta — apa itu, mengapa tidak pernah hilang, dan bagaimana cara menggunakannya.

​

Apa sebenarnya energi itu

Lupakan definisi buku teks. Inilah kebenarannya:

Energi adalah kemampuan untuk membuat sesuatu terjadi.

Itu saja. Jika sesuatu dapat mendorong, mengangkat, memanaskan, menyalakan, menggerakkan, atau menghancurkan sesuatu yang lain, ia memiliki energi. Jika tidak bisa, maka tidak.

Energi diukur dalam joule (J). Satu joule kira-kira energi yang dibutuhkan untuk mengangkat sebuah apel kecil setinggi satu meter ke udara. Satuan kecil. Sisanya hanya banyak joule.

​

Satu aturan yang menjalankan segalanya: kekekalan energi

Energi tidak pernah diciptakan dan tidak pernah dimusnahkan. Ia hanya berubah bentuk.

Ini mungkin kalimat paling penting dalam seluruh fisika. Tanamkan dalam-dalam.

Saat Anda makan sandwich, energi kimia dari makanan berubah menjadi energi gerak untuk otot Anda, yang kemudian berubah menjadi energi panas saat Anda berlari. Jumlah total energi tidak pernah berubah — ia hanya terus berganti kostum.

Setiap kali Anda terjebak pada soal fisika, tanyakan: “Dari mana energinya berasal, dan ke mana perginya?” Pertanyaan tunggal itu memecahkan masalah yang tampak mustahil jika hanya mengandalkan gaya.

​

Dua rasa utama energi

​

Energi kinetik — energi gerak

Apa pun yang bergerak memiliki energi kinetik. Rumusnya:

$KE = \tfrac{1}{2} m v^2$

Baca perlahan: energi kinetik bergantung pada massa dan kuadrat kecepatan.

Kuadrat itu sangat besar. Artinya:

• Gandakan kecepatan → energi 4× lipat.
• Tiga kali lipatkan kecepatan → energi 9× lipat.

Inilah sebabnya kecelakaan mobil pada 100 km/jam tidak dua kali lebih buruk dari 50 km/jam — melainkan empat kali lebih buruk. Kecepatan jauh lebih berbahaya daripada yang dikira orang. Para insinyur tahu ini. Sekarang Anda juga tahu.

​

Energi potensial — energi tersimpan

Energi potensial adalah energi yang menunggu untuk terjadi. Sebuah batu besar di tebing tidak melakukan apa-apa sekarang, tetapi jika ia jatuh, ia akan melakukan banyak hal. “Menunggu” itulah yang disebut energi potensial.

Jenis yang paling umum — energi potensial gravitasi — memiliki rumus sederhana:

$PE = mgh$

• $m$ = massa
• $g$ = gravitasi (9,8 m/s² di Bumi)
• $h$ = ketinggian di atas tanah (atau apa pun yang Anda sebut “nol”)

Lebih tinggi = lebih banyak energi tersimpan. Lebih berat = lebih banyak energi tersimpan. Intuisi yang sama yang sudah Anda miliki.

Jenis energi potensial lainnya:

• Elastis — pegas yang diregangkan, tali busur yang ditarik
• Kimia — makanan, bahan bakar, baterai
• Nuklir — inti atom

Semuanya gagasan yang sama: energi tersimpan, siap untuk dilepaskan.

​

Kerja — jembatan antara gaya dan energi

Dalam fisika, kerja memiliki makna yang sangat spesifik:

Kerja adalah apa yang terjadi ketika sebuah gaya menggerakkan sesuatu.

$W = F \cdot d$

Gaya dikali jarak. Jika Anda mendorong sebuah kotak dengan 10 N dan kotak itu meluncur 2 m, Anda telah melakukan kerja sebesar 20 J padanya.

​

Bagian anehnya

Jika Anda mendorong dinding sekuat tenaga selama satu jam dan dinding tidak bergerak — Anda telah melakukan nol kerja pada dinding tersebut. Fisika tidak peduli bahwa Anda lelah. Tidak ada gerakan = tidak ada kerja.

Ini bukan fisika yang kejam. Ini fisika yang tepat: kerja secara khusus adalah energi yang ditransfer ke sebuah objek oleh sebuah gaya. Tidak ada gerakan berarti tidak ada energi yang ditransfer ke dinding.

​

Mengamati energi bertransformasi: roller coaster

Inilah contoh yang membuat semuanya jadi masuk akal.

1. Di puncak bukit

   Coaster nyaris tidak bergerak. Banyak energi potensial (tinggi di atas), hampir tidak ada energi kinetik (lambat).

2. Setengah jalan turun

   Posisinya lebih rendah, jadi PE lebih kecil. Tetapi ia bergerak cepat sekarang, jadi KE lebih besar. PE yang hilang menjadi KE. Energi total: sama.

3. Di dasar

   Titik terendah → PE minimum. Titik tercepat → KE maksimum. PE telah sepenuhnya diubah menjadi KE.

4. Mendaki bukit berikutnya

   KE berubah kembali menjadi PE saat ia melambat saat naik. Pertukarannya terbalik.

Di dunia yang sempurna dan tanpa gesekan, coaster akan terus berjalan selamanya, bertukar PE dan KE. Di dunia nyata, gesekan dan hambatan udara perlahan-lahan menguras energi sebagai panas. Energi tidak “hilang” — ia hanya meninggalkan coaster dan sedikit memanaskan rel dan udara.

Inilah sebabnya memahami energi sangat kuat: Anda tidak perlu melacak setiap gaya pada setiap saat. Anda hanya membandingkan awal dan akhir. “Mulai dengan X joule PE, berakhir dengan X joule KE.” Selesai.

​

Daya — seberapa cepat energi digunakan

Energi adalah seberapa banyak. Daya adalah seberapa cepat.

$P = \frac{W}{t}$

Diukur dalam watt (W). Satu watt = satu joule per detik.

• Bola lampu 60 W menggunakan 60 joule setiap detik.
• Microwave 1500 W menggunakan 1500 joule setiap detik.
• Manusia yang berlari menggunakan sekitar 700 W.
• Mesin mobil menghasilkan sekitar 100.000 W (≈ 134 tenaga kuda).

Energi yang sama, pengiriman lebih cepat = lebih banyak daya. Dua orang dapat mengangkat kotak yang sama menaiki tangga yang sama, tetapi yang berlari menggunakan lebih banyak daya, bukan lebih banyak energi.

​

Rahasia insinyur mekanik

Kapan pun Anda dapat memilih antara menyelesaikan masalah dengan gaya ($F = ma$) atau energi (kekekalan), coba energi terlebih dahulu. Hampir selalu lebih singkat.

Mengapa? Karena energi tidak peduli pada lintasan. Bola yang jatuh 10 m memperoleh KE yang sama baik ia jatuh lurus ke bawah, meluncur di lereng, atau melalui jalur roller-coaster yang berkelok. Gaya akan memaksa Anda untuk melacak setiap goyangan. Energi hanya bertanya: seberapa tinggi Anda mulai, seberapa tinggi Anda berakhir?

Selanjutnya: Momentum

Hal lain yang selalu kekal — dan rahasia untuk memahami tumbukan.