Rumus Energi Potensial dan Contoh Perhitungannya dalam Fisika

Ilustrasi rumus energi potensial, Foto: Unsplash/Artturi Jalli

Rumus energi potensial merupakan salah satu formula dalam Fisika mengenai sub materi energi. Sebagaimana fungsi rumus pada umumnya, formula tersebut berguna untuk memecahkan persoalan dalam hitungan terkait energi potensial.

Fisika dikenal sebagai satu cabang ilmu pengetahuan alam yang memuat berbagai fakta, konsep, serta prinsip yang terjadi di alam semesta. Muatan di dalamnya sangat beragam, baik dari konsep alam yang nampak maupun tidak nampak (abstrak).

Energi merupakan konsep alam yang abstrak, karena energi tidak memiliki massa, tidak dapat diamati dan tidak dapat diukur secara langsung, tetapi dapat dirasakan perubahannya. Terdapat dua jenis energi dalam fisika, yaitu kinetik dan potensial.

Rumus Energi Potensial

Sebagai upaya untuk memahami materi mengenai energi potensial dalam Fisika, perlu dipahami mengenai pengertian, jenis-jenis, rumus energi potensial, serta contoh perhitungannya. Simak penjelasannya berikut ini:

1. Pengertian Energi Potensial

Istilah potensial dalam energi potensial berasal dari kata “potensi”, yang berarti kemampuan yang tersimpan. Oleh karena itu, energi potensial diartikan sebagai energi yang tersimpan dalam suatu benda atau dalam keadaan tertentu.

Dengan kata lain, energi potensial adalah energi yang tersimpan dalam suatu benda karena kedudukan atau letak posisi suatu benda. Energi ini sering disebut sebagai energi diam, karena ketika benda diam pun benda tetap memiliki energi potensial.

Menurut Zafitri, dkk (2018) dalam Jurnal Kependidikan Volume 2, jenis energi dalam Fisika dengan lambang ‘Ep’ ini merupakan energi yang dihubungkan dengan gaya-gaya yang bergantung pada posisi atau konfigurasi benda dengan lingkungannya.

Hukum Energi Potensial

Energi potensial dipengaruhi oleh ketinggian dan massa benda itu sendiri. Semakin tinggi dan berat suatu benda, maka semakin besar pula energi potensialnya. Begitu pun sebaliknya, semakin kecil berat dan ketinggiannya, semakin kecil juga energinya.

2. Jenis Energi Potensial dan Rumusnya

Energi Potensial Gravitasi

Energi potensial gravitasi adalah energi yang dimiliki suatu benda karena kedudukannya, dalam hal ini ketinggian benda terhadap suatu bidang acuan. Semakin tinggi jaraknya dari permukaan tanah, semakin besar pula energi potensial benda tersebut.

Dari pengertian di atas, diketahui bahwa energi potensial gravitasi suatu benda merupakan hasil kali dari gaya berat benda dengan ketinggian benda tersebut. Berikut merupakan formula energi potensial gravitasi tersebut:

Keterangan:

Ep : Energi potensial gravitasi (Joule)

m : berat benda (kg)

g : gravitasi (10 m/s²)

h : ketinggian suatu benda (m)

Energi Potensial Pegas (Elastis)

Energi potensial pegas berkaitan erat dengan benda-benda elastis. Sesuai namanya, semisal pegas. Apabila seseorang melepaskan tekanan pada pegas, maka pegas tersebut melakukan usaha pada tangan orang yang menekannya.

Berikut merupakan formula untuk energi potensial pegas:

Keterangan:

Ep : Energi potensial pegas (Joule)

k : konstanta (9×10⁹N.m²/C²)

x : perubahan sisi (m)

Energi Potensial Listrik

Energi potensial listrik disebut juga energi potensial elektrostatik adalah energi potensial yang dihasilkan dari gaya-gaya Coulomb konservatif dan diasosiasikan dengan konfigurasi sejumlah muatan-muatan titik dalam sebuah sistem yang didefinisikan.

Suatu objek dapat memiliki energi potensial listrik karena dua elemen utama, yaitu muatan listriknya sendiri dan posisi relatifnya terhadap objek bermuatan listrik lainnya. Berikut merupakan formula untuk energi potensial listrik:

Keterangan:

Ep : Energi potensial listrik (Joule)

k : konstanta (9×10⁹N.m²/C²)

q₀ : Muatan sumber (coulomb)

q : Muatan uji (coulomb)

r : jarak antara muatan q₀ dan q (m)

3. Contoh Soal dan Pemecahannya

Sejatinya bentuk soal dapat berbeda-beda penyelesaiannya, namun formula dapat membantu pemecahan soal baik secara langsung atau memanfaatkan persamaannya. Berikut merupakan contoh soal menggunakan rumus energi potensial sesuai dengan jenisnya:

Energi Potensial Gravitasi

Contoh soal 1

Sebuah semangka dengan berat 5 kilogram diletakkan pada ketinggian 7 meter di atas permukaan tanah. Jika gaya gravitasi bumi adalah 10 m/s², maka berapakah energi potensial yang dimiliki semangka tersebut?

Diketahui: m = 5 kg, g = 10 m/s², h = 7 m

Ditanyakan: Ep?

Jawab dengan rumus Ep = m.g.h, berikut:

Ep = 5 kg. 10 m/s².7 m

Ep = 350 Joule

Contoh soal 2

Terdapat bola dengan bahan baja yang memiliki energi potensial sebesar 1000 Joule di atas gedung terbengkalai. Berdasarkan informasi, bola tersebut memiliki berat 20 kg. Dari informasi tersebut, kira-kira berapakah ketinggian gedung itu, jika ketentuan gaya gravitasi bumi adalah 10 m/s²?

Diketahui: Ep = 1000 Joule, m = 20 kg, g = 10 m/s²

Ditanyakan: h?

Jawab menggunakan persamaan Ep = m.g.h, berikut:

1000 Joule = 20 kg.10 m/s².h

h = Ep/m.g

h = 1000/200

h = 20 m

Contoh soal 3

Mahera meletakkan sebuah melon dengan berat 1 kilogram di atas lemari dengan ketinggian 3 meter. Berapakah energi potensial yang dimiliki melon tersebut?

Diketahui: m = 1 kg, h = 3 m, g = 10 m/s²

Ditanyakan: Ep?

Jawab dengan formula Ep = m.g.h, berikut:

Ep = 1 kg.3 m.10 m/s²

Ep = 30 Joule

Energi Potensial Pegas

Contoh soal 4

Sebuah pegas diketahui memiliki massa 2 kilogram. Ketika siang hari, pegas tersebut berubah panjang dari 4 cm menjadi 6 cm. Dari informasi itu, kira-kira berapakah energi potensial pegas tersebut?

Diketahui: m = 2 kg

Ditanyakan: Ep?

Jawab dengan ikuti 4 langkah berikut:

Contoh soal 5

Sebuah pegas memiliki konstanta 300 Nm. Pegas kemudian direntangkan dan panjangnya berubah menjadi 30 cm. Tentukan energi potensial pegas berdasarkan informasi tersebut!

Diketahui:

Ditanyakan: Ep?

Jawab:

Ep = ½kx²

Ep = ½.300.(0,3)²

Ep = 150.0,09

Ep = 13,5 Joule

Contoh soal 6

Renji memiliki sebuah pegas dengan panjang 100 cm. Apabila energi potensial pegas tersebut adalah 20 Joule, maka berapakah konstanta pegas Renji itu?

Diketahui:

x = 100 cm ≈ 1 m

Ep = 20 J

Ditanyakan: k?

Jawab dengan persamaan:

Ep = ½kx²

20 = ½.k.(1)²

½k = 20

k = 20.2

k = 40 Nm

Energi Potensial Listrik

Contoh soal 7

Diketahui dua buah muatan A dan B memiliki jarak sebesar 20 cm. Muatan A memiliki q sebesar 6 μC, sementara muatan B memiliki q sebesar 4 μC. Berapa perubahan energi potensial muatan A ketika bergerak ke muatan B?

Diketahui:

Ditanyakan: Ep?

Jawab dengan rumus Ep = k(q₀q/r), berikut:

Ep = 9×10⁹(6. 10⁻⁶ x 4. 10⁻⁶)/2x10⁻¹

Ep = 216×10⁹⁻⁶⁻⁶/2x10⁻¹

Ep = 108x10⁻³x10⁻¹

Ep = 108 x 10⁻²

Ep = 108/100

Ep = 1,08 J

Contoh soal 8

Dua buah muatan masing-masing q₁ = 10 μC dan q₂ = 8 μC terpisah sejauh 4 meter. Berapa perubahan energi potensial listrik muatan q₁ jika bergerak ke muatan q₂? Gunakan tetapan k = 9×10⁹N.m²/C²

Diketahui:

Ditanyakan: Ep?

Jawab:

Ep = 9×10⁹(10. 10⁻⁶ x 8. 10⁻⁶)/4

Ep = 720×10⁹⁻⁶⁻⁶/4

Ep = 180x10⁻³

Ep = 180/1000

Ep = 0,18 J

Demikian ulasan terkait pengertian, jenis-jenis, rumus energi potensial, serta contoh soal lengkap dengan cara perhitungannya. Untuk memahami materi secara lebih lanjut, pelajari materi terkait dari berbagai sumber terpercaya.(nf)

Baca juga: Rumus Energi Kinetik, Potensial, dan Mekanik