Energi Potensial

Energi potensial adalah energi yang dimiliki oleh benda karena kedudukannya atau posisinya. Berbagai jenis energi potensial dapat didefinisikan, dan setiap jenis dihubungkan dengan suatu gaya tertentu.

Contoh Energi Potensial

Misalnya pegas pada jam yang diputar merupakan contoh energi potensial pegas. Pegas jam mendapatkan energi potensialnya karena dilakukan usaha padanya oleh orang yang memutar jam tersebut. Sementara pegas memutar balik, sehingga ia memberikan gaya dan melakukan usaha untuk memutar jarum jam. Contoh lain adalah energi potensial gravitasi. Misal sebuah batu bata dipegang tinggi di udara mempunyai energi potensial karena posisi relatifnya terhadap bumi. Batu bata itu mempunyai kemampuan untuk melakukan usaha karena jika dilepaskan akan jatuh ke tanah karena ada gaya gravitasi dan dapat melakukan usaha, katakanlah pada sebuah tiang yang dipancangkan dan menanamnya ke tanah.

Persamaan-Persamaan Energi Potensial

Untuk mengangkat vertikal suatu benda bermassa m, gaya ke atas yang paling tidak sama dengan beratnya mg harus diberikan padanya (misal oleh tangan seseorang). Untuk mengangkat benda itu tanpa percepatan setinggi h dari posisi y₁ ke posisi y₂  (Gambar diatas), maka orang tersebut harus melakukan usaha yang sama dengan hasil kali gaya eksternal yang  dibutuhkan  F_ext  = mg ke atas (jika diasumsikan arah ke atas positif) dan jarak vertikal h.

W_ext = F_extd cos 0^o = mgh = mg(y₂-y₁)

Gravitasi juga bekerja pada benda sewaktu bergerak dari y₁ ke y₂ dan melakukan usaha sebesar :

W_G = F_Gd cos θ = mgh cos 180^o = -mgh = -mg(y₂-y₁)

Jika kemudian benda dilepaskan dari keadaan diam,maka benda akan jatuh bebas di bawah pengaruh gravitasi dan benda itu akan memiliki kecepatan setelah jatuh dengan ketinggian h, sebesar :

v₂ = +2gh = 2gh

Benda akan mempunyai energi kinetik ½ mv²  = ½ m(2gh) = mgh, dan jika benda mengenai sebuah tiang pancang maka benda itu bisa melakukan usaha pada tiang itu sebesar mgh (teorema usaha-energi). Oleh karena itu, dengan menaikkan sebuah benda dengan massa m sampai ketinggian h membutuhkan sejumlah usaha yang sama dengan mgh. Maka energi potensial sebuah benda dapat didefinisikan dalam persamaan :

E_p = mgh

Dimana :

E_P = energi potensial (J)
m = massa benda (kg)
g = percepatan gravitasi (m/s2)
h = tinggi/posisi benda dari acuan tertentu misalnya tanah (m)

Semakin tinggi suatu benda di atas tanah, makin besar pula energi potensial yang dimilikinya.

Dengan demikian, usaha yang dilakukan oleh gaya eksternal untuk menggerakkan massa m dari titik 1 ke titik 2 (tanpa persepatan) sama dengan perubahan energi potensial benda antar titik 1 dan titik 2. Selain itu, ∆E_P dalam hubungannya dengan usaha yang dilakukan  gravitasi dapat ditulis dalam persamaan :

W_G = -mg(y₂-y₁) = -∆E_P

Artinya usaha yang dilakukan oleh gravitasi sementara massa m bergerak dari titik 1 ke titik2 sama dengan negatif dari perbedaan energi potensial antara titik 1 dan 2.