SciSimulator
Kembali ke Eksperimen

Kekekalan Energi Mekanik: Jatuh Bebas Panduan

FisikaMenengahWaktu baca: 3 menit

Ikhtisar

Memverifikasi hukum kekekalan energi mekanik dengan mengamati gerak jatuh bebas benda berat. Konfirmasikan bahwa penurunan energi potensial gravitasi sama dengan peningkatan energi kinetik ketika hanya gravitasi yang melakukan usaha.

Latar Belakang

Gagasan tentang kekekalan energi mekanik sudah ada sejak studi Galileo tentang gerak pendulum, di mana ia menemukan bahwa bandul selalu naik ke ketinggian yang sama dengan titik pelepasannya. Kemudian, Leibniz mengusulkan konsep kekekalan 'vis viva' (gaya hidup, yaitu mv2mv^2). Akhirnya, Joule dan lainnya menetapkan hukum kekekalan energi yang lengkap. Percobaan ini menggunakan ticker timer untuk merekam gerak jatuh bebas dan memverifikasi kekekalan energi mekanik secara kuantitatif.

Konsep Utama

Energi Potensial Gravitasi (EpE_p)

Ep=mghE_p = mgh

Energi yang dimiliki suatu benda karena posisi vertikalnya, sebanding dengan ketinggian.

Energi Kinetik (EkE_k)

Ek=12mv2E_k = \frac{1}{2}mv^2

Energi yang dimiliki suatu benda karena geraknya, sebanding dengan kuadrat kecepatannya.

Energi Mekanik (EE)

E=Ep+EkE = E_p + E_k

Jumlah energi kinetik dan potensial dalam suatu sistem.

Formula & Penurunan

Hukum Kekekalan Energi Mekanik

ΔEp=ΔEk⇒mgh=12mv2\Delta E_p = \Delta E_k \Rightarrow mgh = \frac{1}{2}mv^2
Jika kecepatan awal adalah 0, energi potensial yang hilang setelah jatuh setinggi hh sama dengan energi kinetik yang diperoleh.

Perhitungan Kecepatan Sesaat

vn=hn+1−hn−12Tv_n = \frac{h_{n+1} - h_{n-1}}{2T}
Untuk benda dengan percepatan seragam, kecepatan rata-rata selama interval waktu sama dengan kecepatan sesaat di titik tengah interval tersebut.

Langkah Eksperimen

  1. 1

    Penyesuaian Alat

    Pastikan ticker timer dipasang secara vertikal dan lubang pembatas sejajar secara vertikal untuk meminimalkan gesekan pita. Sambungkan catu daya (tersambung secara default dalam simulasi).
  2. 2

    Pengoperasian Pita

    Nyalakan daya timer terlebih dahulu (ketukan stabil), lalu lepaskan beban. Amati apakah beban jatuh dengan lancar.
  3. 3

    Pemilihan Jejak

    Temukan titik pertama yang jelas (t=0t=0). Jika jarak antara titik ke-1 dan ke-2 mendekati 2mm2mm (pada frekuensi 50Hz50Hz), kecepatan awal dapat dianggap 0.
  4. 4

    Pengukuran dan Perhitungan

    Pilih titik hitung dengan jarak yang lebar (misalnya, ambil 1 titik hitung setiap 5 titik, jadi T=0.1sT=0.1s). Ukur ketinggian jatuh hh untuk setiap titik dan hitung kecepatan sesaat vv yang sesuai.

Hasil Pembelajaran

  • Memverifikasi bahwa energi mekanik kekal selama jatuh bebas dalam rentang kesalahan eksperimental.
  • Menguasai metode penggunaan 'kecepatan sesaat paruh waktu' untuk memproses data pita ticker.
  • Menganalisis penyebab kesalahan sistematis (penurunan EpE_p sedikit lebih besar daripada peningkatan EkE_k) karena hambatan udara dan gesekan pita.

Aplikasi Nyata

  • Pembangkit Listrik Tenaga Air: Energi potensial gravitasi air diubah menjadi energi kinetik oleh bendungan, yang kemudian memutar turbin untuk menghasilkan listrik.
  • Pile Driver: Palu berat diangkat untuk mendapatkan energi potensial, yang diubah menjadi energi kinetik besar saat jatuh untuk memukul tiang pancang ke tanah.
  • Roller Coaster: Kereta terus-menerus mengubah antara energi kinetik dan potensial saat bergerak naik dan turun lintasan.

Kesalahpahaman Umum

Salah
Kecepatan jatuh suatu benda bergantung pada massanya; benda yang lebih berat jatuh lebih cepat.
Benar
Percepatan jatuh bebas gg tidak bergantung pada massa. Laju jatuh hanya dipengaruhi oleh hambatan udara (diabaikan dalam percobaan ini).
Salah
Lepaskan pita terlebih dahulu, lalu nyalakan daya.
Benar
Daya harus dinyalakan terlebih dahulu untuk menstabilkan ketukan sebelum melepaskan pita. Jika tidak, awal pita mungkin kosong atau titik-titik mungkin tidak stabil.
Salah
Kecepatan dapat dihitung menggunakan v=gtv = gt atau v=2ghv = \sqrt{2gh}.
Benar
Dalam percobaan verifikasi, Anda tidak dapat menggunakan rumus hukum yang sedang diverifikasi untuk menghitung data. Anda harus menggunakan kecepatan rata-rata pita v=stv = \frac{s}{t} untuk mengukur kecepatan sesaat.

Bacaan Lebih Lanjut

Siap untuk memulai?

Sekarang setelah Anda memahami dasar-dasarnya, mulailah eksperimen interaktif!

Mulai EksperimenMulai Kuis