ENERGI BIOFISIKA

Energi adalah kemampuan melakukan kerja disebut demikian karena setiap kerja yang dilakukan sekecil apapun dan seringan apapun tetap membutuhkan energi. Menurut KBBI energi didefinisikan sebagai daya atau kekuatan yang perlu untuk melakukan berbagai proses kegiatan. Energi merupakan bagian dari suatu benda tetapi tidak terikat pada benda tersebut. Energi bersifar fleksibel artinya dapat berpindah dan berubah.

Definisi energi muncul dari beberapa tokoh diantaranya :

1.      Robert L. Wolke : energi adalah kemampuan membuat sesuatu terjadi.

2.      Mikrajuddin : energi adalah kemampuan benda untuk melakukan usaha.

3.      Pardiyono : energi adalah suatu bentuk kekuatan yang dihasilkan atau dimiliki oleh suatu benda.

4.      Michael J. Moran : energi adalah sebuah konsep dasar termodinamika dan merupakan salah satu aspek penting dalam analisis teknik.

Dari definisi diatas dapat kita simpulkan bahwa secara umum energi adalah kekuatan yang dimiliki suatu benda sehingga mampu untuk melakukan kerja. Didalam pembelajaran Biologi ada yang disebut bioenergi yang artinya sebagian dari proses metabolisme yang dapat menghasilkan energi kimia. Hasil energi kimia yang dimaksud terutama adalah adenosima trifosfat disingkat dengan ATP.

1. KONSEP ENERGI

Energi sering menjadi pokok bahasan setiap hari, namun tak banyak orang yang

memahami konsep dasar energi. Energi dapat ditinjau dari 3 sudut pandang, yaitu : biologis, fisika dan kimia. Bahasan selanjutnya dibatasi pada konsep energi ditinjau dari ilmu fisika.

Ilmu Fisika memandang energi sebagai sebuah proses perubahan dan tubuh manusia merupakan media perubahan tersebut. Tubuh manusia berinteraksi dengan benda lain di alam ini dalam gaining and loosing. Posisi dan gerakan tubuh mempengaruhi keseimbangan energi tubuh. Pada posisi dan gerakan tertentu energi lebih besar dari kondisi lain.

a.      Kondisi : Static Vs Dyanamic

Pada kondisi statis sebuah benda memiliki potensi energi tersimpan yang bergantung pada besar massa, gaya tarik gravitasi dan perbedaan ketinggian. Energi yang tersimpan pada sebuah benda diam disebut dengan energi potensial (Ep). Pada tubuh manusia, Ep bersifat relative karena pengertian diam dapat dikenakan pada tubuh secara utuh, sebagian anggota gerak, organ tubuh atau bahkan molekul penyusun tubuh manusia.

Ep = m.g.h, dimana m: massa; g: gaya gravitasi; h: perbedaan ketinggian

Pada kondisi tertentu tubuh kehilangan sebagian massanya, seperti saat berenang, terutama di air asin. Saat berenang tubuh mendapatkan gaya dorong yang arahnya berlawanan dengan gaya gravitasi. Selain itu, kerapatan molekul air menentukan massa jenis air yang jauh lebih besar dari udara. Manusia yang tegak berdiri memiliki perbedaan Ep pada tiap organya. Hal ini disebabkan oleh perbedaan posisi ketinggian dari dasar, misalnya Ep otak jauh lebih besar dibandingkan dengan Ep yang dimiliki patella. Sebaliknya bila manusia tidur terlentang, maka Ep tiap organ adalah sama karena tidak terdapat perbedaan ketinggian (Ep = 0). Dengan demikian manusia memiliki potensi yang lebih besar saat berdiri daripada tidur.

Energi potensial (Ep) juga dimiliki oleh benda yang memiliki kelenturan

(elastisitas). Semakin kaku sebuah benda, semakin besar potensi energi yang

tersimpan dalam benda tersebut. Bila kita mampu memaksimalkan regangan pada

benda yang memiliki kelenturan maka semkin besar energi potensialnya. Dengan

demikian besar Ep pada benda yang lentur tergantung pada konstanta kelenturan dan

perbedaan panjang akibat regangan.

Ep = ½. k. x2, dimana k: konstanta kelenturan dan x: perbedaan panjang

Tubuh manusia memiliki beberapa jaringan yang memiliki kelenturan (elastisitas), seperti : otot, kulit, dan tulang rawan. Sifat dari jaringan tersebut adalah memiliki gaya recoil, yaitu gaya yang memiliki kecenderungan kembali pada kondisi awal (seperti pegas). Gaya recoil sangat bergantung pada konstanta kelenturan dan besar regangan.

Gerakan yang menyebabkan perubahan posisi menandai kondisi dinamis. Kondisi dinamis tubuh manusia tidak hanya dipandang dari perubahan posisi tubuh, namun juga dapat dipandang dari perubahan posisi anggota gerak, organ tubuh atau bahkan molekul tubuh. Benda yang bergerak dan berubah posisinya memiliki energi kinetik (Ek). Ek bergantung pada besar massa dan kecepatan gerak benda berpindah posisi.

Ek = ½ m v2 , dimana m: massa dan v: kecepatan gerakan.

Bentuk lain dari energi kinetik adalah energi alir darah dan energi termal tubuh.

Ek yang muncul dari energi termal berasal dari tumbukan molekul gas yang bergerak

tak beraturan akibat pemanasan.

b.     Proses : Gaining Vs Loosing

Tubuh manusia merupakan media bagi perubahan bentuk energi. Energi kimia

berupa adenosine triphospat (ATP) dirubah menjadi energi potensial otot saat melepas salah satu ikatan fosfatnya. Tubuh yang bergerak tidak kehilangan energi potensialnya, justru besar energinya ditambah oleh energi kinetik yang muncul dari kecepatan gerakan tersebut.

2. HUKUM KEKEKALAN ENERGI

Hukum kekekalan energi tidak mengenal awal dan akhir sebuah energi, bagaimana diciptakan dan ditiadakan. Hukum ini menjelaskan bahwa energi akan selalu berubah dalam bentuk dan besaranya. Hal inilah yang menyebabkan berbagai persamaan energi selalu berakhir dengan bilangan konstan atau nol (0).

Σ (Ep + Ek) = 0, P.V = C, ΔQ = 0

Perubahan energi dari suatu bentuk menjadi bentuk yang lain selalu sama besarnya antara awal proses dan akhir proses. Peningkatan salah satu bentuk atau komponen energi akan selalu disertai dengan penurunan bentuk atau komponen lain dari energi tersebut. Dengan demikian ilmu Fisika tak pernah mengenal perubahan besar energi, karena selalu konstan setiap waktu.

Soal

1.      Seorang buruh pelabuhan yang tingginya 1,50 meter mengangkat sekarung beras yangbermassa 50 kg dari permukaan tanah dan memberikan kepada seorang temannya yang berdiri di atas kapal. Jika orang tersebut tersebut berada 0,5 meter tepat di atas kepala buruh pelabuhan, hitunglah energi potensial karung berisi beras relatif terhadap :

a)    permukaan tanah

b)    kepala buruh pelabuhan

2.      Sebuah bola sepak bermassa 150 gram ditendang oleh Ronaldo dan bola tersebut bergerak lurus menuju gawang dengan laju 30 m/s. Hitunglah :

a)     energi kinetik bola tersebut

b)     berapa usaha yang dilakukan Ronaldo pada bola untuk mencapai laju ini, jika bola mulai bergerak dari keadaan diam ?

3.      Sebuah mobil yang massanya 1000 kg bergerak dengan kecepatan 15 m/s. Berapa energi kinetik yang dimiliki mobil tersebut ?

4.      Sebuah benda jatuh bebas dari ketinggian 10 meter di atas tanah. Jika massa benda 4 kg dan percepatan gravitasi (g) = 10 m s^–2 maka energi kinetik dan kelajuan benda pada ketinggian 5 meter di atas tanah adalah…

5.      Berapa besar usaha jika sebuah  elevator yang beratnya 2000 N dinaikkan setinggi 80 m ? Berapa besar energi potensial elevator setelah dinaikkan ?

6.      Berapa besar usaha untuk menaikkan 2 kg setinggi 1,5 m di atas lantai ? Berapa besar energi potensial benda pada kedudukan yang baru ? (g = 10 m/s²)

7.      Berapa besar energi kinetik suatu benda yang bergerak dengan kecepatan 20 m/s, jika massa benda 10 kg ?

8.      Benda massanya 1 kg mempunyai energi kinetik besarnya 1 joule berapa kecepatan benda ?

9.      Benda yang massanya 2 kg (g = 10 m/s²) jatuh dari ketinggian 4 m di ats tanah. Hitung besar energi potensial benda ?

10.  Sebuah benda dengan massa 2 kg berada pada ketinggian 200 m dari permukaan tanah. Jika grafitasi setempat 10 m/s² maka hitunglah Energi potensial yang dimiliki oleh benda tersebut ?

jawaban :

1.      a. EP karung berisi beras relatif terhadap permukaan tanah

Ketinggian total karung beras dari permukaan tanah = 1,5 m + 0,5 m = 2 meter

Dengan demikian,

EP = mgh = (50 kg) (10 m/s²) (2 m)

EP = 1000 Joule

b.      EP karung berisi beras relatif terhadap kepala buruh pelabuhan

Kedudukan karung beras diukur dari kepala buruh pelabuhan adalah 0,5 meter.

EP = mgh = (50 kg) (10 m/s²) (0,5 m)

EP = 250 Joule

2.      a. Energi Kinetik bola

     EK= ½ mv² = ½ (0,15 kg) (30 m/s²)² = 67,5 Joule

b.  Usaha total

     W = EK₂ – EK₁

     EK₂ = 67,5 Joule

     EK₁ = ½ mv² = ½ m (0) = 0 — laju awal bola (v_o) = 0

     Dengan demikian, usaha total :

     W = 67,5 Joule – 0 = 67,5 Joule

3.      EK = ½ m.v²
EK = ½ 1000 kg.(15 m/s)²
EK = ½ 1000 kg.225 m²/s²
EK = 112500 kg m²/s²

Jadi energi kinetik yang dimiliki oleh mobil tersebut adalah 112500 joule.

4.      Diketahui :
Perubahan ketinggian (h) = 10 – 5 = 5 meter
Massa (m) = 4 kg
Percepatan gravitasi (g) = 10 m/s²
Ditanya : energi kinetik benda pada ketinggian 5 meter
Jawab :

Energi kinetik benda pada ketinggian 5 meter

Energi mekanik awal (EM_o) = energi potensial gravitasi (EP)

EM_o = EP = m g h = (4)(10)(5) = 200 Joule

Energi mekanik akhir (EM_t) = energi kinetik (EK)

EM_t = EK

Hukum kekekalan energi mekanik menyatakan bahwa energi mekanik awal sama denganenergi mekanik akhir.

EM_o = EM_t

200  EK

5.      Ep = m.g.h

= F.h

= 2000 N. 80 m

= 160.000 Nm = 160.000 J = 160 kJ

6.      Ep = m.g.h

= 2 kg. 1,5 m. 10 m/s²

= 30 kg m²/s² = 30 J

7.      Ek = 1/2 m.v²

= 1/2 10 kg ( 20 m/s)

= 5 kg 400 m²/s²

= 2000 kg m²/s² = 2000 J = 2 kJ

8.      Ek = 1/2m.v²

J = 1/21 kg v²

J1 kg = v²

2        m/s= v

9.      Ep = m.g.h

= 2 kg 10 m/s² 4 m

= 40 kg m²/s² = 40 J

10.  Ep = m.g.h

= 2 kg. 200 m. 10 m/s²

= 4000 kg m²/s² = 4000 J = 4000 kJ