MOMENTUM LINIER
(MOMENTUM)
Setiap
benda yang bergerak pasti memiliki Energi kinetik (Ek) dan Momentum
(P).Momentum adalah ukuran kesukaran untuk memberhentikan suatu benda. Makin sukar memberhentikannya, makin besar momentumnya. Dalam
bentuk jamak, momentum disebut dengan momenta.
Definisi momentum adalah hasil kali massa dan kecepatan.
Biasanya momentum dilambangkan dengan p.
Bila kita anggap m adalah massa
sebuah benda dan v adalah
kecepatannya, maka momentum p dari
benda tersebut adalah
Karena
kecepatan merupakna besaran vector, maka momentum dinyatakan dalam bentuk
vector. Arah momentum adalah arah kecepatan. Satuan momentum adalah kg.m/s.
dari hubungan di atas, dapat disimpulkan bahwa makin
besar massanya dan makin cepat bergeraknya maka momentum benda itu akan semakin
besar.
Untuk merubah momentum benda
dibutuhkan sebuah gaya, baik untuk menaikkan momentum, menurunkannya
(memberhentikan benda yang sedang bergerak), atau untuk meruabah arahnya. Pada
awalnya newton menyatakan hokum keduanya dalam bentuk momentum. Pernyataan
newton mengenai hukum gerak kedua jika diterjemahkan kedalam bahasa modern
yakni,
Laju perubahan momentum
sebuah benda sama dengan gaya total yang diberikan kepadanya
Kita
dapat menuliskan pernyataan ini dalam persamaan.
Dimana
adalah gaya total ynag diberikan kepada benda
dan ∆p adalah hasil perubahan momentum yang terjadi selama selang waktu ∆t.
Kita dapat menurunkan bentuk yang lebih kita kenal dari hukum kedua,
, dari persamaan diatas untuk kasus massa
konstan. Jika vo adalah kecepatan awal benda dan v adalah
kecepatanyya setelah waktu ∆t telah berlalu, maka
Berikut
contoh dari perubahan momentum :
1. Sebuah
bola dengan massa 150 gr bergerak dengan kecepatan 6 m/s dipukul dengan tongkat
sehingga berbalik arah dengan kecepatan 20 m/s. Tentukan momentum sebelum dan sesudah
dipukul!
Jawaban:
Diketahui:
m= 0,15 kg
Va= 6 m/s
Vb= 20 m/s
Ditanya : p sebelum dan sesudah ?
Jawab :
Momentum
(p) sebelum= m.va
= 0,15 . 6
= 0,9 kg m/s
Momentum
(p) sesudah = m.vb
= 0,15 . -20
= -3 kg m/s
IMPULS
Impuls adalah perubahan momentum. Definisi impuls adalah
hasil
kali gaya dengan waktu yang ditempuhnya. Impuls merupakan besaran vector yang arahnya
searah dengan arah gayanya.
Keterangan:
I = impuls
=
perubahan momentum (kg m/s)
=
perubahan selang waktu (s)
F = gaya (Newton)
Konsep impuls digunakan ketika
menangani gaya yang bekerja dalam waktu yang singkat, seperti ketika tongkat
bisbol yang digunakan untuk memukul bola. Gaya biasanya tidak konstan. Gaya
yang bervariasi seperti itu biasanya cukup diperkirakan dengan mengambil gaya
rata-rata
yang bekerja selama waktu ∆t.
Berikut contoh kasus yang
berhubungan dengan impuls,
2. Air
keluar dari selang dengan debit 1,5 kg/s dan laju 20 m/s, dan diarahkan pada sisi
mobil, yang menghentikan gerak majunya, (yaitu, kita abaikan percikan ke belakang.)
Berapa gaya yang diberikan air pada mobil?
Jawab:
Kita
ambil arah x positif kekanan. Pada setiap sekon, air dengan momentum px=
mvx= (1,5 kg)(20 m/s) = 30 kg.m/s berhenti pada saat mengenai
mobil.
Besar
gaya (dianggap konstan) yang harus diberikan mobil untuk merubah momentum air
sejumlah ini adalah
N
Tanda minus menunjukkan
bahwa gaya pada air berlawanan arah dengan kecepatan asal air. Mobil memberikan
gaya sebesar 30 N ke kiri untuk menghentikan air, sehingga dari hukum Newton
ketiga, air memberikan gaya sebesar 30 N pada mobil.
HUKUM KEKEKALAN
MOMENTUM
Hukum kekekalan momentum memiliki arti, momentum
total sistem sesaat sebelum tumbukan sama dengan momentum total sistem sesaat
setelah tumbukan, asalkan tidak ada gaya yang bekerja dari luar. Sistem
sekumpulan benda yang saling berinteraksi satu sama lain.
Dari gambar di atas, ilustrasinya
yaitu, kita bayangkan tumbukan terjadi pada 2 bola bilyar. Kita anggap gaya
eksternal total system 2 bola ini sebesra nol, artinya gaya yang signifikan
hanyalah gaya yang diberikan tiap bola ke bola lainnya ketika tumbukan.
Walaupun momentum dari tiap bola berubah akibat terjadi tumbukan jumlah
momentum, ternyata mereka sama saat sebelum dan sesudah tumbukan. Jika m1v1
adalah momentum bola nomer 1, dan m2v2 adalah
momentum dari bola 2, keduanya diukur sebelum tumbukan, maka momentum total
kedua bola sebelum tumbukan adalah m1v1+m2v2.
Setelah tumbukan, masing-masing bola memiliki kecepatan dan momentum yang
berbeda, yang akan kita beri tanda aksen (‘) pada kecepatannya, yaitu m1v1’+m2v2’,
inilah nilai dari momentum setelah
tumbukan. Tidak peduli berapapun kecepatan dan massa yang terlibat, ternyata
momentum sebelum dan sesudah tumbukan sama dengan sesudahnya, apakah tumbukan
tersebut dari depan atau tidak, selama ada gaya eksternal total yang bekerja :
Jadi,
jumlah vector momentum pada system dua bola tersebut kekal (tetap konstan).
Hukum kekekalan momentum tidak hanya diterapkan
dalam tumbukan saja, namun kita juga dapat menjumpainya seperti pada peristiwa
ledakan, penembakan proyektil, dan peluncuran roket.
Berikut contoh dari kasus kekekalan
momentum,
Sebuah kereta api yang massanya 10 ton melaju dengan
kecepatan 90 km/jam,kereta tersebut menabrak kereta dengan massa yang sama yang
sedang berhenti, setelah tabrakan terjadi kedua kereta menempel menjadi satu,
berapah kecepatan kedua kereta yang menempel itu?
Jawaban
:
Diket
: m1=m2=10ton=10.000kg
v1 =
90km/jam= 25 m/s
v2 = 0 (diam)
Dit:
v’=?
Jawab
:
Psebelum
= Psesudah
m1v1
+ m2v2 = (m1+m2)v’
10.000x25
+ 10.000x0 = (10.000+10.000)v’
250000
+ 0 = 20000v’
250000
= 20000v’
v’
= 250000/20000
v’=12.5
m/s
jadi
kecepatan 2 kereta setelah tumbukan sebesar 12.5 m/s
KEKEKALAN MOMENTUM DAN
ENERGI PADA TUMBUKAN
Pada
sebagian besar tumbukan, biasanya kita tidak mengetahui bagaimana gaya tumbukan
berubah menurut waktu, dan dengan demikian analisis dengan menggunakan hukum
kedua Newton menjadi sulit atau bahkan tidak mungkin. Namun, kita tetap bisa
menentukan banyak hal mengenai gerak setelah tumbukan, jika diketahui gerakan
awal, dengan menggunakan hukum kekekalan momentum dan energi.
Sebelumnya
telah disebutkan tentang adanya momentum total pada tumbukan antara dua objek
(bola bilyar). Jika kedua objek sangat keras dan tidak ada panas yang
dihasilkan oleh tumbukan, maka energy kinetiknya kekal. Ini berarti energy
kinetic sebelum dan sesudah tumbukan sama.
Tumbukan
dimana energy total adalah kekal disebut tumbukan lenting, sedangkan tumbukan
yang enerrgi kinetic total tidak kekal disebut tumbukan tidak lenting, berikut
penjelasan tentang tumbukan,
TUMBUKAN SATU DIMENSI
Tumbukan
biasanya dibedakan dari kekal-tidaknya tenaga kinetik selama proses. Bila
tenaga kinetiknya kekal, tumbukannya bersifat elastik. Sedangkan bila tenaga kinetiknya tidak kekal tumbukannya tidak elastik. Dalam kondisi setelah
tumbukan kedua benda menempel dan bergerak bersama-sama, tumbukannya tidak elastik sempurna.
·
Tumbukan
lenting
Kita
menerapkan hukum kekekalan momentum dan energi kinetik pada tumbukan lenting
sempurna antar dua benda yang kecil yang bertumbukan dari depan sehingga semua
gerak berada pada garis yang sama, seperti yang terlihat digambar.
sebelum sesudah
m1 m2
m1 m2
v1 v2 v’1 v’2
Dari
kekekalan momentum :
Dari
kekekalan tenaga kinetik :
Dan
diperoleh
Ini
merupakan hasil yang menarik, menjelaskan bahwa untuk tumbukan lenting, laju
relatif dari kedua partikel setelah tumbukan memiliki besar yang sama seperti
sebelumnya (tetapi dengan arah yang berbeda), tidak peduli berapapun massanya.
Tumbukan antara
dua buah benda
dikatakan lenting sempurna
apabila jumlah energi
kinetik benda sebelum dan sesudah
tumbukan tetap, sehingga nilai koefisien restitusi sama dengan 1 (e = 1).
·
Tumbukan
tidak lenting
Tumbukan antara
dua buah benda dikatakan tidak lenting sama sekali sesudah tumbukan kedua benda
menjadi satu (bergabung), sehingga kedua benda memiliki kecepatan sama yaitu v’.
Pada tumbukan tidak
lenting sama sekali, jumlah energi kinetik benda sesudah tumbukan lebih kecil
dibanding jumlah energi kinetik benda sebelum tumbukan. Jadi pada tumbukan ini
terjadi pengurangan energi kinetik.
Nilai
koefisien restitusi pada tumbukan tidak lenting sama sekali adalah nol (e =
0). Sehingga pada tumbukan tidak lenting
sama sekali berlaku persamaan matematis :
·
Tumbukan
lenting sebagian
Pada tumbukan
lenting sebagian, hukum kekekalan energi
kinetik tidak berlaku karena terjadi perubahan energi kinetik sebelum dan
sesudah tumbukan. Pada tumbukan lening sebagian hanya berlaku hukum kekekalan
momentum saja dan koefisien restitusi tumbukan lenting sebagian mempunyai nilai
diantara nol dan satu. Persamaan yang
digunakan adalah :
Dan nilai e adalah 0<e<1,
Umpamanya tinggi benda ketika dijatuhkan adalah
h1, dan benda memantul setinggi h2 dari lantai. Dengan
menggunakan persamaan gerak jatuh bebas kecepatan benda ketika mengenai lantai
dan kecepatan memantulnya dapat dinyatakan dengan h1, h2,
maka :
Maka, diperoleh nilai
h1 adalah
tinggi benda saat dijatuhkan,
h2 adalah
tinggi benda saat memantul kembali.
Contoh soal :
Bola pingpong
dilepaskan dari ketinggian tertentu sehingga pantulan pertama mencapai 6m dan
pantulan kedua mencapai 4m. berapakah tinggi bola pada awal?
Jawab :
Contoh kasus yang
berhubungan dengan tumbukan yaitu,
Benda A sebesar
5 kg dan B 1 kg bergerak saling mendekat dengan kecepatan masing-masing 2 m/s
dan 12 m/s. tentukan kecepatan kedua benda, jika terjadi tumbukan lenting
sempurna!
Jawaban:
Diketahui :
ma =
5 kg
mb= 1
kg
va=
-2 m/s
vb=
12 m/s
Ditanya : v?
Jawab :
pa +
pb = pa’ + pb’
mva +
mvb = mva’ + mvb’
5. (-2) + 1. 12
= 5 (va’) + 1 (vb’)
2
= 5 va’+ vb’............................................................ (1)
-14
= -va’+vb’............................................................ (2)
Mengeliminasi
persamaan 1 dan 2
2
= 5va’+vb’
-14 = -va’+vb’
-
16 = 6 va
2.67 = va
-14
= -va’+vb’
-14 = 2,67 + vb
-11.33 =vb
TUMBUKAN DUA DIMENSI
Dalam dua atau tiga dimensi, hukum
kekekalan saja belum cukup untuk dapat menyatakan gerak sesudah tumbukan
berdasarkan keadaan gerak sebelum tumbukan (kecuali unutk kasus tumbukan sama
sekali tak lenting). Sebagai contoh untuk tumbukan dua dimensi yaitu, ada empat
besaran setelah tumbukan yang tidak diketahui, berupa dua komponen kecepatan
untuk masing-masing partikel; tetapi hubungan yang kita miliki hanya tiga, satu
untuk kekekalan energy kinetic, dan dua untuk kekekalan momentum (satu dalam
masing-masing dimensi). Karena itu kita membutuhkan keterangan tambahan selain
syarat-syarat awal. Jika gaya interaksi sesungguhnya tidak diketahui,
keterangan tambahan tersebut harus diperoleh dari eksperimen yang paling
sederhana adalah memnentukan sudut pental salah satu partikel yang menumbuk.
Gambar tersebut merupakan contoh
tumbukan. Arah gerak partikel datang
setelah tumbukan membentuk sudut
dengan arah semula, partikel sasaran
, yang mula-mula diam, setelah tumbukan
bergerak dalam arah yang membentuk sudut
dengan arah gerak partikel datang. Dengan
menggunakan hukum kekekalan momentum, dengan hubunhna vector, kita peroleh dua
persamaan skalar,
Untuk komponen gerak dalam arah x
m1 v1 = m1v’1
cos q1+ m2v’2
cos q2
untuk komponen gerak
dalam komponen y :
0 = m1v’1 sin q1- m2v’2 sin q2
Bila dianggap
tumbukannya lenting :
1/2 m1 v12+
1/2m2 v22
= 1/2m1v’12 + 1/2 m2v2’2
PUSAT
MASSA
Interaksi antar materi seringkali merupakan interaksi banyak
titik materi. Pada sistem banyak titik, selain terdapat gaya eksternal (Fe) juga terdapat
gaya internal (Fij)
antar titik-titik dalam benda. Untuk itu diperkenalkan pusat massa, di mana
gaya aksi yang diberikan ke setiap titik materi dipandang sama dengan gaya aksi
yang diberikan pada pusat massa suatu sistem materi tunggal. Contoh
sederhananya saat kita melempar bola ke atas, sebenarnya semua titik pada
materi mendapatkan gaya aksi yang besarnya kita sebut Fi. Namun akan lebih sederhana jika kita
menganggap bola itu sebagai satu titik materi saja, yakni pada pusat massanya.
Contoh dari pusat massa, misalnya pusat massa dari tiga
orang diatas rakit, tiga orang tersebut yang kurang lebih mempunyai massa yang
sama m pada perahu pisang (diisi
udara) yang ringan duduk disepanjang sumbuh x
pada posisi X1=1,0m , X2=5,0m , X3=6,0m dan cari posisi PM.
Untuk penyelesaian menggunakan persamaan:
Pusat massa suatu benda ialah titik di mana gaya internal
pada sistem massa sama dengan nol. Untuk benda simetris yang homogen, letak
pusat massa tentulah berada tepat di tengah-tengah benda. Lalu, bagaimana untuk
benda yang tidak simetris?
Ambillah persamaan gaya yang bekerja pada sistem banyak
titik.
Jika kita mengambil suatu titik di
mana gaya internalnya nol, maka diperoleh,
Titik itu haruslah mewakili keseluruhan sistem secara
makroskopis, sehingga notasi sumasi di ruas kiri menjadi lenyap. Titik itulah
yang kita sebut sebagai pusat massa, yang berjarak R dari sembarang
pemilihan koordinat awal.
Bagaimana cara menentukan pusat massa benda homogen?
Pendekatannya dapat dilakukan dengan dua cara yaitu diskret dan kontinu. Misal
untuk gambar di bawah ini.
Jika kubus-kubus kecil penyusunnya memiliki rusuk 4 cm dan
massa m, di manakah letak pusat massa benda itu? Maka kita harus
menghitung bagian-demi bagian dan parameter demi parameter (x, y,
z).
Kubus
pertama (kiri) à r1(x,y,z)
= (2,2,2)
Kubus
ke-dua (tengah) à r2(x,y,z)
= (2,6,2)
Kubus
ke-tiga (depan) à r3(x,y,z)
= (6,6,2)
Kubus
ke-empat (atas) à r4(x,y,z)
= (2,6,6)
Karena
semua kubus kecil memiliki massa yang sama, m, maka pusat massanya, R ialah:
Contoh tadi adalah untuk benda yang bisa didekati dengan
metode diskret. Bagaimana dengan pelat berbentuk segitiga siku-siku?
Untuk benda semacam ini kita dapat memecahnya menjadi
segmen-segmen kecil lalu dijumlahkan (jumlahan Riemann). Berbicara tentang
penjumlahan Riemann artinya kita akan bersinggungan dengan integral. Dalam
bentuk integral, persamaan pusat massa dapat dituliskan
Di mana dm ialah elemen massa, atau massa dari tiap-tiap segmen. Di sini kita mendefinisikan massa jenis σ (massa per satuan luas), yakni σ = M/A. Karena luas segitiga di atas ialah ½ a.b, maka:
Di mana dm ialah elemen massa, atau massa dari tiap-tiap segmen. Di sini kita mendefinisikan massa jenis σ (massa per satuan luas), yakni σ = M/A. Karena luas segitiga di atas ialah ½ a.b, maka:
Mengingat segitiga siku-siku dapat kita nyatakan dalam
persamaan garis y(x) = mx = bx/a, diperoleh luas
tiap segmen yang berbentuk segi empat (dA) tidak lain adalah dx ×
y(x) sehingga elemen massa
Substitusi kembali M = σab/2,
akhirnya diperoleh
GERAK PUSAT MASSA
Terdapat
sekumpulan partikel dengan massa masing-masing : m1, m2 ,
... , mn dengan massa total
M. Dari teori pusat massa diperoleh :
M rpm
= m1r1 + m2r2 + ... + mn rn
dengan
rpm adalah pusat massa susunan partikel tersebut.
Bila
persamaan tersebut dideferensialkan
terhadap waktu t, diperoleh
M drpm
/dt= m1 dr1/dt + m2
dr2/dt + ... + mn
drn/dt
M vpm
= m1v1 + m2v2 + ... + mn vn
Bila
dideferensialkan sekali lagi, diperoleh
M dvpm
/dt= m1 dv1/dt + m2
dv2/dt + ... + mn
dvn/dt
M apm
= m1 a1 + m2 a2 + ... + mn an
Menurut
hukum Newton, F = m a, maka F1 = m1 a1, F2
= m2 a2 dst.
F1
F2
Fn
M apm
= F1 + F2 +
... + Fn
Jadi massa total dikalikan
percepatan pusat massa sama dengan jumlah vektor semua gaya yang bekerja pada
sekelompok partikel tersebut. Karena gaya internal
selalu muncul berpasangan (saling meniadakan), maka tinggal gaya eksternal saja
M apm
= Feks
Pusat massa suatu sistem partikel
bergerak seolah-olah dengan seluruh sistem dipusatkan di pusat massa itu dan
semua gaya eksternal bekerja di titik tersebut.
Makalah
Momentum
dan impuls
Oleh:
Nurul Fatimah (120210102008)
Devi A. (120210102015)
Rezki Noviana Devi (120210102091)
Rizka Hartami Putri (120210102107)
Widya Nur Umami (120210102121)
Program
studi pendidikan fisika
Fakultas
Keguruan dan Ilmu Pendidikan
Universitas
Jember
2012