Momentum, Impuls, dan Tumbukan

 

 
Momentum

     Momentum linear atau biasa disingkat momentum didefinisikan sebagai besaran yang dihasilkan dari perkalian antara besaran skalar massa benda dengan besaran vektor kecepatan geraknya. jadi, momentum termasuk besaran vektor (besaran yang dipengaruhi arah).
 


Keterangan:
p = momentum (kg m/s)
m = massa benda (kg)
v = kecepatan benda (m/s)

Mobil bermassa m, bergerak dengan kecepatan v. Momentumnya p = m x v.

     Dari Persamaan (1–1) tersebut, dapat dilihat bahwa momentum merupakan besaran vektor karena memiliki besar dan arah.

     Momentum merupakan besara vektor sehingga selain mempunyai besar, momentum juga mempunyai arah. Arah momentum sama dengan arah kecepatan benda atau arah gerakan benda. Momentum berbanding lurus dengan massa dan kecepatan. Semakin besar massa, semakin besar momentum. Demikian juga semakin besar kecepatan, semakin besar momentum. Misalnya terdapat dua mobil, sebut saja mobil A dan mobil B. Jika massa mobil A lebih besar dari massa mobil B dan kedua mobil bergerak dengan kecepatan yang sama maka mobil A mempunyai momentum lebih besar daripada mobil B. Demikian juga jika mobil A dan mobil B mempunyai mempunyai massa sama dan mobil A bergerak lebih cepat daripada mobil B maka momentum mobil A lebih besar daripada momomentum mobil B. Apabila sebuah benda bermassa tidak bergerak atau diam maka momentum benda tersebut nol.
Satuan internasional momentum adalah kilogram meter / sekon, disingkat kg m/s.

Contoh Soal :

1. Sebuah mobil bermassa 1.500 kg bergerak dengan kecepatan 36 km/jam. Berapakah momentum mobil tersebut ?

Kunci Jawaban :

Diketahui: m = 1.500 kg dan v = 36 km/jam.

m = 1.500 kg

v = 36 km/jam = 10 m/s

Momentum mobil : p = mv = (1.500 kg)(10 m/s) = 15.000 kgm/s.

2. Perhatikan data berikut ini.

- Mobil bermassa 2.000 kg yang berisi seorang penumpang bergerak dengan kecepatan 72 km/jam.
- Seseorang mengendarai motor bermassa 100 kg dengan kecepatan 108 km/jam
- Seseorang naik motor bermassa 100 kg dan membonceng seorang lainnya, bergerak dengan kecepatan 54 km/jam.

Jika massa orang 50 kg, data manakah yang memiliki momentum terbesar?

Kunci Jawaban :

Diketahui :
m_mobil = 2.000 kg
m_motor = 100 kg
v_{motor ke–2} = 54 km/jam = 15 m/s,

v_{motor ke–1} = 108 km/jam = 30 m/s
v_mobil =72 km/jam = 20 m/s

a. Momentum mobil dengan seorang penumpang:

p_mobil = (m_orang + m_mobil)(v_mobil)

p_mobil = (50 kg + 2.000 kg)(20 m/s) = 41.000 kgm/s

b. Momentum motor dengan seorang pengendara:

p_motor = (mo_rang + m_motor)(v_{motor ke–1})

p_motor = (50 kg + 100 kg)(30 m/s) = 4.500 kgm/s

Jadi, momentum yang terbesar adalah momentum yang dimiliki oleh motor dengan seorang pengendara, yaitu 4.500 kgm/s.

3. Benda A dan benda B masing-masing bermassa 2 kg dan 3 kg, bergerak saling tegak lurus dengan kecepatan masing-masing sebesar 8 m/s dan 4 m/s. Berapakah momentum total kedua benda tersebut?

Kunci Jawaban :

Diketahui:
mA = m_A = 2 kg
m_B = 3 kg
v_A = 8 m/s
v_B = 4 m/s.

p_A = m_Av_A = (2 kg)(8 m/s) = 16 kgm/s

p_B = m_Bv_B = (3 kg)(4 m/s) = 12 kgm/s

Momentum adalah besaran vektor sehingga untuk menghitung besar momentum total kedua benda, digunakan penjumlahan vektor:

p_total = (pA₂ + pB₂)^1/2 = [(16 kgm/s)² + (12 kgm/s)²]^1/2 = 20 kgm/s.

Hukum Kekekalan Momentum

      Dua benda dapat saling bertumbukan, jika kedua benda bermassa m₁ dan m₂ tersebut bergerak berlawanan arah dengan kecepatan masing-masing v₁ dan v₂  Apabila sistem yang mengalami tumbukan itu tidak mendapatkan gaya luar, menurut Persamaan (1–4) diketahui bahwa apabila F = 0 maka Δp = 0 atau p = konstan. Dengan demikian, didapatkan bahwa jumlah momentum benda sebelum tumbukan akan sama dengan jumlah momentum benda setelah tumbukan. Hal ini disebut sebagai Hukum Kekekalan Momentum. Perhatikanlah Gambar 5.

Urutan gerak dua benda bermassa m1 dan m2 mulai dari sebelum tumbukan hingga sesudah tumbukan.

     Sebelum tumbukan, kecepatan masing-masing adalah benda v₁ dan v₂. Sesudah tumbukan, kecepatannya menjadi v₁' dan v₂'. Apabila F₁₂ adalah gaya dari m₁ yang dipakai untuk menumbuk m₂, dan F₂₁ adalah gaya dari m₂ yang dipakai untuk menumbuk m₁ maka menurut Hukum III Newton diperoleh hubungan sebagai berikut:

F(_aksi) = –F(_reaksi) atau F₁₂ = –F₂₁.
Jika kedua ruas persamaan dikalikan dengan selang waktu Δt maka selama tumbukan akan didapatkan:

F₁₂Δt = –F₂₁Δt

Impuls ke-1 = –Impuls ke-2

(m₁v₁ – m₁v₁')= – (m₂v₂ – m₂v₂')

m₁v₁ – m₁v₁' = – m₂v₂ + m₂v₂' .... (a)

Apabila Persamaan (a) dikelompokkan berdasarkan kecepatannya, persamaan tersebut dapat dituliskan sebagai berikut.

m₁v₁ – m₁v₁' = – m₂v₂ + m₂v₂'                            (1–5)

Contoh Soal :

     Dua benda masing-masing bermassa m, bergerak berlawanan arah dengan kecepatan masing-masing 20 m/s dan 15 m/s. Setelah tumbukan, kedua benda tersebut bersatu. Tentukanlah kecepatan kedua benda dan arah geraknya setelah tumbukan.

Kunci Jawaban :

Diketahui: m₁ = m₂ = m, v₁ = 20 m/s, dan v² = 15 m/s.

     v₂ bertanda negatif karena geraknya berlawanan arah dengan arah gerak benda pertama. Oleh karena setelah tumbukan kedua benda bersatu dan bergerak bersamaan maka kecepatan kedua benda setelah tumbukan adalah v₁' = v₂' = v'

sehingga :

m₁v₁ + m₂v₂ = (m₁ + m₂)v'

m(20 m/s) + m(–15 m/s) = (m + m)v'

Jadi, kecepatan kedua benda 2,5 m/s, searah dengan arah gerak benda pertama (positif).

Contoh Soal :

Seorang penumpang naik perahu yang bergerak dengan kecepatan 4 m/s. Massa perahu dan orang itu masing-masing 200 kg dan 50 kg. Pada suatu saat, orang tersebut meloncat dari perahu dengan kecepatan 8 m/s searah gerak perahu. Tentukanlah kecepatan perahu sesaat setelah orang tersebut meloncat.

Kunci Jawaban :

Diketahui: m_p = 200 kg, m₀ = 50 kg
v₀ = 8 m/s.

(m_p + m₀)v = m_pv_p' + m₀v₀'

(200 kg + 50 kg) (4 m/s) = (200 kg)v_p' + (50 kg)(8 m/s)

1.000 kgm/s = (200 kg) v_p' + 400 kgm/s

600 kgm/s = (200 kg) v_p'

v_p' = 3 m/s

Contoh Soal :

     Seseorang yang massanya 45 kg membawa senapan bermassa 5 kg. Dalam senapan tersebut, terdapat sebutir peluru seberat 0,05 kg. Diketahui orang tersebut berdiri pada lantai yang licin. Pada saat peluru ditembakkan dengan kecepatan 100 m/s, orang tersebut terdorong ke belakang. Tentukanlah kecepatan orang tersebut pada saat peluru dilepaskan.

Kunci Jawaban :

Diketahui bahwa Hukum Kekekalan Momentum menyatakan energi mekanik sebelum dan setelah tumbukan adalah sama, dengan ;
m₀ = massa orang = 45 kg
m_s = massa senapan = 5 kg
m_p = massa peluru = 0,05 kg
v_p = 100 m/s.

(m₀ + m_s + m_p)v = (m₀ + m_s)v₀ + m_pv_p

0 = (45 kg + 5 kg)v₀ + (0,05 kg)(100 m/s)

(–50 kg)v₀ = 5 kgm/s

v₀ = (5 kgm /  − 50 m/s) = –0,1 m/s

Jadi, kecepatan orang tersebut pada saat peluru dilepaskan adalah 0,1 m/s.

Impuls

     Besaran yang terkait dengan momentum adalah impuls. Impuls adalah besaran dari hasil perkalian antara besaran vektor gaya dengan besaran skalar selang waktu gaya bekerja. Jadi impuls adalah besaran vektor.


Keterangan:
I = impuls
= perubahan momentum (kg m/s)
= perubahan selang waktu (s)
F = gaya (Newton)

 atau 
Ket :
I = Impuls (Ns)
F = gaya (N)

= selang waktu (s)

Impuls juga sama dengan perubahan momentum sehingga rumusnya :

 

 

 Gambar 1. Gaya yang diberikan pada bola tenis hanya bekerja dalam selang waktu singkat. Gaya ini menyebabkan bola tenis bergerak dengan kecepatan dan lintasan tertentu.

     Besarnya impuls dapat dihitung dengan menggunakan grafik hubungan gaya F terhadap waktu t (grafik F – t). Perhatikan Gambar 3. berikut.

 

 Gambar 2. Luas daerah di bawah grafik F – t menunjukkan impuls yang dialami benda.

      Gaya impulsif yang bekerja pada benda berada pada nilai nol saat t₁  Kemudian, gaya tersebut bergerak ke nilai maksimum dan akhirnya turun kembali dengan cepat ke nilai nol pada saat t₂  Oleh karena luas daerah di bawah kurva gaya impulsif sama dengan luas persegipanjang gaya rata-rata ( F )yang bekerja pada benda, grafik hubungan antara F dan t dapat digambarkan sebagai besar impuls yang terjadi pada benda.

      Jika gaya yang diberikan pada benda merupakan suatu fungsi linear, impuls yang dialami oleh benda sama dengan luas daerah di bawah kurva fungsi gaya terhadap waktu, seperti terlihat pada Gambar 4.

Gambar 3. Impuls = luas daerah yang diarsir.

     Dengan memerhatikan Persamaan (1–2), Anda dapat menyimpulkan bahwa gaya dan selang waktu berbanding terbalik. Kombinasi antara Gaya dan Waktu yang Dibutuhkan untuk Menghasilkan Impuls Sebesar 100 Ns

Gaya (N)	Waktu (s)	Impuls (Ns)
100	1	100
50	2	100
25	4	100
10	10	100
4	25	100
2	50	100
1	100	100
0,1	1.000	100

     Besarnya impuls yang dibentuk adalah sebesar 100 Ns, namun besar gaya dan selang waktu gaya tersebut bekerja pada benda bervariasi. dari Tabel 1. tersebut, dapat dilihat bahwa jika waktu terjadinya tumbukan semakin besar (lama), gaya yang bekerja pada benda akan semakin kecil. oleh karena itu, dapat disimpulkan bahwa waktu kontak antara gaya dan benda sangat memengaruhi besar gaya yang bekerja pada benda saat terjadi tumbukan.

Catatan Fisika :

Pesawat Luar Angkasa

Gambar 3 Peluncuran Pesawat Luar Angkasa AS, Columbia.

      Pesawat luar angkasa yang akan bergerak menuju orbit harus mendapatkan momentum yang sangat besar agar kecepatannya bisa mengatasi percepatan gravitasi Bumi. Oleh karena itu, mesin pesawat harus mampu mengeluarkan gaya dorong yang sangat besar (sekitar 30 × 10⁶ N). (Sumber: Jendela Iptek, 1997)

Tumbukan

 

     Tumbukan dapat berlangsung secara singkat dan dapat pula berlangsung lama. Pada semua proses tumbukan, benda-benda yang saling bertumbukan akan berinteraksi dengan kuat hanya selama tumbukan berlangsung  kalaupun ada gaya eksternal yang bekerja, besarnya akan jauh lebih kecil daripada gaya interaksi yang terjadi, dan oleh karenanya gaya tersebut diabaikan.

     Jika energi kinetik total benda-benda setelah tumbukan sama dengan energi kinetik total benda-benda sebelum tumbukan, tumbukannya disebut tumbukan elastik sempurna . sebaliknya jika energi kinetik total kedua benda setelah tumbukan tidak sama dengan energi kinetik total kedua benda sebelum tumbukan , tumbukannya disebut tumbukan tak elastik atau tumbukan tak lenting. Selanjutnya disini akan dijelaskan lebih lanjut.

1. Tumbukan lenting sempurna pada satu dimensi

     Ingat ! jika pada tumbukan tidak terjadi kehilangan energi kinetik, maka tumbukan yang terjadi bersifat lenting sempurna. Disini akan dibahas tumbukan satu dimensi dimana kecepatan benda yang bertumbukan terletak segaris. Misalnya sepanjang sumbu-x seperti pada gambar 6 berikut.

Berdasarkan Hukum Kekalan Momentum diperoleh;

atau

oleh karena tumbukan yang terjadi adalah lenting sempurna, energi kinetiknya tetap, yaitu:

atau

Dengan mengingat,

 

maka persamaan ketika terjadi tumbukan lenting sempurna dapat dituliskan sebagai berikut

jika persamaan tersebut dibagi dengan persamaan;

maka diperoleh persamaan sebagai berikut:

2. Tumbukan lenting sempurna pada bidang

     Tumbukan ini terjadi pada bidang dua dimensi yang tidak segaris, melainkan sebidang (dua dimensi). Contoh tumbukan semacam ini adalah tumbukan yang terjadi pada dua bola billiar atau tumbukan yang terjadi pada tumbukan dua mobil yang sejenis dan melaju dengan kecepatan yang sama seperti pada gambar 7.

Dengan menerapkan hukum kekekalan momentum pada arah sumbu x, diperoleh

 

karena pada awalnya kedua benda tidak bergerak pada arah y, maka komponen momentum dari arah y bernilai nol;

Pada tumbukan lenting sempurna, harga koefisien restitusi adalah sebagai berikut:

3. Tumbukan tidak lenting

     Dalam tumbukan ini, setelah tumbukan kedua benda akan bergerak bersama seperti pada gambar.

 

sehingga berlaku Dengan demikian, Hukum kekekalan momentumnya berbentuk:

Dengan demikian, kecepatan kedua benda setelah tumbukan dapat dihitung dengan rumus:

Jika salah satu benda misalnya m2 semula diam, maka persamaanya menjadi:

 

     Jadi, dengan hanya mengukur massa dan kecepatan sebelum tumbukan, kecepatan benda setelah tumbukan dapat diperhitungkan. Dalam tumbukan tidak lenting, energi kinetik setelah tumbukan selalu lebih kecil daripada energi kinetik sebelum tumbukan.

Rumus energi kinetik sebelum tumbukan adalah

Rumus energi kinetik setelah tumbukan adalah

 

Perbandingan enrgi kinetik setelah tumbukan dengan energi kinetik  sebelum tumbukan adalah

 

catatan: persamaan tersebut berlaku jika semula massa m2 diam.

Pada tumbukan tidak lenting, harga koefisien restitusi adalah sebagai berikut:

 

4. Tumbukan lenting sebagian

     Sebagian besar tumbukan yang terjadi antara dua benda adalah tumbukan lenting sebagian. Misalnya, bola tenis yang bertumbukan dengan raket atau bola baseball yang dipukul. Analisis tumbukan tidak lenting sebagian melibatkan koefisien restitusi (e) .

koefisien restitusi didefinisikan sebagai harga negatif dari perbandingan antara besar kecepatan relatif  kedua benda setelah tumbukan dan sebelum tumbukan.

Pada tumbukan lenting sebagian, harga koefisien restitusi

sumber-sumber :

http://ilmu-top.blogspot.com

http://id.wikibooks.org

http://perpustakaancyber.blogspot.com

https://gurumuda.net
https://fisikamemangasyik.wordpress.com