Momentum dan Impuls – Fisika Kelas X

Momentum dan Impuls merupakan satu kesatuan yang setara dan tidak dapat dipisahkan dalam proses pembelajaran fisika. Momentum dan impuls dikatakan dua besaran yang sama atau setara karena memiliki Satuan Internasional (SI) yang sama dan memiliki satuan dimensi yang sama. Posting kali ini akan membahasa mengenai momentum, impuls, tumbukan, dan hukum kekekalan momentum.

Gambar 1. Peta Konsep Momentum dan Impuls

A. Momentum

Momentum merupakan besaran turunan yang muncul karena terdapat benda bermassa yang bergerak. Dalam fisika besaran turunan ini dilambangkan dengan huruf P, Momentum adalah hasil kali antara massa dan kecepatan. Momentum adalah istilah yang umum digunakan dalam olahraga. Ketika seorang penyiar olahraga mengatakan bahwa sebuah tim memiliki momentum, itu berarti tim tersebut benar-benar bergerak dan akan sulit untuk berhenti.

Secara matematis, persamaan momentum dapat dituliskan sebagai P = m.v, dengan P adalah momentum (kg.m/s), m adalah massa benda (kg), dan v adalah kecepatan benda (m/s), serta satuan dimensi momentum adalah [M][L][T]^-1.

Istilah momentum adalah konsep fisika, objek apa pun dengan momentum akan sulit dihentikan. Untuk menghentikan objek seperti itu, perlu untuk menerapkan gaya terhadap gerakannya selama jangka waktu tertentu. Semakin banyak momentum yang dimiliki suatu objek, semakin sulit untuk berhenti. Dengan demikian, akan membutuhkan jumlah gaya yang lebih besar atau jumlah waktu yang lebih lama atau keduanya untuk menghentikan objek tersebut. Ketika gaya bekerja pada objek selama waktu tertentu, kecepatan objek berubah; dan karenanya, momentum objek juga berubah.

Untuk merubah momentum benda dibutuhkan sebuah gaya, baik untuk menaikkan momentum, menurunkannya (memberhentikan benda yang sedang bergerak), atau untuk merubah arahnya. Newton yang pada awalnya menyatakan hukum kedua dalam bentuk momentum (walaupun menyebutnya sebagai hasil kali  sebagai kuantitas gerak). Pernyataan Newton mengenai hukum gerak kedua, jika diterjemahkan kedalam bahasa modern adalah sebagai berikut:

“Laju perubahan momentum sebuah benda sama dengan gaya total yang diberikan padanya”

Kita dapat menuliskan pernyataan ini dalam bentuk persamaan,

Pernyataan Newton, sebenarnya lebih umum dari persamaan yang lebih kita kenal karena mencakup situasi dimana massa dapat berubah. Hal ini penting pada keadaan tertentu, seperti pada roket yang yang kehilangan massanya pada waktu membakar bahan bakarnya.

B. Impuls

Impuls adalah peristiwa gaya yang bekerja pada benda dalam waktu sesaat atau impuls adalah peristiwa bekerjanya gaya dalam waktu yang sangat singkat. Contoh dari kejadian impuls adalah: peristiwa bola ditendang, bola tenis dipukul, karena pada saat tendangan dan pukulan, gaya yang bekerja sangat singka. Impuls merupakan suatu gaya yang dikalikan dengan waktu selama gaya bekerja. Suatu impuls adalah hasil kali suatu gaya yang bekerja dalam waktu yang singkat yang menyebabkan  suatu perubahan dari momentum. Sebuah benda menerima momentum melalui pemakaian suatu impuls.

Dari hukum II Newton, diperoleh:

C. Hubungan Momentum dan Impuls

Hukum II Newton menyatakan bahwa gaya yang bekerja pada suatu benda sama dengan perkalian massa dengan percepatannya.

Jadi dapat disimupulkan bahawa I = ΔP, dimana besarnya impuls yang bekerja atau dikerjakan pada suatu benda sama dengan besarnya perubahan momentum pada benda tersebut.

D. Hukum Kekekalan Momentum

Konsep momentum sangat penting, karena pada keadaan-keadaan tertentu, momentum merupakan besaran yang kekal. Pada abad ke-17, tidak lama sebelum masa Newton, telah diketahui bahwa jumlah vektor momentum dari dua benda yang bertumbukan tetap konstan.

Gambar 2. Momentum kekal pada tumbukan dua bola

Bayangkan misalnya tumbukan berhadapan dari dua bola bilyar, seperti ditunjukkan pada gambar 1. Kita anggap gaya eksternal total sistem dua bola ini sebesar nol, artinya gaya yang signifikan hanyalah gaya yang diberikan tiap bola ke bola lainnya ketika tumbukan. Walaupun momentum dari tiap bola berubah akibat terjadinya tumbukan, maka momentum akan sama pada waktu sebelum dan sesudah tumbukan.

Jika adalah momentum bola nomor 1 dan  merupakan momentum bola 2, keduanya diukur sebelum tumbukan, maka momentum total kedua bola sebelum tumbukan adalah . Setelah tumbukan, masing-masing bola memiliki kecepatan dan momentum yang berbeda, yang akan kita beri tanda “aksen” pada kecepatan  dan . Momentum total setelah tumbukan adalah . Tidak peduli berapapun kecepatan dan massa yang terlibat, ternyata momentum total sebelum tumbukan sama dengan sesudah tumbukan, apakah tumbukan tersebut dari depan atau tidak, selama tidak ada gaya eksternal total yang bekerja.

Jadi jumlah vektor momentum pada sistem dua bola tersebut kekal, tetap konstan. Walaupun hukum kekekalan momentum ditemukan dari percobaan, hukum ini berhubungan erat dengan hukum gerak Newton dan dapat dibuktikan bahwa keduanya adalah sama. Kita akan melakukan penurunan sederhana dari kasus satu dimensi yang diilustrasikan pada gambar 2. Kita anggap gaya F yang diberikan bola yang satu terhadap yang lain selama tumbukan konstan terhadap waktu tumbukan . Kita gunakan hukum Newton kedua sebagaimana dinyatakan dalam persamaan 7.2 dan dapat kita tuliskan kembali dengan mengalikan kedua sisi dengan .

Gambar 3. Gaya-gaya pada bola selama tumbukan

Momentum total dari suatu sistem benda-benda yang terisolasi tetap konstan. Dengan istilah sistem, yang dimaksud adalah sekumpulan benda yang berinteraksi satu sama lain. Sistem terisolasi adalah suatu sistem dimana gaya yang ada hanyalah gaya-gaya diantara benda-benda pada sistem itu sendiri. Jumlah semua gaya ini akan nol dengan berlakunya hukum Newton ketiga. Jika ada gaya luar, yang dimaksud adalah gaya-gaya yang diberikan oleh benda di luar sistem dan jumlahnya tidak nol (secara vektor), maka momentum total tidak kekal. Bagaimanapun, jika sistem dapat didefinisi ulang sehingga mencakup benda-benda lain yang memberikan gaya ini, maka prinsip kekekalan momentum ini dapat diterapkan.

Sebagai contoh, jika kita ambil sistem sebuah batu yang jatuh, kekekalan momentum tidak berlaku karena adanya gaya luar. Gaya gravitasi yang diberikan oleh bumi, bekerja pada batu tersebut dan momentumnya berubah. Bagaimanapun, jika kita memasukkan bumi ke dalam sistem ini, momentum total batu dtambah bumi akan kekal. (Hal ini tentu berarti bahwa bumi naik untuk mencapai batu, karena massa bumi sangat besar, kecepatan keatasnya sangat kecil).

Hukum kekekalan momentum terutama berguna ketika kita menangani sistem sederhana seperti tumbukan dan jenis-jenis tertentu dari ledakan. Sebagai contoh, peluncuran roket juga dapat dijelaskan dengan dasar kekekalan momentum. Sebelum roket diluncurkan, momentum total roket ditambah bahan bakar adalah nol. Sementara bahan bakar terbakar, momentum total tetap tidak berubah, momentum kebelakang dari gas yang dibuang diimbangi dengan momentum kedepan yang didapat roket itu sendiri. Dengan demikian, roket dapat dipercepat di ruang hampa. Gas yang dikeluarkan tidak perlu mendorong bumi atau udara (sebagaimana anggapan yang salah selama ini). Contoh-contoh yang sama adalah gerakan mundur pistol dan pelemparan paket ke luar perahu.

E. Tumbukan

Kekakalan  momentum merupakan cara yang sangat berguna untuk menangani proses tumbukan. Tumbukan merupakan suatu kejadian yang umum dalam kehidupan sehari-hari, raket tenis atau tongkat bisbol dua bola bilyar yang bertumbukan, sebuah gerbong kereta menumbuk gerbong yang lainnya, martil memukul paku. Pada tingkat sub atomik, para ilmuan mempelajari struktur inti dan penyusunannya, dan mengenai jenis gaya yang terlibat, dengan mempelajari secara teliti mengenai tumbukan antara inti dan atau partikel-partikel elementer. Tumbukan dibagi kedalam tiga jenis, yaitu tumbukan lenting sempurna, tumbukan lenting sebagian, dan tumbukan tidak lenting sama sekali.

Tumbukan Lenting Sempurna

Dua buah benda bisa dikatakan mengalami tumbukan lenting sempurna bila tidak terjadi kehilangan energi kinetik ketika terjadi tumbukan. Energi kinetik sebelum dan sesudah tumbukan sama, demikian juga dengan momentum dari sistem tersebut.

Pada peristwa tumbukan lenting sempurna, berlaku :

1. Hukum kekekalan energi mekanik
2. Huku kekekalan momentum
3. Koefisien restitusi e = 1

Nilai koefisien resistansi tumbukan lenting sempurna adalah e = 1. Ini merupakan hasil yang menarik, menjelaskan kepada kita bahwa tumbukan lenting sempurna, laju relatif dari kedua partikel setelah tumbukan mempunyai dasar yang sama sepertu sebelumnya (tetapi dengan arah yang berbeda), tidak peduli berapapun massanya. Contoh dari tumbukan lenting sempurna terjadi di antara gerakan atom-atom, inti atom, dan partikel-partikel atau molekul- molekul lain yang seukuran dengan atom atau lebih kecil lagi.

Tumbukan Lenting Sebagian

Pada tumbukan lenting sebagian hanya berlaku hukum kekekalan momentum dan tidak berlaku hukum kekekalan energi mekanik, karena energi kinetik benda berkurang selama tumbukan. Jumlah energi kinetik sesudah tumbukan lebih kecil daripada jumlah energi kinetik sebelum tumbukan. Koefisien restitusi pada tumbukan lenting sebagian adalah 0 < e < 1.

Tumbukan Tidak Lenting Sama Sekali

Tumbukan dimana energi kinetik tidak kekal disebut tumbukan tidak lenting. Sebagian energi kinetik awal pada tumbukan seperti ini diubah menjadi energi jenis lain, seperti energi panas atau potensial, sehingga energi kinetik akhir total lebih kecil dari energi kinetik awal total. Kebalikannya juga dapat terjadi ketika energi potensial (seperti kimia atau nuklir) dilepaskan, dimana energi kinetik akhir total bisa lebih besar dari energi kinetik awal total. Ledakan merupakan salah satu contohnya. Tumbukan-tumbukan makroskopik tertentu tidak lenting, setidaknya sampai tingkat tertentu, dan seringkali sampai tingkat yang tinggi. Jika dua benda bersatu sebagai akibat dari tumbukan, tumbukan tersebut dikatakan tidak lenting sama sekali.

Dua bola yang bertumbukan, kemudian bersatu atau dua gerbong kereta yang menyambung ketika bertabrakan merupakan contoh dari tumbukan yang tidak lenting sama sekali. Energi kinetik pada beberapa kasus seluruhnya diubah menjadi energi bentuk lain pada tumbukan yang tidak lenting, tetapi pada kasus lain hanya sebagian. Misalnya kita lihat bahwa ketika gerbong kereta yang berjalan bertumbukan dengan yang diam, gerbong-gerbong yang tersambung tersebut berjalan dengan energi kinetik tertentu. Pada tumbukan tidak lenting sama sekali, jumlah maksimum energi kinetik diubah menjadi bentuk lain yang konsisten dengan kekekalan momentum. Bahkan walaupun energi kinetik tidak kekal pada tumbukan tidak lenting, energi total tetap kekal, dan jumlah vektor momentum juga selalu kekal.

Pada peristiwa tidak lenting sama sekali, tidak berlaku hukum kekekalan energi kinetik dan nilai koefisien resistansinya e = 0. Setelah terjadi peristiwa tumbukan kedua benda bersatu dan bergerak bersama-sama.

Penerapan tumbukan tidak lenting sama sekali adalah ayunan balistik. Ayunan balistik merupakan seperangkat alat yang digunakan untuk mengukur benda yang bergerak dengan kecepatan cukup besar, misalnya kecepatan peluru. Prinsip kerja ayunan balistik berdasarkan hal-hal berikut.

Referensi:

• Drajat. 2012. Fisika untuk SMA/MA Kelas XI. Sidoarjo: Masmedia Buana Pustaka.
• Giancoli. Fisika Edisi Kelima Jilid 1. 2001. Jakarta: Erlangga.
• Kanginan, Marthen. 2006. Fisika 2 untuk SMA Kelas XI. Jakarta: Erlangga.
• Kurniatin, Sri. 2007. Fisika untuk SMA/MA Kelas XI. Bogor: CV Regina.
• Nurachmandani, Setya. 2009. Fisika 2 untuk SMA/MA Kelas XI. Jakarta: Pusat Perbukuan Departemen Pendidikan Nasional.

Sekian dan Terimakasih.

#KataPengetahuan #Momentum #Impuls #Tumbukan #PEG #PhysicsEducationGame