Momentum (Fisika): Definisi, Persamaan, Satuan (w/ Diagram & Contoh)

Fisika tidak lebih dari studi rinci tentang bagaimana benda bergerak di dunia. Oleh karena itu diharapkan bahwa terminologinya harus dijalin ke dalam pengamatan non-ilmiah kita tentang peristiwa sehari-hari. Salah satu istilah populer tersebut adalahmomentum​.

Dalam bahasa yang akrab, momentum menunjukkan sesuatu yang sulit, jika bukan tidak mungkin, untuk dihentikan: Sebuah tim olahraga sedang menang beruntun, sebuah truk meluncur menuruni bukit dengan rem yang salah, seorang pembicara publik bekerja menuju pidato yang menggelegar kesimpulan.

Momentum dalam fisika adalah besaran gerak suatu benda. Sebuah objek dengan lebih banyak energi kinetik (KE), yang akan Anda pelajari lebih lanjut segera, sehingga memiliki momentum lebih dari satu dengan energi kinetik lebih sedikit. Ini masuk akal di permukaan karena KE dan momentum bergantung pada massa dan kecepatan. Objek dengan massa yang lebih besar secara alami cenderung memiliki banyak momentum, tetapi ini jelas tergantung pada kecepatan juga.

Namun, seperti yang akan Anda lihat, ceritanya lebih rumit dari itu, dan itu mengarah pada pemeriksaan beberapa situasi kehidupan nyata yang menarik melalui lensa matematika gerak fisik di ruang angkasa.

Isaac Newton, dengan bantuan karya Galileo dan lain-lain, mengusulkan tiga hukum dasar gerak. Ini berlaku hari ini, dengan modifikasi persamaan yang mengaturrelativistikpartikel (misalnya, partikel subatomik kecil yang bergerak dengan kecepatan kolosal).

​Hukum gerak pertama Newton:Sebuah benda yang bergerak dengan kecepatan konstan cenderung untuk tetap dalam keadaan itu kecuali ditindaklanjuti oleh gaya luar yang tidak seimbang (hukum inersia).

​Hukum kedua Newton tentang gerak:Gaya total yang bekerja pada benda bermassa mempercepat benda tersebut (F_bersih= mSebuah​).

​Hukum ketiga Newton tentang gerak:Untuk setiap gaya yang bekerja terdapat gaya yang besarnya sama dan arahnya berlawanan.

Ini adalah hukum ketiga yang memunculkan hukum kekekalan momentum, yang akan segera dibahas.

Momentum suatu benda adalah hasil kali massasayakali kecepatan bendav, atau massa kali kecepatan, dan itu diwakili oleh huruf kecilp​:

Perhatikan bahwamomentum adalah besaran vektor, artinya memiliki besar (yaitu, angka) dan arah. Hal ini karena kecepatan memiliki sifat yang sama dan juga merupakan besaran vektor. (Bagian numerik murni dari besaran vektor adalah skalarnya, yang dalam kasus kecepatan adalah kecepatan. Beberapa besaran skalar, seperti massa, tidak pernah dikaitkan dengan besaran vektor).

• Tidak ada satuan SI untuk momentum, yang biasanya diberikan dalam satuan dasarnya, kg⋅m/s. Ini, bagaimanapun, bekerja untuk satu detik Newton, menawarkan unit momentum alternatif.
• ​Impuls (J)dalam fisika adalah ukuran seberapa cepat gaya berubah besar dan arahnya. Ituteori impuls-momentumsaya menyatakan bahwa perubahan momentumpsuatu benda sama dengan impuls yang diberikan, atauJ​ = Δ​p​.

Secara kritis,momentum dalam sistem tertutup adalah kekal. Ini berarti bahwa dari waktu ke waktu, momentum total sistem tertutup closedp_untuk, yang merupakan jumlah dari momentum individu partikel dalam sistem (p₁ + p₂ +... + p_tidak), tetap konstan tidak peduli perubahan apa yang dialami massa individu dalam hal kecepatan dan arah. Implikasi dari hukum kekekalan momentum dalam rekayasa dan aplikasi lain tidak dapat dilebih-lebihkan.

Hukum kekekalan momentum memiliki analogi dalam hukum kekekalan energi dan massa dalam sistem tertutup, dan tidak pernah terbukti dilanggar di Bumi atau di tempat lain. Berikut ini adalah demonstrasi sederhana dari prinsip tersebut.

Bayangkan melihat ke bawah pada bidang tanpa gesekan yang sangat besar dari atas. Di bawah, 1.000 bantalan bola tanpa gesekan sibuk bertabrakan, memantul ke segala arah di pesawat. Karena tidak ada gesekan dalam sistem, dan bola tidak berinteraksi dengan apa pun di luar, tidak ada energi yang hilang dalam tumbukan (yaitu tumbukan sempurnaelastis. Dalam tumbukan lenting sempurna, partikel-partikel menjadi saling menempel. Sebagian besar tumbukan terletak di antara keduanya.) Beberapa bola mungkin "berangkat" ke arah yang tidak pernah menghasilkan tumbukan lain; ini tidak akan kehilangan momentum, karena kecepatannya tidak akan pernah berubah, jadi mereka tetap menjadi bagian dari sistem seperti yang didefinisikan.

Jika Anda memiliki komputer untuk menganalisis gerakan setiap bola secara bersamaan, Anda akan menemukan bahwa momentum total bola dalam arah yang dipilih tetap sama. Artinya, jumlah 1.000 individu "x-momenta" tetap konstan, seperti halnya 1.000 "y-momenta". Hal ini tentu saja tidak dapat dilihat hanya dengan melihat beberapa bola saja bantalan bahkan jika mereka bergerak lambat, tetapi itu adalah keniscayaan yang dapat dikonfirmasi adalah salah satu untuk melakukan perhitungan yang diperlukan, dan itu mengikuti dari ketiga Newton hukum.

Sekarang kamu tahu itup= mv, dimanapadalah momentum dalam kg⋅m/s,sayaadalah massa benda dalam kg danvadalah kecepatan dalam m/s. Anda juga telah melihat bahwa momentum total suatu sistem adalah jumlah vektor dari momentum setiap benda. Dengan menggunakan kekekalan momentum, Anda dapat membuat persamaan yang menunjukkan keadaan "sebelum" dan "sesudah" dari setiap sistem tertutup, biasanya setelah tumbukan.

Misalnya, jika dua massa m₁ dan saya₂ dengan kecepatan awal v_1i dan v_2i terlibat dalam tabrakan:

dimanafsingkatan dari "akhir". Ini sebenarnya kasus khusus (tapi yang paling umum di dunia nyata) yang mengasumsikan bahwa massa tidak berubah; mereka bisa, dan hukum konservasi masih berlaku. Jadi, variabel umum yang harus dipecahkan dalam masalah momentum adalah berapa kecepatan akhir dari satu benda setelah dipukul, atau seberapa cepat salah satu dari mereka akan mulai keluar.

Hukum kekekalan energi kinetik yang sama pentingnyauntuk tumbukan lenting(lihat di bawah) dinyatakan sebagai:

Beberapa contoh kekekalan momentum menggambarkan prinsip-prinsip ini.

Seorang siswa bermassa 50 kg (110 pon) yang terlambat masuk kelas berlari ke timur dengan kecepatan 5 m/s dalam garis lurus, kepala ke bawah. Dia kemudian bertabrakan dengan pemain hoki seberat 100 kg (220 pon) yang sedang menatap ponsel. Seberapa cepat kedua siswa bergerak dan ke arah mana setelah tumbukan?

Pertama, tentukan momentum total sistem. Untungnya, ini adalah masalah satu dimensi karena terjadi sepanjang garis lurus, dan salah satu "objek" awalnya tidak bergerak. Ambil timur sebagai arah positif dan barat sebagai arah negatif. Momentum ke timur adalah (50)(5) = 250 kg⋅m/s dan momentum ke barat adalah nol, jadi momentum total "sistem tertutup" ini adalah250 kg⋅m/s, dan akan tetap seperti itu setelah tumbukan.

Sekarang perhatikan total energi kinetik awal, yang seluruhnya dihasilkan dari lari siswa yang terlambat: (1/2)(50 kg)(5 m/s)² = ​625 Joule (J). Nilai ini juga tetap tidak berubah setelah tumbukan.

Aljabar yang dihasilkan memberikan rumus umum untuk kecepatan akhir setelah tumbukan elastis, dengan kecepatan awal:

Memecahkan hasilv_1f =1,67 m/s danv2_f= 3,33 m/s, artinya siswa yang berlari memantul ke belakang sedangkan siswa yang lebih berat didorong maju dengan dua kali kecepatan siswa yang "memantul", dan vektor momentum bersih menunjuk ke timur, karena as Sebaiknya.

Pada kenyataannya, contoh sebelumnya tidak akan pernah terjadi seperti itu, dan tumbukan sampai batas tertentu tidak elastis.

Pertimbangkan situasi di mana siswa yang berlari benar-benar "menempel" pada pemain hoki dalam pelukan yang mungkin canggung. Pada kasus ini,v​_​1f​ = ​v​_​2f​ = sederhanav_f, dan karenap​_f = (m₁ + saya₂)​v​_f, danp​_f = ​p​_saya = 250, 250 = 150​v_f, atauv_f ​= ​1,67 m/s​.

• Catatan: Contoh sebelumnya berlaku untuk momentum linier. Momentum sudut untuk sebuah benda yang berotasi pada suatu sumbu, didefinisikan sebagai:L= mvr(sin ), melibatkan serangkaian perhitungan yang berbeda.