Impuls (Fisika): Definisi, Persamaan, Perhitungan (w/ Contoh)

Impuls adalah sesuatu yang terlupakan dalam produksi tahap ilmiah mekanika klasik. Dalam ilmu fisika, ada latihan koreografi tertentu yang dimainkan dalam hal aturan yang mengatur gerakan. Hal ini menimbulkan berbagaihukum konservasidari ilmu fisika.

Pikirkan impuls untuk saat ini sebagai "kekuatan kehidupan nyata dari kekuatan yang diberikan." (Bahasa itu akan segera masuk akal!)Ini adalah konsep penting untuk memahami bagaimana secara aktif mengurangi gaya yang dialami oleh suatu objek dalam tabrakan.​

Di dunia yang didominasi oleh benda-benda besar yang membawa manusia dengan kecepatan tinggi setiap saat, ada baiknya untuk memiliki kontingen besar insinyur dunia bekerja untuk membantu membuat kendaraan (dan mesin bergerak lainnya) lebih aman menggunakan prinsip-prinsip dasar fisika.

Impuls, secara matematis, adalah produk dari gaya rata-rata dan waktu, dan itu setara dengan perubahan momentum.

Implikasi dan turunan dari teorema impuls-momentum disediakan di sini, bersama dengan sejumlah contoh yang menggambarkan pentingnya mampu memanipulasi komponen waktu dari persamaan untuk mengubah tingkat gaya yang dialami oleh suatu benda dalam sistem yang bersangkutan.

Aplikasi teknik terus disempurnakan dan dirancang seputar hubungan antara gaya dan waktu dalam suatu benturan.

Dengan demikian, prinsip impuls telah berperan dalam, atau setidaknya membantu menjelaskan, banyak fitur keselamatan modern. Ini termasuk sabuk pengaman dan kursi mobil, kemampuan gedung-gedung tinggi untuk "memberi" sedikit dengan angin, dan mengapa seorang petinju atau petarung yang berguling dengan pukulan (yaitu, mencelupkan ke arah yang sama dengan tinju atau kaki lawan bergerak) mengalami kerusakan yang lebih sedikit daripada orang yang berdiri kaku.

• Sangat menarik untuk mempertimbangkan ketidakjelasan relatif dari istilah "impuls" seperti yang digunakan dalam fisika, bukan hanya untuk alasan praktis yang disebutkan di atas tetapi juga karena keakraban sifat-sifat yang paling dekat dengan impuls terkait. Posisi (x atau y, biasanya), kecepatan (laju perubahan posisi), percepatan (laju perubahan kecepatan) dan gaya total (percepatan kali massa) adalah ide yang sudah dikenal bahkan oleh orang awam, seperti halnya momentum linier (kali massa kecepatan). Namun impuls (waktu memaksa kali, kira-kira) tidak.

impuls (J) didefinisikan sebagai perubahan momentum totalp("delta p," ditulisp) dari suatu objek dari awal masalah yang ditetapkan (waktuuntuk= 0) sampai waktu tertentuuntuk​.

Sistem dapat memiliki banyak objek yang bertabrakan pada satu waktu, masing-masing dengan massa, kecepatan, dan momentumnya sendiri. Namun, definisi impuls ini sering digunakan untuk menghitung gaya yang dialami oleh satu benda selama tumbukan. Kuncinya di sini adalah bahwa waktu yang digunakan adalahwaktu tumbukan, atau berapa lama benda yang bertabrakan sebenarnya bersentuhan satu sama lain.

Ingat bahwa momentum suatu benda adalah massa dikalikan kecepatannya. Ketika sebuah mobil melambat, massanya (mungkin) tidak berubah, tetapi kecepatannya berubah, jadi Anda akan mengukur impuls di siniketat selama periode waktu ketika mobil berubahdari kecepatan awal ke kecepatan akhir.

Dengan menyusun kembali beberapa persamaan dasar, dapat ditunjukkan bahwa untuk gaya konstanF, perubahan momentumpyang dihasilkan dari gaya itu, atau m∆v= m(v_f – v_saya), juga sama denganFt ("F delta t"), atau gaya dikalikan dengan selang waktu selama ia bekerja.

• Dengan demikian, satuan impuls di sini adalah newton-detik ("waktu-gaya"), seperti halnya momentum, seperti yang dibutuhkan matematika. Ini bukan satuan standar, dan karena tidak ada satuan SI untuk impuls, besaran sering dinyatakan dalam satuan dasarnya, kg⋅m/s.

Sebagian besar kekuatan, baik atau buruk, tidak konstan selama durasi masalah; kekuatan kecil bisa menjadi kekuatan besar atau sebaliknya. Ini mengubah persamaan menjadi J =F_bersiht. Menemukan nilai ini membutuhkan penggunaan kalkulus untuk mengintegrasikan gaya selama interval waktuuntuk​:

Semua ini mengarah padateorema impuls-momentum​:

• Secara keseluruhan, impuls =J =​ ∆​p =sayav = F​_bersiht(teorema impuls-momentum)​.

Teorema mengikuti dari hukum kedua Newton (lebih lanjut tentang ini di bawah), yang dapat ditulis F_bersih = mba. Dari sini dapat disimpulkan bahwa F_bersiht = ma∆t (dengan mengalikan setiap ruas persamaan dengan t). Dari ini, substitusikan a = (v_f – v_saya)/∆t, Anda mendapatkan [m (v_f – v_saya)/∆t]∆t. Ini direduksi menjadi m (v_f – v_saya), yaitu perubahan momentum p.

T, persamaannya, bagaimanapun, hanya bekerja untuk gaya konstan (yaitu, ketika percepatan konstan untuk situasi di mana massa tidak berubah). Untuk gaya non-konstan, yang sebagian besar dalam aplikasi teknik, integral diperlukan untuk mengevaluasi pengaruhnya terhadap kerangka waktu yang diinginkan, tetapi hasilnya sama seperti dalam kasus gaya konstan bahkan jika jalur matematis ke hasil ini adalah tidak:

Anda dapat membayangkan "jenis" tumbukan tertentu yang dapat diulang berkali-kali – perlambatan benda bermassa m dari kecepatan yang diketahui v ke nol. Ini mewakili kuantitas tetap untuk objek dengan massa konstan, dan eksperimen dapat dijalankan beberapa kali (seperti dalam pengujian tabrakan mobil). Kuantitas dapat diwakili oleh mv.​

Dari teorema impuls-momentum, Anda tahu bahwa besaran ini sama denganF​_bersiht untuk situasi fisik tertentu. Karena produknya tetap tetapi variabelnyaF​_bersih dan t bebas untuk bervariasi secara individual, Anda dapat memaksa gaya ke nilai yang lebih rendah dengan mencari cara untuk memperpanjang t, dalam hal ini durasi peristiwa tumbukan.

Dengan kata lain, impuls adalah tetap dengan nilai massa dan kecepatan tertentu. Itu berarti bahwa kapanpunFmeningkat,untukharus dikurangi dengan jumlah yang proporsional dan sebaliknya. Oleh karena itu, dengan meningkatkan waktu tumbukan, gaya harus dikurangi; impuls tidak dapat berubah kecualisesuatu yang laintentang perubahan tumbukan.

• Ergo, ini konsep kuncinya: waktu tabrakan yang lebih pendek = gaya yang lebih besar = potensi kerusakan yang lebih besar pada objek (termasuk orang), dan sebaliknya. Konsep ini ditangkap oleh teorema impuls-momentum.

Ini adalah inti dari perangkat keselamatan yang mendasari fisika seperti airbag dan sabuk pengaman, yang meningkatkan waktu yang dibutuhkan tubuh manusia untuk mengubah momentumnya dari beberapa kecepatan ke (biasanya) nol. Ini mengurangi kekuatan yang dialami tubuh.

Bahkan jika waktu berkurang hanya dalam mikrodetik, perbedaan yang tidak dapat diamati oleh pikiran manusia, menyeret berapa lama seseorang melambat menempatkannya dalam kontak dengan airbag lebih lama daripada pukulan singkat ke dasbor dapat secara dramatis mengurangi kekuatan yang terasa pada itu tubuh.

Impuls dan momentum memiliki satuan yang sama, jadi bukankah keduanya merupakan hal yang sama? Ini hampir seperti membandingkan energi panas dengan energi potensial; tidak ada cara intuitif untuk mengelola ide, hanya matematika. Tetapi secara umum, Anda dapat menganggap momentum sebagai konsep keadaan tunak, seperti momentum yang Anda miliki saat berjalan dengan kecepatan 2 m/s.

Bayangkan momentum Anda berubah karena Anda menabrak seseorang yang berjalan sedikit lebih lambat dari Anda di arah yang sama. Sekarang bayangkan seseorang menabrak Anda dengan kecepatan 5 m/s.Implikasi fisik dari perbedaan antara sekadar "memiliki" momentum dan mengalami perubahan momentum yang berbeda sangatlah besar.​

Sampai tahun 1960-an, atlet yang berpartisipasi dalam lompat tinggi – yang melibatkan pembersihan palang horizontal tipis selebar 10 kaki – biasanya mendarat di lubang serbuk gergaji. Setelah matras tersedia, teknik melompat menjadi lebih berani, karena atlet bisa mendarat dengan aman di punggung mereka.

Rekor dunia dalam lompat tinggi hanya lebih dari 8 kaki (2,44 m). Menggunakan persamaan jatuh bebas freev_f²​ = 2​Sebuahd dengan a = 9,8 m/s² dan d = 2,44 m, Anda menemukan bahwa sebuah benda jatuh dengan kecepatan 6,92 m/s ketika menyentuh tanah dari ketinggian ini – sedikit lebih dari 15 mil per jam.

Berapakah gaya yang dialami pelompat setinggi 70 kg (154 lb) yang jatuh dari ketinggian ini dan berhenti dalam waktu 0,01 detik? Bagaimana jika waktunya ditambah menjadi 0,75 detik?

Untuk t = 0,01 (tanpa mat, hanya ground):

Untuk t = 0,75 (mat, pendaratan "licin"):

Pelompat yang mendarat di matras mengalamikurang dari 1,5 persen dari kekuatanyang dilakukan oleh versi dirinya yang tidak berbantalan.

Setiap studi konsep seperti impuls, momentum, inersia dan bahkan massa harus dimulai dengan menyentuh di begin setidaknya secara singkat tentang hukum dasar gerak yang ditentukan oleh ilmuwan abad ke-17 dan ke-18 Isaac Newton. Newton menawarkan kerangka matematika yang tepat untuk menggambarkan dan memprediksi perilaku benda bergerak, dan hukum dan persamaannya tidak hanya membuka pintu pada zamannya tetapi tetap berlaku hari ini kecuali untuk relativistik partikel.

​hukum gerak pertama Newton, ituhukum inersia, menyatakan bahwa suatu benda dengan kecepatan konstan (termasukv= 0) tetap dalam keadaan gerak itu kecuali ditindaklanjuti oleh gaya eksternal. Salah satu implikasinya adalah bahwa tidak ada gaya yang diperlukan untuk membuat sebuah benda tetap bergerak tanpa memperhatikan kecepatannya; gaya hanya diperlukan untuk mengubah kecepatannya.

​hukum kedua Newton tentang gerakmenyatakan bahwa gaya bertindak untuk mempercepat benda bermassa. Ketika gaya total dalam suatu sistem adalah nol, sejumlah sifat gerak yang menarik akan mengikuti. Secara matematis, hukum ini dinyatakanF= mSebuah​.

​hukum ketiga Newton tentang gerakmenyatakan bahwa untuk setiap gayaFyang ada, suatu gaya yang besarnya sama dan berlawanan arah (–F) juga ada. Anda mungkin dapat merasakan bahwa ini memiliki implikasi yang menarik ketika datang ke sisi akuntansi persamaan ilmu fisika.

Jika suatu sistem tidak berinteraksi dengan lingkungan eksternal sama sekali, maka sifat-sifat tertentu yang terkait dengan gerakannya tidak berubah dari awal interval waktu yang ditentukan hingga akhir waktu itu selang. Ini berarti bahwa mereka adalahdilestarikan. Tidak ada yang hilang atau benar-benar muncul entah dari mana; jika itu adalah properti yang dilestarikan, itu pasti sudah ada sebelumnya atau akan terus ada "selamanya."

Massa, momentum (dua jenis) danenergiadalah sifat yang paling terkenal dilestarikan dalam ilmu fisika.

• ​Kekekalan momentum:Menjumlahkan jumlah momentum partikel dalam sistem tertutup setiap saat selalu mengungkapkan hasil yang sama, terlepas dari arah dan kecepatan masing-masing benda.
• ​Kekekalan momentum sudut: momentum sudut angularLdari benda yang berputar ditemukan menggunakan persamaan mvr, dimanaradalah vektor dari sumbu rotasi ke objek.
• ​Konservasi massa:Ditemukan pada akhir 1700-an oleh Antoine Lavoisier, ini sering secara informal diungkapkan, "Materi tidak dapat diciptakan atau dihancurkan."
• ​Konservasi energi:Ini dapat ditulis dalam beberapa cara, tetapi biasanya mirip dengan KE (energi kinetik) + PE (energi potensial) = U (energi total) = konstanta.

Momentum linier dan momentum sudut keduanya kekal meskipun langkah-langkah matematika yang diperlukan untuk membuktikan setiap hukum berbeda, karena variabel yang berbeda digunakan untuk sifat analog.