RENCANA PEMBELAJARAN 5. POKOK BAHASAN : DINAMIKA PARTIKEL A. Kekekalan Momentum, Hukum III Newton Sesuai dengan hukum II (hukum gerak) Newton, dapat dikatakan bahwa Jika sistem tidak mengalami gaya Iuar/eksternal atau resultan gaya luar nol, maka momentum sistem tersebut kekal, yaitu besar dan arahnya tetap. Pernyataan tersebut di atas biasa disebut sebagai hukum kekekalan momentum. Untuk sistem dua partikel (dua benda), kekekalan momentum dapat ditulis atau adalah gaya yang dialami oleh partikel pertama dalam interaksinya dengan (dikerjakan oleh) partikel kedua, dan menyatakan gaya yang dialami partikel kedua dikerjakan oleh partikel pertama, sehingga persamaan dapat ditulis Persamaan (5.2) menyatakan bahwa Interaksi antara dua partikel atau sistem selalu dengan gaya yang sama besar dan berlawanan arah, dikenal sebagai hukum aksi-reaksi atau hukum III Newton. Gambar 5.1 melukiskan sistem dua partikel, di mana gaya interaksi yang mereka alami masingmasing menyebabkan lintasan melengkung (karena perubahan momentum ). Universitas Gadjah Mada 1
Persamaan (c) menjadi Baru persamaan (d) yang diintegralkan, hasilnya sehingga diperoleh Ini kan persamaan getaran selaras sederhana, sesuai dengan gaya yang bekeraja, yaitu F = -k x (gaya balik linier)! Pada suatu saat momentum kedua partikel dan. Perubahan momentum garis kedua partikel dilukiskan pada gambar, yang sekaligus memperlihatkan bahwa yang sesuai dengan persamaan (5.1). Untuk sistem banyak partikel, hukum kekekalan momentum dirumuskan sebagai Berikut diberikan tiga contoh kasus berlakunya hukurn kekekalan momentum Tumbukan Ditinjau peristiwa tumbukan antar dua benda bermassa m 1 dan m 2, di mana tidak ada gaya luar yang bekerja sehingga momentum total kedua benda tersebut kekal, yakni dengan dan adalah kecepatan m 1 dan m 2 sebelum tumbukan, dan masingmasing kecepatan m 1 dan m 2 sesudah tumbukan. Untuk tumbukan sentral, di rnana, dan semuanya terletak pada satu garis lurus, persamaan (5.5) dapat dilukiskan dalam persamaan saklarnya, Universitas Gadjah Mada 2
Di mana setiap v dapat berharga positip atau negatip, tergantung pada arah masingmasing kecepatan. Pada tumbukan sentral didefinisikan suatu parameter, disebut koefisien kelentingan atau restitusi, yang menunjukkan derajat kelentingan suatu tumbukan,dirumuskan sebagai Persamaan (5.7) sering disebut aturan Newton. Harga restitusi bervariasi dan 0 sampai 1 untuk berbagai tumbukan, Bila e = 1, tumbukan disebut lenting sempurna (perfect elastic cillision). Pada tumbukan elastis atau lenting sempuma juga berlaku hukum kekekalan tenaga kinetik, Bila e = 0,, berarti kedua benda bergerak bersama-sama, setelah tumbukan, dikatakan tumbukan tak-lenting sempurna (perfect inelastic collision). Pada tumbukan tak lenting sempurna, kecepatan kedua benda setelah tumbukan adalah Bila 0 < e < 1 dikatakan tumbukan lenting sebagian atau lenting tak sempurna. Harga e atau dan ditentukan oleh sifat fisis kedua benda yang bertumbukan, dan berhubungan dengan perubahan tenaga kinetik melalui persamaan Peristiwa di mana terjadi pengurangan tenaga kinetik seperti pada tumbukan yang bukan lenting sempurna, disebut peristiwa yang bersifat eksoergis. Contoh 5.1 Massa 4 kg bergerak dengan kecepatan 4 m/s, ditumbuk dari belakang oleh massa 2 kg dengan kecepatan 9 m/s. Setelah tumbukan massa 4 kg kecepatannya 6 m/s. Hitunglah: a. restitusi tumbukan b. perubahan tenaga kinetik sistem! Jawab: Sebutlah m 1 = 2 kg, m 2 = 4 kg,sehingga v 1 = 9 m/s dan v 2 = 4 m/s, v 2 = 6 m/s. Universitas Gadjah Mada 3
a. Menggunakan persamaan (3.4) diperoleh b. Perubahan tenaga kinetik dapat langsung digunakan persamaan (5.11): Dapat juga dihitung dengan persamaan Catatan: Selama berlangsung tumbukan, terjadi interaksi antara kedua partikel, atau perpindahan momentum garis dari pertikel satu ke yang lain. Gerak Pental Suatu sistem dapat melepaskan atau memisahkan sebagian massanya dengan tenaga internal (tanpa gaya luar), di mana momentumnya secara keseluruhan tidak mengalami perubahan atau kekal. Sebutlah momentum sistem. Massa bagian yang dipisahkan m 1 dan kecepatannya menjadi, yang berarti ia (m 1 ) mengalami perubahan momentum dan karena momentum sistem keseluruhan harus kekal, maka sisa sistem (m m 1 ) mengalami perubahan momentum di mana adalah kecepatan sisa sistem dengan massa m m 1. Peristiwa seperti di atas banyak dijumpai, baik pada sistem rnakro maupun mikro, seperti senapan yang bergerak mundur apabila pelurunya ditembakkan, inti-inti atom yang memancarkan sinar-sinar radioaktif dan lain-lain. Sebagai contoh, misalnya senapan dengan massa M berisi peluru dengan massa m, yang mula-mula diam ( = 0). Jika kemudian peluru ditembakkan dengan kecepatan, maka Iarasnya/senapan akan mengalami gerak pental/rekoil dengan momentum, atau kecepatan rekoilnya Universitas Gadjah Mada 4
Gerak Roket Pelepasan massa oleh sistem bisa berlangsung secara kontinyu, seperti yang terjadi pada roket. Ditinjau roket yang sedang meluncur. Sebutlah massa roket + bahan bakar dan kecepatannya pada suatu saat adalah m dan. Roket tersebut mengeluarkan bahan bakar (ke belakang) dengan kecepatan terhadap roket, atau kecepatannya terhadap kerangka acuan (lab/bumi) adalah Pada saat yang bersamaan, massa sistem roket berubah dengan dm = - dm, dan kecepatannya berubah dengan, di mana dm = massa bahan bakar yang dikeluarkan (sisa pembakaran). Hukum kekekalan momentum memberikan Dengan mengabaikan suku terhadap suku-suku yang lain, persamaan (5.15) menghasilkan Integrasi persamaan (5.16) memberikan di mana m(0) = massa roket + bahan bakar mula-mula, dengan kecepatan awal v(0) = 0. Selanjutnya, jika laju pengeluaran sisa bahan bakar konstan, Maka Gaya dorong roket disebut hentakan roket (thrust). Apabila roket bergerak vertikal ke atas, gaya beratnya sebagai gaya perlambatan, sehingga persamaan (5.19) menjadi Dimana roket akan mulai bergerak apabila VC > mg, dengan menganggap g konstan. Contoh 5.2 : Universitas Gadjah Mada 5
A bullet of mass m is fired from a gun of mass M. If the gun can recoil freely and the muzzle velocity of the bullet is, show that the actual velocity of the bullet (relative to the ground is ( ), and the recoil velocity for the gun is ( ), where Answer : Conservation of linear momentum gives, Then, The recoil velocity of the gun is ( ) Contoh 5.3: An artillery shell is fired at an angle of elevation 60 with the initial speed v 0. At the upper most part of its tryectory, the shell bursts into two equal fragments, one of which moves directly upward, relative to the ground with speed. What is the direction and speed of the other fragment immediately after burts? Answer : Then obtained. Thus, the direction is ( ) under the horizontal and the speed of: ( ) Universitas Gadjah Mada 6
Contoh 5.4 : Dua benda masing-masing bermassa m 1 = 5 kg dan m 2 = 3 kg, bergerak berlawanan arah saling mendekati dengan kelajuan sama 10 rn/s (terhadap acuan diam/inesial), lalu bertumbukan. Ternyata, setelah tumbukan benda yang massanya 3 kg bergerak dengan kecepatan 5 m/s berbalik arah dari arah geraknya semula. Hitunglah : a. Kecepatan benda 5 kg setelah tumbukan! b. Restitusi tumbukan! c. Fraksi relative pengurangan tenaga kinetik selama tumbukan! Jawab : Ketentuan pada soal dapat dinyatakan sebagai Disini telah digunakan pilihan bahwa vektor yang arahnya ke kanan skalarnya dengan tanda aljabar positip ( >0 ) dan sebaliknya. a. Gunakan rumus/persamaan kekekalan momentum (5.6) Jadi kecepatan benda 5 kg setelah tumbukan: 1 rn/s arah seperti semula. b. Langsung gunakan rumus restitusi, persarnaan (5.7), c. Fraksi relatif pengurangan tenaga kinetik adalah Hitung dulu K dan K : Universitas Gadjah Mada 7
Bisa juga dihitung dengan K menggunakan rumus/persamaan (5.11), Universitas Gadjah Mada 8