Tumbukan Segaris Dua Benda

Bab 6 Momentum 449 Gambar 6.7 Tumbukan dua benda umumnya diikuti pelepasan panas. Sebagian energi kinetik hilang menjadi energi panas sehingga energi kinetik setelah tumbukan umumnya lebih kecil daripada energi kinetik sebelum tumbukan. Tetapi momentum total sistem selalu tetap. m 1 m 2 m 1 m 2 v 1 v 2 v’ 2 v’ 1 Gambar 6.8 Dua benda melakukan tumbukan segaris. Pada proses tumbukan apa saja akan selalu terpenuhi K K  . Bab 6 Momentum 450 Sebelum tumbukan hanya ada energi kinetik. Setelah tumbukan ada energy kinetik dan sedikit muncul panas pada permukaan kontak. Panas itu berasal dari sebagian energi kinetik mula-mula sehingga energi kinetik setelah tumbukan lebih kecil. Dengan demikian kita dapat menulis 2 2 2 2 1 1 2 2 2 2 1 1 2 1 2 1 2 1 2 1 v m v m v m v m    atau 2 2 2 2 1 1 2 2 2 2 1 1 v m v m v m v m    6.14 Kita dapat menulis ulang persamaan 6.11 sebagai berikut   2 2 2 1 1 1 v v m v v m    6.15 Kemudian kita tulis ulang dan faktorasi persamaan 6.14 sebagai berikut     2 2 2 2 2 2 1 2 1 1 v v m v v m          2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 v v v v m v v v v m      6.16 Kita bagi persamaan 6.16 dengan persamaan 6.15 sebagai berikut           2 2 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 v v m v v v v m v v m v v v v m        atau Bab 6 Momentum 451     2 2 1 1 v v v v    atau 1 2 1 2 v v v v     6.17 Mari kita definisikan besaran baru yang bernama koefisien elastisitas sebagai berikut 1 2 1 2 v v v v e     6.18 Dari definisi koefisien elastisitas dan persamaan 6.17 kita simpulkan bahwa untuk semua jenis tumbukan dua benda berlaku 1  e 6.19 Contoh 6.6 Tentukan koefisien elastisitas tumbukan dua benda yang bermassa 1,0 kg dan 2,0 kg. Benda pertama bergerak ke kanan dengan kecepatan 40,0 ms. Benda kedua juga bergerak ke kanan dengan kecepatan 10 ms. Setelah tumbukan, benda kedua bergerak ke kanan dengan kecepatan 25 ms. Jawab Ambil arah ke kanan positif. Momentum benda pertama sebelum tumbukan, 40 , 1 1 1 1    v m p = 40,0 kg ms Bab 6 Momentum 452 Momentum benda kedua sebelum tumbukan, 10 , 2 2 2 2    v m p = 20,0 kg ms Momentum benda kedua setelah tumbukan, 25 , 2 2 2 2    v m p = 50,0 kg ms Momentum benda pertama setelah tumbukan dihitung dengan hukum kekekalan momentu 2 1 2 1 p p p p    atau , 50 , 20 , 40 2 2 1 1       p p p p = 10,0 kg ms Kecepatan benda pertama setelah tumbukan , 1 , 10 1 1 1   m p v = 10 ms Koefisien elastisitas Bab 6 Momentum 453 40 10 10 25 1 2 1 2         v v v v e = 0,5 Persamaan 6.17 dan 6.18 juga dapat diterapkan pada tumbukan dua benda di mana setelah tumbukan kedua benda bergabung. Pada tumbukan jenis ini kita bisa mengatakan bahwa setelah tumbukan tetap ada dua benda namun bergerak dengan kecepatan yang sama seperti diilustrasikan pada Gambar 6.9. Kecepatan kedua benda setelah tumbukan adalah v ’ dan sama. m 1 m 2 m 1 m 2 v 1 v 2 v’ Gambar 6.9 Tumbukan dua benda menyebabkan dua benda bergabung setelah tumbukan. Pada tumbukan seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 6.9 maka persamaan momentum dan energi kinetik menjadi   2 1 2 2 1 1 v m m v m v m    6.20 2 2 2 2 1 1 2 1 2 1 v m v m K   6.21 Bab 6 Momentum 454   2 2 1 2 1 v m m K   6.22 Persamaan 6.20 sampai 6.22 dapat ditulis ulang sebagai berikut 2 1 2 2 1 1 v m v m v m v m    6.23 2 2 2 1 2 1 2 1 v m v m K   6.24 Perhatikan bahwa persamaan 6.23, 6.21, dan 6.24 persis sama dengan persamaan 6.11, 6.12, dan 6.13 di mana berlaku 2 1 v v v   . Dengan memasukkan kesamaan ini ke dalam persamaan 6.18 maka kita dapatkan e = 0. Nilai ini tetap memenuhi persamaan 6.19. Kasus sebaliknya adalah tumbukan yang disertai ledakan atau ledakan saja. Pada peristiwa ini energi kinetik total setelah tumbukan lebih besar daripada sebelum tumbukan Gambar 6.10. Energi kinetik tambahan setelah tumbukan berasal dari perubahan energi kimia bahan peledak. onlyhdwallpapers.com Gambar 6.10 Tumbukan bom dengan bumi sehingga menimbulkan ledakan menghasilkan energi kinetik setelah tumbukan lebih besar daripada sebelum tumbukan. Bab 6 Momentum 455 Sekarang kita lihat kasus tumbukan dua benda yang menghasilkan energi kinetik lebih besar setelah tumbukan. Misalnya saat tumbukan ada reaksi kimia sehingga minimal salah satu benda mendapat tambahan energi sat tumbukan sehingga enegri kientiknya bertambah setelah tumbukan. Persamaan momentum dan energi kinetik untuk kasus ini adalah 2 2 1 1 2 2 1 1 v m v m v m v m    6.25 2 2 2 2 1 1 2 1 2 1 v m v m K   6.26 2 2 2 2 1 1 2 1 2 1 v m v m K   6.27 Namun, untuk kasus ini berlaku K ’ K. Namun, demikian kita tetap sampai pada persamaan yang serupa dengan persamaan 6.17 hany dengan mengubah arah ketidaksamaan. Jadi, untuk tumbukan ini berlaku 1 2 1 2 v v v v     6.28 Jika pada tumbukan dipenuhi e = 1 maka tumbukan tersebut dinamakan tumbukan elastis. Kondisi ini hanya dipenuhi jika di samping momentum total kekal, energi kinetik total juga kekal. Contoh tumbukan yang mendekati tumbukan elastis sempurna adalah tumbukan antar dua bola biliarg Gambar 6.11. Yang paling mendekati elastik adalah tumbukan antar partikel subatomik seperti tumbukan antar elektron, antar proton, dan sebagainya. Pada tumbukan antar partikel atomik, para ahli langsung saja menggunakan persamaan kekekalan energi kinetik, tanpa perlu memberikan argumentasi tambahan. Mengapa tumbukan yang mempertahankan enegri kinetik disebut tumbukan elastis? Dan apakah ada hubungan dengan sifat elastis bahas Bab 6 Momentum 456 karet atau pegas?. newscientist.com Gambar 6.11 Tumbukan antar bola billiard dianggap mendekati tumbukan elastik. Pemilihan jenis material penyusun bola tersebut menentukan sifat elastik yang dihasilkan selama tumbukan . Sebenarnya sifat elastisitas dapat dikaitkan dengan sifat elastisitas bahan. Jika bahan bersifat elastis maka energi yang dibukanan untuk mendeformasi bahan dapat diambil kembali. Misalnya energi yang digunakan untuk menekan atau meregangkan pedas dapat diambil kembali ketika pegas kembali ke posisi kesetimbangan. Hal serupa terjadi saat tumbukan. Atom-atom pada permukaan benda yang bersentuhan mengalami deformasi posisi. Energi yang digunakan untuk mendeformasi posisi atom-atom tersebut berasal dari energi kinetik benda yang bertumbukan. Jika energi yang digunakan untuk mendeformasi atom-atom dapat diambol kembali dan kembali menjadi energi kinetik benda yang bertumbukan maka energi kinetik benda setelah tumbukan sama dengan sebelum tumbukan. Ini hanya terjadi kalau material Bab 6 Momentum 457 penyusun benda bersifat elastis. Sebaliknya, jika deformasi posisi atom disertasi pembuangan kalor, maka tidak semua energi yang digunakan untuk mendeformasi atom-atom dapat diambil kembali. Sebagian berubah menjadi panas dan hanya sebagian yang kembali menjadi energi kinetik benda yang bertumbukan. Akibatnya energi kinetik total setelah tumbukan lebih kecil daripada sebelum tumbukan Jika proses tumbukan memenuhi e 1, maka tumbukan tersebut dikatagorikan sebagai tumbukan tidak elastik. Pada tumbukan ini energi kinetik total setelah tumbukan lebih kecil daripada energi kinetik sebelum tumbukan. Makin kecil nilai e maka makin besar energi kinetik yang hilang akibat tumbukan.

6.4 Ayunan Balistik

Di masa lalu ayunan balistik dapat digunakan untuk menentukan kecepatan gerak peluru. Namun, saat ini kecepatan peluru diukur dengan teknil yang modern. Waktu yang diperlukan peluru menempuh jarak tertentu dapat diukur dengan ketelitian sangat tinggi. Bahkan kecepatan cahaya yang merupakan kecepatan tertinggi di alam semeste dapat diukur dengan ketelitian yang sangat tinggi pula. Ayunan balistik terdiri dari balok atau benda bentuk lain yang digantung pada tali tak bermassa dan dapat berayun bebas. Balok yang digunakan adalah bahan yang dapat menahan peluru yang menacnap di dalamnya sehingga tidak tembus dan lepas. Peluru ditembakkan ke balok dan menancap pada balok sehingga berayun bersama balok Gambar 6.12. Peluru dan balok berhenti berayun pada ketinggian tertentu. Berdasarkan ketinggian ayunan maka diketahui laju awal balok dan peluru. Berdasarkan laju awal peluru dan balok maka diketahui laju peluru. Energi yang dimiliki peluru dan balok saat berhenti berayun pada ketinggian h dari posisi mula-mula hanya energi potensial adalah gh m M U   6.29 Energi balok dan peluru saat tepat peluru menancap di balok dan mulai bergerak bersama hanya energy kinetik, yaitu Bab 6 Momentum 458 2 2 1 v m M K   6.30 h m v v’ M M+m v’ = 0 Gambar 6.12 Ayunan balistik digunakan untuk menentukan kecapatan peluru. Peluru menancap pada balok yang tergantung diam. Peluru kemudian bergerak bersama balok. Dari ketinggian maksimum ayunan balok maka laju awal peluru dan balok setelah peluru menancap ke dalam balok dapat ditentukan dengan menggunakan hukum kekekalaan energi mekanik. Dari laju awal peluru dan balok setelah peluru menancap ke dalam balok maka laju peluru dapat ditentukan dengan menggunakan hukum kekekalan momentum. Sejak peluru dan balok bergerak bersama, berlaku hukum kekekalan energi mekanik sehingga 2 2 1 v m M gh m M   