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 :
- Hukum kekekalan energi mekanik
- Huku kekekalan momentum
- 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.

ABSEN PERTEMUAN