Banyak masalah dalam fisika yang dapat diselesaikan dengan sukses jika hukum kekekalan satu atau lain kuantitas selama proses fisik yang dipertimbangkan diketahui. Pada artikel ini, kita akan mempertimbangkan pertanyaan tentang apa momentum tubuh. Dan kita juga akan mempelajari hukum kekekalan momentum dengan cermat.
Konsep umum
Lebih tepatnya, ini tentang jumlah gerakan. Pola yang terkait dengannya pertama kali dipelajari oleh Galileo pada awal abad ke-17. Berdasarkan tulisannya, Newton menerbitkan makalah ilmiah selama periode ini. Di dalamnya, ia dengan jelas dan jelas menguraikan hukum dasar mekanika klasik. Kedua ilmuwan memahami kuantitas gerak sebagai karakteristik, yang dinyatakan dengan persamaan berikut:
p=mv.
Berdasarkan itu, nilai p menentukan sifat inersia benda bermassa m dan energi kinetiknya, yang bergantung pada kecepatan v.
Momentum disebut besaran gerak karena perubahannya dihubungkan dengan momentum gaya melalui hukum II Newton. Tidak sulit untuk menunjukkannya. Anda hanya perlu mencari turunan dari momentum terhadap waktu:
dp/dt=mdv/dt=ma=F.
Dari mana kita mendapatkan:
dp=Fdt.
Sisi kanan persamaan disebut momentum gaya. Ini menunjukkan jumlah perubahan momentum dari waktu ke waktu dt.
Sistem tertutup dan kekuatan internal
Sekarang kita harus berurusan dengan dua definisi lagi: apa itu sistem tertutup, dan apa itu gaya internal. Mari kita pertimbangkan lebih detail. Karena kita berbicara tentang gerak mekanis, maka sistem tertutup dipahami sebagai kumpulan objek yang tidak terpengaruh oleh benda eksternal dengan cara apa pun. Artinya, dalam struktur seperti itu, energi total dan jumlah total materi adalah kekal.
Konsep gaya dalam berkaitan erat dengan konsep sistem tertutup. Di bawah itu, hanya interaksi-interaksi yang dianggap terwujud secara eksklusif antara objek-objek struktur yang dipertimbangkan. Artinya, aksi kekuatan eksternal sepenuhnya dikecualikan. Dalam kasus gerak tubuh sistem, jenis interaksi utama adalah tumbukan mekanis di antara mereka.
Penentuan hukum kekekalan momentum tubuh
Momentum p dalam sistem tertutup, di mana hanya gaya internal yang bekerja, tetap konstan untuk waktu yang lama. Itu tidak dapat diubah oleh interaksi internal antara tubuh. Karena kuantitas (p) ini adalah vektor, pernyataan ini harus diterapkan pada masing-masing dari tiga komponennya. Rumus hukum kekekalan momentum dapat ditulis sebagai berikut:
px=const;
py=const;
pz=const.
Hukum ini mudah diterapkan ketika memecahkan masalah praktis dalam fisika. Dalam hal ini, kasus satu dimensi atau dua dimensi dari gerakan benda sebelum tumbukan sering dipertimbangkan. Interaksi mekanis inilah yang menyebabkan perubahan momentum setiap benda, tetapi momentum totalnya tetap konstan.
Seperti yang Anda ketahui, tumbukan mekanis dapat benar-benar tidak lenting dan, sebaliknya, lenting. Dalam semua kasus ini, momentum adalah kekal, meskipun dalam jenis interaksi pertama, energi kinetik sistem hilang sebagai akibat dari konversinya menjadi panas.
Contoh soal
Setelah berkenalan dengan definisi momentum tubuh dan hukum kekekalan momentum, kita akan menyelesaikan masalah berikut.
Diketahui bahwa dua bola, masing-masing dengan massa m=0,4 kg, menggelinding ke arah yang sama dengan kecepatan 1 m/s dan 2 m/s, sedangkan yang kedua mengikuti yang pertama. Setelah bola kedua menyusul yang pertama, tabrakan yang benar-benar tidak elastis dari benda-benda yang dipertimbangkan terjadi, akibatnya mereka mulai bergerak secara keseluruhan. Hal ini diperlukan untuk menentukan kecepatan gabungan gerakan maju mereka.
Memecahkan masalah ini tidak sulit jika Anda menerapkan rumus berikut:
mv1+ mv2=(m+m)u.
Di sini ruas kiri persamaan menunjukkan momentum sebelum kedua bola bertabrakan, kanan - setelah tumbukan. Kecepatan Anda akan menjadi:
u=(mv1+mv2)/(2m)=(v1+ v2)/ 2;
u=1,5 m/s.
Seperti yang Anda lihat, hasil akhir tidak bergantung pada massa bola, karena sama.
Perhatikan bahwa jika, menurut kondisi soal, tumbukan bersifat lenting mutlak, maka untuk memperoleh jawaban, kita tidak hanya harus menggunakan hukum kekekalan nilai p, tetapi juga hukum kekekalan energi kinetik sistem bola.
Rotasi benda dan momentum sudut
Semua yang dikatakan di atas mengacu pada gerakan translasi objek. Dinamika gerak rotasi dalam banyak hal mirip dengan dinamikanya dengan perbedaan yang menggunakan konsep momen, misalnya, momen inersia, momen gaya dan momen impuls. Yang terakhir ini juga disebut momentum sudut. Nilai ini ditentukan dengan rumus berikut:
L=pr=mvr.
Persamaan ini mengatakan bahwa untuk menemukan momentum sudut suatu titik material, Anda harus mengalikan momentum liniernya p dengan jari-jari rotasi r.
Melalui momentum sudut, hukum kedua Newton untuk gerakan rotasi ditulis dalam bentuk ini:
dL=Mdt.
Di sini M adalah momen gaya, yang selama waktu dt bekerja pada sistem, memberikan percepatan sudut.
Hukum kekekalan momentum sudut benda
Rumus terakhir pada paragraf artikel sebelumnya mengatakan bahwa perubahan nilai L hanya mungkin jika beberapa gaya eksternal bekerja pada sistem, menciptakan torsi M yang tidak nol.jika tidak ada, nilai L tetap tidak berubah. Hukum kekekalan momentum sudut mengatakan bahwa tidak ada interaksi internal dan perubahan dalam sistem yang dapat menyebabkan perubahan pada modul L.
Jika kita menggunakan konsep momentum inersia I dan kecepatan sudut, maka hukum kekekalan yang dibahas akan ditulis sebagai:
L=Iω=const.
Ini memanifestasikan dirinya ketika, selama kinerja nomor dengan rotasi dalam figure skating, seorang atlet mengubah bentuk tubuhnya (misalnya, menekan tangannya ke tubuh), sambil mengubah momen inersianya dan sebaliknya sebanding dengan kecepatan sudut.
Juga, hukum ini digunakan untuk melakukan rotasi di sekitar sumbu satelit buatannya sendiri selama pergerakan orbitnya di luar angkasa. Dalam artikel tersebut, kami mempertimbangkan konsep momentum suatu benda dan hukum kekekalan momentum suatu sistem benda.
