Seringkali dalam fisika mereka berbicara tentang momentum suatu benda, yang menyiratkan jumlah gerakan. Faktanya, konsep ini terkait erat dengan kuantitas yang sama sekali berbeda - dengan kekuatan. Dorongan kekuatan - apa itu, bagaimana itu dimasukkan ke dalam fisika, dan apa artinya: semua masalah ini dibahas secara rinci dalam artikel.
Jumlah gerakan
Momentum benda dan momentum gaya adalah dua besaran yang saling berkaitan, apalagi secara praktis memiliki arti yang sama. Pertama, mari kita menganalisis konsep momentum.
Jumlah gerak sebagai besaran fisis pertama kali muncul dalam karya ilmiah para ilmuwan modern, khususnya pada abad ke-17. Penting untuk dicatat dua angka di sini: Galileo Galilei, orang Italia terkenal, yang menyebut kuantitas yang sedang dibahas impeto (momentum), dan Isaac Newton, orang Inggris yang hebat, yang, selain kuantitas motus (gerak), juga menggunakan konsep vis motrix (kekuatan penggerak).
Jadi, para ilmuwan bernama di bawah jumlah gerak memahami produk dari massa suatu objek dan kecepatan gerakan liniernya di ruang angkasa. Definisi ini dalam bahasa matematika ditulis sebagai berikut:
p¯=mv¯
Perhatikan bahwa kita berbicara tentang nilai vektor (p¯), diarahkan ke arah gerakan tubuh, yang sebanding dengan modulus kecepatan, dan massa tubuh memainkan peran koefisien proporsionalitas.
Hubungan antara momentum gaya dan perubahan p¯
Seperti disebutkan di atas, selain momentum, Newton juga memperkenalkan konsep gaya penggerak. Dia mendefinisikan nilai ini sebagai berikut:
F¯=ma¯
Ini adalah hukum yang familiar dari kemunculan percepatan a¯ pada sebuah benda sebagai akibat dari beberapa gaya luar F¯ yang bekerja padanya. Rumus penting ini memungkinkan kita untuk menurunkan hukum momentum gaya. Perhatikan bahwa a¯ adalah turunan waktu dari laju (laju perubahan v¯), yang artinya:
F¯=mdv¯/dt atau F¯dt=mdv¯=>
F¯dt=dp¯, dimana dp¯=mdv¯
Rumus pertama pada baris kedua adalah impuls gaya, yaitu nilai yang sama dengan produk gaya dan selang waktu selama ia bekerja pada benda. Diukur dalam newton per detik.
Analisis rumus
Ungkapan impuls gaya pada paragraf sebelumnya juga mengungkapkan arti fisis dari besaran ini: menunjukkan seberapa besar momentum berubah selama periode waktu dt. Perhatikan bahwa perubahan (dp¯) ini sepenuhnya tidak bergantung pada momentum total benda. Impuls suatu gaya adalah penyebab perubahan momentum, yang dapat menyebabkan keduanyapeningkatan yang terakhir (ketika sudut antara gaya F¯ dan kecepatan v¯ kurang dari 90o), dan penurunannya (sudut antara F¯ dan v¯ lebih besar dari 90o).
Dari analisis rumus, kesimpulan penting berikut: satuan pengukuran impuls gaya adalah sama dengan p¯ (newton per detik dan kilogram per meter per detik), apalagi yang pertama nilainya sama dengan perubahan detik, oleh karena itu, alih-alih impuls gaya, frasa sering digunakan "momentum tubuh", meskipun lebih tepat untuk mengatakan "perubahan momentum".
Kekuatan bergantung dan tidak bergantung pada waktu
Hukum impuls gaya disajikan di atas dalam bentuk diferensial. Untuk menghitung nilai besaran ini, perlu dilakukan integrasi selama waktu kerja. Kemudian kita mendapatkan rumus:
∫t1t2 F¯(t)dt=p¯
Di sini, gaya F¯(t) bekerja pada benda selama waktu t=t2-t1, yang menyebabkan perubahan momentum sebesar p¯. Seperti yang Anda lihat, momentum suatu gaya adalah besaran yang ditentukan oleh gaya yang bergantung pada waktu.
Sekarang mari kita pertimbangkan situasi yang lebih sederhana, yang diwujudkan dalam sejumlah kasus eksperimental: kita akan menganggap bahwa gaya tidak bergantung pada waktu, maka kita dapat dengan mudah mengambil integral dan mendapatkan rumus sederhana:
F¯∫t1t2 dt=p¯ =>F¯(t2-t1)=p¯
Persamaan terakhir memungkinkan Anda menghitung momentum gaya konstan.
Saat memutuskanmasalah nyata pada perubahan momentum, meskipun fakta bahwa gaya umumnya tergantung pada waktu aksi, diasumsikan konstan dan beberapa nilai rata-rata efektif F¯ dihitung.
Contoh manifestasi dalam praktik dorongan kekuatan
Peran apa yang dimainkan nilai ini, paling mudah untuk memahami contoh-contoh spesifik dari latihan. Sebelum memberikannya, mari kita tuliskan kembali rumus yang sesuai:
F¯Δt=p¯
Catatan, jika p¯ adalah nilai konstan, maka modulus momentum gaya juga konstan, jadi semakin besar t, semakin kecil F¯, dan sebaliknya.
Sekarang mari kita berikan contoh nyata dari momentum dalam aksi:
- Seseorang yang melompat dari ketinggian berapa pun ke tanah mencoba menekuk lututnya saat mendarat, sehingga meningkatkan waktu t tumbukan permukaan tanah (gaya reaksi pendukung F¯), sehingga mengurangi kekuatannya.
- Petinju, dengan membelokkan kepalanya dari pukulan, memperpanjang waktu kontak t sarung tangan lawan dengan wajahnya, mengurangi kekuatan benturan.
- Mobil modern berusaha dirancang sedemikian rupa sehingga jika terjadi tabrakan, tubuhnya akan mengalami deformasi sebanyak mungkin (deformasi adalah proses yang berkembang dari waktu ke waktu, yang mengarah pada penurunan signifikan dalam kekuatan tabrakan dan, sebagai hasilnya, penurunan risiko cedera pada penumpang).
Konsep momen gaya dan momentumnya
Momen gaya dan momentumsaat ini, ini adalah jumlah lain yang berbeda dari yang dipertimbangkan di atas, karena mereka tidak lagi berhubungan dengan linier, tetapi dengan gerak rotasi. Jadi, momen gaya M¯ didefinisikan sebagai produk vektor bahu (jarak dari sumbu rotasi ke titik kerja gaya) dan gaya itu sendiri, yaitu, rumusnya valid:
M¯=d¯F¯
Momen gaya mencerminkan kemampuan yang terakhir untuk melakukan torsi sistem di sekitar sumbu. Misalnya, jika Anda memegang kunci pas dari mur (tuas besar d¯), Anda dapat membuat momen besar M¯, yang memungkinkan Anda untuk melepaskan mur.
Dengan analogi kasus linier, momentum M¯ dapat diperoleh dengan mengalikannya dengan selang waktu selama ia bekerja pada sistem yang berputar, yaitu:
M¯Δt=L¯
Nilai L¯ disebut perubahan momentum sudut, atau momentum sudut. Persamaan terakhir penting untuk mempertimbangkan sistem dengan sumbu rotasi, karena menunjukkan bahwa momentum sudut sistem akan kekal jika tidak ada gaya eksternal yang menciptakan momen M¯, yang secara matematis ditulis sebagai berikut:
Jika M¯=0 maka L¯=const
Dengan demikian, kedua persamaan momentum (untuk gerak linier dan melingkar) ternyata serupa dalam arti fisis dan konsekuensi matematisnya.
Masalah Tabrakan Burung-Pesawat
Masalah ini bukanlah sesuatu yang fantastis. Tabrakan ini memang terjadi.sering. Jadi, menurut beberapa data, pada tahun 1972, sekitar 2,5 ribu tabrakan burung dengan pesawat tempur dan transportasi, serta dengan helikopter, tercatat di wilayah udara Israel (zona migrasi burung terpadat)
Tugasnya adalah sebagai berikut: perlu kira-kira menghitung berapa banyak gaya tumbukan yang jatuh pada burung jika sebuah pesawat terbang dengan kecepatan v=800 km/jam ditemui di jalurnya.
Sebelum melanjutkan dengan keputusan, mari kita asumsikan bahwa panjang burung yang sedang terbang adalah l=0,5 meter, dan massanya adalah m=4 kg (dapat berupa, misalnya, itik jantan atau angsa).
Mari kita abaikan kecepatan burung (ini kecil dibandingkan dengan kecepatan pesawat), dan kita juga akan menganggap massa pesawat jauh lebih besar daripada massa burung. Perkiraan ini memungkinkan kita untuk mengatakan bahwa perubahan momentum burung adalah:
Δp=mv
Untuk menghitung gaya tumbukan F, Anda perlu mengetahui durasi kejadian ini, kira-kira sama dengan:
Δt=l/v
Menggabungkan kedua rumus ini, kita mendapatkan ekspresi yang diperlukan:
F=p/Δt=mv2/l.
Substitusikan bilangan-bilangan dari kondisi soal ke dalamnya, kita peroleh F=395062 N.
Akan lebih visual untuk menerjemahkan angka ini menjadi massa yang setara dengan menggunakan rumus berat badan. Maka diperoleh: F=395062/9,81 40 ton! Dengan kata lain, seekor burung merasakan tabrakan dengan pesawat seolah-olah 40 ton kargo telah jatuh di atasnya.
