Apa yang dimaksud dengan tumbukan elastis dan tidak elastis

2024 Pengarang: Angel Austin | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-02 17:49

Masalah fisika, di mana benda bergerak dan saling memukul, membutuhkan pengetahuan tentang hukum kekekalan momentum dan energi, serta pemahaman tentang interaksi itu sendiri. Artikel ini memberikan informasi teoritis tentang dampak elastis dan tidak elastis. Kasus-kasus khusus untuk memecahkan masalah yang berkaitan dengan konsep fisika ini juga diberikan.

Jumlah gerakan

Sebelum mempertimbangkan tumbukan lenting sempurna dan tidak lenting sempurna, perlu ditentukan besaran yang dikenal sebagai momentum. Biasanya dilambangkan dengan huruf Latin p. Ini diperkenalkan ke dalam fisika secara sederhana: ini adalah produk massa dengan kecepatan linier tubuh, yaitu, rumusnya terjadi:

p=mv

Ini adalah besaran vektor, tetapi untuk kesederhanaan ditulis dalam bentuk skalar. Dalam pengertian ini, momentum dianggap oleh Galileo dan Newton pada abad ke-17.

Nilai ini tidak ditampilkan. Penampilannya dalam fisika dikaitkan dengan pemahaman intuitif tentang proses yang diamati di alam. Sebagai contoh, semua orang sangat menyadari bahwa lebih sulit untuk menghentikan seekor kuda yang berlari dengan kecepatan 40 km/jam daripada seekor lalat yang terbang dengan kecepatan yang sama.

Impuls kekuatan

Jumlah pergerakan hanya disebut oleh banyak orang sebagai momentum. Ini tidak sepenuhnya benar, karena yang terakhir ini dipahami sebagai efek gaya pada suatu benda selama periode waktu tertentu.

Jika gaya (F) tidak bergantung pada waktu aksinya (t), maka impuls gaya (P) dalam mekanika klasik ditulis dengan rumus berikut:

P=Ft

Menggunakan hukum Newton, kita dapat menulis ulang ekspresi ini sebagai berikut:

P=mat, dimana F=ma

Di sini a adalah percepatan yang diberikan pada benda bermassa m. Karena gaya yang bekerja tidak bergantung pada waktu, percepatan adalah nilai konstan, yang ditentukan oleh rasio kecepatan terhadap waktu, yaitu:

P=mat=mv/tt=mv.

Kami mendapat hasil yang menarik: momentum gaya sama dengan jumlah gerakan yang dikatakannya pada tubuh. Itulah mengapa banyak fisikawan menghilangkan kata "gaya" dan mengatakan momentum, mengacu pada jumlah gerakan.

Rumus tertulis juga mengarah pada satu kesimpulan penting: dengan tidak adanya gaya eksternal, setiap interaksi internal dalam sistem mempertahankan momentum totalnya (momentum gaya adalah nol). Rumusan terakhir dikenal sebagai hukum kekekalan momentum untuk sistem benda yang terisolasi.

Konsep dampak mekanis dalam fisika

Sekarang saatnya untuk mempertimbangkan dampak yang benar-benar elastis dan tidak elastis. Dalam fisika, tumbukan mekanis dipahami sebagai interaksi simultan dari dua atau lebih benda padat, sebagai akibatnya terjadi pertukaran energi dan momentum di antara mereka.

Fitur utama dari tumbukan adalah gaya kerja yang besar dan waktu penerapannya yang singkat. Seringkali dampak dicirikan oleh besarnya percepatan, dinyatakan sebagai g untuk Bumi. Misalnya, entri 30g mengatakan bahwa sebagai akibat tumbukan, gaya yang diberikan ke tubuh percepatan 309, 81=294,3 m/s2.

Kasus tumbukan khusus adalah tumbukan lenting mutlak dan tumbukan tidak lenting (yang terakhir disebut juga elastik atau plastis). Pertimbangkan apa itu.

Tembakan ideal

Dampak benda yang elastis dan tidak elastis adalah kasus yang diidealkan. Yang pertama (elastis) berarti bahwa tidak ada deformasi permanen yang dibuat ketika dua benda bertabrakan. Ketika satu benda bertabrakan dengan yang lain, pada suatu saat kedua benda berubah bentuk di bidang kontaknya. Deformasi ini berfungsi sebagai mekanisme untuk mentransfer energi (momentum) antar benda. Jika elastis sempurna, maka tidak ada kehilangan energi yang terjadi setelah tumbukan. Dalam hal ini, kita berbicara tentang kekekalan energi kinetik dari benda-benda yang berinteraksi.

Jenis tumbukan kedua (plastik atau tidak lenting sama sekali) berarti bahwa setelah tumbukan satu benda terhadap benda lain, mereka"menempel" satu sama lain, jadi setelah tumbukan, kedua benda mulai bergerak secara keseluruhan. Akibat tumbukan ini, sebagian energi kinetik dihabiskan untuk deformasi benda, gesekan, dan pelepasan panas. Pada tumbukan jenis ini, energi tidak kekal, tetapi momentum tidak berubah.

Tumbukan elastis dan tidak elastis adalah kasus khusus yang ideal dari tumbukan benda. Dalam kehidupan nyata, karakteristik semua tumbukan tidak termasuk dalam salah satu dari kedua jenis ini.

Tumbukan lenting sempurna

Mari kita selesaikan dua masalah untuk tumbukan elastis dan tidak elastis dari bola. Dalam subbagian ini, kami mempertimbangkan jenis tumbukan pertama. Karena hukum energi dan momentum diamati dalam kasus ini, kami menulis sistem yang sesuai dari dua persamaan:

m₁v₁²+m_{2 v}22 ^=m1_u1 ₂+m²u_22;

m₁v₁+m₂v ₂=m₁u₁+m₂u 2_.

Sistem ini digunakan untuk menyelesaikan masalah dengan kondisi awal apa pun. Dalam contoh ini, kita membatasi diri pada kasus khusus: biarkan massa m₁ dan m₂ dari dua bola sama. Selain itu, kecepatan awal bola kedua v_{2 adalah nol. Penting untuk menentukan hasil tumbukan lenting pusat dari benda-benda yang dipertimbangkan.}

Memperhatikan kondisi masalah, mari kita tulis ulang sistemnya:

v₁²=u₁^{2+ u}22^;

v₁=u₁+ u_2.

Substitusikan ekspresi kedua ke yang pertama, kita mendapatkan:

(u₁+ u₂)²=u ₁²+u₂²

Buka kurung:

u₁²+ u₂^{2+ 2u}1_u2_=u12+ u²₂=> u¹u₂ =0

Persamaan terakhir benar jika salah satu kecepatan u₁ atau u₂ sama dengan nol. Yang kedua tidak boleh nol, karena ketika bola pertama mengenai yang kedua, pasti akan mulai bergerak. Artinya u₁ =0 dan u_{2 > 0.}

Jadi, dalam tumbukan lenting antara bola yang bergerak dengan bola yang diam, yang massanya sama, bola pertama mentransfer momentum dan energinya ke bola kedua.

Dampak inelastis

Dalam hal ini, bola yang sedang menggelinding, ketika bertabrakan dengan bola kedua yang diam, menempel padanya. Selanjutnya, kedua tubuh mulai bergerak sebagai satu. Karena momentum tumbukan elastis dan tidak elastis adalah kekal, kita dapat menulis persamaan:

m₁v₁+ m₂v ₂=(m₁ + m_2)u

Karena dalam masalah kita v_{2=0, kecepatan akhir sistem dua bola ditentukan oleh ekspresi berikut:}

u=m₁v₁ / (m₁ + m 2₎

Dalam kasus persamaan massa tubuh, kita mendapatkan yang lebih sederhanaekspresi:

u=v_1/2

Kecepatan dua bola yang disatukan akan menjadi setengah dari nilai ini untuk satu bola sebelum tumbukan.

Tingkat Pemulihan

Nilai ini merupakan karakteristik kehilangan energi selama tumbukan. Artinya, menggambarkan seberapa elastis (plastik) dampak yang dimaksud. Itu diperkenalkan ke dalam fisika oleh Isaac Newton.

Mendapatkan ekspresi untuk faktor pemulihan tidaklah sulit. Misalkan dua benda bermassa m₁ dan m₂ telah bertabrakan. Biarkan kecepatan awal mereka sama dengan v₁dan v₂, dan akhir (setelah tumbukan) - u_{1dan kamu}2_{. Dengan asumsi bahwa tumbukan elastis (energi kinetik kekal), kita menulis dua persamaan:}

m₁v₁² + m_{2 v}22 ^=m1_u1 ₂ + m²u_22;

m₁v₁+ m₂v ₂=m₁u₁+ m₂u 2_.

Ungkapan pertama adalah hukum kekekalan energi kinetik, yang kedua adalah kekekalan momentum.

Setelah beberapa penyederhanaan, kita bisa mendapatkan rumus:

v₁ + u₁=v₂ + u _2.

Dapat ditulis ulang sebagai rasio perbedaan kecepatan sebagai berikut:

1=-1(v₁-v₂) / (u₁ -u_2).

JadiJadi, diambil dengan tanda yang berlawanan, perbandingan perbedaan kecepatan dua benda sebelum tumbukan dengan perbedaan yang sama setelah tumbukan adalah sama dengan satu jika ada tumbukan lenting mutlak.

Dapat ditunjukkan bahwa rumus terakhir untuk tumbukan lenting akan memberikan nilai 0. Karena hukum kekekalan untuk tumbukan lenting dan lenting berbeda untuk energi kinetik (hukum kekekalan hanya untuk tumbukan lenting), rumus yang dihasilkan adalah koefisien yang sesuai untuk mengkarakterisasi jenis tumbukan.

Faktor pemulihan K adalah:

K=-1(v₁-v₂) / (u₁ -u_2).

Perhitungan faktor pemulihan untuk tubuh yang "melompat"

Tergantung pada sifat dampak, faktor K dapat bervariasi secara signifikan. Mari kita pertimbangkan bagaimana menghitungnya untuk kasus tubuh yang "melompat", misalnya bola sepak.

Pertama, bola dipegang pada ketinggian tertentu h_{0di atas tanah. Kemudian dia dibebaskan. Itu jatuh di permukaan, memantul dan naik ke ketinggian tertentu h, yang tetap. Karena kecepatan permukaan tanah sebelum dan sesudah tumbukan dengan bola sama dengan nol, rumus koefisiennya akan terlihat seperti:}

K=v₁/u₁

Di sini v₂=0 dan u₂=0. Tanda minus hilang karena kecepatan v₁ dan u_{1 berlawanan. Karena jatuh dan naiknya bola merupakan gerakan beraturan yang dipercepat dan diperlambat secara seragam, maka baginyarumusnya valid:}

h=v2/(2g)

Mengekspresikan kecepatan, mengganti nilai ketinggian awal dan setelah bola memantul ke dalam rumus koefisien K, kita mendapatkan ekspresi akhir: K=(h/h_0).