Kenapa Energi Kinetik Berubah Tetapi Momentum Kekal? Hubungan Momentum & Energi Kinetik, Boneka & Bola Pantul Lenting Sebagian

Kenapa energi kinetik pada tumbukan berubah (berkurang atau bertambah), sedangkan momentum-nya tetap kekal? Kita akan membahas hubungan antara keduanya dengan beberapa contoh fenomena di sekitar kita. Salah satunya adalah bola pantul atau boneka yang terjatuh.

Sebuah bola besi bermassa 1 kg melesat dengan kelajuan 30 m/s. Momentum bola besi tersebut adalah 30 kg.m/s. Sebuah batu besar bermassa 20 kg melesat dengan kelajuan 1,5 m/s. Momentum batu besar adalah 30 kg.m/s. Keduanya memiliki momentum yang sama besar tetapi bola besi lebih kuat melukai daripada batu besar bila bertumbukan.

Mengapa kecepatan mempengaruhi tingkat kekuatan benda bukan malah besar momentumnya? Hal ini terjadi karena energi kinetik yang dimiliki berbeda. Bola besi memiliki energi kinetik sebesar 450 J sedangkan batu besar 22,5 J. Kita dapat melihat betapa berbedanya bersamaan momentum (m.v) dan energi kinetik (1/2 m.v²).

Secara matematis, energi kinetik adalah hasil integral dari momentum. Perubahan momentum bergantung pada perubahan kecepatannya sedangkan energi kinetik bergantung pada perubahan kuadrat kecepatannya. Jika kelajuan bola besi dirubah menjadi 35 m/s maka momentumnya menjadi 35 kg.m/s dan energi kinetiknya 612,5 J.

Pada waktu dua permukaan saling bertumbukan atau bergerak, momentum benda konstan dan energi totalnya juga konstan. Energi dapat muncul dalam bentuk energi kinetik, energi potensial, energi internal, atau energi bunyi. Jika energi yang terpecah-pecah ini dijumlahkan maka jumlahnya akan tetap. Begitupula momentum.

ANALISIS KASUS

Saat sebuah boneka jatuh ke lantai, ia akan terpental sedikit. Sebelum menyentuh lantai, boneka memiliki kelajuan berarti ada momentum. Boneka dipaksa berhenti atau meng-nol-kan momentumnya dalam waktu singkat. Hal ini akan dikonfersikan menjadi gaya dengan selang waktu tertentu. Gaya ini bisa besar atau kecil bergantung waktu sentuh tumbukan.

Anggap saja waktu sentuhnya besar (boneka empuk sehingga memperlama sentuhan) sehingga gaya impulsif yang muncul sangat kecil. Gaya impulsif ini menekan lantai. Lantai memberikan gaya reaksi yang berlawanan. Tetapi saat saling bersentuhan, gaya-gaya ini didistribusikan dalam sebuah luas permukaan sentuh sebesar bagian bawah boneka yang terkena lantai.

Jika kerapatan lantai sangat besar maka gaya ini akan kembali ke boneka. Pada dasarnya material permukaan akan sedikit bergetar dalam tinjauan mikroskopik. Boneka akan sedikit terpantul tetapi kelajuannya berkurang. Momentumnya tidak akan sama ketika ia terjatuh. Hal ini terjadi karena perubahan-perubahan selama tumbukan lantai tadi.

Kita tetap akan mengatakan momentum ini kekal layaknya energi tadi. Jika ditinjau dari segi energi. Energi boneka adalah konstan. Semakin boneka mendekati lantai, kelajuannya maksimal dan ketinggiannya minimal. Energi potensialnya adalah nol sedangkan energi kinetiknya maksimal.

Energi ini (energi kinetik) yang dimiliki boneka ketika jatuh berubah menjadi energi bunyi, energi internal (panas). Hal ini mengakibatkan energi yang kembali ke boneka (energi kinetiknya) tidak seperti sebelumnya. Hal ini mengakibatkan kelajuan boneka juga berkurang. Energi total tetap konstan (kekal) tetapi energi kinetiknya berubah.

Kondisi ini sama halnya seperti bola memantul. Momentum konstan (kekal) yang dimaksud adalah momentum bola dan lantai. Kita akan melihat momentum berubah karena kita hanya meninjau bola (boneka). Energi kinetik benda juga berkurang. Dan ia akan terus berkurang jika ketinggiannya maksimum karena energi bola terkonfersi menjadi jenis energi lain, yaitu potensial.

Pada kasus ini, kita meninjau keadaan benda tepat sebelum menyentuhkan lantai dan tepat setelah menyentuh lantai. Variabel akan makin kompleks jika kita menangkap banyak adegan dalam kasus bola jatuh terpantul ini.

ANALOGI TRANSFER MOMENTUM

Analogi mudah untuk membayangkan transfer momentum adalah dengan menggunakan tali. Tali ringan disambungkan dengan tali bermassa besar. Tangan diposisikan memegang tali ringan. Saat dihentakkan, pulsa (setengah gelombang) akan muncul.

Saat ia sampai diperbatasan antara tali ringan dan berat, sebagian pulsa berbalik arah dan sebagian lagi ada yang bergerak di tali bermassa besar. Ukuran pulsanya juga berbeda. Pulsa di tali ringan lebih besar dibanding pulsa di tali bermassa besar walau tidak sebesar sebelumnya. Hal ini terjadi karena pulsa telah terbagi dua.

KESIMPULAN

Energi kinetik sebenarnya tetap kekal tetapi dia berubah ke bentuk lain, seperti energi internal atau bunyi, sedangkan momentum sesudah atau sebelum tumbukan kekal dengan cara yang sama, ia berpindah sebagai impuls yang mengenai benda yang ia tumbuk. Kenapa tidak disebut semua tidak kekal saja? Energi kinetik benar-benar berubah menjadi energi jenis lain, sedangkan momentum tidak. Kita sebut energi dari sistem kekal tanpa diikuti kata "kinetik". Oleh karena itu, tumbukan boneka ataupun bola pantul sama-sama kekal energinya.