Apa itu conservation of angular momentum (konservasi momentum sudut)?
Konservasi momentum sudut adalah sifat fisika pada sistem yang berputar, di mana putaran tersebut akan tetap konstan kecuali ada torsi eksternal yang bekerja padanya. Dengan kata lain, kecepatan rotasi akan tetap sama selama tidak ada torsi total (net torque) yang bekerja.
Momentum sudut (sering disebut spin) ditentukan oleh massa suatu benda, kecepatannya, dan seberapa jauh massa tersebut tersebar dari titik rotasinya. Semakin dekat massa ke sumbu rotasi ā atau semakin terkonsentrasi di sekitar sumbu ā maka kecepatannya akan semakin besar.
Momentum sudut memiliki padanan dalam momentum linear, yang didefinisikan sebagai hasil kali antara massa dan kecepatan. Artinya, momentum suatu benda bergantung pada massa dan kecepatannya. Misalnya, sebuah truk besar yang melaju 25 mph punya momentum lebih besar dibanding Mini Cooper dengan kecepatan sama. Tapi kalau Mini tersebut menabrak kios buah dengan kecepatan 25 mph, kerusakannya tentu jauh lebih besar dibanding kalau kecepatannya hanya 5 mph. Jadi, semakin besar massa atau kecepatan, semakin besar momentumnya.
Momentum sudut mirip dengan momentum linear, hanya saja momentum sudut juga mempertimbangkan distribusi massa terhadap titik rotasi. Dalam fisika, momentum sudut didefinisikan sebagai hasil kali inersia rotasi dengan kecepatan sudut:
- Inersia rotasi (moment of inertia) ditentukan oleh massa dan distribusinya. Rumusnya adalah massa dikali radius kuadrat, dengan radius adalah jarak massa ke titik rotasi.
- Kecepatan sudut adalah seberapa cepat sebuah objek berputar pada sumbunya atau bergerak di lintasan melingkar.
Rumus momentum sudut ditulis sebagai L = IĻ, di mana L adalah momentum sudut, I adalah inersia rotasi, dan Ļ (omega) adalah kecepatan sudut. Secara sederhana, momentum sudut bisa dianggap sebagai hasil kali massa, kecepatan, dan jarak dari titik rotasi. Rumus ini penting untuk memahami efek dari hukum konservasi momentum sudut.
Apa yang dimaksud dengan konservasi momentum sudut?
Seperti hukum fisika lainnya, momentum sudut juga tunduk pada hukum konservasi. Hukum ini menyatakan bahwa suatu besaran dalam sistem fisik tertentu akan tetap konstan selama tidak ada gaya eksternal yang bekerja. Artinya, besaran itu tidak berubah kecuali ada gaya luar yang memengaruhinya. Hukum konservasi berlaku pada energi, muatan listrik, fisika partikel, momentum linear, dan momentum sudut.
Jika diterapkan pada momentum sudut, hukum ini berarti momentum dari benda yang berputar tidak akan berubah kecuali ada torsi eksternal yang bekerja. Torsi dalam hal ini bisa berarti gaya luar apa pun yang menyebabkan benda tersebut berputar atau berbelok. Selama tidak ada torsi (net torque = 0), momentum sudut akan tetap konstan, alias terkonservasi.
Contoh penerapan prinsip ini bisa dilihat pada giroskop, yang memanfaatkan hukum konservasi momentum sudut untuk menjaga stabilitas, mengarahkan, atau mengukur gerakan rotasi pada berbagai sistem. Hukum ini juga menjelaskan mengapa sebuah Frisbee bisa melayang stabil di udara alih-alih langsung jatuh, atau mengapa gasing yang berputar bisa tetap tegak meskipun ada gravitasi yang menariknya ke bawah.
Roda sepeda juga memperlihatkan hukum ini. Saat roda berputar, ia berperilaku layaknya giroskop, menghasilkan momentum sudut. Semakin cepat berputar, semakin besar momentumnya dan semakin stabil posisi sepeda. Kalau putarannya melambat, menjaga keseimbangan jadi lebih sulit, dan sedikit torsi saja bisa membuat pengendara jatuh.
Hukum konservasi momentum sudut juga bisa diamati pada aktivitas sehari-hari. Misalnya, atlet ice skating, penyelam, atau orang yang duduk di kursi putar bisa mendemonstrasikan hukum ini. Kalau mereka berputar dengan tangan terbuka lebar, mereka akan terus berputar sampai ada gaya luar yang menghentikan, misalnya penyelam masuk ke air. Tapi kalau tangan ditarik mendekat ke tubuh, putarannya akan semakin cepat. Ini karena momentum sudut tetap sama, tetapi distribusi massa mengecil, sehingga kecepatan sudut meningkat.
Hukum konservasi momentum sudut juga berlaku pada planet-planet yang mengorbit matahari. Semakin dekat planet ke matahari, semakin besar kecepatannya. Hal ini tetap berlaku meskipun lintasannya elips. Saat planet berada jauh, kecepatannya menurun, tapi saat mendekat, kecepatannya meningkat. Namun, momentum sudutnya tetap konstan.
Khan Academy menyediakan video tutorial tentang konservasi momentum sudut untuk penjelasan lebih lanjut.
Lihat juga: percepatan sudut, percepatan gravitasi, energi kinetik, lokomosi, robotika, robot