Senjata Api, sudah tidak asing lagi bagi kita, paling tidak dalam film, game, ataupun berita-berita media massa. Senjata api (firearm) adalah suatu senjata yang melepaskan satu atau lebih proyektil. Proyektil tersebut didorong dengan kecepatan dan tekanan tinggi oleh gas hasil pembakaran suatu propelan (biasanya berupa bubuk mesiu). Proses pembakaran ini berlangsung sangat cepat dan secara teknis disebut dengan deflagrasi.
Ada beragam jenis senjata api (pistol/handgun, senapan mesin, bedil/rifle, dll). Tetapi secara mendasar memiliki kesamaan teknis dan fisika. Secara teknis, suatu senjata api bekerja untuk mendorong proyektil dari hasil ledakan suatu propelan. Setelah magazine berisi peluru (cartridge) terpasang pada senjata api (dalam contoh ini:pistol), dan kemudian slide ditarik (dikokang), maka recoil spring ikut tertarik dan dengan mekanisme bahwa peluru akan ikut tertarik secara mekanik dan masuk ke kamar peluru. Selanjutnya, penembak tinggal menekan pemicu (trigger) dan firing pin akan membentur dan menekan pangkal peluru (primer) dengan keras, meledakkan propelan dalam peluru. Ledakan inilah yang melesatkan proyektil dengan cepat keluar melalui laras.
Detail peluru/cartidge (sumber:howstuffworks.com)
–.
Detail bagian-bagian pistol
Cukuplah dengan penjelasan mekanis, lebih detail lagi bagaimana dengan hukum fisika yang berlaku. Pengertian senjata api dari sudut pandang fisika adalah bahwa senjata api merupakan suatu sistem yang dimaksudkan untuk memberikan energi destruktif akhir yang maksimal kepada suatu objek (target/sasaran) dengan energi pengiriman yang minimal. Pada dasarnya suatu senjata api dapat diibaratkan seperti mesin piston khusus. Ketika pemicu ditekan dan firing pin membentur dan menekan pangkal peluru dengan keras maka propelan dalam peluru akan meledak. Disinilah prinsip termodinamika bekerja, dimana juga terjadi efisiensi energi (efisiensi Carnot). Efisiensi ini sangat tergantung pada kontruksi dan panjang laras senjata api. Dari prinsip termodinamika dikatakan bahwa tekanan hasil ledakan propelan tersebut akan menghasilkan gaya dorong yang sangat besar terhadap proyektil sehingga menimbulkan percepatan dan kecepatan yang sangat tinggi, dan juga ledakan propelan akan menimbulkan panas yang tinggi. Panas ini akan mendingin dengan cepat karena sistem perpindahan kalor ke luar melalui kontruksi khusus pada laras.
Jika mengamati ketika seorang penembak menembakkan senjata apinya maka akan terlihat suatu hentakan dari senjata api tersebut. Hal ini dikenal sebagai recoil effect. Recoil merupakan hentakan keras dari momentum pistol terhadap momentum proyektil. Berdasarkan hukum Newton III yang menyatakan bahwa “Jumlah momentum awal dari dua partikel/sistem adalah sama dengan jumlah momentum akhirnya”. Dapat diasumsikan bahwa ketika senjata api sebelum ditembakkan, sistem Senjata-penembak dan Peluru dalam keadaan setimbang dan diam (stasioner) sehingga jumlah momentum awalnya adalah nol. Ketika senjata ditembakkan maka proyektil melesat keluar dari laras dengan massa m dan kecepatan v. Karena tidak adanya gaya luar (external force) yang bekerja setelah penembakan, maka nilai total dari momentum setelah penembakan harus sama dengan total momentum sebelum penembakan, yaitu 0. Jadi, untuk mencapai kondisi tersebut, sistem Senjata-penembak harus bergerak ke belakang (berlawanan arah dengan arah gerak proyektil) sebagai recoil effect. Dapat dirumuskan menjadi :
MV + mv = 0 mv = -MV
Meskipun proyektil memiliki kecepatan (v) sangat tinggi, namun massanya (m) adalah kecil jika dibandingkan dengan massa senjata (M). Sehingga menghasilkan kecepatan senjata api sebagaimana recoil (V) yang relatif lebih kecil dibandingkan kecepatan proyektil tersebut. Walaupun begitu, V recoil ini cukup kuat untuk dirasakan oleh penembak sebagai hentakan. Dari sisi mekanis, di beberapa jenis senjata api, recoil effect ini dimanfaatkan sebagai mekanisme reload otomatis.
Efek recoil dari revolver SW-500 (sumber:wikipedia)
Dengan massa proyektil yang lebih kecil dibandingkan dengan massa sistem senjata-penembak, maka hal ini juga memungkinkan lebih banyak energi kinetik pada proyektil ketika bergerak meluncur dari senjata api daripada energi kinetik pada senjata api itu sendiri.
V=mv/M
1/2 MV^2=1/2 M(mv/M)=m/M 1/2 mv^2
Energi Kinetik senjata : 1/2 MV^2 dan Energi Kinetik proyektil : 1/2 mv^2. Jadi perbandingan EK senjata dengan EK proyektil :
(1/2 MV^2)/(1/2 mv^2 )=m/M
Proyektil akan meluncur dengan kecepatan sangat tinggi dengan energi kinetiknya yang besar serta karena luas permukaan ujung proyektil yang kecil (lancip/runcing), maka tekanan yang diperoleh suatu objek yang terkena proyektil akan sangat besar pula, sehingga memberikan efek destruktif yang maksimal.
Pada sistem senjata dan proyektil terjadi konversi Energi Potensial ke Energi Kinetik, karena ketika sebelum proses penembakan dimulai seluruh komponen senjata api dan proyektil memiliki energi potensial. Selain itu, pada mekanisme senjata api juga terjadi gaya gesek antar komponen yang bergerak, terutama ketika proyektil meluncur melalui laras. Pada sebagian besar jenis senjata api memiliki laras yang beralur spiral, dengan maksud untuk menjaga kestabilan lintasan proyektil ketika meluncur ke luar.
Jadi, kesimpulannya, prinsip fisika apa saja yang bekerja pada mekanisme senjata api? paling tidak ada beberapa prinsip berikut ini:
- Termodinamika; ketika terjadi ledakan propelan
- Momentum; efek recoil senjata api
- Gerak dan Kecepatan; proyektil meluncur dan senjata bergerak sebagai efek recoil
- Energi Kinetik; setiap komponen yang bergerak dan proyektil yang meluncur
- Energi Potensial; setiap komponen, termasuk peluru dalam keadaan diam (stasioner)
- Tekanan; proyektil yang mengenai objek
- Gaya (gesek); setiap komponen yang bergerak menghasilkan gesekan
Efek recoil membuktikan bahwa momentum Senjata api – Proyektif bersifat kekal. Dan juga, terjadinya konversi energi potensial – energi kinetik menghasilkan energi total yang konstan (faktor eksternal diabaikan).
…………………………………………………………………………………………………NB:
Tulisan ini diambil dari paper (atau makalah, apalah itu saya gak yakin. LoL!) saya dari tugas Fisika Dasar 1 dulu kala, dengan tema ‘Fisika di Sekitar Kita’ (kurang lebih seperti itu). Senjata api saya kira sudah menjadi bagian ‘di sekitar kita’ sekarang ini. Bagaimanapun saya juga antusias dengan dunia militer sejak masa kecil (dengan mengkoleksi majalah Angkasa Edisi Koleksi waktu itu)
Saya terinspirasi dari scene opening film James Bond Tomorrow Never Dies, di situ sempat ada cuplikan singkat pistol (yang ditransparankan – layaknya ‘dipindai’ dengan sinar-X) ditembakkan. Salah satu film yang terbaik melihat bagaimana pemberitaan media bisa berpotensi menimbulkan perang dunia.
Science Never Dies... 