Fisika itu aturan main alam semesta. Yuk, kita pecahkan bersama!
Komik, animasi, Rumus Hidup yang bisa digeser-geser, Lab Mini untuk bereksperimen, contoh dari angkot sampai gunung api, dan tangga soal dari Pemula sampai IGCSE, IB, dan Olimpiade.
Penulis: dr. Rachmat Hidayat, M.Sc, PhD · Editor: Abdullah Hanif Hidayat · Didukung oleh Aurumgen Academy
Kenalan dulu, yuk!
Raka
Anak SMP dari Palembang yang selalu bertanya "kenapa?". Suka menebak cepat, kadang kena jebakan. Justru dari situ ia belajar!
Sari
Teman sekelas Raka dari Makassar. Tidak gampang percaya. Kalimat favoritnya: "Buktinya mana? Ayo kita ukur!"
Kak Nara
Kakak mentor fisika yang humoris. Selalu bawa spidol, selalu punya analogi, dan tidak pernah mengejek pertanyaan "bodoh".
Tarsi si Tarsius
Maskot dari hutan Sulawesi. Matanya sangat besar karena ia ahli mengamati, langkah pertama setiap ilmuwan.
Cara belajar di Physicspedia
Setiap bab mengikuti alur yang sama. Kamu akan memahami, mengaplikasikan, lalu merefleksikan, persis seperti Pembelajaran Mendalam yang berkesadaran, bermakna, dan menggembirakan.
Komik pembukaMasalah nyata dari kehidupan sehari-hari.
Tebak Dulu!Pilih prediksimu sebelum belajar. Salah tebak itu bagus!
Cerita & analogiKonsep abstrak dibuat konkret dan lucu.
Contoh bertingkatContoh → kerjakan bersama → coba sendiri.
Awas Jebakan!Miskonsepsi yang paling sering muncul.
Cek CepatTiga pertanyaan untuk menguatkan ingatan.
Tantangan RumahEksperimen dengan bahan dapur.
Tangga LatihanSoal dari Pemula sampai Olimpiade.
Tiga mode bacaanDi kanan atas ada tombol Dasar · SMA · Lanjut. Mode Dasar memakai bahasa paling sederhana untuk SD–SMP. Mode SMA adalah standar kelas X–XII. Mode Lanjut membuka kotak 🚀 berisi kalkulus, IGCSE, IB, dan trik olimpiade. Tombol 🌙 mengubah buku menjadi Papan Tulis.
Pilih jalur belajarmu
🌱 SD – SMP
Bacaan Dasar. Mulai dari Bab 1, 2, 4, 6, 8, 13, 15, 19, 20, 23, 33–35.
Lv 1Lv 2
⚔️ SMA · TKA · UTBK
Bacaan SMA. Ikuti urutan bab. Fokus pada Rumus Hidup dan contoh bertingkat.
Lv 2Lv 3
🌏 IGCSE · IB
Bacaan Lanjut. Perhatikan kotak 🚀 dan soal berbahasa data, grafik, serta ketidakpastian.
Lv 4Lv 5
🏆 Olimpiade (OSN)
Bacaan Lanjut. Kuasai Bab 3 (vektor & kalkulus), lalu taklukkan Tantangan Olimpiade di Bank Soal.
Lv 5Lv 6
Tangga 6 level soal
Level
Untuk siapa
Ciri soal
Lv 1 · Pemula
SD – awal SMP
Mengenali konsep, angka sederhana, gambar.
Lv 2 · Penjelajah
SMP (Fase D)
Satu langkah hitungan, membaca grafik sederhana.
Lv 3 · Pejuang
SMA · TKA · UTBK
Beberapa langkah, konteks nyata, analisis.
Lv 4 · IGCSE
Gaya Cambridge IGCSE
Soal terstruktur, data eksperimen, penjelasan dengan kata-kata.
Lv 5 · IB DP
Gaya IB Physics SL/HL
Analisis data, ketidakpastian, model, konsep yang dalam.
Lv 6 · Olimpiade
Gaya OSN · APhO · IPhO
Tidak rutin, butuh ide kreatif, kalkulus, dan pemodelan.
Tema A: 4–10, 30 · Tema B: 15–17 · Tema C: 12, 18–21 · Tema D: 11, 22, 24–25 · Tema E: 28, 29, 31
OSN Fisika
Semua bab. Mekanika (3–12) adalah fondasi terpenting.
Rujukan: Capaian Pembelajaran 2025 (Keputusan Kepala BSKAP No. 046/H/KR/2025) dan Panduan Mata Pelajaran Fisika Fase F (2025). Tautan "gaya IGCSE/IB" menunjukkan tingkat dan format soal, bukan soal resmi.
01
Bab 1 · Fondasi
Kenapa Fisika? Membaca Aturan Main Alam
Bayangkan kamu menonton sebuah permainan yang aturannya tidak pernah diberitahukan. Kamu hanya boleh menonton, lalu menebak aturannya. Selamat datang di fisika: permainan terbesar di alam semesta, dan kamu baru saja diundang ikut bermain.
Setelah bab ini, kamu bisa
menjelaskan fisika sebagai usaha membaca aturan main alam lewat pengamatan, seperti menebak aturan congklak;
membandingkan ukuran benda dari kuark sampai galaksi memakai pangkat sepuluh dan menaksir orde besaran;
menjalankan metode ilmiah: mengamati, bertanya, berhipotesis, bereksperimen dengan variabel terkendali, lalu menyimpulkan;
menyebut cabang-cabang fisika dan empat gaya dasar alam;
mengenali fisika di balik teknologi Indonesia dan sikap ilmiah seorang peneliti.
Rahasia Papan Congklak Komik · 4 panel
Minggu sore, teras rumah Sari
RakaKalian main apa, sih? Biji kerangnya pindah-pindah terus!
SariCongklak! Coba tebak sendiri aturannya. Tapi kamu cuma boleh menonton, ya.
RakaHmm… biji diambil dari satu lubang, lalu ditaruh satu-satu ke lubang berikutnya… memutar!
TEMBAK!
RakaLHO?! Kok Kak Nara mengambil semua biji di lubang seberang? Curang!
Kak NaraHehe, bukan curang. Itu aturan "nembak". Jarang muncul, jadi tadi belum kamu lihat.
Kata Kak Nara
Kak NaraFisikawan bekerja persis seperti kamu tadi! Alam memainkan "congklak raksasa". Kita menonton, menebak aturannya, lalu mengujinya.
SariDan selama apa pun dimainkan, total bijinya tetap 98. Itu juga aturan!
Raka sudah menonton 20 giliran congklak. Setiap kali, biji dibagikan satu-satu sambil memutar. Apakah sekarang Raka pasti sudah tahu semua aturan congklak?
Ya, 20 kali menonton sudah lebih dari cukup.
Ya, karena aturan yang sama terus terulang.
Belum pasti. Ia hanya yakin pada aturan yang sudah terlihat; aturan yang jarang muncul bisa saja belum teramati.
Tidak, karena aturan permainan tidak mungkin ditebak tanpa membaca buku aturan.
Jawabannya: belum pasti. Aturan "nembak" baru muncul ketika biji terakhir jatuh di lubang kosong milik sendiri, dan itu jarang terjadi. Fisika juga begitu. Hukum Newton cocok dengan pengamatan selama lebih dari 200 tahun, sampai orang meneliti benda yang sangat cepat dan sangat kecil. Ternyata di sana ada "aturan langka" baru: relativitas dan fisika kuantum. Hukum Newton tidak dibuang. Ia tetap benar untuk kehidupan sehari-hari, hanya saja kini kita tahu batas berlakunya.
1.1Fisika: membaca aturan main alam
Kata fisika berasal dari bahasa Yunani physis, artinya "alam". Fisika menyelidiki materi, energi, gerak, serta ruang dan waktu, lalu mencari aturan sederhana yang menjelaskan semuanya. Mengapa mangga jatuh? Mengapa langit biru? Mengapa HP bisa menangkap sinyal dari menara yang jauh? Semuanya ditebak, diuji, dan dijelaskan dengan aturan yang sama di mana pun di alam semesta.
Ingat lagi komik tadi. Raka tidak diberi buku aturan congklak. Ia hanya mengamati, menebak aturan, lalu menguji tebakannya pada giliran berikutnya. Begitu pula fisikawan. Alam tidak pernah memberi kita "buku petunjuk". Kita harus membacanya sendiri dari pengamatan.
Di permainan congklak
Di alam semesta
papan dengan 16 lubang
ruang dan waktu, "panggung" tempat semuanya terjadi
biji kerang
materi: atom, elektron, cahaya
aturan membagikan biji
hukum fisika, misalnya hukum gerak Newton
total biji selalu 98 (7 lubang × 7 biji × 2 pemain)
hukum kekekalan: energi, momentum, dan muatan listrik total tidak berubah
aturan langka "nembak"
peristiwa ekstrem: sangat cepat, sangat kecil, sangat panas
Raka menonton dan menebak
eksperimen dan teori
Gampangnya: fisika itu seperti menjadi detektif alam. Kita melihat kejadian, menebak "aturan rahasianya", lalu mencoba lagi untuk memastikan tebakan kita benar.
Tamu dari masa laluFisikawan Amerika Richard Feynman (1918–1988), peraih Nobel Fisika 1965, punya perumpamaan terkenal. Alam itu seperti permainan catur raksasa yang dimainkan para dewa. Kita penonton yang tidak diberi tahu aturannya. Dengan menonton cukup lama, kita bisa menebak aturan dasarnya. Lalu sesekali muncul langkah aneh yang membuat kita sadar ada aturan yang belum kita ketahui. Di buku ini, catur Feynman kita ganti dengan permainan khas Nusantara: congklak.
Komputer memakai aturan rahasia. Ketuk satu lubang di barismu (baris bawah) untuk "bereksperimen", lalu amati ke mana biji dibagikan. Isi tebakanmu di bawah, kemudian tekan Periksa tebakanku. Lumbungmu adalah lumbung yang dicapai tepat setelah barismu; lumbung satunya milik lawan. Perhatikan juga angka Total biji. Apakah pernah berubah?
Trik Kak Nara: rancang eksperimenmuIngin menguji satu aturan tertentu? Pilih langkah yang bisa membedakan tebakan-tebakanmu. Contoh: untuk tahu apakah lumbung lawan dilewati, kamu butuh putaran yang cukup panjang untuk melewatinya. Jadi pilih lubang yang bijinya paling banyak. Fisikawan menyebut ini merancang eksperimen.
1.2Dari kuark sampai galaksi: skala alam semesta
Fisika berlaku untuk benda sangat kecil (proton di dalam atom) sampai sangat besar (galaksi). Rentangnya luar biasa: dari kira-kira \(10^{-18}\) m sampai \(10^{27}\) m. Menulis angka sebesar itu dengan nol semua bisa bikin pegal. Karena itu fisikawan memakai pangkat sepuluh:
\(10^{3} = 1000\) (tiga nol), \(10^{6} = 1.000.000\) (enam nol), \(10^{-3} = 0{,}001\) (koma bergeser tiga langkah ke kiri).
Tinggi Raka sekitar \(1{,}5\) m, jadi "seukuran \(10^{0}\) m". Bumi berdiameter \(1{,}27 \times 10^{7}\) m. Atom hidrogen hanya sekitar \(1 \times 10^{-10}\) m. Angka di depan (1,5 atau 1,27) disebut angka depan, dan pangkatnya memberi tahu seberapa raksasa atau mungil benda itu. Cara menulis ini disebut notasi ilmiah; kamu akan memakainya terus di Bab 2.
Benda
Ukuran kira-kira
Pangkat sepuluh
proton (penghuni inti atom)
0,000 000 000 000 001 7 m
\(\sim 10^{-15}\) m
atom hidrogen
0,000 000 000 1 m
\(\sim 10^{-10}\) m
sel darah merah
0,000 008 m
\(\sim 10^{-5}\) m
semut rangrang
0,008 m
\(\sim 10^{-2}\) m
Raka
1,5 m
\(\sim 10^{0}\) m
Monas
132 m
\(\sim 10^{2}\) m
Bumi (diameter)
12.742.000 m
\(\sim 10^{7}\) m
galaksi Bimasakti
±100.000 tahun cahaya
\(\sim 10^{21}\) m
alam semesta teramati
±93 miliar tahun cahaya
\(\sim 10^{27}\) m
Geser pangkat sepuluh atau tekan Zoom keluar. Setiap kenaikan 1 berarti layar menjadi 10 kali lebih lebar. Berapa kali lipat 10 yang memisahkan atom dari Raka? Dari Raka ke Bumi?
Trik Kak Nara: hitung lompatanUntuk membandingkan dua benda, cukup kurangkan pangkatnya. Bumi (\(10^{7}\) m) dibanding Raka (\(10^{0}\) m): \(7 - 0 = 7\), jadi Bumi sekitar \(10^{7}\) = sepuluh juta kali lebih besar daripada Raka. Atom (\(10^{-10}\) m) dibanding Raka: \(0 - (-10) = 10\), jadi Raka sepuluh miliar kali lebih besar daripada atom!
Cahaya adalah "pelari" tercepat di alam semesta: sekitar \(3 \times 10^{8}\) m/s, cukup untuk mengelilingi Bumi 7,5 kali dalam satu detik. Tetapi alam semesta begitu luas sehingga cahaya pun butuh waktu untuk menyeberanginya. Itu sebabnya astronom mengukur jarak dengan tahun cahaya: jarak yang ditempuh cahaya dalam satu tahun, sekitar \(9{,}46 \times 10^{15}\) m.
Jarak Bumi–Bulan sekitar \(3{,}84 \times 10^{8}\) m. Berapa lama cahaya Bulan sampai ke matamu?
Gunakan \(t = d / c\) dengan \(c = 3 \times 10^{8}\) m/s.
\(t = \dfrac{3{,}84 \times 10^{8}}{3 \times 10^{8}} = 1{,}28\) s. Pangkat sepuluhnya saling menghapus!
Sekitar 1,3 sekon. Bulan yang kamu lihat malam ini adalah Bulan 1,3 detik yang lalu. Matahari? Kira-kira 8 menit yang lalu!
Mengapa harus tahu skala?Aturan main alam bisa berbeda di skala yang berbeda. Di skala manusia, hukum Newton juara. Di skala atom (\(10^{-10}\) m), berlaku fisika kuantum. Di skala galaksi dan kecepatan mendekati cahaya, berlaku relativitas Einstein. Fisikawan selalu bertanya dulu: "Kita sedang bermain di skala berapa?"
1.3Metode ilmiah: cara detektif alam bekerja
Menebak aturan alam tidak boleh asal-asalan. Ada urutan langkah yang membuat tebakan kita bisa dipercaya: metode ilmiah. Ikuti Tarsi si tarsius yang penasaran pada buah yang jatuh.
Suatu sore, sebuah mangga dan selembar daun lepas dari dahan pada saat yang sama. Tarsi kebetulan duduk di bawah pohon.
① Mengamati. Mangga sampai di tanah lebih dulu. Daun masih melayang-layang. Tarsi mencatat apa yang ia lihat, tanpa menambah-nambahi.
② Bertanya. Pengamatan memancing pertanyaan yang bisa diselidiki: "Apakah benda yang lebih berat selalu jatuh lebih cepat?"
③ Berhipotesis. Hipotesis adalah tebakan cerdas yang bisa diuji. Tarsi menduga daun lambat karena bentuknya lebar sehingga ditahan udara, bukan karena massanya kecil.
④ Bereksperimen. Dua lembar kertas yang sama persis (massanya sama!). Satu diremas menjadi bola. Hanya satu hal yang diubah, yaitu bentuknya. Yang lain dibuat tetap.
⑤ Mengumpulkan dan menganalisis data. Keduanya dilepas dari tinggi yang sama, diulang 5 kali. Bola kertas jatuh dalam ±0,6 s, kertas datar ±1,8 s. Massanya sama, tetapi waktunya jauh berbeda!
⑥ Menyimpulkan dan berbagi. Hipotesis didukung: bentuk (hambatan udara) yang membedakan, bukan massa. Tarsi menulis laporan agar teman-temannya bisa mengulang percobaan dan mengujinya sendiri.
Dalam eksperimen yang adil, kita membedakan tiga jenis variabel:
Jenis variabel
Artinya
Pada eksperimen kertas Tarsi
Bebas (manipulasi)
yang sengaja diubah oleh peneliti
bentuk kertas
Terikat (respons)
yang diukur untuk melihat akibatnya
waktu jatuh
Kontrol
yang dibuat tetap agar perbandingannya adil
massa kertas, tinggi jatuh, ruangan tanpa kipas angin
Awas jebakanKalau kamu mengubah dua hal sekaligus (misalnya bentuk dan massa), lalu hasilnya berubah, kamu tidak bisa tahu mana penyebabnya. Itu seperti mengganti pemain dan pelatih sekaligus, lalu menang. Siapa yang berjasa? Tidak ketahuan!
Dua bandul punya tali yang sama panjang. Bandul A memakai mur kecil, bandul B memakai gembok yang 10 kali lebih berat. Keduanya diayun dari sudut kecil yang sama. Bandul mana yang berayun bolak-balik lebih cepat?
Bandul B, karena benda berat bergerak lebih cepat.
Bandul A, karena benda ringan lebih lincah.
Sama saja: waktu satu ayunannya hampir sama.
Tidak bisa ditebak sama sekali.
Jawabannya: sama saja. Untuk tali yang sama panjang dan sudut kecil, waktu satu ayunan (periode) hampir tidak bergantung pada massa beban. Yang menentukan adalah panjang tali (dan gravitasi). Jangan percaya begitu saja: buktikan sendiri di Lab Mini berikut!
Atur satu variabel, lalu tekan Jalankan. Stopwatch otomatis mengukur 10 ayunan dan menulis hasilnya di tabel. Sel berwarna oranye menandai variabel yang berubah dari percobaan sebelumnya. Ubah satu variabel saja setiap kali. Variabel mana yang benar-benar mengubah periode?
Tamu dari masa laluMenurut kisah yang terkenal, pada tahun 1583 Galileo Galilei yang masih mahasiswa memperhatikan lampu gantung yang berayun di Katedral Pisa. Ia mengukur waktu ayunannya dengan denyut nadinya sendiri, karena jam belum ada! Ayunan besar maupun kecil tampak memakan waktu yang sama. Penemuan ini kelak melahirkan jam bandul, jam paling akurat di dunia selama hampir 300 tahun.
Sari mengukur waktu 10 ayunan. Tali 0,25 m: 10,0 s. Tali 1,00 m: 20,1 s. Massa dan sudut dibuat tetap. Berapa periode masing-masing, dan apa polanya?
Periode = waktu satu ayunan penuh. Tali 0,25 m: \(T = 10{,}0 / 10 = 1{,}00\) s.
Tali 1,00 m: \(T = 20{,}1 / 10 = 2{,}01\) s.
Panjang tali menjadi 4 kali, periodenya menjadi ±2 kali. Karena \(2 = \sqrt{4}\), periode sebanding dengan akar panjang tali: \(T \propto \sqrt{L}\).
\(T_1 = 1{,}00\) s dan \(T_2 = 2{,}01\) s. Polanya: tali 4 kali lebih panjang membuat ayunan 2 kali lebih lama. Di Bab 2 kamu akan menurunkan rumus lengkapnya, \(T = 2\pi\sqrt{L/g}\), hanya dengan "mencocokkan satuan"!
Lanjut · IB & olimpiadeBandul tidak benar-benar "setia waktu"Galileo mengira periode bandul sama persis untuk semua simpangan (isokron). Ternyata itu hanya berlaku untuk sudut kecil. Rumus yang lebih teliti adalah \(T \approx 2\pi\sqrt{\dfrac{L}{g}}\left(1 + \dfrac{\theta_0^{2}}{16}\right)\) dengan \(\theta_0\) dalam radian. Untuk \(\theta_0 = 60^\circ\) (\(\approx 1{,}05\) rad), periodenya kira-kira 7% lebih panjang daripada untuk sudut kecil. Lab Mini di atas memakai persamaan gerak lengkap \(\ddot\theta = -\dfrac{g}{L}\sin\theta\), jadi efek ini bisa kamu "temukan" sendiri. Coba bandingkan 10° dan 70°!
1.4Cabang fisika dan empat gaya dasar alam
Fisika begitu luas sehingga dibagi menjadi beberapa cabang. Peta di bawah ini sekaligus peta buku Physicspedia: setiap cabang punya bab-babnya sendiri.
Cabang-cabang fisika. Ada juga cabang "perbatasan" seperti biofisika, fisika medis, dan fisika material.
Hebatnya, semua kejadian di alam semesta, dari apel jatuh sampai bintang meledak, ternyata hanya digerakkan oleh empat gaya dasar:
Gaya dasar
Kekuatan relatif (kira-kira)
Jangkauan
Contoh
💪 Gaya kuat
1 (paling kuat)
sangat pendek, \(\sim 10^{-15}\) m
merekatkan proton dan neutron di inti atom
⚡ Gaya elektromagnetik
\(10^{-2}\)
tak terbatas
listrik, magnet, cahaya, gesekan, gaya normal, ikatan kimia
☢️ Gaya lemah
\(10^{-13}\)
sangat pendek, \(\sim 10^{-18}\) m
peluruhan radioaktif; membantu Matahari "membakar" hidrogen
🍎 Gravitasi
\(10^{-39}\) (paling lemah)
tak terbatas
mangga jatuh, Bulan mengelilingi Bumi, galaksi berputar
Aneh, bukan? Gravitasi yang paling lemah justru paling terasa dalam hidup kita. Rahasianya: gravitasi selalu menarik dan jangkauannya tak terbatas, jadi tarikan dari seluruh atom Bumi terkumpul. Gaya listrik bisa menarik dan menolak, sehingga muatan positif dan negatif biasanya saling menetralkan. Coba gosokkan penggaris plastik ke rambut, lalu dekatkan ke sobekan kertas. Penggaris kecil itu bisa mengalahkan tarikan gravitasi seluruh Bumi pada kertas!
Ada empat "tangan" yang menggerakkan alam: gravitasi (menarik semua benda), listrik-magnet (petir, magnet kulkas, cahaya), dan dua gaya yang hanya bekerja di dalam inti atom: gaya kuat dan gaya lemah.
Lanjut · IB & olimpiadeMimpi besar: menyatukan semua gayaDulu listrik dan magnet dianggap dua gaya terpisah, sampai James Clerk Maxwell menyatukannya pada 1860-an (sekaligus menemukan bahwa cahaya adalah gelombang elektromagnetik). Pada 1970-an, gaya elektromagnetik dan gaya lemah terbukti dua wajah dari satu gaya elektrolemah (Nobel 1979 untuk Glashow, Salam, dan Weinberg). Menyatukan gaya kuat, lalu gravitasi, masih menjadi teka-teki terbesar fisika. Angka "kekuatan relatif" di tabel hanyalah gambaran kasar, karena nilainya bergantung pada jarak dan cara membandingkannya.
1.5Fisika dan teknologi Indonesia
Setiap kali aturan main alam terbaca, lahirlah teknologi baru. Hukum gerak melahirkan mesin dan roket. Listrik-magnet melahirkan generator, radio, dan HP. Fisika kuantum melahirkan transistor, laser, dan panel surya. Indonesia juga punya kisah fisikanya sendiri.
🛰️
Satelit SATRIA-1
Diluncurkan Juni 2023 ke orbit geostasioner ±36.000 km. Satelit ini membawa internet ke puluhan ribu sekolah, puskesmas, dan kantor desa di daerah terpencil.
🌋
Listrik dari panas bumi
Indonesia penghasil listrik panas bumi (PLTP) terbesar kedua di dunia. PLTP pertama dibangun di Kamojang, Garut. Fisika kalor mengubah uap panas dari perut Bumi menjadi listrik.
🚄
Kereta cepat
Kereta cepat Jakarta–Bandung melaju sampai 350 km/jam. Rel, rem, aerodinamika, dan motor listriknya adalah fisika terapan.
📈
Peringatan dini gempa
BMKG memakai seismometer, alat yang "mendengar" getaran Bumi, untuk memperkirakan lokasi gempa dan risiko tsunami dalam hitungan menit.
🔭
Mata ke langit
Observatorium Bosscha di Lembang berdiri sejak 1923. Observatorium Nasional Timau di NTT, dengan teleskop 3,8 m, menjadi yang terbesar di Asia Tenggara.
🏥
Fisika di rumah sakit
Rontgen (sinar-X), USG (gelombang bunyi), dan MRI (magnet superkuat) semuanya alat fisika yang menyelamatkan nyawa.
Fisika IndonesiaB.J. Habibie (1936–2019) adalah insinyur dirgantara yang terkenal di dunia. Ia mengembangkan cara menghitung perambatan retak (crack progression) pada badan pesawat, sehingga retak halus pada logam bisa diperkirakan sebelum berbahaya. Di dunia penerbangan, nama ini dikenal sebagai "Faktor Habibie". Yohanes Surya membina Tim Olimpiade Fisika Indonesia sejak 1990-an. Sejak itu siswa-siswi Indonesia rutin membawa pulang medali emas olimpiade fisika internasional. Pada 2006, Jonathan Pradana Mailoa bahkan menjadi juara umum dunia. Lembaga riset nasional kini bernaung di BRIN (Badan Riset dan Inovasi Nasional), tempat fisikawan Indonesia meneliti dari nuklir sampai antariksa.
"Fisika itu cuma menghafal rumus."
Rumus hanyalah cara singkat menuliskan cerita alam. Yang penting adalah memahami ceritanya: mengapa terjadi, kapan berlaku, dan bagaimana mengujinya. Fisikawan malah sering menurunkan rumusnya sendiri.
"Teori ilmiah itu cuma tebakan, jadi belum tentu benar."
Tebakan awal disebut hipotesis. Teori adalah penjelasan yang sudah diuji ribuan kali dan cocok dengan banyak data, misalnya teori gravitasi dan teori atom. Teori tetap terbuka untuk diperbaiki jika muncul data baru.
"Fisika tidak ada hubungannya dengan hidupku."
HP, listrik PLN, kendaraan, kompor, internet, sampai ramalan cuaca semuanya bekerja berkat fisika. Bahkan berjalan kaki pun memakai hukum Newton!
1.6Ilmuwan dan sikap ilmiah
Alat paling penting seorang fisikawan bukanlah laboratorium mahal, melainkan sikapnya. Inilah enam sikap ilmiah yang akan kamu latih di sepanjang buku:
Sikap
Artinya
Siapa contohnya
🔍 Ingin tahu
berani bertanya "kenapa?" tentang hal sehari-hari
Raka, selalu
🤨 Skeptis
tidak langsung percaya; minta bukti dan data
Sari: "Buktinya mana?"
📏 Teliti
mengukur dengan hati-hati dan mengulang pengukuran
Tarsi yang mengulang 5 kali
🙋 Jujur
melaporkan data apa adanya, termasuk yang tidak sesuai harapan
Kepler (lihat di bawah)
💪 Berani salah
salah tebak itu wajar; yang penting mau memperbaiki
semua ilmuwan besar
🤝 Terbuka & bekerja sama
membagikan hasil agar diuji orang lain
laporan Tarsi
Tamu dari masa laluJohannes Kepler (1571–1630) bertahun-tahun mencoba menjelaskan gerak planet Mars dengan orbit berbentuk lingkaran. Model terbaiknya hanya meleset sedikit sekali dari data pengamatan Tycho Brahe, sekitar 8 menit busur (kira-kira seperempat lebar Bulan purnama di langit). Banyak orang mungkin akan berkata "sudah cukup dekat". Kepler jujur pada data, membuang modelnya, dan akhirnya menemukan bahwa orbit planet berbentuk elips.
Berani menaksir: perkiraan Fermi
Fisikawan Italia Enrico Fermi terkenal pandai menaksir jawaban soal yang tampak mustahil dengan beberapa asumsi masuk akal. Hasilnya memang tidak tepat, tetapi pangkat sepuluhnya (orde besaran) biasanya benar. Contoh: berapa butir beras yang dimakan seluruh penduduk Indonesia dalam sehari?
Taksir orde besaran jumlah detak jantung seseorang yang hidup 70 tahun. Anggap jantung berdetak 70 kali per menit.
Karena 2,6 lebih kecil dari \(\sqrt{10} \approx 3{,}16\), orde besarnya \(10^{9}\).
Sekitar 2–3 miliar detak, orde besaran \(10^{9}\). Jantungmu adalah mesin yang sangat tekun!
Lanjut · olimpiadeAturan membulatkan orde besaranOrde besaran adalah pangkat 10 terdekat dalam skala logaritma. Tulis \(x = a \times 10^{n}\). Jika \(a < \sqrt{10} \approx 3{,}16\), orde besarnya \(10^{n}\); jika \(a \ge 3{,}16\), orde besarnya \(10^{n+1}\). Jadi \(3{,}5 \times 10^{12}\) butir beras berorde \(10^{13}\), bukan \(10^{12}\). Dalam soal olimpiade, kunci perkiraan Fermi adalah menuliskan asumsi dengan jelas agar orang lain bisa memeriksanya.
Raka mengubah panjang tali dan massa beban bandul sekaligus, lalu periodenya berubah. Apa yang dapat ia simpulkan?
Panjang tali memengaruhi periode.
Massa beban memengaruhi periode.
Belum bisa disimpulkan, karena dua variabel diubah bersamaan.
Bandulnya rusak.
Agar adil, ubah satu variabel saja dan buat yang lain tetap. Kalau dua variabel berubah bersamaan, penyebab perubahan tidak bisa dipastikan.
Cahaya dari Bulan sampai ke Bumi dalam waktu sekitar…
1,3 sekon
8 menit
1 jam
4 tahun
\(t = d/c = 3{,}84 \times 10^{8} / 3 \times 10^{8} \approx 1{,}3\) s. Delapan menit adalah waktu tempuh cahaya Matahari.
Gaya dasar yang merekatkan proton-proton di dalam inti atom adalah…
gravitasi
gaya elektromagnetik
gaya lemah
gaya kuat
Proton-proton saling tolak secara listrik, tetapi gaya kuat yang jauh lebih kuat (pada jarak sangat dekat) merekatkannya.
02
Bab 2 · Fondasi
Besaran, Satuan & Pengukuran: Seni Membandingkan
"Mejanya 8 jengkal!" kata Raka. "Cuma 6 jengkal," kata Kak Nara. Dua-duanya jujur, tetapi angkanya beda! Di bab ini kamu belajar mengukur seperti ilmuwan: dengan satuan yang disepakati dunia, alat yang tepat, dan kejujuran tentang seberapa yakin hasilmu.
Setelah bab ini, kamu bisa
menjelaskan bahwa mengukur = membandingkan dengan satuan baku, serta menyebut 7 besaran pokok SI;
memakai awalan (piko sampai tera), notasi ilmiah, dan trik "kalikan 1" untuk konversi satuan;
memeriksa dan menurunkan rumus dengan analisis dimensi;
membaca mistar, jangka sorong, dan mikrometer sekrup;
menulis hasil ukur dengan angka penting dan ketidakpastian, serta membedakan presisi dan akurasi.
Jengkal Siapa yang Benar? Komik · 4 panel
Jam istirahat, kelas 8B
RakaSatu, dua, … delapan! Panjang meja ini 8 jengkal!
SariMejanya tidak berubah. Jengkal kalian yang beda! Pakai meteran: 120 cm. Siapa pun yang mengukur, hasilnya sama.
Rahasianya
Kak NaraMengukur itu membandingkan dengan patokan yang disepakati semua orang. Itulah satuan baku!
RakaOh! Jengkalku 15 cm, jengkal Kak Nara 20 cm. Pantas!
Raka mengukur meja dan mendapat 8 jengkal. Kak Nara mengukur meja yang sama dan mendapat 6 jengkal. Siapa yang benar?
Raka, karena angkanya lebih besar sehingga lebih teliti.
Kak Nara, karena orang dewasa lebih pandai mengukur.
Keduanya benar, tetapi "jengkal" mereka berbeda panjangnya, jadi angkanya tidak bisa langsung dibandingkan.
Tidak ada yang benar, karena meja tidak bisa diukur dengan tangan.
Jawabannya: keduanya benar, tetapi satuannya berbeda. Hasil ukur selalu terdiri atas angka dan satuan. "8 jengkal Raka" dan "6 jengkal Kak Nara" sama-sama sepanjang 120 cm. Masalahnya, jengkal tiap orang berbeda, sehingga angkanya membingungkan orang lain. Karena itulah manusia menyepakati satuan baku yang sama untuk semua orang.
2.1Mengukur = membandingkan
Mengukur adalah membandingkan sesuatu dengan sesuatu lain yang sejenis yang dijadikan patokan. Patokan itu disebut satuan. Ketika Sari berkata "meja ini 120 cm", artinya meja itu sama panjang dengan 120 buah "1 cm" yang dijajarkan.
Hasil ukur = angka × satuan. Contoh: 120 cm = 120 × (1 cm).
Angka tanpa satuan tidak ada artinya. "Rumahku jauhnya 5." Lima apa? Lima meter, lima kilometer, atau lima menit naik angkot? Sesuatu yang bisa diukur dan dinyatakan dengan angka serta satuan disebut besaran: panjang, massa, waktu, suhu, kecepatan. "Kecantikan" atau "kepintaran" bukan besaran fisika, karena tidak ada satuan baku untuk mengukurnya.
Gampangnya: mengukur itu seperti bertanya "berapa kali patokannya muat?" Kalau patokannya beda-beda, jawabannya juga beda-beda. Karena itu semua orang di dunia sepakat memakai patokan yang sama, misalnya meter dan kilogram.
Nenek moyang kita juga punya satuan. Sayangnya, kebanyakan memakai ukuran tubuh, sehingga berbeda dari orang ke orang dan dari daerah ke daerah:
Satuan tradisional
Mengukur
Patokannya
Kira-kira
jengkal
panjang
ujung ibu jari sampai ujung kelingking saat jari direntangkan
±20 cm (orang dewasa)
hasta
panjang
siku sampai ujung jari tengah
±45 cm
depa
panjang
ujung jari kiri sampai ujung jari kanan saat kedua lengan direntangkan
±1,7 m
tumbak
luas tanah (Jawa Barat)
kebiasaan setempat
±14 m²
bahu (bau)
luas sawah (Jawa)
kebiasaan setempat
±7.000 m² (0,7 ha)
kati dan pikul
massa (perdagangan lama)
1 pikul = 100 kati
1 kati ±0,6 kg
"liter" beras di pasar
volume (bukan massa!)
takaran kaleng 1 liter
±0,8 kg beras, tergantung jenisnya
Fisika IndonesiaDi Indonesia, standar ukuran nasional dijaga oleh Badan Standardisasi Nasional (BSN). Timbangan pedagang di pasar, pompa bensin di SPBU, sampai meteran listrik dan air wajib ditera ulang secara berkala (umumnya setahun sekali) oleh petugas metrologi legal di kabupaten atau kota. Timbangan yang lolos diberi cap tanda tera. Jadi kalau kamu membeli 1 kg gula, kamu benar-benar mendapat 1 kg, bukan "1 kg menurut si pedagang".
2.2Sistem Internasional (SI): 7 besaran pokok
Sejak 1960, hampir seluruh dunia memakai Sistem Internasional (SI, dari bahasa Prancis Système International d'Unités). SI memilih 7 besaran pokok. Satuannya ditetapkan dengan sangat teliti, dan semua besaran lain diturunkan dari ketujuhnya.
Besaran pokok
Satuan SI
Simbol satuan
Dimensi
panjang
meter
m
[L]
massa
kilogram
kg
[M]
waktu
sekon
s
[T]
kuat arus listrik
ampere
A
[I]
suhu
kelvin
K
[Θ]
jumlah zat
mol
mol
[N]
intensitas cahaya
kandela
cd
[J]
Trik Kak Nara: hafal 7 besaran pokok"Pak Mamat Wajib Kirim Surat Jam Imsak": Panjang, Massa, Waktu, Kuat arus, Suhu, Jumlah zat, Intensitas cahaya.
Besaran turunan adalah besaran yang dibentuk dari besaran-besaran pokok:
Besaran turunan
Rumus
Satuan SI
Nama khusus
luas
panjang × lebar
m²
–
volume
panjang × lebar × tinggi
m³
–
massa jenis
massa ÷ volume
kg/m³
–
kecepatan
perpindahan ÷ waktu
m/s
–
percepatan
perubahan kecepatan ÷ waktu
m/s²
–
gaya
massa × percepatan
kg·m/s²
newton (N)
energi, usaha
gaya × perpindahan
kg·m²/s²
joule (J)
daya
energi ÷ waktu
kg·m²/s³
watt (W)
tekanan
gaya ÷ luas
kg/(m·s²)
pascal (Pa)
Awas jebakanTimbangan badan yang menunjukkan "50 kg" mengukur massa, bukan berat. Dalam fisika, berat adalah gaya tarik gravitasi, satuannya newton (N). Orang bermassa 50 kg beratnya sekitar 490 N di Bumi, tetapi hanya sekitar 80 N di Bulan. Massanya? Tetap 50 kg di mana pun! (Detailnya di Bab 6.)
Bagaimana dunia menyepakati panjang "satu meter" yang persis sama? Ceritanya panjang dan seru:
1791. Ilmuwan Prancis ingin satuan "milik semua orang", bukan jengkal raja. Satu meter ditetapkan sebagai sepersepuluh juta jarak dari kutub utara ke khatulistiwa. Akibat lucunya: keliling Bumi menjadi hampir tepat 40.000 km!
1889. Mengukur Bumi itu repot. Dibuatlah batang logam platina-iridium yang sangat awet dan disimpan di Sèvres dekat Paris. Satu meter adalah jarak dua goresan pada batang itu (pada suhu 0 °C). Salinannya dibagikan ke banyak negara.
1960. Logam bisa memuai dan aus. Meter didefinisikan ulang memakai cahaya jingga dari atom kripton-86: 1 m = 1.650.763,73 kali panjang gelombangnya. Cahaya tidak bisa aus!
1983. Kecepatan cahaya ditetapkan tepat 299.792.458 m/s. Jadi 1 meter adalah jarak yang ditempuh cahaya di ruang hampa selama \(\tfrac{1}{299\,792\,458}\) sekon.
2019. Sejak 20 Mei 2019, semua satuan pokok SI, termasuk kilogram, ditetapkan lewat konstanta alam. Siapa pun di mana pun, bahkan alien di galaksi lain, bisa membuat ulang satuan yang sama persis.
Tamu dari masa laluSelama 130 tahun (1889–2019), satu kilogram didefinisikan sebagai massa sebuah silinder platina-iridium seukuran bola pingpong yang dijuluki "Le Grand K". Silinder itu disimpan di bawah tiga sungkup kaca di dalam brankas di dekat Paris. Masalahnya, ketika dibandingkan dengan salinan-salinannya, massanya tampak bergeser sekitar 50 mikrogram (seberat sebutir debu). Kini kilogram didefinisikan lewat konstanta Planck \(h\), dan Le Grand K pun "pensiun".
2.3Awalan dan notasi ilmiah
Menulis kapasitas penyimpanan HP "128.000.000.000 byte" itu melelahkan. Karena itu SI punya awalan (prefiks) yang mewakili pangkat sepuluh:
Awalan
Simbol
Nilai
Contoh sehari-hari
tera
T
\(10^{12}\)
hard disk 1 TB
giga
G
\(10^{9}\)
memori HP 128 GB, Wi-Fi 2,4 GHz
mega
M
\(10^{6}\)
PLTA berdaya 700 MW, kamera 50 MP
kilo
k
\(10^{3}\)
1 km = 1.000 m, 1 kg = 1.000 g
hekto
h
\(10^{2}\)
1 hektare (ha) = 100 are
desi
d
\(10^{-1}\)
1 L = 1 dm³
senti
c
\(10^{-2}\)
penggaris 30 cm
mili
m
\(10^{-3}\)
obat sirop 5 mL, kawat 1 mm
mikro
µ
\(10^{-6}\)
sel darah merah 8 µm
nano
n
\(10^{-9}\)
virus ±100 nm, transistor chip HP beberapa nm
piko
p
\(10^{-12}\)
kapasitor 22 pF di papan elektronik
Trik Kak Nara: naik-turun tangga 1.000Yang besar: "Kakak Makan Gado-gado Terus" → kilo, mega, giga, tera. Yang kecil: "mama minta nasi padang" → mili, mikro, nano, piko. Setiap anak tangga berarti × 1.000 (naik) atau ÷ 1.000 (turun). Jadi 1 GB = 1.000 MB, dan 1 mm = 1.000 µm.
Untuk angka yang sangat besar atau sangat kecil, kita memakai notasi ilmiah: \(a \times 10^{n}\) dengan \(1 \le a < 10\) dan \(n\) bilangan bulat.
Jarak Bumi–Bulan 384.000 km = 384.000.000 m = \(3{,}84 \times 10^{8}\) m (koma bergeser 8 langkah ke kiri).
Diameter sel darah merah 0,000008 m = \(8 \times 10^{-6}\) m (koma bergeser 6 langkah ke kanan).
Ojek melaju 36 km/jam. Raka bersepeda menuruni bukit dengan kelajuan 10 m/s. Siapa yang lebih cepat?
Ojek, karena 36 lebih besar daripada 10.
Raka, karena sepeda di turunan selalu lebih cepat.
Sama cepat.
Tidak bisa dibandingkan, karena satuannya berbeda.
Jawabannya: sama cepat! \(36\ \text{km/jam} = 36 \times \dfrac{1000\ \text{m}}{3600\ \text{s}} = 10\) m/s. Angka 36 terlihat lebih besar hanya karena satuannya berbeda. Jangan pernah membandingkan angka sebelum satuannya disamakan. Dan pilihan "tidak bisa dibandingkan" juga keliru: bisa, asalkan dikonversi dulu!
Rahasia konversi: kalikan dengan pecahan yang nilainya 1. Karena 1 km = 1.000 m, pecahan \(\dfrac{1000\ \text{m}}{1\ \text{km}}\) bernilai 1. Mengalikan dengan 1 tidak mengubah besarnya, hanya mengubah "bajunya" (satuannya). Satuan yang tidak diinginkan dicoret seperti angka dalam pecahan.
Ojek melaju 54 km/jam. Berapa kelajuannya dalam m/s?
Pakai trik: km/jam ÷ 3,6 = m/s.
\(54 \div 3{,}6 = 15\) m/s.
15 m/s. Setiap detik ojek berpindah 15 meter, kira-kira sepanjang tiga angkot yang berbaris.
Awas jebakan: luas dan volume1 m = 100 cm, tetapi 1 m² ≠ 100 cm²! Persegi 1 m × 1 m sama dengan 100 cm × 100 cm = 10.000 cm². Untuk volume, faktornya dipangkatkan tiga: 1 m³ = 100 × 100 × 100 cm³ = 1.000.000 cm³ = 1.000 liter. Jadi kalau meteran air PDAM-mu bertambah 1 m³, keluargamu sudah memakai 1.000 liter air, kira-kira 53 galon air minum!
Bulan lalu meteran air rumah Sari menunjukkan 1.234 m³. Bulan ini 1.252 m³. Berapa liter air yang dipakai, dan setara berapa galon 19 liter?
Jumlah galon: \(18.000 \div 19 \approx 947\) galon.
18.000 liter, setara sekitar 947 galon. Rata-rata 600 liter per hari untuk satu keluarga: mandi, mencuci, dan memasak.
2.5Dimensi dan analisis dimensi
Dimensi menunjukkan dari besaran pokok apa saja sebuah besaran tersusun, tanpa peduli satuannya. Kecepatan bisa dalam m/s, km/jam, atau knot, tetapi dimensinya selalu "panjang dibagi waktu": \([L][T]^{-1}\).
Besaran
Satuan SI
Dimensi
luas
m²
\([L]^{2}\)
massa jenis
kg/m³
\([M][L]^{-3}\)
kecepatan
m/s
\([L][T]^{-1}\)
percepatan
m/s²
\([L][T]^{-2}\)
gaya
N = kg·m/s²
\([M][L][T]^{-2}\)
energi
J = kg·m²/s²
\([M][L]^{2}[T]^{-2}\)
tekanan
Pa = kg/(m·s²)
\([M][L]^{-1}[T]^{-2}\)
Analisis dimensi punya dua kegunaan hebat.
1. Memeriksa rumus. Kamu tidak bisa menjumlahkan apel dengan jeruk. Begitu pula di fisika: suku-suku yang dijumlahkan harus berdimensi sama, dan ruas kiri harus berdimensi sama dengan ruas kanan (prinsip homogenitas dimensi). Contoh: \(s = v_0 t + \tfrac12 a t^{2}\). Ruas kiri \([L]\). Suku pertama \([L][T]^{-1}[T] = [L]\). Suku kedua \([L][T]^{-2}[T]^{2} = [L]\). Semua cocok! (Angka ½ tidak berdimensi, jadi diabaikan.)
2. Menurunkan rumus. Ingat bandul di Bab 1? Kita bisa menebak rumus periodenya hanya dengan mencocokkan dimensi!
Periode bandul \(T\) mungkin bergantung pada massa beban \(m\), panjang tali \(L\), dan percepatan gravitasi \(g\). Tentukan bentuk rumusnya.
Tebak bentuk umum: \(T = k\, m^{a} L^{b} g^{c}\), dengan \(k\) angka tanpa dimensi.
Cocokkan pangkat. Untuk [M]: \(a = 0\). Untuk [T]: \(-2c = 1\), jadi \(c = -\tfrac12\). Untuk [L]: \(b + c = 0\), jadi \(b = \tfrac12\).
Hasilnya \(T = k\,L^{1/2} g^{-1/2} = k\sqrt{\dfrac{L}{g}}\). Massa tidak ikut, persis seperti temuan di Lab Mini Bab 1!
Analisis dimensi tidak bisa memberi tahu nilai \(k\). Eksperimen menunjukkan \(k = 2\pi\).
\(T = 2\pi\sqrt{L/g}\). Pola "tali 4 kali lebih panjang, periode 2 kali" dari Bab 1 kini terjelaskan: \(\sqrt{4} = 2\).
Batas kemampuan analisis dimensiAnalisis dimensi tidak bisa (1) menemukan angka tanpa dimensi seperti \(2\pi\) atau ½; (2) menurunkan rumus yang berisi penjumlahan, sinus, atau logaritma; (3) membedakan besaran yang dimensinya sama, misalnya usaha dan torsi (keduanya \([M][L]^{2}[T]^{-2}\)). Jadi analisis dimensi adalah detektor kesalahan yang hebat, tetapi tetap butuh eksperimen.
Lanjut · IB & olimpiadeAnalisis dimensi meramal kecepatan tsunamiDi laut dalam, kecepatan gelombang tsunami hanya bergantung pada percepatan gravitasi \(g\) dan kedalaman laut \(h\). Misalkan \(v = k\,g^{a}h^{b}\): \([L][T]^{-1} = [L]^{a}[T]^{-2a}[L]^{b}\). Dari [T]: \(a = \tfrac12\). Dari [L]: \(a + b = 1\), jadi \(b = \tfrac12\). Hasilnya \(v = k\sqrt{gh}\), dengan \(k = 1\) menurut teori gelombang air dangkal. Di Samudra Hindia sedalam 4.000 m: \(v = \sqrt{9{,}8 \times 4000} \approx 198\) m/s ≈ 710 km/jam, secepat pesawat jet! Saat mendekati pantai (h mengecil), gelombang melambat dan menumpuk menjadi tinggi. Inilah fisika di balik tsunami Aceh 2004.
2.6Alat ukur: dari mistar sampai mikrometer
Setiap alat ukur punya nilai skala terkecil (nst): jarak antara dua garis skala yang berdekatan. Makin kecil nst, makin teliti alatnya. Pilih alat sesuai benda yang diukur: kamu tidak mengukur tebal rambut dengan meteran tukang!
Alat
Nilai skala terkecil
Cocok untuk
meteran gulung
1 mm
lebar pintu, panjang kamar
mistar (penggaris)
1 mm
panjang buku, pensil
jangka sorong
0,1 mm (ada juga 0,05 mm dan 0,02 mm)
diameter kelereng, diameter dalam pipa, kedalaman lubang
mikrometer sekrup
0,01 mm
tebal kertas, diameter kawat
stopwatch digital
0,01 s
waktu lari 100 m (tetapi waktu reaksi manusia ±0,2 s!)
neraca tiga lengan
0,1 g
massa batu, buah
Awas jebakan: paralaksSaat membaca skala, mata harus tegak lurus di atas garis yang dibaca. Kalau melirik dari samping, bacaanmu bergeser. Kesalahan ini disebut paralaks. Itulah sebabnya penumpang di samping sopir sering membaca spidometer berbeda dengan sopirnya.
Jangka sorong: penggaris yang punya "kaca pembesar" rahasia
Jangka sorong punya dua skala: skala utama (dalam mm, di batang) dan skala nonius (di rahang yang bisa digeser). Pada jangka sorong biasa, 10 skala nonius panjangnya hanya 9 mm, sehingga jarak antargaris nonius 0,9 mm. Selisih kecil 0,1 mm inilah "kaca pembesar" rahasianya: garis nonius ke-\(n\) yang lurus dengan garis skala utama menunjukkan tambahan \(n \times 0{,}1\) mm.
Jepit benda (misalnya kelereng) di antara rahang tetap dan rahang geser sampai pas, tidak terlalu kencang.
Perbesar skalanya. Cari angka nol pada skala nonius. Di mana ia berada pada skala utama?
Baca skala utama: garis terakhir sebelum nol nonius adalah 23 mm (2,3 cm).
Cari satu garis nonius yang paling lurus (berimpit) dengan sebuah garis skala utama. Di sini garis ke-7, jadi tambahannya \(7 \times 0{,}1 = 0{,}7\) mm.
Jumlahkan: \(23 + 0{,}7 = 23{,}7\) mm = 2,37 cm. Dengan ketidakpastian setengah nst, hasilnya ditulis \((23{,}70 \pm 0{,}05)\) mm.
Seret rahang geser (di gambar atas atau di skala perbesaran), atau tekan Jepit benda. Baca skala utama dan nonius, lalu ketik hasilmu dalam mm. Masih bingung? Nyalakan Bantuan Tarsi. Coba juga jangka sorong 0,05 mm yang punya 20 garis nonius.
Mikrometer sekrup: memutar sekrup demi 0,01 mm
Mikrometer memakai sekrup yang sangat halus. Satu putaran penuh selubung (thimble) memajukan poros sejauh 0,5 mm. Selubung itu dibagi 50 garis, jadi satu garis = \(0{,}5 \div 50 = 0{,}01\) mm. Cara membacanya:
Skala utama pada batang: garis di atas garis tengah menunjukkan milimeter utuh, garis di bawahnya menunjukkan setengah milimeter. Baca garis terakhir yang terlihat.
Skala putar: cari garis selubung yang lurus dengan garis tengah batang, lalu kalikan 0,01 mm.
Jumlahkan keduanya.
Seret selubung ke atas atau ke bawah untuk memutarnya, seret batang ke kiri atau kanan, atau tekan Putar sampai menjepit. Perhatikan apakah garis setengah milimeter (di bawah garis tengah) sudah terlihat!
Pada skala utama mikrometer terlihat garis 5 mm dan garis setengah milimeter sesudahnya. Garis selubung ke-28 lurus dengan garis tengah. Berapa hasil pengukurannya?
Skala utama: 5 mm ditambah setengah milimeter = 5,5 mm.
Skala putar: \(28 \times 0{,}01 = 0{,}28\) mm.
Hasil: \(5{,}5 + 0{,}28 = 5{,}78\) mm.
5,78 mm, atau \((5{,}780 \pm 0{,}005)\) mm. Lupa menambahkan setengah milimeter adalah kesalahan paling sering!
Lanjut · IB & olimpiadeKesalahan nol dan konvensi ketidakpastianJika rahang jangka sorong atau mikrometer ditutup rapat tetapi skala tidak menunjukkan nol, alat itu punya kesalahan nol. Misalnya mikrometer menunjukkan +0,03 mm saat tertutup. Semua bacaan harus dikurangi 0,03 mm: hasil = bacaan − kesalahan nol. Ini contoh galat sistematis. Tentang konvensi: banyak buku SMA di Indonesia memakai ketidakpastian ½ nst untuk alat analog. Dalam IB, alat bernonius dan alat digital biasanya diberi ketidakpastian ±1 nst. Yang penting, tuliskan konvensimu dengan jelas.
2.7Angka penting, ketidakpastian, presisi, dan akurasi
Tidak ada pengukuran yang sempurna. Jujur tentang seberapa yakin kita adalah ciri ilmuwan. Caranya ada dua: menulis angka penting yang tepat, dan menyertakan ketidakpastian.
Angka penting (AP)
Angka penting adalah angka hasil pengukuran: semua angka pasti ditambah satu angka terakhir yang ditaksir. Aturannya:
Aturan
Contoh
Jumlah AP
Semua angka bukan nol adalah AP.
2,47
3
Nol di antara angka bukan nol adalah AP.
2,047
4
Nol di depan angka bukan nol pertama bukan AP.
0,0052
2
Nol di ujung belakang angka desimal adalah AP.
3,0 dan 2,500
2 dan 4
Nol di ujung bilangan bulat meragukan, jadi pakai notasi ilmiah.
\(1{,}5 \times 10^{3}\) atau \(1{,}50 \times 10^{3}\)
2 atau 3
Saat berhitung: hasil penjumlahan/pengurangan mengikuti jumlah angka di belakang koma yang paling sedikit (12,52 + 3,1 = 15,62 → 15,6). Hasil perkalian/pembagian mengikuti jumlah AP yang paling sedikit (2,5 × 3,14 = 7,85 → 7,9).
Ketidakpastian
Hasil ukur ditulis \(x = (\bar x \pm \Delta x)\) satuan. Untuk pengukuran tunggal dengan alat berskala, \(\Delta x = \tfrac12\) nst (mistar: ±0,5 mm). Untuk alat digital, \(\Delta x\) = nst. Untuk pengukuran berulang, \(\bar x\) adalah rata-ratanya dan \(\Delta x\) bisa ditaksir dari setengah rentang data (nilai terbesar dikurangi terkecil, dibagi 2).
Ketidakpastian absolut: \(\Delta A = 0{,}028 \times 60 \approx 1{,}7\) cm², dibulatkan menjadi 2 cm².
\(A = (60 \pm 2)\) cm². Perhatikan: lebar yang pendek menyumbang ketidakpastian relatif terbesar. Untuk memperbaiki hasil, ukur lebarnya dengan alat yang lebih teliti!
Presisi dan akurasi: dua hal yang berbeda
Presisi berarti hasil pengukuran berulang saling berdekatan. Akurasi berarti hasilnya dekat dengan nilai sebenarnya. Timbangan pasar yang setiap kali menunjukkan 0,5 kg kurang dari seharusnya itu presisi (konsisten), tetapi tidak akurat. Galat acak (tangan gemetar, angin) membuat data menyebar dan merusak presisi. Galat sistematis (kesalahan nol, alat belum dikalibrasi) menggeser semua data ke satu arah dan merusak akurasi.
Setiap anak panah adalah satu kali pengukuran panjang meja yang sebenarnya 120,0 cm. Atur galat acak dan galat sistematis, lalu lepaskan 10 anak panah. Bisakah kamu membuat hasil yang presisi tetapi tidak akurat? Apakah merata-rata banyak data bisa menghapus galat sistematis?
"Presisi dan akurat itu sama saja."
Presisi: hasil berulang saling berdekatan. Akurat: dekat dengan nilai sebenarnya. Jam dinding yang selalu terlambat tepat 5 menit itu presisi, tetapi tidak akurat.
"Menulis 3,0 cm sama saja dengan menulis 3 cm."
3,0 cm berarti diukur sampai persepuluhan cm (2 angka penting). 3 cm hanya sampai satuan cm (1 angka penting). Angka nol di belakang koma itu membawa informasi!
"Makin banyak angka di layar kalkulator, makin teliti hasilnya."
Hasil hitungan tidak bisa lebih teliti daripada data ukurnya. 10,0 ÷ 3,0 = 3,3333333 di kalkulator, tetapi karena datanya hanya 3 dan 2 AP, tulis 3,3.
⚡
Meteran listrik PLN
Token listrik dijual dalam kWh, satuan energi. 1 kWh = \(3{,}6 \times 10^{6}\) joule, cukup untuk menyalakan lampu LED 10 W selama 100 jam.
🚰
Meteran air PDAM
Pemakaian air dihitung dalam m³. Angka merah di meteran menunjukkan pecahan meter kubik, yaitu ratusan dan puluhan liter.
⛽
Pompa SPBU
Pompa bensin ditera agar "1 liter" di layar benar-benar 1 liter. Dinas metrologi rutin mengujinya dengan bejana ukur standar.
⚖️
Timbangan pasar
Timbangan pedagang yang sudah ditera diberi cap tanda tera. Pembeli berhak meminta penimbangan ulang jika ragu.
📍
GPS di HP
Satelit GPS membawa jam atom. Kesalahan waktu sepersejuta detik saja membuat posisimu meleset sekitar 300 m, karena sinyalnya merambat secepat cahaya.
🍚
"Liter" beras
Di pasar tradisional, beras sering dijual per liter (volume), bukan per kg (massa). Satu liter beras kira-kira 0,8 kg.
Lanjut · IB & olimpiadeSimpangan baku dan penjumlahan kuadratUntuk data acak, ketidakpastian rata-rata yang lebih teliti adalah galat baku \(\sigma_{\bar x} = \dfrac{\sigma}{\sqrt N}\), dengan \(\sigma = \sqrt{\dfrac{\sum (x_i - \bar x)^{2}}{N - 1}}\). Mengulang pengukuran 4 kali lebih banyak hanya memperkecil ketidakpastian menjadi setengahnya. Jika galat-galat saling bebas, ketidakpastian relatif hasil perkalian lebih tepat dijumlahkan secara kuadrat: \(\dfrac{\Delta f}{f} = \sqrt{\left(\dfrac{\Delta x}{x}\right)^{2} + \left(\dfrac{\Delta y}{y}\right)^{2}}\). Ujian IB umumnya cukup memakai penjumlahan biasa (aturan "kasus terburuk") seperti di atas. Untuk grafik, ketidakpastian kemiringan ditaksir dari garis paling curam dan paling landai yang masih melewati semua error bar.
Kelajuan 54 km/jam sama dengan…
54 m/s
15 m/s
150 m/s
5,4 m/s
\(54 \div 3{,}6 = 15\) m/s.
Banyaknya angka penting pada hasil ukur 0,00420 kg adalah…
6
5
3
2
Nol di depan (0,00) bukan angka penting. Angka 4, 2, dan nol di ujung belakang desimal adalah angka penting: 3 AP.
Dimensi gaya (N = kg·m/s²) adalah…
\([M][L]^{2}[T]^{-2}\)
\([M][L][T]^{-1}\)
\([M][L]^{-1}[T]^{-2}\)
\([M][L][T]^{-2}\)
kg → [M], m → [L], s⁻² → [T]⁻². Pilihan pertama adalah dimensi energi, pilihan ketiga dimensi tekanan.
03
Bab 3 · Fondasi
Vektor & Matematika Secukupnya: Panah, Peta, dan Kemiringan
Aplikasi ojek bilang kamu sudah menempuh 7 km, padahal rumahmu hanya 5 km dari sekolah. Siapa yang salah? Tidak ada! Di bab ini kamu belajar "bahasa panah" (vektor) dan sedikit matematika ajaib, yaitu turunan dan integral, yang dipakai fisikawan setiap hari.
Setelah bab ini, kamu bisa
membedakan besaran skalar dan vektor, juga jarak dan perpindahan;
menjumlahkan dan mengurangkan vektor secara grafis (segitiga, jajaran genjang) dan analitis;
menguraikan vektor dengan sin dan cos, serta memakai vektor satuan \(\hat\imath, \hat\jmath, \hat k\);
menghitung perkalian titik dan perkalian silang, serta mengenali maknanya (usaha dan torsi);
membaca kemiringan grafik, lalu memahami turunan sebagai laju perubahan dan integral sebagai luas.
Ojek dan Jarak yang Menipu Komik · 4 panel
Sampai di rumah, sore hari
SariAplikasi ojek bilang aku menempuh 7 km. Padahal rumahku cuma 5 km dari sekolah. Kok bisa?
RakaGampang! Kamu lewat 3 km ke timur, lalu 4 km ke utara. 3 + 4 = 7. Jadi rumahmu 7 km dari sekolah!
SariKalau diukur lurus dari sekolah ke rumah, cuma 5 km. Segitiga 3-4-5, kan?
Kak Nara menengahi
Kak NaraDua-duanya benar! 7 km itu jarak tempuh: cuma angka. 5 km ke timur laut itu perpindahan: punya besar dan arah. Namanya vektor!
RakaPanah yang punya arah… vektor!
Raka menarik sebuah kardus dengan gaya 3 N, Sari menarik kardus yang sama dengan gaya 4 N. Berapa gaya total pada kardus?
Pasti 7 N, karena 3 + 4 = 7.
Pasti 5 N, karena segitiga 3-4-5.
Bisa berapa saja antara 1 N dan 7 N, tergantung arah tarikan mereka.
Pasti 1 N, karena gayanya saling melawan.
Jawabannya: tergantung arah! Jika mereka menarik searah, totalnya 7 N. Jika berlawanan, tinggal 1 N. Jika saling tegak lurus, 5 N. Sudut lain memberi nilai di antaranya. Gaya adalah vektor, jadi tidak bisa dijumlahkan seperti menjumlahkan uang jajan. Kamu akan membuktikannya sendiri di Lab Mini 3.2.
3.1Skalar dan vektor
Besaran skalar cukup dinyatakan dengan angka dan satuan: massa 50 kg, suhu 30 °C, waktu 2 jam. Besaran vektor juga butuh arah: perpindahan 5 km ke timur laut, gaya 10 N ke bawah, kecepatan 60 km/jam ke selatan. Tanpa arah, informasinya tidak lengkap. Bayangkan petunjuk "jalan 200 m" tanpa tahu ke mana!
Skalar (besar saja)
Vektor (besar + arah)
jarak tempuh: 7 km
perpindahan: 5 km ke timur laut
laju (kelajuan): 40 km/jam
kecepatan: 40 km/jam ke utara
massa, waktu, suhu, energi
gaya, berat, percepatan, momentum
Vektor digambar sebagai panah. Panjang panah menyatakan besar, arah panah menyatakan arah. Ditulis dengan tanda panah di atas hurufnya, \(\vec A\), atau dengan huruf tebal A. Besarnya ditulis \(|\vec A|\) atau cukup \(A\).
Vektor sama: besar dan arahnya sama, walaupun letaknya berbeda. Panah boleh digeser asal tidak diputar dan tidak diubah panjangnya.
Vektor nol: besarnya nol. Contoh: perpindahanmu setelah lari satu putaran penuh di lapangan.
Vektor satuan: vektor yang besarnya tepat 1, hanya untuk menunjukkan arah (lihat 3.4).
Gampangnya: skalar menjawab "berapa?", sedangkan vektor menjawab "berapa dan ke mana?". Ojek menghitung ongkos dari jarak tempuh (skalar). Burung yang terbang lurus pulang ke sarang memakai perpindahan (vektor).
Awas jebakan: sudut antara dua vektorSudut antara dua vektor diukur ketika pangkal (ekor) keduanya disatukan. Kalau kepala satu vektor menempel di ekor vektor lain, sudut yang terlihat di gambar adalah pelurusnya (\(180^\circ - \theta\)), bukan \(\theta\)!
3.2Menjumlahkan dan mengurangkan vektor
Menjumlahkan vektor artinya mencari satu vektor pengganti yang efeknya sama, yaitu resultan. Caranya bisa dengan menggambar:
Dua vektor: \(\vec A\) (4 kotak ke kanan, 1 ke atas) dan \(\vec B\) (1 kotak ke kanan, 3 ke atas), keduanya berpangkal di O. Berapa \(\vec A + \vec B\)?
Metode segitiga (kepala ke ekor): geser \(\vec B\) tanpa memutar atau mengubah panjangnya, sampai ekornya menempel di kepala \(\vec A\).
Resultan \(\vec R\) ditarik dari ekor \(\vec A\) ke kepala \(\vec B\). Hasilnya 5 kotak ke kanan dan 4 ke atas, besarnya \(\sqrt{5^2 + 4^2} \approx 6{,}4\) kotak.
Metode jajaran genjang: pasang \(\vec A\) dan \(\vec B\) dari titik yang sama, lalu lengkapi jajaran genjangnya (garis putus-putus). Diagonalnya adalah \(\vec R\) yang sama!
Urutan tidak penting: \(\vec A + \vec B = \vec B + \vec A\). Untuk tiga vektor atau lebih, sambung saja kepala ke ekor terus-menerus (metode poligon).
Dengan hukum kosinus, besar resultan dua vektor yang membentuk sudut \(\theta\) (diukur ekor ke ekor) dapat dihitung tanpa menggambar:
Seret titik di ujung panah A (biru) dan B (oranye). Pilih mode A + B, A − B, A · B, atau A × B, lalu perhatikan hitungan di panel kanan. Tekan Tantangan untuk misi acak. Bisakah kamu membuat resultan 7 dari 3 dan 4? Bagaimana dengan 1? Atau 0?
Mengurangkan vektor sama dengan menjumlahkan vektor negatifnya: \(\vec A - \vec B = \vec A + (-\vec B)\). Besarnya \(|\vec A - \vec B| = \sqrt{A^2 + B^2 - 2AB\cos\theta}\). Trik menggambarnya: \(\vec A - \vec B\) adalah panah dari kepala \(\vec B\) ke kepala \(\vec A\). Pengurangan vektor dipakai untuk kecepatan relatif, misalnya kecepatan motor menurut pengendara motor lain (Bab 4 dan 5).
Raka menarik kardus 6 N ke timur, Sari menarik 8 N ke utara. Berapa besar dan arah gaya totalnya?
Sudutnya 90°, jadi pakai Pythagoras: \(R = \sqrt{6^2 + 8^2} = \sqrt{100} = 10\) N.
Arah: \(\tan\alpha = \dfrac{8}{6}\), sehingga \(\alpha \approx 53^\circ\) dari arah timur menuju utara.
10 N ke arah timur laut (53° dari timur). Perhatikan: 10 N, bukan 14 N!
Dua gaya 5 N dan 3 N membentuk sudut 60°. Berapa besar resultannya?
\(R = 7\) N. Masuk akal: lebih kecil dari 8 N (jika searah) dan lebih besar dari 2 N (jika berlawanan).
"3 N + 4 N pasti 7 N."
Hanya jika keduanya searah. Gaya adalah vektor, jadi hasilnya bisa berapa saja dari 1 N (berlawanan) sampai 7 N (searah), termasuk 5 N jika tegak lurus.
"Perpindahan sama saja dengan jarak tempuh."
Jarak tempuh adalah panjang lintasan (skalar). Perpindahan adalah panah lurus dari titik awal ke titik akhir (vektor). Lari satu putaran lapangan: jaraknya 400 m, perpindahannya nol!
3.3Menguraikan vektor: sindemi, kosami, tandesa
Kebalikan dari menjumlahkan adalah menguraikan: memecah satu vektor menjadi dua komponen yang saling tegak lurus, biasanya sepanjang sumbu \(x\) dan \(y\). Untuk itu kita butuh trigonometri segitiga siku-siku.
Segitiga 3-4-5 dengan \(\theta \approx 37^\circ\). Sisi "depan" adalah sisi di seberang sudut \(\theta\).
Trik Kak Nara: sindemi, kosami, tandesaUcapkan seperti nama teman: Sin-de-mi (sinus = depan/miring), Ko-sa-mi (kosinus = samping/miring), Tan-de-sa (tangen = depan/samping). Untuk komponen vektor, ingat juga: "kos" menempel pada sudut. Komponen yang bersebelahan dengan sudut \(\theta\) memakai cos, komponen di seberangnya memakai sin.
\(\theta\)
0°
30°
37°
45°
53°
60°
90°
\(\sin\theta\)
0
\(\tfrac12\)
≈ 0,6
\(\tfrac12\sqrt2\)
≈ 0,8
\(\tfrac12\sqrt3\)
1
\(\cos\theta\)
1
\(\tfrac12\sqrt3\)
≈ 0,8
\(\tfrac12\sqrt2\)
≈ 0,6
\(\tfrac12\)
0
\(\tan\theta\)
0
\(\tfrac13\sqrt3\)
≈ 0,75
1
≈ 1,33
\(\sqrt3\)
tak terdefinisi
Jika vektor \(\vec A\) membentuk sudut \(\theta\) terhadap sumbu \(x\) positif, komponennya adalah \(A_x = A\cos\theta\) dan \(A_y = A\sin\theta\). Sebaliknya, dari komponen kita bisa kembali ke vektornya: \(A = \sqrt{A_x^2 + A_y^2}\) dan \(\tan\theta = A_y / A_x\).
Tali layangan menarik tangan Raka dengan gaya 20 N, membentuk sudut 37° terhadap tanah. Berapa komponen mendatar dan tegaknya? (sin 37° ≈ 0,6; cos 37° ≈ 0,8)
Komponen mendatar menempel pada sudut, jadi pakai cos: \(F_x = 20 \times 0{,}8 = 16\) N.
Komponen tegak di seberang sudut, jadi pakai sin: \(F_y = 20 \times 0{,}6 = 12\) N.
Cek: \(\sqrt{16^2 + 12^2} = \sqrt{400} = 20\) N. ✓
16 N menarik mendatar (mengajak Raka berjalan) dan 12 N menarik ke atas (sedikit mengangkat lengannya).
Awas jebakan: sudut dari sumbu yang mana?Rumus \(A_x = A\cos\theta\) hanya berlaku jika \(\theta\) diukur dari sumbu \(x\). Jika soal memberi sudut terhadap sumbu tegak (misalnya "tali membentuk 30° terhadap vertikal"), maka \(A_x = A\sin 30^\circ\) dan \(A_y = A\cos 30^\circ\). Selalu gambar dulu, lalu cari sisi mana yang "menempel" pada sudut.
Sedikit tambahan dari kotak alat matematika: sudut juga bisa diukur dalam radian, dengan \(180^\circ = \pi\) rad, sehingga 1 rad ≈ 57,3°. Untuk sudut kecil (dalam radian), \(\sin\theta \approx \tan\theta \approx \theta\). Pendekatan inilah yang membuat rumus bandul \(T = 2\pi\sqrt{L/g}\) berlaku untuk ayunan kecil.
Atur kecepatan perahu, kecepatan arus, dan sudut haluan, lalu tekan Jalankan. Panah biru = kecepatan perahu terhadap air, panah hijau toska = arus, panah magenta = resultan. Misi: mendarat tepat di dermaga seberang! Petunjuk: komponen haluan yang melawan arus harus sama besar dengan arusnya.
Fisika IndonesiaPelaut Bugis-Makassar dan Bajo berlayar menyeberangi lautan Nusantara dengan perahu seperti pinisi, yang seni pembuatannya diakui UNESCO sebagai warisan budaya takbenda pada 2017. Tanpa GPS, mereka memperhitungkan arah angin dan arus laut terhadap arah tujuan, lalu "mengarahkan haluan sedikit melawan arus", persis penjumlahan vektor di Lab Mini ini. Nelayan dan tukang perahu penyeberangan di Sungai Musi dan Sungai Kapuas memakai trik yang sama setiap hari.
Menulis "4 ke kanan dan 3 ke atas" itu panjang. Fisikawan memakai vektor satuan: panah sepanjang 1 yang menunjuk arah sumbu. \(\hat\imath\) menunjuk sumbu \(x\), \(\hat\jmath\) menunjuk sumbu \(y\), dan \(\hat k\) menunjuk sumbu \(z\). Maka vektor bisa ditulis dalam bentuk komponen:
\(\vec A = A_x\,\hat\imath + A_y\,\hat\jmath + A_z\,\hat k\), dengan besar \(|\vec A| = \sqrt{A_x^{2} + A_y^{2} + A_z^{2}}\).
Menjumlahkan vektor kini semudah menjumlahkan per komponen: \(\hat\imath\) dengan \(\hat\imath\), \(\hat\jmath\) dengan \(\hat\jmath\). Contoh: \((3\hat\imath + 1\hat\jmath) + (1\hat\imath + 3\hat\jmath) = 4\hat\imath + 4\hat\jmath\).
Trik Kak Nara: pisahkan dompetnyaBayangkan \(\hat\imath\) itu uang receh dan \(\hat\jmath\) itu uang kertas. Saat menghitung isi dua dompet, receh dijumlahkan dengan receh, kertas dengan kertas. Kamu tidak akan pernah menjumlahkan "3 receh + 4 kertas = 7 apa-apa"!
Vektor posisi \(\vec r = x\,\hat\imath + y\,\hat\jmath\) menunjuk letak sebuah benda dari titik asal. Perpindahan adalah selisih dua vektor posisi: \(\Delta\vec r = \vec r_2 - \vec r_1\). Vektor satuan searah \(\vec A\) diperoleh dengan membagi vektor itu dengan besarnya: \(\hat A = \vec A / |\vec A|\).
Di peta berpetak (1 petak = 1 km), sekolah Sari berada di \((2, 1)\) dan rumahnya di \((5, 5)\). Tentukan vektor perpindahan dan besarnya.
\(\Delta\vec r = 3\hat\imath + 4\hat\jmath\) km, besarnya 5 km, sama seperti di komik!
Lanjut · IB & olimpiadeKosinus arahSudut-sudut \(\alpha, \beta, \gamma\) antara \(\vec A\) dan sumbu \(x, y, z\) memenuhi \(\cos\alpha = \dfrac{A_x}{A}\), \(\cos\beta = \dfrac{A_y}{A}\), \(\cos\gamma = \dfrac{A_z}{A}\). Ketiganya disebut kosinus arah dan selalu memenuhi \(\cos^2\alpha + \cos^2\beta + \cos^2\gamma = 1\). Sebenarnya \((\cos\alpha, \cos\beta, \cos\gamma)\) tidak lain adalah komponen vektor satuan \(\hat A\).
3.5Perkalian titik dan perkalian silang
Ada dua cara mengalikan dua vektor, dan keduanya sangat berguna di fisika.
Perkalian titik (dot product) menghasilkan skalar:
\(\vec A \cdot \vec B = AB\cos\theta = A_xB_x + A_yB_y + A_zB_z\)
Maknanya: "seberapa searah" dua vektor itu. Nilainya maksimum jika searah, nol jika tegak lurus, dan negatif jika arahnya berlawanan. Contoh terpenting adalah usaha: \(W = \vec F \cdot \vec s\). Saat kamu menarik koper beroda dengan tali miring, hanya komponen gaya yang searah perpindahan yang melakukan usaha (Bab 8).
Perkalian silang (cross product) menghasilkan vektor baru yang tegak lurus terhadap kedua vektor asal:
\(|\vec A \times \vec B| = AB\sin\theta\), arahnya menurut kaidah tangan kanan.
Arahkan jari-jari tangan kananmu ke \(\vec A\), lalu tekuk ke arah \(\vec B\). Ibu jarimu menunjuk arah \(\vec A \times \vec B\). Besarnya sama dengan luas jajaran genjang yang dibentuk \(\vec A\) dan \(\vec B\). Urutan penting: \(\vec B \times \vec A = -\vec A \times \vec B\). Untuk vektor satuan: \(\hat\imath \times \hat\jmath = \hat k\), \(\hat\jmath \times \hat k = \hat\imath\), \(\hat k \times \hat\imath = \hat\jmath\). Contoh fisikanya adalah torsi \(\vec\tau = \vec r \times \vec F\): membuka mur roda motor jauh lebih mudah dengan kunci yang panjang dan didorong tegak lurus (Bab 10). Coba kedua perkalian ini di Lab Mini 3.2 dengan mode A · B dan A × B.
\(\vec A = 3\hat\imath + 1\hat\jmath\) dan \(\vec B = 1\hat\imath + 2\hat\jmath\). Hitung \(\vec A \cdot \vec B\) dan \(\vec A \times \vec B\).
Titik: \(\vec A \cdot \vec B = 3 \times 1 + 1 \times 2 = 5\). Hasilnya skalar.
Silang (vektor di bidang \(xy\)): \(\vec A \times \vec B = (A_xB_y - A_yB_x)\,\hat k = (3 \times 2 - 1 \times 1)\,\hat k = 5\hat k\).
Arah \(+\hat k\) berarti keluar dari layar (kaidah tangan kanan). Luas jajaran genjangnya 5 satuan luas.
\(\vec A \cdot \vec B = 5\) (skalar) dan \(\vec A \times \vec B = 5\hat k\) (vektor). Angkanya kebetulan sama, tetapi jenisnya berbeda!
"Perkalian titik dua vektor menghasilkan vektor."
Perkalian titik menghasilkan skalar (contoh: usaha). Perkalian silang yang menghasilkan vektor (contoh: torsi).
"Usaha selalu positif kalau ada gaya dan benda bergerak."
Jika gaya tegak lurus gerak (\(\theta = 90^\circ\)), usahanya nol. Jika berlawanan arah gerak, usahanya negatif. Contohnya gaya gesek yang memperlambat benda.
Lanjut · IB & olimpiadeHukum kosinus, hukum sinus, dan determinanHukum kosinus lahir dari perkalian titik: \(|\vec A + \vec B|^2 = (\vec A + \vec B)\cdot(\vec A + \vec B) = A^2 + B^2 + 2\vec A\cdot\vec B\). Pada segitiga vektor \(\vec A + \vec B = \vec R\), hukum sinus berlaku: \(\dfrac{A}{\sin\alpha} = \dfrac{B}{\sin\beta} = \dfrac{R}{\sin\gamma}\), dengan setiap sudut berhadapan dengan sisinya. Perkalian silang tiga dimensi paling mudah dihitung dengan determinan: \(\vec A \times \vec B = \begin{vmatrix} \hat\imath & \hat\jmath & \hat k \\ A_x & A_y & A_z \\ B_x & B_y & B_z \end{vmatrix}\). Volume balok miring (paralelepipedum) yang dibentuk tiga vektor adalah \(|\vec A \cdot (\vec B \times \vec C)|\).
Tamu dari masa laluNotasi vektor yang kita pakai sekarang dirapikan pada 1880-an oleh dua orang yang bekerja terpisah: fisikawan Amerika Josiah Willard Gibbs dan insinyur Inggris Oliver Heaviside. Keduanya ingin menulis persamaan listrik-magnet Maxwell dengan lebih ringkas. Sebelumnya, persamaan Maxwell ditulis dalam puluhan persamaan komponen yang panjang!
3.6Grafik dan kemiringan
Fisikawan suka grafik karena satu gambar bisa menceritakan seluruh gerak. Grafik garis lurus \(y = mx + c\) punya dua angka penting: titik potong \(c\) (nilai \(y\) saat \(x = 0\)) dan kemiringan (gradien) \(m\):
Grafik posisi–waktu dua ojek berupa garis lurus. Garis ojek A lebih curam daripada garis ojek B. Apa artinya?
Ojek A lebih jauh dari pangkalan.
Ojek A bergerak lebih cepat.
Ojek A sedang naik tanjakan.
Ojek A sedang dipercepat.
Jawabannya: ojek A lebih cepat. Kemiringan grafik posisi–waktu adalah \(\Delta x / \Delta t\), yaitu kecepatan. Garis lurus berarti kecepatannya tetap (bukan dipercepat), dan grafik bukanlah gambar jalan. Kecuraman grafik tidak ada hubungannya dengan tanjakan!
Grafik
Kemiringannya menyatakan
Luas di bawahnya menyatakan
posisi \(x\) terhadap waktu \(t\)
kecepatan \(v\)
(tidak bermakna khusus)
kecepatan \(v\) terhadap waktu \(t\)
percepatan \(a\)
perpindahan \(\Delta x\)
gaya \(F\) terhadap perpindahan \(x\)
(untuk pegas: konstanta \(k\))
usaha \(W\)
gaya \(F\) terhadap waktu \(t\)
–
impuls (perubahan momentum)
Bentuk grafik juga membocorkan hubungan antarbesaran: garis lurus melalui titik asal berarti sebanding (\(y \propto x\)); parabola berarti \(y \propto x^2\); hiperbola yang makin melandai berarti berbanding terbalik (\(y \propto 1/x\)).
Trik meluruskan grafikGrafik lengkung sulit dibaca kemiringannya. Triknya: ganti sumbu agar grafiknya lurus. Untuk bandul, \(T \propto \sqrt{L}\) melengkung, tetapi \(T^2\) terhadap \(L\) lurus dengan kemiringan \(4\pi^2/g\). Dari kemiringan itu kita bisa menghitung \(g\). Trik ini sangat sering dipakai dalam praktikum IGCSE dan IB.
3.7Mini-kalkulus: turunan dan integral
Bagaimana kalau grafiknya melengkung? Kemiringannya berubah di setiap titik. Kecepatan sesaat adalah kemiringan garis singgung di titik itu. Kalkulus memberi cara menghitungnya. Ikuti animasinya:
Posisi motor yang mulai ngegas dari diam: \(x = 0{,}5\,t^2\). Berapa kecepatannya tepat pada \(t = 3\) s (titik P)? Grafiknya melengkung, jadi kemiringannya terus berubah.
Ambil titik kedua Q pada \(t = 7\) s. Kemiringan garis potong PQ: \(\dfrac{\Delta x}{\Delta t} = \dfrac{24{,}5 - 4{,}5}{4} = 5\) m/s. Itu kecepatan rata-rata, bukan sesaat.
Dekatkan lagi ke \(t = 4\) s: \(\dfrac{8 - 4{,}5}{1} = 3{,}5\) m/s. Makin dekat Q, makin mirip garis potong dengan garis singgung.
Jika \(\Delta t \to 0\), garis potong menjadi garis singgung dengan kemiringan 3 m/s. Inilah turunan: \(v = \dfrac{\mathrm dx}{\mathrm dt} = t = 3\) m/s.
Turunan \(\dfrac{\mathrm dx}{\mathrm dt}\) adalah laju perubahan sesaat, yaitu kemiringan garis singgung. Untuk fungsi pangkat ada aturan sakti:
Lihat: motor \(x = 0{,}5t^2\) punya kecepatan \(v = t\). Luas segitiga di bawah grafik \(v = t\) dari 0 sampai 3 s adalah \(\tfrac12 \times 3 \times 3 = 4{,}5\) m, persis sama dengan \(x(3) = 0{,}5 \times 9 = 4{,}5\) m. Turunan dan integral saling membatalkan!
Pilih jenis gerak, lalu geser waktu \(t\) (atau seret di grafik). Grafik atas: posisi dengan garis singgung (magenta) dan garis potong (oranye). Kecilkan \(\Delta t\) dan lihat garis potong "menempel" ke garis singgung. Grafik bawah: kecepatan, dengan luas berwarna yang sama dengan perpindahan.
Gampangnya: turunan menjawab "seberapa cepat sesuatu berubah sekarang?" (seperti spidometer). Integral menjawab "berapa banyak yang sudah terkumpul?" (seperti odometer yang menjumlahkan jarak).
Posisi sebuah benda \(x = 2t^3 - 3t^2\) (meter, \(t\) dalam sekon). Tentukan kecepatan dan percepatannya saat \(t = 2\) s.
\(v = 12\) m/s dan \(a = 18\) m/s². Posisi → (turunkan) → kecepatan → (turunkan) → percepatan. Arah sebaliknya memakai integral.
Tamu dari masa laluKalkulus ditemukan pada abad ke-17 oleh dua orang secara terpisah: Isaac Newton di Inggris, yang menyebutnya "metode fluksi", dan Gottfried Wilhelm Leibniz di Jerman. Lambang \(\mathrm dx/\mathrm dt\) dan \(\int\) yang kita pakai berasal dari Leibniz. Keduanya sempat bertengkar hebat soal siapa yang lebih dulu, padahal dunia membutuhkan keduanya.
Lanjut · IB & olimpiadeKotak alat kalkulus untuk olimpiadeAturan penting: \(\dfrac{\mathrm d}{\mathrm dt}\sin\omega t = \omega\cos\omega t\), \(\dfrac{\mathrm d}{\mathrm dt}\cos\omega t = -\omega\sin\omega t\), \(\dfrac{\mathrm d}{\mathrm dt}e^{kt} = k\,e^{kt}\), aturan perkalian \((uv)' = u'v + uv'\), dan aturan rantai \(\dfrac{\mathrm d}{\mathrm dt}f(g(t)) = f'(g)\,g'(t)\).
Maksimum dan minimum: nilai ekstrem terjadi saat turunan bernilai nol. Contoh: tinggi bola \(h = 20t - 5t^2\) maksimum saat \(\dfrac{\mathrm dh}{\mathrm dt} = 20 - 10t = 0\), yaitu \(t = 2\) s dan \(h_\text{maks} = 20\) m.
Pendekatan binomial: untuk \(|x| \ll 1\), \((1 + x)^{n} \approx 1 + nx\). Contoh: \(\sqrt{1{,}02} \approx 1 + \tfrac12(0{,}02) = 1{,}01\). Pendekatan ini dipakai di mana-mana, dari gravitasi di dekat permukaan Bumi sampai relativitas.
🛵
Aplikasi ojek
Ongkos dihitung dari jarak tempuh di jalan (skalar), sedangkan peta juga menampilkan garis lurus (perpindahan) dari titik jemput ke tujuan.
🪁
Layangan
Tarikan tali terurai menjadi komponen mendatar dan tegak. Angin, berat, dan tegangan tali saling menyeimbangkan sebagai jumlah vektor nol.
⛵
Perahu dan pesawat
Pilot pesawat dan nakhoda kapal mengarahkan hidung kendaraan sedikit melawan angin atau arus agar resultan geraknya lurus ke tujuan.
⏱️
Spidometer dan odometer
Spidometer menunjukkan kelajuan sesaat, yaitu besar turunan posisi terhadap waktu. Odometer mengumpulkan jarak, yaitu integral kelajuan terhadap waktu.
🔧
Kunci roda motor
Torsi adalah perkalian silang lengan kunci dan gaya. Lengan lebih panjang dan dorongan tegak lurus membuat mur lebih mudah dibuka.
🎮
Gim dan animasi
Setiap tokoh di gim punya vektor posisi dan kecepatan yang dijumlahkan di setiap bingkai (frame). Perkalian titik dipakai untuk menghitung terang-gelap cahaya.
Manakah yang merupakan besaran vektor?
massa
suhu
gaya
energi
Gaya punya besar dan arah. Massa, suhu, dan energi cukup dinyatakan dengan angka dan satuan.
Dua gaya 5 N dan 12 N saling tegak lurus. Besar resultannya…
17 N
13 N
7 N
60 N
\(R = \sqrt{5^2 + 12^2} = \sqrt{169} = 13\) N. Angka 17 N hanya berlaku jika keduanya searah.
Kereta cepat sanggup melaju 350 km/jam, tetapi di 100 meter pertama ia bisa kalah dari ojek. Kok bisa? Di bab ini kamu belajar membedakan "cepat" dan "makin cepat", lalu membaca kisah sebuah perjalanan hanya dari grafiknya.
Setelah bab ini, kamu bisa
membedakan jarak dan perpindahan, kelajuan dan kecepatan, serta kecepatan dan percepatan;
memakai persamaan GLB dan tiga persamaan "sakti" GLBB, termasuk menghitung jarak henti kendaraan;
membaca grafik x-t dan v-t: kemiringan = laju perubahan, luas = perpindahan;
menghitung gerak jatuh bebas dan gerak vertikal ke atas;
memakai kecepatan relatif untuk kendaraan yang berpapasan atau saling menyusul.
Ojek vs Kereta Cepat Komik · 4 panel
Stasiun kereta cepat, pagi hari
RakaKereta ini bisa 350 km/jam! Semua kendaraan pasti kalah, dari detik pertama!
WUSSS!
SariLihat jalan di samping rel. Begitu lampu hijau, ojek itu melesat duluan!
RakaLho? Kereta tercepat kok kalah sama ojek?
SariKecepatan puncak itu baru tercapai beberapa menit kemudian, Rak.
Kak NaraOjek juara percepatan, kereta juara kecepatan. Dua hal yang berbeda! Yuk, kita ukur gerak dengan teliti.
Anggap ojek punya percepatan 3 m/s² dan kereta cepat 0,5 m/s². Keduanya berangkat bersamaan dari keadaan diam. Setelah 5 detik, siapa yang berada di depan?
Kereta cepat, karena kecepatan maksimumnya jauh lebih besar.
Ojek, karena kecepatannya bertambah jauh lebih cepat.
Sama, karena keduanya mulai dari diam pada saat yang sama.
Tidak bisa ditentukan tanpa mengetahui massa kendaraannya.
Jawabannya: ojek. Setelah 5 s, kecepatan ojek sudah 15 m/s (54 km/jam) dan ia menempuh \(\tfrac12 \cdot 3 \cdot 5^2 = 37{,}5\) m. Kereta cepat baru 2,5 m/s dan menempuh 6,25 m. Kecepatan puncak 350 km/jam baru penting setelah beberapa menit. Di awal, yang menentukan adalah percepatan: seberapa cepat kecepatan berubah.
4.1Posisi, jarak, dan perpindahan
Benda dikatakan bergerak jika posisinya berubah terhadap sebuah titik acuan. Kamu yang duduk di angkot diam terhadap sopir, tetapi bergerak terhadap tiang listrik di pinggir jalan. Jadi, "bergerak" atau "diam" selalu bergantung pada titik acuannya.
Untuk gerak lurus, kita cukup memakai garis bilangan. Pilih titik nol (misalnya rumah), lalu sepakati arah positif (misalnya ke timur). Posisi ditulis \(x\), satuannya meter.
Raka berjalan dari rumah ke warung (300 m ke timur), lalu kembali ke pos ronda. Jarak tempuhnya 500 m, tetapi perpindahannya hanya 100 m ke timur.
Jarak adalah panjang seluruh lintasan yang benar-benar ditempuh. Jarak adalah skalar: hanya punya besar dan tidak pernah negatif. Perpindahan adalah perubahan posisi, \(\Delta x = x_\text{akhir} - x_\text{awal}\). Perpindahan adalah vektor: tandanya (+ atau −) menunjukkan arah.
Gampangnya: jarak = panjang jalan yang kamu lewati. Perpindahan = seberapa jauh kamu sekarang dari tempat awal, lengkap dengan arahnya. Kalau kamu lari keliling lapangan lalu kembali ke garis start, jaraknya ratusan meter, tetapi perpindahanmu nol!
Trik Kak Nara: odometer vs garis lurusOdometer motor menghitung jarak: angkanya terus bertambah, ke mana pun kamu pergi. Perpindahan itu seperti tarik garis lurus dari titik awal ke titik akhir di peta, lalu beri tanda arah.
4.2Kelajuan dan kecepatan
Pasangan jarak–perpindahan punya "saudara" saat dibagi waktu:
Angka di spidometer motor adalah kelajuan sesaat: kelajuan pada satu saat tertentu. Secara matematis, kecepatan sesaat adalah kecepatan rata-rata untuk selang waktu yang sangat-sangat singkat: \(v = \dfrac{\Delta x}{\Delta t}\) dengan \(\Delta t\) mendekati nol.
Yang bergerak
Kelajuan (±)
Dalam m/s
Jalan kaki santai
5 km/jam
1,4 m/s
Pelari 100 m kelas dunia (Lalu Muhammad Zohri: ±10 s)
36 km/jam
±10 m/s
Ojek di jalan kota
40 km/jam
11 m/s
Mobil di jalan tol
90 km/jam
25 m/s
Kereta cepat Jakarta–Bandung (puncak)
350 km/jam
97 m/s
Bunyi di udara
1.235 km/jam
343 m/s
Trik Kak Nara: bagi 3,61 km/jam = 1000 m / 3600 s = \(\tfrac{1}{3{,}6}\) m/s. Jadi km/jam ÷ 3,6 = m/s, dan m/s × 3,6 = km/jam. Hafalkan satu pasangan saja: 36 km/jam = 10 m/s, 72 km/jam = 20 m/s, 108 km/jam = 30 m/s.
Raka naik ojek dari rumah ke sekolah yang jaraknya 6 km. Perjalanan memakan waktu 15 menit, termasuk berhenti di lampu merah. Berapa kelajuan rata-ratanya, dalam km/jam dan m/s?
Kelajuan rata-ratanya 24 km/jam (≈ 6,7 m/s). Spidometer mungkin sempat menunjukkan 40 km/jam, tetapi berhenti di lampu merah menurunkan rata-ratanya.
Awas jebakan: rata-rata kelajuan ≠ kelajuan rata-rataKak Nara naik motor ke pasar yang berjarak 12 km dengan kelajuan 60 km/jam, lalu pulang dengan 40 km/jam. Kelajuan rata-ratanya bukan \((60+40)/2 = 50\) km/jam! Berangkat butuh 0,2 jam, pulang butuh 0,3 jam. Kelajuan rata-rata = 24 km / 0,5 jam = 48 km/jam. Bagian yang lambat berlangsung lebih lama, jadi bobotnya lebih besar.
Fisika Indonesia: kereta cepat Jakarta–BandungKereta cepat pertama di Asia Tenggara ini beroperasi sejak Oktober 2023 dan bisa melaju sampai 350 km/jam. Jarak rutenya sekitar 140 km dan perjalanan tercepat memakan waktu sekitar 45 menit. Kelajuan rata-ratanya kira-kira 140 km / 0,75 jam ≈ 190 km/jam, jauh di bawah 350 km/jam. Mengapa? Kereta harus berakselerasi pelan-pelan, mengerem sebelum stasiun, dan berhenti di stasiun antara. Kelajuan puncak hanya dipakai di sebagian rute.
4.3Percepatan: seberapa cepat kecepatan berubah
Bayangkan kamu memotret spidometer ojek setiap detik setelah lampu hijau: 0, 3, 6, 9, 12 m/s. Kecepatannya bertambah 3 m/s setiap detik. Itulah percepatan:
Satuannya m/s per s, ditulis m/s². Jika kecepatan berkurang (misalnya saat mengerem), percepatannya berlawanan arah dengan gerak. Dalam bahasa sehari-hari ini disebut perlambatan, dan dalam hitungan diberi tanda negatif.
Situasi
Kecepatan \(v\)
Percepatan \(a\)
Motor diparkir
0
0
Kereta cepat melaju tetap 350 km/jam di rel lurus
sangat besar
0
Ojek baru lepas dari lampu merah
kecil
besar (±3 m/s²)
Bola tepat di puncak lemparan ke atas
0
9,8 m/s² ke bawah
Tabel ini memuat pelajaran terpenting bab ini: kecepatan dan percepatan adalah dua besaran yang berbeda. Benda bisa sangat cepat tanpa percepatan, dan bisa diam sesaat sambil tetap dipercepat.
Gampangnya: kecepatan = seberapa cepat kamu bergerak sekarang. Percepatan = seberapa cepat angka spidometer berubah. Jarum spidometer diam di 60? Percepatannya nol, walaupun kamu sedang ngebut.
Awas jebakan tandaTanda negatif pada percepatan tidak selalu berarti melambat. Jika arah positif ke timur dan mobil bergerak ke barat (\(v < 0\)) sambil makin kencang, percepatannya juga negatif. Aturan pastinya: benda makin cepat jika \(v\) dan \(a\) bertanda sama, dan makin lambat jika tandanya berlawanan.
"Kalau percepatannya nol, berarti bendanya diam."
Percepatan nol berarti kecepatan tidak berubah. Kereta cepat yang melaju tetap 350 km/jam di rel lurus punya percepatan nol, padahal sangat cepat!
"Spidometer menunjukkan kelajuan rata-rata perjalanan."
Spidometer menunjukkan kelajuan sesaat. Kelajuan rata-rata dihitung dari jarak total dibagi waktu total, termasuk saat berhenti di lampu merah.
4.4GLB: Gerak Lurus Beraturan
Gerak lurus beraturan (GLB) adalah gerak pada lintasan lurus dengan kecepatan tetap, sehingga percepatannya nol. Dalam selang waktu yang sama, benda menempuh jarak yang sama. Contohnya mobil yang melaju tetap di jalan tol yang lurus, atau eskalator di mal.
\[x = x_0 + v\,t \qquad\text{atau}\qquad s = v\,t\]
Rumus ini bercerita: posisi akhir = posisi awal + (kecepatan × waktu). \(x_0\) adalah posisi awal (m), \(v\) kecepatan tetap (m/s), dan \(t\) waktu (s). Grafik x-t-nya berupa garis lurus miring yang kemiringannya sama dengan \(v\). Grafik v-t-nya berupa garis mendatar.
Mobil melaju tetap 90 km/jam di jalan tol selama 20 menit. Berapa jarak yang ditempuh?
Ubah waktu ke jam: 20 menit = \(\tfrac13\) jam.
\(s = v\,t = 90 \times \tfrac13 = 30\) km.
Mobil menempuh 30 km. Satuan km/jam cocok dengan waktu dalam jam, jadi tidak perlu mengubah ke m/s.
4.5GLBB dan tiga persamaan "sakti"
Gerak lurus berubah beraturan (GLBB) adalah gerak lurus dengan percepatan tetap. Kecepatannya bertambah (atau berkurang) dengan jumlah yang sama setiap detik. Angkot yang mulai jalan, motor yang mengerem, dan batu yang jatuh adalah contoh GLBB (atau mendekatinya).
Dari definisi percepatan, \(a = (v - v_0)/t\), kita langsung mendapat persamaan sakti pertama:
Untuk mencari jarak, gunakan fakta bahwa kecepatan naik secara merata. Jadi kecepatan rata-ratanya tepat di tengah: \(\bar v = \tfrac12(v_0 + v)\). Kalikan dengan waktu, lalu ganti \(v\) dengan \(v_0 + at\):
\[s = \tfrac12(v_0 + v)\,t = \tfrac12\big(v_0 + v_0 + at\big)\,t = v_0 t + \tfrac12 a t^2\]
Persamaan ketiga muncul jika \(t\) dihilangkan dari dua persamaan di atas. Persamaan ini sangat berguna saat waktu tidak diketahui, misalnya pada soal pengereman:
\[v^2 = v_0^2 + 2as\]
Trik Kak Nara: cari besaran yang "absen"GLBB punya lima besaran: \(v_0, v, a, t, s\). Setiap persamaan sakti tidak memuat satu besaran:
• \(v = v_0 + at\) → tanpa \(s\) · • \(s = v_0 t + \tfrac12 at^2\) → tanpa \(v\) · • \(v^2 = v_0^2 + 2as\) → tanpa \(t\) · • bonus: \(s = \tfrac12(v_0+v)t\) → tanpa \(a\).
Lihat besaran mana yang tidak diketahui dan tidak ditanya, lalu pakai persamaan yang tidak memuatnya.
Pilih skenario, lalu jalankan. Perhatikan dua grafik di bawah jalan. Pada skenario "Ojek mengejar angkot", kapan jarak keduanya paling jauh? Lihat grafik v-t: apa yang terjadi pada kecepatan keduanya saat itu? Lalu bandingkan dengan saat ojek menyusul.
Angkot mulai bergerak dari keadaan diam dengan percepatan tetap 2 m/s². Berapa kecepatan dan jarak tempuhnya setelah 5 s?
Yang diketahui: \(v_0 = 0\), \(a = 2\) m/s², \(t = 5\) s.
\(v = v_0 + at = 0 + 2 \times 5 = 10\) m/s (36 km/jam).
\(s = v_0 t + \tfrac12 a t^2 = 0 + \tfrac12 \times 2 \times 25 = 25\) m.
Setelah 5 s, angkot melaju 10 m/s dan sudah menempuh 25 m.
KRL melaju 72 km/jam ketika mulai mengerem secara merata. KRL berhenti tepat di ujung peron setelah menempuh 200 m. Berapa perlambatannya, dan berapa lama pengereman berlangsung?
Ubah satuan: \(v_0 = 72/3{,}6 = 20\) m/s, \(v = 0\), \(s = 200\) m. Waktu tidak diketahui, jadi pakai \(v^2 = v_0^2 + 2as\).
Perlambatannya 1 m/s² (tanda negatif = melawan arah gerak), selama 20 s. Perlambatan kecil ini disengaja agar penumpang yang berdiri tidak terhuyung.
Jarak henti: mengapa ngebut itu berbahaya
Saat bahaya muncul, kendaraan tidak langsung direm. Otak butuh waktu reaksi \(t_r\) untuk melihat, memutuskan, dan menginjak rem. Selama itu kendaraan masih melaju tetap (GLB). Setelah rem bekerja, kendaraan melambat (GLBB) sampai berhenti. Dengan \(v^2 = v_0^2 + 2as\) dan \(v = 0\), jarak pengereman adalah \(v_0^2 / 2a\).
Atur kecepatan, waktu reaksi, kondisi jalan, dan jarak bola. Tekan Jalankan: bola muncul tepat saat \(t = 0\). Bisakah mobil berhenti tepat waktu? Coba 40 km/jam lalu 80 km/jam dengan jarak yang sama. Perhatikan luas berwarna pada grafik v-t: itulah jarak tempuhnya!
Fisika Indonesia: jaga jarak di jalan tolDi jalan tol Indonesia, batas kecepatan umumnya 60–100 km/jam. Pada 100 km/jam (±28 m/s) dengan waktu reaksi 1 s dan aspal kering, jarak hentinya sekitar \(28 + 28^2/14 \approx 84\) m, hampir sepanjang lapangan sepak bola! Itulah sebabnya pengemudi dianjurkan menjaga jarak minimal "3 detik" di belakang kendaraan di depannya, dan lebih jauh lagi saat hujan.
4.6Membaca grafik: kemiringan dan luas
Grafik adalah "komik" sebuah gerak. Dua kunci untuk membacanya:
Kemiringan grafik x-t = kecepatan. Kemiringan grafik v-t = percepatan.
Luas di bawah grafik v-t = perpindahan. Luas di bawah grafik a-t = perubahan kecepatan.
Grafik v-t angkot dari satu halte ke halte berikutnya. Sumbu datar adalah waktu, sumbu tegak adalah kecepatan.
Detik 0–5: kecepatan naik dari 0 ke 10 m/s. Kemiringan = Δv/Δt = 2 m/s². Itulah percepatannya.
Detik 5–15: garis datar. Kecepatan tetap 10 m/s, percepatan nol (GLB).
Detik 15–20: garis turun. Kemiringannya −2 m/s²: angkot mengerem.
Sekarang hitung luas. Segitiga pertama: \(\tfrac12 \times 5 \times 10 = 25\) m. Luas ini adalah jarak yang ditempuh saat mempercepat.
Persegi panjang: \(10 \times 10 = 100\) m, yaitu jarak selama melaju tetap.
Segitiga terakhir 25 m. Jumlahkan semuanya: jarak antarhalte = 150 m. Grafik v-t menyimpan jarak di dalam luasnya!
Tabel bentuk grafik. Pada grafik x-t, GLBB tampak melengkung (parabola). Pada grafik v-t, GLBB tampak lurus miring. Pada grafik a-t, garis tipis mendatar di tengah menandai a = 0.
Awas jebakan: grafik bukan gambar jalanGrafik x-t yang naik lalu turun tidak berarti benda mendaki lalu menuruni bukit. Artinya benda bergerak maju lalu berbalik arah, di jalan yang tetap lurus! Begitu pula, dua garis yang berpotongan pada grafik v-t tidak berarti dua kendaraan bertemu. Artinya kecepatan keduanya sama pada saat itu. Coba buktikan di Lab "Balapan grafik".
Lanjut · IB & olimpiadeKalkulus: bahasa asli gerakKecepatan sesaat adalah turunan posisi, dan percepatan adalah turunan kecepatan:
\[v = \frac{\mathrm dx}{\mathrm dt}, \qquad a = \frac{\mathrm dv}{\mathrm dt} = \frac{\mathrm d^2x}{\mathrm dt^2}.\]
Sebaliknya, luas di bawah grafik adalah integral: \(x = x_0 + \int_0^t v\,\mathrm dt\). Jika \(a\) tetap, \(v = v_0 + at\) dan integralnya memberi \(x = x_0 + v_0 t + \tfrac12 a t^2\), tepat persamaan sakti kedua. Dengan kalkulus, kamu juga bisa menangani gerak yang percepatannya tidak tetap, misalnya \(x = t^3 - 6t^2 + 9t\): kecepatannya \(v = 3t^2 - 12t + 9\), yang bernilai nol pada \(t = 1\) s dan \(t = 3\) s (saat benda berbalik arah).
4.7Gerak vertikal dan jatuh bebas
Tamu dari masa laluSelama hampir 2.000 tahun orang mengikuti Aristoteles: benda yang lebih berat jatuh lebih cepat. Galileo Galilei (1564–1642) membantahnya. Ia mengamati bola yang menggelinding di bidang miring (cara cerdik "memperlambat" jatuh agar bisa diukur) dan menemukan bahwa jarak tempuh sebanding dengan kuadrat waktu. Kisah Galileo menjatuhkan bola dari Menara Pisa kemungkinan besar hanya legenda, tetapi kesimpulannya terbukti benar. Pada 1971, astronaut Apollo 15, David Scott, menjatuhkan palu dan bulu elang di Bulan yang tanpa udara. Keduanya mendarat bersamaan.
Tanpa hambatan udara, semua benda di dekat permukaan Bumi jatuh dengan percepatan yang sama, yaitu percepatan gravitasi \(g \approx 9{,}8\) m/s² (sering dibulatkan 10 m/s²). Gerak ini disebut jatuh bebas, yaitu GLBB dengan \(v_0 = 0\) dan \(a = g\):
\[h = \tfrac12 g t^2, \qquad v = g t, \qquad v = \sqrt{2gh}\]
Jalankan dulu di Bumi dengan udara. Lalu pilih tabung hampa udara dan jalankan lagi. Nyalakan foto stroboskop: jarak antarbayangan bertambah dengan pola 1 : 3 : 5 : 7. Terakhir, pergi ke Bulan!
Untuk benda yang dilempar ke atas, ambil arah atas sebagai positif. Percepatannya \(-g\) sepanjang waktu, baik saat naik, di puncak, maupun saat turun:
\[v = v_0 - g t, \qquad h = v_0 t - \tfrac12 g t^2, \qquad v^2 = v_0^2 - 2gh\]
Di puncak, \(v = 0\). Dari sini kita mendapat waktu naik \(t_\text{naik} = v_0/g\) dan tinggi maksimum \(h_\text{maks} = v_0^2/(2g)\). Gerak turunnya simetris: waktu turun sama dengan waktu naik, dan bola kembali ke tanganmu dengan kelajuan yang sama dengan saat dilempar.
Raka melempar bola lurus ke atas. Tepat di titik tertinggi, bola berhenti sesaat. Berapa percepatan bola pada saat itu?
Nol, karena bola sedang diam.
9,8 m/s² ke atas, karena bola baru saja naik.
9,8 m/s² ke bawah, sama seperti saat naik dan turun.
Berubah-ubah, dari ke atas menjadi ke bawah.
Jawabannya: 9,8 m/s² ke bawah. Kecepatan bola memang nol sesaat, tetapi kecepatannya sedang berubah: sedetik sebelumnya +9,8 m/s, sedetik kemudian −9,8 m/s. Perubahan kecepatan berarti ada percepatan. Gravitasi tidak pernah "libur" di puncak. Seandainya percepatannya nol di puncak, bola akan melayang diam di sana selamanya!
Raka melempar bola lurus ke atas dengan kecepatan 10 m/s. Kita pakai \(g = 10\) m/s².
Saat naik, setiap 0,25 s kecepatan berkurang 2,5 m/s: 10 → 7,5 → 5 → 2,5 m/s. Panah biru makin pendek.
Setelah 1 s, bola mencapai puncak setinggi \(h = 10^2/(2 \cdot 10) = 5\) m. Kecepatannya nol, tetapi percepatannya tetap \(g\) ke bawah.
Saat turun, kecepatan bertambah 2,5 m/s setiap 0,25 s, dan bola tiba di tangan lagi dengan 10 m/s. Gerak turun adalah cermin gerak naik.
Grafik v-t-nya hanya satu garis lurus dari +10 ke −10 m/s. Kemiringannya selalu −10 m/s², termasuk tepat di puncak.
"Benda yang lebih berat selalu jatuh lebih cepat."
Tanpa udara, semua benda jatuh dengan percepatan \(g\) yang sama. Bulu jatuh pelan karena hambatan udara jauh lebih berpengaruh padanya, bukan semata karena ringan. Di tabung hampa, bulu dan koin jatuh bersamaan.
"Di puncak lemparan, bola tidak punya percepatan."
Di puncak, \(v = 0\) sesaat, tetapi \(a = g\) ke bawah. Gravitasi tetap bekerja. Tanpa percepatan itu, bola tidak akan pernah turun lagi.
Raka menjatuhkan batu ke sumur tua dan mendengar bunyi "plung" 2,0 s kemudian. Perkirakan kedalaman permukaan air sumur (\(g = 9{,}8\) m/s²). Apakah perkiraanmu terlalu besar atau terlalu kecil?
Model sederhana: abaikan hambatan udara dan waktu tempuh bunyi. Batu jatuh bebas selama 2,0 s.
\(h = \tfrac12 g t^2 = \tfrac12 \times 9{,}8 \times 2{,}0^2 = 19{,}6\) m.
Kecepatan batu saat menyentuh air: \(v = gt = 19{,}6\) m/s, sekitar 70 km/jam.
Cek model: bunyi butuh waktu \(19{,}6/340 \approx 0{,}06\) s untuk naik. Jadi batu sebenarnya jatuh sedikit kurang dari 2,0 s.
Kedalaman ≈ 19,6 m. Perkiraan ini sedikit terlalu besar, karena sebagian dari 2,0 s itu dipakai bunyi untuk merambat naik. Dengan koreksi bunyi, hasilnya sekitar 18,5 m.
4.8Kecepatan relatif: dua motor berpapasan
Kamu duduk diam di KRL yang melaju 20 m/s. Bagi kamu, tiang di luar jendela bergerak mundur 20 m/s. Kecepatan selalu diukur relatif terhadap sesuatu. Kecepatan benda A dilihat dari B adalah:
\[v_{AB} = v_A - v_B\]
Searah: kelajuan relatifnya adalah selisih. Motor 60 km/jam menyusul angkot 45 km/jam; dari angkot, motor terlihat mendekat 15 km/jam.
Berlawanan arah: kelajuan relatifnya adalah jumlah. Dua motor berpapasan dengan 40 km/jam dan 50 km/jam saling mendekat 90 km/jam.
Raka bermotor dari Bogor ke arah Depok dengan 40 km/jam. Pada saat yang sama, Kak Nara bermotor dari Depok ke arah Bogor dengan 50 km/jam di jalan yang sama. Anggap jarak awal mereka 30 km. Setelah berapa menit mereka berpapasan, dan di mana?
Lihat dari kacamata Raka: Kak Nara mendekat dengan \(40 + 50 = 90\) km/jam, dan jarak yang harus "ditutup" 30 km.
\(t = 30/90 = \tfrac13\) jam = 20 menit.
Saat itu Raka sudah menempuh \(40 \times \tfrac13 \approx 13{,}3\) km dari titik awalnya.
Mereka berpapasan setelah 20 menit, sekitar 13,3 km dari titik awal Raka. Kecepatan relatif mengubah soal dua benda menjadi soal satu benda.
Fakta unik dari TarsiSaat kamu duduk "diam" membaca bab ini, kamu bergerak bersama Bumi mengelilingi Matahari dengan kelajuan sekitar 30 km/s, lebih dari 100.000 km/jam! Kamu tidak merasakannya karena semua benda di sekitarmu ikut bergerak bersamamu. Relatif terhadap mejamu, kamu diam.
Lanjut · olimpiadePindah kerangka acuanSoal kejar-kejaran menjadi sangat mudah jika kamu "menumpang" pada salah satu benda. Di kerangka benda B, benda A punya posisi relatif \(x_A - x_B\), kecepatan relatif \(v_A - v_B\), dan percepatan relatif \(a_A - a_B\). Contoh: ojek mulai dari diam dengan \(a = 3\) m/s² mengejar angkot yang melaju tetap 10 m/s dari titik yang sama. Di kerangka angkot, ojek mula-mula bergerak mundur 10 m/s dengan percepatan 3 m/s² ke depan, persis seperti bola yang dilempar ke atas! Ojek "jatuh kembali" ke angkot setelah \(t = 2 \times 10/3 \approx 6{,}7\) s, dan jarak terjauhnya \(10^2/(2 \cdot 3) \approx 16{,}7\) m terjadi saat kecepatan keduanya sama.
🏍️
Spidometer & odometer
Spidometer menunjukkan kelajuan sesaat. Odometer menjumlahkan jarak, bukan perpindahan, sehingga angkanya tidak pernah berkurang.
📱
Ojek online & peta digital
GPS mencatat posisimu setiap detik. Aplikasi menghitung kecepatan dari perubahan posisi, lalu memperkirakan waktu tiba.
🚦
Lampu kuning
Durasi lampu kuning dirancang dengan mempertimbangkan jarak henti, agar pengemudi sempat berhenti dengan aman atau lewat sebelum lampu merah.
🚄
Percepatan yang nyaman
KRL dan kereta cepat sengaja berakselerasi pelan (sekitar 1 m/s² atau kurang) supaya penumpang yang berdiri tidak terhuyung.
Grafik v-t sebuah sepeda berupa garis lurus yang naik dari 0 ke 12 m/s dalam 4 s. Jarak yang ditempuh dalam 4 s itu adalah…
48 m
3 m
12 m
24 m
Jarak = luas segitiga di bawah grafik = \(\tfrac12 \times 4 \times 12 = 24\) m.
Bola dilempar lurus ke atas. Di titik tertinggi…
\(v = 0\) dan \(a = g\) ke bawah
\(v = 0\) dan \(a = 0\)
\(v\) maksimum dan \(a = 0\)
\(v = g\) dan \(a = 0\)
Kecepatan nol sesaat, tetapi gravitasi tetap memberi percepatan \(g\) ke bawah.
Motor A (60 km/jam) membuntuti angkot B (45 km/jam) di jalan lurus. Menurut sopir angkot, motor A mendekat dengan kelajuan…
Mengapa sandal yang kamu bidik lurus ke mangga malah lewat di bawahnya? Mengapa perahu yang menyeberang sungai selalu hanyut? Rahasianya: dua gerak yang berjalan bersamaan tanpa saling mengganggu.
Setelah bab ini, kamu bisa
menguraikan gerak parabola menjadi GLB mendatar dan GLBB vertikal yang saling bebas;
menghitung waktu terbang, tinggi maksimum, dan jangkauan, serta menjelaskan istimewanya sudut 45°;
menganalisis benda yang dilempar mendatar dari ketinggian;
menjelaskan pengaruh hambatan udara pada lintasan bola dan kok bulu tangkis;
menjumlahkan vektor kecepatan untuk perahu yang menyeberang sungai dan hujan yang tampak miring.
Sandal vs Mangga Komik · 4 panel
Halaman rumah Nenek
RakaMangganya tepat di sana. Aku bidik lurus ke arahnya… pasti kena!
PLUK!
RakaLho?! Sandalnya malah melengkung turun, lewat di bawah mangga!
SariBegitu lepas dari tanganmu, gravitasi langsung menarik sandal itu ke bawah, Rak.
RakaJadi aku harus membidik lebih tinggi dari mangganya?
Kak NaraBenar! Gerak mendatar dan gerak naik-turun berjalan bersamaan tanpa saling ganggu. Hasilnya: parabola!
5.1Dua gerak sekaligus
Dua kelereng berada di tepi meja. Kelereng A dijatuhkan lurus ke bawah. Pada saat yang sama, kelereng B disentil mendatar dengan cepat. Mana yang menyentuh lantai lebih dulu? (Abaikan hambatan udara.)
Kelereng A, karena lintasannya lebih pendek.
Kelereng B, karena geraknya lebih cepat.
Keduanya bersamaan.
Tergantung seberapa keras B disentil.
Jawabannya: bersamaan! Kecepatan mendatar B tidak memengaruhi gerak naik-turunnya. Kedua kelereng mulai dengan kecepatan vertikal nol dan ditarik gravitasi dengan percepatan yang sama, jadi keduanya jatuh setinggi meja dalam waktu yang sama. B hanya mendarat lebih jauh. Coba buktikan sendiri dengan dua koin dan penggaris!
Gerak sandal, bola tendangan, atau air dari selang disebut gerak parabola (gerak peluru). Kuncinya satu kalimat: gerak mendatar dan gerak vertikal berlangsung bersamaan, tetapi saling bebas.
Arah mendatar (sumbu x): tidak ada gaya mendatar (jika hambatan udara diabaikan), jadi geraknya GLB. Kecepatan mendatar tetap.
Arah vertikal (sumbu y): gravitasi menarik ke bawah, jadi geraknya GLBB dengan \(a = -g\), persis seperti bola yang dilempar ke atas di Bab 4.
Gampangnya: bayangkan dua bayangan bola. Bayangan di lantai bergerak rata seperti mobil di jalan tol. Bayangan di dinding naik lalu turun seperti bola yang dilempar ke atas. Bola aslinya melakukan dua-duanya sekaligus, sehingga lintasannya melengkung.
Bola ditendang dengan kecepatan awal \(v_0\). Uraikan menjadi komponen mendatar \(v_{0x} = 8\) m/s dan komponen tegak \(v_{0y} = 10\) m/s (pakai \(g = 10\) m/s²).
Lihat bayangan bola di lantai (seperti disinari lampu dari atas). Setiap 0,25 s bayangan bergeser 2 m: GLB dengan 8 m/s.
Lihat bayangan bola di dinding. Ia naik makin lambat, berhenti di 5 m, lalu turun makin cepat: GLBB persis seperti Bab 4.
Gabungkan keduanya! Setiap posisi bola adalah perpaduan posisi kedua bayangan pada saat yang sama. Hasilnya lengkungan parabola sejauh 16 m.
Panah hijau (\(v_x\)) selalu sama panjang. Panah oranye (\(v_y\)) memendek, hilang di puncak, lalu memanjang ke bawah. Di puncak, bola tidak diam: ia masih melaju 8 m/s ke samping.
Jika bola dilempar dengan kelajuan \(v_0\) pada sudut \(\theta\) terhadap tanah, komponen awalnya adalah \(v_{0x} = v_0\cos\theta\) dan \(v_{0y} = v_0\sin\theta\). Setelah waktu \(t\):
Tamu dari masa laluPada abad pertengahan, banyak orang menggambar lintasan peluru meriam sebagai garis lurus miring, lalu melengkung sedikit, lalu jatuh tegak lurus. Niccolò Tartaglia (1537) sudah menduga bahwa sudut 45° memberi tembakan terjauh, tetapi belum bisa membuktikannya. Galileo Galilei dalam bukunya Dua Ilmu Baru (1638) akhirnya menunjukkan bahwa gabungan gerak mendatar yang tetap dan gerak jatuh yang dipercepat menghasilkan parabola. Sudut 45° pun terbukti dengan matematika.
5.2Waktu terbang, tinggi maksimum, dan jangkauan
Semua rumus penting gerak parabola di tanah datar lahir dari satu fakta: di puncak, \(v_y = 0\).
Waktu naik: \(0 = v_0\sin\theta - g\,t_\text{naik}\) → \(t_\text{naik} = \dfrac{v_0\sin\theta}{g}\). Waktu terbang total (kembali ke ketinggian awal) dua kali lipatnya: \(T = \dfrac{2v_0\sin\theta}{g}\).
Tinggi maksimum: dari \(v_y^2 = v_{0y}^2 - 2gH\) dengan \(v_y = 0\): \(H = \dfrac{v_0^2\sin^2\theta}{2g}\).
Jangkauan: \(R = v_{0x}\,T = v_0\cos\theta \cdot \dfrac{2v_0\sin\theta}{g}\). Karena \(2\sin\theta\cos\theta = \sin 2\theta\), maka \(R = \dfrac{v_0^2\sin 2\theta}{g}\).
Raka membidik lurus ke arah mangga di dahan. Tepat saat sandal lepas dari tangannya, Tarsi menggoyang dahan sehingga mangga itu juga lepas dan jatuh bebas. Apakah sandal mengenai mangga? (Abaikan hambatan udara.)
Tidak, sandal lewat di atas mangga karena mangganya sudah jatuh.
Tidak, sandal tetap lewat di bawah mangga.
Ya, kena! Asalkan sandal sampai sebelum mangga menyentuh tanah.
Hanya kena jika sudut lemparnya tepat 45°.
Jawabannya: kena! Tanpa gravitasi, sandal akan melaju lurus tepat ke mangga. Gravitasi membuat sandal tertinggal \(\tfrac12 g t^2\) di bawah garis bidikan. Tetapi mangga yang jatuh bebas juga turun \(\tfrac12 g t^2\) dalam waktu yang sama. Keduanya "jatuh bersama", sehingga tetap bertemu! Ini versi Indonesia dari teka-teki klasik "monyet dan pemburu". Uji sendiri di Lab Mini di bawah dengan menyalakan pilihan Tarsi menjatuhkan mangga.
Atur kecepatan dan sudut, lalu tekan Jalankan untuk melempar. Kamu juga bisa menyeret dari tangan Raka untuk membidik. Kalau meleset, baca petunjuknya: sandal lewat di atas atau di bawah mangga? Tantangan: nyalakan "Tarsi menjatuhkan mangga", bidik lurus ke mangga, lalu lempar dengan cepat. Apa yang terjadi?
Bola ditendang dengan kecepatan 20 m/s pada sudut 30° terhadap tanah datar. Gunakan \(g = 10\) m/s². Hitung waktu terbang, tinggi maksimum, dan jangkauannya.
Komponen: \(v_{0x} = 20\cos 30^\circ \approx 17{,}3\) m/s dan \(v_{0y} = 20\sin 30^\circ = 10\) m/s.
Waktu terbang: \(T = 2v_{0y}/g = 2(10)/10 = 2\) s.
Tinggi maksimum: \(H = v_{0y}^2/(2g) = 100/20 = 5\) m.
Jangkauan: \(R = v_{0x}\,T = 17{,}3 \times 2 \approx 34{,}6\) m. Cek dengan rumus: \(400 \sin 60^\circ / 10 \approx 34{,}6\) m. ✓
Bola terbang 2 s, naik sampai 5 m, dan mendarat ±34,6 m dari titik tendang.
Di sebuah stadion, bola tendangan bebas melesat 15 m/s pada sudut 53° (\(\sin 53^\circ \approx 0{,}8\), \(\cos 53^\circ \approx 0{,}6\), \(g = 10\) m/s²). Pagar betis setinggi 1,8 m berdiri 9 m dari bola, dan garis gawang 18 m dari bola. Tinggi mistar gawang 2,44 m. Apakah bola melewati pagar betis? Apakah bola masuk gawang?
Komponen: \(v_x = 15(0{,}6) = 9\) m/s dan \(v_{0y} = 15(0{,}8) = 12\) m/s.
Di pagar betis (\(x = 9\) m): \(t = 9/9 = 1\) s, sehingga \(y = 12(1) - 5(1)^2 = 7\) m. Jauh di atas 1,8 m. ✓
Di garis gawang (\(x = 18\) m): \(t = 18/9 = 2\) s, sehingga \(y = 12(2) - 5(2)^2 = 4\) m.
4 m lebih tinggi daripada mistar 2,44 m.
Bola melewati pagar betis dengan mudah, tetapi melambung di atas mistar. Penendang harus memakai sudut lebih landai atau tendangan lebih pelan. Coba cari kombinasinya dengan Rumus Hidup di atas!
Lanjut · IB & olimpiadePersamaan lintasan dan parabola di lerengHilangkan \(t\) dari persamaan posisi (\(t = x / v_0\cos\theta\)), maka didapat persamaan lintasan:
\[y = x\tan\theta - \frac{g\,x^2}{2v_0^2\cos^2\theta}.\]
Ini fungsi kuadrat dalam \(x\), bukti matematis bahwa lintasannya parabola. Persamaan ini juga menjawab soal "sudut berapa agar bola melewati titik \((x, y)\)?". Jika bola ditembakkan ke atas lereng bersudut \(\alpha\), jangkauan sepanjang lereng adalah \(R = \dfrac{2v_0^2\cos\theta\,\sin(\theta - \alpha)}{g\cos^2\alpha}\), dan nilainya maksimum ketika \(\theta = 45^\circ + \alpha/2\), yaitu tepat di tengah antara lereng dan garis tegak.
5.3Sudut 45° dan pasangan sudut kembar
Perhatikan rumus \(R = v_0^2\sin 2\theta / g\). Nilai \(\sin 2\theta\) paling besar (= 1) ketika \(2\theta = 90^\circ\), yaitu \(\theta = 45^\circ\). Jadi, di tanah datar tanpa udara, sudut 45° memberi jangkauan terjauh: \(R_\text{maks} = v_0^2/g\).
Ada keajaiban kedua: \(\sin 2\theta = \sin(180^\circ - 2\theta)\). Artinya, sudut \(\theta\) dan \(90^\circ - \theta\) (misalnya 30° dan 60°) memberi jangkauan yang sama. Sudut yang lebih curam terbang lebih tinggi dan lebih lama, tetapi mendarat di tempat yang sama.
Lima lemparan dengan kelajuan awal sama. 45° mendarat paling jauh (40 m). Pasangan 30° & 60° mendarat di titik yang sama (34,6 m), begitu juga 15° & 75° (20 m). Garis putus-putus = sudut curam: lebih tinggi dan lebih lama di udara.
Air keluar dari penyiram di permukaan tanah. Geser sudutnya sampai air mengenai pot bunga. Lalu cari sudut kedua yang juga mengenai pot yang sama! Nyalakan "pasangan 90° − θ" untuk melihat aliran kembarnya.
Trik Kak Nara: pasangan "jumlah 90"Jangkauan sama untuk pasangan sudut yang jumlahnya 90°: 10° & 80°, 20° & 70°, 37° & 53°. Pemain basket memilih sudut curam agar bola jatuh hampir tegak ke ring, sedangkan pemain voli yang men-smash memilih lintasan landai agar bola cepat sampai.
"Di titik tertinggi lintasan, kecepatan bola nol."
Hanya komponen vertikalnya yang nol. Komponen mendatar tetap \(v_0\cos\theta\). Di puncak, bola justru bergerak paling lambat, tetapi tidak berhenti.
"Sudut 45° selalu memberi lemparan terjauh."
Hanya jika titik lempar dan titik jatuh sama tinggi dan udara diabaikan. Pelempar yang melepas bola dari ketinggian bahu, atau bola yang banyak dihambat udara, mencapai jarak terjauh dengan sudut di bawah 45°.
5.4Dilempar mendatar dari ketinggian
Bila benda dilempar mendatar dari ketinggian \(h\), kecepatan vertikal awalnya nol. Gerak vertikalnya persis jatuh bebas, sehingga waktu jatuhnya hanya ditentukan oleh ketinggian:
\[t = \sqrt{\frac{2h}{g}}, \qquad x = v\,t = v\sqrt{\frac{2h}{g}}\]
Awas jebakanRumus \(R = v_0^2\sin 2\theta/g\) hanya berlaku jika titik lempar dan titik jatuh sama tinggi. Untuk benda yang dilempar dari meja, tebing, atau atap, kembalilah ke dua persamaan dasar: \(x = v_{0x}t\) dan \(y = v_{0y}t - \tfrac12 g t^2\), lalu cari \(t\) dari persamaan vertikal.
Helikopter terbang mendatar 20 m/s pada ketinggian 80 m untuk mengirim paket bantuan ke desa yang terisolasi banjir. Agar paket jatuh tepat di lapangan desa, berapa meter sebelum lapangan paket harus dilepas? (\(g = 9{,}8\) m/s², abaikan hambatan udara.) Mengapa di dunia nyata paket diberi parasut?
Saat dilepas, paket ikut membawa kecepatan helikopter: \(v_x = 20\) m/s, \(v_{0y} = 0\).
Waktu jatuh: \(t = \sqrt{2(80)/9{,}8} \approx 4{,}04\) s.
Jarak mendatar: \(x = 20 \times 4{,}04 \approx 81\) m.
Kecepatan vertikal saat tiba: \(v_y = 9{,}8 \times 4{,}04 \approx 40\) m/s, terlalu keras untuk barang bantuan.
Paket harus dilepas ±81 m sebelum lapangan. Dilihat dari helikopter, paket jatuh tepat di bawahnya karena keduanya punya kecepatan mendatar yang sama. Parasut dipakai untuk memperlambat jatuhnya (hambatan udara!), walaupun membuat hitungan jarak menjadi lebih rumit.
5.5Hambatan udara: ketika parabola "penyok"
Semua rumus di atas menganggap tidak ada udara. Di dunia nyata, udara menghambat benda dengan gaya yang makin besar ketika benda makin cepat. Akibatnya:
Jangkauan dan tinggi maksimum lebih kecil daripada hasil hitungan.
Lintasan tidak simetris: naiknya landai, turunnya curam.
Sudut terbaik biasanya kurang dari 45°.
Benda ringan dan "berbulu" paling terpengaruh. Bola besi tolak peluru hampir mengikuti parabola, sedangkan kok bulu tangkis sama sekali tidak.
Fisika Indonesia: kok yang "jatuh tegak"Indonesia punya tradisi juara bulu tangkis, dari Rudy Hartono (delapan kali juara All England) sampai Susi Susanti dan Alan Budikusuma, peraih medali emas Olimpiade pertama Indonesia di Barcelona 1992. Pemain hebat paham "fisika kok": dipukul sangat cepat, kok cepat sekali diperlambat udara karena bulu-bulunya. Lintasan pukulan lob tinggi tampak hampir lurus miring ke atas, lalu kok jatuh hampir tegak lurus ke belakang lapangan. Bentuknya lebih mirip lintasan "meriam abad pertengahan" daripada parabola!
Kamu bisa membandingkan lintasan dengan dan tanpa udara di Lab Mini "Gim lempar sandal" dengan menyalakan pilihan hambatan udara.
5.6Perahu menyeberang sungai
Di Bab 4 kamu menjumlahkan kecepatan dalam satu garis. Sekarang arahnya berbeda-beda, jadi kecepatan dijumlahkan sebagai vektor:
Bayangkan perahu di atas "karpet air" yang terus bergeser ke hilir. Mesin perahu hanya mengatur gerak perahu terhadap air. Arus menghanyutkan perahu sekaligus airnya.
Strategi
Arah haluan
Hasil
Tercepat sampai
tegak lurus tepi sungai
waktu \(t = d / v_p\) paling singkat, tetapi perahu hanyut sejauh \(u\,t\)
Tanpa hanyut
miring ke hulu dengan \(\sin\alpha = u/v_p\)
tiba tepat di seberang, tetapi lebih lama: \(t = d/\sqrt{v_p^2 - u^2}\). Hanya mungkin jika \(v_p > u\).
Di sini \(d\) adalah lebar sungai, \(v_p\) kelajuan perahu terhadap air, dan \(u\) kelajuan arus.
Pilih arah haluan, lalu tekan Jalankan. Segitiga di pojok kanan atas menunjukkan penjumlahan vektornya. Coba dua tombol strategi. Lalu buat arus lebih deras daripada perahu: bisakah perahu tetap tiba tepat di seberang?
Perahu ketek melaju 4 m/s terhadap air di sungai selebar 200 m yang arusnya 3 m/s. (a) Jika haluan diarahkan tegak lurus tepi, berapa lama perahu menyeberang dan seberapa jauh hanyutnya? (b) Ke mana haluan harus diarahkan agar perahu tiba tepat di seberang, dan berapa lama perjalanannya?
(a) Gerak menyeberang hanya dari komponen haluan: \(t = 200/4 = 50\) s.
(a) Selama 50 s, arus menghanyutkan perahu sejauh \(3 \times 50 = 150\) m. Kelajuan terhadap tanah \(\sqrt{4^2 + 3^2} = 5\) m/s.
(b) Komponen haluan ke hulu harus melawan arus: \(4\sin\alpha = 3\) → \(\sin\alpha = 0{,}75\) → \(\alpha \approx 48{,}6^\circ\) dari arah tegak lurus, condong ke hulu.
(b) Sisa kecepatan untuk menyeberang: \(\sqrt{4^2 - 3^2} = \sqrt7 \approx 2{,}65\) m/s, sehingga \(t = 200/2{,}65 \approx 76\) s.
(a) 50 s, hanyut 150 m. (b) Haluan miring ±48,6° ke hulu, waktu ±76 s. Tiba tepat di seberang harus "dibayar" dengan waktu yang lebih lama.
Fisika Indonesia: sungai sebagai jalan rayaDi Palembang, perahu ketek menyeberangi Sungai Musi setiap hari. Di Kalimantan, Sungai Kapuas (sungai terpanjang di Indonesia, sekitar 1.100 km) dan Sungai Mahakam menjadi jalur angkutan utama. Para pengemudi perahu secara naluriah mengarahkan haluan sedikit ke hulu agar tidak hanyut melewati dermaga tujuan. Itulah penjumlahan vektor yang dikerjakan dengan tangan dan pengalaman.
5.7Hujan dan payung miring
Saat tidak ada angin, tetes hujan jatuh hampir tegak lurus. Tetapi ketika kamu berjalan cepat, hujan seolah datang miring dari depan. Mengapa? Karena yang kamu rasakan adalah kecepatan hujan relatif terhadap dirimu:
Mengurangi kecepatanmu sama dengan menambahkan vektor yang mengarah ke belakang. Gabungan "jatuh ke bawah" dan "bergeser ke belakang" membuat hujan tampak datang miring dari depan, dengan sudut \(\theta\) terhadap garis tegak:
Atur kecepatan jalan Sari dan kemiringan payungnya. Perhatikan "basah-o-meter": berapa tetes per detik yang mengenai tubuh Sari? Pindahkan sudut pandang antara orang di halte (hujan tegak) dan Sari (hujan miring). Apakah jumlah tetes yang mengenai Sari ikut berubah?
"Kalau hujannya tampak miring, pasti ada angin."
Belum tentu! Hujan bisa jatuh tegak terhadap tanah, tetapi tampak miring bagi orang yang bergerak. Coba lihat jendela mobil atau kereta saat hujan: garis-garis airnya miring tajam karena kendaraannya melaju.
"Benda yang dilempar mendatar jatuh lebih lambat daripada benda yang dijatuhkan."
Gerak vertikal tidak peduli pada gerak mendatar. Dari ketinggian yang sama, keduanya menyentuh tanah bersamaan (tanpa hambatan udara). Yang dilempar hanya mendarat lebih jauh.
Lanjut · olimpiadeLari atau jalan saat hujan?Modelkan tubuhmu sebagai kotak dengan luas atas \(A_\text{atas}\) dan luas depan \(A_\text{depan}\). Hujan berkerapatan \(\rho\) (kg air per m³ udara) jatuh tegak dengan kelajuan \(u\), dan kamu menempuh jarak \(L\) dengan kelajuan \(v\). Air yang mengenai kepala sebanding dengan waktu: \(\rho A_\text{atas}\,u\,(L/v)\). Air yang mengenai bagian depan sebanding dengan jarak: \(\rho A_\text{depan}\,L\), tidak bergantung pada \(v\)! Jadi total air \(= \rho L\,(A_\text{atas}\,u/v + A_\text{depan})\) selalu berkurang jika kamu berlari lebih cepat, tetapi tidak pernah lebih kecil daripada \(\rho L A_\text{depan}\). Berlarilah, asal lantainya tidak licin.
🌱
Menyiram tanaman
Ujung selang dipencet agar air keluar lebih cepat (\(v_0\) besar), lalu diarahkan sekitar 45° untuk menjangkau tanaman terjauh.
🏸
Bulu tangkis
Pukulan lob mengirim kok tinggi ke belakang lapangan. Hambatan udara membuat kok jatuh hampir tegak, sulit dikembalikan dengan smash.
🛶
Penyeberangan sungai
Pengemudi ketek dan perahu tambang mengarahkan haluan ke hulu agar tiba tepat di dermaga seberang.
🏀
Lemparan bebas basket
Lintasan yang cukup curam membuat bola masuk ring dari atas, sehingga "pintu" ring tampak lebih lebar bagi bola.
⛲
Air mancur taman kota
Setiap pancaran air membentuk parabola. Perancang mengatur kecepatan dan sudut nozel agar semua pancaran jatuh tepat di kolam.
Di titik tertinggi lintasan parabola (tanpa hambatan udara), kecepatan bola…
nol
hanya tinggal komponen mendatarnya
hanya tinggal komponen vertikalnya
paling besar
Di puncak \(v_y = 0\), tetapi \(v_x = v_0\cos\theta\) tetap ada.
Bola dilempar dengan kelajuan awal tertentu pada sudut 30°. Dengan kelajuan awal yang sama, sudut lain yang memberi jangkauan sama adalah…
45°
15°
90°
60°
Pasangan sudut yang jumlahnya 90° memberi jangkauan sama: \(30^\circ + 60^\circ = 90^\circ\).
Pesawat terbang mendatar dengan kecepatan tetap lalu menjatuhkan paket. Jika hambatan udara diabaikan, dilihat dari pilot paket itu…
tertinggal makin jauh di belakang pesawat
melesat mendahului pesawat
jatuh lurus ke bawah, selalu tepat di bawah pesawat
melayang diam di tempat
Paket dan pesawat punya kecepatan mendatar yang sama, jadi paket selalu tepat di bawah pesawat. Orang di tanah melihat lintasan parabola.
06
Bab 6 · Gerak & Gaya
Hukum Newton: Tiga Aturan Main Gerak
Mengapa penumpang angkot terdorong ke depan saat rem diinjak? Mengapa roket bisa terbang di ruang hampa? Tiga kalimat dari tahun 1687 menjawab semuanya.
Setelah bab ini, kamu bisa
menjelaskan gaya sebagai tarikan atau dorongan dan menggambar diagram benda bebas;
memakai Hukum I (kelembaman), Hukum II (\(\Sigma F = ma\)), dan Hukum III (aksi-reaksi) untuk peristiwa sehari-hari;
membedakan massa dan berat, lalu menghitung angka timbangan di dalam lift;
menyelesaikan soal katrol dan bidang datar dengan "lima langkah sakti";
memakai gaya semu untuk menganalisis gerak dari dalam kendaraan yang dipercepat.
Angkot Mengerem Komik · 4 panel
Pukul 06.30, menuju sekolah
RakaAsyik, angkotnya lancar! Kita nggak bakal telat, Sar!
CKIIIIT!
RakaWADUH! Siapa yang dorong aku ke depan?!
SariNggak ada yang dorong kamu, Rak. Tubuhmu cuma… malas berhenti.
RakaTubuhku… malas?
Di halte sekolah
Kak NaraItu kelembaman! Newton menuliskannya hampir 340 tahun lalu. Yuk, kita bongkar tiga aturan main gerak!
Saat angkot mengerem mendadak, ke mana tubuh penumpang cenderung bergerak, dan mengapa?
Ke depan, karena ada gaya dorong dari kursi belakang.
Ke depan, karena tubuh cenderung mempertahankan geraknya.
Ke belakang, karena rem menarik semua benda ke belakang.
Tetap diam, karena tubuh selalu ikut bergerak bersama angkot.
Jawabannya: ke depan, karena kelembaman. Sebelum rem diinjak, tubuhmu bergerak maju bersama angkot. Saat rem diinjak, roda dan bodi angkot dihentikan oleh gaya gesek jalan, tetapi tubuhmu tidak ikut direm (kecuali lewat gesekan kursi dan sabuk pengaman). Jadi tubuhmu tetap melaju, sementara angkotnya melambat. Rasanya seperti "terdorong", padahal tidak ada yang mendorong.
6.1Gaya: tarikan atau dorongan
Menendang bola, menarik tali timba, menekan tombol lift: semuanya adalah gaya. Gaya adalah tarikan atau dorongan yang dapat mengubah kecepatan, arah gerak, atau bentuk benda. Satuannya newton (N). Satu newton kira-kira sama dengan berat sebuah apel kecil.
Gaya adalah vektor: ia punya besar dan arah. Dorongan 10 N ke kanan berbeda akibatnya dengan dorongan 10 N ke atas. Karena itu, gaya digambar sebagai panah. Panjang panah menunjukkan besarnya, dan arah panah menunjukkan arahnya.
Gaya
Simbol
Arah
Contoh
Berat (gaya gravitasi)
\(w = mg\)
selalu ke bawah, menuju pusat Bumi
apel jatuh dari pohon
Gaya normal
\(N\)
tegak lurus permukaan, menjauhi permukaan
meja menahan buku
Gaya gesek
\(f\)
sejajar permukaan, melawan gerak (atau kecenderungan gerak)
sandal di lantai, rem motor
Tegangan tali
\(T\)
sepanjang tali, menarik benda
timba di sumur, layangan
Gaya pegas
\(F = kx\)
melawan regangan atau tekanan pegas
jok motor, ketapel
Gampangnya: gaya = dorongan atau tarikan. Kalau kamu mendorong meja, kamu memberi gaya. Kalau Bumi menarik kamu ke bawah, Bumi memberi gaya (itulah berat badanmu).
Diagram benda bebas (DBB): "foto rontgen" gaya
Fisikawan suka menggambar benda sebagai satu titik atau kotak, lalu menempelkan semua panah gaya yang bekerja pada benda itu saja. Gambar ini disebut diagram benda bebas. Ini adalah alat terpenting di bab ini, jadi ikuti animasinya langkah demi langkah.
Raka mendorong kardus 20 kg di lantai. Gaya apa saja yang bekerja pada kardus?
Langkah 1: "hapus" Raka dan lantai dari pikiran. Gambar kardus sebagai satu titik.
Langkah 2: Bumi menarik kardus ke bawah. Itulah berat \(w = mg = 20 \times 10 = 200\) N (pakai \(g = 10\) m/s²).
Langkah 3: lantai menahan kardus ke atas dengan gaya normal \(N\). Kardus tidak melesak ke lantai, jadi \(N = w = 200\) N.
Langkah 4: tangan Raka mendorong ke kanan: \(F = 100\) N.
Langkah 5: lantai menggesek kardus ke kiri, melawan gerak: \(f = 60\) N.
Langkah 6: jumlahkan! Atas-bawah saling meniadakan, kanan-kiri bersisa 40 N. Kardus dipercepat 2 m/s² ke kanan.
Awas jebakanDi DBB hanya ada gaya yang bekerja pada benda itu. Gaya kardus mendorong tangan Raka tidak digambar di DBB kardus, karena gaya itu bekerja pada tangan Raka.
6.2Hukum I Newton: benda itu "malas berubah"
Tamu dari masa laluSelama hampir 2.000 tahun orang percaya pendapat Aristoteles: benda bergerak hanya jika terus didorong. Galileo Galilei (1564–1642) membantahnya dengan eksperimen bola di lintasan miring. Makin licin lintasannya, makin jauh bola menggelinding. Kesimpulannya: tanpa gesekan, bola akan menggelinding selamanya. Isaac Newton lalu merumuskannya sebagai hukum pertama dalam buku Principia (1687).
Hukum I Newton. Jika gaya total pada sebuah benda nol, benda yang diam akan tetap diam, dan benda yang bergerak akan tetap bergerak lurus dengan kecepatan tetap.
Sifat benda yang "enggan" mengubah keadaan geraknya disebut kelembaman atau inersia. Ukuran kelembaman adalah massa. Gerobak bakso penuh lebih sulit didorong dan lebih sulit dihentikan daripada gerobak kosong, karena massanya lebih besar.
Tekan Dorong 1 detik, lalu amati kecepatannya. Ulangi dengan koefisien gesek \(\mu = 0\) (lantai es super licin). Apa yang terjadi?
"Benda yang bergerak pasti sedang didorong sebuah gaya."
Gaya tidak diperlukan untuk mempertahankan gerak. Gaya diperlukan untuk mengubah gerak (mempercepat, memperlambat, membelokkan). Bola di lantai berhenti karena gesekan, bukan karena "dorongannya habis".
"Kalau angkot berhenti, penumpang terlempar karena ada gaya ke depan."
Tidak ada gaya ke depan. Tubuh penumpang hanya meneruskan geraknya (Hukum I), sementara angkotnya melambat. Dilihat dari dalam angkot, seolah-olah ada gaya ke depan. Fisikawan menyebutnya gaya semu.
🪢
Sabuk pengaman & helm
Menahan tubuh agar ikut melambat bersama kendaraan, sehingga tubuh tidak meneruskan gerak lalu membentur kaca atau aspal.
🛏️
Mengibas kasur
Kasur disentak lalu berhenti mendadak. Debu yang "malas berhenti" terus bergerak dan lepas dari kasur.
🔨
Mengencangkan kepala palu
Gagang palu dihentakkan ke lantai. Gagang berhenti, kepala palu terus bergerak ke bawah sehingga masuk lebih rapat.
🚚
Jangan berdiri di bak truk
Saat truk mengerem atau berbelok, tubuh yang tidak terikat meneruskan geraknya dan bisa terlempar.
6.3Hukum II Newton: rumus paling terkenal di mekanika
Hukum I bercerita tentang benda tanpa gaya total. Bagaimana kalau gaya totalnya tidak nol? Benda akan dipercepat. Makin besar gaya totalnya, makin besar percepatannya. Makin besar massanya, makin kecil percepatannya.
Hukum II Newton. Percepatan benda sebanding dengan gaya total dan berbanding terbalik dengan massanya: \(\Sigma \vec F = m\vec a\). Arah percepatan selalu sama dengan arah gaya total.
Trik Kak Nara: segitiga ajaibTulis \(F\) di puncak segitiga, \(m\) dan \(a\) di bawah. Tutup yang ingin dicari: tutup \(F\) → \(m \times a\); tutup \(a\) → \(F / m\); tutup \(m\) → \(F / a\). Tapi ingat, \(F\) di sini adalah gaya total, bukan sembarang gaya!
Panah oranye = gaya dorong, merah = gesekan, ungu = berat, biru = gaya normal. Coba buat gaya dorong lebih kecil dari gesekan maksimum. Apakah balok bergerak?
Gerobak bakso bermassa 40 kg didorong dengan gaya 120 N di jalan sangat licin (gesekan diabaikan). Berapa percepatannya?
Gaya total hanya gaya dorong: \(\Sigma F = 120\) N.
Percepatan gerobak 3 m/s². Setiap detik kecepatannya bertambah 3 m/s.
Gerobak yang sama (40 kg) didorong 120 N, tetapi kini ada gesekan dengan koefisien \(\mu_k = 0{,}2\). Gunakan \(g = 10\) m/s². Berapa percepatannya?
Gaya normal di bidang datar: \(N = mg = 40 \times 10 = 400\) N.
Gaya gesek kinetis: \(f_k = \mu_k N = 0{,}2 \times 400 = 80\) N, arahnya melawan gerak.
Gaya total: \(\Sigma F = 120 - 80 = 40\) N.
\(a = 40 / 40 = 1\) m/s².
Percepatan turun dari 3 m/s² menjadi 1 m/s², karena dua pertiga gaya dorong "dimakan" gesekan.
Motor bermassa 100 kg dikendarai Kak Nara (60 kg) dengan kecepatan 72 km/jam. Rem ditekan sehingga motor berhenti dalam 4 s. Berapa gaya pengereman rata-rata?
Massa total yang diperlambat: \(100 + 60 = 160\) kg.
\(F = ma = 160 \times (-5) = -800\) N. Tanda minus berarti gaya berlawanan arah gerak.
Gaya pengereman rata-rata 800 N, kira-kira sama dengan berat orang bermassa 80 kg.
Lanjut · IB & olimpiadeBentuk sejati Hukum IINewton sebenarnya menulis \(\Sigma \vec F = \dfrac{\mathrm d\vec p}{\mathrm dt}\), dengan \(\vec p = m\vec v\) adalah momentum. Jika massa tetap, bentuk ini menjadi \(\Sigma \vec F = m\vec a\). Bentuk momentum wajib dipakai bila massa berubah, misalnya roket yang membuang bahan bakar atau truk yang diisi pasir sambil berjalan. Untuk truk berkecepatan tetap \(v\) yang menerima pasir dengan laju \(\dot m\), gaya yang diperlukan adalah \(F = v\,\dot m\), walaupun percepatannya nol!
6.4Hukum III Newton: gaya selalu datang berpasangan
Hukum III Newton. Jika benda A memberi gaya pada benda B, maka B memberi gaya pada A yang sama besar dan berlawanan arah: \(\vec F_{AB} = -\vec F_{BA}\).
Pasangan ini disebut aksi-reaksi. Ciri-cirinya: (1) sama besar, (2) berlawanan arah, (3) bekerja pada dua benda yang berbeda, dan (4) jenisnya sama (keduanya gaya kontak, atau keduanya gaya gravitasi).
Bagaimana caramu berjalan maju? Siapa yang mendorongmu ke depan?
Aksi: telapak kaki Sari mendorong tanah ke belakang (lewat gesekan).
Reaksi: tanah mendorong kaki Sari ke depan dengan gaya sama besar. Jadi yang mendorongmu maju adalah… tanah!
Hal yang sama terjadi saat Raka mendayung perahu di Sungai Musi.
Aksi: dayung mendorong air ke belakang.
Reaksi: air mendorong dayung (dan perahu) ke depan. Roket bekerja dengan cara yang sama: roket mendorong gas ke belakang, gas mendorong roket ke depan.
Truk besar menabrak motor kecil. Saat tabrakan, gaya mana yang lebih besar?
Gaya truk pada motor lebih besar, karena truk lebih berat.
Gaya motor pada truk lebih besar, karena motor lebih cepat.
Keduanya sama besar.
Tergantung siapa yang menabrak duluan.
Sama besar, menurut Hukum III. Lalu mengapa motor yang ringsek? Karena akibatnya berbeda. Percepatan = gaya / massa. Gaya yang sama pada motor (±150 kg) menghasilkan perubahan kecepatan jauh lebih besar daripada pada truk (±10.000 kg). Itulah sebabnya pengendara motor harus ekstra waspada di dekat kendaraan besar.
Awas jebakan klasikBerat buku \(w\) dan gaya normal meja \(N\) memang sama besar dan berlawanan arah, tetapi keduanya bukan pasangan aksi-reaksi, karena keduanya bekerja pada benda yang sama (buku). Pasangan reaksi dari berat buku adalah gaya tarik buku pada Bumi. Pasangan reaksi dari gaya normal adalah gaya tekan buku pada meja.
"Kuda menarik kereta, kereta menarik kuda sama besar. Jadi gayanya saling meniadakan dan kereta tidak bisa bergerak."
Aksi dan reaksi bekerja pada benda yang berbeda, jadi tidak bisa saling meniadakan. Kereta bergerak karena tarikan kuda pada kereta lebih besar daripada gesekan pada kereta. Kuda bergerak karena dorongan tanah pada kaki kuda lebih besar daripada tarikan kereta.
"Roket butuh udara untuk 'ditolak' supaya bisa terbang."
Roket mendorong gas buangnya sendiri ke belakang, lalu gas itu mendorong roket ke depan. Karena itu roket justru bekerja paling baik di ruang hampa, tempat tidak ada hambatan udara.
Fisika IndonesiaIndonesia punya program roket sendiri. Roket seri RX buatan LAPAN (kini bagian dari BRIN) diuji terbang di pantai selatan Jawa. Prinsipnya persis Hukum III Newton: propelan padat dibakar, gas panas disemburkan ke belakang, dan roket terdorong ke depan.
6.5Massa, berat, dan rahasia timbangan di dalam lift
Massa (kg) adalah banyaknya materi sekaligus ukuran kelembaman. Massamu sama di Palembang, di puncak Jayawijaya, atau di Bulan. Berat (N) adalah gaya tarik gravitasi padamu: \(w = mg\). Di Bumi, \(g \approx 9{,}8\) m/s² (sering dibulatkan menjadi 10). Di Bulan, \(g\) hanya sekitar 1,6 m/s², sehingga beratmu tinggal ±1/6-nya.
Timbangan badan sebenarnya tidak mengukur beratmu. Timbangan mengukur gaya normal, yaitu seberapa kuat timbangan harus menahanmu. Di lantai diam, \(N = mg\). Tetapi di dalam lift yang dipercepat, ceritanya berbeda.
Pilih jenis perjalanan, lalu jalankan. Perhatikan angka timbangan saat lift mulai bergerak, saat melaju tetap, dan saat akan berhenti. Coba juga mode wahana menara jatuh bebas.
Raka (50 kg) berdiri di timbangan dalam lift. Lift bergerak ke atas dengan percepatan 2 m/s². Berapa angka timbangan dalam newton, dan berapa jika timbangannya berskala kg? (\(g = 10\) m/s²)
Gaya pada Raka: normal \(N\) ke atas, berat \(mg = 500\) N ke bawah.
Hukum II (positif ke atas): \(N - mg = ma\) → \(N = m(g + a) = 50(10 + 2) = 600\) N.
Timbangan berskala kg membagi dengan \(g\): \(600 / 10 = 60\) "kg".
Timbangan menunjukkan 600 N (atau "60 kg"). Massa Raka tetap 50 kg. Yang bertambah hanya tekanan timbangan pada kakinya.
6.6Lima langkah sakti menaklukkan soal gaya
Gambar situasinya, lalu pilih benda yang dianalisis.
DBB: gambar semua gaya pada benda itu (berat, normal, gesek, tali, pegas, dorongan).
Pilih sumbu: biasanya searah gerak dan tegak lurus gerak.
Tulis \(\Sigma F = ma\) untuk tiap sumbu (dan tiap benda bila ada lebih dari satu).
Hitung, lalu cek: apakah satuannya benar? Apakah hasilnya masuk akal?
Sistem "meja-katrol": balok A di meja licin ditarik balok B yang tergantung.
Pada gambar di atas, \(m_A = 3\) kg, \(m_B = 2\) kg, \(g = 10\) m/s². Tentukan percepatan sistem dan tegangan tali.
DBB balok A (arah gerak ke kanan): hanya tegangan \(T\) yang mendatar. \(T = m_A a\).
DBB balok B (arah gerak ke bawah): berat \(m_B g\) ke bawah, tegangan \(T\) ke atas. \(m_B g - T = m_B a\).
Jumlahkan kedua persamaan supaya \(T\) hilang: \(m_B g = (m_A + m_B)a\) → \(a = \dfrac{2 \times 10}{3 + 2} = 4\) m/s².
Tegangan: \(T = m_A a = 3 \times 4 = 12\) N. Cek di B: \(20 - 12 = 8 = 2 \times 4\). ✓
\(a = 4\) m/s² dan \(T = 12\) N. Perhatikan bahwa \(T\) lebih kecil daripada berat B (20 N). Kalau sama besar, B tidak akan bergerak turun!
Pilih susunannya, atur massa dan gesekan, lalu jalankan. Perhatikan: tegangan tali selalu lebih kecil daripada berat beban yang turun. Kapan sistem tidak bergerak sama sekali?
6.7Gaya semu: fisika dari dalam angkot
Ingat Raka yang "terdorong" ke depan saat angkot mengerem? Dari pinggir jalan, Kak Nara melihat tidak ada gaya ke depan. Tubuh Raka hanya meneruskan geraknya. Tetapi dari dalam angkot, Raka merasakan seolah-olah ada tangan tak terlihat yang mendorongnya. Siapa yang benar? Keduanya, asal tahu aturannya.
Kerangka acuan yang diam atau bergerak lurus beraturan disebut kerangka inersial. Di sana Hukum Newton berlaku apa adanya. Angkot yang mengerem, lift yang dipercepat, atau komidi putar adalah kerangka non-inersial, karena kerangka itu sendiri dipercepat. Agar Hukum Newton tetap bisa dipakai di dalamnya, kita menambahkan gaya semu pada setiap benda: \(\vec F_\text{semu} = -m\vec a_\text{kerangka}\). Arahnya selalu berlawanan dengan percepatan kerangka.
Gampangnya: kalau angkot ngerem, semua benda di dalamnya "terasa" didorong ke depan. Kalau angkot tancap gas, semua terasa didorong ke belakang. Dorongan itu bukan gaya sungguhan, cuma akibat angkotnya yang berubah kecepatan.
Sebuah pengharum mobil tergantung di kaca spion angkot. Saat angkot tancap gas (dipercepat ke depan), pengharum itu miring ke mana?
Ke depan, karena ikut terdorong mesin.
Ke belakang.
Tetap tegak lurus ke bawah.
Berayun ke kiri dan kanan.
Ke belakang. Dari jalan: tali harus menarik pengharum ke depan agar ikut dipercepat, jadi tali harus miring dengan ujung atasnya di depan, sehingga pengharumnya tertinggal di belakang. Dari dalam angkot: ada gaya semu ke belakang yang mendorong pengharum. Kedua cara memberi jawaban yang sama, yaitu \(\tan\theta = a/g\).
Geser pedal (gas atau rem), lalu ganti sudut pandang. Dari jalan: hanya ada tegangan tali dan berat. Dari dalam angkot: muncul gaya semu ungu yang membuat semua gaya seimbang.
Awas jebakanGaya semu tidak punya pasangan reaksi (karena tidak ada benda yang mengerjakannya), dan hanya boleh dipakai di dalam kerangka yang dipercepat. Kalau kamu menganalisis dari pinggir jalan, jangan menambahkan gaya semu. Mencampur dua cara pandang dalam satu soal adalah kesalahan paling sering di olimpiade.
Lanjut · IB & olimpiadeTrik kerangka acuanSoal katrol di dalam lift yang dipercepat ke atas dengan \(a\)? Masuk ke kerangka lift dan ganti \(g\) dengan \(g_\text{ef} = g + a\). Mesin Atwood di lift langsung menjadi soal biasa: \(T = \dfrac{2m_1m_2\,g_\text{ef}}{m_1+m_2}\). Pada Bab 7 kamu akan bertemu gaya semu yang paling terkenal: gaya sentrifugal di komidi putar dan tikungan.
🏍️
Ojek berboncengan
Dengan gaya mesin yang sama, motor yang memboncengkan dua orang dipercepat lebih lambat. Itu Hukum II: \(a = F/m\).
🚣
Lomba perahu bidar
Puluhan pendayung di Sungai Musi mendorong air ke belakang bersamaan, sehingga air mendorong perahu ke depan (Hukum III).
🛗
Lift gedung tinggi
Perut terasa "melayang" saat lift mulai turun, karena gaya normal pada tubuh mengecil sesaat.
🎯
Tarik tambang 17 Agustus
Gaya tarik kedua tim pada tali sama besar. Pemenangnya ditentukan oleh hal lain. Penasaran? Lihat teka-teki di akhir bab!
Sebuah bola menggelinding di lantai makin pelan lalu berhenti. Penyebab utamanya adalah…
gaya dorong bola habis
massa bola berkurang
gaya gesek lantai dan udara
bola ingin beristirahat
Gaya gesek melawan gerak dan memperlambat bola. Tanpa gesekan, bola akan terus bergerak (Hukum I).
Gaya total 60 N bekerja pada kotak 12 kg. Percepatannya…
720 m/s²
5 m/s²
0,2 m/s²
48 m/s²
\(a = F/m = 60/12 = 5\) m/s².
Pasangan aksi-reaksi yang benar adalah…
berat buku dan gaya normal meja pada buku
gaya dorongmu pada meja dan gesekan lantai pada meja
berat apel dan tegangan tangkai
gaya Bumi menarik apel dan gaya apel menarik Bumi
Aksi-reaksi bekerja pada dua benda berbeda dan jenisnya sama: Bumi menarik apel, dan apel menarik Bumi dengan gaya gravitasi yang sama besar.
07
Bab 7 · Gerak & Gaya
Gesekan & Gerak Melingkar: Rahasia Tarik Tambang dan Tong Setan
Siapa sebenarnya pemenang tarik tambang? Mengapa pembalap di Mandalika memiringkan motornya, dan mengapa motor di tong setan tidak jatuh dari dinding? Jawabannya ada pada dua "pahlawan tak terlihat": gaya gesek dan gaya sentripetal.
Setelah bab ini, kamu bisa
membedakan gesekan statis dan kinetis, lalu memakai \(f_s \le \mu_s N\) dan \(f_k = \mu_k N\);
menganalisis benda di bidang miring dan menentukan sudut kritis \(\tan\theta_c = \mu_s\);
memakai besaran sudut (radian, \(\omega\), \(f\), \(T\)) dan hubungan \(v = \omega r\);
menghitung gaya sentripetal pada tikungan datar, tikungan miring, dan tong setan;
menganalisis gerak melingkar vertikal (kora-kora, roller coaster) tanpa memakai "gaya sentrifugal" yang keliru.
Rahasia Tarik Tambang Komik · 4 panel
Lomba 17 Agustus
RakaKata Bab 6, tarikan kedua tim pada tali sama besar. Berarti pasti seri, dong!
SRRRT!
RakaLho, sandalku malah meluncur di lumpur!
SariTalinya adil, Rak. Yang tidak adil itu tanah di bawah sandalmu: licin! Lihat sepatu tim kami.
Kak NaraPemenangnya tim yang mendapat gaya gesek terbesar dari tanah! Gesekan juga yang membuat motor bisa menikung. Yuk, kita selidiki!
7.1Gesekan statis dan kinetis: jawaban teka-teki tarik tambang
Ingat teka-teki di akhir Bab 6? Dalam tarik tambang, tali yang ringan menarik kedua tim dengan gaya yang sama besar. Jadi tali tidak menentukan pemenang. Mari kita lihat gaya-gaya pada setiap tim, persis dengan diagram benda bebas yang kamu pelajari di Bab 6.
Raka berdiri di tanah becek dengan sandal jepit. Sari berdiri di tanah kering dengan sepatu bergerigi. Siapa yang menang?
Kedua tim menarik ujung-ujung tali. Karena talinya ringan, tarikan di kedua ujung sama besar, \(T\). Tali tidak "memihak".
Diagram gaya Raka (arah mendatar): tali menarik Raka ke kanan dengan \(T\), dan tanah menggesek kaki Raka ke kiri. Di lumpur licin, gesekan ini kecil.
Diagram gaya Sari: tali menarik Sari ke kiri dengan \(T\), dan tanah kering menggesek kaki Sari ke kanan. Gesekan ini bisa jauh lebih besar.
Sekarang lihat keduanya sebagai satu sistem. Gaya \(T\) adalah gaya di dalam sistem, jadi saling meniadakan. Gaya luar mendatar yang tersisa hanyalah dua gaya gesek dari tanah.
Gaya total mengarah ke kanan, sehingga seluruh sistem dipercepat ke arah Sari. Pemenang tarik tambang adalah tim yang mendapat gaya gesek terbesar dari tanah.
Gampangnya: tali menarik kedua tim sama kuat. Yang menang adalah tim yang kakinya paling "mencengkeram" tanah. Sepatu bergerigi di tanah kering mencengkeram jauh lebih kuat daripada sandal di lumpur.
Gaya gesek muncul karena permukaan benda tidak pernah benar-benar mulus. Dilihat dengan mikroskop, permukaan yang tampak licin pun penuh tonjolan kecil yang saling mengait dan "menempel". Gaya gesek selalu sejajar permukaan dan melawan gerak (atau kecenderungan gerak) relatif antara kedua permukaan.
Gesekan statis \(f_s\)
Gesekan kinetis \(f_k\)
Kapan?
Permukaan belum saling bergeser
Permukaan sedang saling bergeser
Besarnya
Menyesuaikan diri: \(0 \le f_s \le \mu_s N\)
Hampir tetap: \(f_k = \mu_k N\)
Contoh
Lemari yang didorong tetapi belum bergeser; kaki yang mendorong tanah saat berjalan
Kardus yang sedang meluncur di lantai; ban yang selip
\(N\) adalah gaya normal (Bab 6), sedangkan \(\mu_s\) dan \(\mu_k\) adalah koefisien gesek statis dan kinetis. Koefisien gesek tidak bersatuan dan bergantung pada pasangan permukaannya. Biasanya \(\mu_k < \mu_s\): sekali benda bergerak, menjaganya tetap bergerak lebih mudah daripada memulainya.
Raka mendorong lemari 50 kg dengan gaya mendatar 100 N, tetapi lemari tidak bergeser sedikit pun. Koefisien gesek statisnya 0,4 (\(g = 9{,}8\) m/s²). Berapa gaya gesek lantai pada lemari?
196 N, karena \(f = \mu_s N = 0{,}4 \times 50 \times 9{,}8\).
0 N, karena lemari tidak bergerak.
100 N, berlawanan arah dengan dorongan Raka.
Lebih dari 100 N, karena gesekan "menang".
Jawabannya: 100 N. Lemari diam, jadi gaya totalnya nol (Hukum I). Gesekan statis harus tepat mengimbangi dorongan: 100 N. Angka 196 N hanyalah batas maksimum gesekan statis. Jika Raka mendorong 150 N, gesekannya ikut menjadi 150 N. Baru setelah dorongan melebihi 196 N, lemari mulai bergeser. Gesekan statis itu "penurut": ia hanya sekuat yang diperlukan.
Mode gaya naik terus: amati grafik gesekan terhadap gaya tarik. Ada "puncak" sebelum balok mulai bergeser! Mode tangan bergerak pelan meniru percobaan di laboratorium sekolah: perhatikan angka neraca yang naik-turun saat balok "tersendat". Fenomena yang sama membuat engsel pintu berderit dan sepatu berdecit.
Pasangan permukaan (kira-kira)
\(\mu_s\)
\(\mu_k\)
Karet ban di beton/aspal kering
1,0
0,8
Karet ban di aspal basah
±0,6
±0,4
Kaca di atas kaca
0,94
0,4
Baja di atas baja (kering)
0,74
0,57
Kayu di atas kayu
0,25–0,5
±0,2
Es di atas es
0,1
0,03
Lapisan antilengket wajan (PTFE) di atas PTFE
0,04
0,04
Sendi lutut manusia (berpelumas cairan sendi)
0,01
0,003
Awas jebakanRumus \(f_s = \mu_s N\) bukan rumus gesekan statis, melainkan rumus batas maksimumnya. Langkah aman: (1) anggap benda diam, lalu hitung gesekan yang diperlukan dari \(\Sigma F = 0\); (2) bandingkan dengan \(\mu_s N\). Jika yang diperlukan lebih kecil, benda memang diam. Jika lebih besar, benda bergerak dan gesekannya menjadi \(f_k = \mu_k N\).
Tamu dari masa laluSekitar tahun 1500, Leonardo da Vinci menulis di buku catatannya bahwa gesekan sebanding dengan berat benda dan tidak bergantung pada luas bidang sentuh. Catatannya baru ditemukan berabad-abad kemudian. Guillaume Amontons menemukan ulang hukum ini pada 1699. Charles-Augustin de Coulomb (1781), orang yang sama dengan hukum Coulomb di Bab 22, lalu membedakan gesekan statis dan kinetis. Itulah sebabnya model \(f = \mu N\) sering disebut "gesekan Coulomb".
7.2Bidang miring dan sudut kritis
Letakkan buku di atas papan, lalu angkat salah satu ujung papan perlahan. Awalnya buku diam, lalu pada sudut tertentu buku tiba-tiba meluncur. Untuk memahaminya, uraikan berat \(mg\) menjadi dua komponen:
tegak lurus lereng (menekan permukaan): \(mg\cos\theta\), sehingga \(N = mg\cos\theta\).
Benda tetap diam selama \(mg\sin\theta \le \mu_s\,mg\cos\theta\), yaitu \(\tan\theta \le \mu_s\). Kemiringan saat benda tepat akan meluncur disebut sudut kritis (atau sudut repose):
Setelah meluncur, gesekannya menjadi kinetis, sehingga percepatan benda menuruni lereng adalah \(a = g(\sin\theta - \mu_k\cos\theta)\).
Tekan Naikkan sudut perlahan, lalu catat sudut saat balok mulai meluncur. Bandingkan dengan Rumus Hidup sudut kritis di atas. Ubah massa balok: apakah sudut kritisnya berubah? Lihat diagram batang: kapan "tarikan lereng" mengalahkan "gesekan maksimum"?
Perosotan miring 37° (\(\sin 37^\circ \approx 0{,}6\), \(\cos 37^\circ \approx 0{,}8\)). Koefisien gesek kinetis antara celana dan perosotan 0,25. Berapa percepatan anak yang meluncur? Gunakan \(g = 10\) m/s².
Gaya sejajar lereng ke bawah: \(mg\sin\theta = m(10)(0{,}6) = 6m\).
Gaya normal: \(N = mg\cos\theta = 8m\), sehingga \(f_k = 0{,}25 \times 8m = 2m\) ke atas lereng.
\(\Sigma F = 6m - 2m = 4m = m a\) → \(a = 4\) m/s².
Percepatannya 4 m/s², berapa pun massa anaknya. Massa muncul di setiap suku sehingga saling meniadakan, seperti pada jatuh bebas.
Fisika Indonesia: lereng, pasir, dan longsorTumpukan pasir kering di toko bangunan selalu membentuk kerucut dengan kemiringan sekitar 30–35°. Itulah sudut kritis butiran pasir. Saat musim hujan, air yang meresap ke tanah lereng membuat butiran lebih mudah tergelincir satu sama lain dan menambah beban tanah. Lereng yang tadinya aman bisa melewati sudut kritisnya dan longsor. Itulah sebabnya terasering, tanaman berakar kuat, dan saluran air sangat penting untuk lereng-lereng di Indonesia.
Lanjut · IB & olimpiadeBalok di atas balokBalok A (massa \(m\)) diletakkan di atas balok B (massa \(M\)) yang berada di lantai licin. Koefisien gesek statis antara A dan B adalah \(\mu_s\). Jika B ditarik dengan gaya \(F\), satu-satunya gaya mendatar yang mempercepat A adalah gesekan dari B. Percepatan maksimum A tanpa tergelincir adalah \(a_\text{maks} = \mu_s g\). Agar keduanya bergerak bersama, \(F \le (m + M)\,\mu_s g\). Jika \(F\) lebih besar, B "lolos" dari bawah A, seperti taplak yang ditarik cepat dari bawah piring. Perhatikan: gesekan pada A justru searah geraknya!
7.3Gesekan: kawan atau lawan?
Gesekan sering dianggap pengganggu. Padahal tanpa gesekan kamu tidak bisa berjalan, menulis, mengikat tali sepatu, atau mengerem motor. Saat kamu melangkah, telapak kakimu mendorong tanah ke belakang. Gesekan statis dari tanah mendorong kakimu ke depan (ingat Hukum III di Bab 6). Gesekan itulah yang membuatmu maju!
Gesekan yang menguntungkan
Gesekan yang merugikan
Ban mencengkeram jalan saat melaju, berbelok, dan mengerem
Mesin cepat aus dan panas, sehingga perlu oli
Alur ban membuang air agar ban tetap menapak di jalan basah
Rantai sepeda yang kering boros tenaga dan cepat rusak
Sol sandal dan sepatu bergerigi agar tidak terpeleset
Gesekan udara memperlambat kendaraan dan memboroskan bahan bakar
Menulis dengan pensil atau kapur di papan tulis
Lantai kamar mandi yang licin justru kekurangan gesekan
Trik Kak Nara: rem ABS dan "jangan sampai selip"Karena \(\mu_s > \mu_k\), ban yang masih menggelinding (titik sentuhnya diam sesaat terhadap jalan, sehingga gesekannya statis) mengerem lebih kuat daripada ban yang terkunci dan selip (gesekan kinetis). Sistem rem ABS memompa rem berkali-kali per detik agar roda tidak terkunci. Bonusnya, roda yang masih berputar tetap bisa dibelokkan.
Peserta panjat pinang bermassa 50 kg bertahan diam memeluk batang pinang tegak. Ia menjepit batang dengan tangan dan kaki, sehingga total gaya normal pada batang adalah \(N\). Gunakan \(g = 10\) m/s². Berapa \(N\) minimum jika (a) batang bersih dengan \(\mu_s = 0{,}6\); (b) batang dilumuri oli sehingga \(\mu_s = 0{,}15\)?
Batang tegak, jadi gaya normalnya mendatar (dari jepitan). Satu-satunya gaya ke atas adalah gesekan statis, yang harus mengimbangi berat: \(f_s = mg = 500\) N.
Syarat tidak merosot: \(\mu_s N \ge 500\) N, sehingga \(N_\text{min} = 500/\mu_s\).
(a) \(N_\text{min} = 500/0{,}6 \approx 833\) N.
(b) \(N_\text{min} = 500/0{,}15 \approx 3.333\) N, empat kali lebih besar! Hampir mustahil dijepit sekuat itu.
Oli menurunkan μ sehingga jepitan yang dibutuhkan melonjak. Karena itu peserta membentuk "menara manusia": peserta di bawah menopang yang di atas, dan sedikit demi sedikit oli terhapus oleh baju mereka.
Fisika Indonesia: panjat pinangPanjat pinang adalah lomba khas 17 Agustus. Batang pinang dilumuri oli atau gemuk, lalu hadiah digantung di puncaknya. Strateginya murni fisika: kurangi "beban" peserta yang memanjat dengan menara manusia, gosok oli dengan kain atau baju untuk menaikkan μ, dan bekerja sama. Satu orang sekuat apa pun hampir mustahil menang sendirian.
"Gaya gesek selalu melawan arah gerak benda."
Gesekan melawan gerak relatif antara dua permukaan. Saat kamu berjalan, gesekan tanah pada kaki justru mengarah ke depan. Kardus di bak truk yang mulai melaju juga didorong ke depan oleh gesekan.
"Makin luas permukaan yang bersentuhan, makin besar gesekannya."
Dalam model sederhana, gesekan hanya bergantung pada μ dan gaya normal, bukan luas. Balok bata yang diletakkan rebah atau berdiri butuh dorongan yang hampir sama untuk digeser.
7.4Besaran sudut: radian, kecepatan sudut, periode
Untuk benda yang berputar, lebih mudah mengukur sudut daripada jarak. Fisikawan mengukur sudut dalam radian: sudut \(\theta\) (rad) = panjang busur \(s\) dibagi jari-jari \(r\). Satu putaran penuh = \(2\pi r / r = 2\pi\) rad = 360°, jadi 1 rad ≈ 57,3°.
Semua titik pada bianglala (kincir ria) punya \(\omega\) yang sama, tetapi penumpang di ujung bergerak paling cepat karena \(r\)-nya paling besar. Mesin dan kipas angin sering memakai satuan rpm (putaran per menit): \(\omega = 2\pi \times \text{rpm}/60\).
Trik Kak Nara: rantai sama \(v\), poros sama \(\omega\)Roda-roda yang dihubungkan rantai atau sabuk (gir depan dan gir belakang sepeda) punya kecepatan linear tepi yang sama: \(\omega_1 r_1 = \omega_2 r_2\). Roda-roda pada satu poros (gir belakang dan roda belakang) punya kecepatan sudut yang sama. Itulah sebabnya gir belakang yang kecil membuat roda berputar lebih cepat.
Fakta unik dari TarsiBumi berputar sekali dalam ±24 jam. Orang di Tugu Khatulistiwa, Pontianak, berjarak ±6.378 km dari sumbu Bumi, sehingga ikut bergerak dengan \(v = \omega r \approx 465\) m/s, sekitar 1.670 km/jam! Di dekat kutub, kecepatannya hampir nol. Indonesia yang dilintasi garis khatulistiwa termasuk wilayah "tercepat" di permukaan Bumi.
Roda motor berjari-jari 0,3 m berputar 10 kali setiap sekon. Berapa periode, kecepatan sudut, dan kelajuan motor (anggap roda tidak selip)?
Frekuensi \(f = 10\) Hz, sehingga periode \(T = 1/10 = 0{,}1\) s.
\(\omega = 2\pi f = 2\pi(10) \approx 62{,}8\) rad/s.
Roda yang tidak selip memindahkan motor sejauh satu keliling setiap putaran: \(v = \omega r = 62{,}8 \times 0{,}3 \approx 18{,}8\) m/s.
Motor melaju ±18,8 m/s, kira-kira 68 km/jam.
7.5Percepatan dan gaya sentripetal
Benda yang bergerak melingkar dengan kelajuan tetap ternyata tetap mengalami percepatan! Kecepatan adalah vektor, dan arahnya terus berubah. Perubahan arah itu menunjuk ke pusat lingkaran, sehingga disebut percepatan sentripetal ("mencari pusat").
Raka memutar batu yang diikat tali di atas kepalanya (lingkaran mendatar). Tiba-tiba tali putus. Ke mana batu itu terbang (dilihat dari atas)?
Lurus menjauhi pusat lingkaran, terlempar keluar.
Tetap melingkar sebentar, lalu lurus.
Lurus, menyinggung lingkaran di titik tempat tali putus.
Berputar spiral makin jauh dari pusat.
Jawabannya: lurus menyinggung lingkaran. Begitu tali putus, tidak ada lagi gaya ke pusat. Menurut Hukum I Newton, batu meneruskan geraknya dengan kecepatan saat itu, yang arahnya menyinggung lingkaran. Tidak ada "gaya sentrifugal" yang melemparnya keluar. Batu tampak menjauhi pusat hanya karena ia bergerak lurus, sementara lingkarannya melengkung.
Dilihat dari atas, batu berputar berlawanan arah jarum jam. Kecepatannya \(v_1\) selalu menyinggung lingkaran, tegak lurus tali.
Sesaat kemudian batu sudah di posisi lain, dengan kecepatan \(v_2\). Besarnya sama, tetapi arahnya berbeda.
Satukan pangkal \(v_1\) dan \(v_2\). Perubahan kecepatan \(\Delta v\) adalah panah dari ujung \(v_1\) ke ujung \(v_2\).
Pindahkan \(\Delta v\) ke tengah lintasan: arahnya tepat menuju pusat! Karena percepatan searah \(\Delta v\), percepatannya juga menuju pusat. Tali memberi gaya tarik ke pusat itu.
Jika tali putus, gaya ke pusat hilang. Batu bergerak lurus menyinggung lingkaran (Hukum I), bukan terlempar keluar.
Besarnya percepatan sentripetal adalah:
Menurut Hukum II Newton, harus ada gaya sentripetal \(F_s = m\dfrac{v^2}{r}\) yang menuju pusat. Gaya sentripetal bukan jenis gaya baru. Ia adalah peran yang dimainkan gaya-gaya biasa: tegangan tali (batu diputar), gesekan ban (motor menikung), gaya normal dinding (tong setan), atau gravitasi (Bulan mengelilingi Bumi).
Awas jebakan: "gaya sentrifugal"Saat angkot menikung tajam, tubuhmu terasa "terlempar" ke sisi luar. Tidak ada gaya yang mendorongmu keluar! Tubuhmu hanya ingin terus lurus (kelembaman), sedangkan angkotnya berbelok. Dinding angkot lalu mendorongmu ke dalam sebagai gaya sentripetal. "Gaya sentrifugal" hanyalah gaya semu yang muncul jika kamu menganalisis dari dalam angkot yang berputar (ingat trik kerangka acuan di Bab 6). Jangan gambar gaya sentrifugal di diagram benda bebas!
Kak Nara (total dengan motor 150 kg) mengitari bundaran berjari-jari 20 m dengan kelajuan tetap 10 m/s. Berapa percepatan dan gaya sentripetalnya? Gaya apa yang menyediakannya?
\(a_s = v^2/r = 10^2/20 = 5\) m/s².
\(F_s = m a_s = 150 \times 5 = 750\) N, menuju pusat bundaran.
Gaya ini berasal dari gesekan statis antara ban dan aspal, yang mengarah ke pusat.
Gesekan ban harus menyediakan 750 N ke arah pusat. Jika jalan berpasir dan gesekan maksimum kurang dari 750 N, motor akan tergelincir ke sisi luar.
Lanjut · IB & olimpiadePercepatan tangensialJika kelajuan juga berubah (misalnya motor yang mengegas sambil menikung), ada percepatan tangensial \(a_t = \mathrm dv/\mathrm dt\) yang menyinggung lingkaran, di samping percepatan sentripetal \(a_s = v^2/r\). Keduanya saling tegak lurus, sehingga percepatan total \(a = \sqrt{a_s^2 + a_t^2}\). Jika kecepatan sudut berubah, besaran \(\alpha = \mathrm d\omega/\mathrm dt\) disebut percepatan sudut, dengan \(a_t = \alpha r\). Cengkeraman ban terbatas: percepatan totalnya tidak bisa melebihi \(\mu g\). Mengerem keras sambil menikung "menghabiskan" jatah gesekan yang seharusnya untuk berbelok. Inilah sebabnya pengendara diajari mengerem sebelum masuk tikungan.
7.6Tikungan datar, tikungan miring, dan tong setan
Tikungan datar: gesekan yang membelokkan
Di jalan datar, satu-satunya gaya mendatar pada mobil atau motor adalah gesekan statis ban. Syarat aman: \(m v^2/r \le \mu_s m g\). Jadi:
Tikungan miring dan motor yang dimiringkan
Jika jalan dibuat miring ke arah dalam dengan sudut \(\theta\), gaya normal ikut condong ke pusat. Komponen mendatarnya bisa menyediakan gaya sentripetal tanpa bantuan gesekan sama sekali, asalkan kendaraan melaju pada kecepatan rancangan:
Rumus yang sama menentukan seberapa miring pengendara harus memiringkan motornya di tikungan datar, dengan \(\theta\) = sudut miring motor terhadap garis tegak. Makin cepat atau makin tajam tikungannya, makin miring motornya.
Atur kecepatan, jari-jari tikungan, koefisien gesek, dan kemiringan jalan, lalu jalankan. Panel kanan menunjukkan pandangan dari belakang motor: gaya normal, gesekan, dan berat. Coba jalan basah (μ kecil) dengan kecepatan yang sama. Kemudian miringkan jalannya: apakah kecepatan maksimumnya naik?
Fisika Indonesia: Sirkuit MandalikaSejak 2021, Sirkuit Mandalika di Lombok, Nusa Tenggara Barat, menjadi tuan rumah balapan motor kelas dunia. Di tikungan, pembalap memiringkan motornya lebih dari 60° terhadap garis tegak, sampai lutut dan siku hampir menyentuh aspal. Dari \(\tan\theta = v^2/(rg)\), kemiringan 60° berarti ban harus menyediakan gaya ke pusat sekitar \(\tan 60^\circ \approx 1{,}7\) kali berat motor dan pembalapnya! Itulah sebabnya ban balap dibuat khusus agar sangat lengket, dan dipanaskan sebelum balapan.
Tong setan: menempel di dinding
Di pasar malam, pengendara tong setan melaju di dinding tegak sebuah tong kayu raksasa. Dinding mendorong motor ke arah pusat (gaya normal), dan gaya inilah gaya sentripetalnya: \(N = mv^2/r\). Berat motor ditahan oleh gesekan statis yang mengarah ke atas. Syarat tidak merosot: \(\mu_s N \ge mg\), sehingga \(\mu_s\,mv^2/r \ge mg\).
Jalankan, lalu turunkan kecepatan motor pelan-pelan dengan slider. Pada kecepatan berapa motor mulai merosot? Bandingkan dengan Rumus Hidup di atas. Diagram batang membandingkan berat motor dengan gesekan maksimum.
Tong setan berdiameter 8 m. Koefisien gesek statis antara ban dan papan kayu 0,6. (a) Berapa kecepatan minimum motor agar tidak merosot (\(g = 9{,}8\) m/s²)? (b) Jika pengendara melaju 12 m/s, berapa kali berat badannya gaya dorong dinding pada motor?
(b) Gaya normal \(N = mv^2/r\). Bandingkan dengan berat: \(\dfrac{N}{mg} = \dfrac{v^2}{rg} = \dfrac{144}{4 \times 9{,}8} \approx 3{,}7\).
Pengendara "ditekan" ke dinding dengan gaya ±3,7 kali beratnya, seperti berbaring di lantai sambil ditindih tiga orang lagi!
(a) ±8,1 m/s. (b) Gaya normal ±3,7 kali berat. Karena jauh di atas kecepatan minimum, gesekan yang tersedia (\(0{,}6 \times 3{,}7 \approx 2{,}2\) kali berat) lebih dari cukup untuk menahan motor.
Lanjut · IB & olimpiadeTikungan miring dengan gesekan dan ayunan konisJika tikungan miring \(\theta\) juga punya gesekan \(\mu_s\), kecepatan maksimumnya
\[v_\text{maks} = \sqrt{r g\,\frac{\sin\theta + \mu_s\cos\theta}{\cos\theta - \mu_s\sin\theta}}.\]
Untuk \(\theta = 0\) rumus ini kembali menjadi \(\sqrt{\mu_s g r}\). Wahana "kursi terbang" di pasar malam adalah ayunan konis: rantai sepanjang \(L\) membentuk sudut \(\theta\) dengan garis tegak, dengan \(\tan\theta = v^2/(rg)\). Periodenya \(T = 2\pi\sqrt{L\cos\theta/g}\) (jika rantai digantung di sumbu putar), tidak bergantung pada massa penumpang. Penumpang gemuk dan kurus berayun pada sudut yang sama!
7.7Lingkaran vertikal: kora-kora dan roller coaster
Pada lingkaran vertikal, gravitasi ikut "bermain". Ambil arah ke pusat sebagai positif:
Gaya pada kereta roller coaster. Di puncak, gaya normal dan berat sama-sama mengarah ke bawah (ke pusat). Di dasar, gaya normal harus mengalahkan berat sekaligus menyediakan gaya sentripetal.
Di puncak lingkaran, kereta paling "kritis". Gaya normal tidak boleh negatif (rel hanya bisa mendorong), sehingga kecepatan di puncak minimal \(v_\text{puncak} = \sqrt{gr}\). Jika lebih pelan, kereta akan lepas dari rel. Itulah sebabnya ember berisi air yang diputar cepat secara vertikal tidak tumpah. Di puncak, gerak melingkar menuntut percepatan ke pusat (ke bawah) sebesar \(v^2/r\). Jika \(v^2/r\) lebih besar dari \(g\), gravitasi saja tidak cukup, sehingga dasar ember justru ikut mendorong air ke bawah dan air tetap menempel di ember.
Wahana kora-kora (perahu ayun) bergerak pada busur lingkaran. Di titik terbawah, kelajuannya paling besar, sehingga kursi mendorongmu paling kuat dan kamu merasa "lebih berat". Di dekat puncak ayunan, kelajuan kecil dan gaya normal mengecil, sehingga perut terasa melayang, persis seperti di lift Bab 6.
Sari (45 kg) duduk di kora-kora yang berayun pada lengan sepanjang 10 m. Di titik terbawah kelajuannya 9 m/s. Dengan \(g = 9{,}8\) m/s², berapa gaya dorong kursi pada Sari, dan berapa "berat yang terasa" (dalam kg)?
Di titik terbawah, pusat lingkaran ada di atas Sari. Hukum II: \(N - mg = mv^2/r\).
"Berat terasa" = \(N/g = 806/9{,}8 \approx 82\) kg, hampir dua kali massanya (\(N/mg \approx 1{,}8\)).
Kursi mendorong Sari ±806 N, sehingga ia merasa seberat ±82 kg, sekitar 1,8 kali berat biasanya. Massanya tetap 45 kg.
"Di puncak loop roller coaster, ada gaya ke atas yang menahan penumpang agar tidak jatuh."
Di puncak, berat dan gaya normal sama-sama mengarah ke bawah. Penumpang sebenarnya sedang "jatuh" ke pusat lingkaran, tetapi bergerak ke samping cukup cepat sehingga lintasannya tetap melengkung mengikuti rel.
"Air di mesin pengering terlempar keluar oleh gaya sentrifugal."
Tabung mendorong pakaian ke pusat. Air yang lolos lewat lubang tidak lagi didorong, sehingga bergerak lurus menyinggung tabung (Hukum I) dan keluar. Yang "hilang" adalah gaya ke pusat, bukan munculnya gaya keluar.
🏍️
Ban beralur saat hujan
Alur ban membuang air dari bawah ban agar karet tetap menyentuh aspal. Ban gundul bisa "mengapung" di atas lapisan air dan kehilangan gesekan.
🛑
Rem ABS
Mencegah roda terkunci agar gesekan tetap statis (lebih besar) dan setir tetap bisa dikendalikan saat mengerem mendadak.
🎡
Bianglala & kora-kora
Wahana pasar malam adalah laboratorium gerak melingkar: terasa berat di bawah, terasa ringan di atas.
🧺
Mesin cuci pengering
Tabung berputar ±1.000 rpm. Air lolos lewat lubang karena tidak ada lagi yang mendorongnya ke pusat.
🛣️
Tikungan jalan dimiringkan
Tikungan jalan raya dan jalan layang dibuat sedikit miring ke dalam agar kendaraan tidak hanya bergantung pada gesekan ban.
Lemari didorong 80 N tetapi tidak bergeser. Gaya gesek statis pada lemari adalah…
0 N
lebih dari 80 N
80 N, berlawanan arah dorongan
selalu sama dengan \(\mu_s mg\)
Lemari diam berarti gaya total nol. Gesekan statis menyesuaikan diri tepat 80 N. \(\mu_s mg\) hanyalah batas maksimumnya.
Saat kamu berjalan maju, gaya gesek lantai pada telapak kakimu mengarah…
ke depan
ke belakang
ke atas
tidak ada, karena kaki tidak tergelincir
Kakimu mendorong lantai ke belakang. Gesekan statis lantai mendorong kakimu ke depan (Hukum III). Gesekan statis tetap ada walaupun tidak ada yang tergelincir.
Batu diputar dengan tali dalam lingkaran mendatar, lalu talinya putus. Batu akan bergerak…
lurus menjauhi pusat
tetap melingkar
spiral ke arah pusat
lurus menyinggung lingkaran di titik putus
Tanpa gaya ke pusat, batu meneruskan kecepatannya saat itu (Hukum I), yang arahnya menyinggung lingkaran.
08
Bab 8 · Gerak & Gaya
Usaha, Energi & Daya: Mata Uang Alam Semesta
Raka mendorong tembok sampai bermandi keringat, tetapi kata fisika usahanya nol. Roller coaster meluncur naik-turun tanpa mesin. Rahasianya satu: energi tidak pernah hilang, ia hanya berganti rupa.
Setelah bab ini, kamu bisa
menghitung usaha \(W = Fs\cos\theta\) dan menjelaskan kapan usaha bernilai positif, negatif, atau nol;
memakai teorema usaha-energi serta menghitung energi kinetik, energi potensial gravitasi, dan energi pegas;
menerapkan kekekalan energi mekanik pada roller coaster, ayunan, dan benda jatuh, termasuk saat ada gesekan;
menghitung daya, efisiensi, dan energi listrik dalam kWh;
menjelaskan cara tuas, katrol, takal, dan bidang miring "menukar" gaya dengan jarak (keuntungan mekanis).
Tembok yang Tak Mau Bergeser Komik · 4 panel
Jam istirahat, di belakang kelas
RakaHiyaaa! Sudah sepuluh menit aku mendorong tembok ini. Usahaku pasti besaaar sekali!
NGGHH!
SariTemboknya bergeser berapa senti, Rak? Aku sudah pasang meteran.
RakaNol… Tapi aku capek banget, Sar!
Kak NaraMenurut fisika, usahamu pada tembok itu nol. Usaha butuh gaya dan perpindahan!
RakaJadi keringatku… sia-sia?
Di kantin
TarsiFakta unik: tidak sia-sia! Ototmu mengubah energi kimia dari makanan menjadi panas. Energi tidak hilang, cuma berganti rupa.
RakaKalau begitu, aku isi ulang energi dulu. Nasi goreng!
Raka mendorong tembok dengan gaya 200 N selama 10 menit, tetapi tembok sama sekali tidak bergeser. Berapa usaha yang dilakukan Raka pada tembok?
2.000 J, karena 200 N × 10 menit.
120.000 J, karena 200 N × 600 detik.
0 J, karena tembok tidak berpindah.
Tidak bisa dihitung tanpa massa tembok.
Jawabannya: 0 J. Dalam fisika, usaha adalah gaya dikali perpindahan, bukan gaya dikali waktu. Tembok tidak berpindah, jadi tembok tidak menerima energi sedikit pun. Rasa capek Raka nyata, tetapi energinya berubah menjadi panas di dalam ototnya sendiri, bukan masuk ke tembok.
8.1Usaha: gaya yang membuat benda berpindah
Dalam bahasa sehari-hari, "usaha" berarti berjuang keras. Dalam fisika, artinya lebih tegas. Usaha (\(W\), dari work) terjadi jika sebuah gaya membuat benda berpindah, dan gaya itu (atau sebagian darinya) searah perpindahan. Usaha adalah cara memindahkan energi: siapa yang melakukan usaha, memberikan energi kepada benda.
Usaha oleh gaya tetap. \(W = F\,s\cos\theta\), dengan \(\theta\) sudut antara arah gaya dan arah perpindahan. Satuannya joule (J): 1 J adalah usaha gaya 1 N yang memindahkan benda sejauh 1 m.
Gampangnya: usaha = dorongan × jarak pindah. Kalau kamu mendorong lemari dan lemarinya bergeser, kamu melakukan usaha. Kalau lemarinya tidak bergeser sedikit pun, usahamu nol, walaupun kamu kelelahan.
Sudut \(\theta\)
\(\cos\theta\)
Usaha
Contoh
0° (gaya searah gerak)
1
positif, maksimum: \(W = Fs\)
mendorong gerobak bakso ke depan
antara 0° dan 90°
antara 0 dan 1
positif, tetapi lebih kecil
menarik koper dengan pegangan miring
90° (tegak lurus)
0
nol
memikul pikulan sambil berjalan mendatar; gaya normal lantai
180° (berlawanan)
−1
negatif: mengambil energi
gaya gesek dan rem pada motor yang melaju
Kak Nara menarik koper beroda sejauh 10 m dengan gaya 50 N. Pegangannya membentuk sudut 37° terhadap lantai. Berapa usahanya?
Gaya tarik \(F = 50\) N mengarah miring, sepanjang pegangan koper.
Uraikan gaya menjadi dua komponen (pakai \(\cos 37^\circ \approx 0{,}8\) dan \(\sin 37^\circ \approx 0{,}6\)): mendatar \(40\) N searah gerak, tegak \(30\) N.
Komponen tegak hanya "mengangkat sedikit" koper dan tegak lurus perpindahan, sehingga tidak melakukan usaha. Yang bekerja hanya 40 N.
Koper berpindah 10 m. Usahanya \(W = F\cos\theta \cdot s = 40 \times 10 = 400\) J.
Bonus: berat dan gaya normal tegak lurus gerak, jadi usahanya nol. Gesekan roda berlawanan arah gerak, jadi usahanya negatif: ia mengambil energi dari koper.
Awas jebakan: usaha ≠ capekMemikul tas sambil diam, menahan galon di atas kepala, atau berjalan mendatar sambil memikul pikulan: semuanya melelahkan, tetapi usaha gaya angkatmu pada beban nol. Pada dua kasus pertama bebannya tidak berpindah. Pada kasus ketiga gaya angkatmu (ke atas) tegak lurus perpindahan (mendatar). Contoh paling ekstrem: gravitasi Bumi terus menarik satelit yang mengorbit melingkar, tetapi karena gayanya selalu tegak lurus gerak, gravitasi tidak melakukan usaha dan kelajuan satelit tetap.
Bu Ani mendorong gerobak sayur dengan gaya mendatar 80 N sejauh 25 m. Berapa usaha yang dilakukannya?
Gaya searah perpindahan, jadi \(\theta = 0^\circ\) dan \(\cos\theta = 1\).
\(W = F\,s = 80 \times 25 = 2000\) J.
Usahanya 2.000 J = 2 kJ. Energi sebanyak itu berpindah dari otot Bu Ani ke gerobak (lalu sebagian besar menjadi panas akibat gesekan roda).
Lanjut · IB & olimpiadeUsaha oleh gaya yang berubah = luas di bawah grafikJika gaya berubah sepanjang lintasan, usaha adalah luas di bawah grafik \(F\)–\(x\): \(W = \int F\,\mathrm dx\). Dalam bentuk vektor, \(W = \int \vec F \cdot \mathrm d\vec r\), yaitu hasil kali titik (Bab 3). Contoh: menarik pegas dari \(x = 0\) sampai \(x\) dengan gaya \(F = kx\) menghasilkan luas segitiga \(\tfrac12 \cdot x \cdot kx = \tfrac12 kx^2\). Itulah energi pegas yang akan kita temui di 8.3.
8.2Energi kinetik dan teorema usaha-energi
Energi adalah kemampuan untuk melakukan usaha. Bayangkan energi sebagai mata uang alam semesta: bisa ditabung (energi potensial), dibelanjakan (energi kinetik), ditukar ke mata uang lain (panas, listrik, bunyi), tetapi jumlah totalnya tidak pernah berubah.
Benda yang bergerak memiliki energi kinetik. Bola yang melaju bisa memecahkan kaca, dan air sungai yang deras bisa memutar kincir. Makin besar massa dan kecepatannya, makin besar energi kinetiknya, dan kecepatan berpengaruh kuadrat!
Teorema usaha-energi. Usaha total (usaha oleh semua gaya) pada benda sama dengan perubahan energi kinetiknya: \(W_\text{total} = \Delta E_k = \tfrac12 mv_\text{akhir}^2 - \tfrac12 mv_\text{awal}^2\).
Teorema ini menjelaskan sesuatu yang penting di jalan raya. Saat motor mengerem, gaya rem melakukan usaha negatif \(-F_\text{rem}\, s\) yang menghabiskan energi kinetik \(\tfrac12 mv^2\). Jadi jarak pengereman \(s = \dfrac{mv^2}{2F_\text{rem}}\) sebanding dengan \(v^2\). Ngebut dua kali lebih cepat berarti butuh jarak rem empat kali lebih jauh.
Motor beserta pengendaranya bermassa 150 kg melaju 72 km/jam. Rem memberi gaya rata-rata 1.200 N. Berapa jarak pengereman? Berapa jaraknya jika motor melaju 144 km/jam?
Ubah satuan: \(72\) km/jam \(= 20\) m/s.
Energi kinetik awal: \(E_k = \tfrac12 \times 150 \times 20^2 = 30\,000\) J.
Teorema usaha-energi: \(-F s = 0 - E_k\) → \(s = \dfrac{30\,000}{1200} = 25\) m.
Pada 144 km/jam (40 m/s), \(E_k = \tfrac12 \times 150 \times 40^2 = 120\,000\) J, sehingga \(s = 100\) m.
Kecepatan dua kali lipat membuat jarak pengereman empat kali lipat (25 m → 100 m). Itu sebabnya batas kecepatan di jalan sekolah sangat rendah.
Trik Kak Nara: satuan energi dari piring makanEnergi kinetik motor tadi (30.000 J) kira-kira sama dengan energi dalam 7 kkal, kurang dari sebutir permen! Sebaliknya, energi sepiring nasi goreng (±2,5 juta joule) cukup untuk mempercepat motor itu dari diam sampai 72 km/jam lebih dari 80 kali. Tubuh kita ternyata "baterai" yang luar biasa.
8.3Energi potensial: tabungan energi
Energi potensial adalah energi yang "ditabung" karena posisi atau bentuk benda. Kelapa di puncak pohon, air di bendungan, dan ketapel yang diregangkan menyimpan energi yang siap "dicairkan" menjadi gerak.
Energi potensial gravitasi
Untuk mengangkat benda bermassa \(m\) setinggi \(h\) dengan pelan-pelan, kamu harus melawan beratnya \(mg\) sejauh \(h\). Usaha itu tersimpan sebagai \(E_p = mgh\). Ketinggian \(h\) diukur dari titik acuan yang boleh kamu pilih sendiri (lantai, meja, atau permukaan laut). Yang selalu bermakna secara fisis adalah perubahan \(\Delta E_p\), bukan nilai mutlaknya.
Makin tinggi dan makin berat sebuah benda, makin besar energi tabungannya. Itu sebabnya buah kelapa yang jatuh dari pohon tinggi sangat berbahaya: energi tabungannya besar dan berubah menjadi energi gerak saat jatuh.
Energi potensial pegas
Pegas yang ditarik atau ditekan sejauh \(x\) menyimpan energi \(E_p = \tfrac12 kx^2\), dengan \(k\) konstanta pegas (N/m). Energi ini berasal dari usaha melawan gaya pegas \(F = kx\) yang makin besar saat pegas makin teregang (luas segitiga di grafik \(F\)–\(x\)). Shock absorber motor, trampolin, dan busur panah memakai tabungan energi semacam ini.
Karung beras 20 kg dinaikkan ke lantai rumah panggung setinggi 2 m (\(g = 10\) m/s²) lewat tiga jalur berbeda. Pertambahan energi potensialnya selalu \(mgh = 400\) J. Gravitasi tidak peduli jalan mana yang kamu pilih: inilah ciri gaya konservatif.
Gaya konservatif
Gaya nonkonservatif
Contoh
gravitasi, gaya pegas, gaya listrik
gesekan, hambatan udara, dorongan otot, rem
Usaha bergantung jalur?
tidak; hanya posisi awal dan akhir
ya; jalur lebih panjang, usaha gesek lebih besar
Usaha pada lintasan tertutup (kembali ke titik awal)
nol
tidak nol (energi "bocor" menjadi panas)
Punya energi potensial?
ya (\(mgh\), \(\tfrac12 kx^2\))
tidak
Peluncur mainan memiliki pegas dengan \(k = 500\) N/m yang ditekan 4 cm. Pegas melontarkan bola plastik 10 g tegak ke atas. Abaikan gesekan dan gunakan \(g = 10\) m/s². Berapa kecepatan bola saat lepas, dan setinggi apa bola naik?
Energi pegas: \(E_p = \tfrac12 kx^2 = \tfrac12 \times 500 \times 0{,}04^2 = 0{,}4\) J.
Semua berubah menjadi energi kinetik (abaikan kenaikan kecil selama 4 cm): \(\tfrac12 mv^2 = 0{,}4\) → \(v = \sqrt{2 \times 0{,}4/0{,}01} = \sqrt{80} \approx 8{,}9\) m/s.
Di puncak, semua menjadi energi potensial gravitasi: \(mgh = 0{,}4\) → \(h = \dfrac{0{,}4}{0{,}01 \times 10} = 4\) m.
Bola melesat ±8,9 m/s dan naik sampai 4 m, setinggi atap rumah! Itu sebabnya mainan pelontar tidak boleh diarahkan ke mata siapa pun.
8.4Kekekalan energi mekanik: roller coaster tanpa mesin
Di taman air ada dua perosotan dari menara yang sama tingginya. Perosotan A lurus dan curam. Perosotan B panjang dan berkelok-kelok. Keduanya sangat licin (gesekan diabaikan). Siapa yang tiba di kolam dengan kelajuan lebih besar?
Perosotan A, karena lebih curam.
Perosotan B, karena lintasannya lebih panjang untuk mempercepat.
Sama besar, karena ketinggiannya sama.
Bergantung pada berat anak yang meluncur.
Jawabannya: sama besar. Tanpa gesekan, energi potensial \(mgh\) di puncak berubah seluruhnya menjadi energi kinetik di bawah: \(\tfrac12 mv^2 = mgh\), sehingga \(v = \sqrt{2gh}\). Bentuk lintasan dan massa tidak muncul dalam rumus! Yang berbeda hanyalah waktu tempuhnya: perosotan curam lebih cepat sampai.
Energi mekanik adalah jumlah energi kinetik dan energi potensial: \(E_m = E_k + E_p\). Jika hanya gaya konservatif yang melakukan usaha (tanpa gesekan dan hambatan udara), energi mekanik kekal. Energi hanya berpindah bolak-balik antara bentuk kinetik dan potensial.
Hukum kekekalan energi mekanik. \(E_{k1} + E_{p1} = E_{k2} + E_{p2}\), atau \(\tfrac12 mv_1^2 + mgh_1 = \tfrac12 mv_2^2 + mgh_2\).
Trik Kak Nara: deret 5–20–45Dengan \(g = 10\) m/s² dan mulai dari diam: jatuh 5 m → 10 m/s, jatuh 20 m → 20 m/s, jatuh 45 m → 30 m/s, jatuh 80 m → 40 m/s. Polanya \(h = 5n^2\) → \(v = 10n\). Hafalkan empat pasangan ini, dan banyak soal pilihan ganda bisa kamu jawab dalam hitungan detik.
Ketuk atau seret lintasan untuk memilih titik awal, lalu tekan Jalankan. Perhatikan batang energi: biru = \(E_p\), oranye = \(E_k\), merah = kalor. Dengan gesekan nol, apakah Raka bisa melewati bukit yang lebih tinggi dari titik awalnya? Lalu naikkan gesekan: ke mana energinya "pergi"?
Kak Nara menarik ayunan Raka ke belakang (simpangan 40°), lalu melepaskannya. Di titik tertinggi kecepatannya nol: semua energi berupa \(E_p\).
Di tengah perjalanan turun (simpangan 20°), tinggi Raka tinggal sekitar seperempat tinggi awal. Sebagian besar \(E_p\) sudah berubah menjadi \(E_k\).
Di titik terendah, \(E_p\) (terhadap titik terendah) nol dan \(E_k\) maksimum. Di sinilah ayunan paling cepat.
Ayunan naik lagi sampai ketinggian yang sama di sisi lain (jika gesekan diabaikan). \(E_k\) kembali menjadi \(E_p\).
Kenyataannya, hambatan udara dan gesekan di engsel mengubah sebagian energi menjadi panas. Ayunan makin rendah, tetapi total energi (\(E_p + E_k\) + kalor) tetap 100%.
Jika ada gesekan, energi mekanik berkurang, tetapi energi total tetap kekal. Selisihnya berubah menjadi kalor (energi termal) dan sedikit bunyi: \(E_{m1} = E_{m2} + Q_\text{gesek}\). Ini adalah bentuk umum hukum kekekalan energi: energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan, hanya berubah bentuk.
Sari (40 kg) meluncur dari puncak perosotan setinggi 5 m, mulai dari diam. Di bawah, kelajuannya 8 m/s. Gunakan \(g = 10\) m/s². Berapa energi yang berubah menjadi kalor?
Energi mekanik di puncak: \(E_p = mgh = 40 \times 10 \times 5 = 2000\) J (dan \(E_k = 0\)).
Energi mekanik di bawah: \(E_k = \tfrac12 \times 40 \times 8^2 = 1280\) J (dan \(E_p = 0\)).
Kalor gesekan: \(Q = 2000 - 1280 = 720\) J.
Sebanyak 720 J (36%) berubah menjadi panas pada celana renang dan perosotan. Tanpa gesekan, Sari akan tiba dengan \(v = \sqrt{2 \times 10 \times 5} = 10\) m/s.
Tamu dari masa laluPada tahun 1840-an, James Prescott Joule (1818–1889), putra pemilik pabrik bir di Inggris, menjatuhkan beban yang memutar kincir kecil di dalam air. Gesekan kincir memanaskan air, dan Joule mengukur kenaikan suhu yang sangat kecil itu dengan termometer amat teliti. Hasilnya: usaha mekanik tertentu selalu menghasilkan panas dalam jumlah tertentu. Panas ternyata bukan "zat", melainkan bentuk energi. Untuk menghormatinya, satuan energi dinamai joule.
"Energi bisa habis. Buktinya, bola yang memantul akhirnya berhenti."
Energi bola tidak lenyap. Setiap pantulan mengubah sebagian energi menjadi panas (bola dan lantai sedikit menghangat) dan bunyi "tuk". Energi totalnya tetap; hanya bentuknya yang tidak lagi berguna untuk memantul.
"Anak yang lebih berat meluncur lebih cepat di perosotan licin."
Tanpa gesekan, \(v = \sqrt{2gh}\) sama sekali tidak bergantung pada massa. Anak berat memang punya energi lebih besar, tetapi juga butuh energi lebih besar untuk bergerak dengan kecepatan yang sama.
8.5Daya dan efisiensi: seberapa cepat energi berpindah
Raka dan Sari sama-sama naik ke lantai tiga sekolah. Usaha melawan gravitasi kira-kira sama, tetapi Raka berlari dan sampai lebih dulu. Raka mengeluarkan daya lebih besar. Daya adalah laju usaha: berapa banyak energi yang dipindahkan setiap detik.
Daya. \(P = \dfrac{W}{t}\), satuannya watt (W): 1 W = 1 J/s. Untuk benda yang didorong gaya \(F\) dengan kecepatan \(v\), \(P = Fv\).
Sumber atau alat
Daya (kira-kira)
Lampu LED rumah
5–15 W
Kipas angin berdiri
±45 W
Rice cooker saat memasak
±400 W
Remaja berlari menaiki tangga
±300–700 W (sebentar saja)
Mesin motor bebek
±6.000 W = 6 kW
PLTA Cirata (Jawa Barat)
±1.000.000.000 W = 1 GW
kWh: satuan energi di tagihan listrik
PLN tidak menagih daya, melainkan energi. Satuannya kilowatt-jam (kWh): energi yang dipakai alat 1.000 W selama 1 jam. \(1\ \text{kWh} = 1000\ \text{W} \times 3600\ \text{s} = 3{,}6\) juta joule. Rice cooker 400 W yang memasak 30 menit memakai \(0{,}4 \times 0{,}5 = 0{,}2\) kWh.
Efisiensi: tidak ada mesin yang sempurna
Setiap mesin mengubah energi masukan menjadi energi berguna, ditambah energi "terbuang" (biasanya panas). Efisiensi \(\eta = \dfrac{\text{energi (atau daya) keluaran berguna}}{\text{energi (atau daya) masukan}} \times 100\%\). Lampu pijar kuno hanya ±5% efisien (sisanya panas!), lampu LED jauh lebih baik, dan motor listrik besar bisa di atas 90%.
Pompa air menaikkan 600 liter air (600 kg) ke tandon setinggi 10 m dalam 5 menit. Efisiensi pompa 50%. Berapa daya listrik yang dipakai pompa? (\(g = 10\) m/s²)
Energi berguna (menaikkan air): \(mgh = 600 \times 10 \times 10 = 60\,000\) J.
Daya keluaran: \(P_\text{out} = \dfrac{60\,000}{300\ \text{s}} = 200\) W.
Daya masukan: \(P_\text{in} = \dfrac{P_\text{out}}{\eta} = \dfrac{200}{0{,}5} = 400\) W.
Pompa menyedot 400 W dari listrik rumah. Separuhnya (200 W) terbuang sebagai panas dan gesekan di motor serta pipa.
Fisika Indonesia: tangga energi Sungai CitarumSungai Citarum di Jawa Barat dibendung tiga kali berturut-turut: Saguling (±700 MW), Cirata (±1.000 MW), dan Jatiluhur. Air yang ditahan di waduk menyimpan energi potensial raksasa. Saat dialirkan turun lewat pipa pesat, energi potensial menjadi energi kinetik, memutar turbin, lalu generator mengubahnya menjadi listrik untuk jutaan rumah di Jawa dan Bali. Daya PLTA kira-kira \(P = \eta\,\rho\,Q\,g\,h\): makin besar debit air \(Q\) dan beda tinggi \(h\), makin besar dayanya. Di desa-desa Sumatra Barat dan Jawa, kincir air bambu memakai prinsip yang sama untuk mengangkat air ke sawah.
Lanjut · IB & olimpiadeMengapa mobil punya kecepatan maksimum?Pada kecepatan tetap di jalan datar, gaya dorong mesin sama dengan gaya hambat. Hambatan udara kira-kira sebanding dengan \(v^2\), sehingga daya yang dibutuhkan \(P = F_\text{hambat}\, v \propto v^3\). Menggandakan kecepatan membutuhkan daya delapan kali lipat! Kecepatan maksimum tercapai saat daya mesin tidak sanggup lagi mengimbangi \(F_\text{hambat}\, v\). Ini juga alasan kendaraan jauh lebih boros bahan bakar saat ngebut.
8.6Pesawat sederhana: menukar gaya dengan jarak
Pesawat sederhana adalah alat yang membuat pekerjaan terasa lebih ringan: tuas, katrol, bidang miring, roda berporos, baji, dan sekrup. Rahasianya adalah satu prinsip: usaha tidak bisa dihemat, tetapi gaya bisa ditukar dengan jarak. Jika kamu ingin memakai gaya separuhnya, kamu harus menariknya sejauh dua kali lipat. Usaha = gaya × jarak tetap sama (atau sedikit lebih besar karena gesekan).
Tuas adalah batang kaku yang berputar pada titik tumpu. Syarat seimbangnya: beban × lengan beban = kuasa × lengan kuasa, sehingga \(KM = \dfrac{\text{lengan kuasa}}{\text{lengan beban}}\). Rahasia putar-memutar ini akan kita bongkar lebih dalam di Bab 10 (torsi).
Pilih kelas tuas, geser bagian yang bertanda ↔, atur massa beban dan gaya tanganmu, lalu tekan Ungkit!. Bandingkan jarak tempuh tangan dan beban. Apakah usaha tanganmu pernah lebih kecil daripada usaha pada beban?
Katrol dan takal
Katrol tetap (seperti kerekan timba sumur dan tiang bendera) tidak mengurangi gaya (\(KM = 1\)), tetapi mengubah arah tarikan: menarik ke bawah jauh lebih nyaman karena kamu bisa memakai berat badanmu. Katrol bebas ikut naik bersama beban dan ditopang dua tali, sehingga \(KM = 2\). Takal (gabungan beberapa katrol, dipakai di pelabuhan dan bengkel) punya \(KM\) sama dengan jumlah tali yang menopang beban.
Pilih susunan katrol dan massa beban, lalu tekan Jalankan untuk menarik tali sejauh 2 m. Bandingkan angka dinamometer dengan berat beban. Turunkan efisiensi: berapa usaha yang berubah menjadi panas?
Bidang miring
Mendorong drum ke bak truk lewat papan miring lebih ringan daripada mengangkatnya langsung. Untuk bidang miring licin dengan panjang \(s\) dan tinggi \(h\): \(F \cdot s = w \cdot h\), sehingga \(KM = \dfrac{s}{h}\). Makin landai (makin panjang), makin ringan gaya dorongnya, tetapi makin jauh jaraknya. Jalan berkelok di pegunungan, tangga, sekrup, dan dongkrak ulir adalah bidang miring yang "dilipat".
Buruh pelabuhan mengangkat peti 200 kg memakai takal dengan 4 tali penopang. Ia ternyata perlu menarik dengan gaya 625 N. Berapa efisiensi takal, dan berapa meter tali yang ditarik untuk menaikkan peti 1,5 m? (\(g = 10\) m/s²)
Berat peti: \(w = 200 \times 10 = 2000\) N. Takal ideal butuh \(F = w/4 = 500\) N.
Panjang tali yang ditarik: \(4 \times 1{,}5 = 6\) m (setiap tali penopang memendek 1,5 m).
Usaha keluaran: \(w h = 2000 \times 1{,}5 = 3000\) J. Usaha masukan: \(F s = 625 \times 6 = 3750\) J.
Efisiensi 80%. Gaya 625 N masih jauh lebih ringan daripada 2.000 N, tetapi buruh harus menarik 6 m tali, dan 750 J terbuang menjadi panas di poros-poros katrol.
"Katrol dan tuas menghemat usaha."
Pesawat sederhana menghemat gaya, bukan usaha. Gaya kecil dibayar dengan jarak yang jauh. Karena ada gesekan, usaha yang kamu keluarkan malah sedikit lebih besar daripada tanpa alat. Untungnya: pekerjaan berat jadi mungkin dilakukan.
"Mesin dengan efisiensi 100% bisa dibuat kalau bahannya cukup bagus."
Selalu ada gesekan, hambatan udara, atau panas yang tak terhindarkan. Efisiensi bisa mendekati 100%, tetapi tidak pernah mencapainya. Mesin yang menghasilkan energi lebih banyak daripada masukannya (mesin abadi) melanggar hukum kekekalan energi.
8.7Lanjut: keseimbangan dan grafik energi potensial
Bagian ini untuk yang penasaran. Intinya sederhana: kelereng di dasar mangkuk akan kembali ke dasar jika disenggol (stabil), sedangkan kelereng di atas bola terbalik akan menggelinding pergi (labil).
Gambarkan energi potensial \(U\) sebagai "pemandangan bukit dan lembah". Sebuah benda selalu "ingin" bergerak ke arah energi potensial yang lebih rendah, seperti kelereng yang menggelinding ke dasar lembah. Dari grafik \(U(x)\) kita bisa membaca tiga jenis keseimbangan.
Lembah = keseimbangan stabil (disenggol, kembali). Puncak = labil (disenggol, menjauh). Dataran = netral (disenggol, diam di tempat baru).
Contoh nyata: bola di dasar mangkuk (stabil), pensil yang berdiri di ujung runcingnya (labil), dan bola di lantai datar (netral). Di Bab 10 kamu akan melihat hubungannya dengan titik berat: benda stabil jika titik beratnya naik saat benda dimiringkan.
Lanjut · IB & olimpiadeGaya adalah "kemiringan" energi potensialUntuk gaya konservatif, \(F = -\dfrac{\mathrm dU}{\mathrm dx}\). Tanda minus berarti gaya selalu menunjuk ke arah \(U\) yang menurun, seperti kelereng yang menuruni lereng. Di titik keseimbangan \(\mathrm dU/\mathrm dx = 0\). Jika \(\mathrm d^2U/\mathrm dx^2 > 0\) (lembah), keseimbangannya stabil; jika \(< 0\) (puncak), labil. Contoh: untuk pegas \(U = \tfrac12 kx^2\), sehingga \(F = -kx\) (hukum Hooke) dan \(x = 0\) stabil. Dekat lembah mana pun, \(U\) mirip parabola, jadi benda akan bergetar harmonik. Itulah alasan getaran harmonik (Bab 12) muncul di mana-mana di alam.
🏞️
PLTA di waduk
Energi potensial air di Saguling dan Cirata diubah menjadi listrik. Makin tinggi air jatuh, makin besar dayanya.
🛣️
Kelok 44, Sumatra Barat
Jalan menuju Danau Maninjau berkelok 44 kali. Jalan yang landai adalah bidang miring panjang: tanjakan terasa ringan, tetapi jaraknya jauh.
🚆
Rem regeneratif kereta listrik
Saat mengerem, motor listrik kereta modern bekerja sebagai generator. Energi kinetik diubah kembali menjadi listrik, bukan dibuang sebagai panas.
🔧
Dongkrak ulir
Ulir dongkrak adalah bidang miring yang dililitkan. Puluhan putaran engkol yang ringan mengangkat mobil beberapa sentimeter saja.
⚖️
Dacin di pasar
Timbangan gantung tradisional adalah tuas kelas I: anak timbangan kecil yang jauh dari titik gantung menyeimbangkan karung berat yang dekat.
🧺
Pikulan pedagang
Berjalan mendatar sambil memikul: gaya angkat bahu tegak lurus gerak, jadi usahanya pada dagangan nol. Capeknya berasal dari otot yang terus bekerja.
Pada peristiwa berikut, gaya yang usahanya nol adalah…
gaya dorong Raka pada gerobak yang bergerak maju
gaya gesek lantai pada lemari yang digeser
gaya berat pada kelapa yang jatuh
gaya normal lantai pada koper yang ditarik mendatar
Gaya normal tegak lurus perpindahan mendatar, jadi \(\cos 90^\circ = 0\). Gesekan melakukan usaha negatif, sedangkan dorongan dan berat kelapa melakukan usaha positif.
Bola pingpong dan bola bowling menggelinding sama cepat. Kamu berani menghentikan yang mana dengan kakimu? Bab ini membongkar besaran yang membuat airbag, helm, dan roket bekerja.
Setelah bab ini, kamu bisa
menghitung momentum \(p = mv\) dan impuls \(I = F\Delta t\), serta membaca impuls sebagai luas di bawah grafik \(F\)–\(t\);
menjelaskan mengapa airbag, helm, dan matras mengurangi gaya benturan;
memakai hukum kekekalan momentum untuk tolakan (rekoil), ledakan, dan tumbukan;
membedakan tumbukan lenting sempurna, lenting sebagian, dan tidak lenting sama sekali memakai koefisien restitusi \(e\);
menentukan pusat massa dan memahami mengapa geraknya tidak terpengaruh ledakan.
Pingpong Lawan Bowling Komik · 4 panel
Lorong sekolah, sepulang les
Kak NaraDua bola ini akan kugelindingkan sama cepat. Siapa berani menghentikannya pakai kaki?
TUK!
RakaGampang! Bola pingpong… beres!
GLUDUG!
RakaWAAA! Yang ini nggak mau berhenti!
SariKecepatannya sama, tapi massanya beda ribuan kali, Rak!
Kak NaraYang membuat bola sulit dihentikan adalah momentum: massa × kecepatan.
TarsiFakta unik: bola bowling bisa lebih dari 2.000 kali lebih berat daripada bola pingpong (2,7 g)!
Bola pingpong (2,7 g) dan bola bowling (6 kg) menggelinding sama-sama 2 m/s. Kamu ingin menghentikan masing-masing dalam waktu 0,5 detik. Gaya yang diperlukan…
sama besar, karena kecepatannya sama.
untuk bola bowling lebih dari 2.000 kali lebih besar.
untuk bola pingpong lebih besar, karena bola ringan lebih lincah.
tidak bisa ditentukan, karena bola bowling tidak mungkin dihentikan.
Jawabannya: bola bowling butuh gaya lebih dari 2.000 kali lebih besar. Gaya penghenti = perubahan momentum ÷ waktu. Kecepatannya sama, tetapi massanya berbeda \(6/0{,}0027 \approx 2200\) kali, jadi momentumnya juga berbeda sekitar 2.200 kali. Bola pingpong cukup disentuh ±0,01 N. Bola bowling butuh ±24 N, kira-kira berat dua setengah kilogram beras!
9.1Momentum: "jumlah gerak" sebuah benda
Newton menyebutnya quantitas motus, "jumlah gerak". Sekarang kita menyebutnya momentum: hasil kali massa dan kecepatan. Momentum mengukur seberapa sulit sebuah benda dihentikan (atau dibelokkan).
Momentum. \(\vec p = m\vec v\). Satuannya kg·m/s. Momentum adalah vektor: arahnya sama dengan arah kecepatan. Bola yang melaju ke kanan dan bola yang melaju ke kiri dengan kelajuan sama punya momentum yang berlawanan tanda.
Gampangnya: benda yang berat dan cepat punya momentum besar, sehingga sulit dihentikan. Truk yang pelan pun bisa punya momentum lebih besar daripada motor yang ngebut.
Benda
Massa
Kecepatan
Momentum (kg·m/s)
Kelereng yang disentil
5 g
2 m/s
0,01
Bola pingpong saat dismes
2,7 g
20 m/s
±0,05
Bola sepak saat tendangan keras
0,43 kg
25 m/s
±11
Pelari cepat
60 kg
10 m/s
600
Motor + pengendara
150 kg
15 m/s (54 km/jam)
2.250
Truk bermuatan
10.000 kg
20 m/s (72 km/jam)
200.000
Jawaban teka-teki Bab 8Truk dan motor punya energi kinetik sama, lalu direm dengan gaya sama. Keduanya berhenti dalam jarak yang sama (gaya × jarak = energi kinetik), tetapi tidak dalam waktu yang sama. Gaya × waktu mengubah momentum, dan untuk energi kinetik yang sama, momentum truk jauh lebih besar. Jadi truk butuh waktu pengereman lebih lama.
Lanjut · IB & olimpiadeMomentum dan energi kinetik saling terhubungDari \(p = mv\) dan \(E_k = \tfrac12 mv^2\) diperoleh \(E_k = \dfrac{p^2}{2m}\) atau \(p = \sqrt{2mE_k}\). Untuk energi kinetik yang sama, benda bermassa 100 kali lebih besar punya momentum 10 kali lebih besar. Perhatikan juga perbedaan sifatnya: momentum adalah vektor (bisa saling meniadakan), sedangkan energi kinetik skalar dan tidak pernah negatif.
9.2Impuls: gaya × waktu
Untuk mengubah momentum, kamu perlu gaya yang bekerja selama selang waktu tertentu. Hasil kali gaya dan waktu disebut impuls. Dari Hukum II Newton dalam bentuk aslinya, \(F = \Delta p/\Delta t\), kita mendapatkan teorema impuls-momentum.
Teorema impuls-momentum. \(I = F\,\Delta t = \Delta p = m v_\text{akhir} - m v_\text{awal}\). Satuan impuls N·s, sama dengan kg·m/s.
Rumus ini menyimpan rahasia keselamatan. Perubahan momentum saat benda berhenti sudah tertentu (\(\Delta p = mv\)). Tetapi kita bisa memilih waktunya: makin lama waktu pengereman, makin kecil gaya yang diterima. Lutut yang ditekuk saat mendarat, sarung tinju, helm berbusa, airbag, dan zona remuk mobil semuanya bekerja dengan memperpanjang waktu benturan.
Impuls adalah luas di bawah grafik \(F\)–\(t\). Kedua benturan menghentikan kepala yang sama dari kecepatan yang sama, jadi luasnya sama. Airbag "meratakan" grafik: waktunya panjang, puncaknya rendah.
Telur dijatuhkan dari ketinggian yang sama ke lantai keramik dan ke kasur. Di kasur, telur tidak pecah. Mengapa?
Kasur mengurangi perubahan momentum telur.
Kasur menyerap momentum telur sampai habis.
Kasur memperpanjang waktu benturan, sehingga gaya pada telur lebih kecil.
Telur menjadi lebih ringan saat jatuh ke kasur.
Jawabannya: waktu benturan lebih lama. Di keramik maupun di kasur, telur berhenti dari kecepatan yang sama, jadi perubahan momentumnya sama. Bedanya, keramik menghentikan telur dalam ±0,002 detik, sedangkan kasur ±0,1 detik, 50 kali lebih lama. Gaya rata-ratanya pun 50 kali lebih kecil. Buktikan sendiri di Lab Mini berikut!
Pilih permukaan dan ketinggian, lalu tekan Jalankan. Benturan diputar dalam gerak lambat dan grafik \(F\)–\(t\) tergambar. Ulangi dengan permukaan lain: luas di bawah kurva (\(\Delta p\)) tetap sama, tetapi puncaknya? Garis merah putus-putus adalah perkiraan gaya yang membuat cangkang retak.
Awas jebakanAirbag, helm, dan matras tidak mengurangi perubahan momentum. Mereka hanya memperpanjang waktunya. Lebih mengejutkan lagi: benda yang memantul mengalami perubahan momentum lebih besar daripada benda yang berhenti menempel. Bola yang datang 10 m/s lalu memantul 10 m/s mengalami \(\Delta v = 20\) m/s, dua kali lipat! Itu sebabnya bantalan pengaman dirancang agar tidak memantulkan benda.
Bola 0,4 kg yang diam ditendang hingga melaju 25 m/s. Kaki menyentuh bola selama 0,01 s. Berapa impuls dan gaya rata-rata kaki pada bola?
Impuls = perubahan momentum: \(I = m v - 0 = 0{,}4 \times 25 = 10\) N·s.
Gaya rata-rata: \(F = \dfrac{I}{\Delta t} = \dfrac{10}{0{,}01} = 1000\) N.
Kaki menghantam bola dengan gaya rata-rata 1.000 N, setara berat orang bermassa 100 kg, tetapi hanya selama seperseratus detik.
Fisika Indonesia: mengapa bom ikan dilarangIndonesia berada di jantung Segitiga Terumbu Karang dunia. Sayangnya, masih ada yang menangkap ikan dengan bahan peledak. Ledakan di air menghasilkan gelombang tekanan yang memberi impuls sangat besar dalam waktu sangat singkat. Gaya puncaknya merobek organ dalam ikan (termasuk ikan kecil yang tidak ditangkap) dan menghancurkan karang yang butuh puluhan tahun untuk tumbuh. Karena merusak dan berbahaya bagi nelayan sendiri, penangkapan ikan dengan bahan peledak dilarang undang-undang.
9.3Hukum kekekalan momentum
Bayangkan dua benda, A dan B, saling mendorong (bertumbukan, meledak, atau saling melempar). Menurut Hukum III Newton, gaya A pada B sama besar dan berlawanan arah dengan gaya B pada A, dan keduanya bekerja selama waktu yang sama. Jadi impulsnya juga sama besar dan berlawanan: momentum yang "hilang" dari A persis "pindah" ke B.
Hukum kekekalan momentum. Jika gaya luar total pada suatu sistem nol, momentum total sistem tetap: \(m_1 v_1 + m_2 v_2 = m_1 v_1' + m_2 v_2'\).
Raka (40 kg) berdiri di atas sampan (60 kg) yang diam di Sungai Musi. Momentum total sistem Raka + sampan = 0.
Raka melompat ke arah dermaga dengan kecepatan 3 m/s. Kakinya mendorong sampan ke belakang, dan sampan mendorong Raka ke depan (Hukum III).
Momentum total harus tetap nol, jadi sampan terdorong ke belakang: \(60\,v = -120\) → \(v = -2\) m/s.
Akibatnya, dorongan lompatan "terbagi" dengan sampan, dan dermaga ternyata terlalu jauh… BYUR! Pelajaran: tambatkan sampan ke dermaga dulu. Tali tambat memberi gaya luar yang menahan sampan.
Kak Nara (60 kg) berdiri di atas papan beroda (5 kg) yang diam, sambil memeluk karung beras 25 kg. Ia melempar karung ke depan dengan kecepatan 2 m/s. Gesekan roda diabaikan. Berapa kecepatan Kak Nara setelah melempar?
Sistem: Kak Nara + papan + karung. Mula-mula diam, jadi \(p_\text{awal} = 0\).
Kak Nara meluncur mundur ±0,77 m/s. Tanda minus berarti arahnya berlawanan dengan lemparan. Inilah prinsip rekoil (tolakan) yang juga mendorong roket.
Trik Kak Nara: "sebelum = sesudah, jangan lupa tanda"Pilih satu arah sebagai positif (misalnya ke kanan), lalu tulis semua kecepatan dengan tandanya. Benda yang bergerak ke kiri diberi tanda minus. Hampir semua kesalahan soal momentum berasal dari tanda yang terlupa!
9.4Tumbukan: memantul, setengah memantul, atau menempel
Kelereng A menabrak lurus kelereng B yang diam. Massa keduanya sama, dan tumbukannya lenting sempurna (tidak ada energi yang hilang). Setelah tumbukan…
keduanya bergerak bersama dengan setengah kecepatan A.
A berhenti, B melaju dengan kecepatan awal A.
A memantul balik, B tetap diam.
B melaju dua kali kecepatan A.
Jawabannya: A berhenti, B melaju dengan kecepatan A. Pilihan "bergerak bersama setengah kecepatan" memenuhi kekekalan momentum, tetapi energi kinetiknya tinggal separuh, jadi tidak lenting sempurna. Satu-satunya cara agar momentum dan energi sama-sama kekal adalah A dan B "bertukar" kecepatan. Kamu bisa melihatnya pada permainan gundu dan bola biliar.
Dalam setiap tumbukan (tanpa gaya luar yang berarti), momentum selalu kekal. Yang berbeda adalah nasib energi kinetiknya.
Jenis tumbukan
Momentum
Energi kinetik
Koefisien restitusi
Contoh
Lenting sempurna
kekal
kekal
\(e = 1\)
tumbukan antarmolekul gas; kira-kira bola biliar
Lenting sebagian
kekal
berkurang
\(0 < e < 1\)
bola memantul, kelereng, mobil bertabrakan lalu terpisah
Tidak lenting sama sekali
kekal
berkurang paling banyak
\(e = 0\)
gerbong kereta tersambung, anak panah menancap di sasaran, lumpur menempel
Atur massa, kecepatan, dan koefisien restitusi \(e\), lalu tekan Jalankan. Bandingkan batang momentum dan energi sebelum dan sesudah. Segitiga ungu adalah pusat massa: apakah kecepatannya berubah saat tumbukan? Coba juga \(e = 0\) (troli menempel) dan dua troli bermassa sama dengan \(e = 1\).
Gerbong barang 20 ton melaju 3 m/s lalu menabrak dan tersambung dengan gerbong 10 ton yang diam. Berapa kecepatan bersamanya, dan berapa energi kinetik yang hilang?
Kurangkan kedua persamaan: \(4v_2' = 4\) → \(v_2' = 1\) m/s, lalu \(v_1' = -1\) m/s.
Cek energi: sebelum \(\tfrac12(0{,}01)(4) = 0{,}02\) J; sesudah \(\tfrac12(0{,}01)(1) + \tfrac12(0{,}03)(1) = 0{,}02\) J. ✓
Kelereng kecil memantul balik 1 m/s, gundu besar maju 1 m/s. Pada tumbukan lenting sempurna, benda ringan yang menabrak benda berat yang diam selalu terpental balik.
Lanjut · IB & olimpiadeRumus umum tumbukan lenting sempurna 1DJika \(m_2\) mula-mula diam: \(v_1' = \dfrac{m_1 - m_2}{m_1 + m_2}\,v_1\) dan \(v_2' = \dfrac{2m_1}{m_1 + m_2}\,v_1\). Tiga kasus istimewa: massa sama → bertukar kecepatan; benda sangat berat menabrak benda ringan → benda ringan melesat hampir \(2v_1\); benda ringan menabrak tembok berat → memantul dengan kelajuan hampir sama. Trik elegan: pindah ke kerangka pusat massa. Di sana tumbukan lenting hanya membalik arah kecepatan masing-masing benda.
Tamu dari masa lalu: perang "vis viva"Pada abad ke-17 dan ke-18, para ilmuwan berdebat sengit. René Descartes berpendapat besaran yang kekal adalah "jumlah gerak" (kira-kira \(mv\)). Gottfried Leibniz membela vis viva, "gaya hidup" \(mv^2\). Bertahun-tahun kemudian, Émilie du Châtelet mempopulerkan percobaan Willem 's Gravesande: bola logam dijatuhkan ke tanah liat. Bola dengan kecepatan dua kali lipat membuat lubang empat kali lebih dalam, sehingga \(v^2\) memang penting. Ternyata keduanya benar! Momentum \(mv\) selalu kekal dalam tumbukan, sedangkan \(\tfrac12 mv^2\) (energi kinetik) hanya kekal pada tumbukan lenting sempurna.
"Dalam tumbukan, energi kinetik selalu kekal seperti momentum."
Hanya momentum yang selalu kekal (tanpa gaya luar). Energi kinetik biasanya berkurang karena berubah menjadi panas, bunyi, dan perubahan bentuk. Hanya tumbukan lenting sempurna yang menyimpan seluruh energi kinetiknya.
"Benda yang lebih berat pasti punya momentum lebih besar."
Momentum bergantung pada massa dan kecepatan. Bola sepak 0,43 kg yang ditendang 25 m/s (±11 kg·m/s) punya momentum lebih besar daripada karung beras 5 kg yang didorong pelan 1 m/s (5 kg·m/s).
9.5Koefisien restitusi: seberapa "membal" sebuah tumbukan
Koefisien restitusi \(e\) membandingkan kelajuan relatif kedua benda sesudah dan sebelum tumbukan: \(e = -\dfrac{v_2' - v_1'}{v_2 - v_1}\). Nilainya antara 0 (menempel) dan 1 (lenting sempurna).
Untuk bola yang dijatuhkan ke lantai diam, rumus ini menjadi sangat praktis. Bola jatuh dari ketinggian \(h\) tiba dengan \(\sqrt{2gh}\) dan memantul dengan \(e\sqrt{2gh}\), sehingga naik setinggi \(h' = e^2 h\). Jadi \(e = \sqrt{h'/h}\): cukup ukur tinggi jatuh dan tinggi pantulan!
Pilih jenis bola (atau geser \(e\) sendiri) dan tinggi jatuh, lalu tekan Jalankan. Garis putus-putus menunjukkan ramalan \(h_n = e^{2n}h\). Apakah bola menyentuh garis-garis itu? Bola dengan \(e\) berapa yang paling lama memantul?
Bola (di lantai keras)
\(e\) kira-kira
Energi tersisa per pantulan (\(e^2\))
Bola pingpong
±0,9
±81%
Bola bekel (karet padat)
±0,85
±72%
Bola basket
±0,8
±64%
Bola tenis
±0,75
±56%
Gumpalan plastisin
±0
±0% (menempel)
Bola basket dijatuhkan dari ketinggian 1,8 m dan memantul setinggi 1,2 m. Berapa koefisien restitusinya, dan setinggi apa pantulan kedua?
\(e \approx 0{,}82\). Setiap pantulan menyisakan dua pertiga tinggi sebelumnya: 1,8 m → 1,2 m → 0,8 m → ±0,53 m, dan seterusnya.
9.6Pusat massa: titik yang "mewakili" seluruh sistem
Setiap sistem benda punya satu titik istimewa yang disebut pusat massa, yaitu posisi rata-rata massanya. Untuk benda-benda pada satu garis: \(x_\text{pm} = \dfrac{m_1x_1 + m_2x_2 + \dots}{m_1 + m_2 + \dots}\). Pusat massa lebih dekat ke benda yang lebih berat.
Gerak pusat massa. Pusat massa bergerak seolah-olah seluruh massa sistem terkumpul di sana dan semua gaya luar bekerja padanya. Gaya dalam (tumbukan, ledakan, dorongan antaranggota sistem) tidak bisa mengubah gerak pusat massa.
Kembang api ditembakkan miring. Tanpa ledakan, ia akan mengikuti lintasan parabola (garis putus-putus), seperti di Bab 5.
Di puncak lintasan, kembang api meledak menjadi tiga pecahan bermassa sama. DUAR!
Pecahan terbang ke arah berbeda-beda. Tetapi lihat lingkaran putih, pusat massa ketiganya: ia tetap di garis parabola!
Selama belum ada pecahan yang menyentuh tanah, pusat massa terus menempuh parabola semula. Ledakan adalah gaya dalam, jadi tidak mengubah gerak pusat massa. Satu-satunya gaya luar tetap gravitasi.
Raka (40 kg) duduk di ujung kiri perahu (\(x = 0\)) dan Kak Nara (60 kg) di ujung kanan (\(x = 4\) m). Massa perahu diabaikan. Di mana pusat massa mereka?
Pusat massa berada 2,4 m dari Raka, lebih dekat ke Kak Nara yang lebih berat. Jika keduanya bertukar tempat di perahu yang mengapung, pusat massa mereka tidak boleh berpindah (tidak ada gaya luar mendatar), sehingga perahunya yang bergeser!
Lanjut · IB & olimpiadeBenda kontinu dan trik "massa negatif"Untuk benda kontinu, jumlahan menjadi integral: \(x_\text{pm} = \dfrac{1}{M}\int x\,\mathrm dm\). Hasil penting: setengah cakram pejal berjari-jari \(R\) punya pusat massa \(\dfrac{4R}{3\pi}\) dari sisi lurusnya; kerucut pejal \(\tfrac{h}{4}\) dari alasnya. Untuk benda yang dilubangi, anggap lubang sebagai benda bermassa negatif: \(x_\text{pm} = \dfrac{M x_\text{utuh} - m x_\text{lubang}}{M - m}\). Trik ini menyelesaikan soal "pelat berlubang" dalam satu baris.
9.7Lanjut: roket, si pelempar gas
Roket terbang dengan cara "melempar" gas panas ke belakang sangat cepat. Gas terdorong ke belakang, roket terdorong ke depan, persis seperti Kak Nara yang melempar karung dari papan beroda.
Roket adalah contoh kekekalan momentum yang paling dramatis. Setiap detik, mesin roket menyemburkan massa \(\Delta m\) gas dengan kecepatan \(u\) relatif terhadap roket. Gas membawa momentum ke belakang, sehingga roket mendapat momentum ke depan. Gaya dorongnya \(F = u\,\dfrac{\Delta m}{\Delta t}\): makin cepat dan makin banyak gas yang disemburkan, makin besar dorongannya.
Tamu dari masa laluKonstantin Tsiolkovsky (1857–1935) adalah guru matematika di sebuah kota kecil di Rusia. Ia hampir tuli sejak kecil dan banyak belajar sendiri di perpustakaan. Pada tahun 1903 ia menerbitkan persamaan yang menjadi dasar semua perjalanan antariksa, puluhan tahun sebelum roket pertama mencapai luar angkasa. Kalimatnya yang terkenal: "Bumi adalah buaian umat manusia, tetapi manusia tidak bisa tinggal di buaian selamanya."
Lanjut · IB & olimpiadePersamaan roket TsiolkovskyDi ruang hampa tanpa gravitasi, kekekalan momentum untuk semburan kecil \(\mathrm dm\) memberi \(m\,\mathrm dv = -u\,\mathrm dm\). Integrasikan dari massa awal \(m_0\) sampai massa akhir \(m_1\): \[\Delta v = u \ln\frac{m_0}{m_1}.\] Logaritma ini kejam: untuk menggandakan \(\Delta v\), perbandingan massa harus dikuadratkan. Itu sebabnya roket ke orbit hampir seluruhnya berisi bahan bakar dan dibuat bertingkat: tangki kosong dibuang supaya tidak ikut dipercepat. Indonesia juga mengembangkan roket sendiri, misalnya seri RX dari LAPAN (kini BRIN).
🪖
Helm berbusa
Busa di dalam helm remuk perlahan saat benturan, sehingga kepala berhenti dalam waktu lebih lama dan gaya pada kepala berkurang.
🚗
Zona remuk & airbag
Bagian depan mobil sengaja dibuat mudah ringsek. Lebih baik mobilnya yang remuk perlahan daripada penumpangnya berhenti mendadak.
🏃
Matras lompat tinggi
Atlet lompat tinggi mendarat di matras tebal. Waktu pendaratan bertambah lama, gaya pada punggung mengecil.
🔵
Main gundu
Gundu yang menabrak lurus gundu lain yang sama besar bisa berhenti di tempat, sementara gundu sasaran melesat: tukar kecepatan!
🧑🚒
Selang pemadam kebakaran
Air yang menyembur deras ke depan mendorong selang ke belakang, sehingga petugas pemadam harus memegangnya dengan kuat. Itu rekoil!
🧤
Menangkap bola
Pemain yang menarik tangannya ke belakang saat menangkap bola memperpanjang waktu tangkapan, jadi telapak tangan tidak terasa perih.
Motor 150 kg melaju 10 m/s. Momentumnya…
15 kg·m/s
1.500 kg·m/s
7.500 kg·m/s
160 kg·m/s
\(p = mv = 150 \times 10 = 1500\) kg·m/s. (7.500 adalah energi kinetiknya dalam joule, tetapi itu besaran lain!)
Airbag mengurangi cedera karena…
mengurangi massa penumpang
mengurangi perubahan momentum penumpang
membuat penumpang memantul kembali
memperpanjang waktu penumpang berhenti
Perubahan momentum tetap sama, tetapi waktunya lebih lama, sehingga \(F = \Delta p/\Delta t\) lebih kecil.
Bola dijatuhkan dari 2 m dan memantul setinggi 0,5 m. Koefisien restitusinya…
Rotasi: Ilmu Memutar, Menyeimbangkan, dan Menggelinding
Mengapa gagang pintu selalu dipasang jauh dari engsel? Mengapa gasing yang berputar tidak roboh? Selamat datang di dunia benda yang berputar, tempat jarak sama pentingnya dengan gaya.
Setelah bab ini, kamu bisa
menghitung torsi \(\tau = rF\sin\theta\) dan menjelaskan peran lengan momen;
memakai dua syarat kesetimbangan benda tegar (\(\Sigma F = 0\) dan \(\Sigma\tau = 0\)) untuk jungkat-jungkit, pikulan, dan jembatan;
menentukan titik berat dan menilai kapan benda stabil atau terguling;
memahami momen inersia, memakai \(\tau = I\alpha\), dan memprediksi pemenang balapan menggelinding;
menerapkan kekekalan momentum sudut pada penari, gasing, dan peloncat indah.
Pintu Kelas yang Bandel Komik · 4 panel
Pagi hari, depan kelas
RakaUggh! Kenapa pintu ini berat banget? Sudah kudorong sekuat tenaga!
NGIIK?
SariCoba dorong di dekat gagangnya, Rak. Pakai satu jari pun bisa!
KRIIET…
RakaPintunya sama, kok tiba-tiba jadi ringan?!
Kak NaraYang memutar pintu bukan cuma gaya, tapi juga jaraknya dari engsel. Namanya torsi!
Kamu ingin membuka pintu yang berat dengan gaya sekecil mungkin. Di mana dan ke arah mana sebaiknya kamu mendorong?
Dekat engsel, tegak lurus daun pintu.
Di tengah daun pintu, ke arah mana saja.
Di tepi terjauh dari engsel, sejajar daun pintu (ke arah engsel).
Di tepi terjauh dari engsel, tegak lurus daun pintu.
Jawabannya: di tepi terjauh, tegak lurus daun pintu. Efek memutar sebuah gaya (torsi) bergantung pada besar gaya, jarak dari sumbu putar, dan arah gaya. Jarak terbesar dan arah tegak lurus memberi efek putar paling besar. Mendorong sejajar daun pintu ke arah engsel tidak memutar pintu sama sekali, sekuat apa pun dorongannya!
10.1Torsi: efek memutar sebuah gaya
Di Bab 6, gaya mengubah gerak lurus. Untuk gerak berputar, yang menentukan adalah torsi atau momen gaya (\(\tau\), dibaca "tau"). Torsi besar jika gayanya besar, jaraknya dari sumbu putar jauh, dan arahnya tegak lurus terhadap "lengan" yang menghubungkan sumbu dengan titik tangkap gaya.
Torsi. \(\tau = r\,F\sin\theta = F \cdot d\), dengan \(r\) jarak sumbu ke titik tangkap gaya, \(\theta\) sudut antara \(r\) dan \(F\), dan \(d = r\sin\theta\) disebut lengan momen (jarak tegak lurus dari sumbu ke garis kerja gaya). Satuannya N·m. Kita sepakati: torsi yang memutar berlawanan arah jarum jam bernilai positif.
Gampangnya: torsi = gaya × jarak dari poros. Makin jauh dari poros kamu mendorong, makin mudah benda berputar. Itu sebabnya gagang pintu dipasang di ujung, jauh dari engsel.
Kunci roda motor: gaya yang sama memberi torsi berbeda bergantung pada jarak dan arahnya. Montir yang kesulitan melepas mur sering menyambung gagang kunci dengan pipa agar lengannya lebih panjang.
Awas jebakanJarak yang dipakai adalah lengan momen, yaitu jarak tegak lurus dari sumbu ke garis kerja gaya, bukan sekadar jarak ke titik tangkap gaya. Gaya yang garis kerjanya melewati sumbu putar (misalnya menarik gagang pintu lurus menjauhi engsel) menghasilkan torsi nol, sebesar apa pun gayanya.
Raka mendorong ujung kunci roda sepanjang 25 cm dengan gaya 80 N tegak lurus gagang. Berapa torsinya? Jika mur butuh torsi 30 N·m untuk lepas, berhasilkah ia?
Dengan pipa sambungan, panjang lengan menjadi 40 cm: \(\tau = 0{,}40 \times 80 = 32\) N·m > 30 N·m.
Gaya yang sama, lengan lebih panjang: mur pun lepas. Tidak perlu otot lebih besar, cukup fisika yang lebih cerdas!
10.2Kesetimbangan benda tegar: tidak bergeser, tidak berputar
Benda titik cukup memenuhi \(\Sigma F = 0\) agar seimbang. Tetapi papan jungkat-jungkit bisa saja tidak bergeser namun berputar. Benda tegar (benda yang bentuknya tidak berubah) baru benar-benar setimbang jika memenuhi dua syarat.
Syarat kesetimbangan benda tegar. (1) \(\Sigma F = 0\): tidak ada percepatan lurus. (2) \(\Sigma \tau = 0\) terhadap titik mana pun: tidak ada percepatan sudut. Trik jitu: pilih titik poros di tempat gaya yang tidak diketahui bekerja, agar torsinya nol dan hilang dari persamaan.
Seret Raka, Sari, Kak Nara, atau karung beras ke atas papan (posisi melompat tiap 10 cm). Bandingkan torsi kiri dan kanan. Bisakah kamu menyeimbangkan Kak Nara (60 kg) hanya dengan Raka (40 kg)? Lalu geser titik tumpu: papan bermassa 20 kg pun ikut menyumbang torsi!
Tamu dari masa laluArchimedes dari Syracusa (±287–212 SM) adalah orang pertama yang menuliskan hukum tuas secara matematis: beban yang seimbang berbanding terbalik dengan jaraknya ke titik tumpu. Ia begitu yakin pada hukumnya sehingga konon berkata, "Berikan aku tempat berpijak dan tuas yang cukup panjang, maka akan kuangkat Bumi!" (Hitung sendiri: tuasnya harus panjang sekali.)
Bu Siti memikul pikulan bambu sepanjang 1,5 m (massanya diabaikan). Keranjang kiri berisi 30 kg sayur, keranjang kanan 20 kg, digantung di kedua ujung. Di mana bahunya harus diletakkan agar pikulan setimbang? Berapa gaya yang ditanggung bahunya? (\(g = 10\) m/s²)
Misalkan bahu berjarak \(x\) dari ujung kiri. Torsi terhadap bahu harus nol: \(300 \cdot x = 200 \cdot (1{,}5 - x)\).
\(300x + 200x = 300\) → \(x = 0{,}6\) m dari ujung kiri (keranjang yang lebih berat).
\(\Sigma F = 0\): gaya bahu \(= 300 + 200 = 500\) N ke atas.
Bahu diletakkan 0,6 m dari keranjang 30 kg, lebih dekat ke beban yang berat. Pedagang berpengalaman melakukannya otomatis dengan menggeser pikulan sampai terasa "pas".
Papan homogen sepanjang 6 m dan berat 300 N bertumpu pada kedua ujungnya di atas parit. Sari (berat 400 N) berdiri 2 m dari ujung kiri. Berapa gaya yang ditanggung tumpuan kiri dan kanan?
Pilih poros di tumpuan kiri, sehingga gaya tumpuan kiri \(N_A\) tidak muncul dalam persamaan torsi.
Berat papan bekerja di tengah (3 m). \(\Sigma\tau = 0\): \(N_B \times 6 = 300 \times 3 + 400 \times 2 = 1700\) → \(N_B \approx 283\) N.
\(\Sigma F = 0\): \(N_A = 300 + 400 - 283 = 417\) N.
Tumpuan kiri menanggung ±417 N dan kanan ±283 N. Tumpuan yang lebih dekat dengan Sari menanggung lebih banyak. Cek: torsi terhadap tumpuan kanan \(N_A \times 6 = 300 \times 3 + 400 \times 4 = 2500\) → \(N_A \approx 417\) N. ✓
Fisika Indonesia: jembatan yang bisa "menunduk"Jembatan Ampera di Palembang, yang diresmikan tahun 1965, dulu punya bagian tengah yang bisa diangkat agar kapal tinggi bisa lewat di Sungai Musi. Agar mesin pengangkatnya tidak terlalu berat, setiap menara jembatan dilengkapi bandul pemberat (counterweight) yang mengimbangi berat bentang tengah, prinsip yang sama dengan jungkat-jungkit dan katrol. Karena proses mengangkatnya lama dan mengganggu lalu lintas, fungsi ini dihentikan sekitar tahun 1970, dan bandul pemberatnya kemudian diturunkan.
Lanjut · IB & olimpiadeTangga bersandar dan gaya engselTangga homogen bermassa \(m\) bersandar pada dinding licin dengan sudut \(\theta\) terhadap lantai kasar. Gaya dinding \(N_w\) mendatar; lantai memberi \(N = mg\) ke atas dan gesekan \(f = N_w\). Torsi terhadap kaki tangga: \(N_w L\sin\theta = mg\tfrac{L}{2}\cos\theta\), sehingga \(f = \dfrac{mg}{2\tan\theta}\). Tangga tidak tergelincir jika \(f \le \mu mg\), yaitu \(\tan\theta \ge \dfrac{1}{2\mu}\). Pada soal engsel, ingat bahwa gaya engsel punya dua komponen (mendatar dan tegak) yang biasanya dicari dengan \(\Sigma F_x = 0\) dan \(\Sigma F_y = 0\) setelah torsi terhadap engsel diselesaikan.
10.3Titik berat dan kestabilan
Gravitasi menarik setiap bagian benda, tetapi efek totalnya sama seperti satu gaya yang bekerja di satu titik: titik berat. Untuk benda di dekat permukaan Bumi, titik berat sama dengan pusat massa (Bab 9). Pada benda homogen yang simetris, titik beratnya di tengah. Penggaris bisa kamu seimbangkan di satu jari jika jari tepat di bawah titik beratnya.
Syarat stabil. Benda yang berdiri tetap stabil selama garis vertikal dari titik beratnya jatuh di dalam bidang alasnya. Jika garis itu keluar dari alas, berat benda menghasilkan torsi yang menggulingkannya.
Lemari tinggi berdiri tegak. Titik beratnya (bulatan merah muda) ada di tengah, dan garis vertikal darinya jatuh tepat di tengah alas.
Dimiringkan 15°: garis vertikal dari titik berat masih jatuh di dalam alas. Torsi berat lemari memutarnya kembali ke posisi tegak.
Pada sudut kritis (\(\tan\theta = \tfrac{\text{setengah lebar}}{\text{tinggi titik berat}} = \tfrac{40}{80}\), sekitar 27°), titik berat tepat di atas tepi alas. Sedikit saja lagi…
…garis berat keluar dari alas, torsi berat kini menggulingkan lemari. BRUK! Itu sebabnya lemari tinggi sebaiknya dipaku ke dinding.
Lemari yang sama, tetapi laci bawahnya diisi barang berat. Titik beratnya turun, sudut kritisnya naik menjadi 45°. Titik berat rendah + alas lebar = stabil.
Trik Kak Nara: menemukan titik berat dengan dua jariLetakkan sapu atau penggaris panjang mendatar di atas kedua jari telunjukmu yang berjauhan. Geser kedua jari perlahan saling mendekat. Ajaib: jari-jarimu selalu bertemu tepat di titik berat! Jari yang lebih dekat ke titik berat menanggung beban lebih besar, sehingga gesekannya lebih besar dan ia "tertahan", sementara jari yang lain bergeser. Begitu bergantian, sampai keduanya bertemu.
"Titik berat selalu berada di dalam bahan benda."
Tidak selalu! Titik berat cincin, bumerang, dan huruf L berada di ruang kosong. Pelompat tinggi gaya Fosbury melengkungkan tubuhnya sehingga titik beratnya bisa lewat di bawah mistar, padahal tubuhnya melewati di atasnya.
"Benda yang lebih berat selalu lebih sulit terguling."
Yang menentukan sudut guling adalah letak titik berat dan lebar alas, bukan beratnya. Truk berat yang muatannya ditumpuk tinggi lebih mudah terguling di tikungan daripada mobil kecil yang rendah.
10.4Momen inersia: "massa" untuk gerak berputar
Di gerak lurus, massa mengukur kelembaman: seberapa sulit benda dipercepat. Di gerak berputar, perannya diambil oleh momen inersia \(I\). Bedanya, momen inersia tidak hanya bergantung pada berapa banyak massa, tetapi juga di mana massa itu berada terhadap sumbu putar. Massa yang jauh dari sumbu jauh lebih "malas" diputar.
Momen inersia. Untuk kumpulan partikel, \(I = \sum m_i r_i^2\), dengan \(r_i\) jarak tiap partikel ke sumbu putar. Satuannya kg·m². Karena jaraknya dikuadratkan, massa yang dua kali lebih jauh menyumbang empat kali lebih besar.
Benda (massa \(M\), jari-jari \(R\) atau panjang \(L\))
Sumbu
Momen inersia
\(k = I/(MR^2)\)
Cincin atau pipa tipis (pelek sepeda)
pusat, tegak lurus bidang
\(MR^2\)
1
Silinder pejal atau cakram
sumbu silinder
\(\tfrac12 MR^2\)
0,5
Bola berongga tipis (bola pingpong)
diameter
\(\tfrac23 MR^2\)
0,67
Bola pejal (kelereng, bola bekel)
diameter
\(\tfrac25 MR^2\)
0,4
Batang tipis
tengah batang
\(\tfrac1{12} ML^2\)
–
Batang tipis
ujung batang
\(\tfrac13 ML^2\)
–
Contoh sehari-hari: memutar sapu yang dipegang di tengah terasa ringan, tetapi memutarnya sambil dipegang di ujung terasa berat. Massanya sama, tetapi letak massanya terhadap tanganmu berbeda.
Lanjut · IB & olimpiadeTeorema sumbu sejajar dan sumbu tegak lurusSumbu sejajar: jika sumbu digeser sejauh \(d\) dari sumbu yang melalui pusat massa, \(I = I_\text{pm} + Md^2\). Contoh: batang terhadap ujungnya, \(\tfrac1{12}ML^2 + M(\tfrac L2)^2 = \tfrac13 ML^2\). Sumbu tegak lurus (khusus benda pipih di bidang \(xy\)): \(I_z = I_x + I_y\). Contoh: cakram terhadap diameternya, \(I_x = I_y = \tfrac12 I_z = \tfrac14 MR^2\). Momen inersia benda kontinu dihitung dengan integral \(I = \int r^2\,\mathrm dm\).
10.5Dinamika rotasi: Hukum II Newton versi putar
Torsi total menyebabkan percepatan sudut \(\alpha\) (rad/s²), persis seperti gaya total menyebabkan percepatan. Hampir setiap rumus gerak lurus punya "kembaran" rotasinya.
Hukum II Newton untuk rotasi. \(\Sigma\tau = I\alpha\). Torsi sama, momen inersia lebih kecil → percepatan sudut lebih besar.
Gerak lurus
Gerak berputar
Penghubung
posisi \(x\) (m)
sudut \(\theta\) (rad)
\(s = r\theta\)
kecepatan \(v\)
kecepatan sudut \(\omega\)
\(v = \omega r\)
percepatan \(a\)
percepatan sudut \(\alpha\)
\(a_t = \alpha r\)
massa \(m\)
momen inersia \(I\)
\(I = \sum mr^2\)
gaya \(F = ma\)
torsi \(\tau = I\alpha\)
\(\tau = rF\sin\theta\)
momentum \(p = mv\)
momentum sudut \(L = I\omega\)
\(L = rp\) (untuk partikel)
energi kinetik \(\tfrac12 mv^2\)
energi kinetik rotasi \(\tfrac12 I\omega^2\)
Timba berisi air (5 kg) tergantung pada tali yang dililitkan di kerekan kayu berbentuk silinder pejal (massa 4 kg, jari-jari 0,1 m). Timba dilepas dan jatuh ke dalam sumur. Abaikan gesekan. Berapa percepatan timba? (\(g = 10\) m/s²)
Timba jatuh dengan ±7,1 m/s², lebih lambat dari jatuh bebas, karena sebagian energinya dipakai untuk memutar kerekan. Kerekan bermassa berperan seperti "massa tambahan" sebesar \(I/R^2 = 2\) kg.
10.6Energi kinetik rotasi dan balapan menggelinding
Benda yang berputar menyimpan energi kinetik rotasi \(\tfrac12 I\omega^2\). Roda yang menggelinding melakukan dua gerak sekaligus: bergeser (translasi) dan berputar (rotasi). Jika tidak selip, titik roda yang menyentuh tanah sesaat diam dan \(v = \omega R\).
Energi benda menggelinding. \(E_k = \tfrac12 mv^2 + \tfrac12 I\omega^2 = \tfrac12 mv^2(1 + k)\), dengan \(k = \dfrac{I}{mR^2}\).
Bola pejal, silinder pejal, dan cincin (massa dan jari-jarinya sama) dilepas bersamaan dari puncak lereng yang sama. Semuanya menggelinding tanpa selip. Siapa yang tiba di bawah paling dulu?
Cincin, karena massanya di tepi sehingga "terlempar" lebih cepat.
Ketiganya bersamaan, karena massa dan jari-jarinya sama.
Bola pejal.
Silinder pejal, karena bentuknya paling stabil.
Jawabannya: bola pejal. Energi potensial yang sama harus dibagi untuk translasi dan rotasi. Benda yang massanya terkumpul dekat sumbu (\(k\) kecil) hanya perlu sedikit energi untuk berputar, sehingga sisa energinya untuk meluncur lebih banyak. Urutannya: bola pejal (\(k = 0{,}4\)), silinder pejal (0,5), cincin (1). Hebatnya, hasil ini sama untuk bola sebesar kelereng maupun sebesar batu besar!
Atur kemiringan lereng lalu tekan Jalankan. Lima peserta: balok licin (meluncur tanpa berputar), bola pejal, silinder pejal, bola berongga, dan cincin. Siapa juaranya? Aktifkan "benda besar & berat": apakah urutan dan waktunya berubah? Perhatikan juga batang pembagian energi translasi (oranye) dan rotasi (ungu).
Awas jebakanBenda yang menggelinding tanpa selip tidak kehilangan energi karena gesekan, walaupun ada gaya gesek statis. Titik yang menyentuh tanah sesaat diam, jadi gesekan statis tidak melakukan usaha. Gesekan itu hanya "mengalihkan" sebagian energi menjadi putaran. Energi baru hilang jika benda selip (gesekan kinetis).
10.7Momentum sudut dan kekekalannya
Kembaran rotasi dari momentum adalah momentum sudut \(L = I\omega\) (satuan kg·m²/s). Seperti momentum yang hanya berubah jika ada gaya luar, momentum sudut hanya berubah jika ada torsi luar.
Hukum kekekalan momentum sudut. Jika torsi luar total nol, \(I_1\omega_1 = I_2\omega_2\). Momen inersia mengecil → kecepatan sudut membesar, dan sebaliknya.
Tekan Putar! untuk memberi dorongan, lalu geser jarak dumbel saat kursi berputar. Amati \(\omega\) dan \(L\) di grafik. Momentum sudut tetap, tetapi bagaimana dengan energi kinetik rotasinya? Nyalakan "gesekan poros" untuk melihat torsi luar mencuri momentum sudut.
Peloncat indah bersiap di ujung papan loncat. Saat menolak papan, kakinya memberi torsi sehingga tubuhnya mulai berputar pelan.
Di udara tidak ada torsi luar (gravitasi bekerja di titik beratnya), jadi momentum sudut \(L = I\omega\) tetap. Dengan tubuh lurus, \(I\) besar dan putarannya lambat.
Ia menekuk tubuh (posisi tuck), memeluk lututnya. Momen inersianya bisa turun beberapa kali lipat, sehingga putarannya menjadi beberapa kali lebih cepat. Salto ganda!
Selama tetap menekuk, ia terus berputar cepat sambil jatuh mengikuti lintasan parabola titik beratnya.
Sebelum menyentuh air, ia meluruskan tubuh lagi. \(I\) membesar, \(\omega\) mengecil, dan tubuhnya masuk air hampir tanpa cipratan. Semua tanpa "mesin" putar: hanya mengatur \(I\)!
Fisika Indonesia: gasing NusantaraGasing dimainkan dari Sumatra sampai Papua, dengan nama dan bentuk berbeda: gasing dari kayu keras di Kepulauan Riau, gangsing di Jawa, hingga gasing bambu yang berdengung. Gasing yang baik punya banyak massa di bagian tepinya, sehingga momen inersianya besar. Setelah dilempar dengan tali, gasing menyimpan momentum sudut besar. Selama momentum sudutnya besar, arah sumbu putarnya "keras kepala", sulit dirobohkan, sehingga gasing berdiri tegak di atas ujung runcingnya. Baru setelah gesekan menghabiskan putarannya, gasing mulai bergoyang dan roboh.
Lanjut · IB & olimpiadeMomentum sudut adalah vektor: presesi gasingMomentum sudut \(\vec L = I\vec\omega\) mengarah sepanjang sumbu putar (aturan tangan kanan). Torsi mengubah \(\vec L\): \(\vec\tau = \mathrm d\vec L/\mathrm dt\). Pada gasing miring, berat menghasilkan torsi yang tegak lurus \(\vec L\). Akibatnya \(\vec L\) tidak jatuh, melainkan berbelok perlahan mengelilingi sumbu tegak: gerak presesi, dengan kecepatan sudut \(\Omega = \dfrac{mgr}{I\omega}\). Makin cepat gasing berputar, makin lambat presesinya. Untuk partikel, \(\vec L = \vec r \times \vec p\); planet yang mengorbit Matahari pun punya momentum sudut yang kekal.
"Penari mempercepat putarannya dengan mendorong lantai saat merapatkan tangan."
Tidak perlu dorongan apa pun! Merapatkan tangan memperkecil momen inersia, sehingga \(\omega\) membesar agar \(L = I\omega\) tetap. Energi kinetik rotasinya memang naik, dan energinya berasal dari otot lengan yang menarik tangan ke dalam.
"Benda yang lebih berat menggelinding lebih cepat menuruni lereng."
Kelajuan menggelinding \(v = \sqrt{2gh/(1+k)}\) hanya bergantung pada bentuk (nilai \(k\)), bukan massa atau ukuran. Kelereng kecil dan bola bowling (keduanya bola pejal) tiba bersamaan.
🚪
Gagang pintu
Dipasang jauh dari engsel agar lengan momennya besar: dorongan kecil cukup untuk membuka pintu yang berat.
🔧
Kunci roda motor
Gagang yang panjang (atau disambung pipa) memperbesar torsi untuk melepas mur yang macet.
🎋
Egrang
Pemain egrang terus menggeser kakinya agar garis vertikal dari titik beratnya tetap jatuh di atas pijakan egrang yang sempit.
🧺
Pikulan
Bahu diletakkan lebih dekat ke keranjang yang lebih berat, agar torsi kedua beban terhadap bahu sama besar.
🚲
Sepeda yang melaju
Roda yang berputar cepat punya momentum sudut besar, sehingga sepeda lebih mudah dijaga tetap tegak daripada saat berjalan pelan.
🌀
Gasing tradisional
Massa di tepi gasing memperbesar momen inersia, sehingga gasing menyimpan momentum sudut lebih banyak dan berputar lebih lama.
Gaya 40 N bekerja tegak lurus pada ujung kunci sepanjang 0,25 m. Torsinya…
Raka (40 kg) duduk 1,5 m dari titik tumpu jungkat-jungkit. Agar seimbang, Kak Nara (60 kg) harus duduk di sisi lain pada jarak…
1,5 m
1,0 m
2,25 m
0,5 m
\(40 \times 1{,}5 = 60 \times d\) → \(d = 1{,}0\) m. Yang lebih berat duduk lebih dekat ke titik tumpu.
Peseluncur es berputar dengan tangan terentang, lalu merapatkan tangannya. Yang terjadi…
momen inersia mengecil, kecepatan sudut membesar
momen inersia membesar, kecepatan sudut mengecil
momentum sudutnya bertambah
kecepatan sudutnya tetap
Tanpa torsi luar, \(L = I\omega\) kekal. Tangan dirapatkan → \(I\) kecil → \(\omega\) besar.
11
Bab 11 · Gerak & Gaya
Gravitasi & Satelit: Jatuh Tanpa Pernah Sampai
Apel jatuh ke tanah, tetapi Bulan tidak. Satelit SATRIA-1 tampak "diam" di atas Indonesia, padahal melesat 3 km setiap detik. Satu gaya yang sama menjelaskan semuanya.
Setelah bab ini, kamu bisa
menghitung gaya tarik antara dua benda dengan hukum gravitasi Newton dan menjelaskan arti "kuadrat terbalik";
menjelaskan mengapa nilai \(g\) berbeda di khatulistiwa, di puncak gunung, di orbit, dan di planet lain;
menghitung kecepatan orbit, periode satelit, dan kecepatan lepas;
menjelaskan orbit geostasioner dan mengapa letak Indonesia di khatulistiwa sangat istimewa;
memakai tiga hukum Kepler dan menjelaskan mengapa astronot di ISS melayang.
Satelit yang Tak Pernah Jatuh Komik · 4 panel
Malam hari, di teras rumah
RakaKak, antena parabola tetangga kok nggak pernah digeser? Satelitnya diam di langit, ya?
SariKalau diam, kenapa nggak jatuh? Apel aja jatuh!
RakaMungkin di atas sana nggak ada gravitasi…
Kak NaraSatelit itu justru sedang jatuh, terus-menerus! Tapi ia melaju ke samping begitu cepat, sehingga permukaan Bumi "melengkung menjauh" di bawahnya.
Fakta unik dari Tarsi
TarsiSATRIA-1 mengitari Bumi tepat sekali sehari, sama dengan putaran Bumi. Dari Indonesia, ia tampak diam!
RakaJatuh terus tapi nggak pernah sampai? Keren!
Astronot di Stasiun Luar Angkasa Internasional (ISS), sekitar 400 km di atas Bumi, melayang-layang. Kira-kira berapa besar tarikan gravitasi Bumi di sana, dibandingkan di permukaan?
0%, karena di luar angkasa tidak ada gravitasi.
Sekitar 10%, karena sudah sangat jauh dari Bumi.
Sekitar 90%, hampir sama dengan di permukaan.
Lebih dari 100%, karena lebih dekat ke Matahari.
Jawabannya: sekitar 89%! Jari-jari Bumi ±6.400 km, jadi naik 400 km hanya menambah jarak dari pusat Bumi sekitar 6%. Gravitasi di ISS masih kuat. Astronot melayang bukan karena gravitasinya hilang, melainkan karena mereka dan stasiunnya sama-sama jatuh mengelilingi Bumi. Rahasianya kita bongkar di subbab 11.7.
11.1Hukum gravitasi Newton: apel dan Bulan
Konon, Isaac Newton muda sedang duduk di kebun ketika melihat apel jatuh. Ia lalu bertanya: apakah gaya yang menarik apel itu juga mencapai Bulan? Pertanyaan sederhana ini mengubah sejarah. Jawabannya: ya. Gaya yang sama menarik apel, Bulan, planet, dan bintang.
Hukum gravitasi Newton. Setiap dua benda bermassa saling menarik dengan gaya yang sebanding dengan hasil kali massanya dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara pusat keduanya.
Dalam bentuk rumus: \(F = G\,\dfrac{m_1 m_2}{r^2}\). Huruf \(G\) adalah tetapan gravitasi umum, \(G = 6{,}67 \times 10^{-11}\ \mathrm{N\,m^2/kg^2}\). Angka ini sangat kecil. Itulah sebabnya kamu tidak merasa ditarik oleh meja atau temanmu. Gravitasi baru terasa kalau salah satu massanya raksasa, seperti Bumi.
Gampangnya: semua benda saling tarik-menarik. Makin berat bendanya, makin kuat tarikannya. Makin jauh jaraknya, makin lemah tarikannya. Bumi sangat berat, jadi tarikannya membuat kita tetap menempel di tanah.
Trik Kak Nara: hukum "kuadrat terbalik"Bayangkan semprotan cat. Dari jarak 1 m, catnya menutupi satu ubin. Dari jarak 2 m, cat yang sama tersebar ke 2 × 2 = 4 ubin, jadi tiap ubin hanya kebagian seperempat. Gravitasi "menyebar" dengan cara yang sama: jarak ×2 → gaya ÷4, jarak ×3 → gaya ÷9, jarak ×10 → gaya ÷100.
Bumi menarik sebuah apel dengan gaya 1 N. Berapa besar gaya apel menarik Bumi?
Nol, karena apel terlalu kecil untuk menarik apa pun.
Sangat kecil, sekitar sepersejuta newton.
Tepat 1 N juga, hanya arahnya ke atas.
Lebih dari 1 N, karena Bumi lebih besar.
Tepat 1 N! Ingat Hukum III Newton dari Bab 6: gaya selalu berpasangan, sama besar, berlawanan arah. Rumus \(F = Gm_1m_2/r^2\) pun simetris: tukar \(m_1\) dan \(m_2\), hasilnya sama. Lalu mengapa Bumi tidak "melompat" ke arah apel? Karena percepatan = gaya/massa. Gaya 1 N pada massa \(6 \times 10^{24}\) kg menghasilkan percepatan yang terlalu kecil untuk diukur.
Ujian besar Newton: apakah Bulan "jatuh" seperti apel?
Newton tidak cukup dengan menebak. Ia menghitung. Ikuti langkah-langkahnya, seolah kamu duduk di samping Newton tahun 1660-an.
Di satu sisi ada Bumi dan sebuah apel. Di sisi lain, jauh sekali, ada Bulan yang mengitari Bumi.
Apel di permukaan Bumi jatuh dengan percepatan \(g = 9{,}8\) m/s².
Apel berjarak \(R\) (jari-jari Bumi) dari pusat Bumi. Bulan berjarak sekitar \(60R\).
Kalau gravitasi mengikuti kuadrat terbalik, tarikan Bumi di jarak Bulan tinggal \(1/60^2 = 1/3600\) kalinya: sekitar 0,0027 m/s².
Sekarang hitung dengan cara lain. Bulan bergerak melingkar dengan periode 27,3 hari, jadi ia punya percepatan sentripetal \(a = 4\pi^2 r/T^2\). Hasilnya juga ±0,0027 m/s²!
Dua cara, satu jawaban. Gaya yang menjatuhkan apel adalah gaya yang sama yang membelokkan Bulan. Gravitasi berlaku di seluruh alam semesta.
Awas jebakanDalam \(F = Gm_1m_2/r^2\), jarak \(r\) diukur dari pusat ke pusat, bukan dari permukaan. Untuk satelit yang terbang 400 km di atas Bumi, \(r = 6.371 + 400 = 6.771\) km, bukan 400 km. Lupa menambahkan jari-jari Bumi adalah kesalahan paling sering di bab ini!
Tamu dari masa laluNewton menulis hukum gravitasi dalam buku Principia (1687), tetapi ia tidak tahu nilai \(G\). Lebih dari seratus tahun kemudian, tahun 1798, Henry Cavendish menggantung batang dengan bola timbal kecil pada kawat tipis. Ia mengukur puntiran kawat yang sangat kecil ketika bola timbal besar didekatkan. Dari hasilnya, nilai \(G\) dan massa Bumi akhirnya bisa dihitung. Karena itu eksperimennya dijuluki "menimbang Bumi".
11.2Medan gravitasi dan nilai \(g\) yang berubah-ubah
Bayangkan Bumi dikelilingi "kabut tarikan" yang tak terlihat. Di mana pun kamu menaruh benda bermassa, kabut itu menariknya menuju pusat Bumi. Kabut ini disebut medan gravitasi. Kuatnya medan diukur sebagai gaya per kilogram, satuannya N/kg, yang ternyata sama dengan m/s². Itulah \(g\)!
Dari \(mg = \dfrac{GMm}{R^2}\), massa benda \(m\) saling coret, sehingga \(g = \dfrac{GM}{R^2}\). Nilai \(g\) hanya bergantung pada massa dan jari-jari planet, bukan pada benda yang jatuh. Karena itu bola besi dan kelereng jatuh bersamaan (kalau hambatan udara diabaikan).
Tempat
Ketinggian
\(g\) (m/s²)
Kutub Utara atau Selatan
permukaan laut
9,83
Pontianak (tepat di khatulistiwa)
permukaan laut
9,78
Puncak Jaya, Papua
4.884 m
±9,77
Stasiun luar angkasa ISS
±400 km
±8,7
Satelit geostasioner
35.786 km
±0,22
Jarak Bulan
±384.000 km
±0,0027
Mengapa \(g\) di khatulistiwa lebih kecil daripada di kutub? Ada dua sebab. Pertama, Bumi agak "gendut" di khatulistiwa: jari-jarinya ±21 km lebih besar daripada di kutub, jadi kamu sedikit lebih jauh dari pusat Bumi. Kedua, Bumi berputar. Orang di khatulistiwa ikut berputar sejauh ±40.000 km per hari, dan sebagian kecil tarikan gravitasi "terpakai" untuk membelokkan geraknya menjadi lingkaran. Jadi timbangan di Pontianak menunjukkan angka sedikit lebih kecil (±0,5%) daripada di kutub.
Pilih planet, lalu tekan Lompat! Raka melompat dengan tenaga kaki yang sama seperti di Bumi (setinggi 0,5 m). Di mana ia melayang paling lama? Perhatikan bahwa massanya tidak pernah berubah, hanya beratnya.
Lanjut · IB & olimpiadeGravitasi di dalam Bumi dan teorema kulitNewton membuktikan dua hal ajaib untuk bola homogen. (1) Di luar bola, medannya sama seperti jika seluruh massa dipusatkan di titik pusat. (2) Di dalam kulit bola berongga, medan gravitasinya nol: tarikan dari bagian kulit yang dekat (sedikit massa) tepat diimbangi tarikan dari bagian yang jauh (banyak massa). Akibatnya, jika kamu menggali ke dalam Bumi homogen sampai jarak \(r\) dari pusat, hanya massa di dalam bola berjari-jari \(r\) yang menarikmu: \(M(r) = M r^3/R^3\). Jadi \(g(r) = g_0\,\dfrac{r}{R}\): naik lurus dari nol di pusat sampai \(g_0\) di permukaan, lalu turun sebanding \(1/r^2\) di luar. Medan juga dapat ditulis lewat potensial gravitasi \(V = -GM/r\): \(g = -\dfrac{\mathrm dV}{\mathrm dr}\).
11.3Energi potensial gravitasi dan kecepatan lepas
Di Bab 8 kamu memakai \(E_p = mgh\). Rumus itu hanya tepat di dekat permukaan Bumi, karena di sana \(g\) hampir tetap. Untuk perjalanan ke luar angkasa, kita butuh rumus lengkapnya:
\[E_p = -\dfrac{GMm}{r}\]
Kenapa negatif? Kita memilih titik nol energi potensial di tempat yang jauh tak terhingga. Bayangkan Bumi berada di dasar sebuah sumur gravitasi. Di bibir sumur (sangat jauh), energinya nol. Makin dalam ke dasar sumur, makin negatif energinya. Untuk keluar dari sumur, kamu harus "membayar" energi.
Jika kamu melempar bola ke atas, bola naik lalu jatuh lagi. Lempar lebih cepat, ia naik lebih tinggi. Adakah kecepatan yang membuat bola tidak pernah kembali? Ada! Energi kinetiknya harus cukup untuk memanjat seluruh sumur: \(\tfrac12 mv^2 = \dfrac{GMm}{R}\). Hasilnya disebut kecepatan lepas.
Benda langit
\(g\) permukaan (m/s²)
Kecepatan lepas (km/s)
Bulan
1,6
2,4
Mars
3,7
5,0
Bumi
9,8
11,2
Jupiter
24,8
59,5
Matahari
274
618
Massa Bulan \(7{,}35 \times 10^{22}\) kg dan jari-jarinya 1.737 km. Hitung kecepatan lepas dari permukaan Bulan. (\(G = 6{,}67 \times 10^{-11}\ \mathrm{N\,m^2/kg^2}\))
Ubah jari-jari ke meter: \(R = 1{,}737 \times 10^{6}\) m.
Kecepatan lepas Bulan ±2,4 km/s, kurang dari seperempat milik Bumi. Itulah sebabnya roket Apollo bisa pulang dari Bulan dengan roket kecil, sedangkan untuk berangkat dari Bumi butuh roket raksasa.
Lanjut · IB & olimpiadeMengapa Bulan tidak punya udara?Molekul gas bergerak acak dengan kelajuan rata-rata beberapa ratus m/s (Bab 16), dan sebagian kecil jauh lebih cepat. Jika kelajuan rata-rata molekul suatu gas melebihi sekitar 1/6 kecepatan lepas, molekul-molekul tercepatnya terus lolos, sehingga dalam jutaan tahun gas itu "bocor" ke angkasa. Kecepatan lepas Bulan hanya 2,4 km/s, jadi Bulan kehilangan hampir semua gasnya. Jupiter (59,5 km/s) bahkan masih menyimpan hidrogen, gas paling ringan. Dan jika sebuah benda sangat masif tetapi sangat kecil sehingga \(v_\text{lepas} > c = 3 \times 10^8\) m/s, cahaya pun tak bisa lolos: itulah lubang hitam.
Newton membayangkan sebuah meriam di puncak gunung yang sangat tinggi, di atas udara. Tembakan pelan jatuh dekat kaki gunung. Tembakan lebih cepat jatuh lebih jauh. Karena Bumi bulat, permukaannya melengkung menjauh di bawah peluru. Pada kecepatan tertentu, peluru terus jatuh, tetapi permukaan Bumi selalu "lari" dengan laju yang sama. Peluru tidak pernah menyentuh tanah. Peluru itu mengorbit!
Gampangnya: satelit itu seperti bola yang dilempar sangat-sangat kencang ke samping. Ia terus jatuh ke arah Bumi, tetapi karena Bumi bulat, ia selalu "meleset". Jatuh terus, meleset terus, jadilah orbit.
Atur kecepatan tembak, lalu tekan Jalankan. Mulai dari 4 km/s, naikkan sedikit demi sedikit. Temukan kecepatan yang membuat orbit lingkaran sempurna, lalu kecepatan yang membuat peluru lepas selamanya. Bandingkan dengan angka di pojok kanan atas. Ubah juga tinggi gunungnya.
Agar orbitnya lingkaran, gaya gravitasi harus tepat menjadi gaya sentripetal (Bab 7): \(\dfrac{GMm}{r^2} = \dfrac{mv^2}{r}\). Massa satelit \(m\) saling coret, sehingga
\[v_\text{orbit} = \sqrt{\dfrac{GM}{r}} \qquad\text{dan}\qquad T = \dfrac{2\pi r}{v} = 2\pi\sqrt{\dfrac{r^3}{GM}}\]
Tiga "jalur tol" satelit. Makin tinggi orbitnya, makin pelan lajunya dan makin lama periodenya.
Raka (50 kg) dan Sari (45 kg) duduk berjarak 1 m. Berapa gaya gravitasi di antara mereka?
Hanya \(1{,}5 \times 10^{-7}\) N, kira-kira seberat sebutir pasir halus. Jadi kalau Raka bilang ia "tertarik" pada Sari, itu jelas bukan karena gravitasi. 😄
ISS mengorbit pada ketinggian ±400 km. Dengan \(R = 6.371\) km dan \(GM = 3{,}986 \times 10^{14}\ \mathrm{m^3/s^2}\), hitung kecepatan orbit dan periodenya.
Jarak dari pusat Bumi: \(r = 6.371 + 400 = 6.771\) km \(= 6{,}771 \times 10^6\) m.
\(T = 2\pi r / v = 2\pi \times 6{,}771 \times 10^6 / 7670 \approx 5{.}545\) s \(\approx 92\) menit.
ISS melaju ±7,7 km/s (±27.600 km/jam) dan mengelilingi Bumi setiap ±92 menit, sekitar 15–16 kali sehari. Para astronotnya melihat matahari terbit belasan kali setiap hari!
Awas jebakan"Satelit yang lebih berat harus terbang lebih cepat." Salah! Dalam \(v = \sqrt{GM/r}\) tidak ada massa satelit. Satelit raksasa dan baut kecil yang terlepas, jika berada di orbit yang sama, melaju dengan kecepatan yang sama. Itulah sebabnya sampah antariksa sangat berbahaya: baut kecil pun melesat ±7–8 km/s.
Tamu dari masa laluGambar meriam di puncak gunung itu benar-benar dibuat Newton. Gambarnya ada dalam tulisan A Treatise of the System of the World, yang terbit tahun 1728, setahun setelah Newton wafat. Butuh 229 tahun lagi sampai manusia benar-benar "menembakkan" benda ke orbit: satelit Sputnik 1 pada tahun 1957.
Lanjut · olimpiadeEnergi orbit dan paradoks satelitUntuk orbit lingkaran, \(E_k = \tfrac12 mv^2 = \dfrac{GMm}{2r}\) dan \(E_p = -\dfrac{GMm}{r}\), sehingga energi totalnya \(E = -\dfrac{GMm}{2r} = -E_k\). Sekarang bayangkan satelit rendah yang direm sedikit oleh sisa udara tipis. Energi totalnya berkurang (makin negatif), jadi \(r\) mengecil, dan \(E_k = -E\) justru bertambah! Hambatan udara membuat satelit makin cepat. Separuh energi potensial yang dilepas menjadi energi kinetik, separuh lagi menjadi kalor gesekan.
11.5Orbit geostasioner: satelit yang "parkir" di langit Indonesia
Bumi berputar sekali dalam ±24 jam (tepatnya 23 jam 56 menit relatif terhadap bintang). Jika sebuah satelit mengorbit di atas khatulistiwa, searah putaran Bumi, dengan periode yang sama persis, maka dari permukaan Bumi satelit itu tampak diam. Orbit ini disebut orbit geostasioner. Dari rumus periode, ketinggiannya pasti ±35.786 km, dan lajunya ±3,07 km/s.
Karena tampak diam, antena parabola di rumah cukup diarahkan sekali ke satu titik di langit lalu dikunci. Satelit komunikasi, siaran TV, dan satelit cuaca banyak ditempatkan di orbit ini.
Periode rotasi Bumi terhadap bintang 86.164 s. Dengan \(GM = 3{,}986 \times 10^{14}\ \mathrm{m^3/s^2}\) dan jari-jari Bumi di khatulistiwa 6.378 km, hitung ketinggian satelit geostasioner.
Dari \(T = 2\pi\sqrt{r^3/GM}\), kuadratkan: \(r^3 = \dfrac{GM\,T^2}{4\pi^2}\).
\(r = \sqrt[3]{7{,}496 \times 10^{22}} \approx 4{,}216 \times 10^{7}\) m \(= 42.164\) km.
Ketinggian: \(h = r - R = 42.164 - 6.378 = 35.786\) km.
Satelit geostasioner berada ±35.786 km di atas khatulistiwa, hampir tiga kali diameter Bumi. Semua satelit geostasioner di dunia berbagi "cincin" yang sama, sehingga posisinya (disebut slot orbit) diatur secara internasional.
Fisika IndonesiaPada 8 Juli 1976, Indonesia meluncurkan satelit Palapa A1. Indonesia termasuk negara pertama di dunia yang memakai satelit komunikasi domestik (sering disebut yang ketiga, setelah Kanada dan Amerika Serikat), karena sadar bahwa ribuan pulaunya sulit dihubungkan dengan kabel. Nama Palapa diambil dari Sumpah Palapa Gajah Mada tentang menyatukan Nusantara. Pada Juni 2023 menyusul SATRIA-1, satelit internet berkapasitas besar di slot orbit 146° BT, untuk menghubungkan sekolah, puskesmas, dan kantor desa di daerah terpencil. Letak Indonesia di khatulistiwa juga menguntungkan untuk peluncuran roket: putaran Bumi di khatulistiwa memberi "dorongan gratis" ±465 m/s ke arah timur, dan roket bisa langsung menuju bidang orbit geostasioner. Karena itu Biak, Papua, lama dikaji sebagai calon bandar antariksa. Di Pulau Timor, NTT, berdiri Observatorium Nasional Timau dengan teleskop 3,8 m untuk mengamati langit selatan.
"Satelit butuh mesin yang terus menyala supaya tidak jatuh."
Satelit "meluncur" tanpa mesin. Kecepatan menyamping ditambah tarikan Bumi sudah cukup untuk mengorbit selamanya (jika tanpa udara). Mesin kecil hanya dinyalakan sesekali untuk mengoreksi posisi.
"Satelit geostasioner benar-benar diam di angkasa."
Ia melesat ±3 km/s! Ia hanya tampak diam karena berputar mengelilingi Bumi tepat secepat Bumi berputar, seperti dua penari yang bergandengan berputar bersama.
11.6Tiga hukum Kepler: aturan main planet
Tamu dari masa laluTycho Brahe (1546–1601) mencatat posisi planet selama puluhan tahun dengan ketelitian luar biasa, tanpa teleskop. Asistennya, Johannes Kepler, menghabiskan bertahun-tahun mencocokkan data Mars dengan orbit lingkaran, tetapi selalu meleset ±8 menit busur. Kepler tidak menyerah dan tidak memaksa datanya. Ia justru membuang gagasan orbit lingkaran yang sudah dipercaya selama 2.000 tahun. Hasilnya: tiga hukum gerak planet (1609 dan 1619), yang hampir 70 tahun kemudian dijelaskan Newton dengan hukum gravitasi.
Hukum I (orbit elips): setiap planet bergerak dalam orbit berbentuk elips, dengan Matahari berada di salah satu titik fokusnya.
Hukum II (luas sama): garis yang menghubungkan planet dan Matahari menyapu luas yang sama dalam selang waktu yang sama. Akibatnya planet bergerak paling cepat di titik terdekat (perihelion) dan paling lambat di titik terjauh (aphelion).
Hukum III (harmoni): kuadrat periode sebanding dengan pangkat tiga setengah sumbu panjang orbit: \(T^2 \propto a^3\).
Tekan Jalankan. Setiap juring berwarna disapu dalam waktu yang sama (1/12 periode). Bandingkan bentuk juring di dekat Matahari (pendek-gemuk) dan di jauh (panjang-kurus). Luasnya? Lalu ubah \(a\) dan lihat bagaimana periode berubah.
Planet
\(a\) (SA)
\(T\) (tahun)
\(a^3\)
\(T^2\)
Merkurius
0,387
0,241
0,058
0,058
Venus
0,723
0,615
0,378
0,378
Bumi
1,000
1,000
1,000
1,000
Mars
1,524
1,881
3,54
3,54
Jupiter
5,203
11,86
140,9
140,7
Saturnus
9,537
29,46
867
868
Lihat dua kolom terakhir: hampir kembar! Jika \(a\) diukur dalam satuan astronomi (SA, jarak rata-rata Bumi–Matahari, ±150 juta km) dan \(T\) dalam tahun, maka untuk semua planet di tata surya berlaku \(T^2 = a^3\). Newton kemudian membuktikan bahwa tetapannya adalah \(\dfrac{T^2}{a^3} = \dfrac{4\pi^2}{GM_\text{Matahari}}\). Artinya, dari periode dan jarak satu planet saja, kita bisa menimbang Matahari!
Trik Kak Nara: Kepler II = penari BaliIngat penari yang berputar makin cepat saat merapatkan tangannya (Bab 10)? Planet juga begitu. Saat dekat Matahari, "lengannya" pendek, jadi ia berputar lebih cepat. Saat jauh, ia melambat. Hukum II Kepler sebenarnya adalah kekekalan momentum sudut.
11.7"Tanpa bobot" di ISS: jatuh bebas tanpa henti
Ingat timbangan di dalam lift pada Bab 6? Angka timbangan adalah gaya normal \(N = m(g + a)\). Jika lift jatuh bebas, \(a = -g\), sehingga \(N = 0\). Kamu melayang, padahal gravitasi masih bekerja penuh!
Di ISS terjadi hal yang persis sama. Stasiun, astronot, sendok, dan tetesan air semuanya jatuh mengelilingi Bumi dengan percepatan yang sama. Tidak ada yang menekan lantai, jadi semuanya melayang. Keadaan ini disebut tanpa bobot (lebih tepatnya, tanpa bobot semu), bukan tanpa gravitasi.
Gampangnya: astronot melayang bukan karena gravitasinya hilang, melainkan karena mereka sedang jatuh bersama-sama dengan stasiunnya. Rasanya seperti detik pertama saat kamu terjun dari papan loncat kolam renang.
📡
Antena parabola
Diarahkan sekali ke satelit geostasioner lalu dikunci, karena satelitnya tampak diam di langit.
🧭
Peta di ponsel
Navigasi ojek online memakai sinyal beberapa satelit di orbit menengah (±20.000 km) untuk menentukan posisimu.
🌊
Pasang surut laut
Gravitasi Bulan menarik sisi Bumi yang dekat lebih kuat daripada sisi jauh. Selisih tarikan ini membuat laut pasang, dan nelayan memakai jadwalnya.
🌦️
Prakiraan cuaca
Citra awan yang dipakai BMKG datang dari satelit cuaca geostasioner yang terus "menatap" wilayah Indonesia.
🧑🚀
Astronot bertambah tinggi
Tanpa tekanan bobot, tulang belakang astronot sedikit merenggang. Tinggi badan mereka bisa bertambah beberapa sentimeter selama di orbit.
"Di luar angkasa tidak ada gravitasi."
Gravitasi menjangkau tanpa batas, hanya melemah dengan jarak. Di ISS masih ±89%. Bulan mengelilingi Bumi dan Bumi mengelilingi Matahari justru karena gravitasi.
"Astronot melayang karena di orbit tidak ada udara."
Udara tidak ada hubungannya. Astronot melayang karena ia dan stasiunnya jatuh bebas bersama. Di wahana menara jatuh bebas di Bumi pun kamu melayang sesaat, padahal udaranya ada.
Bulan mengorbit Bumi pada jarak rata-rata \(3{,}84 \times 10^8\) m dengan periode 27,3 hari. Perkirakan massa Bumi. (\(G = 6{,}67 \times 10^{-11}\ \mathrm{N\,m^2/kg^2}\))
Dari \(T^2 = \dfrac{4\pi^2 r^3}{GM}\), maka \(M = \dfrac{4\pi^2 r^3}{G T^2}\).
Sekitar \(6 \times 10^{24}\) kg, sangat dekat dengan nilai resmi \(5{,}97 \times 10^{24}\) kg. Kita baru saja menimbang planet tanpa timbangan!
Jika jarak antara dua benda dijadikan 3 kali semula, gaya gravitasi di antara keduanya menjadi…
3 kali semula
\(\tfrac13\) kali semula
9 kali semula
\(\tfrac19\) kali semula
Gaya gravitasi berbanding terbalik dengan kuadrat jarak: \(1/3^2 = 1/9\).
Kecepatan sebuah satelit dalam orbit lingkaran bergantung pada…
massa Bumi dan jari-jari orbit
massa satelit dan ketinggiannya
bentuk dan ukuran satelit
kekuatan mesin satelit
\(v = \sqrt{GM/r}\): hanya massa planet \(M\) dan jarak dari pusat planet \(r\). Massa satelit tidak berpengaruh.
Astronot di ISS melayang karena…
gravitasi Bumi di sana nol
gaya tarik Bulan mengimbangi gravitasi Bumi
astronot dan stasiun sama-sama jatuh bebas mengelilingi Bumi
udara di dalam ISS mendorong astronot ke atas
Gravitasi di ISS masih ±89%. Semua benda di ISS jatuh dengan percepatan sama, sehingga gaya normal nol dan mereka melayang.
12
Bab 12 · Gerak & Gaya
Elastisitas & Getaran: Pegas, Ayunan, dan Jembatan yang Menari
Kenapa ketapel bisa melontarkan kerikil, jok motor tidak membuatmu terpental, dan jembatan gantung bisa bergoyang hebat hanya karena langkah kaki? Semuanya soal benda yang "ingin kembali" ke bentuk dan posisi semula.
Setelah bab ini, kamu bisa
memakai hukum Hooke \(F = kx\) dan menghitung konstanta pegas, termasuk susunan seri dan paralel;
membedakan tegangan, regangan, dan modulus Young, serta membaca kurva tegangan–regangan sampai bahan patah;
mengenali getaran harmonik sederhana dan menghitung periode pegas-beban serta bandul;
menjelaskan perpindahan energi kinetik dan potensial selama benda bergetar;
menjelaskan redaman dan resonansi pada shock absorber, ayunan, jembatan, dan gedung.
Jembatan Gantung yang Menari Komik · 4 panel
Jembatan gantung desa, Sabtu sore
RakaAyo lompat bareng, Sar! Satu, dua! Satu, dua!
GOYANG!
SariRak, STOP! Goyangannya makin besar, padahal lompatanmu biasa aja!
Kak NaraLompatan kalian pas seirama dengan ayunan alami jembatan. Dorongan kecil yang seirama terus menumpuk jadi goyangan besar. Namanya resonansi!
Fakta unik dari Tarsi
TarsiTahun 2000, jembatan baru di London ditutup dua hari setelah dibuka. Langkah ribuan pejalan kaki membuatnya bergoyang!
Raka (50 kg) dan adiknya (25 kg) bergantian duduk di ayunan taman yang sama, dengan posisi duduk yang sama dan simpangan kecil. Siapa yang ayunannya bolak-balik lebih lambat (periodenya lebih lama)?
Raka, karena lebih berat sehingga lebih "malas" bergerak.
Adiknya, karena lebih ringan sehingga mudah "melayang".
Sama saja.
Tergantung seberapa kuat ayunan itu didorong.
Jawabannya: sama! Benda yang lebih berat memang lebih sulit digerakkan (massanya besar), tetapi ditarik gravitasi lebih kuat (beratnya besar). Kedua efek ini saling menghapus, persis seperti batu dan kelereng yang jatuh bersamaan. Periode ayunan hanya bergantung pada panjang tali dan nilai \(g\): \(T = 2\pi\sqrt{L/g}\). Kita buktikan di subbab 12.5.
12.1Hukum Hooke: pegas yang "ingin pulang"
Tarik karet ketapel, lalu lepaskan: karet kembali ke bentuk semula. Tekan jok motor, lalu lepaskan: jok mengembang lagi. Sifat benda yang kembali ke bentuk semula setelah gaya dihilangkan disebut elastis. Sebaliknya, plastisin (lilin mainan) yang ditekan tetap penyok. Itu sifat plastis.
Benda elastis seperti anak kecil yang ditarik tangannya oleh kakaknya: makin jauh ia ditarik dari tempatnya, makin kuat ia menarik balik. Pada pegas, gaya pemulih itu sebanding dengan pertambahan panjangnya. Robert Hooke merumuskannya tahun 1678:
Hukum Hooke. Selama batas elastis tidak dilampaui, gaya yang diperlukan untuk meregangkan pegas sebanding dengan pertambahan panjangnya: \(F = kx\).
Gampangnya: tarik pegas 1 cm butuh gaya tertentu. Tarik 2 cm, butuh gaya dua kali. Tarik 3 cm, tiga kali. Tetapi kalau ditarik terlalu jauh, pegas rusak dan tidak bisa kembali lagi.
Sebuah pegas tergantung bebas. Kita tandai panjang awalnya dengan garis hijau.
Gantung satu beban (1 N). Pegas bertambah panjang 2 cm. Catat titiknya di grafik.
Dua beban (2 N): pertambahan panjang 4 cm. Dua kali gaya, dua kali regangan.
Tiga beban (3 N): 6 cm. Pola yang sama!
Titik-titiknya membentuk garis lurus melalui titik asal. Kemiringannya adalah konstanta pegas \(k = F/x = 1\ \mathrm N / 0{,}02\ \mathrm m = 50\) N/m. Makin besar \(k\), makin kaku pegasnya.
Lima beban (5 N): seharusnya 10 cm, tetapi pegas memanjang 13 cm. Grafiknya melengkung karena batas elastis sudah terlewati.
Semua beban dilepas: pegas tidak kembali ke panjang awal, masih 2 cm lebih panjang. Pegas sudah mengalami deformasi plastis.
Awas jebakanDalam \(F = kx\), \(x\) adalah pertambahan panjang, bukan panjang pegas. Pegas 20 cm yang ditarik menjadi 25 cm memiliki \(x = 5\) cm. Ingat juga satuannya: jika \(k\) dalam N/m, \(x\) harus dalam meter.
Tamu dari masa laluRobert Hooke (1635–1703) takut idenya dicuri. Tahun 1676 ia hanya menerbitkan teka-teki huruf acak: ceiiinosssttuv. Dua tahun kemudian ia membuka rahasianya. Huruf-huruf itu adalah susunan acak kalimat Latin ut tensio, sic vis, artinya "sebagaimana regangannya, begitulah gayanya".
12.2Tegangan, regangan, dan modulus Young
Konstanta pegas \(k\) bergantung pada bentuk benda. Kawat baja tipis lebih mudah meregang daripada batang baja tebal, walaupun bahannya sama. Untuk membandingkan bahan, fisikawan memakai tiga besaran:
Tegangan (stress) \(\sigma = \dfrac{F}{A}\): gaya per luas penampang. Satuannya Pa (N/m²). Tali rafia dan tambang kapal yang ditarik gaya sama mengalami tegangan sangat berbeda.
Regangan (strain) \(\varepsilon = \dfrac{\Delta L}{L_0}\): pertambahan panjang dibagi panjang awal. Tidak bersatuan, sering ditulis dalam persen.
Modulus Young \(E = \dfrac{\sigma}{\varepsilon} = \dfrac{F L_0}{A\,\Delta L}\): ukuran kekakuan bahan. Makin besar \(E\), makin sulit bahan diregangkan.
Bahan
Modulus Young \(E\) (GPa)
Kuat tarik (MPa, perkiraan)
Sifat saat patah
Baja (besi beton)
200
400–600
ulet: meleleh dan "berleher" dulu
Aluminium paduan
70
±300
ulet
Tembaga
±120
±220
sangat ulet (mudah dibentuk kabel)
Serat bambu (arah memanjang)
±10–20
±100–300
cukup getas, berserat
Kayu jati (searah serat)
±10–13
±100
getas
Beton
±20–30
±2–5 (kuat ditekan, lemah ditarik!)
getas
Kaca
±70
±30–100
getas: patah tanpa peringatan
Karet
±0,01–0,1
±15–25
sangat melar (sampai ratusan persen)
Kurva tegangan–regangan: "biografi" sebuah bahan
Jika sebatang bahan ditarik pelan-pelan sampai putus sambil dicatat tegangan dan regangannya, kita mendapat kurva tegangan–regangan. Untuk baja, kurvanya punya beberapa daerah: (1) daerah elastis yang lurus (hukum Hooke, kemiringannya \(E\)); (2) titik luluh, saat baja mulai "mengalir" dan tidak bisa kembali sepenuhnya; (3) daerah plastis, ketika baja makin kuat sambil memanjang; (4) kuat tarik maksimum; (5) penciutan leher (necking); dan (6) titik patah.
Pilih bahan, lalu tekan Jalankan untuk menarik. Tekan Lepas beban di tengah jalan: apakah bahan kembali ke panjang awal? Coba sekali di daerah elastis dan sekali setelah titik luluh. Nyalakan Perbesar daerah elastis untuk melihat garis hukum Hooke.
Besi beton berdiameter 10 mm dan panjang 3 m ditarik gaya 10 kN. Modulus Young baja 200 GPa. Hitung tegangan dan pertambahan panjangnya.
Pertambahan panjang: \(\Delta L = \varepsilon L_0 = 6{,}4 \times 10^{-4} \times 3 \approx 1{,}9 \times 10^{-3}\) m.
Besi memanjang hanya ±1,9 mm, dan tegangannya (127 MPa) masih di bawah titik luluh besi beton (±240–420 MPa). Besi itu aman dan akan kembali ke panjang semula.
Fisika IndonesiaOrang Indonesia sering menyebut pegas sebagai "per", dari bahasa Belanda veer. Nenek moyang kita juga sudah lama memakai bahan elastis yang hebat: bambu. Serat bambu kuat menahan tarikan, ringan, dan lentur. Rumah dan jembatan bambu bisa melentur saat gempa lalu kembali, alih-alih retak seperti dinding bata tanpa tulangan. Karena itu bambu kini diteliti lagi sebagai bahan bangunan tahan gempa dan ramah lingkungan, termasuk oleh perguruan tinggi di Indonesia.
"Bahan elastis artinya bahan yang mudah melar, seperti karet."
Dalam fisika, elastis berarti bisa kembali ke bentuk semula. Baja sangat elastis pada beban sedang, tetapi sulit melar karena modulus Young-nya ribuan kali modulus karet.
"Besi tidak bisa memanjang."
Semua bahan memanjang saat ditarik, hanya sedikit sekali. Kabel baja lift setinggi 100 m bisa memanjang beberapa sentimeter saat lift penuh penumpang.
Lanjut · IB & olimpiadeEnergi dalam kawat dan tegangan termalUsaha untuk meregangkan kawat sama dengan luas di bawah grafik \(F\)–\(x\): \(W = \tfrac12 F\,\Delta L = \tfrac12 k(\Delta L)^2\). Dibagi volume \(AL_0\), energi per volume adalah \(\tfrac12\sigma\varepsilon\). Jika batang dijepit di kedua ujung lalu dipanaskan sebesar \(\Delta T\), ia "ingin" memuai sebesar \(\alpha L_0\Delta T\) tetapi ditahan. Muncullah tegangan termal \(\sigma = E\alpha\Delta T\). Untuk rel baja (\(\alpha = 1{,}2 \times 10^{-5}\) /°C) yang suhunya naik 25 °C, tegangannya 60 MPa! Itulah sebabnya rel diberi celah atau dipasang dengan perhitungan khusus. Saat ditarik, kawat juga sedikit mengecil diameternya; perbandingan regangan melintang terhadap regangan memanjang disebut rasio Poisson (±0,3 untuk baja, ±0,5 untuk karet).
12.3Susunan pegas: seri dan paralel
Motor bebek punya dua shock absorber di roda belakang, berdampingan. Kasur per berisi ratusan pegas berdiri berjajar. Bagaimana menghitung kekakuan gabungannya?
Trik Kak Nara: "berdiri bahu-membahu" vs "bergandengan memanjang"Paralel itu seperti teman-teman yang mengangkat meja bersama-sama: bebannya terbagi, jadi terasa lebih kuat (lebih kaku). Seri itu seperti menyambung dua karet gelang: setiap karet menahan tarikan penuh, sehingga totalnya melar lebih banyak (lebih lembek). Untuk dua pegas identik \(k\): paralel → \(2k\), seri → \(k/2\).
Sebuah pegas dengan konstanta \(k\) dipotong menjadi dua bagian yang sama panjang. Berapa konstanta pegas masing-masing potongan?
\(k/2\), karena pegasnya tinggal setengah.
Tetap \(k\), karena bahannya sama.
\(2k\), jadi lebih kaku.
\(4k\), karena panjangnya dikuadratkan.
Jawabannya: \(2k\). Pegas utuh sebenarnya adalah dua setengah-pegas yang disusun seri. Jika tiap potongan berkonstanta \(k'\), maka \(1/k = 1/k' + 1/k'\), sehingga \(k' = 2k\). Masuk akal: dengan gaya yang sama, tiap potongan hanya meregang setengah dari pegas utuh. Pegas yang lebih pendek selalu lebih kaku.
Roda belakang motor ditopang dua shock absorber yang dipasang paralel, masing-masing \(k = 15.000\) N/m. Saat Kak Nara (60 kg) duduk, anggap seluruh beratnya ditahan roda belakang (\(g = 10\) m/s²). Berapa sentimeter jok turun?
Susunan paralel: \(k_p = 15.000 + 15.000 = 30.000\) N/m.
Gaya: \(F = mg = 60 \times 10 = 600\) N.
\(x = F/k_p = 600 / 30.000 = 0{,}02\) m \(= 2\) cm.
Jok turun ±2 cm. Kalau hanya ada satu shock absorber, turunnya 4 cm. Karena itu motor yang sering membawa beban berat memakai per yang lebih kaku.
12.4Getaran harmonik sederhana (GHS)
Tarik beban di ujung pegas, lalu lepaskan. Beban bergerak bolak-balik melewati titik setimbang. Gaya pegas \(F = -kx\) selalu mengarah ke titik setimbang (tanda minus) dan makin besar jika simpangannya makin jauh. Gerak bolak-balik dengan gaya pemulih yang sebanding dengan simpangan ini disebut getaran harmonik sederhana (GHS).
Simpangan \(x\): jarak dari titik setimbang (bisa positif atau negatif).
Amplitudo \(A\): simpangan terbesar.
Periode \(T\): waktu satu getaran penuh (s). Frekuensi \(f = 1/T\): banyak getaran per sekon (hertz, Hz).
Frekuensi sudut \(\omega = 2\pi f = 2\pi/T\) (rad/s).
Ada cara cantik melihat GHS: perhatikan bayangan sebuah bola yang bergerak melingkar beraturan.
Sebuah bola (oranye) bergerak melingkar dengan laju tetap. Cahaya dari samping membuat bayangannya (ungu) jatuh di dinding.
Bola berputar seperempat lingkaran. Bayangannya naik ke posisi tertinggi, sejauh jari-jari lingkaran: itulah amplitudo \(A\).
Setengah putaran: bayangan kembali ke tengah, kini sambil bergerak turun.
Tiga perempat putaran: bayangan di posisi terendah, \(-A\).
Satu putaran penuh: bayangan kembali ke tengah. Jika posisinya dicatat terhadap waktu, terbentuk kurva sinus.
Bayangan itu bergerak persis seperti beban di ujung pegas! Simpangannya \(x = A\sin\omega t\), dengan \(\omega\) adalah laju sudut bola. Satu putaran = satu periode getaran.
Posisi
Simpangan
Kecepatan
Percepatan (dan gaya)
Titik setimbang
0
maksimum: \(v_\text{maks} = \omega A\)
nol
Ujung simpangan
\(\pm A\)
nol (sesaat berhenti)
maksimum: \(a_\text{maks} = \omega^2 A\), menuju titik setimbang
Awas jebakanDi ujung simpangan beban berhenti sesaat, tetapi percepatannya justru paling besar, sama seperti bola di puncak lemparan (Bab 4). Di titik setimbang beban paling cepat, tetapi percepatannya nol. Kecepatan nol tidak berarti percepatan nol!
12.5Periode pegas dan bandul
Dari Hukum II Newton, \(ma = -kx\), sehingga \(a = -\dfrac{k}{m}x = -\omega^2 x\). Jadi \(\omega = \sqrt{k/m}\), dan periodenya:
Seret balok ke kanan atau kiri untuk memberi simpangan, lalu lepaskan. Bandingkan periode terukur dengan rumus. Ubah susunan pegas menjadi seri atau paralel. Lalu naikkan redaman sedikit demi sedikit sampai balok tidak lagi bolak-balik. Itulah cara kerja shock absorber!
Balok di ujung pegas ditarik 5 cm lalu dilepas, periodenya 1 s. Jika balok ditarik 10 cm lalu dilepas, periodenya menjadi…
2 s, karena jaraknya dua kali lebih jauh.
Tetap 1 s.
0,5 s, karena gayanya dua kali lebih besar.
1,41 s.
Tetap 1 s. Jaraknya memang dua kali, tetapi gaya pegas juga dua kali, sehingga balok bergerak dua kali lebih cepat. Waktunya sama! Sifat ini disebut isokron ("waktu sama"), dan inilah alasan pegas dan bandul dipakai sebagai pengatur waktu jam. Uji sendiri di lab pegas di atas.
Bandul sederhana
Bandul adalah beban kecil di ujung tali ringan. Untuk simpangan kecil (di bawah ±15°), gaya pemulihnya \(-mg\sin\theta \approx -mg\,x/L\), sebanding dengan simpangan. Jadi bandul juga bergetar harmonik, dengan "konstanta pegas" \(mg/L\). Massa saling coret, dan
Trik Kak Nara: bandul satu meterHafalkan satu fakta ini: bandul sepanjang 1 meter di Bumi berayun dengan periode hampir tepat 2 sekon (sekali ke kiri 1 s, sekali ke kanan 1 s). Dari sini kamu bisa menebak cepat: tali 4 m → periode 2 kali → 4 s; tali 25 cm → periode setengah → 1 s.
Tamu dari masa laluKonon, sekitar tahun 1583 Galileo muda yang bosan di Katedral Pisa memperhatikan lampu gantung yang berayun. Ia mengukur waktunya dengan denyut nadinya sendiri dan heran: ayunan besar maupun kecil memakan waktu sama! Tahun 1656, Christiaan Huygens memakai sifat ini untuk membuat jam bandul pertama, yang ketepatannya jauh melampaui jam-jam sebelumnya.
Sari menghitung ayunan bandul: 20 ayunan penuh dalam 30 s. Berapa periode dan frekuensinya?
Periode: \(T = \dfrac{\text{waktu}}{\text{jumlah ayunan}} = \dfrac{30}{20} = 1{,}5\) s.
Frekuensi: \(f = \dfrac{1}{T} = \dfrac{1}{1{,}5} \approx 0{,}67\) Hz.
\(T = 1{,}5\) s dan \(f \approx 0{,}67\) Hz. Mengukur 20 ayunan sekaligus (bukan satu) membuat galat reaksi stopwatch terbagi 20, sehingga hasilnya jauh lebih teliti.
Jam bandul kakek berdetak tepat di Bumi (\(g = 9{,}8\) m/s²) dengan periode bandul 2,00 s. Jam itu dibawa ke Bulan (\(g = 1{,}62\) m/s²). (a) Berapa periode bandulnya di Bulan? (b) Setelah 1 jam waktu sebenarnya, jam itu menunjukkan berapa menit?
\(T \propto 1/\sqrt g\), jadi \(T_\text{Bulan} = 2{,}00\sqrt{\dfrac{9{,}8}{1{,}62}} = 2{,}00 \times 2{,}46 \approx 4{,}92\) s.
Dalam 3.600 s sebenarnya, bandul hanya berayun \(3600 / 4{,}92 \approx 732\) kali.
Jam "mengira" setiap ayunan bernilai 2 s, jadi ia menunjukkan \(732 \times 2 = 1464\) s \(\approx 24{,}4\) menit.
Periode di Bulan ±4,9 s, dan jam itu sangat terlambat: hanya maju ±24 menit setiap jam. Jam bandul hanya tepat di tempat yang nilai \(g\)-nya sama dengan tempat jam itu disetel.
Lanjut · IB & olimpiadeJawaban teka-teki terowongan Bumi (dari Bab 11)Di dalam Bumi homogen, gaya gravitasi pada bola bermassa \(m\) adalah \(F = -\dfrac{mg}{R}\,r\): bentuknya persis \(F = -kx\) dengan \(k = mg/R\). Maka bola bergetar harmonik dengan \(T = 2\pi\sqrt{R/g} = 2\pi\sqrt{6{,}37 \times 10^6 / 9{,}8} \approx 5{.}066\) s \(\approx 84\) menit. Sekali jalan dari Pontianak ke Amazon butuh setengahnya: ±42 menit, dan hasilnya sama untuk terowongan lurus mana pun, bahkan yang tidak melewati pusat! Perhatikan juga: 84 menit adalah periode satelit yang mengorbit tepat di permukaan Bumi. Kebetulan? Tidak: gerak bola di terowongan adalah "bayangan" gerak satelit itu. Contoh GHS lain: bandul fisis \(T = 2\pi\sqrt{I/(mgd)}\), air dalam pipa U \(T = 2\pi\sqrt{L/(2g)}\), dan benda terapung yang ditekan lalu dilepas.
12.6Energi dalam getaran: bolak-balik antara gerak dan simpanan
Saat pegas teregang maksimum, beban diam sesaat: semua energinya tersimpan sebagai energi potensial pegas \(\tfrac12 kx^2\). Saat melewati titik setimbang, pegas tidak teregang, dan semua energi menjadi energi kinetik \(\tfrac12 mv^2\). Di antaranya, energi terbagi dua, tetapi jumlahnya selalu tetap (tanpa gesekan):
Gampangnya: getaran itu seperti menuang air bolak-balik antara dua gelas. Gelas "gerak" dan gelas "simpanan" bergantian penuh, tetapi jumlah airnya tidak berubah.
Pistol mainan memakai pegas \(k = 200\) N/m yang ditekan 10 cm untuk melontarkan bola 50 g secara mendatar. Gesekan diabaikan. Berapa kelajuan bola saat lepas?
Energi pegas: \(E = \tfrac12 kx^2 = \tfrac12 \times 200 \times (0{,}10)^2 = 1{,}0\) J.
Semuanya menjadi energi kinetik: \(\tfrac12 mv^2 = 1{,}0\) → \(v^2 = \dfrac{2 \times 1{,}0}{0{,}050} = 40\).
\(v = \sqrt{40} \approx 6{,}3\) m/s.
Bola melesat ±6,3 m/s (±23 km/jam). Ini sama dengan \(v_\text{maks} = \omega A = \sqrt{k/m}\,A\). Prinsip yang sama bekerja pada ketapel: energi karet yang diregangkan berubah menjadi energi gerak kerikil.
🏍️
Shock absorber motor
Per menyerap guncangan polisi tidur, lalu peredam oli mencegah motor terus berayun naik-turun.
🛏️
Kasur per
Ratusan pegas kecil tersusun paralel dan menyebar beban tubuh sehingga tekanan pada punggung merata.
⚖️
Timbangan gantung pedagang
Pedagang ikan di pasar memakai timbangan pegas: pertambahan panjang pegas sebanding dengan berat ikan (hukum Hooke).
🕰️
Jam dinding bandul
Ayunan bandul yang isokron menjadi "detak" jam. Sekrup di bawah bandul menggeser beban untuk menyetel kecepatan jam.
🏹
Ketapel
Karet yang diregangkan menyimpan energi potensial elastis, lalu mengubahnya menjadi energi kinetik kerikil.
12.7Redaman dan resonansi
Ayunan di taman yang tidak didorong lama-lama berhenti. Energinya terkikis gesekan udara dan gesekan di engsel. Getaran yang amplitudonya makin kecil disebut getaran teredam. Ada tiga jenisnya:
Kurang teredam: masih bolak-balik beberapa kali sambil mengecil (ayunan, senar gitar).
Teredam kritis: kembali ke titik setimbang secepat mungkin tanpa bolak-balik. Inilah yang diinginkan pada shock absorber dan penutup pintu otomatis.
Terlalu teredam: kembali sangat pelan, seperti sendok yang ditarik dari madu kental.
Sekarang kebalikannya. Setiap benda yang bisa bergetar punya frekuensi alami. Jika benda itu didorong berulang-ulang dengan frekuensi yang sama dengan frekuensi alaminya, setiap dorongan datang tepat waktu dan menambah energi. Amplitudonya membesar terus. Peristiwa ini disebut resonansi. Kamu memakainya setiap kali mendorong adikmu di ayunan: dorongan kecil, tetapi tepat irama.
Mode Ayun bebas: atur sudut awal dan redaman, lalu bandingkan periode terukur dengan rumus. Mode Didorong berirama: Raka mendorong dengan periode tertentu. Samakan periode dorongan dengan periode alami ayunan dan saksikan amplitudonya membesar. Lalu coba periode dorongan yang meleset jauh.
Fisika IndonesiaIndonesia berada di Cincin Api, jadi gempa adalah tamu yang pasti datang. Setiap gedung punya frekuensi alami. Sebagai perkiraan kasar, periode alami gedung bertingkat \(N\) sekitar \(0{,}1N\) sekon. Jika getaran tanah saat gempa berirama mirip, gedung bisa beresonansi. Insinyur Indonesia memakai berbagai cara: fondasi peredam (base isolator) dari karet berlapis baja, dinding geser, dan peredam getaran. Kearifan lokal juga mengenal prinsip ini: rumah adat Nias berdiri di atas tiang-tiang kayu besar dengan tiang silang, dan banyak dilaporkan tetap berdiri saat gempa Nias 2005. Jembatan gantung desa pun dirancang dengan memperhitungkan beban pejalan kaki agar tidak mudah berayun.
"Pasukan yang berbaris seirama menyeberang jembatan itu gagah dan aman."
Langkah serempak bisa memicu resonansi. Tahun 1831, sebuah jembatan gantung di Inggris runtuh saat dilewati pasukan yang berbaris seirama. Sejak itu, pasukan diperintahkan memecah langkah saat menyeberang jembatan.
"Ayunan yang disimpangkan lebih jauh pasti butuh waktu lebih lama untuk satu ayunan."
Untuk simpangan kecil, waktunya sama (isokron). Jaraknya lebih jauh, tetapi bebannya juga bergerak lebih cepat. Baru pada simpangan sangat besar (di atas ±20°) periodenya sedikit memanjang.
Lanjut · olimpiadeTacoma Narrows: bukan resonansi biasaJembatan Tacoma Narrows di Amerika Serikat runtuh tahun 1940 diterpa angin yang tidak berirama (±64 km/jam, cukup tetap). Buku lama menyebutnya resonansi, tetapi penjelasan modern adalah flutter aeroelastik: gerak puntir jembatan mengubah aliran udara di sekitarnya, dan aliran itu justru mendorong puntiran makin besar. Ini getaran yang "memberi makan dirinya sendiri" (redaman efektifnya negatif). Pelajarannya: jembatan modern diuji dalam terowongan angin. Untuk getaran paksa biasa, persamaannya \(m\ddot x + b\dot x + kx = F_0\cos\omega t\); amplitudo tunak \(A = \dfrac{F_0/m}{\sqrt{(\omega_0^2-\omega^2)^2 + (b\omega/m)^2}}\), yang puncaknya makin tinggi dan tajam jika redaman \(b\) makin kecil.
Pegas bertambah panjang 2 cm saat ditarik 4 N. Berapa gaya untuk menariknya 6 cm (masih elastis)?
8 N
12 N
24 N
6 N
\(k = 4/0{,}02 = 200\) N/m, sehingga \(F = 200 \times 0{,}06 = 12\) N. Atau: jarak 3 kali, gaya 3 kali.
Panjang tali bandul dijadikan 4 kali semula. Periodenya menjadi…
4 kali semula
setengah kali semula
tetap
2 kali semula
\(T \propto \sqrt L\), sehingga \(\sqrt4 = 2\) kali.
Saat beban pegas melewati titik setimbangnya…
kecepatannya maksimum dan percepatannya nol
kecepatannya nol dan percepatannya maksimum
kecepatan dan percepatannya sama-sama nol
energi potensial pegasnya maksimum
Di titik setimbang pegas tidak teregang, jadi gaya dan percepatannya nol, sedangkan seluruh energi berbentuk energi kinetik (kecepatan maksimum).
13
Bab 13 · Fluida & Panas
Fluida Statis: Rahasia Kapal Baja dan Penyelam Bajau
Paku kecil tenggelam, tetapi kapal baja seberat ribuan ton mengapung. Telinga penyelam terasa "ditekan" makin dalam ia menyelam. Mobil satu ton bisa diangkat dengan satu tangan. Ternyata zat cair dan gas yang diam pun menyimpan kekuatan besar.
Setelah bab ini, kamu bisa
menghitung tekanan \(P = F/A\) dan menjelaskan mengapa pisau tajam mudah memotong;
menghitung tekanan hidrostatis dan tekanan total di kedalaman tertentu;
menerapkan hukum Pascal pada dongkrak dan rem hidraulik;
menjelaskan tekanan udara, barometer, dan manometer;
memakai hukum Archimedes untuk menentukan benda mengapung, melayang, atau tenggelam, serta menjelaskan tegangan permukaan dan kapilaritas.
Paku Tenggelam, Kapal Mengapung Komik · 4 panel
Pelabuhan rakyat, Makassar
RakaPaku sekecil ini aja langsung tenggelam.
PLUNG!
RakaTerus, kenapa kapal baja segede gedung itu bisa mengapung?!
SariPaku dan kapal sama-sama dari besi. Berarti rahasianya bukan bahannya… tapi bentuknya?
Kak Nara datang
Kak NaraTepat! Rahasianya: berapa banyak air yang "didesak" kapal. Archimedes menemukannya 2.200 tahun lalu, konon sambil berendam!
TarsiSeni membuat pinisi diakui UNESCO tahun 2017!
Siapa yang memberi tekanan lebih besar pada lantai: gajah Sumatra 4 ton yang berdiri dengan empat kaki, atau seorang perempuan 50 kg yang bertumpu pada satu hak sepatu runcing (luas ±1 cm²)?
Gajah, karena gajah jauh lebih berat.
Perempuan bersepatu hak runcing.
Sama besar, karena keduanya berdiri diam.
Tidak bisa dibandingkan, karena satuannya berbeda.
Jawabannya: sepatu hak runcing, sekitar 60 kali lebih besar! Gajah: gaya ±39.000 N dibagi luas empat telapak ±0,5 m² → ±78.000 Pa. Perempuan: ±490 N dibagi 1 cm² (0,0001 m²) → ±4.900.000 Pa. Tekanan bukan soal beratnya saja, tetapi berat dibagi luas bidang tumpunya. Itulah sebabnya hak runcing bisa melubangi lantai kayu, sedangkan gajah tidak.
13.1Tekanan: gaya yang "dipusatkan"
Tekan telapak tanganmu dengan ujung pensil yang tumpul, lalu dengan ujung yang runcing, dengan gaya yang sama. Mana yang lebih sakit? Ujung runcing! Gayanya sama, tetapi terpusat pada bidang yang jauh lebih kecil. Besaran yang menggambarkan "seberapa terpusat" sebuah gaya disebut tekanan.
Tekanan adalah gaya tekan yang tegak lurus bidang dibagi luas bidang tekannya: \(P = \dfrac{F}{A}\). Satuannya pascal (Pa): \(1\ \mathrm{Pa} = 1\ \mathrm{N/m^2}\).
Satu pascal itu kecil sekali: kira-kira tekanan selembar kertas HVS yang tergeletak di meja! Karena itu kita sering memakai kilopascal (kPa) atau megapascal (MPa).
Gampangnya: bidang sempit → tekanan besar (pisau tajam, paku runcing, jarum). Bidang lebar → tekanan kecil (ban traktor yang lebar, sepatu salju, ransel bertali lebar yang tidak menyakitkan bahu).
Kardus berisi buku seberat 600 N bertumpu di lantai dengan alas berukuran 0,5 m × 0,4 m. Berapa tekanannya pada lantai?
Luas alas: \(A = 0{,}5 \times 0{,}4 = 0{,}2\ \mathrm{m^2}\).
\(P = F/A = 600 / 0{,}2 = 3000\) Pa \(= 3\) kPa.
Tekanannya 3.000 Pa. Jika kardus didirikan pada sisinya yang lebih sempit, beratnya tetap 600 N, tetapi tekanannya membesar.
Saat menyelam ke dasar kolam, telingamu terasa ditekan. Penyebabnya adalah air di atasmu. Setiap lapisan air menekan lapisan di bawahnya, jadi makin dalam, makin besar tekanannya. Tekanan karena zat cair yang diam ini disebut tekanan hidrostatis. Dari mana rumusnya? Ikuti langkah berikut.
Raka menyelam pada kedalaman \(h\) di bawah permukaan air yang diam.
Bayangkan "tiang air" tepat di atas sepetak kecil seluas \(A\) di dekat kepala Raka. Tiang itulah yang menekan petak tersebut.
Volume tiang air adalah luas alas dikali tinggi: \(V = Ah\).
Massanya: \(m = \rho V = \rho A h\), dengan \(\rho\) massa jenis air (1.000 kg/m³ untuk air tawar).
Beratnya: \(w = mg = \rho A h g\).
Tekanan = gaya/luas \(= \rho A h g / A = \rho g h\). Luas \(A\) hilang! Tekanan hidrostatis hanya bergantung pada massa jenis, gravitasi, dan kedalaman.
Di atas permukaan air masih ada udara yang menekan dengan tekanan \(P_0 \approx 101\) kPa. Tekanan total di kedalaman \(h\) adalah \(P = P_0 + \rho g h\).
Atur kedalaman tujuan lalu tekan Jalankan, atau seret penyelam naik-turun. Perhatikan balon udara yang dibawanya: mengapa makin dalam makin kempis? Ganti fluidanya. Di "kolam raksa" khayalan, seberapa cepat tekanannya naik?
Tiga wadah berbeda bentuk (satu lebar seperti baskom, satu sempit seperti botol, satu melebar ke atas seperti corong terbalik) diisi air setinggi 30 cm. Di dasar wadah mana tekanan air paling besar?
Baskom yang lebar, karena airnya paling banyak.
Botol yang sempit, karena airnya terkumpul.
Wadah yang melebar ke atas, karena air di pinggir ikut menekan.
Sama besar di ketiganya.
Sama besar! Tekanan hidrostatis hanya bergantung pada kedalaman: \(P_h = \rho g h\), dan \(h\) ketiganya sama 30 cm. Fakta yang mengejutkan ini disebut paradoks hidrostatis. Air "ekstra" di wadah lebar ditahan oleh dinding wadah, bukan oleh dasarnya.
Tamu dari masa laluKonon, Blaise Pascal (1623–1662) memasang pipa yang panjang dan sangat kurus tegak di atas tong kayu penuh air. Ia lalu menuang air ke pipa itu dari balkon lantai atas. Hanya beberapa gelas air, tetapi karena kolomnya sangat tinggi, tekanan di dalam tong melonjak dan tong pun pecah! Yang menentukan tekanan adalah tinggi kolom air, bukan banyaknya air.
Awas jebakanDalam \(P_h = \rho g h\), \(h\) adalah kedalaman dari permukaan, bukan tinggi dari dasar. Ikan yang berenang 20 cm di atas dasar akuarium setinggi 50 cm berada pada kedalaman 30 cm.
Fisika IndonesiaSuku Bajau yang hidup di laut Sulawesi dan sekitarnya dikenal sebagai penyelam bebas yang luar biasa: mereka berburu ikan tanpa tabung udara hingga kedalaman puluhan meter. Penelitian tahun 2018 menemukan limpa orang Bajau rata-rata lebih besar daripada tetangga mereka yang bukan penyelam. Limpa yang besar membantu menyimpan sel darah merah kaya oksigen. Di kedalaman 20 m, tekanan total sudah ±3 kali tekanan di permukaan, sehingga paru-paru mengempis menjadi ±1/3 volumenya. Danau Toba, danau vulkanik terbesar di dunia, kedalamannya lebih dari 500 m; di dasarnya tekanan ±50 atmosfer. Itu pula sebabnya dinding bendungan seperti Jatiluhur dibuat jauh lebih tebal di bagian bawah.
13.3Hukum Pascal: dongkrak dan rem hidraulik
Isi kantong plastik dengan air, ikat rapat, lalu tusuk beberapa lubang kecil. Jika kantong ditekan di satu tempat, air menyemprot dari semua lubang, ke segala arah. Tekanan yang kamu berikan diteruskan ke seluruh bagian zat cair.
Hukum Pascal. Tekanan yang diberikan pada zat cair dalam ruang tertutup diteruskan sama besar ke segala arah dan ke seluruh bagian zat cair.
Bayangkan dua tabung berisi oli yang dihubungkan, satu kecil (luas \(A_1\)) dan satu besar (\(A_2\)). Dorong piston kecil dengan gaya \(F_1\). Tekanan \(F_1/A_1\) diteruskan ke piston besar, sehingga piston besar terdorong dengan gaya \(F_2 = P A_2\):
Seret pegangan piston kecil ke bawah berulang-ulang (atau tekan Pompa). Berapa gaya yang dibutuhkan Raka? Berapa kali harus memompa untuk mengangkat angkot 10 cm? Bandingkan usaha yang dikeluarkan Raka dengan energi potensial angkot. Coba juga piston kecil yang terlalu besar!
Awas jebakanDongkrak hidraulik melipatgandakan gaya, bukan energi. Jika gaya dikali 64, piston kecil harus bergerak 64 kali lebih jauh daripada naiknya piston besar. Usaha masuk = usaha keluar (\(F_1 s_1 = F_2 s_2\)), seperti tuas dan katrol di Bab 8.
Pengangkat mobil hidraulik punya piston kecil berdiameter 4 cm dan piston besar berdiameter 32 cm. Mobil bermassa 1.280 kg (\(g = 10\) m/s²). (a) Berapa gaya minimum pada piston kecil? (b) Agar mobil naik 5 cm, piston kecil harus turun berapa jauh?
Berat mobil: \(F_2 = 1280 \times 10 = 12.800\) N, jadi \(F_1 = 12.800 / 64 = 200\) N.
Volume oli yang berpindah sama: \(A_1 s_1 = A_2 s_2\), sehingga \(s_1 = 64 \times 5 = 320\) cm.
Cukup 200 N (seperti mengangkat karung beras 20 kg), tetapi piston kecil harus menempuh total 3,2 m. Karena itu dongkrak dipompa berkali-kali dengan katup satu arah.
Trik Kak Nara: "untung di gaya, rugi di jarak"Semua pesawat sederhana (tuas, katrol, bidang miring, dan dongkrak hidraulik) mengikuti aturan yang sama: kalau gayamu dikali \(n\), jarak tempuhmu juga dikali \(n\). Energi tidak bisa digandakan. Kalau ada yang menawarkan alat "energi gratis", kamu sudah tahu jawabannya.
13.4Tekanan udara, barometer, dan manometer
Kita hidup di dasar "lautan udara" setebal ratusan kilometer. Udara di atas kita menekan dengan tekanan ±101.300 Pa, yang disebut 1 atmosfer (atm). Itu setara dengan berat ±10 ton pada setiap meter persegi! Kita tidak gepeng karena tekanan di dalam tubuh kita sama besar dan mendorong keluar.
Tamu dari masa laluTahun 1643, Evangelista Torricelli mengisi tabung kaca sepanjang ±1 m dengan raksa, lalu membaliknya ke dalam mangkuk raksa. Raksa turun dan berhenti pada ketinggian ±76 cm, menyisakan ruang hampa di atasnya. Yang menahan kolom raksa itu adalah tekanan udara yang menekan permukaan raksa di mangkuk. Itulah barometer pertama. Pada pertengahan tahun 1650-an, Otto von Guericke menyatukan dua belahan bola tembaga lalu menyedot udara di dalamnya. Dua tim kuda, masing-masing delapan ekor, tidak sanggup memisahkannya!
Dari \(P_0 = \rho_\text{raksa}\,g\,h\): \(13.600 \times 9{,}8 \times 0{,}76 \approx 101.300\) Pa. Karena itu tekanan udara sering ditulis 76 cmHg. Jika barometernya memakai air (13,6 kali lebih ringan), tabungnya harus setinggi ±10,3 m!
Makin tinggi tempatnya, makin sedikit udara di atasnya, sehingga tekanan udara turun: sekitar 1 kPa setiap naik ±100 m di dekat permukaan laut. Di puncak Gunung Rinjani (3.726 m) tekanannya tinggal ±65 kPa. Air pun mendidih pada suhu lebih rendah, hanya ±88 °C, sehingga mi instan yang dimasak pendaki lebih lama matang.
Manometer pipa U: gas mendorong air di kaki kiri turun dan kaki kanan naik. Selisih tinggi \(\Delta h\) menunjukkan seberapa besar tekanan gas melebihi tekanan udara luar.
Pengukur tekanan ban di tambal ban menunjukkan tekanan terukur (gauge pressure), yaitu selisih terhadap tekanan udara luar. Ban motor yang "30 psi" (±207 kPa) sebenarnya bertekanan mutlak ±308 kPa.
Lanjut · IB & olimpiadeFluida di dalam wadah yang dipercepatDi dalam lift yang dipercepat ke atas dengan \(a\), air "terasa" lebih berat: \(P = \rho(g + a)h\). Saat lift jatuh bebas (\(a = -g\)), tekanan hidrostatis lenyap, dan gaya apung pun hilang! Jika wadah dipercepat mendatar dengan \(a\) (misalnya ember air di bak truk yang mengerem), permukaan air miring dengan \(\tan\theta = a/g\), sama seperti bandul di kaca spion pada Bab 6. Permukaan air selalu tegak lurus terhadap "gravitasi efektif" \(\vec g_\text{ef} = \vec g - \vec a\).
13.5Hukum Archimedes: dorongan dari bawah
Mengangkat temanmu di kolam renang terasa jauh lebih ringan daripada di darat. Batu yang berat pun terasa ringan di dalam air. Ada gaya ke atas yang membantu: gaya apung (gaya Archimedes). Dari mana asalnya?
Sebuah balok (luas alas \(A\)) tercelup penuh di air. Sisi atasnya pada kedalaman \(h_1\), sisi bawahnya pada kedalaman \(h_2\).
Air menekan balok dari segala arah. Tekanan di sisi kiri dan kanan sama besar pada kedalaman yang sama, jadi gaya mendatarnya saling meniadakan.
Di sisi atas, air menekan ke bawah dengan gaya \(F_1 = \rho g h_1 A\).
Di sisi bawah, yang lebih dalam, air menekan ke atas dengan gaya lebih besar: \(F_2 = \rho g h_2 A\).
Selisihnya mengarah ke atas: \(F_A = \rho g (h_2 - h_1) A = \rho g V\). Itulah gaya apung. Besarnya sama dengan berat fluida yang volumenya sama dengan volume benda yang tercelup!
Hukum Archimedes. Benda yang tercelup sebagian atau seluruhnya dalam fluida mendapat gaya ke atas yang besarnya sama dengan berat fluida yang dipindahkan: \(F_A = \rho_f\,V_\text{tercelup}\,g\).
Turunkan balok ke gelas berpancuran dengan slider atau dengan menyeret balok. Bandingkan berkurangnya angka neraca pegas dengan berat air yang tumpah ke gelas penampung. Lalu ganti bahan dan fluidanya: kapan balok mengapung? Kapan besi bisa mengapung?
Tamu dari masa laluMenurut cerita yang ditulis Vitruvius ±200 tahun kemudian, Raja Hiero dari Syracusa curiga mahkota emasnya dicampur perak. Archimedes (±287–212 SM) harus memeriksanya tanpa merusak mahkota. Saat masuk ke bak mandi, ia melihat air meluap, lalu sadar: volume benda bisa diukur dari air yang didesaknya! Konon ia berlari ke jalan sambil berteriak "Eureka!" ("Aku menemukannya!"). Cerita ini mungkin dibumbui, tetapi hukum yang kemudian ditulis Archimedes tentang benda terapung benar-benar ada dan masih kita pakai.
Sebuah mahkota beratnya 9,65 N di udara dan 9,05 N saat tercelup penuh dalam air (\(\rho_\text{air} = 1000\) kg/m³). Massa jenis emas 19.300 kg/m³. Apakah mahkota itu emas murni?
Gaya apung = berkurangnya berat: \(F_A = 9{,}65 - 9{,}05 = 0{,}60\) N.
\(F_A = \rho_\text{air} V g\), dan berat \(W = \rho_\text{mahkota} V g\). Bagi keduanya: \(\dfrac{\rho_\text{mahkota}}{\rho_\text{air}} = \dfrac{W}{F_A} = \dfrac{9{,}65}{0{,}60} \approx 16{,}1\).
\(\rho_\text{mahkota} \approx 16.100\) kg/m³.
16.100 kg/m³ jauh di bawah 19.300 kg/m³, jadi mahkota itu bukan emas murni, kemungkinan dicampur logam yang lebih ringan seperti perak (10.500 kg/m³). Trik ini memungkinkan kita mengukur massa jenis tanpa menghitung volume secara langsung.
13.6Mengapung, melayang, tenggelam
Benda yang dilepas di dalam fluida mengalami dua gaya: berat ke bawah dan gaya apung ke atas. Jika benda tercelup penuh, perbandingannya bergantung pada massa jenis:
Keadaan
Syarat
Contoh
Tenggelam
\(\rho_\text{benda} > \rho_\text{fluida}\)
paku, batu, koin di air
Melayang
\(\rho_\text{benda} = \rho_\text{fluida}\)
ikan dengan gelembung renang yang pas, kapal selam yang menyeimbangkan tangki
Mengapung
\(\rho_\text{benda} < \rho_\text{fluida}\)
kayu, es, pelampung; sebagian tercelup sampai \(F_A = W\)
Zat
Massa jenis (kg/m³)
Zat
Massa jenis (kg/m³)
Udara (permukaan laut)
±1,2
Air laut
±1.025
Kayu jati kering
±650
Air Laut Mati
±1.240
Minyak goreng
±920
Aluminium
2.700
Es
917
Besi/baja
±7.870
Air tawar
1.000
Raksa
13.600
Tubuh manusia (paru berisi udara)
±985
Emas
19.300
Benda yang mengapung tercelup sebagian, tepat sampai berat fluida yang didesaknya sama dengan beratnya sendiri. Dari \(\rho_f V_c g = \rho_b V g\), bagian yang tercelup adalah
Rahasia kapal baja terjawab: kapal bukan bongkah baja pejal. Lambungnya berongga dan berisi udara, sehingga massa jenis rata-ratanya (massa total dibagi volume total kapal) lebih kecil daripada air. Lambung yang lebar mampu mendesak air dalam jumlah sangat banyak. Foil aluminium yang dibentuk menjadi perahu mengapung, tetapi foil yang sama jika dikepal menjadi bola padat akan tenggelam.
Es batu mengapung di gelas yang berisi air tepat sampai ke bibir gelas. Saat es mencair seluruhnya, apa yang terjadi?
Air tumpah, karena es berubah menjadi air.
Permukaan air turun, karena es lebih ringan dari air.
Permukaan air tetap tepat di bibir gelas.
Tergantung bentuk esnya.
Tetap! Es yang mengapung mendesak air seberat dirinya sendiri. Saat mencair, es berubah menjadi air yang beratnya sama, dan volumenya tepat sama dengan volume air yang tadinya didesak. Jadi air "mengisi lubang" yang dibuatnya sendiri. (Untuk es di air laut, cerita sedikit berbeda karena air lelehan es lebih tawar. Yang menaikkan permukaan laut adalah es di daratan yang mencair, seperti di Greenland dan Antartika.)
Fisika IndonesiaPinisi, kapal layar kayu dari Sulawesi Selatan, dibuat oleh para pengrajin Bulukumba (terkenal di Tana Beru dan Bira) tanpa gambar teknik tertulis, mengandalkan pengetahuan turun-temurun. Seni pembuatan pinisi diakui UNESCO sebagai Warisan Budaya Takbenda pada tahun 2017. Para pembuat kapal tradisional ini paham benar soal daya apung dan keseimbangan: lambung yang lebar mendesak banyak air, dan muatan disusun rendah agar kapal stabil. Indonesia juga membangun kapal modern, termasuk kapal selam, di galangan kapal Surabaya. Kapal selam mengatur kedalamannya dengan mengisi atau mengosongkan tangki pemberat (ballast) dengan air laut, sehingga massa jenis rata-ratanya bisa lebih besar, sama, atau lebih kecil daripada air laut.
"Benda yang berat pasti tenggelam, benda yang ringan pasti mengapung."
Yang menentukan adalah massa jenis, bukan berat. Kapal tanker ribuan ton mengapung, sedangkan sebutir pasir yang sangat ringan tenggelam.
"Gaya apung makin besar jika benda makin dalam."
Setelah benda tercelup penuh, gaya apung tidak bertambah lagi (selama air tidak termampatkan). Tekanan atas dan bawah sama-sama naik, jadi selisihnya tetap. Yang berubah hanya ketika bagian tercelupnya bertambah.
"Di Laut Mati kamu mengapung karena airnya 'ajaib'."
Air Laut Mati sangat asin, massa jenisnya ±1.240 kg/m³, jauh di atas tubuh manusia (±985). Kamu hanya tercelup ±80% sehingga bisa mengapung sambil membaca buku.
13.7Tegangan permukaan dan kapilaritas
Pernah melihat anggang-anggang (serangga yang "berjalan" di permukaan kolam atau sawah)? Kakinya hanya membuat lekukan kecil di permukaan air, seolah air dilapisi kulit tipis yang lentur. "Kulit" ini muncul karena molekul air saling tarik-menarik. Molekul di dalam air ditarik ke segala arah sama kuat, tetapi molekul di permukaan hanya ditarik ke samping dan ke bawah. Akibatnya, permukaan air cenderung mengerut sekecil mungkin, seperti selaput karet yang tegang. Sifat ini disebut tegangan permukaan \(\gamma\), yaitu gaya per satuan panjang (N/m). Untuk air pada suhu kamar, \(\gamma \approx 0{,}072\) N/m.
Karena tegangan permukaan, tetes air berbentuk bulat (bola adalah bentuk dengan permukaan terkecil), jarum baja yang diletakkan hati-hati bisa terapung, dan gelembung sabun bisa terbentuk. Sabun dan deterjen menurunkan tegangan permukaan, sehingga air lebih mudah membasahi kotoran.
Gampangnya: permukaan air seperti selaput karet yang sangat tipis. Serangga ringan bisa berdiri di atasnya tanpa tenggelam, asalkan selaputnya tidak robek.
Kapilaritas: air "memanjat" pipa sempit
Celupkan ujung tisu ke teh: teh merambat naik melawan gravitasi! Molekul air lebih kuat tertarik ke dinding (gaya adhesi) daripada ke sesamanya (gaya kohesi), sehingga air membasahi dinding, permukaannya melengkung cekung (meniskus), lalu terangkat naik di celah atau pipa sempit. Peristiwa ini disebut kapilaritas. Raksa justru sebaliknya: kohesinya lebih kuat, permukaannya cembung dan turun di pipa sempit.
\[h = \dfrac{2\gamma\cos\theta}{\rho g r}\]
Di sini \(\theta\) adalah sudut kontak (±0° untuk air pada kaca bersih) dan \(r\) jari-jari pipa. Makin sempit pipanya, makin tinggi air naik.
Pipa kaca berjari-jari 0,5 mm dicelupkan tegak ke air (\(\gamma = 0{,}072\) N/m, sudut kontak 0°, \(g = 9{,}8\) m/s²). Setinggi apa air naik? Bagaimana jika jari-jarinya 0,05 mm?
\(h = \dfrac{2 \times 0{,}072 \times 1}{1000 \times 9{,}8 \times 0{,}0005} = \dfrac{0{,}144}{4{,}9} \approx 0{,}029\) m \(\approx 2{,}9\) cm.
Jari-jari 10 kali lebih kecil → \(h\) 10 kali lebih besar: \(\approx 29\) cm.
Pipa 0,5 mm: ±2,9 cm; pipa 0,05 mm: ±29 cm. Pori-pori batu bata dan tembok yang sangat halus bisa menyedot air tanah naik puluhan sentimeter, itulah penyebab dinding bagian bawah rumah sering lembap dan berjamur.
🔧
Dongkrak & lift bengkel
Bengkel mengangkat mobil dengan sistem hidraulik: tekanan oli yang sama bekerja pada piston besar (hukum Pascal).
🛑
Rem cakram motor
Tekanan dari tuas rem diteruskan minyak rem ke kaliper yang menjepit cakram. Gelembung udara di selang membuat rem "blong" karena udara mudah dimampatkan.
💉
Infus di rumah sakit
Botol infus digantung tinggi agar tekanan hidrostatis cairannya lebih besar daripada tekanan darah di pembuluh vena.
🏞️
Bendungan
Dinding bendungan dibuat makin tebal ke bawah karena tekanan air bertambah dengan kedalaman.
🪔
Sumbu kompor & pelita
Minyak tanah naik melalui celah-celah serat sumbu karena kapilaritas, lalu terbakar di ujungnya.
Lanjut · IB & olimpiadeTekanan di dalam tetes dan gelembungTegangan permukaan membuat tekanan di dalam tetes lebih besar daripada di luar: \(\Delta P = \dfrac{2\gamma}{r}\). Gelembung sabun punya dua permukaan (dalam dan luar), sehingga \(\Delta P = \dfrac{4\gamma}{r}\). Akibat yang mengejutkan: jika gelembung kecil dan gelembung besar dihubungkan pipa, udara mengalir dari gelembung kecil (tekanannya lebih besar) ke yang besar. Yang kecil makin kecil, yang besar makin besar! Rumus kenaikan kapiler juga bisa diturunkan dengan menyamakan gaya tegangan permukaan di keliling pipa, \(2\pi r\gamma\cos\theta\), dengan berat kolom air \(\rho\pi r^2 h g\).
Tekanan air di dasar kolam sedalam 2 m (\(\rho = 1000\) kg/m³, \(g = 10\) m/s²) adalah…
200 Pa
2.000 Pa
20.000 Pa
200.000 Pa
\(P_h = \rho g h = 1000 \times 10 \times 2 = 20.000\) Pa (tanpa tekanan udara).
Dongkrak hidraulik dapat mengangkat mobil dengan gaya kecil karena…
tekanan diteruskan sama besar, sedangkan luas piston besar jauh lebih besar
oli menghasilkan energi tambahan
gaya apung oli mengangkat mobil
tekanan di piston besar lebih besar daripada di piston kecil
Hukum Pascal: tekanan sama, \(F = PA\), jadi piston yang luasnya besar menghasilkan gaya besar. Energinya tidak bertambah: piston kecil harus bergerak jauh.
Sepotong kayu (\(\rho = 600\) kg/m³) mengapung di air tawar. Bagian kayu yang tercelup adalah…
Kenapa air selang muncrat jauh saat ujungnya dipencet? Bagaimana pesawat seberat puluhan ton bisa melayang? Fluida yang mengalir punya aturan main yang ternyata sederhana dan indah.
Setelah bab ini, kamu bisa
menghitung debit \(Q = Av\) dan memakai persamaan kontinuitas \(A_1v_1 = A_2v_2\);
menjelaskan hukum Bernoulli: di tempat aliran lebih cepat, tekanannya lebih kecil, dan tahu mengapa;
menghitung kecepatan pancaran Torricelli \(v = \sqrt{2gh}\) dan jarak jatuhnya;
menjelaskan venturimeter, tabung pitot, dan gaya angkat sayap dengan benar, tanpa mitos "waktu tempuh sama";
memakai viskositas, hukum Stokes, dan kecepatan terminal untuk kelereng, butir awan, dan penerjun payung.
Selang Ajaib Raka Komik · 4 panel
Minggu pagi, menyiram tanaman
RakaYah, airnya cuma jatuh dekat kakiku. Pot di ujung sana nggak kebagian!
SariCoba tutup sebagian ujung selangnya pakai jempol, Rak.
RakaWAH! Airnya terbang sampai ke pot! Kok jadi kuat?!
SYUUURR!
SariKerannya sama, jadi air per detiknya juga sama. Tapi lubangnya jadi sempit…
Raka…jadi airnya harus ngebut supaya semuanya bisa lewat?
Sore harinya, di lapangan
Kak NaraTepat! Fluida yang mengalir punya aturan main sendiri. Aturan yang sama membuat layangan naik dan pesawat terbang!
Anggap keran mengalirkan jumlah air per detik yang tetap. Jika ujung selang dipencet sehingga luas lubangnya tinggal seperempat, berapa kali kecepatan air yang keluar?
Seperempatnya, karena lubangnya lebih kecil.
Sama saja, karena kerannya tidak diubah.
Empat kali lebih cepat.
Enam belas kali lebih cepat.
Jawabannya: empat kali. Air tidak bisa dimampatkan dan tidak menumpuk di dalam selang, jadi volume yang keluar tiap detik harus sama dengan yang masuk. Lubang ¼ kali luasnya hanya bisa meloloskan volume yang sama jika airnya melaju 4 kali lebih cepat. (Di dunia nyata, memencet terlalu kuat juga sedikit mengurangi aliran dari keran, karena tekanan keran terbatas. Tetapi air tetap jauh lebih cepat.)
14.1Fluida ideal dan debit
Air keran, angin sepoi-sepoi, darah di pembuluhmu, asap obat nyamuk: semuanya fluida, yaitu zat yang dapat mengalir. Zat cair dan gas termasuk fluida. Di Bab 13 kita mempelajari fluida yang diam. Sekarang fluidanya bergerak!
Aliran fluida sungguhan bisa sangat rumit: bergolak, berpusar, dan bergesekan. Supaya bisa dihitung, fisikawan memulai dari model sederhana bernama fluida ideal, dengan empat sifat:
tak termampatkan (inkompresibel): volumenya tidak berubah walaupun ditekan;
tak kental (tanpa viskositas): tidak ada gesekan antarlapisan fluida;
alirannya tunak (stasioner): kecepatan di satu titik tetap dari waktu ke waktu;
tak berpusar: partikel fluida tidak berputar-putar di tempat.
Lintasan yang dilalui partikel fluida digambar sebagai garis arus. Pada aliran laminer, garis-garis arus rapi berlapis seperti lembaran kertas. Pada aliran turbulen, alirannya bergolak dan berpusar. Lihat asap obat nyamuk bakar: mula-mula naik lurus mulus, lalu tiba-tiba bergulung-gulung.
Kiri: asap obat nyamuk bakar memperlihatkan aliran laminer yang berubah menjadi turbulen. Kanan: garis arus dalam aliran laminer.
Debit: berapa banyak yang lewat tiap detik?
Debit \(Q\) adalah volume fluida yang melewati suatu penampang tiap satuan waktu: \(Q = V/t\). Satuannya m³/s, atau liter per detik (L/s) untuk aliran kecil. Ingat: \(1\ \mathrm{m^3} = 1000\) L.
Bayangkan air melaju dengan kecepatan \(v\) dalam pipa berpenampang \(A\). Dalam waktu \(t\), "silinder air" sepanjang \(vt\) melewati penampang itu. Volumenya \(V = A \cdot vt\). Jadi:
\[ Q = \frac{V}{t} = A\,v \]
Aliran
Debit (perkiraan)
Keran wastafel
0,1–0,2 L/s
Selang pemadam kebakaran
±5–15 L/s
Sungai Ciliwung saat normal
beberapa sampai puluhan m³/s
Sungai Ciliwung saat banjir besar
bisa beberapa ratus m³/s
Sungai Amazon (rata-rata)
±200.000 m³/s
Gampangnya: debit = berapa liter air lewat tiap detik. Kalau ember 10 liter penuh dalam 50 detik, debit keranmu \(10 \div 50 = 0{,}2\) liter per detik.
Bak mandi bervolume 120 liter diisi dari keran dan penuh dalam 10 menit. Berapa debit keran dalam L/s dan dalam m³/s?
Debit keran 0,2 L/s \(= 2\times10^{-4}\) m³/s. Setiap 5 detik, satu liter air masuk ke bak.
Fisika Indonesia: subak, pembagi debit dari BaliSejak sekitar seribu tahun lalu, petani Bali mengatur air sawah lewat sistem subak, yang diakui UNESCO sebagai Warisan Budaya Dunia (2012). Air dari bendung dialirkan ke saluran-saluran, lalu dibagi dengan bangunan pembagi yang lebar celahnya disesuaikan dengan luas sawah tiap kelompok. Celah yang dua kali lebih lebar meloloskan kira-kira dua kali debit. Inilah fisika debit yang dipakai untuk keadilan!
14.2Persamaan kontinuitas: sempit berarti ngebut
Air dalam pipa yang penuh tidak bisa dimampatkan dan tidak bisa menumpuk di satu tempat. Akibatnya, setiap liter yang masuk di ujung kiri harus diimbangi satu liter yang keluar di ujung kanan, pada detik yang sama. Debit di semua penampang pipa sama:
\[ Q = A_1 v_1 = A_2 v_2 \]
Inilah persamaan kontinuitas. Jika penampangnya mengecil, kelajuannya harus membesar dengan perbandingan yang sama. Untuk pipa berpenampang lingkaran, \(A = \tfrac14\pi d^2\), sehingga \(v_1 d_1^2 = v_2 d_2^2\). Diameter dijadikan setengahnya, luasnya tinggal seperempat, dan airnya melaju empat kali lebih cepat.
Trik Kak Nara: "air beriak tanda tak dalam"Peribahasa ini ternyata fisika! Di bagian sungai yang dangkal dan sempit, penampang alirannya kecil, sehingga airnya harus lebih deras dan permukaannya beriak. Di bagian yang lebar dan dalam, arusnya lebih tenang. Ingat rumus kecilnya: A kecil ↔ v besar.
Selang berdiameter 2 cm mengalirkan air dengan kelajuan 0,5 m/s. Raka memencet ujungnya sehingga lubangnya tinggal berdiameter 0,5 cm. (a) Berapa debit selang? (b) Berapa kelajuan air yang keluar?
Luas selang: \(A_1 = \tfrac14\pi (0{,}02)^2 = 3{,}14\times10^{-4}\ \mathrm{m^2}\).
Debit ±0,16 L/s dan air keluar 8 m/s, enam belas kali lebih cepat, karena diameternya menjadi seperempat (luasnya \(\tfrac1{16}\)).
Awas jebakanBagian pipa yang sempit tidak mengurangi debit pada aliran tunak. Kalau debit di bagian sempit lebih kecil, air akan menumpuk di depannya, padahal air tidak bisa dimampatkan. Yang berubah adalah kelajuannya, bukan banyaknya air per detik. Dan perhatikan: kelajuan berbanding terbalik dengan kuadrat diameter, bukan diameternya saja.
Fisika Indonesia: banjir dan penampang sungaiSetelah hujan deras di hulu, debit Ciliwung bisa melonjak berlipat-lipat. Pos pantau seperti Bendung Katulampa di Bogor mencatat tinggi muka air dan memberi peringatan dini ke Jakarta beberapa jam sebelum air tiba. Jika penampang sungai menyempit karena sampah dan bangunan di bantaran, sungai tidak mampu mengalirkan debit sebesar itu. Air pun "mencari penampang tambahan": muka air naik dan meluap ke permukiman.
14.3Hukum Bernoulli: ngebut berarti tekanannya kecil
Air dipercepat saat masuk ke bagian pipa yang sempit. Menurut Hukum II Newton, percepatan butuh gaya total. Siapa yang mendorong air itu? Jawabannya: selisih tekanan. Tekanan di belakang (bagian lebar) harus lebih besar daripada tekanan di depan (bagian sempit), sehingga air terdorong maju dan makin cepat.
Kesimpulannya mengejutkan: di tempat aliran lebih cepat, tekanannya lebih kecil.
Daniel Bernoulli merumuskannya sebagai hukum kekekalan energi untuk fluida. Untuk setiap meter kubik fluida yang mengalir sepanjang garis arus:
\[ P + \tfrac12 \rho v^2 + \rho g h = \text{tetap} \]
Suku
Arti fisis
Satuan
\(P\)
tekanan: "energi dorong" tiap m³ fluida
Pa = J/m³
\(\tfrac12\rho v^2\)
energi kinetik tiap m³ fluida
J/m³
\(\rho g h\)
energi potensial tiap m³ fluida
J/m³
Jumlah ketiganya seperti uang saku yang harus tetap. Jika "uang" energi kinetik bertambah (air ngebut), "uang" tekanan harus berkurang. Jika fluida naik lebih tinggi, tekanan atau kelajuannya juga harus "membayar".
Pipa mendatar: kiri lebar (\(A_1\)), kanan sempit (\(A_2\)). Kita ikuti satu "paket" air bervolume \(\Delta V\) (biru tua).
Air di belakang paket menekan dengan tekanan \(P_1\). Gaya \(P_1A_1\) mendorong paket sejauh \(\Delta x_1\), sehingga usahanya \(W_1 = P_1A_1\Delta x_1 = P_1\,\Delta V\).
Air di depan menahan dengan tekanan \(P_2\). Usaha yang "dicuri" darinya adalah \(W_2 = -P_2\,\Delta V\).
Paket yang sama kini berada di bagian sempit. Volumenya tetap (air tak termampatkan), tetapi bentuknya panjang dan tipis, dan ia bergerak lebih cepat (kontinuitas).
Teorema usaha–energi (Bab 8): usaha total = perubahan energi kinetik, yaitu \((P_1 - P_2)\Delta V = \tfrac12 \rho\,\Delta V\,(v_2^2 - v_1^2)\).
Bagi dengan \(\Delta V\) lalu susun ulang: \(P_1 + \tfrac12\rho v_1^2 = P_2 + \tfrac12\rho v_2^2\). Jika ketinggian juga berubah, tambahkan usaha gravitasi \(\rho g h\). Itulah hukum Bernoulli!
Awas jebakan: "terjepit = tekanan besar"Banyak orang mengira air di bagian pipa yang sempit tekanannya lebih besar karena "terjepit". Justru sebaliknya! Di bagian sempit air melaju lebih cepat, dan agar bisa dipercepat ke sana, tekanannya harus lebih kecil. Semprotan selang terasa keras karena airnya cepat (momentumnya besar), bukan karena tekanan statisnya besar.
Titik-titik adalah partikel air, warnanya menunjukkan kelajuan. Tiga tabung tegak adalah manometer: makin tinggi kolom airnya, makin besar tekanannya. Persempit lehernya. Tabung mana yang turun? Coba juga sakelar fluida kental: lihat profil kelajuannya dan tabung ketiga.
Trik Kak Nara: "ngebut = ngempis"Fluida yang ngebut, tekanannya ngempis. Tetapi ingat urutan sebab-akibatnya: fluida mengalir dari tekanan tinggi ke tekanan rendah. Selisih tekanan itulah yang membuatnya ngebut.
Tamu dari masa laluDaniel Bernoulli (1700–1782) berasal dari keluarga ahli matematika Swiss yang terkenal sekaligus suka bersaing. Ia menerbitkan buku Hydrodynamica pada 1738. Konon ayahnya, Johann Bernoulli, iri lalu menerbitkan buku serupa yang tanggalnya dibuat lebih awal! Persamaan "Bernoulli" dalam bentuk yang kita pakai sekarang dirapikan oleh sahabat Daniel, Leonhard Euler.
"Air di bagian pipa yang sempit tekanannya paling besar, karena terjepit."
Di bagian sempit air bergerak paling cepat, dan tekanannya justru paling kecil. Fluida dipercepat dari tekanan tinggi ke tekanan rendah. Manometer di leher pipa menunjukkan kolom air yang paling rendah.
"Bernoulli hanya berlaku untuk air."
Hukum Bernoulli berlaku untuk zat cair dan gas, selama kelajuannya jauh di bawah kelajuan bunyi (udara masih bisa dianggap tak termampatkan), gesekannya kecil, dan kita mengikuti satu garis arus.
Lanjut · IB & olimpiadeKapan Bernoulli boleh dipakai?Persamaan \(P + \tfrac12\rho v^2 + \rho g h = \text{tetap}\) adalah integral Hukum II Newton sepanjang satu garis arus untuk fluida yang (1) tunak, (2) tak kental, dan (3) tak termampatkan. Untuk udara, syarat (3) cukup baik selama kelajuan di bawah ±0,3 kali kelajuan bunyi (±100 m/s). Jika alirannya juga tak berpusar, konstanta itu sama untuk semua garis arus. Satu catatan halus: semburan bebas yang keluar ke udara terbuka bertekanan sama dengan udara sekitarnya, jadi jangan menebak "tekanan rendah" hanya karena udaranya cepat. Pakai Bernoulli pada titik-titik yang terhubung oleh satu garis arus.
14.4Teorema Torricelli: tandon yang bocor
Tandon air (toren) di atap rumah bocor kecil di dindingnya. Seberapa kencang air memancar? Pakai Bernoulli pada dua titik: permukaan air (titik 1) dan lubang (titik 2), yang berada \(h\) meter di bawah permukaan.
Keduanya terbuka ke udara, jadi \(P_1 = P_2 = P_\text{udara}\).
Tandon jauh lebih lebar daripada lubang, jadi permukaan air turun sangat pelan: \(v_1 \approx 0\).
Bernoulli menjadi \(P_\text{udara} + \rho g h = P_\text{udara} + \tfrac12\rho v^2\), sehingga:
\[ v = \sqrt{2gh} \]
Ini persis kelajuan batu yang jatuh bebas dari ketinggian \(h\)! Air yang keluar dari lubang seolah-olah "jatuh" dari permukaan air ke lubang. Hasil ini disebut teorema Torricelli.
Setelah keluar, air bergerak seperti peluru yang ditembakkan mendatar (Bab 5). Jika lubang berada \(y\) meter di atas tanah, waktu jatuhnya \(t = \sqrt{2y/g}\), sehingga jarak mendatar pancaran adalah
\[ x = v\,t = \sqrt{2gh}\cdot\sqrt{\frac{2y}{g}} = 2\sqrt{h\,y} \]
Sebuah drum berdiri di tanah, penuh air. Ada tiga lubang di dindingnya: dekat dasar, di tengah, dan dekat permukaan. Pancaran dari lubang mana yang mendarat paling jauh?
Lubang dekat dasar, karena airnya paling deras.
Lubang di tengah.
Lubang dekat permukaan, karena jatuhnya paling tinggi.
Ketiganya mendarat di titik yang sama.
Jawabannya: lubang di tengah. Lubang bawah memang paling deras, tetapi terlalu dekat dengan tanah sehingga airnya cepat mendarat. Lubang atas punya waktu jatuh paling lama, tetapi pancarannya lemah. Jarak \(x = 2\sqrt{h\,y}\) paling besar jika kedalaman \(h\) sama dengan tinggi lubang di atas tanah \(y\), yaitu lubang tepat di tengah kolom air. Buktikan dengan lab di bawah!
Seret lingkaran lubang naik-turun di dinding tandon. Atur tinggi menara dan tinggi air. Lubang mana yang memancar paling jauh? Nyalakan "biarkan tandon mengering" untuk melihat pancaran makin lemah saat permukaan air turun.
Sebuah ember berlubang kecil 20 cm di bawah permukaan airnya. Dengan \(g = 10\) m/s², berapa kelajuan air yang memancar?
Air memancar 2 m/s, sama dengan kelajuan kelereng yang dijatuhkan dari ketinggian 20 cm.
Toren air berdiri di atas menara. Sebuah lubang bocor berada 0,8 m di bawah permukaan air dan 5 m di atas tanah. Dengan \(g = 10\) m/s², di mana air mendarat, diukur mendatar dari dinding toren?
Waktu jatuh dari 5 m: \(t = \sqrt{2y/g} = \sqrt{2 \times 5 / 10} = 1\) s.
Jarak mendatar: \(x = vt = 4 \times 1 = 4\) m. Cek dengan rumus cepat: \(x = 2\sqrt{hy} = 2\sqrt{0{,}8 \times 5} = 2\sqrt{4} = 4\) m. ✓
Air mendarat 4 m dari dinding toren. Perhatikan: tinggi menara membuat pancaran lemah pun bisa mendarat jauh.
Fisika Indonesia: kenapa toren dipasang tinggi?Banyak rumah di Indonesia memompa air ke toren di atap atau di atas menara besi. Dari sana, air mengalir sendiri ke keran tanpa pompa. Makin tinggi toren di atas keran, makin besar tekanan air di keran (\(\rho g h\), Bab 13) dan makin deras pancarannya (\(\sqrt{2gh}\)). Toren 4 m di atas keran memberi pancaran maksimal sekitar 9 m/s, jika gesekan pipa diabaikan.
Tamu dari masa laluEvangelista Torricelli (1608–1647) adalah murid Galileo. Pada 1643 ia menemukan barometer air raksa (Bab 13). Pada masa yang sama ia menemukan bahwa air yang keluar dari lubang wadah bergerak seperti benda jatuh bebas, hampir satu abad sebelum Bernoulli menuliskan persamaannya.
14.5Venturimeter dan tabung pitot: mengukur kelajuan dengan tekanan
Bagaimana cara mengukur kelajuan air di dalam pipa tanpa memotong pipanya? Pasang leher sempit dan dua tabung manometer. Alat ini disebut venturimeter. Di leher, air lebih cepat dan tekanannya lebih kecil, sehingga kolom air di tabung leher lebih rendah. Beda tinggi \(\Delta h\) itu bisa diubah menjadi kelajuan.
Gabungkan Bernoulli dan kontinuitas: \(P_1 - P_2 = \tfrac12\rho(v_2^2 - v_1^2)\) dengan \(v_2 = v_1 (A_1/A_2)\). Selisih tekanan dibaca dari manometer, \(P_1 - P_2 = \rho g \Delta h\). Hasilnya:
Pada venturimeter, luas penampang besar 20 cm² dan luas leher 10 cm². Beda tinggi air di kedua tabung manometer 15 cm. Dengan \(g = 10\) m/s², hitung kelajuan air di bagian besar dan di leher.
\(v_1 = 1\) m/s dan \(v_2 = 2\) m/s. Cek: \(\tfrac12\rho(v_2^2 - v_1^2) = 500 \times 3 = 1500\) Pa \(= \rho g\Delta h = 1000 \times 10 \times 0{,}15\). ✓
Tabung pitot: spidometer pesawat
Pesawat tidak punya roda yang menggelinding di udara, jadi kelajuannya diukur dengan tabung pitot, pipa kecil yang menghadap ke depan di hidung atau sayap pesawat. Udara yang masuk ke mulut tabung dihentikan, sehingga tekanannya naik sebesar \(\tfrac12\rho v^2\) dibanding tekanan udara di lubang samping. Dari selisih tekanan \(\Delta P\) itu, komputer pesawat menghitung \(v = \sqrt{2\Delta P/\rho}\).
Kecil tapi pentingTabung pitot yang tersumbat es, debu, atau sarang serangga bisa membuat penunjuk kelajuan pesawat keliru. Karena itu pilot selalu memeriksa tutup tabung pitot sebelum terbang, dan tabung pitot pesawat modern dilengkapi pemanas.
🏍️
Karburator motor
Udara yang dihisap mesin melewati leher venturi. Tekanannya turun sehingga bensin tersedot dari ruang pelampung dan bercampur menjadi kabut.
🦟
Semprotan obat nyamuk
Pompa tangan meniupkan udara cepat melewati ujung pipa kecil. Tekanan di sana turun, cairan tersedot naik lalu terpecah menjadi butiran halus.
🔥
Kompor gas
Semburan gas yang cepat dari nosel menarik udara masuk lewat lubang di pipa pembakar, sehingga gas bercampur oksigen sebelum menyala biru.
☂️
Payung terbalik, atap terangkat
Angin kencang di atas payung atau atap menurunkan tekanan di sisi atas. Tekanan udara di bawah yang lebih besar mendorongnya ke atas.
14.6Gaya angkat: rahasia sayap pesawat dan layangan
Pesawat N219 buatan Indonesia bermassa beberapa ton, tetapi bisa melayang di udara. Gaya ke atas yang menahannya disebut gaya angkat (lift). Sayangnya, banyak buku menjelaskannya dengan cerita yang keliru. Mari kita luruskan langkah demi langkah.
Dua paket udara berangkat bersamaan dari ujung depan sayap: satu lewat atas, satu lewat bawah.
Mitos populer: keduanya "harus" bertemu lagi di ujung belakang pada saat yang sama. Karena lintasan atas lebih panjang, udara atas "harus" lebih cepat. Kedengarannya masuk akal, tetapi tidak ada hukum alam yang memaksa mereka bertemu!
Fakta dari terowongan angin: udara atas memang lebih cepat, bahkan jauh lebih cepat daripada yang diramalkan mitos itu. Ia tiba di ujung belakang lebih dulu, sementara udara bawah masih tertinggal.
Yang sebenarnya terjadi: sayap yang melengkung dan sedikit menengadah (punya sudut serang) membelokkan aliran udara ke bawah.
Hukum III Newton: sayap mendorong udara ke bawah, maka udara mendorong sayap ke atas. Itulah gaya angkat. Pesawat besar membelokkan berton-ton udara ke bawah setiap detik!
Cara pandang Bernoulli juga benar: untuk membelokkan aliran, tekanan di atas sayap harus lebih rendah dan di bawahnya lebih tinggi. Selisih tekanan inilah gaya angkat. Penjelasan Newton dan Bernoulli adalah dua sisi dari peristiwa yang sama.
Awas jebakan: mitos "waktu tempuh sama"Penjelasan "udara atas harus menyusul udara bawah supaya bertemu bersamaan" itu keliru. Pertama, tidak ada alasan fisis kedua paket udara harus bertemu. Kedua, hitungan dengan mitos itu memberi gaya angkat yang terlalu kecil. Ketiga, mitos itu tidak bisa menjelaskan pesawat akrobatik yang terbang terbalik, atau sayap tipis yang datar seperti layangan. Kuncinya adalah sudut serang dan pembelokan aliran udara ke bawah.
Besar gaya angkat bergantung pada massa jenis udara \(\rho\), kelajuan \(v\), luas sayap \(S\), dan koefisien angkat \(C_L\) yang ditentukan bentuk sayap dan sudut serangnya:
\[ L = \tfrac12\,\rho\, v^2\, S\, C_L \]
Kelajuan dua kali lipat memberi gaya angkat empat kali lipat. Itulah sebabnya pesawat harus berlari kencang di landasan sebelum terangkat. Jika sudut serang terlalu besar (biasanya di atas ±15°), aliran udara di atas sayap "lepas" dan bergolak. Gaya angkat anjlok tiba-tiba. Keadaan berbahaya ini disebut stall.
Tepi sayap diwarnai: biru = tekanan rendah, merah = tekanan tinggi. Tekan "Lepas asap serentak", lalu amati barisan asap yang berangkat bersamaan: apakah bagian atas dan bawah tiba bersamaan di ujung sayap? Naikkan sudut serang melewati 15°. Apa yang terjadi?
Layangan bekerja dengan cara yang sama. Layangan miring terhadap angin, sehingga angin dibelokkan ke bawah dan layangan terdorong ke atas. Tali kama dan tali kekang mengatur sudut serangnya. Sudut terlalu kecil membuat layangan kurang terangkat. Sudut terlalu besar membuat hambatan angin terlalu besar dan layangan "menukik".
Tamu dari masa lalu: Habibie dan GatotkacaPada 10 Agustus 1995, pesawat N250 Gatotkaca rancangan tim B.J. Habibie terbang perdana di Bandung. Tanggal itu kini diperingati sebagai Hari Kebangkitan Teknologi Nasional. Penerusnya, N219 buatan PT Dirgantara Indonesia bersama LAPAN, terbang perdana pada 2017. Pesawat 19 penumpang ini dirancang untuk landasan pendek di daerah terpencil seperti pedalaman Papua, sehingga sayapnya harus menghasilkan gaya angkat besar pada kelajuan rendah.
"Udara di atas sayap harus menyusul udara di bawah supaya bertemu bersamaan di ujung belakang."
Tidak ada aturan seperti itu. Udara atas justru tiba lebih dulu. Gaya angkat muncul karena sayap membelokkan udara ke bawah, disertai tekanan rendah di atas dan tekanan tinggi di bawah sayap.
"Pesawat tidak mungkin terbang terbalik, karena lengkungan sayapnya jadi di bawah."
Pesawat akrobatik bisa terbang terbalik! Pilot cukup mengangkat hidung pesawat sehingga sudut serangnya kembali tepat. Bukti bahwa sudut serang lebih penting daripada sekadar bentuk sayap.
Lanjut · olimpiadeSirkulasi dan teorema Kutta–JoukowskiAliran di sekitar sayap bisa dipandang sebagai aliran lurus ditambah "pusaran" yang mengelilingi sayap, dengan kekuatan disebut sirkulasi \(\Gamma\). Sirkulasi membuat udara di atas lebih cepat dan di bawah lebih lambat. Gaya angkat per meter bentang sayap adalah \(L' = \rho\, v\, \Gamma\). Besar \(\Gamma\) ditentukan oleh syarat Kutta: udara harus meninggalkan ujung belakang sayap yang runcing dengan mulus. Lab terowongan angin di atas memakai solusi eksak aliran ideal ini, lewat trik matematika bernama transformasi Joukowski yang memetakan aliran di sekitar lingkaran menjadi aliran di sekitar sayap.
14.7Viskositas dan kecepatan terminal
Tuang air, minyak goreng, dan madu ke tiga piring. Air langsung menyebar, minyak sedikit lebih lambat, dan madu "malas" mengalir. Sifat ini disebut viskositas atau kekentalan, yaitu gesekan di dalam fluida.
Bayangkan fluida sebagai tumpukan kartu remi. Jika kartu teratas didorong, kartu-kartu di bawahnya ikut tergeser tetapi makin lambat. Setiap lapisan "menggesek" lapisan di sebelahnya. Makin kental fluidanya, makin besar gaya yang diperlukan untuk menggeser lapisan-lapisannya. Ukurannya adalah koefisien viskositas \(\eta\) (dibaca "eta") dengan satuan Pa·s.
Fluida (±20 °C)
\(\eta\) (Pa·s)
Udara
\(1{,}8\times10^{-5}\)
Air
\(1{,}0\times10^{-3}\)
Minyak goreng
±0,05–0,08
Oli mesin
±0,1–0,3
Gliserin
±1,4
Madu
±2–10
Viskositas zat cair turun saat dipanaskan: minyak goreng panas jauh lebih encer, dan madu yang dihangatkan lebih mudah dituang. Anehnya, viskositas gas justru sedikit naik saat dipanaskan.
Hukum Stokes dan kecepatan terminal
Bola kecil yang bergerak pelan di fluida kental mengalami gaya gesek yang sebanding dengan kelajuannya. George Stokes (1851) menemukan rumusnya:
\[ F_s = 6\pi\,\eta\, r\, v \]
Jatuhkan kelereng ke gliserin. Mula-mula kelereng dipercepat oleh beratnya. Makin cepat, makin besar gaya Stokes yang menahannya. Suatu saat gaya ke atas (gaya apung + gaya Stokes) sama dengan berat. Gaya totalnya nol, dan kelereng meluncur dengan kelajuan tetap yang disebut kecepatan terminal:
\[ mg = \rho_f V g + 6\pi\eta r v_t \;\Rightarrow\; v_t = \dfrac{2r^2(\rho_b - \rho_f)\,g}{9\eta} \]
Pilih benda, lalu jalankan. Amati grafik kecepatan: mula-mula naik, lalu mendatar di kecepatan terminal (garis putus-putus). Untuk penerjun, nyalakan ⏩ percepat waktu, lalu tekan Buka parasut! di tengah jalan. (Jika lupa, parasut cadangan otomatis terbuka di ketinggian 500 m.)
Awan tersusun atas butiran air berjari-jari sekitar \(10\ \mu\mathrm m\). Dengan \(\eta_\text{udara} = 1{,}8\times10^{-5}\) Pa·s, \(\rho_\text{air} = 1000\) kg/m³, dan \(g = 9{,}8\) m/s², hitung kecepatan terminal butiran itu (massa jenis udara diabaikan). Berapa lama ia turun 1 km di udara tenang?
\(r = 10\ \mu\mathrm m = 1\times10^{-5}\) m, sehingga \(r^2 = 10^{-10}\ \mathrm{m^2}\).
\(v_t = \dfrac{2 \times 10^{-10} \times 1000 \times 9{,}8}{9 \times 1{,}8\times10^{-5}} = \dfrac{1{,}96\times10^{-6}}{1{,}62\times10^{-4}} \approx 0{,}012\) m/s, yaitu sekitar 1,2 cm/s.
Waktu turun 1 km: \(t = 1000 / 0{,}012 \approx 8\times10^{4}\) s, hampir sehari penuh!
Butiran awan hanya jatuh ±1,2 cm/s. Arus udara naik yang lemah sekalipun (beberapa cm/s) sudah cukup untuk menahannya. Hujan baru turun setelah butiran-butiran bergabung menjadi tetes yang ribuan kali lebih berat.
Lanjut · IB & olimpiadeBilangan Reynolds dan pembuluh darahKapan aliran laminer, kapan turbulen? Lihat bilangan Reynolds \(Re = \rho v d/\eta\). Di dalam pipa, aliran biasanya laminer jika \(Re \lesssim 2000\). Hukum Stokes hanya tepat untuk \(Re \lesssim 1\). Tetes hujan berdiameter 2 mm punya \(Re\) ratusan, sehingga hambatannya sebanding dengan \(v^2\), bukan \(v\). Itulah sebabnya kecepatan terminalnya hanya ±6–7 m/s, bukan ±120 m/s seperti ramalan rumus Stokes. Untuk aliran laminer di pipa, debit mengikuti hukum Poiseuille: \(Q = \dfrac{\pi r^4 \Delta P}{8\eta L}\). Perhatikan pangkat 4! Pembuluh darah yang menyempit 10% jari-jarinya kehilangan ±34% alirannya. Itulah sebabnya penyempitan pembuluh darah sangat berbahaya bagi jantung.
"Tetes hujan dari awan setinggi 2 km jatuh makin cepat dan bisa sederas peluru."
Hambatan udara membuat tetes hujan cepat mencapai kecepatan terminal, hanya sekitar 2–9 m/s tergantung ukurannya. Tanpa udara, tetes dari 2 km akan menghantam tanah ±200 m/s. Untung ada udara!
🪂
Penerjun payung
Tanpa parasut, kecepatan terminal penerjun ±50 m/s (±180 km/jam). Parasut memperbesar luas hambatan sehingga kecepatan terminalnya turun menjadi ±5 m/s.
💉
Cairan infus
Botol infus digantung tinggi agar tekanan \(\rho g h\) cukup mendorong cairan melewati selang dan jarum yang sempit dan "menghambat".
🛢️
Oli mesin
Kode kekentalan oli dipilih agar oli cukup encer saat mesin dingin, tetapi tetap cukup kental untuk melapisi logam saat mesin panas.
🪁
Layangan di sawah
Angin kemarau yang stabil dibelokkan ke bawah oleh layangan yang miring. Gaya angkatnya diimbangi tegangan tali dan berat layangan.
🚆
Garis kuning di peron
Kereta yang melaju kencang menyeret udara di sekitarnya. Aliran udara cepat dan perubahan tekanan bisa menarik benda ringan, jadi berdirilah di belakang garis kuning.
🍯
Madu asli atau palsu?
Sebagian orang menguji madu dengan memperhatikan seberapa lambat tetesnya mengalir. Itu sebenarnya uji viskositas, walaupun hasilnya juga dipengaruhi suhu dan kadar air.
Air mengalir dari pipa berdiameter 4 cm ke pipa berdiameter 2 cm. Kelajuan air di pipa kecil menjadi…
setengahnya
sama
dua kali
empat kali
Diameter setengahnya → luas seperempatnya → kelajuan 4 kali (\(v \propto 1/d^2\)).
Pada pipa mendatar yang menyempit, tekanan air paling kecil terdapat di…
bagian paling sempit
bagian paling lebar
semua bagian sama
ujung keluarnya air
Di bagian sempit kelajuan paling besar, sehingga menurut Bernoulli tekanannya paling kecil.
Gaya angkat pada sayap pesawat paling tepat dijelaskan oleh…
udara atas yang harus tiba bersamaan dengan udara bawah
mesin pesawat yang mendorong ke atas
sayap yang membelokkan udara ke bawah, disertai tekanan rendah di atas sayap
udara di bawah sayap yang lebih ringan
Sayap dengan sudut serang membelokkan aliran ke bawah (Hukum III Newton), dan tekanan di atas sayap lebih rendah daripada di bawah (Bernoulli). Mitos "waktu tempuh sama" keliru.
15
Bab 15 · Fluida & Panas
Suhu & Kalor: Ke Mana Panas Pergi?
Kenapa gelas es teh "berkeringat"? Kenapa ubin terasa lebih dingin daripada karpet, padahal suhunya sama? Bab ini membongkar perjalanan kalor, dari dapurmu sampai permukaan Matahari.
Setelah bab ini, kamu bisa
membedakan suhu dan kalor, serta mengubah skala Celsius, Fahrenheit, Reamur, dan Kelvin;
menghitung pemuaian dan menjelaskan celah rel serta keping bimetal;
memakai \(Q = mc\Delta T\), kalor laten \(Q = mL\), dan asas Black untuk soal campuran;
menjelaskan konduksi, konveksi, radiasi, termasuk angin darat dan angin laut;
memakai hukum Wien dan Stefan–Boltzmann untuk benda pijar, tubuh manusia, dan Matahari.
Es Teh Berkeringat Komik · 4 panel
Siang terik di warung
RakaSar, gelas es tehku bocor! Lihat, luarnya basah semua!
SariKalau bocor, harusnya airnya manis. Usap lalu cicipi deh.
RakaHmm… tawar! Jadi air ini datang dari mana?
Di rumah, tanpa alas kaki
RakaHii! Ubinnya dingin, tapi karpetnya hangat!
SariAneh. Termometerku bilang keduanya 27 °C.
BRRR!
Kak NaraDua misteri, satu kunci: kalor selalu mengalir dari yang panas ke yang dingin. Yuk, kita lacak jejaknya!
Ubin dan karpet di kamar yang sama bersuhu 27 °C. Mengapa telapak kaki terasa lebih dingin di atas ubin?
Suhu ubin sebenarnya lebih rendah daripada karpet.
Ubin menghantarkan kalor dari kakimu jauh lebih cepat daripada karpet.
Karpet menghasilkan panasnya sendiri.
Ubin memancarkan "dingin" ke telapak kaki.
Jawabannya: ubin lebih cepat "menyedot" kalor dari kakimu. Telapak kakimu ±33 °C, lebih panas daripada lantai, sehingga kalor mengalir dari kaki ke lantai. Kulitmu tidak merasakan suhu lantai. Kulit merasakan seberapa cepat kalor meninggalkannya. Ubin keramik adalah penghantar kalor yang jauh lebih baik daripada karpet berbulu yang penuh kantong udara. Tidak ada "dingin" yang mengalir: yang mengalir selalu kalor, dari panas ke dingin.
15.1Suhu dan termometer
Dalam percakapan sehari-hari, "panas" bisa berarti dua hal yang berbeda. Fisika memisahkannya dengan tegas:
Suhu adalah ukuran derajat panas-dinginnya benda. Di tingkat partikel, suhu mengukur rata-rata energi gerak partikel (Bab 16).
Kalor adalah energi yang berpindah karena ada perbedaan suhu. Satuannya joule (J), sama seperti energi lain.
Satu ember air hangat 40 °C bersuhu lebih rendah daripada secangkir teh mendidih 100 °C. Tetapi ember itu menyimpan energi termal jauh lebih banyak, karena partikelnya jauh lebih banyak. Itulah sebabnya ember air hangat bisa menghangatkan kakimu lebih lama daripada secangkir teh.
Gampangnya: suhu itu angka di termometer (seberapa panas). Kalor itu panas yang berpindah, misalnya dari kompor ke panci, atau dari teh ke tanganmu.
Trik Kak Nara: suhu itu tinggi air, kalor itu airnyaBayangkan suhu sebagai ketinggian permukaan air di dua tangki, dan kalor sebagai air yang mengalir lewat pipa penghubung. Air selalu mengalir dari permukaan tinggi ke rendah, sampai permukaannya sama. Kalor selalu mengalir dari suhu tinggi ke suhu rendah, sampai suhunya sama. Keadaan akhir itu disebut kesetimbangan termal.
Termometer bekerja berkat kesetimbangan termal: termometer dibiarkan menyentuh benda sampai suhunya sama, lalu kita membaca sifat zat di dalamnya yang berubah karena suhu. Raksa atau alkohol memuai di dalam pipa kaca, hambatan listrik termistor berubah pada termometer digital, dan termometer tembak dahi membaca radiasi inframerah dari kulit.
Empat skala, satu cara
Setiap skala dibuat dari dua titik tetap: es mencair dan air mendidih pada tekanan 1 atmosfer. Jarak antara keduanya dibagi menjadi sejumlah "anak tangga":
Skala
Titik beku air
Titik didih air
Jumlah skala
Celsius (°C)
0
100
100
Reamur (°R)
0
80
80
Fahrenheit (°F)
32
212
180
Kelvin (K)
273,15
373,15
100
Kuncinya: posisi relatif suhu di antara titik beku dan titik didih sama di semua skala.
30 °C = 86 °F = 24 °R = 303 K. Kenaikan 1 °C sama dengan kenaikan 1 K, tetapi sama dengan kenaikan 1,8 °F.
Tamu dari masa laluDaniel Fahrenheit membuat skalanya pada 1724, dan René de Réaumur pada 1730. Pada 1742, Anders Celsius dari Swedia mengusulkan skala seratus derajat, tetapi terbalik: 0 untuk air mendidih dan 100 untuk es mencair! Setelah ia wafat, skalanya dibalik menjadi yang kita pakai sekarang. Pada 1848, William Thomson (Lord Kelvin) memperkenalkan skala mutlak yang dimulai dari suhu terendah yang mungkin, yaitu −273,15 °C.
Fisika Indonesia: embun upas di DiengIndonesia terletak di khatulistiwa, tetapi tidak selalu hangat. Di Dataran Tinggi Dieng (±2.000 m), pada malam-malam musim kemarau sekitar Juli–Agustus, suhu bisa turun mendekati atau di bawah 0 °C. Embun membeku menjadi kristal es tipis di daun dan rumput, yang oleh warga disebut embun upas. Di puncak Jaya Wijaya (Papua) bahkan ada gletser abadi, walaupun kini terus menyusut karena pemanasan global.
Awas jebakanMenaikkan suhu dari 20 °C menjadi 40 °C bukan berarti "dua kali lebih panas". Skala Celsius tidak dimulai dari nol mutlak. Dalam kelvin, suhunya naik dari 293 K menjadi 313 K, hanya ±7% lebih besar. Untuk perbandingan dan rumus gas (Bab 16), selalu pakai kelvin.
15.2Pemuaian: benda yang "melar" saat panas
Saat dipanaskan, partikel-partikel zat bergetar lebih hebat sehingga jarak rata-rata antarpartikel sedikit bertambah. Hasilnya, benda memuai. Saat didinginkan, benda menyusut. Perubahan panjang sebuah batang sebanding dengan panjang awalnya dan kenaikan suhunya:
\[ \Delta L = \alpha\, L_0\, \Delta T \]
Konstanta \(\alpha\) disebut koefisien muai panjang, dengan satuan /°C atau /K. Untuk luas dan volume berlaku rumus serupa, dengan koefisien muai luas \(\beta \approx 2\alpha\) dan koefisien muai volume \(\gamma \approx 3\alpha\).
Bahan
\(\alpha\) (×10⁻⁶ /°C)
Catatan
Aluminium
±24
panci, kusen jendela
Tembaga
±17
kabel listrik
Baja
±12
rel kereta, jembatan
Beton
±10–14
hampir sama dengan baja, jadi beton bertulang tidak retak saat panas
Kaca biasa
±9
gelas mudah retak bila dituangi air mendidih
Kaca borosilikat
±3,3
gelas tahan panas laboratorium
Satu batang rel baja panjangnya 12 m pada 25 °C. Di siang terik, suhu rel mencapai 55 °C. Berapa milimeter minimal celah antarbatang rel agar ujung-ujungnya tidak saling mendorong? (\(\alpha_\text{baja} = 12\times10^{-6}\) /°C)
Kenaikan suhu: \(\Delta T = 55 - 25 = 30\) °C.
\(\Delta L = \alpha L_0 \Delta T = 12\times10^{-6} \times 12 \times 30 = 4{,}32\times10^{-3}\) m.
Celah minimal ±4,3 mm. Bunyi "tek-tek, tek-tek" kereta lama berasal dari roda yang melewati celah-celah ini.
Keping bimetal: dua logam berbeda (kuningan dan baja) dikeling menjadi satu keping lurus pada suhu kamar.
Keping dipanaskan. Kedua logam memuai, tetapi koefisien muai kuningan (±19 × 10⁻⁶ /°C) lebih besar daripada baja (±12 × 10⁻⁶ /°C).
Kuningan "ingin" bertambah panjang lebih banyak, tetapi tertahan oleh baja yang menempel padanya.
Akibatnya keping melengkung, dengan logam yang lebih banyak memuai (kuningan) berada di sisi luar lengkungan.
Di dalam setrika, ujung keping menjadi sakelar. Saat setrika terlalu panas, keping melengkung menjauhi kontak dan arus listrik putus.
Setelah agak dingin, keping lurus kembali, kontak tersambung, dan pemanas menyala lagi. Suhu setrika pun terjaga. Inilah termostat.
Air yang "nakal": anomali air
Hampir semua zat menyusut saat didinginkan. Air juga, tetapi hanya sampai 4 °C. Dari 4 °C ke 0 °C, air justru memuai, dan saat membeku volumenya bertambah ±9%. Karena itu es mengapung, botol kaca berisi air penuh bisa pecah di freezer, dan danau di negeri empat musim membeku dari permukaan, sehingga ikan tetap hidup di air 4 °C di dasarnya.
Fisika Indonesia: rel kereta dan kabel PLNRel kereta generasi lama dipasang dengan celah kecil di setiap sambungan. Jalur modern, termasuk banyak lintasan KRL, memakai rel panjang yang dilas dan dijepit kuat ke bantalan beton, sehingga rel tidak bisa memuai memanjang. Sebagai gantinya, rel menahan tegangan termal yang besar. Kabel listrik PLN sengaja dipasang agak kendur: di siang hari kabel memuai dan makin melengkung, di malam yang dingin kabel menyusut dan makin tegang. Jika dipasang tegang di siang hari, kabel bisa putus di malam hari.
Lanjut · IB & olimpiadeTegangan termal: kekuatan yang tersembunyiJika batang dijepit sehingga tidak bisa memuai, batang menekan penjepitnya dengan tegangan \(\sigma = E\alpha\Delta T\), dengan \(E\) modulus Young (Bab 12). Untuk baja (\(E \approx 200\) GPa) yang suhunya naik 30 °C: \(\sigma = 200\times10^9 \times 12\times10^{-6} \times 30 = 72\) MPa, setara beban ±730 kg pada setiap sentimeter persegi penampang rel! Jika bantalannya lemah, rel bisa melengkung ke samping (sun kink). Itulah sebabnya rel las panjang dipasang pada suhu netral tertentu dan diperiksa saat cuaca sangat panas.
15.3Kalor dan kalor jenis
Panaskan 1 kg air dan 1 kg minyak goreng di atas kompor yang sama. Minyak jauh lebih cepat panas. Air "lebih rakus" menyerap kalor sebelum suhunya naik. Banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 1 kg zat sebesar 1 °C disebut kalor jenis \(c\):
\[ Q = m\,c\,\Delta T \]
Zat
\(c\) (J/kg·°C)
Air
4.200
Es
2.100
Uap air
±2.010
Minyak goreng
±2.000
Udara
±1.000
Aluminium
900
Pasir kering
±800
Besi
450
Tembaga
390
Air punya kalor jenis yang sangat besar. Akibatnya laut lambat panas dan lambat dingin, sedangkan pasir pantai cepat panas di siang hari dan cepat dingin di malam hari. Perbedaan inilah yang nanti menggerakkan angin darat dan angin laut (subbab 15.6). Hasil kali \(mc\) disebut kapasitas kalor \(C\) (J/°C), yaitu kalor untuk menaikkan suhu seluruh benda sebesar 1 °C.
Kak Nara merebus 1,5 kg air dari 25 °C sampai 100 °C dengan teko listrik 1000 W. Berapa kalor yang diperlukan, dan berapa lama jika semua energi listrik diserap air? (\(c_\text{air} = 4200\) J/kg·°C)
\(\Delta T = 100 - 25 = 75\) °C.
\(Q = mc\Delta T = 1{,}5 \times 4200 \times 75 = 472\,500\) J.
Daya 1000 W berarti 1000 J tiap detik: \(t = 472\,500 / 1000 = 472{,}5\) s \(\approx 7{,}9\) menit.
Butuh ±473 kJ, atau ±8 menit. Dalam praktik lebih lama, karena sebagian kalor hilang ke udara dan ke badan teko.
Tamu dari masa laluDulu kalor dianggap zat cair tak terlihat bernama "kalorik". Pada 1840-an, James Prescott Joule, anak pengusaha bir di Inggris, memutar kincir di dalam air dengan beban jatuh dan mengukur kenaikan suhu airnya. Ia membuktikan bahwa usaha mekanik bisa berubah menjadi kalor dengan nilai tukar tetap: ±4,2 joule untuk setiap kalori. Kalor ternyata adalah energi!
15.4Perubahan wujud dan kalor laten
Enam perubahan wujud. Menuju wujud yang partikelnya lebih "bebas" selalu memerlukan kalor.
Saat es mencair atau air mendidih, kalor terus diserap tetapi suhunya tidak naik. Energi itu dipakai untuk memutus ikatan antarpartikel, bukan untuk mempercepat gerak partikel. Kalor "tersembunyi" ini disebut kalor laten:
Kalor uap air: \(L_u = 2\,260\,000\) J/kg (±540 kal/g), hampir 7 kali kalor leburnya!
Jalankan kompor dan amati grafik suhu terhadap waktu. Kapan suhunya berhenti naik? Bandingkan panjang "dataran" saat es melebur dengan saat air mendidih. Ubah massa dan daya kompor: bagian mana yang berubah?
Jawaban misteri es tehUdara di sekitarmu mengandung uap air. Saat uap menyentuh dinding gelas yang sangat dingin, uap melepas kalor laten dan mengembun menjadi titik-titik air. Air itu berasal dari udara, bukan dari dalam gelas. Karena itu rasanya tawar! Di hari yang lembap, "keringat" gelas makin banyak.
Fisika Indonesia: rice cooker tahu kapan nasi matangSelama masih ada air di panci, suhu dasar panci tertahan di sekitar 100 °C, karena kalor dipakai untuk menguapkan air (dataran pada kurva pemanasan!). Begitu air habis terserap beras, suhu dasar panci naik melewati 100 °C. Banyak rice cooker sederhana memakai sakelar bermagnet yang kehilangan sifat magnetnya pada suhu sedikit di atas 100 °C. Sakelar pun lepas, dan rice cooker pindah ke mode "hangat". Fisika kalor laten di setiap dapur Indonesia!
Lanjut · IB & olimpiadeTitik didih bergantung pada tekananAir mendidih saat tekanan uapnya sama dengan tekanan udara di atasnya. Di puncak gunung, tekanan udara lebih rendah (Bab 13), sehingga air mendidih di bawah 100 °C: di ketinggian ±3.000 m, kira-kira 90 °C. Pendaki Semeru tahu, mi instan lebih lama matang di Ranu Kumbolo! Sebaliknya, panci presto menahan uap sehingga tekanannya naik, dan air baru mendidih pada ±110–120 °C. Daging empal yang alot pun cepat empuk.
15.5Asas Black: kalor dilepas = kalor diterima
Campurkan air panas dan air dingin di dalam wadah yang tertutup rapat dan tidak menghantarkan panas. Kalor mengalir dari yang panas ke yang dingin sampai suhunya sama. Tidak ada kalor yang hilang dan tidak ada yang tercipta (hukum kekekalan energi), sehingga
\[ Q_\text{lepas} = Q_\text{terima} \]
Inilah asas Black. Wadah khusus untuk percobaannya disebut kalorimeter: bejana logam di dalam bejana lain yang dipisahkan lapisan udara atau bahan isolator, lengkap dengan tutup, termometer, dan pengaduk. Untuk dua zat yang dicampur dan tanpa perubahan wujud:
100 g es bersuhu 0 °C dimasukkan ke dalam 100 g air bersuhu 80 °C di dalam termos. Berapa suhu akhirnya? (Kalor lebur es 80 kal/g, kalor jenis air 1 kal/g·°C)
40 °C, rata-rata dari 0 dan 80.
50 °C.
0 °C.
20 °C.
Jawabannya: 0 °C! Untuk mencairkan seluruh es diperlukan \(100 \times 80 = 8000\) kal. Air 80 °C yang mendingin sampai 0 °C melepas \(100 \times 1 \times 80 = 8000\) kal juga. Semua kalor dari air panas habis hanya untuk melebur es. Hasilnya 200 g air bersuhu 0 °C. Kalor laten itu besar sekali, dan itulah sebabnya es batu sangat ampuh mendinginkan minuman.
Pilih benda panas dan benda dingin, lalu tekan Campurkan! Grafik menunjukkan suhu keduanya. Batang di bawah membandingkan kalor yang dilepas dan yang diterima. Coba es batu. Lalu nyalakan "kalorimeter bocor": apa bedanya dengan ramalan teori?
Ember mandi berisi 20 kg air bersuhu 27 °C. Berapa kilogram air mendidih (100 °C) yang harus dituangkan agar suhu air mandi menjadi 40 °C? Abaikan kalor yang diserap ember dan udara.
Air mendidih melepas kalor: \(Q_\text{lepas} = m \cdot c\,(100 - 40) = 60\,mc\).
Air ember menerima kalor: \(Q_\text{terima} = 20 \cdot c\,(40 - 27) = 260\,c\).
Asas Black: \(60\,mc = 260\,c \Rightarrow m = 260/60 \approx 4{,}3\) kg.
Perlu ±4,3 kg (±4,3 liter) air mendidih. Kalor jenis air saling coret, jadi tidak perlu diketahui nilainya. Hati-hati menuangnya, dan aduk dulu sebelum dicoba dengan tangan!
Raka memasukkan 50 g es batu 0 °C ke dalam 200 g teh bersuhu 30 °C. Anggap teh = air (\(c = 1\) kal/g·°C, \(L_f = 80\) kal/g) dan gelas tidak menyerap kalor. Apakah semua es mencair? Berapa suhu akhirnya?
Kalor untuk mencairkan semua es: \(50 \times 80 = 4000\) kal.
Kalor maksimum yang bisa dilepas teh jika didinginkan sampai 0 °C: \(200 \times 1 \times 30 = 6000\) kal. Karena 6000 > 4000, semua es mencair.
Asas Black dengan suhu akhir \(T\): \(200(30 - T) = 4000 + 50(T - 0)\).
\(6000 - 200T = 4000 + 50T \Rightarrow 250T = 2000 \Rightarrow T = 8\) °C.
Semua es mencair dan es teh menjadi 8 °C. Perhatikan: air lelehan es (50 g) juga harus dipanaskan dari 0 °C ke 8 °C, jangan dilupakan!
Tamu dari masa laluJoseph Black (1728–1799), dosen kimia di Skotlandia, memperhatikan bahwa es yang mencair menyerap banyak kalor tanpa menjadi lebih hangat. Ia menyebutnya kalor "laten" (tersembunyi). Ia juga orang pertama yang membedakan dengan jelas antara banyaknya kalor dan suhu. Rekannya di Universitas Glasgow, James Watt, kelak menyempurnakan mesin uap (Bab 17).
15.6Tiga jalan kalor: konduksi, konveksi, radiasi
Konduksi: estafet getaran partikel
Ujung sendok logam yang dicelupkan ke kuah bakso panas lama-lama ikut panas. Partikel di ujung panas bergetar hebat dan "menyenggol" tetangganya, yang lalu menyenggol tetangga berikutnya, seperti estafet. Pada logam, elektron bebas ikut membawa energi dengan sangat cepat. Perpindahan kalor tanpa disertai perpindahan zat ini disebut konduksi. Laju kalornya:
\[ H = \frac{Q}{t} = \frac{k\,A\,\Delta T}{L} \]
dengan \(k\) konduktivitas termal (W/m·K), \(A\) luas penampang, \(\Delta T\) beda suhu kedua ujung, dan \(L\) panjang atau tebal benda.
Bahan
\(k\) (W/m·K)
Sifat
Tembaga
±400
konduktor yang sangat baik
Aluminium
±205
Besi
±80
konduktor
Ubin keramik, kaca
±1
penghantar sedang
Air
±0,6
penghantar buruk
Kayu
±0,1–0,2
isolator
Karpet berbulu, wol
±0,04
Udara diam
±0,026
Sekarang misteri ubin terpecahkan: \(k\) ubin ±25 kali \(k\) karpet. Ubin menarik kalor dari telapak kakimu jauh lebih cepat, sehingga kulitmu "melaporkan" dingin. Isolator yang baik hampir selalu menjebak udara diam: bulu karpet, jaket, busa, dan atap ijuk rumah adat.
Batang tembaga sepanjang 50 cm dengan luas penampang 2 cm² diselimuti isolator di sisinya. Satu ujung berada di uap air mendidih (100 °C), ujung lain menempel pada es (0 °C). Berapa laju kalor yang mengalir, dan berapa gram es yang mencair tiap menit? (\(k = 400\) W/m·K, \(L_f = 334\) J/g)
Kalor dalam satu menit: \(Q = 16 \times 60 = 960\) J.
Es yang mencair: \(m = Q/L_f = 960/334 \approx 2{,}9\) g.
Kalor mengalir 16 W, dan ±2,9 g es mencair tiap menit. Batang besi yang sama hanya menghantarkan ±3,2 W, lima kali lebih lambat.
Konveksi: kalor yang menumpang
Pada zat cair dan gas, bagian yang dipanaskan memuai, menjadi kurang rapat, lalu naik. Bagian yang lebih dingin dan lebih rapat turun menggantikannya. Terbentuklah arus yang membawa kalor ke mana-mana. Inilah konveksi: perpindahan kalor yang disertai perpindahan zat. Air di panci bergolak, asap naik di atas api unggun, dan AC dipasang tinggi di dinding agar udara dinginnya turun ke seluruh ruangan.
Konveksi raksasa terjadi setiap hari di pantai. Siang hari, daratan (kalor jenis kecil) jauh lebih cepat panas daripada laut. Udara di atas daratan memuai dan naik, lalu udara laut yang lebih sejuk mengalir ke darat: angin laut. Malam hari, daratan lebih cepat dingin daripada laut, sehingga arahnya berbalik: angin darat bertiup dari darat ke laut.
Geser jam atau tekan Jalankan untuk memutar waktu sehari semalam. Warna partikel udara menunjukkan suhunya (biru = sejuk, ungu = sedang, oranye = hangat). Garis putus-putus menunjukkan arah putaran sel konveksi. Perhatikan arah angin di dekat permukaan dan perahu nelayan. Jam berapa angin berbalik arah?
Fisika Indonesia: nelayan dan anginSejak dulu, nelayan tradisional di pesisir Nusantara memakai angin darat dan angin laut sebagai "mesin" gratis untuk perahu layar mereka. Mereka berangkat melaut pada malam atau dini hari bersama angin darat yang bertiup ke laut, lalu pulang pada siang hari didorong angin laut menuju pantai. Pengetahuan ini diwariskan turun-temurun, jauh sebelum ada buku fisika.
Radiasi: kalor tanpa perantara
Di antara Matahari dan Bumi ada ruang hampa sejauh 150 juta km. Tidak ada partikel untuk konduksi atau konveksi, tetapi kalor Matahari tetap sampai. Kalor ini merambat sebagai gelombang elektromagnetik, terutama cahaya tampak dan inframerah, yang disebut radiasi. Semua benda di atas 0 K memancarkan radiasi, termasuk tubuhmu. Permukaan hitam dan kusam adalah penyerap dan pemancar yang baik. Permukaan putih atau mengilap memantulkan sebagian besar radiasi.
Teh panas di dalam termos bisa tetap hangat berjam-jam. Padahal kalor punya tiga jalan untuk kabur: konduksi, konveksi, dan radiasi.
Botol bagian dalam berdinding ganda, dan ruang di antaranya hampa udara. Tanpa partikel, konduksi dan konveksi melintasi celah itu hampir mustahil.
Kedua dinding dilapisi perak mengilap yang memantulkan radiasi inframerah kembali ke dalam.
Tutup yang rapat mencegah udara panas dan uap keluar lewat konveksi dan penguapan.
Kalor hanya lolos sedikit lewat tutup dan leher botol. Termos yang sama juga menjaga es tetap dingin, karena ia menghambat kalor masuk maupun keluar. Termos vakum ditemukan James Dewar pada 1892.
"Selimut tebal menghasilkan panas, makanya kita hangat."
Selimut tidak menghasilkan panas. Ia menjebak udara diam yang menghambat kalor tubuhmu keluar. Bungkus es batu dengan selimut, dan es itu justru lebih lama mencair!
"Tutup jendelanya, nanti dinginnya masuk!"
Tidak ada "dingin" yang bisa masuk. Yang terjadi adalah kalor keluar dari ruangan atau tubuhmu yang lebih hangat. Dingin hanyalah keadaan saat kalornya sedikit.
"Gelas es teh yang basah di luarnya pasti bocor."
Air itu berasal dari uap air di udara yang mengembun pada dinding gelas yang dingin. Buktinya: rasanya tawar, dan gelas berisi air es tanpa teh juga "berkeringat".
Lanjut · IB & olimpiadeHukum pendinginan NewtonUntuk beda suhu yang tidak terlalu besar, laju pendinginan benda sebanding dengan selisih suhunya dengan lingkungan: \(\dfrac{\mathrm dT}{\mathrm dt} = -k\,(T - T_\text{ling})\). Solusinya eksponensial: \(T(t) = T_\text{ling} + (T_0 - T_\text{ling})\,e^{-kt}\). Kopi panas mendingin cepat di awal, lalu makin lambat. Contoh: kopi 90 °C di ruangan 30 °C turun ke 60 °C dalam 10 menit. Selisih suhunya menjadi separuh setiap 10 menit, jadi 10 menit berikutnya kopi menjadi 45 °C, bukan 30 °C.
15.7Radiasi benda hitam: warna rahasia benda panas
Besi yang dipanaskan pandai besi mula-mula tidak tampak berubah, tetapi terasa panas dari jauh (inframerah). Sekitar 500 °C ia membara merah redup. Makin panas, warnanya bergeser ke jingga, kuning, lalu putih. Bintang yang sangat panas bahkan tampak kebiruan. Fisikawan mempelajarinya dengan model benda hitam, yaitu benda ideal yang menyerap semua radiasi yang datang dan memancarkan radiasi hanya berdasarkan suhunya.
Hukum pergeseran Wien: panjang gelombang dengan pancaran paling kuat berbanding terbalik dengan suhu mutlak,
\[ \lambda_\text{maks}\, T = b = 2{,}898\times10^{-3}\ \mathrm{m\,K} \]
Hukum Stefan–Boltzmann: daya total yang dipancarkan sebanding dengan pangkat empat suhu mutlak,
\[ P = e\,\sigma\,A\,T^4, \qquad \sigma = 5{,}67\times10^{-8}\ \mathrm{W\,m^{-2}\,K^{-4}} \]
dengan \(e\) emisivitas (1 untuk benda hitam sempurna, lebih kecil untuk permukaan mengilap). Suhu mutlak dinaikkan dua kali, dayanya menjadi \(2^4 = 16\) kali!
Geser suhunya atau pilih contoh. Kurva menunjukkan "spektrum" pancaran benda hitam. Perhatikan puncaknya bergeser (Wien) dan daya pancarnya melonjak (Stefan–Boltzmann). Pada suhu berapa benda mulai tampak membara?
Spektrum cahaya Matahari paling terang di sekitar \(\lambda = 500\) nm. (a) Perkirakan suhu permukaan Matahari. (b) Tubuh manusia bersuhu ±310 K. Di panjang gelombang berapa tubuh paling kuat memancar?
(a) \(T = \dfrac{b}{\lambda_\text{maks}} = \dfrac{2{,}898\times10^{-3}}{500\times10^{-9}} \approx 5800\) K.
(b) \(\lambda_\text{maks} = \dfrac{2{,}898\times10^{-3}}{310} \approx 9{,}3\times10^{-6}\) m \(= 9{,}3\ \mu\)m, yaitu inframerah.
Matahari ±5800 K, sedangkan tubuh kita "bersinar" dalam inframerah ±9 μm. Kamera termal dan termometer tembak dahi menangkap pancaran inilah.
Hukum yang sama menjelaskan efek rumah kaca. Sinar Matahari (kebanyakan cahaya tampak) menembus atmosfer dan menghangatkan permukaan Bumi. Bumi yang jauh lebih dingin memancarkan kembali energi itu sebagai inframerah (±10 μm). Gas seperti uap air dan CO₂ menyerap inframerah ini, lalu memancarkan sebagian kembali ke bawah. Bumi pun lebih hangat daripada jika tanpa atmosfer. Lebih banyak CO₂ berarti "selimut" yang lebih tebal. Kisah lengkapnya ada di Bab 34.
Lanjut · IB & olimpiadeMenghitung suhu Bumi tanpa efek rumah kacaBumi menerima \(S = 1361\) W/m² dari Matahari dan memantulkan ±30% (albedo). Daya yang diserap \(S(1 - a)\pi R^2\) harus sama dengan daya yang dipancarkan \(4\pi R^2 \sigma T^4\). Jadi \(T = \left[\dfrac{S(1-a)}{4\sigma}\right]^{1/4} = \left[\dfrac{1361 \times 0{,}7}{4 \times 5{,}67\times10^{-8}}\right]^{1/4} \approx 255\) K \(\approx -18\) °C. Kenyataannya, suhu rata-rata permukaan Bumi ±15 °C. Selisih ±33 °C itulah sumbangan efek rumah kaca alami, yang membuat Bumi layak huni. Masalah muncul saat kita menambah "selimut" ini terlalu cepat.
Catatan jujur: rumah kaca sungguhanRumah kaca untuk tanaman sebenarnya hangat terutama karena kaca menahan udara panas agar tidak naik dan pergi (konveksi dihentikan). "Efek rumah kaca" di atmosfer bekerja lewat radiasi inframerah. Namanya sama, mekanismenya agak berbeda.
🏺
Kendi tanah liat
Air merembes lewat pori-pori kendi lalu menguap di permukaannya. Penguapan menyerap kalor laten, sehingga air di dalam kendi tetap sejuk tanpa kulkas.
🍚
Rice cooker
Selama air masih ada, suhu tertahan ±100 °C. Setelah air habis, suhu naik dan sakelar termal memindahkan alat ke mode hangat.
👕
Setrika & bimetal
Keping bimetal melengkung saat panas dan memutus arus, lalu menyambung lagi saat dingin. Suhu setrika terjaga sesuai pilihan bahan kain.
🍳
Gagang panci
Badan panci dari aluminium (konduktor) agar cepat panas, gagangnya dari kayu atau plastik (isolator) agar aman dipegang.
🏠
Atap ijuk dan rumbia
Serat atap tradisional menjebak banyak udara diam, sehingga rumah adat tetap sejuk di siang hari tanpa AC.
🌡️
Termometer tembak dahi
Termometer ini membaca radiasi inframerah dari kulit, lalu menghitung suhunya dengan hukum radiasi benda hitam. Tidak perlu menyentuh!
Kalor 21.000 J diberikan pada 0,5 kg air (\(c = 4200\) J/kg·°C). Kenaikan suhunya adalah…
5 °C
10 °C
20 °C
42 °C
\(\Delta T = \dfrac{Q}{mc} = \dfrac{21\,000}{0{,}5 \times 4200} = 10\) °C.
Saat es sedang melebur pada 0 °C dan terus dipanaskan, suhunya…
naik perlahan
naik cepat
turun sedikit
tetap 0 °C sampai semua es mencair
Kalor dipakai sebagai kalor laten untuk memutus ikatan partikel, bukan untuk menaikkan suhu. Suhu tetap 0 °C.
Pada siang hari di pantai, angin bertiup dari…
laut ke darat, karena daratan lebih cepat panas
darat ke laut, karena daratan lebih cepat panas
laut ke darat, karena laut lebih cepat panas
darat ke laut, karena laut lebih cepat panas
Daratan (kalor jenis kecil) lebih cepat panas. Udara di atasnya naik, lalu udara laut yang sejuk mengalir ke darat: angin laut.
16
Bab 16 · Fluida & Panas
Teori Kinetik Gas: Miliaran Bola Kecil yang Tak Pernah Diam
Ban motor lebih keras pada siang hari. Balon mengerut di dalam kulkas. Di balik semua itu ada triliunan-triliunan molekul udara yang berlari secepat peluru dan terus bertabrakan.
Setelah bab ini, kamu bisa
menjelaskan gas sebagai kumpulan partikel kecil yang bergerak acak dan bertumbukan;
memakai hukum Boyle, Charles, Gay-Lussac, dan persamaan gas ideal \(PV = nRT\);
menjelaskan tekanan gas sebagai akibat tumbukan molekul pada dinding;
menghubungkan suhu dengan energi kinetik rata-rata molekul dan menghitung kecepatan rms;
(Lanjut) memakai derajat kebebasan untuk menghitung energi dalam gas.
Misteri Ban dan Balon Komik · 4 panel
Pagi, sebelum berangkat mudik
RakaTekanan ban pas 29 psi. Siap berangkat ke rumah Nenek!
Siang terik, istirahat di jalan
RakaLho, sekarang 33 psi! Siapa yang menambah anginnya?!
SariTidak ada yang menambah… tapi aspal dan bannya panas sekali.
PSSST?
Di rumah Nenek
SariEksperimenku: balon ini kusimpan di kulkas sejam. Lihat, jadi keriput!
RakaUdaranya bocor, ya?
Kak NaraTidak bocor! Udara itu triliunan-triliunan molekul yang berlari ke segala arah. Makin panas, makin kencang larinya, makin keras menabrak dinding!
Balon yang disimpan di kulkas mengerut, lalu kembali menggembung setelah dikeluarkan beberapa menit. Penjelasan terbaiknya adalah…
Udara bocor lewat pori-pori karet, lalu masuk lagi.
Molekul-molekul udara menyusut saat dingin dan membesar lagi saat hangat.
Molekul bergerak lebih lambat saat dingin sehingga tumbukannya pada dinding balon lebih lemah dan lebih jarang.
Udara dingin lebih berat sehingga turun ke dasar balon.
Jawabannya: molekulnya melambat. Jumlah molekul di dalam balon tetap. Ukuran molekul juga tidak berubah. Yang berubah adalah kelajuannya. Molekul yang lebih lambat menabrak dinding balon lebih jarang dan lebih lemah, sehingga "dorongan dari dalam" berkurang dan karet menarik balon mengecil. Saat dihangatkan, molekul kembali ngebut dan balon menggembung lagi.
16.1Model gas ideal: bola-bola kecil yang bertumbukan
Kita tidak bisa melihat molekul udara, tetapi kita bisa membuat model, lalu mengujinya dengan percobaan. Teori kinetik gas memakai model gas ideal dengan anggapan berikut:
Gas terdiri atas sangat banyak partikel (atom atau molekul) yang sangat kecil dibandingkan jarak antarpartikel.
Partikel bergerak acak ke segala arah dengan berbagai kelajuan, dan mematuhi hukum Newton.
Tumbukan antarpartikel dan dengan dinding bersifat lenting sempurna (energi kinetik total tetap).
Tidak ada gaya tarik-menarik antarpartikel, kecuali saat bertumbukan.
Seberapa "ramai" dunia molekul itu? Satu liter udara di ruang kelasmu berisi sekitar \(2{,}5\times10^{22}\) molekul. Rata-rata kelajuannya sekitar 500 m/s, lebih cepat daripada pesawat jet! Setiap molekul menabrak molekul lain beberapa miliar kali per detik, dan hanya menempuh jarak ±70 nm di antara dua tumbukan.
Gampangnya: bayangkan gas sebagai kelereng-kelereng super kecil yang tidak pernah diam, terus berlarian dan saling bertabrakan di dalam wadah. Makin panas gasnya, makin kencang kelereng itu berlari.
Trik Kak Nara: kenapa aroma rendang tidak langsung tercium?Kalau molekul berlari 500 m/s, mengapa aroma rendang dari dapur baru tercium beberapa detik kemudian? Karena molekul aroma terus bertabrakan dengan molekul udara dan arahnya berubah-ubah, seperti orang yang mencoba keluar dari pasar yang sangat padat. Gerak zig-zag ini disebut difusi. Lajunya cepat, tetapi kemajuannya lambat!
Mol dan bilangan Avogadro
Karena jumlah molekul sangat besar, kimiawan dan fisikawan menghitungnya per "lusin raksasa" bernama mol. Satu mol berisi \(N_A = 6{,}02\times10^{23}\) partikel (bilangan Avogadro). Jumlah mol \(n = N/N_A\), dan massa satu mol zat disebut massa molar \(M\): ±2 g/mol untuk H₂, 28 g/mol untuk N₂, 32 g/mol untuk O₂, dan ±29 g/mol untuk udara.
Tamu dari masa laluPada 1827, ahli botani Robert Brown melihat butiran-butiran halus dari dalam serbuk sari di dalam air bergerak gemetar tanpa henti di bawah mikroskop. Hampir 80 tahun kemudian, pada 1905, Albert Einstein menjelaskan bahwa butiran itu "ditendang" dari segala arah oleh molekul-molekul air yang tak terlihat. Jean Perrin lalu mengukurnya dan menghitung bilangan Avogadro. Inilah bukti meyakinkan pertama bahwa atom dan molekul benar-benar ada!
16.2Hukum Boyle, Charles, dan Gay-Lussac
Keadaan sejumlah gas ditentukan oleh tiga besaran: tekanan \(P\), volume \(V\), dan suhu mutlak \(T\). Jika salah satunya dibuat tetap, dua lainnya punya hubungan yang sederhana:
Hukum
Yang tetap
Hubungan
Penjelasan molekul
Contoh
Boyle (1662)
\(T\) dan jumlah gas
\(PV = \text{tetap}\)
volume setengahnya → molekul lebih rapat → tumbukan pada dinding dua kali lebih sering
pompa ban, suntikan yang ditutup
Charles (±1787)
\(P\) dan jumlah gas
\(V/T = \text{tetap}\)
molekul lebih cepat → mendorong dinding yang bisa bergeser sampai tekanannya kembali sama
balon di kulkas, balon udara panas
Gay-Lussac (1802)
\(V\) dan jumlah gas
\(P/T = \text{tetap}\)
molekul lebih cepat → tumbukan lebih sering dan lebih keras
ban pada siang hari, botol tertutup di dalam mobil yang dijemur
Awas jebakan: wajib kelvin!Dalam semua hukum gas, \(T\) harus dalam kelvin. Gas yang dipanaskan dari 27 °C menjadi 54 °C pada volume tetap tidak menjadi dua kali tekanannya. Dalam kelvin, suhunya naik dari 300 K ke 327 K, sehingga tekanannya hanya naik 9%.
Gas dalam tabung tertutup (volume tetap) bertekanan 100 kPa pada 27 °C. Gas dipanaskan sampai 327 °C. Berapa tekanannya sekarang?
Sekitar 1.200 kPa, karena suhunya naik 12 kali.
Tetap 100 kPa, karena volumenya tidak berubah.
Sekitar 109 kPa.
200 kPa.
Jawabannya: 200 kPa. Ubah ke kelvin: 27 °C = 300 K dan 327 °C = 600 K. Suhu mutlaknya tepat dua kali, jadi menurut Gay-Lussac tekanannya juga dua kali: \(P_2 = 100 \times \tfrac{600}{300} = 200\) kPa. Menghitung dengan derajat Celsius memberi jawaban yang konyol.
Seret gagang pompa ke bawah, atau tekan tombol pompa. Grafik P–V menunjukkan udara di dalam tabung pompa: mula-mula mengikuti kurva Boyle \(PV\) = tetap, lalu katup terbuka saat tekanannya melebihi tekanan ban. Berapa kali memompa sampai ban mencapai 40 psi?
Menemukan suhu nol mutlak
Jika volume gas pada tekanan tetap diukur pada beberapa suhu, titik-titiknya membentuk garis lurus. Perpanjang garis itu ke arah volume nol. Ajaibnya, garis untuk gas apa pun, dengan jumlah berapa pun, memotong sumbu suhu di titik yang sama: sekitar −273 °C. Itulah nol mutlak, titik nol skala kelvin. (Gas sungguhan sudah mencair sebelum mencapai suhu itu, tetapi garisnya tetap menunjuk ke sana.)
Atur suhu bak air, lalu tekan Catat data pada paling sedikit tiga suhu berbeda. Ganti jumlah gas dan ulangi. Tekan Tarik garis: di mana semua garis bertemu?
Tamu dari masa laluRobert Boyle menerbitkan hukumnya pada 1662 setelah percobaan dengan tabung kaca berbentuk J berisi air raksa. Jacques Charles, yang juga perintis balon udara hidrogen, menemukan hubungan volume dan suhu sekitar 1787 tetapi tidak menerbitkannya. Joseph Louis Gay-Lussac menerbitkannya pada 1802, lengkap dengan hukum tekanan dan suhu. Gay-Lussac bahkan pernah naik balon sampai ketinggian ±7 km untuk mengambil sampel udara!
Fisika Indonesia: botol penyok dari DiengTutup rapat botol plastik kosong di Dataran Tinggi Dieng (±2.000 m), lalu bawa turun ke pantai. Botol itu akan penyok! Di Dieng tekanan udara ±80 kPa, sedangkan di pantai ±101 kPa. Udara di luar botol menekan lebih kuat. Hukum Boyle memperkirakan volume udara di dalam botol ingin menyusut ±20%. Telingamu juga merasakan hal yang sama saat berkendara turun gunung atau saat pesawat mendarat.
16.3Persamaan gas ideal: \(PV = nRT\)
Ketiga hukum tadi bisa digabung menjadi satu persamaan untuk jumlah gas yang tetap:
\[ \frac{P_1V_1}{T_1} = \frac{P_2V_2}{T_2} \]
Percobaan menunjukkan bahwa konstanta \(PV/T\) sebanding dengan jumlah mol gas, apa pun jenis gasnya. Hasilnya adalah persamaan gas ideal:
\[ PV = nRT = NkT \]
dengan \(R = 8{,}31\) J/mol·K (tetapan gas umum) dan \(k = R/N_A = 1{,}38\times10^{-23}\) J/K (tetapan Boltzmann). Pada 0 °C dan 1 atm, satu mol gas apa pun menempati ±22,4 liter. Pada 25 °C, ±24,5 liter.
Awas jebakan: tekanan alat ukur ≠ tekanan mutlakAlat ukur ban di bengkel menunjukkan tekanan terukur (gauge), yaitu kelebihan tekanan di atas tekanan udara luar. Ban yang "kempis total" menunjukkan 0 psi, padahal di dalamnya masih ada udara bertekanan 1 atm (±14,7 psi). Rumus gas hanya berlaku untuk tekanan mutlak = tekanan terukur + tekanan udara luar.
Sebuah suntikan (tanpa jarum) berisi 60 mL udara bertekanan 1 atm. Ujungnya ditutup jari, lalu pendorongnya ditekan perlahan sampai volumenya 20 mL. Jika suhu tetap, berapa tekanan udara di dalamnya?
Tekanannya 3 atm. Volume menjadi sepertiga, tekanan menjadi tiga kali. Jarimu akan merasakan dorongan yang makin kuat.
Pagi hari (27 °C), alat ukur menunjukkan tekanan ban 29 psi. Setelah perjalanan, udara di dalam ban mencapai 57 °C. Anggap volume ban tetap dan tekanan udara luar 14,7 psi. Berapa angka pada alat ukur sekarang?
Kembali ke angka alat ukur: \(48{,}1 - 14{,}7 = 33{,}4\) psi.
Alat ukur menunjukkan ±33 psi, persis misteri di Bab 15! Karena itu, ukur dan isi angin ban saat ban masih dingin, dan jangan mengurangi angin ban yang panas.
Fisika Indonesia: balon udara tradisional WonosoboSetiap musim Lebaran, warga Wonosobo dan Pekalongan menerbangkan balon udara tradisional dari kertas. Udara di dalam balon dipanaskan, memuai, dan menjadi kurang rapat (hukum Charles), sehingga balon terangkat oleh gaya apung (Bab 13). Namun balon liar tanpa tali bisa terbang ke jalur pesawat dan membahayakan penerbangan. Kini balon diterbangkan dalam festival dengan ditambatkan tali dan diawasi petugas. Fisika yang indah, dengan cara yang aman!
16.4Tekanan: hujan tumbukan molekul
Tekanan gas pada dinding ban bukan dorongan yang mulus. Tekanan itu adalah "hujan" miliaran-miliaran tumbukan kecil setiap detik. Setiap molekul yang memantul dari dinding memberi dorongan kecil, dan rata-rata semua dorongan itulah tekanan. Mari kita hitung!
Satu molekul bermassa \(m\) di dalam kubus bersisi \(L\). Komponen kecepatannya ke arah dinding kanan adalah \(v_x\).
Molekul memantul lenting dari dinding: \(v_x\) menjadi \(-v_x\). Momentumnya berubah \(-2mv_x\), jadi dinding menerima dorongan (impuls) \(2mv_x\).
Molekul bolak-balik menempuh \(2L\) sebelum menabrak dinding yang sama lagi, sehingga selang waktu antartumbukan \(\Delta t = 2L/v_x\).
Gaya rata-rata dari satu molekul = impuls ÷ selang waktu \(= \dfrac{2mv_x}{2L/v_x} = \dfrac{mv_x^2}{L}\).
Untuk \(N\) molekul, jumlahkan semuanya: \(F = \dfrac{Nm\langle v_x^2\rangle}{L}\), dengan \(\langle v_x^2\rangle\) rata-rata kuadrat kecepatan arah \(x\).
Karena geraknya acak, tidak ada arah istimewa: \(\langle v_x^2\rangle = \langle v_y^2\rangle = \langle v_z^2\rangle = \tfrac13\langle v^2\rangle\). Tekanan \(P = F/L^2\) dan \(V = L^3\), sehingga \(P = \dfrac{Nm\langle v^2\rangle}{3V} = \tfrac13\rho\,v_\text{rms}^2\).
Setiap titik adalah molekul. "P terukur" dihitung langsung dari tumbukan pada dinding, lalu dibandingkan dengan teori \(PV = NkT\). Naikkan suhu, perkecil volume, tambah molekul, atau ganti jenis gas. Tekan Samakan semua kelajuan, lalu amati histogramnya kembali ke bentuk lonceng miring (sebaran Maxwell).
Awas jebakanGas memuai saat dipanaskan bukan karena molekulnya membesar. Ukuran molekul tetap. Yang bertambah adalah kelajuannya, sehingga molekul mendorong dinding lebih kuat dan, jika dindingnya bisa bergeser, ruang yang ditempati gas bertambah.
16.5Suhu adalah energi kinetik rata-rata
Bandingkan dua rumus tekanan: \(PV = NkT\) (dari percobaan) dan \(PV = \tfrac13 Nm\langle v^2\rangle\) (dari model tumbukan). Keduanya harus sama, sehingga \(\tfrac13 m\langle v^2\rangle = kT\). Kalikan dengan \(\tfrac32\):
Inilah salah satu hasil terindah fisika: suhu mutlak adalah ukuran energi kinetik rata-rata molekul. Pada suhu yang sama, molekul gas apa pun, ringan atau berat, punya energi kinetik rata-rata yang sama. Molekul hidrogen yang ringan berlari jauh lebih cepat daripada oksigen yang berat, tetapi energi kinetik rata-ratanya sama.
Trik Kak Nara: suhu = "kehebohan" rata-rataBayangkan molekul sebagai penonton konser. Suhu tidak mengukur seberapa heboh satu orang, tetapi kehebohan rata-rata semua penonton. Ada yang melompat tinggi, ada yang diam, tetapi rata-ratanya ditentukan oleh suhu. Pada nol mutlak (0 K), pesta gerak ini (secara klasik) berhenti total.
"Pada suhu 0 °C, molekul berhenti bergerak."
Pada 0 °C (273 K), molekul udara masih melaju ratusan meter per detik. Gerak molekul baru mendekati nol pada nol mutlak, −273,15 °C. Bahkan di sana, fisika kuantum menyisakan sedikit "getaran titik nol".
"Gas yang molekulnya lebih berat, misalnya CO₂, menekan dinding lebih kuat."
Pada suhu, volume, dan jumlah molekul yang sama, tekanannya sama. Molekul berat bergerak lebih lambat tetapi menabrak lebih keras. Kedua efek itu tepat saling mengimbangi, karena energi kinetik rata-ratanya sama: \(\tfrac32 kT\).
16.6Kecepatan rms dan sebaran Maxwell
Dari \(\tfrac12 m\langle v^2\rangle = \tfrac32 kT\) kita bisa menghitung "kelajuan khas" molekul, yaitu akar dari rata-rata kuadrat kelajuan atau kecepatan rms (root mean square):
dengan \(M\) massa molar dalam kg/mol (bukan g/mol!).
Gas (300 K)
\(M\) (g/mol)
\(v_\text{rms}\) (m/s)
Hidrogen, H₂
2
±1.930
Helium, He
4
±1.370
Nitrogen, N₂
28
±517
Oksigen, O₂
32
±484
Karbon dioksida, CO₂
44
±412
Tentu tidak semua molekul berlari dengan kelajuan yang sama. James Clerk Maxwell (1860) menemukan sebaran kelajuan molekul gas: sedikit molekul yang sangat lambat, kebanyakan di sekitar nilai tengah, dan "ekor" panjang molekul yang sangat cepat. Saat suhu naik, puncak kurvanya bergeser ke kanan dan kurvanya melebar. Kelajuan paling mungkin \(v_p\), kelajuan rata-rata \(\bar v\), dan \(v_\text{rms}\) berbanding \(1 : 1{,}13 : 1{,}22\). Lihat histogram di Lab Kotak Gas!
Di lapisan atmosfer paling atas, suhu bisa mencapai ±1.000 K. (a) Hitung \(v_\text{rms}\) molekul H₂ (\(M = 2\) g/mol) di sana. (b) Berapa kali lebih cepat H₂ dibanding O₂ pada suhu yang sama? (c) Kecepatan lepas Bumi 11,2 km/s. Mengapa H₂ perlahan-lahan lolos ke antariksa, sedangkan O₂ tidak?
(c) Rata-ratanya memang hanya ±1/3 kecepatan lepas. Tetapi sebaran Maxwell punya "ekor" molekul yang jauh lebih cepat. Selama jutaan tahun, H₂ di ekor itu terus lolos. Untuk O₂ yang 4 kali lebih lambat, ekor itu praktis kosong.
Itulah sebabnya atmosfer Bumi hampir tidak mengandung hidrogen dan helium bebas, sedangkan planet raksasa seperti Jupiter (gravitasinya jauh lebih kuat) tetap menyimpannya. Bulan, dengan kecepatan lepas hanya 2,4 km/s, bahkan hampir tidak punya atmosfer.
Fakta unik dari TarsiKelajuan bunyi di udara (±343 m/s) ternyata tidak jauh dari \(v_\text{rms}\) molekul udara (±500 m/s). Itu bukan kebetulan: bunyi "dititipkan" dari molekul ke molekul lewat tumbukan, jadi bunyi tidak mungkin merambat lebih cepat daripada molekul pembawanya. Di Bab 19, kamu akan melihat \(v_\text{bunyi} = \sqrt{\gamma RT/M}\), sangat mirip dengan \(v_\text{rms}\)!
16.7Derajat kebebasan dan energi dalam
Molekul tidak hanya bisa berpindah tempat. Molekul yang terdiri atas dua atom atau lebih juga bisa berputar, dan pada suhu tinggi bisa bergetar. Setiap cara bebas untuk menyimpan energi disebut derajat kebebasan \(f\).
Gampangnya: gas monoatomik seperti helium hanya bisa "berlari". Gas diatomik seperti oksigen bisa berlari dan berputar seperti barbel yang dilempar, sehingga menyimpan lebih banyak energi pada suhu yang sama.
Derajat kebebasan pada suhu kamar. Getaran ikatan baru "aktif" pada suhu tinggi.
Lanjut · IB & olimpiadeTeorema ekipartisi energiPada kesetimbangan, setiap derajat kebebasan kuadratik menyimpan rata-rata \(\tfrac12 kT\) per molekul. Jadi energi dalam gas ideal adalah
\[ U = \frac{f}{2}\,N k T = \frac{f}{2}\,n R T \]
Contoh: 1 mol udara (diatomik, \(f = 5\)) pada 300 K menyimpan \(U = \tfrac52 \times 8{,}31 \times 300 \approx 6{,}2\) kJ. Kalor jenis molar pada volume tetap adalah \(C_V = \tfrac f2 R\), pada tekanan tetap \(C_P = C_V + R\) (hubungan Mayer), dan perbandingannya \(\gamma = C_P/C_V = 1 + \tfrac2f\): 1,67 untuk gas monoatomik, 1,40 untuk diatomik, dan ±1,33 untuk poliatomik. Angka \(\gamma\) ini akan menjadi bintang di Bab 17 (proses adiabatik) dan Bab 19 (kelajuan bunyi).
Lanjut · olimpiadeKapan gas tidak ideal?Model gas ideal mulai meleset saat tekanan sangat tinggi (molekul berdesakan, sehingga volume molekul sendiri tidak bisa diabaikan) atau suhu sangat rendah (gaya tarik antarmolekul mulai berperan, dan gas hampir mengembun). Van der Waals (1873) memperbaikinya: \(\left(P + \dfrac{an^2}{V^2}\right)(V - nb) = nRT\). Suku \(a\) mewakili tarikan antarmolekul, suku \(b\) mewakili volume molekul. Udara pada kondisi sehari-hari menyimpang kurang dari ±0,1% dari gas ideal.
🏍️
Ban saat mudik
Ukur tekanan ban saat ban masih dingin. Ban panas menunjukkan angka lebih tinggi, jadi jangan buang anginnya.
🍲
Panci presto
Tutupnya rapat sehingga uap terkurung. Saat dipanaskan, tekanan di dalamnya naik, terutama karena makin banyak air yang menguap (mirip semangat hukum Gay-Lussac). Air pun mendidih di atas 100 °C dan daging cepat empuk.
🧴
Kaleng semprot
Jangan menjemur atau membakar kaleng semprot! Gas di dalamnya bervolume tetap, jadi suhu tinggi menaikkan tekanannya sampai kaleng bisa meledak.
✈️
Telinga berdengung
Saat pesawat turun, tekanan udara luar naik, sedangkan udara di telinga tengah masih bertekanan rendah. Gendang telinga terdorong ke dalam sampai kamu menelan atau menguap.
🛞
Kompresor tambal ban
Kompresor memampatkan udara ke dalam tangki. Udara itu lalu mengisi ban sampai tekanan mutlaknya ±2–3 kali tekanan udara luar.
🎈
Balon udara tradisional
Udara panas di dalam balon lebih renggang daripada udara luar, sehingga balon terangkat. Terbangkan hanya dengan tambatan tali, demi keselamatan penerbangan.
Gas dalam ruang tertutup dipanaskan pada volume tetap. Tekanannya naik karena…
molekul gas bertambah banyak
molekul gas membesar
molekul bergerak lebih cepat sehingga menumbuk dinding lebih sering dan lebih keras
molekul saling menarik lebih kuat
Jumlah dan ukuran molekul tetap. Suhu lebih tinggi berarti energi kinetik rata-rata lebih besar, sehingga tumbukan pada dinding lebih sering dan lebih keras.
Pada suhu yang sama, molekul hidrogen (M = 2 g/mol) dibandingkan molekul oksigen (M = 32 g/mol) memiliki…
energi kinetik rata-rata sama, kecepatan rms 4 kali lebih besar
energi kinetik rata-rata 16 kali lebih besar
kecepatan rms sama
kecepatan rms 16 kali lebih besar
\(\overline{E_k} = \tfrac32 kT\) tidak bergantung jenis gas. \(v_\text{rms} \propto 1/\sqrt M\), jadi \(\sqrt{32/2} = 4\) kali.
Udara dalam pompa sepeda bervolume 400 mL bertekanan 100 kPa. Jika ujungnya ditutup dan udara ditekan perlahan menjadi 100 mL, tekanannya menjadi…
Kenapa pompa sepeda jadi hangat saat dipakai? Kenapa kulkas justru membuang panas di belakangnya? Dua hukum termodinamika menjawab semuanya, dan keduanya tidak pernah bisa diakali.
Setelah bab ini, kamu bisa
membedakan sistem dan lingkungan, lalu memakai hukum ke-0 untuk menjelaskan cara kerja termometer;
menghitung usaha gas sebagai luas di bawah kurva pada diagram P–V;
memakai Hukum I \(\Delta U = Q - W\) pada proses isobarik, isokhorik, isotermal, dan adiabatik;
menghitung efisiensi mesin kalor, efisiensi Carnot, dan COP kulkas atau AC;
menjelaskan Hukum II dan entropi dengan contoh sehari-hari.
Pompa Sepeda yang Demam Komik · 4 panel
Sabtu pagi, di teras rumah
RakaBan sepedaku kempes. Pompa terus… biar kencang buat gowes ke Car Free Day!
PSST! PSST!
RakaADUH! Badan pompanya PANAS! Ada kompor di dalamnya?!
SariNggak ada api, Rak. Udaranya panas karena kamu menekannya cepat-cepat. Aku sudah ukur: 45 °C!
RakaJadi dorongan tanganku… berubah jadi panas?
Sore, di bengkel motor
Kak NaraBetul! Kebalikannya juga bisa: panas diubah jadi gerak. Itulah rahasia mesin motor dan PLTU. Kulkas malah memakai usaha untuk memindahkan panas. Selamat datang di termodinamika!
Kamu menekan piston pompa sepeda dengan sangat cepat sehingga kalor belum sempat keluar. Apa yang terjadi pada suhu udara di dalam pompa?
Tetap, karena tidak ada api atau sumber panas.
Turun, karena udara yang dimampatkan menjadi lebih padat.
Naik, karena usaha dari tanganmu menambah energi dalam udara.
Naik, tetapi semata-mata karena gesekan piston dengan dinding.
Jawabannya: naik, karena usaha berubah menjadi energi dalam. Piston yang bergerak ke dalam memukul molekul-molekul udara sehingga molekul itu memantul lebih cepat. Molekul yang lebih cepat berarti suhu lebih tinggi. Gesekan memang ikut menyumbang sedikit, tetapi penyebab utamanya adalah pemampatan. Inilah inti bab ini: kalor dan usaha adalah dua cara memindahkan energi.
17.1Sistem, lingkungan, dan hukum ke-0
Termodinamika adalah ilmu tentang energi, kalor, dan usaha. Langkah pertamanya selalu sama: pilih bagian alam yang ingin dipelajari. Bagian itu disebut sistem, misalnya udara di dalam pompa. Semua yang ada di luarnya disebut lingkungan, misalnya tanganmu, badan pompa, dan udara teras.
Jenis sistem
Energi bisa keluar-masuk?
Materi bisa keluar-masuk?
Contoh
Terbuka
ya
ya
panci tanpa tutup berisi air mendidih (uap keluar)
Tertutup
ya
tidak
udara di dalam pompa yang ujungnya ditutup jari, kaleng minuman tersegel di kulkas
Terisolasi
tidak (idealnya)
tidak
termos yang sangat bagus (mendekati, tidak pernah sempurna)
Dua benda yang bersentuhan akan bertukar kalor sampai suhunya sama. Keadaan akhir ini disebut kesetimbangan termal. Dari pengamatan inilah lahir hukum yang paling mendasar.
Hukum ke-0 termodinamika. Jika benda A setimbang termal dengan C, dan B juga setimbang termal dengan C, maka A setimbang termal dengan B.
Kedengarannya sepele, tetapi inilah alasan termometer bisa dipercaya. Termometer berperan sebagai benda C. Saat dokter menempelkan termometer di ketiakmu, termometer menyesuaikan suhunya dengan tubuhmu. Angka yang terbaca menjadi "juru bicara" suhu tubuhmu.
Gampangnya: kalau es teh dan gelasnya dibiarkan lama, suhunya jadi sama. Termometer bekerja dengan cara yang sama. Ia "ikut-ikutan" suhu benda yang disentuhnya, lalu menunjukkan angkanya.
Tamu dari masa laluHukum ke-0 justru dirumuskan paling belakang. Hukum I dan II sudah terkenal sejak abad ke-19. Sekitar tahun 1930-an, fisikawan Inggris Ralph Fowler menyadari ada aturan yang lebih mendasar daripada keduanya. Karena nomor 1 dan 2 sudah terpakai, ia menamainya hukum ke-nol. Hasilnya, termodinamika menjadi salah satu ilmu yang hitungannya dimulai dari nol!
Energi dalam: tabungan energi molekul
Molekul gas selalu bergerak, berputar, dan bertumbukan. Jumlah seluruh energi gerak molekul itu disebut energi dalam \(U\). Untuk gas ideal, energi dalam hanya bergantung pada suhu. Suhu naik berarti \(U\) naik, dan suhu turun berarti \(U\) turun.
Lanjut · IB & olimpiadeDerajat kebebasan & ekuipartisiTeorema ekuipartisi menyatakan bahwa setiap derajat kebebasan molekul menyimpan energi rata-rata \(\tfrac12 kT\). Gas monoatomik (He, Ne, Ar) hanya bisa bergerak lurus ke tiga arah, sehingga \(f = 3\). Gas diatomik seperti N₂ dan O₂ (udara) pada suhu kamar juga bisa berputar terhadap dua sumbu, sehingga \(f = 5\). Energi dalam gas ideal: \[U = \frac{f}{2}\,nRT.\] Akibatnya, kalor jenis molar pada volume tetap adalah \(C_V = \tfrac{f}{2}R\).
17.2Usaha gas dan diagram P–V
Gas bertekanan \(P\) mendorong piston seluas \(A\) dengan gaya \(F = PA\). Jika piston bergeser sejauh \(\Delta x\), usaha yang dilakukan gas adalah \(W = F\,\Delta x = PA\,\Delta x\). Karena \(A\,\Delta x\) adalah perubahan volume, kita dapat rumus yang ringkas: \(W = P\,\Delta V\).
Gas memuai (\(\Delta V > 0\)): gas mendorong lingkungan, \(W\) positif.
Gas dimampatkan (\(\Delta V < 0\)): lingkungan mendorong gas, \(W\) negatif.
Volume tetap: \(W = 0\), seberapa pun tekanannya berubah.
Fisikawan suka menggambar keadaan gas sebagai titik pada diagram P–V (tekanan terhadap volume). Ikuti animasi ini untuk melihat mengapa usaha selalu sama dengan luas.
Gas di dalam silinder bertekanan 200 kPa dan bervolume 2 L. Keadaan ini menjadi titik A pada diagram P–V.
Gas dipanaskan pelan-pelan. Beban di atas piston tidak berubah, jadi tekanan tetap (isobarik). Piston naik dan volume bertambah menjadi 5 L (titik B).
Usaha gas \(W = P\,\Delta V = 200\ \text{kPa} \times 3\ \text{L} = 600\) J. Perhatikan: angka ini persis luas persegi panjang di bawah garis AB.
Jika gas berpindah dari A ke B lewat jalur lain (misalnya melengkung), luas di bawahnya berbeda. Jadi usaha bergantung pada jalur, bukan hanya titik awal dan akhir.
Jika gas kembali ke A lewat jalur bawah, usaha saat kembali bernilai negatif. Usaha bersih satu putaran = luas di dalam loop. Inilah cara kerja semua mesin kalor!
Trik Kak Nara: kPa × L = JMalas mengubah satuan? Ingat pasangan ajaib ini: kilopascal dikali liter langsung menghasilkan joule, karena \(10^3 \times 10^{-3} = 1\). Jadi 150 kPa × 4 L = 600 J, tanpa repot menulis pangkat sepuluh.
Pilih proses, lalu tekan Jalankan atau seret piston naik-turun. Bandingkan pemuaian isotermal dan adiabatik ke volume yang sama: jejak yang tersimpan memperlihatkan luas (usaha) mana yang lebih besar. Perhatikan juga warna molekul: makin merah, makin panas.
Awas jebakan"Tekanan gas naik, pasti gas melakukan usaha." Salah. Usaha gas hanya ada jika volumenya berubah. Tabung gas LPG yang terjemur di bawah terik matahari tekanannya naik, tetapi volumenya tetap, sehingga \(W = 0\). Semua kalor yang masuk hanya menaikkan energi dalamnya (dan itu sebabnya tabung gas tidak boleh dijemur!).
17.3Hukum I termodinamika: energi tidak pernah hilang
Energi dalam gas bisa berubah lewat dua "pintu": kalor \(Q\) (energi yang berpindah karena beda suhu) dan usaha \(W\) (energi yang berpindah karena gaya menggeser sesuatu). Hukum I adalah hukum kekekalan energi versi termodinamika.
Hukum I termodinamika. Perubahan energi dalam sama dengan kalor yang diterima sistem dikurangi usaha yang dilakukan sistem: \(\Delta U = Q - W\).
Bayangkan energi dalam sebagai saldo dompet digital gas. Kalor yang masuk itu seperti uang saku yang ditransfer (+\(Q\)). Usaha yang dilakukan gas itu seperti uang yang dipakai jajan (+\(W\) berarti uang keluar). Saldo akhir berubah sebesar uang masuk dikurangi uang keluar.
Besaran
Positif (+) jika…
Negatif (−) jika…
Kalor \(Q\)
sistem menerima kalor (dipanaskan)
sistem melepas kalor (didinginkan)
Usaha \(W\)
gas memuai, melakukan usaha pada lingkungan
gas dimampatkan, menerima usaha dari lingkungan
\(\Delta U\)
suhu gas naik
suhu gas turun
Awas jebakan tandaBuku kimia (dan sebagian buku fisika) menulis \(\Delta U = Q + W\). Itu bukan hukum yang berbeda. Di sana \(W\) berarti usaha yang dilakukan pada gas, bukan oleh gas. Sebelum menghitung, selalu cek: \(W\) milik siapa? Di buku ini, \(W\) selalu usaha oleh gas.
Tamu dari masa laluDulu orang mengira kalor adalah zat tak terlihat bernama kalorik. James Prescott Joule (1818–1889), putra pemilik pabrik bir di Inggris, membuktikan sebaliknya. Ia menjatuhkan beban yang memutar kincir kecil di dalam air, lalu mengukur kenaikan suhu air dengan teliti. Hasilnya: usaha mekanis sekitar 4,2 joule selalu menghasilkan kenaikan suhu yang sama dengan 1 kalori kalor. Konon, saat bulan madu di Pegunungan Alpen, Joule membawa termometer untuk memeriksa apakah air di dasar air terjun lebih hangat daripada di puncaknya!
Gas dalam silinder menerima kalor 1.200 J dari kompor. Gas memuai dan mendorong piston dengan usaha 500 J. Berapa perubahan energi dalamnya?
Kalor masuk: \(Q = +1.200\) J. Gas memuai: \(W = +500\) J.
\(\Delta U = Q - W = 1.200 - 500 = 700\) J.
Energi dalam naik 700 J, jadi suhu gas naik. Dari 1.200 J kalor, 500 J "dibelanjakan" untuk mendorong piston dan 700 J "ditabung" sebagai energi dalam.
Air Terjun Sipiso-piso di Sumatra Utara tingginya sekitar 120 m. Jika seluruh energi potensial air berubah menjadi energi dalam air itu sendiri, berapa kenaikan suhu air di dasar air terjun? (\(g = 9{,}8\) m/s², kalor jenis air \(c = 4.200\) J/kg·K)
Tinjau 1 kg air. Energi potensialnya \(mgh = 1 \times 9{,}8 \times 120 = 1.176\) J.
Energi ini menaikkan suhu: \(mc\,\Delta T = mgh\), sehingga \(\Delta T = \dfrac{gh}{c}\).
\(\Delta T = \dfrac{9{,}8 \times 120}{4.200} \approx 0{,}28\ ^\circ\)C.
Kenaikannya hanya sekitar 0,3 °C, dan pada kenyataannya tertutup oleh pendinginan karena penguapan. Pantas saja Joule kesulitan mengukurnya di air terjun!
Gas bisa berubah keadaan dengan banyak cara. Empat cara istimewa punya nama sendiri, karena pada setiap proses itu ada satu hal yang dijaga tetap.
Trik Kak Nara: baca namanya!Iso artinya "sama". Iso-bar-ik: tekanan tetap (seperti satuan bar). Iso-khor-ik: ruang atau volume tetap. Iso-term-al: suhu tetap (seperti termometer). A-diabatik: kalor "tidak lewat", \(Q = 0\).
Proses
Yang tetap
Usaha \(W\)
Hukum I menjadi
Contoh
Isobarik
tekanan \(P\)
\(P\,\Delta V\)
\(Q = \Delta U + P\,\Delta V\)
udara di silinder berpiston bebas yang dipanaskan
Isokhorik
volume \(V\)
\(0\)
\(Q = \Delta U\)
tabung gas atau kaleng tertutup yang terjemur
Isotermal
suhu \(T\)
\(nRT\ln\dfrac{V_2}{V_1}\)
\(\Delta U = 0\), jadi \(Q = W\)
gas memuai sangat pelan di dalam bak air bersuhu tetap
Adiabatik
tidak ada kalor masuk/keluar
\(-\Delta U\)
\(Q = 0\), jadi \(\Delta U = -W\)
pompa sepeda ditekan cepat, mesin diesel, udara naik membentuk awan
Empat proses yang berangkat dari keadaan awal yang sama. Kurva adiabatik turun lebih tajam daripada isotermal.
Adiabatik terjadi bila prosesnya sangat cepat (kalor tidak sempat berpindah) atau sistemnya berisolasi. Saat gas dimampatkan secara adiabatik, semua usaha masuk menjadi energi dalam, sehingga gas memanas. Itulah yang terjadi di pompa Raka. Sebaliknya, gas yang memuai secara adiabatik akan mendingin. Udara yang menyembur dari pentil ban yang dikempiskan terasa sejuk karena alasan ini.
Versi singkatnya: udara yang ditekan cepat jadi panas, udara yang mengembang cepat jadi dingin. Coba sentuh pentil ban yang sedang dikempiskan!
"Es batu memberikan 'dingin' kepada es teh."
Tidak ada zat bernama "dingin". Yang berpindah selalu kalor, dari benda panas ke benda dingin. Es teh terasa dingin karena tehnya memberikan kalor kepada es batu sampai es itu mencair.
"Suhu gas hanya bisa naik kalau gas dipanaskan."
Usaha juga bisa menaikkan suhu! Pada proses adiabatik \(Q = 0\), tetapi gas yang dimampatkan tetap memanas karena \(\Delta U = -W\) bernilai positif. Mesin diesel memakai trik ini untuk menyalakan solar tanpa busi.
Lanjut · IB & olimpiade\(C_p\), \(C_V\), hubungan Mayer, dan rumus adiabatikUntuk menaikkan suhu 1 mol gas sebesar 1 K pada tekanan tetap, kita perlu kalor lebih banyak daripada pada volume tetap, karena sebagian kalor dipakai gas untuk memuai. Dari \(Q = \Delta U + P\Delta V\) dan \(P\Delta V = nR\Delta T\) diperoleh hubungan Mayer: \[C_p - C_V = R.\] Perbandingan \(\gamma = C_p/C_V\) bernilai \(5/3\) untuk gas monoatomik dan \(7/5\) untuk gas diatomik. Pada proses adiabatik berlaku \(PV^\gamma = \text{tetap}\) dan \(TV^{\gamma-1} = \text{tetap}\), dengan usaha \(W = \dfrac{P_1V_1 - P_2V_2}{\gamma - 1}\). Pada proses isotermal, usaha diperoleh dari integral \(W = \int P\,\mathrm dV = \int \dfrac{nRT}{V}\mathrm dV = nRT\ln\dfrac{V_2}{V_1}\).
Gas monoatomik pada tekanan tetap 200 kPa dipanaskan sehingga volumenya bertambah dari 3 L menjadi 5 L. Berapa usaha gas, perubahan energi dalam, dan kalor yang diserap?
Usaha: \(W = P\,\Delta V = 200\ \text{kPa} \times 2\ \text{L} = 400\) J.
Untuk gas monoatomik, \(\Delta U = \tfrac32 nR\,\Delta T = \tfrac32 P\,\Delta V\) (karena \(PV = nRT\)). Jadi \(\Delta U = 1{,}5 \times 400 = 600\) J.
Hukum I: \(Q = \Delta U + W = 600 + 400 = 1.000\) J.
Usaha 400 J, energi dalam naik 600 J, dan kalor yang diserap 1.000 J. Dari setiap 5 bagian kalor, 2 bagian dipakai mendorong piston dan 3 bagian menaikkan suhu.
17.5Mesin kalor dan efisiensi: rahasia motor 4-tak
Mesin kalor adalah alat yang mengubah kalor menjadi usaha secara berulang-ulang (bersiklus). Semua mesin kalor punya pola yang sama: menyerap kalor \(Q_h\) dari sumber panas, mengubah sebagian menjadi usaha \(W\), lalu membuang sisanya \(Q_c\) ke lingkungan yang lebih dingin.
Aliran energi kira-kira pada motor bensin. Lebar panah sebanding dengan banyaknya energi.
Empat langkah motor bebek
Motor bebek dan skuter di jalanan Indonesia umumnya bermesin 4-tak (empat langkah). Piston menempuh empat langkah (dua kali turun, dua kali naik) untuk setiap satu kali ledakan bahan bakar, dan poros engkol berputar dua kali.
Isap: piston turun, katup masuk terbuka, campuran udara dan bensin tersedot ke silinder.
Kompresi: kedua katup tertutup, piston naik dan memampatkan campuran (hampir adiabatik, campuran memanas).
Usaha: busi memercikkan api, campuran terbakar, tekanan melonjak dan mendorong piston turun. Hanya di langkah inilah mesin menghasilkan usaha!
Buang: katup buang terbuka, piston naik dan mendorong gas sisa pembakaran ke knalpot.
Tekan Jalankan dan ikuti titik berwarna di diagram P–V. Pada langkah mana tekanan melonjak? Naikkan rasio kompresi dan lihat efisiensi ideal ikut naik. (Mesin sungguhan berputar puluhan kali per detik. Di sini gerakannya diperlambat.)
Mesin atau pembangkit
Efisiensi kira-kira
Ke mana sisa energinya?
Motor bensin 4-tak
20–30%
gas buang panas, sirip/radiator, gesekan
Mesin diesel truk dan bus
30–45%
gas buang dan sistem pendingin
PLTU batu bara
±33–40%
air pendingin kondensor (sering air laut)
PLTGU (gas dan uap)
±50–60%
gas buang dan kondensor
PLTP (panas bumi)
±10–20%
menara pendingin; uapnya tidak sepanas uap PLTU
Fisika IndonesiaIndonesia duduk di atas Cincin Api Pasifik, sehingga kaya panas bumi. PLTP Kamojang di Garut, Jawa Barat, termasuk PLTP tertua di Indonesia dan sudah beroperasi sejak awal 1980-an. Uap panas dari perut bumi memutar turbin, lalu didinginkan di menara pendingin. Efisiensinya lebih kecil daripada PLTU karena uapnya tidak terlalu panas, tetapi "bahan bakarnya" gratis dan terus diperbarui oleh panas bumi. Indonesia kini termasuk negara dengan kapasitas PLTP terbesar di dunia.
Dalam satu menit, bensin yang terbakar di mesin motor melepaskan energi 1.200 kJ. Kalor yang terbuang ke knalpot dan sirip pendingin 900 kJ. Berapa usaha yang dihasilkan dan berapa efisiensinya?
Daya rata-rata mesin: \(P = \dfrac{300.000\ \text{J}}{60\ \text{s}} = 5.000\) W = 5 kW.
Mesin menghasilkan 300 kJ usaha per menit (±5 kW) dengan efisiensi 25%. Tiga perempat energi bensin berubah menjadi kalor yang terbuang.
17.6Mesin Carnot dan Hukum II: batas yang tidak bisa ditembus
Kalau gesekan dihilangkan dan mesin dibuat sempurna, bisakah efisiensinya 100%? Seorang insinyur muda Prancis menjawab pertanyaan ini sekitar dua abad lalu.
Tamu dari masa laluPada tahun 1824, Sadi Carnot (1796–1832) yang berusia 28 tahun menerbitkan buku tipis berjudul Renungan tentang Daya Penggerak Api. Ia membayangkan mesin ideal tanpa gesekan dan tanpa kebocoran kalor. Kesimpulannya mengejutkan: bahkan mesin ideal pun tidak bisa mengubah seluruh kalor menjadi usaha. Batas efisiensinya hanya ditentukan oleh suhu sumber panas dan suhu pembuangan. Bukunya hampir terlupakan, sampai fisikawan lain menemukannya kembali bertahun-tahun kemudian.
Mesin Carnot adalah mesin ideal yang bekerja dengan siklus dua proses isotermal dan dua proses adiabatik.
A→B: pemuaian isotermal pada \(T_h\). Gas bersentuhan dengan reservoir panas, menyerap kalor \(Q_h\), dan mendorong piston. Suhunya tetap 500 K.
B→C: pemuaian adiabatik. Silinder diselimuti isolator. Gas terus memuai tanpa menerima kalor, sehingga suhunya turun dari 500 K menjadi 300 K.
C→D: pemampatan isotermal pada \(T_c\). Gas bersentuhan dengan reservoir dingin dan membuang kalor \(Q_c\) sambil dimampatkan.
D→A: pemampatan adiabatik. Gas dimampatkan tanpa pertukaran kalor sampai suhunya kembali 500 K. Siklus selesai.
Luas loop adalah usaha bersih \(W = Q_h - Q_c\). Untuk mesin Carnot, \(Q_c/Q_h = T_c/T_h\), sehingga \(\eta = 1 - 300/500 = 40\%\). Tidak ada mesin di antara 500 K dan 300 K yang bisa lebih efisien daripada ini.
Awas jebakanDalam rumus Carnot, suhu wajib dalam kelvin. Mesin di antara 100 °C dan 25 °C tidak berefisiensi \(1 - 25/100 = 75\%\). Yang benar: \(1 - \dfrac{298}{373} \approx 20\%\).
Hukum II termodinamika punya dua bunyi yang setara:
Kelvin–Planck: tidak ada mesin bersiklus yang mengubah seluruh kalor menjadi usaha. Selalu ada kalor yang harus dibuang.
Clausius: kalor tidak bisa mengalir dengan sendirinya dari benda dingin ke benda panas. Perlu "dipompa" dengan usaha.
Pilih contoh nyata (PLTU, PLTP, motor, kulkas, AC) atau atur sendiri. Lalu coba klaim efisiensi melebihi batas Carnot. Perhatikan perubahan entropi semesta: jika bernilai negatif, mesinmu mustahil dibuat!
"Kalau gesekan bisa dihilangkan seluruhnya, mesin bisa 100% efisien."
Mesin tanpa gesekan pun tetap dibatasi Carnot: \(\eta \le 1 - T_c/T_h\). Untuk 100%, pembuangannya harus bersuhu 0 K. Itu mustahil dicapai.
"Pada hari panas, membuka pintu kulkas bisa mendinginkan kamar."
Kalor yang diambil dari depan kulkas dibuang lagi di belakangnya, ditambah energi listrik motor kompresor. Kamar justru makin hangat. Coba tebakan di subbab 17.7!
Uap PLTU bersuhu 540 °C, sedangkan air laut pendingin kondensornya 30 °C. Berapa efisiensi Carnot-nya? Bandingkan dengan efisiensi nyata ±38%.
Ubah ke kelvin: \(T_h = 540 + 273 = 813\) K dan \(T_c = 30 + 273 = 303\) K.
Efisiensi nyata 38% hanya sekitar \(38/63 \approx 0{,}6\) bagian dari batas ideal.
Batas Carnot ±63%, sedangkan kenyataannya ±38%. Selisihnya hilang karena gesekan, kebocoran kalor, dan proses yang tidak ideal. Itu sebabnya insinyur terus berusaha menaikkan suhu uap: makin tinggi \(T_h\), makin tinggi batas efisiensinya.
Lanjut · olimpiadeMengapa tidak ada mesin yang mengalahkan Carnot?Misalkan ada mesin X dengan \(\eta_X > \eta_C\). Pasangkan X dengan mesin Carnot yang dijalankan terbalik (sebagai pompa kalor), dan atur agar usaha keluaran X tepat dipakai untuk menggerakkan pompa Carnot. Hasil bersih gabungan keduanya: kalor berpindah dari reservoir dingin ke reservoir panas tanpa usaha dari luar. Ini melanggar pernyataan Clausius. Jadi asumsi awal salah: tidak ada mesin di antara dua reservoir yang lebih efisien daripada mesin reversibel (Carnot).
17.7Kulkas, AC, dan entropi
Kulkas dan AC adalah mesin kalor yang dijalankan terbalik. Dengan bantuan usaha listrik \(W\), kalor \(Q_c\) "dipompa" dari tempat dingin (isi kulkas, kamar) ke tempat panas (dapur, udara luar). Kalor yang dibuang ke luar adalah \(Q_h = Q_c + W\), jadi selalu lebih besar daripada kalor yang diambil.
Di evaporator (pipa di dalam kulkas), refrigeran cair bertekanan rendah menguap. Penguapan butuh kalor, jadi refrigeran menyerap kalor \(Q_c\) dari makanan. Isi kulkas mendingin.
Kompresor (motor listrik) memampatkan uap refrigeran. Usaha listrik \(W\) membuat uap menjadi bertekanan tinggi dan sangat panas, lebih panas daripada dapur.
Di kondensor (kisi-kisi di belakang kulkas), uap panas membuang kalor \(Q_h = Q_c + W\) ke udara dapur dan mengembun menjadi cair. Itu sebabnya belakang kulkas terasa hangat.
Refrigeran cair melewati katup ekspansi (pipa kapiler). Tekanannya turun drastis dan suhunya anjlok, lebih dingin daripada isi kulkas.
Refrigeran dingin kembali ke evaporator.
Siklus berulang. Kalor terus dipompa "menanjak" dari dingin ke panas, dan harga yang dibayar adalah listrik \(W\).
Ukuran kehebatan kulkas atau AC adalah koefisien kinerja (COP, coefficient of performance): berapa joule kalor yang dipindahkan untuk setiap joule listrik. \[\text{COP} = \frac{Q_c}{W}, \qquad \text{COP}_\text{Carnot} = \frac{T_c}{T_h - T_c}\]
Pada siang yang panas, Raka membuka pintu kulkas lebar-lebar di kamar yang tertutup rapat, berharap kamarnya jadi sejuk. Setelah beberapa jam, suhu kamar…
turun, karena kulkas mengeluarkan udara dingin.
turun sebentar, lalu kembali persis seperti semula.
tetap, karena kalor yang diambil sama dengan kalor yang dibuang.
naik, karena kalor yang dibuang lebih besar daripada kalor yang diambil.
Jawabannya: naik. Kalor yang diambil dari depan kulkas (\(Q_c\)) dibuang lagi ke kamar yang sama di bagian belakang, ditambah energi listrik kompresor: \(Q_h = Q_c + W\). Kamar menerima tambahan energi \(W\) terus-menerus, jadi suhunya naik. AC bisa mendinginkan kamar karena unit pembuangnya (unit outdoor) dipasang di luar kamar.
AC "1 PK" memindahkan kalor sekitar 2,6 kW dari kamar ke luar. Jika COP-nya 3,25, berapa daya listrik yang dipakai, dan berapa kalor per detik yang dibuang unit outdoor? Berapa COP Carnot jika kamar 24 °C dan udara luar 34 °C?
Daya listrik: \(W = \dfrac{Q_c}{\text{COP}} = \dfrac{2{,}6\ \text{kW}}{3{,}25} = 0{,}8\) kW = 800 W.
Kalor dibuang per detik: \(Q_h = Q_c + W = 2{,}6 + 0{,}8 = 3{,}4\) kW.
AC memakai ±800 W listrik dan membuang 3,4 kW kalor ke luar. COP nyatanya (3,25) jauh di bawah batas ideal (±30), karena refrigeran harus jauh lebih dingin daripada kamar dan jauh lebih panas daripada udara luar agar kalor mau mengalir cepat.
Entropi: mengapa es teh tidak pernah membeku sendiri
Kamu pernah melihat es batu mencair di dalam teh hangat. Pernahkah kamu melihat teh hangat membeku sendiri sambil memanaskan sekelilingnya? Tidak pernah, padahal energinya tetap kekal. Ada satu besaran lagi yang menentukan arah peristiwa alam, yaitu entropi \(S\).
Entropi mengukur seberapa banyak cara energi bisa tersebar di antara molekul-molekul. Energi yang terkumpul di satu tempat (teh panas di sebelah es) punya sedikit cara. Energi yang tersebar rata (teh suam-suam kuku) punya sangat banyak cara. Alam selalu bergerak ke keadaan yang caranya paling banyak, sehingga entropi semesta tidak pernah berkurang. Itulah sebabnya parfum menyebar ke seluruh kelas tetapi tidak pernah berkumpul kembali ke botolnya.
Gampangnya: kalor selalu "turun" dari yang panas ke yang dingin, seperti air mengalir dari bukit ke lembah. Untuk membuatnya "naik", perlu pompa, dan pompa butuh listrik. Itulah tugas kulkas dan AC.
Lanjut · IB & olimpiadeMenghitung perubahan entropiUntuk kalor \(Q\) yang berpindah secara reversibel pada suhu \(T\), perubahan entropinya \(\Delta S = Q/T\) (satuan J/K). Contoh: 1.000 J kalor mengalir dari benda 400 K ke benda 300 K. Benda panas kehilangan entropi \(1000/400 = 2{,}5\) J/K, benda dingin mendapat \(1000/300 = 3{,}33\) J/K. Total \(\Delta S = +0{,}83\) J/K, positif sesuai Hukum II. Pada mesin Carnot, \(Q_h/T_h = Q_c/T_c\), sehingga entropi semesta tidak berubah (\(\Delta S = 0\)): itulah ciri proses reversibel.
🚲
Pompa ban dan kompresor tambal ban
Udara yang dimampatkan cepat (adiabatik) memanas. Tabung kompresor di bengkel tambal ban bisa terasa panas setelah bekerja lama.
🚚
Mesin diesel tanpa busi
Udara dimampatkan sampai belasan kali lebih kecil sehingga suhunya melampaui 500 °C. Solar yang disemprotkan langsung menyala sendiri.
⛈️
Awan hujan sore hari
Udara lembap yang naik memuai secara adiabatik dan mendingin. Uap airnya mengembun menjadi awan, lalu hujan deras khas sore hari di kota tropis seperti Bogor.
❄️
AC split
Unit dalam ruangan adalah evaporator yang menyerap kalor, sedangkan unit outdoor adalah kompresor dan kondensor yang membuang kalor ke luar.
🍲
Panci presto
Volumenya tetap. Kalor menaikkan tekanan uap sehingga air mendidih di atas 100 °C, dan daging rendang lebih cepat empuk.
🌋
PLTP Dieng dan Kamojang
Mesin kalor raksasa: uap panas bumi sebagai sumber panas, udara pegunungan sebagai pembuangan, dan listrik sebagai usaha.
Gas dimampatkan sehingga menerima usaha 500 J dan pada saat yang sama melepas kalor 200 J. Perubahan energi dalamnya adalah…
−700 J
−300 J
+300 J
+700 J
Usaha oleh gas \(W = -500\) J dan \(Q = -200\) J. Jadi \(\Delta U = Q - W = -200 - (-500) = +300\) J.
Pada proses isotermal gas ideal, besaran yang bernilai nol adalah…
perubahan energi dalam \(\Delta U\)
kalor \(Q\)
usaha \(W\)
tekanan \(P\)
Energi dalam gas ideal hanya bergantung pada suhu. Suhu tetap berarti \(\Delta U = 0\), sehingga \(Q = W\).
Efisiensi maksimum mesin yang bekerja di antara reservoir 400 K dan 300 K adalah…
Ombak di Pantai Kuta datang tanpa henti, tetapi sandal yang hanyut hanya naik-turun di tempat. Lalu apa sebenarnya yang berjalan? Bab ini membongkar rahasia gelombang, dari slinky di kelas sampai ombak selancar Mentawai.
Setelah bab ini, kamu bisa
menjelaskan bahwa gelombang memindahkan energi, bukan medium, serta membedakan gelombang transversal dan longitudinal;
memakai \(v = \lambda f\) dan membaca panjang gelombang, amplitudo, periode, dan frekuensi dari gambar atau grafik;
membaca persamaan gelombang berjalan \(y = A\sin(\omega t - kx)\) dan menghitung beda fase;
menghitung cepat rambat gelombang pada tali \(v = \sqrt{F/\mu}\);
menjelaskan superposisi, interferensi, pemantulan, dan gelombang stasioner pada dawai.
Sandal di Pantai Kuta Komik · 4 panel
Liburan di Pantai Kuta, Bali
RakaYah, sandalku hanyut! Tenang… nanti juga diantar ombak balik ke pantai.
BYURR!
RakaLho?! Sudah sepuluh ombak lewat, tapi sandalku cuma naik-turun di tempat!
Kak NaraYang berjalan itu energinya, bukan airnya! Seperti Mexican wave di stadion: penontonnya tetap di kursi, gelombangnya yang keliling.
18.1Apa itu gelombang?
Gelombang adalah getaran yang merambat. Saat kamu menggoyang ujung tali, bagian tali di dekat tanganmu menarik bagian sebelahnya, yang lalu menarik bagian berikutnya, dan seterusnya. Yang berpindah dari ujung ke ujung adalah energi dan pola goyangannya. Setiap bagian tali hanya bergetar di sekitar posisinya sendiri.
Benda tempat gelombang merambat disebut medium: tali, air, udara, atau batuan bumi. Gelombang yang membutuhkan medium disebut gelombang mekanik. Ada juga gelombang yang bisa merambat di ruang hampa, yaitu gelombang elektromagnetik seperti cahaya. Itu akan kita jelajahi di bab-bab berikutnya.
Gampangnya: gelombang itu seperti kabar yang menyebar dari mulut ke mulut di kelas. Kabarnya sampai ke bangku paling belakang, tetapi tidak ada murid yang pindah tempat duduk.
Ikuti partikel merah dan segitiga hijau (puncak gelombang). Ganti jenisnya: tali, slinky, ombak laut, dan stadion. Partikel merah selalu kembali ke tempatnya, sedangkan puncaknya terus berjalan. Lalu gandakan frekuensi: cepat rambat tetap karena ditentukan medium, jadi yang berubah adalah panjang gelombang (\(\lambda = v/f\)). Ganti medium dengan slider \(v\) untuk melihat gelombang yang lebih cepat.
"Ombak membawa air laut dari tengah samudra sampai ke pantai."
Di laut lepas, air hanya berputar di tempat seperti bianglala kecil. Yang menyeberangi samudra adalah energinya. Air baru benar-benar menghempas ke pantai ketika ombak pecah di perairan dangkal.
"Gelombang yang lebih tinggi pasti merambat lebih cepat."
Pada tali atau slinky, cepat rambat ditentukan oleh medium (tegangan dan massa tali), bukan oleh tinggi gelombang. Pulsa kecil dan pulsa besar tiba di ujung tali pada saat yang sama.
18.2Transversal dan longitudinal
Gelombang dibedakan menurut arah getar partikel dibandingkan dengan arah rambat gelombang.
Transversal: arah getar tegak lurus arah rambat. Contoh: gelombang tali, riak permukaan air (sebagian), gelombang gempa S.
Longitudinal: arah getar sejajar arah rambat. Contoh: slinky yang didorong-tarik, bunyi di udara, gelombang gempa P.
Atas: tali digoyang naik-turun. Bawah: slinky didorong-tarik; lilitannya merapat dan merenggang bergantian.
Lanjut · IB & olimpiadeGelombang S dan inti BumiGelombang transversal membutuhkan medium yang bisa "menarik balik" saat digeser ke samping. Zat cair tidak punya kekakuan geser seperti itu. Karena itu, gelombang gempa S (transversal) tidak bisa merambat melalui zat cair, sedangkan gelombang P (longitudinal) bisa. Seismograf di seluruh dunia mencatat bahwa gelombang S tidak pernah muncul di sisi Bumi yang berseberangan dengan pusat gempa. Dari "bayangan" inilah para ilmuwan menyimpulkan bahwa inti luar Bumi berupa cairan.
18.3Besaran gelombang dan rumus \(v = \lambda f\)
Anatomi gelombang. Waktu untuk satu gelombang penuh lewat disebut periode \(T\).
Besaran
Simbol
Arti
Satuan
Amplitudo
\(A\)
simpangan terbesar dari posisi setimbang
m
Panjang gelombang
\(\lambda\) (lambda)
jarak dua puncak (atau dua rapatan) berurutan
m
Periode
\(T\)
waktu untuk satu getaran penuh
s
Frekuensi
\(f = 1/T\)
banyak getaran tiap detik
Hz (hertz)
Cepat rambat
\(v\)
jarak yang ditempuh puncak tiap detik
m/s
Dalam satu periode \(T\), gelombang maju tepat satu panjang gelombang \(\lambda\). Jadi cepat rambatnya \(v = \lambda / T\), atau:
\[v = \lambda f\]
Trik Kak Nara: seperti berjalan kakiKecepatan jalanmu = panjang satu langkah × banyak langkah per detik. Jika langkah Raka 0,6 m dan ia melangkah 2 kali per detik, kecepatannya 1,2 m/s. Gelombang juga begitu: λ itu panjang langkahnya, f itu banyak langkah per detik.
Kamu menggoyang ujung tali yang sama dua kali lebih sering (frekuensi dua kali lipat), tanpa mengubah kekencangan tali. Apa yang terjadi?
Gelombang merambat dua kali lebih cepat.
Cepat rambatnya tetap, panjang gelombangnya menjadi setengah.
Panjang gelombangnya menjadi dua kali lipat.
Amplitudonya otomatis menjadi dua kali lipat.
Jawabannya: \(v\) tetap, \(\lambda\) menjadi setengah. Cepat rambat ditentukan oleh medium (tegangan dan massa tali), bukan oleh tanganmu. Karena \(v = \lambda f\) tetap, menggandakan \(f\) memaksa \(\lambda\) mengecil separuhnya. Gelombangnya jadi lebih rapat, bukan lebih cepat. Cek di Lab Mini "Siapa yang berjalan" di atas, atau di lab tali (subbab 18.7): ubah frekuensinya, cepat rambat \(v\) tetap, sedangkan \(\lambda\) berubah.
Gelombang
Panjang gelombang
Frekuensi
Cepat rambat (kira-kira)
Ombak laut lepas
±100 m
±0,12 Hz (periode ±8 s)
±12 m/s
Slinky di kelas
±0,5 m
±2 Hz
±1 m/s
Bunyi nada "la" (440 Hz) di udara
±0,78 m
440 Hz
±343 m/s
Gelombang gempa P di kerak bumi
beberapa km
±1 Hz
±6.000 m/s
Pelampung pancing Sari naik-turun 10 kali dalam 20 detik. Jarak antara dua puncak riak yang berurutan 4 m. Berapa frekuensi, periode, dan cepat rambat riak itu?
Frekuensi: \(f = \dfrac{10\ \text{getaran}}{20\ \text{s}} = 0{,}5\) Hz. Periode: \(T = 1/f = 2\) s.
Cepat rambat: \(v = \lambda f = 4 \times 0{,}5 = 2\) m/s.
Riak merambat 2 m/s, padahal pelampungnya tidak bergeser ke mana-mana. Yang berjalan adalah polanya.
18.4Persamaan gelombang berjalan
Bagaimana menulis gelombang dalam satu rumus? Kita butuh simpangan \(y\) untuk setiap posisi \(x\) dan setiap waktu \(t\). Ikuti animasi ini: perhatikan partikel merah dan puncak hijau.
Saat \(t = 0\), puncak gelombang (segitiga hijau) tepat berada di partikel merah.
Seperempat periode kemudian, seluruh pola bergeser \(\lambda/4\) ke kanan. Partikel merah tidak ikut ke kanan, ia turun ke posisi setimbang.
Setengah periode: partikel merah berada di lembah, sementara puncak hijau sudah maju \(\lambda/2\).
Tiga perempat periode: partikel merah naik lagi melewati posisi setimbang.
Satu periode penuh: pola maju tepat satu \(\lambda\) dan partikel merah kembali ke puncak. Inilah bukti \(v = \lambda/T = \lambda f\).
Gelombang sinus yang merambat ke arah \(x\) positif ditulis:
\[y(x,t) = A\sin(\omega t - kx), \qquad \omega = 2\pi f, \quad k = \frac{2\pi}{\lambda}, \quad v = \frac{\omega}{k}\]
\(\omega\) disebut frekuensi sudut (rad/s) dan \(k\) disebut bilangan gelombang (rad/m). Tanda di dalam sinus menunjukkan arah: \((\omega t - kx)\) berarti merambat ke \(x\) positif, sedangkan \((\omega t + kx)\) berarti merambat ke \(x\) negatif. Seluruh isi kurung, \(\varphi = \omega t - kx\), disebut fase.
Beda fase. Dua titik yang berjarak \(\Delta x\) pada gelombang yang sama memiliki beda fase \(\Delta\varphi = 2\pi\dfrac{\Delta x}{\lambda}\). Jika \(\Delta x = \lambda, 2\lambda, \ldots\), keduanya sefase (bergerak kompak). Jika \(\Delta x = \tfrac12\lambda, \tfrac32\lambda, \ldots\), keduanya berlawanan fase: satu di puncak saat yang lain di lembah.
Awas jebakan: dua kecepatan berbedaJangan campur aduk cepat rambat gelombang \(v = \lambda f\) (seberapa cepat pola bergeser) dengan kecepatan partikel \(v_y = \dfrac{\partial y}{\partial t} = A\omega\cos(\omega t - kx)\) (seberapa cepat titik medium naik-turun). Cepat rambat tetap, sedangkan kecepatan partikel berubah-ubah: maksimum \(A\omega\) saat melewati posisi setimbang dan nol di puncak atau lembah.
Gelombang pada tali dinyatakan oleh \(y = 0{,}05\sin(10\pi t - 2\pi x)\), dengan \(x\) dan \(y\) dalam meter dan \(t\) dalam sekon. Tentukan amplitudo, frekuensi, panjang gelombang, cepat rambat, arah rambat, dan beda fase dua titik yang berjarak 25 cm.
Bandingkan dengan \(y = A\sin(\omega t - kx)\): \(A = 0{,}05\) m = 5 cm, \(\omega = 10\pi\) rad/s, \(k = 2\pi\) rad/m.
\(f = \dfrac{\omega}{2\pi} = 5\) Hz dan \(\lambda = \dfrac{2\pi}{k} = 1\) m.
\(v = \lambda f = 1 \times 5 = 5\) m/s, ke arah \(x\) positif (tanda minus di antara \(\omega t\) dan \(kx\)).
Beda fase: \(\Delta\varphi = 2\pi \times \dfrac{0{,}25}{1} = \dfrac{\pi}{2}\) rad (seperempat getaran).
\(A = 5\) cm, \(f = 5\) Hz, \(\lambda = 1\) m, \(v = 5\) m/s ke kanan, dan beda fase \(\pi/2\). Kecepatan partikel maksimumnya \(A\omega = 0{,}05 \times 10\pi \approx 1{,}6\) m/s, jauh berbeda dari cepat rambatnya.
Lanjut · IB & olimpiadePersamaan gelombangSetiap fungsi berbentuk \(y = g(x - vt)\) adalah gelombang yang merambat ke kanan tanpa berubah bentuk, apa pun bentuk \(g\) (sinus, pulsa, atau bentuk lain). Semua bentuk itu memenuhi persamaan diferensial yang sama: \[\frac{\partial^2 y}{\partial t^2} = v^2\,\frac{\partial^2 y}{\partial x^2}.\] Untuk tali, hukum Newton pada potongan kecil tali menghasilkan persamaan ini dengan \(v^2 = F/\mu\). Lab mini tali di subbab 18.7 menyelesaikan persamaan ini secara numerik, langkah demi langkah.
18.5Cepat rambat gelombang pada tali
Mengapa gelombang pada tali gitar sangat cepat, tetapi pada tali tambang yang kendur sangat lambat? Dua hal menentukan: tegangan tali \(F\) yang menarik setiap bagian kembali ke posisinya, dan massa per satuan panjang \(\mu = m/L\) yang membuat tali "malas" bergerak.
\[v = \sqrt{\frac{F}{\mu}}\]
Tamu dari masa laluPada tahun 1636, biarawan dan ilmuwan Prancis Marin Mersenne menerbitkan hasil percobaannya dengan dawai. Ia menemukan bahwa nada dawai makin tinggi jika dawai makin pendek, makin kencang, atau makin ringan. Aturan yang kini dikenal sebagai hukum Mersenne ini persis berasal dari \(v = \sqrt{F/\mu}\) yang kamu pelajari sekarang. Para pemain sasando dan kecapi sudah lama "mempraktikkan" hukum ini setiap kali menyetel dawainya.
Gelombang membawa energi
Gelombang yang lebih tinggi membawa energi jauh lebih banyak. Daya gelombang pada tali sebanding dengan kuadrat amplitudo dan kuadrat frekuensi: \(P = \tfrac12\mu\,\omega^2A^2\,v\). Gandakan amplitudo, dayanya naik empat kali. Gelombang yang menyebar ke segala arah dari satu sumber makin melemah karena energinya terbagi ke permukaan bola yang makin luas: intensitasnya \(I = \dfrac{P}{4\pi r^2}\), berkurang sebanding dengan \(1/r^2\).
Fisika IndonesiaIndonesia punya gelombang yang menjadi tujuan peselancar dunia. Ombak di Kepulauan Mentawai (Sumatra Barat) dan Plengkung (Banyuwangi) berasal dari badai di Samudra Hindia selatan yang jaraknya ribuan kilometer. Energinya menyeberangi samudra, tetapi airnya tidak. Ada pula Bono di Sungai Kampar, Riau: gelombang pasang yang menerobos masuk dari laut dan merambat puluhan kilometer ke arah hulu, bisa setinggi beberapa meter. Peselancar dari berbagai negara datang untuk "menunggangi" gelombang sungai ini. Di sisi lain, gelombang tsunami di laut dalam bisa melaju sekitar 700 km/jam (secepat pesawat) dengan tinggi yang kecil, lalu melambat dan meninggi saat mendekati pantai. Kita bahas di Bab 33.
18.6Superposisi dan interferensi
Apa yang terjadi jika dua gelombang bertemu? Batu bata akan bertabrakan, tetapi gelombang justru saling menembus. Saat bertumpuk, simpangannya dijumlahkan, lalu masing-masing melanjutkan perjalanan seolah tidak pernah bertemu. Inilah prinsip superposisi: \(y_\text{total} = y_1 + y_2\).
Dua pulsa sama besar bergerak berlawanan arah di seutas tali: satu menonjol ke atas, satu lagi menonjol ke bawah. Saat keduanya tepat bertumpuk di tengah, talinya lurus sesaat. Apa yang terjadi setelah itu?
Kedua pulsa musnah selamanya karena saling meniadakan.
Kedua pulsa memantul dan kembali ke asalnya.
Kedua pulsa muncul lagi dan terus bergerak ke arah semula.
Terbentuk satu pulsa besar yang diam di tengah tali.
Jawabannya: keduanya muncul lagi. Saat tali tampak lurus, energinya tidak hilang. Talinya memang lurus, tetapi bagian-bagiannya sedang bergerak dengan cepat (energi kinetik). Sesudah melewati satu sama lain, kedua pulsa kembali ke bentuk dan arahnya semula.
Interferensi konstruktif: puncak bertemu puncak, gelombang saling menguatkan. Amplitudo total = \(A_1 + A_2\).
Interferensi destruktif: puncak bertemu lembah, gelombang saling melemahkan. Jika amplitudonya sama, simpangannya nol.
Dua sumber yang bergetar dengan frekuensi sama dan beda fase tetap disebut sumber koheren. Di sekitarnya terbentuk pola interferensi yang diam: ada garis-garis yang selalu tenang (simpul) dan garis-garis yang bergolak kuat (perut). Untuk dua sumber sefase, jenis interferensi di suatu titik ditentukan oleh selisih jarak titik itu ke kedua sumber:
Seret pelampung ke mana saja dan baca selisih lintasannya dalam satuan λ. Pilih mode pola rata-rata untuk melihat garis simpul dengan jelas. Apa yang terjadi pada jumlah garis simpul jika jarak kedua sumber diperbesar atau panjang gelombang diperkecil? Coba juga sumber berlawanan fase.
Tamu dari masa laluSekitar tahun 1800, dokter dan fisikawan Inggris Thomas Young mengamati riak air dari dua sumber di dalam bak dangkal. Ia menggambar pola garis-garis tenang dan bergolak yang mirip sekali dengan lab mini di atas. Young lalu menunjukkan bahwa cahaya yang melewati dua celah sempit membentuk pola serupa, sebuah bukti kuat bahwa cahaya juga gelombang. Ceritanya berlanjut di Bab 21.
Lanjut · IB & olimpiadeMenghitung garis simpulUntuk sumber sefase berjarak \(d\), selisih lintasan tidak mungkin melebihi \(d\). Garis simpul memenuhi \(|r_1 - r_2| = (n + \tfrac12)\lambda < d\), sehingga di antara kedua sumber terdapat \(2\times\) banyaknya bilangan bulat \(n \ge 0\) yang memenuhi \((n + \tfrac12)\lambda < d\). Contoh: \(d = 6\) cm dan \(\lambda = 2\) cm memberi \(n = 0, 1, 2\) (karena 1, 3, 5 cm < 6 cm), jadi ada 6 garis simpul. Bentuk garisnya adalah hiperbola, karena hiperbola adalah tempat kedudukan titik dengan selisih jarak tetap ke dua titik fokus.
18.7Pemantulan dan gelombang stasioner
Gelombang yang tiba di ujung tali akan memantul. Cara memantulnya bergantung pada ujung tali:
Ujung tetap (diikat mati ke tiang): pulsa yang kembali terbalik. Puncak memantul menjadi lembah, artinya fasenya berubah \(\pi\) (setengah getaran).
Ujung bebas (cincin yang bisa meluncur di tiang licin): pulsa kembali tidak terbalik.
Jika ujung tali digetarkan terus-menerus, gelombang datang dan gelombang pantul bertumpuk. Pada frekuensi tertentu, hasilnya adalah pola yang tidak tampak berjalan, hanya bergoyang di tempat. Inilah gelombang stasioner. Titik yang selalu diam disebut simpul (S), dan titik yang bergetar paling kuat disebut perut (P). Jarak dua simpul berdekatan selalu \(\tfrac12\lambda\).
Pola gelombang stasioner pada dawai yang kedua ujungnya terikat. Garis penuh dan putus-putus adalah dua posisi ekstrem.
Kedua ujung dawai pasti simpul. Jadi panjang dawai harus memuat bilangan bulat kali setengah gelombang: \(L = n\cdot\tfrac{\lambda}{2}\). Dengan \(v = \lambda f\), frekuensi yang "disukai" dawai adalah:
\[f_n = \frac{n\,v}{2L} = n f_1, \qquad n = 1, 2, 3, \ldots\]
Frekuensi \(f_1\) disebut nada dasar (harmonik pertama), \(f_2\) harmonik kedua, dan seterusnya. Jika tali digetarkan tepat pada salah satu frekuensi ini, simpangannya membesar dengan cepat. Peristiwa ini disebut resonansi.
Pada mode stasioner, geser frekuensi perlahan dan perhatikan penanda nada alami \(f_1, f_2, f_3, \ldots\) di bawah. Tepat di sana, tali bergoyang besar (resonansi) dan simpul tampak jelas. Pada mode pulsa, bandingkan pantulan dari ujung tetap dan ujung bebas. Ubah juga tegangan tali: apa yang terjadi pada nada alaminya?
Lanjut · IB & olimpiadeRumus gelombang stasionerJumlahkan gelombang datang dan gelombang pantul yang terbalik: \(y = A\sin(\omega t - kx) - A\sin(\omega t + kx) = -2A\cos(\omega t)\sin(kx)\). Faktor \(2A\sin(kx)\) adalah amplitudo yang bergantung posisi: nol di \(x = 0, \tfrac\lambda2, \lambda, \ldots\) (simpul) dan maksimum \(2A\) di \(x = \tfrac\lambda4, \tfrac{3\lambda}4, \ldots\) (perut). Faktor \(\cos(\omega t)\) membuat semua titik bergetar serempak. Tidak ada lagi bentuk \((\omega t - kx)\), sehingga polanya memang tidak berjalan.
Seutas tali panjangnya 1,5 m dan massanya 30 g. Tali diikat di kedua ujung dan ditegangkan dengan gaya 50 N. Pada frekuensi berapa tali membentuk gelombang stasioner dengan 3 perut?
Massa per panjang: \(\mu = \dfrac{0{,}030\ \text{kg}}{1{,}5\ \text{m}} = 0{,}02\) kg/m.
Tiga perut berarti \(n = 3\): \(L = \tfrac32\lambda\), jadi \(\lambda = \tfrac{2 \times 1{,}5}{3} = 1\) m.
\(f_3 = \dfrac{v}{\lambda} = \dfrac{50}{1} = 50\) Hz. Cek: \(f_1 = \dfrac{v}{2L} = 16{,}7\) Hz, dan \(3 \times 16{,}7 = 50\) Hz. ✓
Tali membentuk 3 perut pada 50 Hz. Nada alami lainnya: 16,7 Hz; 33,3 Hz; 66,7 Hz; dan seterusnya.
🏄
Selancar Mentawai
Ombak yang dinaiki peselancar membawa energi badai dari Samudra Hindia selatan, ribuan kilometer jauhnya.
🎧
Headphone peredam bising
Mikrofon kecil merekam bising mesin, lalu pengeras suara memutar gelombang kebalikannya. Interferensi destruktif membuat suasana hening.
🌀
Slinky di kelas
Satu mainan untuk dua jenis gelombang: digoyang ke samping menjadi transversal, didorong-tarik menjadi longitudinal.
🌊
Bono Sungai Kampar
Gelombang pasang merambat ke hulu sungai di Riau. Contoh nyata gelombang yang membawa energi jauh ke daratan.
🎸
Gitar dan sasando
Dawai yang dipetik membentuk gelombang stasioner. Menekan senar di fret memperpendek \(L\), sehingga nadanya naik.
🧭
Seismograf BMKG
Gelombang P (longitudinal) tiba lebih dulu daripada gelombang S (transversal). Selisih waktunya dipakai untuk menghitung jarak pusat gempa.
Gelombang bunyi di udara termasuk gelombang…
transversal, karena merambat lurus
transversal, karena bisa memantul
elektromagnetik, karena tidak terlihat
longitudinal, karena partikel udara bergetar searah rambatannya
Molekul udara maju-mundur searah rambat bunyi, membentuk rapatan dan renggangan. Itulah ciri gelombang longitudinal.
Gelombang dengan frekuensi 20 Hz merambat 340 m/s. Panjang gelombangnya…
6.800 m
17 m
0,059 m
360 m
\(\lambda = v/f = 340/20 = 17\) m.
Pada gelombang stasioner, jarak antara dua simpul yang berdekatan adalah…
\(\tfrac12\lambda\)
\(\tfrac14\lambda\)
\(\lambda\)
\(2\lambda\)
Simpul berulang setiap setengah panjang gelombang. Jarak simpul ke perut terdekat adalah \(\tfrac14\lambda\).
19
Bab 19 · Gelombang & Cahaya
Bunyi: Gelombang yang Bisa Kamu Dengar
Angklung dan saron bisa memainkan nada yang sama, tetapi telingamu langsung tahu bedanya. Sirene ambulans berubah nada saat lewat, dan kelelawar "melihat" dengan telinganya. Semuanya cerita tentang udara yang dirapatkan dan direnggangkan.
Setelah bab ini, kamu bisa
menjelaskan bunyi sebagai gelombang longitudinal berupa rapatan dan renggangan, lalu menghitung jarak petir dan gema;
membedakan tinggi nada, kenyaringan, dan warna bunyi, serta menghitung taraf intensitas dalam desibel;
menghitung frekuensi nada pada dawai, pipa organa terbuka, dan pipa organa tertutup;
menjelaskan resonansi, layangan, dan efek Doppler dengan contoh nyata;
menerapkan gelombang ultrasonik pada USG, SONAR nelayan, dan kelelawar.
Angklung, Saron, dan Ambulans Komik · 4 panel
Latihan musik di sekolah
RakaNada "do" angklungku sama dengan "do" saron Pak Guru. Berarti bunyinya sama persis, dong!
SariNadanya sama, tapi "rasanya" beda. Merem pun aku bisa tahu mana angklung, mana saron. Kok bisa, ya?
Pulang sekolah, di pinggir jalanNGIIING… NGOOONG…
RakaEh, nada sirenenya turun pas ambulansnya lewat! Sopirnya ganti lagu?!
Kak NaraSirenenya tidak berubah, Rak. Yang berubah adalah gelombang yang sampai di telingamu. Ayo kita bongkar rahasia bunyi!
TarsiFakta unik: kelelawar "melihat" dengan bunyi!
19.1Bunyi: rapatan dan renggangan yang merambat
Semua bunyi berasal dari benda yang bergetar: dawai sasando, bilah saron, kulit bedug, membran speaker, atau pita suaramu. Benda bergetar itu mendorong udara di depannya sehingga molekul udara berdesakan (rapatan), lalu menarik diri sehingga molekul udara merenggang (renggangan). Pola rapatan-renggangan ini merambat menjauhi sumber sebagai gelombang longitudinal.
Membran speaker diam. Molekul udara tersebar merata dan tekanannya sama di mana-mana.
Membran bergerak ke kanan dan mendorong molekul di depannya. Molekul berdesakan: terbentuk rapatan, tekanannya sedikit lebih tinggi.
Membran bergerak ke kiri. Di depannya molekul merenggang: terbentuk renggangan, tekanannya sedikit lebih rendah. Rapatan pertama sudah merambat ke kanan.
Membran terus bergetar, sehingga rapatan dan renggangan bergantian merambat menjauhi speaker dengan kecepatan sekitar 343 m/s.
Perhatikan titik merah: molekul itu hanya maju-mundur sedikit di sekitar tempatnya. Yang sampai ke telingamu adalah pola tekanan, lalu gendang telingamu ikut bergetar.
Gampangnya: bunyi itu seperti dorongan berantai di barisan antre. Orang paling depan didorong, ia mendorong orang di depannya, dan seterusnya. Dorongannya sampai ke ujung, tetapi tiap orang hanya bergeser sedikit.
Telinga manusia bisa mendengar frekuensi sekitar 20 Hz sampai 20.000 Hz (batas atasnya menurun seiring usia). Bunyi di bawah 20 Hz disebut infrasonik, misalnya gemuruh gunung api dan "obrolan" gajah. Bunyi di atas 20.000 Hz disebut ultrasonik, misalnya cicitan kelelawar dan gelombang alat USG.
Dua astronot berdiri berdekatan di permukaan Bulan tanpa radio. Astronot A berteriak sekeras-kerasnya. Apa yang didengar astronot B?
Teriakan yang lebih jelas, karena di Bulan tidak ada angin atau bising.
Teriakan yang lebih pelan, karena gravitasi Bulan lemah.
Tidak ada sama sekali, karena tidak ada udara untuk merambatkan bunyi.
Teriakan yang terlambat beberapa detik.
Jawabannya: tidak terdengar. Bunyi adalah gelombang mekanik, jadi butuh medium. Bulan hampir tidak punya atmosfer. Fakta unik: jika kedua astronot menempelkan helmnya, B bisa mendengar sedikit, karena bunyi merambat melalui padatan helm!
Tamu dari masa laluSekitar tahun 1660, ilmuwan Inggris Robert Boyle menaruh jam yang berdetak di dalam tabung kaca, lalu memompa udaranya keluar. Makin sedikit udara di dalam tabung, makin lirih detaknya, sampai hampir tidak terdengar, padahal jarumnya terus bergerak. Ini bukti bahwa bunyi membutuhkan udara (atau medium lain) untuk merambat.
Lanjut · IB & olimpiadeGelombang simpangan vs gelombang tekananBunyi bisa digambarkan dengan simpangan molekul \(s(x,t) = s_0\sin(\omega t - kx)\) atau dengan perubahan tekanan \(\Delta p = -B\,\dfrac{\partial s}{\partial x}\), dengan \(B\) modulus curah udara. Hasilnya \(\Delta p\) berbentuk kosinus: berbeda fase \(90^\circ\) dengan simpangan. Di titik dengan simpangan terbesar, tekanannya normal. Di titik yang simpangannya nol tetapi tetangganya mendesak dari dua sisi, tekanannya paling besar. Ini penting saat membahas pipa organa: simpul simpangan = perut tekanan.
19.2Cepat rambat bunyi: petir, gema, dan bedug
Medium
Cepat rambat bunyi (kira-kira)
Udara 0 °C
331 m/s
Udara 20 °C
343 m/s
Udara 30 °C (siang hari di kota tropis)
349 m/s
Air laut
±1.500 m/s
Kayu (searah serat)
±3.500–4.500 m/s
Baja atau besi rel
±5.000–5.900 m/s
Bunyi merambat lebih cepat di zat padat dan zat cair daripada di udara, karena partikelnya terikat lebih kaku sehingga "dorongan" diteruskan lebih cepat. Di udara, makin hangat makin cepat: kira-kira \(v \approx 331 + 0{,}6\,T\) m/s dengan \(T\) dalam °C.
Kilat dan guruh terjadi pada saat yang sama, tetapi cahaya tiba hampir seketika, sedangkan bunyi guruh butuh sekitar 3 detik untuk menempuh 1 km. Dari selisih waktunya, kamu bisa menghitung jarak petir: \(s = v\,t\).
Trik Kak Nara: aturan "bagi tiga"Hitung detik antara kilat dan guruh, lalu bagi tiga. Hasilnya kira-kira jarak petir dalam kilometer. Guruh 6 detik setelah kilat berarti petir sekitar 2 km darimu. Untuk gema, ingat bahwa bunyi pergi dan pulang: jarak dinding = \(\tfrac12 v t\).
Raka melihat kilat, lalu mendengar guruh 6 detik kemudian. Suhu udara 27 °C. Berapa jarak petir itu?
Petir sekitar 2,1 km dari Raka. Aturan "bagi tiga" memberi 6 ÷ 3 = 2 km, cukup dekat!
Fisika IndonesiaSebelum ada pengeras suara, bedug dan kentongan adalah "alat komunikasi jarak jauh" di desa-desa Indonesia. Bedug yang besar menghasilkan bunyi bernada rendah yang tidak mudah melemah dan bisa terdengar hingga jauh. Karena bunyi butuh waktu, warga yang tinggal 1 km dari masjid mendengar pukulan bedug sekitar 3 detik setelah dipukul. Kentongan di pos ronda dipukul dengan irama tertentu, dan setiap irama punya arti: ada maling, kebakaran, atau banjir.
Lanjut · IB & olimpiadeKesalahan Newton dan koreksi LaplaceIsaac Newton menghitung cepat rambat bunyi dengan anggapan suhu udara tetap saat dirapatkan (isotermal): \(v = \sqrt{P/\rho} \approx 280\) m/s, sekitar 15% terlalu kecil. Lebih dari seabad kemudian, Pierre-Simon Laplace menyadari bahwa rapatan dan renggangan terjadi terlalu cepat sehingga kalor tidak sempat berpindah: prosesnya adiabatik (ingat Bab 17!). Rumus yang benar: \[v = \sqrt{\frac{\gamma P}{\rho}} = \sqrt{\frac{\gamma R T}{M}}.\] Untuk udara (\(\gamma = 1{,}4\), \(M = 0{,}029\) kg/mol) pada 293 K, hasilnya ±343 m/s. Perhatikan: \(v \propto \sqrt{T}\), tidak bergantung pada tekanan.
19.3Tinggi nada, kenyaringan, dan warna bunyi
Tiga hal membuat setiap bunyi berbeda:
Tinggi nada (pitch) ditentukan oleh frekuensi. Frekuensi tinggi terdengar melengking, frekuensi rendah terdengar berat seperti gong.
Kenyaringan (loudness) ditentukan oleh amplitudo (dan intensitas). Pukulan keras membuat simpangan besar, dan bunyinya keras.
Warna bunyi (timbre) ditentukan oleh bentuk gelombang, yaitu campuran nada dasar dengan harmonik-harmoniknya. Inilah sebabnya Sari bisa membedakan angklung dan saron walaupun nadanya sama.
Baris bawah: periodenya sama (nadanya sama), tetapi bentuk gelombangnya berbeda, sehingga warna bunyinya berbeda.
Fisika IndonesiaGamelan (Warisan Budaya Takbenda UNESCO, 2021) punya warna bunyi yang khas karena bilah logam dan gong bergetar dengan nada-nada atas yang tidak tepat kelipatan nada dasarnya. Gamelan juga tidak memakai tangga nada do-re-mi, melainkan slendro dan pelog. Uniknya, setiap perangkat gamelan disetel sedikit berbeda (disebut embat), sehingga setiap perangkat punya "suara khas" sendiri. Sementara itu, angklung dari Jawa Barat (UNESCO, 2010) terdiri atas tabung-tabung bambu yang disetel berselisih satu oktaf. Pada tahun 1938, Daeng Soetigna mengembangkan angklung bertangga nada diatonis, sehingga angklung bisa memainkan lagu-lagu dunia.
19.4Intensitas dan desibel: bahaya knalpot brong
Intensitas bunyi adalah daya bunyi yang menembus setiap meter persegi: \(I = \dfrac{P}{A}\). Dari sumber titik, bunyi menyebar ke permukaan bola, sehingga \(I = \dfrac{P}{4\pi r^2}\). Jarak dua kali lipat, intensitas tinggal seperempat.
Telinga manusia luar biasa peka: bisa mendengar bunyi dengan intensitas hanya \(I_0 = 10^{-12}\) W/m², dan tahan sampai kira-kira 1 W/m² (sejuta-juta kali lipat!). Karena rentangnya sangat lebar, dipakai skala logaritma bernama taraf intensitas dalam desibel (dB):
Awas jebakan: desibel tidak dijumlah biasaDua motor yang masing-masing 90 dB tidak menghasilkan 180 dB. Intensitasnya yang dijumlah: dua kali intensitas berarti \(+10\log 2 \approx +3\) dB, jadi totalnya ±93 dB. Sepuluh motor: \(+10\log 10 = +10\) dB, jadi 100 dB. Rumusnya: \(\beta_n = \beta_1 + 10\log n\).
Satu motor berknalpot brong menghasilkan 95 dB pada jarak 5 m. Berapa taraf intensitas jika 10 motor serupa lewat bersamaan, diukur dari jarak yang sama? Berapa jika kamu menjauh hingga 50 m?
Dari 5 m ke 50 m, jarak 10 kali, intensitas \(\tfrac{1}{100}\) kali: \(\beta = 105 - 20\log 10 = 105 - 20 = 85\) dB.
105 dB dari dekat sudah termasuk berbahaya. Bahkan dari jarak 50 m, bunyinya masih 85 dB, sama dengan batas aman untuk 8 jam. Itulah sebabnya knalpot brong dilarang.
Fisika IndonesiaPeraturan baku mutu kebisingan kendaraan di Indonesia membatasi bunyi motor baru sekitar 77–83 dB, tergantung kapasitas mesinnya. Knalpot brong bisa melampaui 100 dB, artinya intensitasnya ratusan kali lipat dari batas itu. Selain mengganggu tetangga dan pasien rumah sakit, bising di atas 85 dB yang terlalu lama bisa merusak sel-sel rambut halus di telinga dalam secara permanen.
19.5Dawai dan pipa organa: sasando, suling, angklung
Alat musik menghasilkan nada tertentu karena di dalamnya terbentuk gelombang stasioner (ingat Bab 18). Ada dua keluarga besar:
Dawai: sasando, kecapi, gitar
Kedua ujung dawai terikat, jadi keduanya simpul. Frekuensi alaminya: \(f_n = \dfrac{n}{2L}\sqrt{\dfrac{F}{\mu}}\), dengan \(n = 1, 2, 3, \ldots\). Semua harmonik bisa muncul.
Pipa organa: suling dan tabung angklung
Di dalam pipa, yang bergetar adalah kolom udara. Di ujung terbuka, udara bebas bergerak, jadi terbentuk perut simpangan. Di ujung tertutup, udara tidak bisa bergerak, jadi terbentuk simpul simpangan.
Garis ungu menunjukkan besar simpangan udara. Ujung terbuka = perut, ujung tertutup = simpul. Pipa tertutup hanya memiliki harmonik ganjil.
Jenis
Frekuensi alami
Perbandingan
Contoh
Dawai (dua ujung terikat)
\(f_n = n\dfrac{v}{2L}\)
1 : 2 : 3 : …
sasando, kecapi, gitar
Pipa organa terbuka
\(f_n = n\dfrac{v}{2L}\)
1 : 2 : 3 : …
suling bambu (kira-kira), pipa organ
Pipa organa tertutup
\(f = (2n - 1)\dfrac{v}{4L}\)
1 : 3 : 5 : …
tabung angklung, tabung resonator gender, botol yang ditiup
Trik Kak Nara: dua cara memberi namaBanyak buku Indonesia menyebut nada terendah sebagai nada dasar \(f_0\), lalu nada atas pertama \(f_1\), nada atas kedua \(f_2\), dan seterusnya. Jadi "nada atas pertama pipa tertutup" = harmonik ke-3 = \(3f_0\). Cara mengingat: "tertutup itu pelit, cuma mau angka ganjil": 1, 3, 5, …
Kamu meniup mulut botol kosong sampai berbunyi "huuu". Lalu botol diisi air sedikit demi sedikit dan ditiup lagi. Nadanya akan…
makin rendah, karena botolnya makin berat.
makin tinggi, karena kolom udaranya makin pendek.
tetap, karena botolnya sama.
makin rendah, karena air meredam bunyi.
Jawabannya: makin tinggi. Saat ditiup, yang bergetar adalah kolom udara di atas air, yang bekerja seperti pipa organa tertutup: \(f = v/4L\). Air membuat \(L\) makin pendek, jadi \(f\) makin besar. Kejutan: jika botol itu dipukul dengan sendok, yang bergetar adalah kaca dan airnya, dan nadanya justru turun saat air bertambah, karena benda yang bergetar makin berat.
Tekan Suara lalu Jalankan, kemudian geser panjang \(L\) dan dengarkan nadanya berubah. Bandingkan warna bunyi dawai, pipa terbuka, dan pipa tertutup. Coba Tantangan nada: setel sampai jarum tepat di tengah! (Volume dibuat pelan. Suara berhenti saat dijeda.)
Fisika IndonesiaSasando dari Pulau Rote, Nusa Tenggara Timur, adalah alat musik dawai yang unik. Dawai-dawainya direntangkan mengelilingi tabung bambu, dan setiap dawai ditopang ganjal kecil dengan posisi berbeda sehingga panjang bagian yang bergetar berbeda-beda. Daun lontar yang dianyam seperti kipas setengah lingkaran berfungsi sebagai ruang resonansi yang memperkeras bunyi. Pemain menyetel nada dengan memutar pasak untuk mengubah tegangan dawai, persis seperti rumus \(f \propto \sqrt{F}\).
Sebuah tabung bambu tertutup di bagian bawah panjangnya 34 cm. Cepat rambat bunyi 340 m/s. Berapa frekuensi nada dasar dan nada atas pertamanya? Bagaimana jika tabung itu terbuka di kedua ujung?
Pipa tertutup, nada dasar: \(L = \tfrac14\lambda\), jadi \(f = \dfrac{v}{4L} = \dfrac{340}{4 \times 0{,}34} = 250\) Hz.
Nada atas pertama pipa tertutup = harmonik ke-3: \(3 \times 250 = 750\) Hz.
Pipa terbuka, nada dasar: \(L = \tfrac12\lambda\), jadi \(f = \dfrac{v}{2L} = 500\) Hz. Nada atas pertamanya \(2 \times 500 = 1.000\) Hz.
Tertutup: 250 Hz dan 750 Hz. Terbuka: 500 Hz dan 1.000 Hz. Menutup satu ujung pipa menurunkan nada dasarnya satu oktaf (setengah frekuensi)!
Lanjut · IB & olimpiadeKoreksi ujung dan tabung resonansiPerut simpangan di ujung terbuka sebenarnya sedikit di luar pipa, sekitar \(0{,}6r\) dari ujungnya (\(r\) jari-jari pipa). Jadi panjang efektif pipa tertutup adalah \(L + 0{,}6r\). Di laboratorium sekolah, koreksi ini "dihilangkan" dengan trik: garpu tala digetarkan di atas tabung berisi air yang tinggi airnya bisa diatur. Resonansi pertama terdengar pada panjang kolom \(L_1\) dan resonansi kedua pada \(L_2\). Karena \(L_2 - L_1 = \tfrac12\lambda\) (koreksi ujungnya saling meniadakan), cepat rambat bunyi dapat dihitung dengan teliti: \(v = 2f(L_2 - L_1)\).
19.6Resonansi dan layangan
Setiap benda punya frekuensi getaran alami. Ada tiga jenis getaran:
Getaran bebas: benda bergetar sendiri pada frekuensi alaminya setelah diusik, misalnya garpu tala yang dipukul.
Getaran teredam: amplitudonya makin kecil karena energinya hilang ke udara dan gesekan. Bunyi gong lama-lama menghilang.
Getaran paksa: benda dipaksa bergetar mengikuti frekuensi sumber luar, misalnya meja yang ikut bergetar saat ponsel bergetar di atasnya.
Jika frekuensi pemaksa sama dengan frekuensi alami benda, amplitudonya membesar drastis. Inilah resonansi. Tabung bambu di bawah bilah gender dan slenthem pada gamelan Jawa adalah resonator: panjang kolom udaranya disetel agar beresonansi dengan nada bilahnya, sehingga bunyinya lebih keras dan panjang. Resonansi juga bisa merusak. Penyanyi bersuara kuat konon bisa memecahkan gelas tipis jika nadanya tepat sama dengan frekuensi alami gelas.
Layangan: bunyi yang berdenyut
Jika dua sumber bunyi dengan frekuensi yang hampir sama berbunyi bersamaan, keduanya bergantian sefase (saling menguatkan) dan berlawanan fase (saling melemahkan). Kenyaringannya naik-turun berirama: "uwung… uwung… uwung…". Ini disebut layangan (beats), dan banyaknya denyut tiap detik adalah:
\[f_L = |f_1 - f_2|\]
Nyalakan Suara, tekan Jalankan, dan dengarkan bunyi yang "berdenyut". Ubah \(f_2\) mendekati \(f_1\): denyutnya makin lambat. Lalu tekan Garpu tala misterius dan setel \(f_1\) sampai layangannya hilang, persis seperti menyetel angklung atau gitar.
Fisika IndonesiaGamelan Bali memakai layangan dengan sengaja! Instrumennya dibuat berpasangan: yang satu disetel sedikit lebih rendah (pengumbang) dan pasangannya sedikit lebih tinggi (pengisep). Saat dimainkan bersama, muncul denyut beberapa kali per detik yang disebut ombak. Efek berkilauan inilah yang membuat gamelan Bali terdengar hidup dan bergetar. Penyetel gamelan mengatur kecepatan "ombak" ini dengan teliti.
Sebuah angklung yang seharusnya bernada 440 Hz dibunyikan bersama garpu tala 440 Hz. Terdengar 3 layangan tiap detik. Setelah tabungnya dikikis sedikit (supaya nadanya naik), layangannya menjadi 5 tiap detik. Berapa frekuensi angklung sebelum dikikis?
Mula-mula \(|f - 440| = 3\), jadi \(f = 437\) Hz atau \(f = 443\) Hz.
Mengikis menaikkan nada. Jika \(f = 437\) Hz, nada naik akan mendekati 440 Hz sehingga layangan berkurang. Jika \(f = 443\) Hz, nada naik akan menjauhi 440 Hz sehingga layangan bertambah.
Layangannya bertambah (3 → 5), jadi mula-mula \(f = 443\) Hz.
Frekuensi awal angklung 443 Hz. Penyetel salah arah, jadi seharusnya nadanya diturunkan, bukan dinaikkan.
19.7Efek Doppler: sirene yang "berubah lagu"
Saat ambulans mendekat, setiap rapatan dipancarkan dari posisi yang sedikit lebih dekat denganmu daripada rapatan sebelumnya. Rapatan-rapatan itu tiba lebih rapat, jadi frekuensi yang kamu dengar lebih tinggi. Saat ambulans menjauh, rapatan tiba lebih renggang dan frekuensinya lebih rendah. Perubahan frekuensi karena gerak sumber atau pendengar ini disebut efek Doppler.
\[f_p = \frac{v \pm v_p}{v \mp v_s}\,f_s\]
\(f_s\) frekuensi sumber, \(f_p\) frekuensi yang didengar, \(v\) cepat rambat bunyi, \(v_s\) kecepatan sumber, dan \(v_p\) kecepatan pendengar. Untuk setiap kecepatan, pilih tanda atas jika benda itu bergerak mendekati yang lain dan tanda bawah jika bergerak menjauhi.
Tekan Suara lalu Jalankan. Seret Raka lebih dekat atau lebih jauh dari jalan, lalu perhatikan grafik frekuensi: kapan nadanya turun mendadak, kapan turunnya landai? Naikkan kecepatan melebihi kecepatan bunyi untuk melihat kerucut Mach dan dentuman sonik.
Tamu dari masa laluFisikawan Austria Christian Doppler meramalkan efek ini pada tahun 1842. Tiga tahun kemudian, ilmuwan Belanda Buys Ballot mengujinya dengan cara yang lucu: ia menaruh sekelompok pemain terompet di atas gerbong kereta yang melaju, sementara para pemusik bertelinga tajam di pinggir rel mencatat nada yang mereka dengar. Nadanya memang lebih tinggi saat kereta mendekat dan lebih rendah saat menjauh.
"Makin dekat ambulans, makin tinggi nada sirenenya."
Selama ambulans mendekat dengan kecepatan tetap, nadanya tinggi dan hampir tetap. Yang bertambah adalah kenyaringannya. Nada turun saat ambulans lewat di depanmu.
"Bunyi paling cepat di udara karena udara paling ringan."
Justru sebaliknya: bunyi merambat sekitar 4 kali lebih cepat di air dan sekitar 15 kali lebih cepat di baja. Partikel yang terikat kaku meneruskan dorongan lebih cepat.
"Kelelawar itu buta, makanya memakai bunyi."
Kelelawar tidak buta. Banyak kelelawar buah bahkan punya penglihatan bagus. Kelelawar pemakan serangga memakai ekolokasi ultrasonik karena serangga kecil sulit dilihat di malam hari.
Ambulans melaju 25 m/s dengan sirene 700 Hz. Raka berdiri diam di pinggir jalan. Cepat rambat bunyi 340 m/s. Berapa frekuensi yang didengar Raka saat ambulans mendekat dan saat menjauh?
Nada turun dari ±756 Hz ke ±652 Hz, selisih ±104 Hz (lebih lebar daripada jarak nada do ke re). Itulah "lagu" ambulans: NGIIING… NGOOONG…
Lanjut · IB & olimpiadeKerucut Mach dan Doppler dua kaliJika sumber lebih cepat daripada bunyi (\(v_s > v\)), muka-muka gelombangnya bertumpuk membentuk kerucut dengan setengah sudut puncak \(\sin\theta = v/v_s\). Saat kerucut ini menyapu pendengar, terdengar dentuman sonik. Efek Doppler juga dipakai alat pengukur kecepatan dan USG Doppler untuk aliran darah: gelombang dipantulkan oleh benda yang bergerak, jadi pergeseran terjadi dua kali (benda sebagai pendengar, lalu sebagai sumber). Untuk \(u \ll v\), pergeserannya \(\Delta f \approx \dfrac{2u}{v}f\).
19.8Ultrasonik dan infrasonik: mendengar yang tak terdengar
Gelombang ultrasonik punya panjang gelombang pendek, sehingga bisa memantul dari benda-benda kecil dan menghasilkan "gambar" yang detail. Prinsip dasarnya selalu sama dengan gema: kirim pulsa, tunggu pantulannya, lalu hitung \(s = \tfrac12 v t\).
USG (ultrasonografi) di rumah sakit memakai frekuensi sekitar 2–15 MHz untuk melihat janin, jantung, dan organ dalam tanpa radiasi pengion.
SONAR (sound navigation and ranging) di kapal memancarkan pulsa ke dasar laut. Nelayan memakai fish finder untuk menemukan gerombolan ikan dan mengukur kedalaman.
Kelelawar pemakan serangga memancarkan cicitan ultrasonik dan mendengarkan gemanya untuk menemukan nyamuk di kegelapan. Lumba-lumba melakukan hal yang sama di laut.
SONAR kapal nelayan di Laut Banda memancarkan pulsa ke bawah. Gema dari gerombolan ikan diterima 0,12 s kemudian, dan gema dari dasar laut 0,40 s kemudian. Cepat rambat bunyi di air laut 1.500 m/s. Berapa kedalaman gerombolan ikan dan kedalaman laut? Mengapa SONAR memakai ultrasonik, bukan bunyi biasa?
Bunyi pergi-pulang, jadi kedalaman = \(\tfrac12 v t\).
Ikan: \(\tfrac12 \times 1.500 \times 0{,}12 = 90\) m. Dasar laut: \(\tfrac12 \times 1.500 \times 0{,}40 = 300\) m.
Ultrasonik (misalnya 200 kHz) di air punya panjang gelombang \(\lambda = 1.500/200.000 = 7{,}5\) mm. Gelombang sependek ini bisa dipantulkan oleh benda kecil seperti ikan dan bisa diarahkan menjadi berkas sempit.
Gerombolan ikan di kedalaman 90 m, dasar laut di kedalaman 300 m. Ultrasonik dipakai karena panjang gelombangnya pendek, sehingga detailnya tajam dan berkasnya terarah.
Fisika IndonesiaIndonesia memiliki kapal riset seperti Baruna Jaya yang dilengkapi SONAR multiberkas (multibeam echosounder) untuk memetakan dasar laut Nusantara, mencari jalur kabel bawah laut, dan membantu pencarian benda yang tenggelam. Di sisi lain spektrum, letusan Krakatau tahun 1883 menghasilkan gelombang tekanan yang terekam barometer di seluruh dunia dan mengelilingi Bumi beberapa kali. Bunyinya konon terdengar hingga Pulau Rodrigues di Samudra Hindia, hampir 4.800 km jauhnya!
🥁
Bedug masjid
Kulit bedug yang lebar menggetarkan banyak udara sekaligus. Nadanya rendah dan terdengar jauh.
🏍️
Knalpot brong
Bisa melampaui 100 dB. Bising di atas 85 dB yang terlalu lama merusak telinga secara permanen.
🤰
USG ibu hamil
Pantulan ultrasonik dari jaringan tubuh disusun komputer menjadi gambar janin, tanpa radiasi pengion.
🎣
Fish finder nelayan
Gema dari gerombolan ikan dan dasar laut ditampilkan di layar, jadi nelayan tahu di mana dan sedalam apa harus menebar jaring.
🦇
Kelelawar di gua
Ribuan kelelawar terbang keluar gua di senja hari tanpa bertabrakan, berkat ekolokasi ultrasonik.
🍉
Mengetuk semangka
Pedagang buah mengetuk semangka dan mendengarkan bunyinya. Bunyi "dug" yang dalam menandakan buah yang padat berisi air.
Gema terdengar 2 detik setelah Raka berteriak ke arah tebing. Jika cepat rambat bunyi 340 m/s, jarak tebing adalah…
680 m
170 m
340 m
1.360 m
Bunyi pergi dan pulang: \(s = \tfrac12 v t = \tfrac12 \times 340 \times 2 = 340\) m.
Pipa organa tertutup memiliki nada dasar 200 Hz. Frekuensi nada atas pertamanya adalah…
600 Hz
400 Hz
300 Hz
800 Hz
Pipa tertutup hanya punya harmonik ganjil: 200, 600, 1.000 Hz, … Nada atas pertama = \(3 \times 200 = 600\) Hz.
Dua garpu tala 512 Hz dan 516 Hz dibunyikan bersamaan. Yang terdengar adalah…
dua nada terpisah dengan jelas
nada 1.028 Hz
nada 4 Hz
nada ±514 Hz yang kenyaringannya berdenyut 4 kali per detik
Frekuensi yang hampir sama menghasilkan layangan \(f_L = |516 - 512| = 4\) Hz, dengan nada rata-rata ±514 Hz.
20
Bab 20 · Gelombang & Cahaya
Cermin & Lensa: Cahaya yang Pandai Memantul dan Membelok
Kenapa pensil di gelas air tampak patah? Kenapa kolam selalu tampak lebih dangkal daripada aslinya? Dua aturan sederhana, yaitu memantul dan membelok, menjelaskan spion motor, kacamata minusmu, sampai internet yang merayap di dasar laut.
Setelah bab ini, kamu bisa
menjelaskan hukum pemantulan dan melukis bayangan pada cermin datar, cekung, dan cembung;
memakai hukum Snell, menghitung kedalaman semu, dan menjelaskan pemantulan internal total pada serat optik;
menjelaskan dispersi cahaya pada prisma dan terbentuknya pelangi;
melukis bayangan lensa dengan sinar istimewa, lalu menghitung dengan \(\tfrac1f = \tfrac1s + \tfrac1{s'}\) dan perbesaran \(M\);
menjelaskan cacat mata, menghitung daya kacamata (dioptri), dan cara kerja lup, mikroskop, serta teleskop.
Kolam yang Menipu Komik · 4 panel
Sore hari, kolam ikan di kampung
RakaBolaku nyemplung! Tenang, kolamnya cetek kok, paling cuma sepaha. Aku turun ambil, ya!
SariTunggu! Ukur dulu pakai galah. …Eh, kok galahnya jadi “patah” begitu masuk air?
GLEK!
SariTanda basahnya 120 cm! Itu setinggi dadamu, Rak!
RakaLho?! Dari atas kelihatannya cuma 90 cm…
Kak Nara datang membawa serokan
Kak NaraCahaya dari dasar kolam dibelokkan saat keluar dari air. Hasilnya, kolam tampak cuma ±¾ kedalaman aslinya. Bolanya kita ambil pakai serokan saja, ya!
Kamu melihat seekor ikan di kolam yang jernih. Di mana ikan itu sebenarnya berada?
Tepat di tempat yang terlihat, karena cahaya selalu merambat lurus.
Lebih dekat ke permukaan daripada yang terlihat.
Lebih dalam daripada yang terlihat.
Tidak bisa ditentukan, karena air memantulkan semua cahaya.
Jawabannya: lebih dalam. Cahaya dari ikan dibelokkan menjauhi garis normal saat keluar dari air ke udara. Otakmu tidak tahu soal belokan itu. Ia menelusuri sinar secara lurus ke belakang, sehingga "menemukan" ikan di tempat yang lebih dangkal. Karena itu, pemanah ikan tradisional membidik sedikit di bawah ikan yang terlihat. Karena itu pula, jangan pernah menebak dalamnya kolam atau sungai hanya dengan melihat!
20.1Pemantulan dan cermin datar
Kita bisa melihat buku, wajah teman, atau bulan karena cahaya memantul dari benda-benda itu lalu masuk ke mata. Untuk menggambar perjalanan cahaya, fisikawan memakai sinar: garis lurus berpanah yang menunjukkan arah rambat cahaya.
Hukum pemantulan. (1) Sinar datang, garis normal, dan sinar pantul terletak pada satu bidang datar. (2) Sudut datang sama dengan sudut pantul: \(i = r\).
Kedua sudut diukur dari garis normal, yaitu garis khayal yang tegak lurus permukaan, bukan dari permukaannya. Ini jebakan favorit soal ujian!
Permukaan licin seperti cermin atau genangan air yang tenang memantulkan sinar sejajar tetap sejajar. Inilah pemantulan teratur, yang menghasilkan bayangan dan rasa silau. Permukaan kasar seperti kertas, tembok, atau kain menghamburkan sinar ke segala arah. Inilah pemantulan baur. Berkat pemantulan baur, kamu bisa membaca buku ini dari sudut mana pun.
Gampangnya: cahaya memantul seperti bola bekel yang dipantulkan ke lantai. Bola datang miring dari kiri, lalu memantul miring ke kanan dengan kemiringan yang sama.
Bayangan di cermin datar
Bayangan di cermin datar bersifat maya (sinar-sinarnya tidak benar-benar berkumpul di belakang cermin), tegak, sama besar, dan sama jauh di belakang cermin seperti jarak benda di depan cermin. Bayangan juga tampak tertukar kiri-kanan. Karena itu, tulisan "AMBULANCE" di kap depan ambulans sengaja dicetak terbalik, supaya pengemudi di depannya bisa membacanya dengan benar lewat spion.
Sinar dari ujung kepala dan ujung kaki memantul tepat di titik tengah antara mata dan bayangannya. Bagian cermin yang terpakai (hijau) hanya setengah tinggi badan, berapa pun jarakmu dari cermin.
Tinggi Raka 150 cm. Berapa tinggi cermin datar minimal agar Raka bisa melihat seluruh tubuhnya?
150 cm, harus setinggi badan.
75 cm, cukup setengah tinggi badan.
Tergantung jarak: makin jauh, cermin boleh makin pendek.
300 cm, karena bayangannya dua kali lebih jauh.
Cukup 75 cm. Lihat gambar di atas: sinar dari kepala memantul di titik tengah antara mata dan puncak kepala, dan sinar dari kaki memantul di titik tengah antara mata dan kaki. Jarak dua titik itu selalu setengah tinggi badan, tidak bergantung jarak ke cermin. Syaratnya, cermin dipasang di ketinggian yang pas.
Dua cermin bersudut: pabrik bayangan
Dua cermin datar yang membentuk sudut \(\alpha\) menghasilkan banyak bayangan, karena bayangan di cermin satu dipantulkan lagi oleh cermin lainnya. Jika \(360^\circ/\alpha\) bilangan bulat genap, jumlah bayangannya
\[ n = \frac{360^\circ}{\alpha} - 1. \]
Kaleidoskop memakai prinsip ini. Di tukang cukur, dua cermin dipasang berhadapan sejajar (\(\alpha \to 0\)) sehingga bayangannya berderet "tak hingga" banyaknya, makin jauh makin redup.
Sari menempelkan dua cermin kecil membentuk sudut 60°, lalu meletakkan manik-manik di antaranya. Berapa banyak bayangan manik-manik yang terlihat?
\(360^\circ / 60^\circ = 6\), bilangan bulat genap, jadi rumusnya berlaku.
\(n = 6 - 1 = 5\) bayangan.
Ada 5 bayangan. Bersama manik-manik aslinya, terlihat 6 manik-manik yang tersusun melingkar seperti kelopak bunga.
20.2Cermin cekung dan cermin cembung
Bayangkan bola pingpong raksasa yang dibuat dari kaca cermin, lalu dipotong sebagian. Jika yang memantulkan adalah bagian dalam, kita mendapat cermin cekung (cermin konkaf). Jika yang memantulkan bagian luar, kita mendapat cermin cembung (cermin konveks). Bagian sendok yang mengilap adalah contoh sehari-hari: sisi dalamnya cermin cekung, sisi punggungnya cermin cembung.
Istilah
Arti
Pusat kelengkungan \(C\)
pusat bola asal cermin; jari-jarinya \(R\) (di banyak buku ditulis titik \(M\))
Sumbu utama
garis yang melalui \(C\) dan titik tengah cermin
Titik fokus \(F\)
titik tempat sinar-sinar sejajar sumbu utama berkumpul (cermin cekung) atau seolah-olah berasal (cermin cembung)
Jarak fokus \(f\)
jarak \(F\) ke cermin: \(f = \tfrac12 R\)
Untuk melukis bayangan, cukup pakai dua dari tiga sinar istimewa cermin cekung:
sinar datang sejajar sumbu utama dipantulkan melalui F;
sinar datang melalui F dipantulkan sejajar sumbu utama;
sinar datang melalui C dipantulkan kembali ke jalannya semula.
Cermin cekung dengan titik fokus \(F\) dan pusat kelengkungan \(C\). Benda berdiri lebih jauh dari \(C\).
Sinar 1 datang sejajar sumbu utama, lalu dipantulkan melalui F.
Sinar 2 datang melalui F, lalu dipantulkan sejajar sumbu utama.
Sinar 3 datang melalui C. Sinar ini menumbuk cermin tegak lurus, jadi memantul kembali ke jalannya semula.
Ketiga sinar pantul berpotongan di satu titik: itulah ujung bayangan. Bayangannya nyata, terbalik, diperkecil, terletak di antara \(F\) dan \(C\).
Hitungannya cocok dengan lukisan (skala gambar: 1 cm ↔ 10 piksel). Tanda minus pada \(M\) berarti bayangan terbalik.
Rumus cermin lengkung
Lukisan sinar enak untuk membayangkan, tetapi rumus lebih cepat dan teliti. Untuk cermin lengkung (dan nanti juga lensa tipis):
Rumus ini bercerita: jarak benda \(s\) dan jarak bayangan \(s'\) saling "tawar-menawar". Jika benda didekatkan ke fokus, bayangan berlari menjauh. \(h\) dan \(h'\) adalah tinggi benda dan tinggi bayangan.
Perjanjian tanda yang dipakai di buku iniKita memakai perjanjian yang lazim di sekolah Indonesia, yaitu "nyata itu positif":
\(s\) positif untuk benda nyata (di depan cermin atau lensa);
\(s'\) positif untuk bayangan nyata (bisa ditangkap layar) dan negatif untuk bayangan maya;
\(f\) positif untuk cermin cekung dan lensa cembung, serta negatif untuk cermin cembung dan lensa cekung;
\(M\) negatif berarti bayangan terbalik, dan \(M\) positif berarti bayangan tegak. \(|M| > 1\) berarti diperbesar.
Trik Kak Nara: ruang benda + ruang bayangan = 5Bagi daerah di sekitar cermin cekung menjadi empat ruang: ruang I antara cermin dan \(F\), ruang II antara \(F\) dan \(C\), ruang III di luar \(C\), dan ruang IV di belakang cermin. Ajaibnya, nomor ruang benda + nomor ruang bayangan = 5. Benda di ruang III? Bayangan di ruang II (diperkecil). Benda di ruang I? Bayangan di ruang IV (maya). Aturan tambahannya: jika nomor ruang bayangan lebih besar daripada nomor ruang benda, bayangan diperbesar. Trik yang sama berlaku untuk lensa cembung.
Letak benda (cermin cekung)
Letak bayangan
Sifat bayangan
Contoh pemakaian
di luar \(C\) (ruang III)
antara \(F\) dan \(C\)
nyata, terbalik, diperkecil
teleskop pemantul
tepat di \(C\)
di \(C\)
nyata, terbalik, sama besar
(kasus batas)
antara \(F\) dan \(C\) (ruang II)
di luar \(C\)
nyata, terbalik, diperbesar
proyektor zaman dulu
tepat di \(F\)
di tak hingga
tidak terbentuk (sinar pantul sejajar)
lampu senter, lampu motor
antara cermin dan \(F\) (ruang I)
di belakang cermin
maya, tegak, diperbesar
cermin rias, cermin dokter gigi
di mana saja (cermin cembung)
di belakang cermin, antara cermin dan \(F\)
maya, tegak, diperkecil
spion, cermin tikungan
Cermin cekung berjari-jari 40 cm dipakai untuk bercukur. Wajah Kak Nara berada 15 cm di depan cermin. Di mana bayangannya, dan berapa kali perbesarannya?
Jarak fokus: \(f = \tfrac12 R = 20\) cm (positif, cermin cekung).
\(\dfrac{1}{s'} = \dfrac1f - \dfrac1s = \dfrac{1}{20} - \dfrac{1}{15} = \dfrac{3 - 4}{60} = -\dfrac{1}{60}\), jadi \(s' = -60\) cm.
Tanda negatif: bayangan maya, 60 cm di belakang cermin.
\(M = -\dfrac{s'}{s} = -\dfrac{-60}{15} = +4\).
Bayangan maya, tegak, dan diperbesar 4 kali. Itulah sebabnya cermin rias cekung membuat pori-pori wajah tampak jelas. Syaratnya, wajah harus berada di dalam jarak fokus.
Spion motor berupa cermin cembung dengan jarak fokus 20 cm. Sebuah mobil berada 3 m di belakang motor. Di mana bayangannya, dan berapa perbesarannya?
Cermin cembung: \(f = -20\) cm. Jarak benda \(s = 300\) cm.
\(\dfrac{1}{s'} = \dfrac{1}{-20} - \dfrac{1}{300} = \dfrac{-15 - 1}{300} = -\dfrac{16}{300}\), jadi \(s' = -18{,}75\) cm.
\(M = -\dfrac{-18{,}75}{300} = +0{,}0625\).
Bayangan maya, tegak, dan hanya 1/16 ukuran aslinya. Cermin cembung menampilkan daerah yang luas dalam bayangan kecil. Akibatnya, mobil di spion tampak lebih jauh daripada aslinya. Hati-hati saat berpindah lajur!
Awas jebakan"Maya" tidak berarti tidak bisa dilihat. Bayangan maya bisa kamu lihat dengan jelas (contohnya bayanganmu di cermin). Hanya saja, bayangan maya tidak bisa ditangkap layar, karena sinar-sinarnya tidak benar-benar bertemu di sana. Sinar-sinar itu hanya tampak berasal dari situ.
20.3Pembiasan dan hukum Snell
Cahaya merambat paling cepat di ruang hampa, yaitu \(c \approx 3 \times 10^8\) m/s. Di dalam air, kaca, atau intan, cahaya melambat. Perbandingannya disebut indeks bias:
\[ n = \frac{c}{v}. \]
Saat cahaya masuk miring ke medium lain dan lajunya berubah, arahnya ikut membelok. Peristiwa ini disebut pembiasan (refraksi).
Bayangkan barisan Paskibra yang berbaris miring dari lapangan aspal ke lapangan berumput tebal. Anggota barisan yang lebih dulu menginjak rumput melangkah lebih pendek, sementara temannya masih melaju di aspal. Akibatnya, seluruh barisan berbelok. Ke mana? Ke arah mendekati garis normal. Begitulah cahaya saat masuk ke medium yang lebih "lambat".
Medium
Indeks bias \(n\) (±)
Laju cahaya
ruang hampa / udara
1,00
300.000 km/s
es
1,31
229.000 km/s
air
1,33 (≈ 4/3)
225.000 km/s
kaca biasa
1,50
200.000 km/s
intan
2,42
124.000 km/s
Hukum Snell. Saat cahaya merambat dari medium 1 ke medium 2: \(n_1 \sin\theta_1 = n_2 \sin\theta_2\). Sudut \(\theta_1\) dan \(\theta_2\) diukur dari garis normal.
Dari medium kurang rapat ke lebih rapat (udara → air): sinar mendekati normal.
Dari medium lebih rapat ke kurang rapat (air → udara): sinar menjauhi normal.
Sinar yang datang tegak lurus (\(\theta_1 = 0\)) tidak berbelok, walaupun lajunya tetap berubah.
Saat masuk ke medium lain, frekuensi cahaya tidak berubah (warnanya tetap), tetapi lajunya berubah. Karena \(v = \lambda f\), panjang gelombangnya ikut memendek: \(\lambda_\text{medium} = \lambda_\text{udara}/n\). Ingat ini untuk Bab 21!
Kedalaman semu: kenapa kolam menipu
Sinar dari dasar kolam dibelokkan menjauhi normal saat keluar dari air. Mata menelusuri sinar itu lurus ke belakang, sehingga dasar kolam tampak terangkat. Untuk pengamatan hampir tegak lurus dari atas:
Kolam tampak 1,5 m, padahal dalamnya 2,0 m. Selisih 50 cm itu bisa berbahaya bagi yang belum pandai berenang. Selalu baca papan penanda kedalaman!
Lanjut · IB & olimpiadeKaca plan-paralel: sinar bergeser, tidak berbelokSinar yang menembus kaca jendela setebal \(t\) keluar sejajar sinar datang, karena pembiasan di permukaan pertama "dibatalkan" oleh permukaan kedua. Sinar hanya bergeser ke samping sejauh \[ d = \frac{t\,\sin(\theta_1 - \theta_2)}{\cos\theta_2}. \] Pada sudut datang kecil, \(d \approx t\,\theta_1\left(1 - \tfrac1n\right)\) (sudut dalam radian). Benda di balik balok kaca setebal \(t\) juga tampak lebih dekat sejauh \(t\left(1 - \tfrac1n\right)\). Ini cara cepat mengukur indeks bias balok kaca di laboratorium.
Tamu dari masa laluSekitar tahun 1021, ilmuwan Basra-Kairo Ibnu al-Haitham (Alhazen) menulis Kitab al-Manazir (Kitab Optika). Dengan eksperimen kamar gelap, ia membuktikan bahwa kita melihat karena cahaya masuk ke mata, bukan karena mata memancarkan "sinar penglihatan" seperti dugaan banyak orang sebelumnya. Enam abad kemudian, Willebrord Snellius dari Belanda (1621) menemukan hubungan sinus yang kini kita sebut hukum Snell.
20.4Pemantulan internal total dan serat optik
Saat cahaya keluar dari medium rapat ke medium renggang (misalnya dari air ke udara), sinar bias menjauhi normal. Jika sudut datang diperbesar, sinar bias makin miring. Pada satu sudut tertentu, sinar bias tepat menyusur permukaan (\(\theta_2 = 90^\circ\)). Sudut ini disebut sudut kritis \(\theta_c\):
Jika sudut datang melebihi \(\theta_c\), tidak ada lagi cahaya yang keluar. Semuanya dipantulkan kembali ke dalam, seperti cermin sempurna. Peristiwa ini disebut pemantulan internal total (total internal reflection).
Batas medium
Sudut kritis (±)
air → udara
49°
kaca → udara
42°
intan → udara
24°
Sudut kritis intan sangat kecil, sehingga cahaya yang masuk ke intan berasah terjebak, terpantul berkali-kali, lalu keluar dari bagian atas. Itulah rahasia kilau intan.
Seret laser mengelilingi titik tengah, atau geser slider sudutnya. Pindahkan laser ke bawah (di dalam air atau kaca), lalu perbesar sudutnya pelan-pelan. Pada sudut berapa sinar bias menghilang? Bandingkan sudut kritis air, kaca, dan intan. Titik-titik bercahaya menunjukkan laju cahaya: perhatikan bahwa titik itu melambat di medium yang lebih rapat!
Serat optik: pipa cahaya
Serat optik adalah benang kaca setipis rambut. Intinya (core) berindeks bias sedikit lebih besar daripada selubungnya (cladding). Cahaya laser yang masuk dengan sudut landai terus-menerus mengalami pemantulan internal total, sehingga terpandu sampai ratusan kilometer, bahkan melalui tikungan.
Cahaya terpantul total berkali-kali di dalam inti serat optik. (Pantulan digambar jauh lebih curam dan lebih jarang daripada aslinya agar mudah dilihat.)
Fisika IndonesiaPalapa Ring adalah "tol langit" Indonesia: jaringan kabel serat optik nasional sepanjang sekitar 12.000 km, yang sebagian besar digelar di dasar laut, menghubungkan pulau-pulau dari Sumatra sampai Papua. Proyek ini rampung pada 2019. Saat kamu menonton video belajar di Sorong atau di Natuna, datanya kemungkinan besar meluncur sebagai kedipan cahaya yang terpantul total miliaran kali di dalam serat kaca!
Fatamorgana di jalan tol
Siang terik di jalan tol, aspal di kejauhan tampak "basah berkilau" seperti genangan. Udara tepat di atas aspal panas lebih renggang, sehingga indeks biasnya sedikit lebih kecil. Cahaya dari langit yang turun landai terus dibelokkan menjauhi normal, lapis demi lapis, sampai akhirnya berbelok naik ke matamu. Yang kamu lihat sebenarnya adalah bayangan langit. Inilah fatamorgana: saudara pemantulan internal total, tetapi terjadi secara bertahap.
"Genangan air di jalan tol yang panas itu nyata, hanya cepat kering."
Itu fatamorgana: bayangan langit akibat cahaya yang dibelokkan lapisan udara panas di atas aspal. "Genangan" itu selalu menjauh saat kamu mendekat, dan bisa difoto, karena cahayanya memang nyata, hanya arahnya yang menipu.
"Cahaya selalu merambat lurus, jadi kabel internet harus lurus juga."
Di dalam serat optik, cahaya dipandu oleh pemantulan internal total, sehingga ia ikut membelok di tikungan kabel, asalkan tikungannya tidak terlalu tajam. Kabel Palapa Ring meliuk mengikuti dasar laut.
20.5Prisma, dispersi, dan pelangi
Saat cahaya melewati prisma kaca, cahaya dibiaskan dua kali: saat masuk dan saat keluar. Sinar akhirnya dibelokkan menjauhi puncak prisma sebesar sudut deviasi \(D\). Untuk prisma dengan sudut puncak \(\beta\), sudut deviasi paling kecil (deviasi minimum) terjadi ketika sinar melintas simetris di dalam prisma:
\[ n = \frac{\sin\tfrac12(\beta + D_\text{min})}{\sin\tfrac12\beta} \]
Untuk prisma tipis (sudut puncak kecil), rumusnya menyederhana menjadi \(D_\text{min} \approx (n - 1)\beta\).
Yang menakjubkan: indeks bias kaca sedikit berbeda untuk tiap warna. Cahaya ungu "lebih lambat" di kaca daripada cahaya merah, sehingga ungu dibelokkan paling kuat. Cahaya putih pun terurai menjadi spektrum. Peristiwa ini disebut dispersi.
Trik Kak Nara: MeJiKuHiBiNiUUrutan warna pelangi dari yang paling sedikit dibelokkan: Merah, Jingga, Kuning, Hijau, Biru, Nila, Ungu. Merah memiliki panjang gelombang terpanjang dan dibelokkan paling sedikit. Ungu memiliki panjang gelombang terpendek dan dibelokkan paling banyak.
Prisma kaca sama sisi (\(\beta = 60^\circ\)) memiliki indeks bias 1,50. Berapa sudut deviasi minimumnya?
\(\sin\tfrac12(60^\circ + D_\text{min}) = n \sin 30^\circ\), yaitu \(1{,}50 \times 0{,}5 = 0{,}75\).
Sinar dibelokkan sekitar 37°. Rumus prisma tipis \((n-1)\beta = 30^\circ\) meleset cukup jauh, karena 60° jelas bukan sudut "tipis".
Sinar Matahari (putih) menuju setetes air hujan yang bulat.
Saat masuk, cahaya dibiaskan. Ungu dibelokkan sedikit lebih kuat daripada merah, sehingga warna mulai terurai (pemisahan di gambar dilebihkan agar terlihat).
Di sisi belakang tetes, cahaya dipantulkan kembali ke dalam.
Saat keluar, cahaya dibiaskan lagi. Cahaya merah keluar membentuk sudut sekitar 42° terhadap arah sinar Matahari, sedangkan ungu sekitar 40°.
Jutaan tetes bekerja sama. Matamu menerima merah dari tetes yang lebih tinggi dan ungu dari tetes yang lebih rendah. Karena itu, merah selalu berada di busur luar pelangi, dan pelangi hanya terlihat saat Matahari di belakangmu.
Tamu dari masa laluPada 1666, Isaac Newton yang berusia 23 tahun menggelapkan kamarnya, membuat lubang kecil di jendela, lalu menaruh prisma di jalan sinar Matahari. Muncullah pita pelangi di dinding. Ia lalu menaruh prisma kedua untuk menyatukan kembali warna-warna itu menjadi putih. Kesimpulannya mengejutkan zamannya: cahaya putih bukan cahaya "murni", melainkan campuran semua warna.
Pelangi muncul setelah hujan saat Matahari bersinar di belakangmu. Setiap tetes air bekerja seperti prisma mini yang memecah cahaya putih menjadi tujuh warna.
20.6Lensa cembung dan lensa cekung
Lensa adalah benda bening yang dibatasi permukaan lengkung. Lensa cembung (konveks) lebih tebal di tengah dan mengumpulkan sinar sejajar ke satu titik fokus, sehingga disebut lensa positif. Lensa cekung (konkaf) lebih tipis di tengah dan menyebarkan sinar seolah-olah berasal dari satu titik fokus, sehingga disebut lensa negatif. Lensa punya dua titik fokus, \(F_1\) di depan dan \(F_2\) di belakang.
Tiga sinar istimewa lensa:
sinar sejajar sumbu utama dibiaskan melalui \(F_2\) (lensa cembung) atau seolah-olah berasal dari \(F_1\) (lensa cekung);
sinar melalui pusat optik lensa diteruskan tanpa dibelokkan;
sinar yang melalui \(F_1\) (lensa cembung) atau yang arahnya menuju \(F_2\) (lensa cekung) dibiaskan sejajar sumbu utama.
Kabar baiknya, rumus \(\tfrac1f = \tfrac1s + \tfrac1{s'}\) dan \(M = -s'/s\) sama persis dengan rumus cermin, termasuk perjanjian tandanya. Bedanya hanya satu: bayangan nyata lensa berada di belakang lensa (di seberang benda), sedangkan bayangan nyata cermin berada di depan cermin.
Pilih alat optik, lalu seret panah hijau (benda) maju-mundur atau naik-turun. Tekan Jalankan agar benda berjalan sendiri dari jauh mendekati alat optik. Garis tebal adalah sinar sungguhan, garis putus-putus adalah perpanjangan sinar ke belakang (pembentuk bayangan maya). Coba buat bayangan nyata yang sama besar dengan bendanya. Di mana bendanya harus diletakkan?
Lensa cembung membentuk bayangan lilin yang tajam di layar. Lalu separuh atas lensa ditutup kertas hitam. Apa yang terjadi pada bayangan di layar?
Hanya separuh bawah bayangan lilin yang tersisa.
Hanya separuh atas bayangan lilin yang tersisa.
Bayangan tetap utuh, tetapi lebih redup.
Bayangan hilang sama sekali.
Bayangan tetap utuh, hanya lebih redup! Setiap titik pada lilin memancarkan cahaya ke seluruh permukaan lensa. Setiap bagian lensa, termasuk separuh bawahnya, mampu membentuk bayangan seluruh lilin. Menutup separuh lensa hanya mengurangi jumlah cahaya yang terkumpul. Coba sendiri di rumah dengan lup!
Daya lensa: satuan di resep kacamata
Ahli optik tidak memakai jarak fokus, melainkan daya lensa \(P\) dalam satuan dioptri (D):
\[ P = \frac{1}{f\ (\text{meter})} = \frac{100}{f\ (\text{cm})}. \]
Lensa cembung berdaya positif ("plus"), dan lensa cekung berdaya negatif ("minus"). Dua lensa tipis yang ditempelkan rapat (berimpit) dayanya tinggal dijumlahkan: \(P_\text{gabungan} = P_1 + P_2\).
Raka ingin membuat proyektor sederhana. Gambar (benda) harus diperbesar 50 kali di dinding yang berjarak 4 m dari lensa. Berapa jarak gambar ke lensa, dan berapa jarak fokus lensa yang dibutuhkan?
Bayangan nyata di dinding: \(s' = 400\) cm. Bayangan proyektor terbalik, jadi \(M = -50\) (itu sebabnya film dipasang terbalik).
\(M = -s'/s \Rightarrow s = s'/50 = 400/50 = 8\) cm.
\(\dfrac1f = \dfrac18 + \dfrac1{400} = \dfrac{50 + 1}{400} = \dfrac{51}{400}\), jadi \(f = 400/51 \approx 7{,}84\) cm.
Gambar diletakkan 8 cm dari lensa cembung berfokus ±7,8 cm, yaitu sedikit di luar titik fokus (ruang II). Bayangannya jatuh jauh di ruang III. Ingat trik ruang: 2 + 3 = 5.
Lanjut · IB & olimpiadeRumus pembuat lensaJarak fokus lensa ditentukan oleh bahan dan kelengkungannya: \[ \frac1f = \left(\frac{n_\text{lensa}}{n_\text{medium}} - 1\right)\left(\frac{1}{R_1} - \frac{1}{R_2}\right), \] dengan \(R\) positif untuk permukaan yang cembung ke arah datangnya cahaya. Akibat menariknya: lensa kaca (\(n = 1{,}5\)) yang dicelupkan ke air (\(n = 4/3\)) faktor pertamanya turun dari 0,5 menjadi 0,125, sehingga jarak fokusnya menjadi empat kali lebih panjang. Itulah sebabnya mata kita kabur di dalam air: kornea kehilangan sebagian besar daya biasnya. Kacamata renang mengembalikan lapisan udara di depan kornea.
20.7Mata, kacamata, lup, mikroskop, dan teleskop
Mata adalah kamera paling canggih yang kamu miliki. Kornea dan lensa mata membiaskan cahaya sehingga bayangan jatuh di retina. Bayangan itu nyata dan terbalik, lalu otak "membaliknya" kembali. Jarak lensa ke retina tetap, jadi bagaimana mata bisa memfokuskan benda dekat dan jauh? Otot siliar mengubah kecembungan lensa mata. Lensa dibuat tipis untuk melihat jauh dan lebih cembung untuk melihat dekat. Kemampuan ini disebut daya akomodasi.
Titik dekat (punctum proximum, PP): jarak terdekat yang masih terlihat tajam. Untuk mata normal, PP = 25 cm.
Titik jauh (punctum remotum, PR): jarak terjauh yang masih terlihat tajam. Untuk mata normal, PR = tak hingga.
Cacat mata
Gejala
Bayangan jatuh
Kacamata
Daya lensa
Miopi (rabun jauh, "mata minus")
PR terbatas, papan tulis kabur
di depan retina
lensa cekung (−)
\(P = -\dfrac{100}{\text{PR (cm)}}\)
Hipermetropi (rabun dekat, "mata plus")
PP > 25 cm, buku kabur
di belakang retina
lensa cembung (+)
\(P = 4 - \dfrac{100}{\text{PP (cm)}}\)
Presbiopi (mata tua)
daya akomodasi melemah karena usia
di belakang retina untuk benda dekat
kacamata baca (+) atau lensa bifokal
seperti hipermetropi
Astigmatisme (silinder)
garis pada arah tertentu kabur
tidak di satu titik
lensa silinder
(di luar bab ini)
Angka 4 pada rumus hipermetropi berasal dari \(100/25\): kacamata baca harus membuat buku yang dipegang di jarak baca normal (25 cm) tampak seolah berada di titik dekat mata itu.
Pilih kondisi mata, lalu geser jarak benda. Perhatikan lensa mata yang menebal saat melihat dekat (akomodasi). Untuk mata miopi, cari jarak saat sinar mulai berkumpul di depan retina. Lalu geser daya kacamata sampai penglihatan tajam kembali. Apakah hasilnya cocok dengan resep yang disarankan?
Raka hanya bisa melihat tajam sampai jarak 2 m. Berapa daya kacamata yang ia butuhkan?
Mata miopi dengan PR = 200 cm.
\(P = -\dfrac{100}{200} = -0{,}5\) dioptri.
Raka butuh kacamata minus setengah (−0,50 D), yaitu lensa cekung dengan \(f = -2\) m.
Titik dekat mata Nenek 100 cm. Berapa daya kacamata agar Nenek bisa membaca koran pada jarak 25 cm?
Kacamata harus membentuk bayangan maya koran di titik dekat Nenek: \(s = 25\) cm, \(s' = -100\) cm.
\(\dfrac1f = \dfrac{1}{25} + \dfrac{1}{-100} = \dfrac{4 - 1}{100} = \dfrac{3}{100}\), jadi \(f = 33{,}3\) cm.
\(P = 100/33{,}3 = +3\) dioptri. Hasilnya sama dengan rumus cepat \(P = 4 - 100/\text{PP}\), yaitu \(4 - 1 = 3\).
Nenek butuh kacamata plus 3 (lensa cembung).
"Memakai kacamata minus membuat minusnya makin parah."
Kacamata yang sesuai resep tidak memperparah miopi. Minus pada anak umumnya bertambah karena bola mata masih tumbuh memanjang. Kebiasaan melihat dekat terlalu lama dan kurang bermain di luar ruangan ikut berperan. Periksakan matamu rutin!
"Banyak makan wortel bisa menyembuhkan mata minus."
Vitamin A dalam wortel penting untuk kesehatan retina, terutama penglihatan malam. Namun, miopi adalah soal ukuran dan bentuk bola mata. Masalah optik itu tidak bisa diubah oleh makanan.
Lup: kaca pembesar Tarsi
Lup adalah satu lensa cembung. Benda diletakkan di dalam jarak fokus (ruang I), sehingga terbentuk bayangan maya, tegak, dan diperbesar. Perbesaran sudutnya:
dengan \(f\) dalam cm. \(M_\text{santai}\) berlaku untuk mata santai (tanpa akomodasi), sedangkan \(M_\text{maks}\) berlaku saat mata berakomodasi maksimum. Lup berfokus 5 cm memperbesar 5 kali untuk mata santai. Tukang reparasi jam dan penjual batu akik memakainya setiap hari.
Mikroskop dan teleskop: dua lensa bekerja sama
Mikroskop memakai lensa objektif berfokus sangat pendek untuk membuat bayangan nyata yang sudah diperbesar. Bayangan itu lalu diperbesar lagi oleh lensa okuler yang berfungsi sebagai lup. Perbesaran totalnya adalah hasil kali keduanya. Untuk mata santai:
Teleskop bintang (teropong) memakai objektif berfokus panjang untuk mengumpulkan cahaya benda jauh. Untuk mata santai, panjang teropong \(d = f_\text{ob} + f_\text{ok}\) dan perbesarannya \(M = f_\text{ob}/f_\text{ok}\).
Teropong sederhana memakai objektif \(f_\text{ob} = 100\) cm dan okuler \(f_\text{ok} = 5\) cm. Berapa perbesaran dan panjang teropong untuk mata santai?
Bulan tampak 20 kali lebih besar. Kawah-kawahnya pun terlihat. Bayangannya terbalik, tetapi untuk mengamati bintang itu tidak masalah.
Fisika IndonesiaSejak 1928, Observatorium Bosscha di Lembang, Jawa Barat, memakai teleskop Refraktor Ganda Zeiss dengan lensa objektif berdiameter 60 cm dan panjang fokus sekitar 10,7 m. Di Gunung Timau, Nusa Tenggara Timur, Indonesia membangun Observatorium Nasional dengan teleskop pemantul yang memakai cermin cekung raksasa berdiameter sekitar 3,8 m. Langit NTT yang kering dan gelap sangat cocok untuk mengintip galaksi jauh.
🏍️
Spion & cermin tikungan
Cermin cembung di spion motor dan di tikungan tajam jalan pegunungan memperlihatkan daerah luas dalam bayangan kecil.
🔦
Senter & lampu motor
Bola lampu diletakkan di titik fokus cermin cekung, sehingga cahaya dipantulkan menjadi berkas sejajar yang menembus jauh.
🌐
Internet serat optik
Kabel Palapa Ring memandu kedipan cahaya laser lewat pemantulan internal total dari pulau ke pulau.
👓
Kacamata pelajar
Lensa cekung (minus) menolong mata miopi. Lensa cembung (plus) menolong hipermetropi dan presbiopi.
💎
Lup penjual batu akik
Lensa cembung dengan benda di dalam jarak fokus memberi bayangan maya yang diperbesar, cukup untuk memeriksa urat batu.
🌈
Pelangi sore tropis
Hujan sore dengan Matahari yang rendah di barat sering menghadirkan pelangi di langit timur.
Spion motor memakai cermin cembung karena…
bayangannya diperbesar
bayangannya nyata
bayangannya terbalik
bidang pandangnya luas
Cermin cembung selalu memberi bayangan maya, tegak, dan diperkecil, sehingga daerah yang luas di belakang motor muat di cermin kecil.
Cahaya merambat dari udara ke air dengan sudut datang 40°. Sinar biasnya…
mendekati garis normal, sudut bias kurang dari 40°
menjauhi garis normal, sudut bias lebih dari 40°
lurus tanpa berbelok
dipantulkan total
Air lebih rapat daripada udara (\(n\) lebih besar), sehingga sinar melambat dan membelok mendekati normal: \(\sin\theta_2 = \sin 40^\circ/1{,}33\), jadi \(\theta_2 \approx 29^\circ\).
Titik jauh mata Sari 50 cm. Kacamata yang tepat untuknya adalah…
lensa cembung +2 D
lensa cekung −0,5 D
lensa cekung −2 D
lensa cembung +0,5 D
Sari menderita miopi: \(P = -100/\text{PR}\), jadi \(P = -100/50 = -2\) dioptri (lensa cekung).
21
Bab 21 · Gelombang & Cahaya
Cahaya Itu Gelombang: Pelangi Tanpa Prisma
Gelembung sabun yang bening bisa berwarna-warni. Kepingan CD bekas memantulkan pelangi. Kacamata pemancing bisa "menghapus" silau di permukaan air. Semua keajaiban itu terjadi karena cahaya adalah gelombang: ia bisa saling menguatkan, saling meniadakan, menyelinap di balik celah, dan bergetar ke arah tertentu.
Setelah bab ini, kamu bisa
menceritakan bukti bahwa cahaya adalah gelombang elektromagnetik dan memakai prinsip Huygens;
menghitung pola interferensi celah ganda Young dengan \(d\sin\theta = m\lambda\) dan \(\Delta y = \lambda L/d\);
menjelaskan warna lapisan tipis seperti gelembung sabun dan minyak di aspal basah;
menganalisis difraksi celah tunggal, kisi difraksi, dan daya urai alat optik;
menjelaskan polarisasi dan memakai hukum Malus \(I = I_0\cos^2\theta\).
Pelangi Tanpa Prisma Komik · 4 panel
Jam istirahat, halaman sekolah
RakaLihat! Gelembungku warna-warni kayak pelangi!
SariAneh. Air sabunnya bening, sama sekali nggak ada pewarnanya. Prisma juga nggak ada. Warnanya dari mana?
BLING!
RakaCD bekas Bapak juga ada pelanginya! Padahal permukaannya cuma plastik mengilap.
Kak Nara memakai kacamata pemancing
Kak NaraTidak ada cat di sana. Warna itu lahir dari gelombang cahaya yang saling menguatkan dan saling meniadakan. Kacamata polaroidku juga memanfaatkan sifat gelombang cahaya!
Sinar laser merah ditembakkan ke selembar kertas timah yang punya dua celah sangat sempit berdekatan. Apa yang tampak di dinding di belakangnya?
Dua garis merah, seperti "bayangan" kedua celah.
Satu titik merah yang dua kali lebih terang.
Banyak garis merah yang berselang-seling dengan garis gelap.
Dinding terang merata, karena cahayanya menyebar.
Jawabannya: banyak garis terang-gelap berselang-seling! Jika cahaya hanya berupa butiran yang melesat lurus, kita akan melihat dua garis saja. Kenyataannya, gelombang dari kedua celah saling bertumpuk. Di beberapa tempat puncak bertemu puncak (terang), dan di tempat lain puncak bertemu lembah (gelap). Pola inilah yang membuat Thomas Young yakin bahwa cahaya adalah gelombang.
21.1Cahaya: butiran atau gelombang?
Pada akhir abad ke-17, dua raksasa sains berbeda pendapat. Isaac Newton berpendapat cahaya adalah aliran butiran sangat kecil (teori korpuskular). Butiran melesat lurus, memantul seperti bola, dan cocok menjelaskan bayangan yang tajam. Christiaan Huygens dari Belanda (1678) berpendapat cahaya adalah gelombang, seperti riak di kolam. Karena nama besar Newton, teori butiran menang selama lebih dari seratus tahun.
Lalu, pada awal 1800-an, Thomas Young melewatkan cahaya melalui dua celah sempit dan melihat pola terang-gelap. Butiran tidak mungkin saling meniadakan, tetapi gelombang bisa. Pada 1860-an, James Clerk Maxwell membuktikan secara matematis bahwa cahaya adalah gelombang elektromagnetik: getaran medan listrik dan medan magnet yang merambat dengan laju \(c \approx 3 \times 10^8\) m/s, bahkan tanpa medium.
Tamu dari masa lalu: bintik yang mustahilPada 1818, Augustin Fresnel mengikuti lomba ilmiah di Paris dengan teori gelombang cahaya. Salah satu juri, Siméon Poisson, pendukung teori butiran, menghitung bahwa jika teori Fresnel benar, maka di tengah bayangan sebuah piringan bulat harus muncul bintik terang. "Konyol!" pikirnya. Juri lain, François Arago, langsung mencobanya, dan bintik terang itu memang ada! Bintik itu kini dijuluki bintik Arago atau bintik Poisson, dan Fresnel memenangkan lomba.
Spektrum gelombang elektromagnetik. Cahaya yang bisa dilihat mata hanyalah "jendela" sempit dengan panjang gelombang sekitar 380–750 nanometer (1 nm = 10⁻⁹ m).
Gampangnya: cahaya itu mirip riak air, tetapi riaknya sangat kecil. Jarak dari satu puncak ke puncak berikutnya kurang dari seperseribu milimeter. Warna cahaya ditentukan oleh panjang riak itu: merah paling panjang, ungu paling pendek.
Lanjut · IB & olimpiadeAkhir cerita yang mengejutkanTeori gelombang menang telak pada abad ke-19, tetapi pada 1905 Einstein menunjukkan bahwa cahaya juga datang dalam paket energi \(E = hf\) yang disebut foton (efek fotolistrik). Jadi, cahaya memiliki dualisme gelombang-partikel: ia merambat dan berinterferensi seperti gelombang, tetapi diserap dan dipancarkan dalam paket-paket. Jika celah ganda Young disinari foton satu per satu, setiap foton mendarat di satu titik, tetapi ribuan titik itu perlahan menyusun pola terang-gelap yang sama!
21.2Prinsip Huygens: setiap titik adalah sumber baru
Lempar batu ke kolam, lalu amati riaknya. Garis-garis puncak riak disebut muka gelombang. Huygens mengajukan aturan yang sangat sederhana:
Prinsip Huygens. Setiap titik pada muka gelombang berperilaku sebagai sumber gelombang kecil baru (anak gelombang). Muka gelombang berikutnya adalah garis singgung semua anak gelombang itu.
Aturan ini langsung menjelaskan pembiasan. Saat muka gelombang menumbuk kaca secara miring, ujung yang lebih dulu masuk menjadi lebih lambat (laju cahaya di kaca \(v = c/n\)). Ujung lainnya masih melaju di udara. Akibatnya, muka gelombang "terlipat" dan arahnya membelok, persis seperti barisan Paskibra di Bab 20.
Muka gelombang (biru) "terlipat" di batas udara-kaca, karena bagian yang sudah masuk kaca bergerak lebih lambat. Anak gelombang (busur putus-putus) di kaca lebih kecil. Sinar (oranye) yang tegak lurus muka gelombang ikut membelok mendekati normal.
Dari gambar itu dapat diturunkan \(\dfrac{\sin\theta_1}{\sin\theta_2} = \dfrac{v_1}{v_2} = \dfrac{n_2}{n_1}\), yaitu hukum Snell! Perhatikan juga bahwa muka gelombang di kaca lebih rapat: panjang gelombang memendek menjadi \(\lambda/n\), sedangkan frekuensinya tetap.
Prinsip Huygens juga meramalkan bahwa gelombang yang melewati celah akan menyebar ke balik tepi celah. Peristiwa ini disebut difraksi. Penyebarannya paling jelas jika lebar celah kira-kira sebesar panjang gelombangnya. Bunyi (\(\lambda \approx 1\) m) mudah berbelok di balik pintu, sehingga kamu bisa mendengar teman yang memanggil dari ruang sebelah. Cahaya (\(\lambda \approx 0{,}0005\) mm) hanya berbelok jelas di celah yang sangat sempit. Itulah sebabnya Newton mengira cahaya selalu merambat lurus.
21.3Interferensi celah ganda Young
Dua gelombang yang bertemu akan dijumlahkan (prinsip superposisi dari Bab 18). Jika puncak bertemu puncak, hasilnya saling menguatkan (interferensi konstruktif, terang). Jika puncak bertemu lembah, hasilnya saling meniadakan (interferensi destruktif, gelap).
Syaratnya, kedua sumber harus koheren: frekuensinya sama dan beda fasenya tetap. Dua senter biasa tidak koheren, karena cahayanya terdiri atas jutaan "paket" gelombang yang fasenya berubah acak triliunan kali per detik, sehingga polanya berganti terlalu cepat untuk dilihat. Akal Young: ambil satu sumber cahaya, lalu belah menjadi dua dengan dua celah. Kedua celah lalu bergetar serempak.
Laser menyinari penghalang yang memiliki dua celah sempit \(S_1\) dan \(S_2\) berjarak \(d\). Layar diletakkan sejauh \(L\).
Menurut Huygens, tiap celah menjadi sumber gelombang baru. Karena berasal dari laser yang sama, keduanya bergetar serempak (koheren).
Titik tengah layar berjarak sama dari kedua celah. Puncak bertemu puncak, sehingga terbentuk terang pusat. Kotak kecil menunjukkan gelombang biru + oranye = gelombang ungu yang besar.
Sedikit ke atas, lintasan dari \(S_2\) lebih panjang setengah panjang gelombang. Puncak bertemu lembah, sehingga keduanya saling meniadakan: pita gelap.
Lebih ke atas lagi, beda lintasannya tepat satu panjang gelombang. Puncak bertemu puncak lagi: terang orde 1.
Karena \(L \gg d\), kedua sinar hampir sejajar dan beda lintasannya \(\Delta = d\sin\theta\). Terang terjadi saat \(\Delta = m\lambda\). (Gambar tidak berskala: pada percobaan sungguhan, \(\lambda\) jauh lebih kecil daripada \(d\).)
Untuk celah berjarak \(d\), titik di layar yang membentuk sudut \(\theta\) menerima dua gelombang dengan beda lintasan \(\Delta = d\sin\theta\).
Jarak antara dua pita terang yang berdekatan (atau dua pita gelap yang berdekatan) disebut lebar pita \(\Delta y\):
Di kiri, kamu melihat gelombang yang keluar dari dua celah (diperbesar). Garis-garis gelap yang memancar adalah tempat gelombang selalu saling meniadakan. Di kanan, kamu melihat layar dengan skala milimeter asli. Ubah warna, jarak celah, dan jarak layar. Klik layar untuk mengukur beda lintasan di titik itu. Kapan beda lintasannya bilangan bulat kali λ?
Cahaya laser 600 nm melewati celah ganda yang berjarak 0,30 mm. Layar diletakkan 1,5 m dari celah. Berapa jarak antara dua pita terang yang berdekatan?
Ubah ke meter: \(\lambda = 600 \times 10^{-9}\) m dan \(d = 0{,}30 \times 10^{-3}\) m.
Pita terang berulang setiap 3,0 mm, cukup lebar untuk diukur dengan penggaris biasa.
Sari mengukur jarak dari pita terang pusat ke pita terang keempat: 10,0 mm. Jarak celah 0,25 mm dan jarak layar 1,20 m. Berapa panjang gelombang cahayanya?
\(\lambda \approx 5{,}2 \times 10^{-7}\) m \(= 520\) nm.
Panjang gelombangnya sekitar 520 nm, yaitu cahaya hijau. Mengukur beberapa pita sekaligus lalu membaginya membuat hasil lebih teliti daripada mengukur satu pita saja.
Awas jebakanPita gelap tidak berarti energi cahaya "musnah". Energi itu hanya dipindahkan: cahaya yang "hilang" di pita gelap muncul sebagai tambahan terang di pita terang. Total energinya tetap sama. Puncak pita terang celah ganda bahkan empat kali lebih terang daripada cahaya dari satu celah saja, bukan dua kali.
Lanjut · IB & olimpiadeIntensitas dan keping kaca di depan celahJika tiap celah sendirian memberi intensitas \(I_0\), pola celah ganda adalah \[ I = 4I_0\cos^2\!\left(\frac{\pi d\sin\theta}{\lambda}\right). \] Jika satu celah ditutup keping bening tipis setebal \(t\) dengan indeks bias \(n\), lintasan optik di celah itu bertambah \((n - 1)t\). Seluruh pola bergeser ke arah celah yang ditutup sejauh \(\dfrac{(n-1)tL}{d}\). Dengan menghitung banyaknya pita yang bergeser, kamu dapat mengukur ketebalan selaput yang sangat tipis.
21.4Lapisan tipis: rahasia gelembung sabun
Dinding gelembung sabun hanya setebal ratusan nanometer, seukuran panjang gelombang cahaya. Cahaya dipantulkan dua kali: oleh permukaan luar dan oleh permukaan dalam lapisan. Kedua pantulan itu lalu berinterferensi di matamu.
Pantulan kedua menempuh jarak tambahan bolak-balik di dalam lapisan, yaitu \(2nt\) untuk cahaya yang datang tegak lurus (\(t\) = tebal lapisan, \(n\) = indeks bias).
Pantulan dari medium yang lebih rapat membalik gelombang (bergeser setengah panjang gelombang), seperti pantulan gelombang tali di ujung tetap (Bab 18). Pada gelembung sabun, hanya pantulan luar yang terbalik.
Hasilnya, untuk lapisan sabun atau minyak di udara:
Setiap ketebalan "memilih" warna yang diperkuat. Karena tebal dinding gelembung berbeda-beda dan terus berubah saat air sabun mengalir turun, warnanya berputar-putar seperti pusaran pelangi. Menjelang pecah, bagian atas gelembung menjadi sangat tipis dan tampak hitam: kedua pantulan saling meniadakan untuk semua warna.
Tonton lapisan sabun yang perlahan menipis karena airnya mengalir ke bawah. Klik atau seret di lapisan untuk membaca ketebalan dan warna yang diperkuat di titik itu. Bagian mana yang menjadi hitam lebih dulu? Coba juga mode minyak di aspal basah.
Sebagian dinding gelembung sabun (\(n = 1{,}33\)) tampak hijau terang karena cahaya 532 nm diperkuat. Berapa tebal minimum dinding di bagian itu?
Tebal minimum berarti \(m = 0\): \(2nt = \tfrac12\lambda\).
Tebal dindingnya hanya sekitar 100 nm, kira-kira seperseribu tebal rambutmu!
Trik Kak Nara: hitung pembalikannya duluSebelum memakai rumus lapisan tipis, hitung berapa pantulan yang terbalik (pantulan dari medium yang lebih rapat). Satu pembalikan (gelembung sabun, minyak di atas air): terang saat \(2nt = (m + \tfrac12)\lambda\). Nol atau dua pembalikan (lapisan antipantul \(\mathrm{MgF_2}\) di atas kaca): syaratnya tertukar, sehingga terang saat \(2nt = m\lambda\) dan gelap saat \(2nt = (m + \tfrac12)\lambda\).
Lapisan antipantul pada kacamata dan lensa kamera memakai prinsip ini secara terbalik. Lapisan bening setebal \(\lambda/(4n)\) membuat kedua pantulan saling meniadakan, sehingga lebih banyak cahaya yang menembus lensa dan pantulan yang menyilaukan berkurang. Karena tebalnya disetel untuk cahaya hijau-kuning, sisa pantulannya tampak keunguan.
Fisika IndonesiaSulawesi, rumah Tarsi, adalah habitat kupu-kupu merak Sulawesi (Papilio blumei). Sayapnya berkilau hijau-biru, tetapi warna itu bukan pigmen! Sisik sayapnya tersusun dari lapisan-lapisan tipis berpola yang memperkuat panjang gelombang tertentu lewat interferensi. Ini disebut warna struktural. Sehabis hujan, kamu juga bisa melihat "pelangi" pada genangan berminyak di jalan beraspal: lapisan oli setipis ratusan nanometer yang mengapung di atas air.
21.5Difraksi celah tunggal dan kisi difraksi
Cahaya yang melewati satu celah sempit selebar \(a\) juga membentuk pola: pita terang pusat yang lebar, diapit pita-pita redup. Bayangkan celah dibagi dua bagian, atas dan bawah. Pada sudut tertentu, setiap anak gelombang di bagian atas berpasangan dengan anak gelombang di bagian bawah yang berbeda lintasan \(\lambda/2\), sehingga semuanya saling meniadakan. Pita gelap celah tunggal terjadi pada
Makin sempit celahnya, makin lebar penyebaran cahayanya. Coba intip lampu dari celah sempit di antara dua jarimu. Garis-garis tipis yang tampak di celah itu adalah pola difraksi!
Celah tunggal disinari laser. Jika celahnya dibuat lebih sempit, pita terang di tengah layar menjadi…
lebih sempit, karena lubangnya lebih kecil.
lebih lebar (tetapi lebih redup).
tetap sama lebarnya, hanya lebih redup.
terpecah menjadi dua pita terang.
Lebih lebar! Dari \(a\sin\theta = \lambda\), celah yang lebih sempit (\(a\) kecil) membuat sudut pita gelap pertama makin besar. Inilah keanehan gelombang: makin kamu "mengurung" cahaya, makin ia menyebar. Cahayanya juga lebih redup karena celah sempit meloloskan lebih sedikit cahaya.
Kisi difraksi: ribuan celah sekaligus
Kisi difraksi adalah lempeng yang memiliki ratusan sampai ribuan celah sejajar per milimeter. Jika ada \(N\) celah per satuan panjang, jarak antarcelahnya \(d = 1/N\). Pita terangnya memenuhi rumus yang sama dengan celah ganda:
\[ d\sin\theta = m\lambda. \]
Bedanya, karena celahnya sangat banyak, pita terang kisi menjadi sangat tajam dan terang, sedangkan bagian di antaranya hampir gelap. Setiap warna dibelokkan ke sudut yang berbeda, sehingga cahaya putih terurai menjadi spektrum yang jauh lebih lebar daripada spektrum prisma. Alur rekaman pada CD berjarak sekitar 1,6 μm, sehingga CD bekerja seperti kisi berkerapatan ±625 garis/mm. Itulah pelangi di CD bekas Raka!
Pilih lampu, lalu seret teropong (garis kuning) atau klik sebuah garis di panel spektrum agar teropong mengarah ke sana. Spektrometer langsung menghitung \(\lambda = d\sin\theta/m\). Misi detektif: pilih Lampu misterius, ukur panjang gelombang setiap garisnya, lalu cocokkan dengan tabel di bawah. Unsur apakah gas di dalamnya?
Unsur
Garis spektrum terang (nm)
Hidrogen
410, 434, 486, 656
Helium
447, 471, 492, 502, 588, 668, 707
Natrium
589,0 dan 589,6 (kembar kuning)
Raksa (merkuri)
405, 436, 546, 577, 579
Tamu dari masa lalu: unsur dari MatahariSaat gerhana Matahari total 18 Agustus 1868, astronom Pierre Janssen yang mengamati dari India melihat garis kuning terang pada spektrum Matahari di dekat 588 nm. Garis itu tidak cocok dengan unsur apa pun yang dikenal di Bumi. Norman Lockyer menamainya helium, dari helios (Matahari). Helium baru ditemukan di Bumi 27 tahun kemudian. Spektroskopi memungkinkan kita mengetahui bahan penyusun bintang tanpa pernah ke sana!
CD bekerja seperti kisi 625 garis/mm. Laser merah 650 nm disorotkan tegak lurus ke CD. Pada sudut berapa saja pita terang muncul?
\(d = \dfrac{1}{625}\) mm \(= 1{,}6\) μm \(= 1600\) nm.
Orde 3: \(\sin\theta_3 = \dfrac{1950}{1600} \gt 1\). Tidak ada!
Hanya ada pita pusat dan dua orde di tiap sisi, yaitu 5 titik merah di dinding. DVD yang alurnya lebih rapat (0,74 μm) membelokkan cahaya jauh lebih kuat.
21.6Daya urai: kenapa dua lampu jauh tampak menyatu
Pada malam hari, mobil yang mendekat dari kejauhan tampak hanya punya satu lampu, walaupun sebenarnya ada dua lampu yang berjarak lebih dari satu meter. Penyebabnya bukan mata yang "kurang tajam", melainkan difraksi! Cahaya yang masuk melalui lubang bundar (pupil mata atau lensa teleskop) menyebar menjadi bercak kecil, bukan titik. Jika dua bercak terlalu berdekatan, keduanya melebur.
Menurut kriteria Rayleigh, dua sumber cahaya tepat dapat dibedakan jika jarak sudutnya minimal
dengan \(D\) diameter bukaan (pupil atau lensa), dan \(\theta\) dalam radian. Untuk benda berjarak \(L\) yang terpisah sejauh \(x\), \(\theta \approx x/L\).
Pupil Raka di malam hari berdiameter 5 mm. Dua lampu sebuah mobil berjarak 1,5 m. Untuk cahaya 550 nm, dari jarak berapa kedua lampu mulai tampak menyatu?
\(L = \dfrac{x}{\theta_\text{min}} = \dfrac{1{,}5}{1{,}34 \times 10^{-4}} \approx 11.000\) m.
Secara teori, sekitar 11 km. Kenyataannya, kedua lampu sudah menyatu pada jarak yang lebih dekat, karena lensa mata tidak sempurna dan udara malam berkilauan. Teleskop besar seperti di Bosscha atau Timau mampu memisahkan bintang kembar yang sangat rapat karena \(D\)-nya ratusan kali lebih besar daripada pupil.
21.7Polarisasi: cahaya yang bergetar ke satu arah
Ikat tali ke tiang, lalu goyangkan ujungnya ke atas-bawah dan ke kiri-kanan secara acak. Sekarang lewatkan tali itu melalui celah pagar yang tegak. Hanya getaran atas-bawah yang lolos! Cahaya adalah gelombang transversal: medan listriknya bergetar tegak lurus arah rambat. Cahaya Matahari dan lampu bersifat tak terpolarisasi, artinya getarannya bergonta-ganti ke segala arah.
Polaroid (polarisator) adalah lembaran berisi molekul panjang yang tersusun sejajar. Lembaran ini hanya meloloskan getaran yang searah dengan sumbu transmisinya. Cahaya tak terpolarisasi yang melewati polaroid berkurang intensitasnya menjadi setengah dan keluar sebagai cahaya terpolarisasi linear.
Dua lensa kacamata polaroid ditumpuk, lalu salah satunya diputar perlahan sampai 90°. Apa yang terjadi pada cahaya yang tembus?
Makin terang, karena dua lensa lebih kuat menyaring silau.
Tidak berubah, karena lensanya bening dan simetris.
Makin redup, lalu hampir gelap total pada 90°.
Berubah warna menjadi biru.
Hampir gelap total! Polaroid pertama hanya meloloskan getaran searah sumbunya. Jika polaroid kedua diputar 90°, sumbunya tegak lurus getaran itu, sehingga hampir tidak ada yang lolos. Ini bukti kuat bahwa cahaya adalah gelombang transversal. Gelombang bunyi yang longitudinal tidak bisa dipolarisasi seperti ini.
Hukum Malus. Jika cahaya terpolarisasi berintensitas \(I_0\) melewati polarisator yang sumbunya membentuk sudut \(\theta\) dengan arah polarisasi cahaya, intensitas yang lolos adalah \(I = I_0\cos^2\theta\).
Putar polarisator dengan slider, atau seret naik-turun pada cakramnya. Panah-panah yang bergoyang menunjukkan arah getaran medan listrik. Buat dua polarisator bersilang (beda 90°) sampai cahayanya padam. Lalu nyalakan polarisator tengah dan putar ke 45°. Cahaya muncul lagi! Bagaimana mungkin menambah penghalang justru membuat lebih terang?
Polarisasi karena pantulan: musuh pemancing
Cahaya yang dipantulkan permukaan air, kaca, atau aspal basah sebagian besar terpolarisasi mendatar. Pada satu sudut khusus, yaitu sudut Brewster \(\theta_B\), cahaya pantulannya terpolarisasi sempurna:
\[ \tan\theta_B = \frac{n_2}{n_1}. \]
Untuk air, \(\theta_B \approx 53^\circ\). Kacamata polaroid memiliki sumbu transmisi tegak, sehingga silau mendatar dari permukaan sungai atau laut terblokir. Pemancing dan nelayan pun bisa melihat ikan di bawah permukaan air.
"Semua kacamata hitam pasti kacamata polaroid."
Kacamata hitam biasa hanya meredupkan semua cahaya secara merata. Kacamata polaroid secara khusus memblokir cahaya yang terpolarisasi mendatar. Cara mengujinya: lihat layar HP melalui kacamata itu, lalu miringkan kepalamu 90°. Jika layar menggelap, kacamatanya polaroid.
"Menambah polarisator di antara dua polarisator bersilang pasti tetap gelap."
Justru menjadi terang lagi! Polarisator tengah bersudut 45° "memutar" arah getaran sedikit demi sedikit: \(\tfrac12 I_0 \cdot \cos^2 45^\circ \cdot \cos^2 45^\circ = \tfrac18 I_0\). Polarisator tidak hanya menyaring, tetapi juga menentukan arah getaran baru.
Lanjut · IB & olimpiadeMemutar polarisasi hampir tanpa kehilanganGunakan \(N\) polarisator yang sumbunya berturut-turut diputar \(90^\circ/N\). Cahaya terpolarisasi yang melewatinya keluar dengan arah getaran yang berputar 90° dan intensitas \(I = I_0\left[\cos^2(\tfrac{\pi}{2N})\right]^N\). Untuk \(N\) besar, \(\cos^2 x \approx 1 - x^2\), sehingga \(I \approx I_0\left(1 - \tfrac{\pi^2}{4N}\right) \to I_0\). Polarisasi bisa diputar 90° hampir tanpa kehilangan cahaya! Kristal cair di layar LCD melakukan hal serupa dengan memilin arah getaran secara bertahap.
🎣
Kacamata nelayan
Lensa polaroid bersumbu tegak memblokir silau mendatar dari permukaan laut, sehingga ikan dan karang di bawah air tampak jelas.
📱
Layar LCD
Kristal cair diapit dua polarisator. Tegangan listrik mengatur seberapa jauh arah getaran cahaya dipelintir, sehingga tiap piksel bisa terang atau gelap.
👓
Lapisan antipantul
Lapisan setebal ±100 nm pada kacamata membuat dua pantulan saling meniadakan, sehingga pantulan yang mengganggu berkurang.
💿
CD dan DVD
Alur rekaman yang rapat berfungsi sebagai kisi difraksi dan memecah cahaya lampu menjadi pelangi.
🔭
Spektroskop observatorium
Kisi difraksi pada teleskop memecah cahaya bintang menjadi garis-garis spektrum, yang menjadi "sidik jari" unsur penyusun bintang.
💵
Tinta pengaman uang
Beberapa pecahan uang rupiah memakai tinta yang berubah warna saat dimiringkan. Tinta itu berisi serpihan berlapis tipis yang memanfaatkan interferensi.
Pada percobaan celah ganda, cahaya biru diganti cahaya merah tanpa mengubah susunan alat. Lebar pita terangnya…
menyempit
melebar
tetap
menjadi gelap semua
\(\Delta y = \lambda L/d\). Cahaya merah memiliki \(\lambda\) lebih panjang, sehingga pitanya melebar.
Menjelang pecah, bagian atas gelembung sabun tampak hitam karena…
sabunnya mengering dan menjadi gelap
cahaya terserap oleh sabun
gelembung sudah pecah di bagian itu
lapisannya sangat tipis sehingga kedua pantulan saling meniadakan
Jika \(t \ll \lambda\), beda lintasan hampir nol. Hanya pembalikan fase setengah gelombang di permukaan luar yang tersisa, sehingga kedua pantulan saling meniadakan untuk semua warna.
Gejala polarisasi membuktikan bahwa cahaya adalah gelombang…
transversal
longitudinal
mekanik
stasioner
Hanya gelombang transversal yang punya arah getar tegak lurus arah rambat, sehingga dapat "disaring" berdasarkan arah getarnya.
22
Bab 22 · Listrik & Magnet
Listrik Statis: Rambut Landak, Gagang Pintu, dan Petir
Kenapa rambutmu berdiri setelah disisir? Kenapa gagang pintu mobil kadang "menggigit" jarimu? Semuanya berasal dari partikel super kecil bernama elektron yang berpindah tempat. Pada skala raksasa, perpindahan yang sama melahirkan petir yang menggelegar di langit Indonesia.
Setelah bab ini, kamu bisa
menjelaskan muatan listrik, kuantisasi muatan, kekekalan muatan, serta pemuatan dengan gosokan, sentuhan, dan induksi;
menghitung gaya antarmuatan dengan hukum Coulomb dan kuat medan listrik \(E = kq/r^2\);
membaca pola garis medan dan bidang ekuipotensial, lalu memakai potensial listrik \(V\) dan usaha \(W = q\Delta V\);
menghitung kapasitas, muatan, dan energi kapasitor, termasuk susunan seri-paralel dan pengaruh dielektrik;
menjelaskan terjadinya petir, cara kerja penangkal petir, dan cara melindungi diri saat badai.
Rambut Landak & Angkot yang Menggigit Komik · 4 panel
Pagi, sebelum berangkat sekolah
RakaLihat, rambutku jadi landak gara-gara disisir! Kok bisa berdiri sendiri?
SariSisirmu juga bisa menarik sobekan kertas ini, tanpa menyentuh sama sekali! Gaya apa ini?
ZZZT!
RakaAUW! Angkotnya nyetrum!
Kak Nara menunjuk langit mendung
Kak NaraBukan angkotnya yang nyetrum. Tubuhmu sudah bermuatan karena bergesekan dengan jok. Percikan tadi adalah petir mini! Petir di langit Bogor bekerja dengan cara yang sama, hanya jutaan kali lebih dahsyat.
Sisir yang baru dipakai menyisir rambut kering bisa menarik sobekan kertas. Padahal sobekan kertas itu netral. Mengapa kertas netral bisa tertarik?
Karena kertas sebenarnya sudah bermuatan positif sejak awal.
Karena sisir berubah menjadi magnet setelah digosok.
Karena muatan di dalam kertas sedikit bergeser: sisi dekat sisir menjadi berlawanan muatan, sehingga tarikannya lebih kuat daripada tolakannya.
Karena sisir yang hangat menyedot udara beserta kertasnya.
Jawabannya: muatan di dalam kertas bergeser (polarisasi). Sisir bermuatan negatif menolak elektron di dalam molekul kertas sedikit menjauh. Sisi kertas yang dekat sisir menjadi agak positif, dan sisi jauhnya agak negatif. Karena gaya listrik melemah dengan jarak, tarikan pada sisi dekat lebih kuat daripada tolakan pada sisi jauh. Hasilnya, kertas netral pun tertarik!
22.1Muatan listrik: elektron yang suka berpindah
Semua benda tersusun atas atom. Di inti atom ada proton yang bermuatan positif. Di sekelilingnya ada elektron yang bermuatan negatif. Besar muatan proton dan elektron sama persis, hanya tandanya berlawanan. Atom yang jumlah proton dan elektronnya sama disebut netral.
Proton terkunci erat di inti, tetapi elektron di lapisan terluar atom bisa berpindah. Benda yang kelebihan elektron bermuatan negatif. Benda yang kekurangan elektron bermuatan positif. Aturan mainnya sederhana:
Muatan sejenis tolak-menolak, sedangkan muatan tak sejenis tarik-menarik.
Gampangnya: elektron itu seperti kelereng kecil yang bisa dicuri. Saat sisir menggosok rambut, sisir "mencuri" kelereng elektron dari rambut. Sisir jadi kelebihan elektron (negatif), rambut kekurangan elektron (positif). Helai-helai rambut yang sama-sama positif saling menolak, makanya berdiri seperti landak!
Dua hukum besar tentang muatan
Kuantisasi muatan. Muatan selalu kelipatan bulat muatan elementer \(e = 1{,}6 \times 10^{-19}\) C: \(q = ne\). Tidak ada benda bermuatan "setengah elektron". Satuan muatan adalah coulomb (C). Satu coulomb setara muatan sekitar \(6{,}25 \times 10^{18}\) elektron!
Kekekalan muatan. Muatan tidak bisa diciptakan atau dimusnahkan, hanya dipindahkan. Jika sisir mendapat \(-5\) nC, rambut pasti kehilangan elektron senilai \(+5\) nC.
Tiga cara memberi muatan
Cara
Yang terjadi
Contoh
Gosokan
elektron berpindah dari satu bahan ke bahan lain; kedua benda bermuatan berlawanan
sisir dan rambut, balon dan baju wol
Sentuhan (konduksi)
benda bermuatan menyentuh konduktor, lalu sebagian muatannya mengalir; muatannya sejenis
jari menyentuh gagang pintu, ZAP!
Induksi
benda bermuatan didekatkan (tanpa menyentuh) sehingga muatan di konduktor terpisah; jika dibumikan, konduktor mendapat muatan berlawanan
elektroskop, tanah di bawah awan petir
Bahan mana yang cenderung menjadi negatif saat digosok? Urutannya disebut deret triboelektrik. Bahan di ujung atas cenderung melepas elektron, dan bahan di ujung bawah cenderung menangkap elektron. Urutan ini bisa sedikit bergeser karena kelembapan dan kebersihan permukaan.
Konduktor (logam, tubuh manusia, air keran) membiarkan elektron mengalir bebas. Isolator (plastik, karet, kaca kering) menahan elektron di tempatnya. Karena itu, penggaris plastik bisa "menyimpan" muatan di bagian yang digosok saja.
Seret balon bolak-balik di rambut Raka untuk memindahkan elektron. Lalu dekatkan balon ke kepala elektroskop tanpa menyentuh. Kenapa daunnya membuka? Coba sentuhkan balon, coba juga tombol bumikan saat balon masih dekat, lalu jauhkan balonnya. Satu satuan muatan di sini mewakili sekitar 10 miliar elektron.
Awas jebakanSaat benda menjadi positif, yang berpindah bukan proton yang datang, melainkan elektron yang pergi. Pada peristiwa listrik statis sehari-hari, proton tidak pernah berpindah dari inti atomnya.
Setelah digosok ke rambut, sebuah balon bermuatan \(-8\) nC (\(1\) nC \(= 10^{-9}\) C). Berapa banyak elektron yang berpindah ke balon?
Lima puluh miliar elektron! Banyak sekali, tetapi masih sangat kecil dibandingkan jumlah elektron di dalam balon itu sendiri (sekitar \(10^{24}\)).
22.2Hukum Coulomb: seberapa kuat tarikan dan tolakan
Pada 1785, Charles-Augustin de Coulomb memakai neraca puntir yang sangat peka untuk mengukur gaya antara dua bola kecil bermuatan. Hasilnya:
\[ F = k\,\frac{q_1 q_2}{r^2}, \qquad k = \frac{1}{4\pi\varepsilon_0} \approx 9 \times 10^9\ \mathrm{N\,m^2/C^2}. \]
Rumus ini bercerita: gaya sebanding dengan hasil kali kedua muatan, dan berbanding terbalik dengan kuadrat jaraknya. Jarak dijadikan dua kali, gaya tinggal seperempat. \(\varepsilon_0 = 8{,}85 \times 10^{-12}\ \mathrm{C^2/(N\,m^2)}\) disebut permitivitas ruang hampa. Di dalam bahan seperti air, gaya listrik melemah sebesar faktor \(\varepsilon_r\) (permitivitas relatif bahan).
Seberapa kuat gaya listrik?Antara proton dan elektron di dalam atom hidrogen, gaya listriknya sekitar \(10^{39}\) kali gaya gravitasinya. Kita tidak merasakan gaya sebesar itu sehari-hari karena hampir semua benda netral: muatan positif dan negatifnya saling mengimbangi dengan sangat sempurna.
Muatan \(q_A = +2\) μC di \(x = 0\), \(q_B = -3\) μC di \(x = 30\) cm, dan \(q_C = +1\) μC di \(x = 60\) cm. Berapa gaya total pada \(q_C\)?
Gaya A pada C (tolak, ke kanan): \(F_{AC} = \dfrac{9 \times 10^9 \cdot 2 \times 10^{-6} \cdot 1 \times 10^{-6}}{0{,}6^2} = 0{,}05\) N.
Gaya B pada C (tarik, ke kiri): \(F_{BC} = \dfrac{9 \times 10^9 \cdot 3 \times 10^{-6} \cdot 1 \times 10^{-6}}{0{,}3^2} = 0{,}30\) N.
Ambil kanan positif: \(\Sigma F = 0{,}05 - 0{,}30 = -0{,}25\) N.
Gaya total 0,25 N ke kiri (ke arah B). Gaya-gaya listrik dijumlahkan sebagai vektor, sama seperti gaya di Bab 6. Ini disebut prinsip superposisi.
22.3Medan listrik dan garis gaya
Bagaimana sisir "tahu" ada kertas di dekatnya, padahal tidak bersentuhan? Fisikawan Michael Faraday membayangkan setiap muatan dikelilingi medan listrik, yaitu "wilayah pengaruh" yang mengerjakan gaya pada muatan lain yang masuk ke dalamnya. Kuat medan didefinisikan sebagai gaya per satuan muatan uji positif:
\[ \vec E = \frac{\vec F}{q_\text{uji}}, \qquad E = k\,\frac{q}{r^2} \ \text{untuk muatan titik}. \]
Satuannya N/C (sama dengan V/m). Arah medan adalah arah gaya pada muatan uji positif: menjauhi muatan positif dan menuju muatan negatif.
Faraday menggambarkan medan dengan garis gaya (garis medan):
garis keluar dari muatan positif dan masuk ke muatan negatif;
arah garis di suatu titik adalah arah medan di titik itu;
makin rapat garisnya, makin kuat medannya;
garis medan tidak pernah berpotongan.
Pola garis medan yang dihitung secara numerik. Kerapatan garis menunjukkan kuat medan. Di tengah-tengah dua muatan sejenis ada titik tanpa medan sama sekali.
Seret muatan merah (+) dan biru (−). Klik sebuah muatan, lalu ubah nilainya dengan slider. Arahkan kursor ke mana saja untuk membaca \(E\) dan \(V\). Garis putus-putus adalah ekuipotensial. Lalu seret muatan uji kuning ke suatu tempat dan tekan Jalankan. Apakah ia selalu bergerak tepat mengikuti garis medan?
Muatan \(+4\) μC dan \(+1\) μC terpisah 30 cm. Di mana pada garis penghubungnya kuat medan listrik bernilai nol?
Kedua muatan sejenis, jadi titik nol berada di antara keduanya. Misalkan jaraknya \(x\) dari muatan \(4\) μC.
Medan nol di titik 20 cm dari muatan \(4\) μC (10 cm dari muatan \(1\) μC), yaitu lebih dekat ke muatan yang lebih kecil. Coba buat susunan ini di Studio medan dan cari titik itu dengan kursor!
Lanjut · IB & olimpiadeDipol listrik dan elektron di antara kepingPasangan \(+q\) dan \(-q\) berjarak \(d\) disebut dipol, dengan momen dipol \(p = qd\). Di dalam medan seragam, dipol mengalami torsi \(\tau = pE\sin\theta\) yang memutarnya searah medan. Molekul air adalah dipol, dan oven gelombang mikro memanaskan makanan dengan membuat dipol-dipol air terus berputar bolak-balik. Di antara dua keping sejajar, medannya seragam, \(E = V/d\). Elektron yang masuk mendatar akan dibelokkan dengan percepatan tetap \(a = eE/m\) dan lintasannya berbentuk parabola, persis gerak peluru di Bab 5. Prinsip ini dulu dipakai di tabung televisi.
22.4Hukum Gauss dan sangkar Faraday
Bayangkan muatan dibungkus kantong khayal tertutup. Banyaknya garis medan yang menembus kantong itu disebut fluks listrik \(\Phi\). Karena garis medan selalu berawal dan berakhir di muatan, jumlah garis yang keluar dari kantong hanya bergantung pada muatan di dalamnya, apa pun bentuk kantongnya. Inilah inti hukum Gauss.
Akibat penting untuk kehidupan sehari-hari: di dalam konduktor berongga, medan listrik dari luar bernilai nol. Elektron bebas di logam langsung bergeser sampai medan di dalamnya hilang. Rongga logam seperti ini disebut sangkar Faraday. Karena itu, berada di dalam mobil berkerangka logam yang tertutup saat badai petir relatif aman, dan sinyal HP sering hilang di dalam lift.
Lanjut · IB & olimpiadeHukum Gauss dalam rumus\[ \Phi = \oint \vec E \cdot \mathrm d\vec A = \frac{Q_\text{dalam}}{\varepsilon_0}. \] Dengan memilih permukaan yang simetris, medan berbagai benda bisa dihitung dalam satu baris. Bola bermuatan \(Q\) (di luar bola): \(E = \dfrac{Q}{4\pi\varepsilon_0 r^2}\), seolah semua muatan terkumpul di pusat. Di dalam kulit bola: \(E = 0\). Kawat panjang bermuatan \(\lambda\) per meter: \(E = \dfrac{\lambda}{2\pi\varepsilon_0 r}\). Bidang luas bermuatan \(\sigma\) per m²: \(E = \dfrac{\sigma}{2\varepsilon_0}\), tidak bergantung jarak! Dua bidang bermuatan berlawanan (kapasitor) menghasilkan \(E = \sigma/\varepsilon_0\) di antara keduanya dan nol di luarnya.
22.5Potensial dan energi potensial listrik
Di Bab 8, bola di tempat tinggi menyimpan energi potensial gravitasi. Muatan di dalam medan listrik juga menyimpan energi potensial. Fisikawan mendefinisikan potensial listrik \(V\) sebagai energi potensial per satuan muatan. Anggaplah potensial sebagai "ketinggian listrik": muatan positif yang dilepas akan "menggelinding" dari potensial tinggi ke potensial rendah.
\[ V = k\,\frac{q}{r}, \qquad E_p = k\,\frac{q_1 q_2}{r}, \qquad W = q\,\Delta V. \]
Satuan potensial adalah volt (V = J/C). Baterai 1,5 V memberi setiap coulomb muatan energi 1,5 joule. Untuk partikel kecil, fisikawan memakai satuan elektronvolt: \(1\ \mathrm{eV} = 1{,}6 \times 10^{-19}\) J, yaitu energi yang diperoleh satu elektron yang dipercepat oleh beda potensial 1 volt.
Titik-titik yang potensialnya sama membentuk bidang ekuipotensial, seperti garis kontur pada peta gunung. Bidang ekuipotensial selalu tegak lurus garis medan, dan memindahkan muatan sepanjang bidang ini tidak memerlukan usaha. Di antara dua keping sejajar berjarak \(d\) dengan beda potensial \(V\), medannya seragam:
\[ E = \frac{V}{d}. \]
Trik Kak Nara: vektor atau skalar?Gaya \(F\) dan medan \(E\) adalah vektor, jadi jumlahkan dengan memperhatikan arah. Potensial \(V\) dan energi potensial \(E_p\) adalah skalar, jadi cukup jumlahkan biasa, tetapi tanda muatannya wajib ikut! Untuk empat muatan \(+q, +q, -q, -q\) di sudut persegi, potensial di pusatnya nol, tetapi medannya tidak.
Sebuah elektron dipercepat dari keadaan diam oleh beda potensial 1000 V. Berapa energi kinetik dan kelajuannya? (\(m_e = 9{,}11 \times 10^{-31}\) kg)
\(E_k = e\,\Delta V = 1000\) eV \(= 1{,}6 \times 10^{-16}\) J.
Kelajuannya sekitar 6% laju cahaya, hanya dengan 1000 volt! Elektron sangat ringan, sehingga mudah dipercepat.
22.6Kapasitor: tabung penyimpan muatan
Kapasitor adalah dua keping konduktor yang dipisahkan isolator. Jika dihubungkan ke baterai, elektron dipompa dari satu keping ke keping lainnya. Satu keping menjadi \(+Q\) dan keping lainnya \(-Q\). Perbandingan muatan terhadap beda potensialnya disebut kapasitas:
\[ C = \frac{Q}{V}, \]
dalam satuan farad (F). Satu farad sangat besar, jadi yang biasa dipakai adalah μF (\(10^{-6}\)), nF (\(10^{-9}\)), dan pF (\(10^{-12}\)). Untuk kapasitor keping sejajar seluas \(A\) yang berjarak \(d\):
Bahan isolator di antara keping disebut dielektrik. Molekulnya terpolarisasi dan melemahkan medan di dalamnya, sehingga dengan muatan yang sama, beda potensialnya turun. Akibatnya, kapasitas naik sebesar faktor \(\varepsilon_r\).
Seret keping kanan untuk mengubah jarak, dan seret lempeng dielektrik naik-turun untuk menyisipkannya. Bandingkan dua keadaan: baterai tersambung (tegangan tetap) dan baterai terputus (muatan tetap). Putuskan baterai, lalu jauhkan kepingnya. Tegangannya malah naik! Mengapa?
Energi yang tersimpan
Mengisi kapasitor butuh usaha, karena tiap elektron tambahan harus melawan tolakan elektron yang sudah ada. Energi itu tersimpan di dalam medan listrik di antara keping:
Susunan seri dan paralel
Hati-hati: rumus kapasitor terbalik dari rumus hambatan di Bab 23. Kapasitor paralel tinggal dijumlahkan, karena sama saja dengan memperluas keping.
Kapasitor 3 μF dan 6 μF disusun seri, lalu dihubungkan ke baterai 12 V. Berapa kapasitas pengganti, muatan, dan tegangan pada tiap kapasitor?
\(Q = CV = 2 \times 12 = 24\) μC, sama pada kedua kapasitor (susunan seri).
\(V_1 = Q/C_1 = 24/3 = 8\) V dan \(V_2 = 24/6 = 4\) V. Cek: \(8 + 4 = 12\) V. ✓
Kapasitor yang lebih kecil justru menanggung tegangan yang lebih besar. Perancang rangkaian harus memastikan tegangan ini tidak melampaui batas kapasitor.
Kapasitor defibrilator 100 μF diisi sampai 2.000 V, lalu dikosongkan melalui dada pasien dalam sekitar 5 ms. Berapa energi yang dilepaskan dan berapa daya rata-ratanya?
\(P = \dfrac{W}{t} = \dfrac{200}{5 \times 10^{-3}} = 40.000\) W.
Energi 200 J setara energi untuk mengangkat 2 kg setinggi 10 m, tetapi dilepaskan dalam 5 ms sehingga dayanya 40 kW, setara sekitar seratus rice cooker yang menyala bersamaan. Kejutan singkat ini dapat "mengatur ulang" irama jantung yang kacau.
Lanjut · IB & olimpiadePengisian kapasitor lewat hambatanJika kapasitor diisi lewat hambatan \(R\), muatannya tidak langsung penuh: \(Q(t) = Q_0\left(1 - e^{-t/RC}\right)\). Besaran \(\tau = RC\) (dalam sekon) disebut konstanta waktu. Setelah \(1\tau\), kapasitor terisi 63%, dan setelah \(5\tau\) hampir penuh. Saat dikosongkan, \(Q = Q_0 e^{-t/RC}\). Sirkuit RC dipakai pada lampu kilat, lampu sein yang berkedip, dan penunda waktu. Kamu akan bertemu hambatan \(R\) di Bab 23.
22.7Petir dan penangkal petir
Petir adalah percikan listrik statis raksasa. Bagaimana prosesnya? Ikuti animasi berikut.
Di dalam awan kumulonimbus, butiran es dan butiran es lunak (graupel) saling bertumbukan, sehingga muatannya terpisah. Bagian atas awan cenderung positif, dan bagian bawahnya negatif.
Muatan negatif di dasar awan menginduksi permukaan tanah di bawahnya menjadi positif. Muatan positif paling banyak berkumpul di benda yang tinggi dan runcing, seperti pohon dan ujung penangkal petir.
Saat medannya cukup kuat, udara mulai "bobol". Lidah petir bertingkat (stepped leader) turun sambil bercabang, puluhan meter setiap langkah.
Dari ujung penangkal petir, lidah petir naik (streamer) melesat menyambutnya.
Keduanya bertemu dan terbentuk jalur yang menyambung. Arus puluhan ribu ampere melesat dalam sambaran balik. Udara di jalurnya memanas hingga sekitar 30.000 °C (lima kali suhu permukaan Matahari), lalu memuai tiba-tiba. Itulah guruh!
Penangkal petir menyalurkan arus melalui kabel tebal ke batang pembumian di dalam tanah, sehingga arus tidak mengalir menembus dinding dan isi bangunan.
Tamu dari masa laluPada 1752, Benjamin Franklin (menurut kisahnya sendiri) menerbangkan layangan saat badai dan melihat percikan dari kunci logam di ujung benangnya. Ia menyimpulkan bahwa petir adalah listrik, lalu menemukan penangkal petir: batang logam runcing di puncak bangunan yang dihubungkan ke tanah. Percobaan layangan itu sangat berbahaya. Pada 1753, ilmuwan Georg Richmann tewas tersambar saat melakukan percobaan serupa di Sankt-Peterburg. Jangan pernah mencobanya!
Fisika IndonesiaIndonesia terletak di khatulistiwa dengan udara panas dan lembap, sehingga termasuk wilayah dengan aktivitas petir tertinggi di dunia. Bogor dijuluki "kota hujan" dan pernah tercatat mengalami sekitar 322 hari berpetir dalam setahun (catatan tahun 1916). Karena itu, menara masjid, gedung tinggi, dan menara BTS wajib dilengkapi penangkal petir. BMKG juga memantau sambaran petir dengan jaringan alat pendeteksi petir. Di PLTU, prinsip listrik statis dipakai untuk kebaikan: presipitator elektrostatik memberi muatan pada partikel abu di cerobong, lalu menariknya ke keping bermuatan berlawanan, sehingga udara yang keluar lebih bersih.
Keselamatan saat badai petirJika kamu sudah mendengar guruh, kamu sudah berada dalam jangkauan petir. Segera masuk ke dalam bangunan atau mobil yang tertutup. Jangan berteduh di bawah pohon tinggi, berdiri di lapangan terbuka, berenang, atau memegang benda logam panjang. Jika terjebak di tempat terbuka, berjongkoklah dengan kaki rapat dan jauhi orang lain. Tunggu sekitar 30 menit setelah guruh terakhir sebelum keluar lagi.
"Petir tidak pernah menyambar tempat yang sama dua kali."
Salah besar! Petir justru suka menyambar benda tinggi yang sama berulang kali. Gedung pencakar langit dan menara pemancar bisa tersambar puluhan kali dalam setahun. Penangkal petirnya menyalurkan arus itu dengan aman.
"Berteduh di bawah pohon saat hujan petir itu aman karena terlindung."
Sangat berbahaya. Pohon tinggi mudah tersambar, dan arusnya bisa melompat ke tubuh orang di dekatnya atau menjalar lewat tanah. Lebih aman masuk ke bangunan atau mobil tertutup (sangkar Faraday).
🖨️
Mesin fotokopi & printer laser
Drum bermuatan disinari bayangan dokumen. Bagian yang terang kehilangan muatan, sehingga serbuk toner hanya menempel di bagian yang membentuk huruf.
📱
Layar sentuh HP
Jarimu yang konduktor mengubah kapasitas kecil di bawah kaca layar. Chip mendeteksi perubahan itu dan tahu di mana kamu menyentuh.
📸
Lampu kilat kamera
Kapasitor diisi perlahan oleh baterai, lalu mengosongkan energinya dalam sekejap untuk menyalakan tabung kilat.
🏭
Penyaring abu PLTU
Presipitator elektrostatik memberi muatan pada partikel abu, lalu menariknya ke keping logam sebelum asap keluar cerobong.
🎨
Cat semprot elektrostatik
Butiran cat diberi muatan, sedangkan rangka motor dibumikan, sehingga cat tertarik merata, bahkan sampai ke balik sudut.
🕌
Penangkal petir menara
Batang runcing di puncak menara masjid menyambut petir dan menyalurkan arusnya ke tanah lewat kabel tebal.
Jarak dua muatan dijadikan tiga kali semula. Gaya Coulomb di antara keduanya menjadi…
3 kali semula
1/3 kali semula
1/9 kali semula
9 kali semula
\(F \propto 1/r^2\). Jika jaraknya menjadi \(3r\), gayanya menjadi \(1/3^2 = 1/9\) kali semula.
Kapasitor dihubungkan ke baterai, lalu jarak kepingnya diperkecil saat baterai masih tersambung. Muatan pada kapasitor…
bertambah
berkurang
tetap
menjadi nol
\(C = \varepsilon_0 A/d\) naik saat \(d\) mengecil. Tegangan dijaga tetap oleh baterai, sehingga \(Q = CV\) bertambah.
Garis-garis medan listrik di sekitar sebuah muatan negatif tunggal…
keluar menjauhi muatan
masuk menuju muatan
melingkari muatan
tidak ada
Arah medan adalah arah gaya pada muatan uji positif. Muatan uji positif tertarik ke muatan negatif, sehingga garis medan menuju muatan negatif.
23
Bab 23 · Listrik & Magnet
Listrik Dinamis: Sungai Elektron di Dalam Kabel
Tengah malam, meteran token berbunyi "tit-tit-tit", padahal kamu "cuma" main game. Ke mana perginya listrik itu, dan berapa rupiah harganya? Ayo ikuti perjalanan muatan dari stop kontak sampai ke dompet!
Setelah bab ini, kamu bisa
menjelaskan arus, beda potensial, dan GGL dengan analogi yang tepat, lalu menghitung \(I = Q/t\);
memakai hukum Ohm \(V = IR\) dan hambatan jenis \(R = \rho L/A\), termasuk pengaruh suhu;
menghitung hambatan pengganti seri, paralel, dan campuran, serta memecahkan rangkaian dengan hukum Kirchhoff;
menghitung daya, energi (kWh), dan biaya listrik atau token PLN di rumahmu;
menjelaskan fungsi MCB, sekering, dan kabel ground, serta mempraktikkan aturan aman listrik.
SariRak! Meteran tokennya bunyi. Sisanya tinggal 2 kWh!
RakaHah?! Masa main game bikin token habis?
Besok paginya
Kak NaraKomputer + monitor ±300 W. Main 6 jam berarti 1,8 kWh. Itu setara kulkas menyala hampir dua hari!
RakaJadi game-ku "makan" token…
SariBerarti listrik bisa dihitung kayak uang jajan, ya?
Kak NaraTepat! Tapi kenalan dulu dengan arus, tegangan, dan hambatan.
Kabel dari gardu PLN ke rumahmu panjangnya ratusan meter, tetapi lampu menyala begitu saklar ditekan. Seberapa cepat elektron sebenarnya bergerak di dalam kabel?
Hampir secepat cahaya, ±300.000 km/s.
Kira-kira secepat bunyi, ±340 m/s.
Sangat lambat, kurang dari 1 mm per detik.
Elektron tidak bergerak sama sekali.
Jawabannya: sangat lambat! Pada kabel rumah, elektron "berjalan" rata-rata hanya sekitar 0,1 mm/s, lebih lambat daripada siput. Yang merambat hampir secepat cahaya adalah dorongan-nya (medan listrik). Begitu saklar ditutup, semua elektron di sepanjang kabel mulai bergerak hampir bersamaan, seperti kelereng dalam pipa yang sudah penuh. Lihat animasinya di 23.1.
23.1Arus listrik: muatan yang mengalir
Bayangkan gerbang tap kartu di stasiun KRL. Petugas menghitung berapa penumpang yang lewat setiap menit. Makin banyak penumpang lewat per menit, makin "deras" arus penumpangnya. Arus listrik persis seperti itu, hanya saja yang lewat adalah muatan listrik, dan yang dihitung adalah berapa coulomb yang melewati satu penampang kabel setiap detik.
\[ I = \frac{Q}{t} \]
Rumus ini bercerita: arus = banyaknya muatan yang lewat dibagi waktunya. \(I\) adalah arus (ampere, A), \(Q\) adalah muatan (coulomb, C), dan \(t\) adalah waktu (sekon, s). Jadi 1 ampere = 1 coulomb per detik. Satu elektron hanya bermuatan \(1{,}6 \times 10^{-19}\) C, sehingga arus 1 A berarti sekitar 6,25 miliar miliar (\(6{,}25 \times 10^{18}\)) elektron melewati penampang kabel setiap detik!
Gampangnya: arus listrik = aliran muatan, seperti aliran air di selang. Makin banyak air yang keluar tiap detik, makin besar arusnya. Satuannya ampere, disingkat A.
Peristiwa
Arus (kira-kira)
Lampu indikator LED kecil
0,02 A
Lampu LED 9 W di rumah (220 V)
0,04 A
Kipas angin 40 W
0,2 A
Rice cooker saat memasak (±400 W)
1,8 A
Pengisian cepat HP (kabel USB)
2–3 A
Starter mobil dari aki
100–200 A
Sambaran petir
puluhan ribu ampere (±30.000 A)
Arus lewat tubuh yang sudah berbahaya
±0,03 A (30 mA)
Mengapa lampu langsung menyala?
Kabel logam sudah penuh elektron bebas sejak awal. Baterai atau PLN tidak "mengisi" kabel dengan elektron baru. Sumber listrik hanya mendorong elektron yang sudah ada. Ikuti animasinya:
Kabel ibarat pipa yang sudah penuh kelereng. Setiap kelereng mewakili elektron bebas. Perhatikan kelereng oranye.
Baterai (atau PLN) mendorong satu kelereng masuk dari kiri. Semua kelereng ikut bergeser bersamaan.
Di ujung kanan, satu kelereng langsung keluar. Inilah sebabnya lampu menyala seketika, walaupun kelereng yang kamu dorong belum sampai di sana.
Yang merambat cepat adalah dorongannya. Kelereng oranye sendiri hanya bergeser satu langkah.
Di kabel sungguhan, elektron bergerak acak dengan sangat cepat, tetapi gerak "hanyut" bersihnya sangat lambat: ±0,1 mm/s. Sinyal listriknya merambat ±2/3 kecepatan cahaya.
Awas jebakan: dua arah arusPara ilmuwan abad ke-18 menetapkan arah arus dari kutub positif ke kutub negatif (lewat rangkaian luar), sebelum elektron ditemukan. Ternyata yang bergerak di kabel logam adalah elektron yang bermuatan negatif, dan arahnya berlawanan: dari negatif ke positif. Kita tetap memakai arah arus konvensional (+ ke −) di semua rumus dan diagram. Jadi jangan bingung kalau gerak elektron di simulasi berlawanan dengan panah arus.
Lanjut · IB & olimpiadeKecepatan hanyutJika dalam kabel ada \(n\) elektron bebas per m³, masing-masing bermuatan \(e\), dan semuanya hanyut dengan kecepatan \(v_d\) melewati penampang \(A\), maka \(I = n e v_d A\). Untuk tembaga, \(n \approx 8{,}5 \times 10^{28}\) m⁻³. Kabel rumah 1 mm² yang mengalirkan 1 A memberi \(v_d = \dfrac{1}{8{,}5 \times 10^{28} \cdot 1{,}6 \times 10^{-19} \cdot 10^{-6}} \approx 7 \times 10^{-5}\) m/s. Untuk menempuh 1 m, satu elektron butuh hampir 4 jam! Rapat arus \(J = I/A\) dan medan listrik di kawat dihubungkan oleh bentuk mikroskopik hukum Ohm: \(\vec J = \sigma \vec E\).
23.2Beda potensial dan GGL: "pompa" muatan
Air di menara air mengalir turun karena ada beda ketinggian. Muatan listrik mengalir di rangkaian karena ada beda potensial (tegangan). Beda potensial adalah energi yang dibawa atau dilepaskan setiap coulomb muatan saat berpindah antara dua titik:
\[ V = \frac{W}{Q} \]
\(V\) dalam volt (V), \(W\) energi dalam joule (J), \(Q\) muatan dalam coulomb (C). Jadi 1 volt = 1 joule per coulomb. Baterai 1,5 V memberi setiap coulomb muatan 1,5 J energi. Listrik PLN 220 V memberi setiap coulomb 220 J. Itulah sebabnya listrik rumah jauh lebih berbahaya daripada baterai senter.
Baterai bekerja seperti pompa air yang mengangkat air kembali ke menara. Energi kimia di dalamnya "mengangkat" muatan ke potensial tinggi. Energi per coulomb yang diberikan sumber disebut gaya gerak listrik (GGL), diberi simbol \(\varepsilon\). Namanya memang "gaya", tetapi satuannya volt, bukan newton.
Baterai sungguhan punya hambatan dalam \(r\). Sebagian energi terbuang di dalam baterai itu sendiri (makanya baterai terasa hangat saat dipakai berat). Tegangan yang benar-benar sampai ke rangkaian luar disebut tegangan jepit:
\[ V_\text{jepit} = \varepsilon - I r \qquad\text{dan}\qquad I = \frac{\varepsilon}{R + r} \]
Trik Kak Nara: "Ampere antre, Volt nonton"Amperemeter harus antre di jalur arus, jadi dipasang seri, dan hambatannya dibuat sangat kecil. Voltmeter cukup menonton dari pinggir untuk membandingkan dua titik, jadi dipasang paralel, dan hambatannya sangat besar supaya hampir tidak mengambil arus.
Menyusun sel: seri atau paralel?
Senter berisi dua baterai 1,5 V yang disusun seri (ujung + bertemu ujung −): GGL-nya dijumlahkan menjadi 3 V, dan hambatan dalamnya juga dijumlahkan. Aki motor 12 V sebenarnya berisi enam sel 2 V yang disusun seri. Sel identik yang disusun paralel GGL-nya tetap, tetapi hambatan dalam totalnya mengecil dan baterainya lebih awet. Power bank dan baterai sepeda listrik memadukan keduanya: sel-sel disusun seri untuk menaikkan tegangan, dan paralel untuk menambah kapasitas.
Tamu dari masa laluTahun 1800, Alessandro Volta dari Italia menumpuk lempengan seng dan tembaga yang diselingi kain basah air garam. Tumpukan ini, pila voltaica, adalah baterai pertama di dunia dan sumber arus listrik tetap yang pertama. Sebelumnya, ilmuwan hanya bisa bermain dengan "percikan" listrik statis. Untuk menghormatinya, satuan beda potensial dinamai volt.
23.3Hambatan dan hukum Ohm
Coba bandingkan mengalirkan air lewat selang besar dan lewat sedotan. Sedotan lebih "menghambat". Di kabel, elektron yang hanyut terus bertumbukan dengan ion-ion logam yang bergetar. Tumbukan inilah sumber hambatan listrik \(R\), satuannya ohm (Ω). Hambatan juga yang membuat elemen setrika dan rice cooker panas: energi elektron berubah menjadi getaran ion, yaitu kalor.
Hukum Ohm. Untuk penghantar logam pada suhu tetap, arus sebanding dengan beda potensial: \(V = IR\). Grafik \(V\) terhadap \(I\) berupa garis lurus melalui titik asal, dan kemiringannya adalah hambatan \(R\).
Pilih komponen, geser tegangan, lalu tekan 📍 Catat titik beberapa kali. Ulangi untuk lampu pijar. Grafik mana yang lurus (patuh hukum Ohm) dan mana yang melengkung? Mengapa?
Tidak semua komponen patuh hukum Ohm. Pada lampu pijar, filamen makin panas saat arusnya besar, ion-ionnya bergetar makin hebat, dan hambatannya naik hingga lebih dari sepuluh kali hambatan saat dingin. Grafik \(V\)–\(I\)-nya melengkung. Komponen seperti ini disebut non-ohmik. Dioda dan LED juga non-ohmik: mereka hanya mengalirkan arus ke satu arah (kamu akan bertemu lagi di Bab 32).
Apa yang menentukan hambatan sebuah kawat?
Kawat yang panjang menghambat lebih besar (jalan yang lebih jauh, tumbukan lebih banyak). Kawat yang tebal menghambat lebih kecil (lajurnya lebih banyak, seperti jalan tol bertingkat). Bahannya juga menentukan, lewat besaran hambatan jenis \(\rho\) (rho).
Bahan
Hambatan jenis \(\rho\) (Ω m, ±20 °C)
Dipakai untuk
Perak
\(1{,}6 \times 10^{-8}\)
kontak saklar mahal, sirkuit khusus
Tembaga
\(1{,}7 \times 10^{-8}\)
kabel rumah, kumparan motor
Aluminium
\(2{,}7 \times 10^{-8}\)
kabel transmisi PLN (ringan!)
Besi
\(1{,}0 \times 10^{-7}\)
jarang untuk kabel
Nikrom
\(1{,}1 \times 10^{-6}\)
elemen setrika, solder, pemanas air
Karbon (grafit)
±\(10^{-5}\)
resistor karbon, isi pensil
Kaca, karet
\(10^{10}\) – \(10^{15}\)
isolator: pembungkus kabel, isolator tiang listrik
Suhu juga berpengaruh. Pada logam, hambatan naik kira-kira sebanding dengan kenaikan suhu: \(R = R_0\,(1 + \alpha\,\Delta T)\), dengan \(\alpha \approx 0{,}004\) per °C untuk tembaga. Sebaliknya, hambatan semikonduktor seperti termistor NTC justru turun saat dipanaskan, sehingga cocok sebagai sensor suhu. Pada suhu sangat rendah, beberapa bahan menjadi superkonduktor dengan hambatan tepat nol!
Trik Kak Nara: kode warna resistorGelang warna pada resistor karbon mewakili angka 0–9: Hitam 0, Cokelat 1, Merah 2, Oranye 3, Kuning 4, Hijau 5, Biru 6, Ungu 7, Abu-abu 8, Putih 9. Hafalkan sebagai "HiCo MeO KuHi BiU APu". Gelang 1 dan 2 adalah angka, gelang 3 adalah banyaknya nol. Kuning-ungu-merah berarti 4-7-00 = 4.700 Ω. Gelang emas berarti toleransi ±5%.
Tamu dari masa laluGeorg Simon Ohm, guru sekolah di Jerman, menerbitkan hukumnya pada 1827 setelah bertahun-tahun mengukur arus dengan kawat buatannya sendiri. Awalnya karyanya dicemooh sebagai "khayalan" dan ia sempat kehilangan pekerjaan. Belasan tahun kemudian barulah karyanya diakui, dan ia menerima Medali Copley dari Royal Society London. Kini namanya abadi sebagai satuan hambatan.
Senter memakai dua baterai 1,5 V yang disusun seri. Lampunya berhambatan 6 Ω. Berapa arus yang mengalir? (Anggap hambatan dalam baterai sangat kecil.)
Dua sel seri: \(V = 1{,}5 + 1{,}5 = 3\) V.
Hukum Ohm: \(I = \dfrac{V}{R} = \dfrac{3}{6} = 0{,}5\) A.
Arusnya 0,5 A. Artinya, setiap detik 0,5 coulomb muatan melewati filamen lampu.
23.4Rangkaian seri dan paralel
Lampu hias murah yang dililitkan di pohon saat Lebaran atau Natal sering punya "penyakit": satu lampu putus, seluruh untaian padam. Lampu di rumahmu tidak begitu. Kalau lampu kamar mandi putus, lampu ruang tamu tetap menyala. Bedanya ada pada cara lampu disusun.
Rangkaian seri
Rangkaian paralel
Bentuk
berderet dalam satu jalur, seperti gerbong kereta
bercabang, tiap komponen punya jalur sendiri, seperti lajur jalan tol
lampu hias murah, saklar dengan lampunya, sekering
instalasi rumah, lampu jalan, stop kontak
Klik lampu untuk melepas atau memasangnya, dan klik saklar untuk membuka atau menutupnya. Bandingkan nyala lampu saat jumlah lampu ditambah pada rangkaian seri dan paralel. Hati-hati: lampunya bertuliskan 6 V / 6 W. Kalau tegangannya berlebihan, filamennya bisa putus! Titik biru adalah elektron.
Trik Kak Nara: cek kewajaran paralelHambatan pengganti paralel selalu lebih kecil daripada hambatan terkecil di cabang-cabangnya. Kalau hasil hitunganmu lebih besar, pasti ada yang salah! Untuk \(n\) hambatan identik \(R\): seri menjadi \(nR\), paralel menjadi \(R/n\).
Awas jebakan: arus tidak "habis"Banyak orang mengira arus "terpakai" oleh lampu pertama, sehingga lampu terakhir pada rangkaian seri mendapat arus lebih kecil. Salah! Muatan tidak bisa hilang, jadi arus yang masuk ke lampu sama dengan arus yang keluar. Yang "terpakai" adalah energi tiap coulomb: tegangannya turun setiap melewati lampu.
Hambatan 6 Ω dan 3 Ω disusun paralel. Susunan itu lalu dihubungkan seri dengan hambatan 4 Ω, dan semuanya dipasang pada baterai 12 V (hambatan dalam diabaikan). Tentukan arus total dan arus di hambatan 6 Ω.
Arus total: \(I = \dfrac{12}{6} = 2\) A. Arus ini melewati hambatan 4 Ω.
Tegangan pada bagian paralel: \(V_p = I R_p = 2 \times 2 = 4\) V.
Arus di 6 Ω: \(I_6 = 4/6 \approx 0{,}67\) A. (Cek: di 3 Ω mengalir \(4/3 \approx 1{,}33\) A, dan \(0{,}67 + 1{,}33 = 2\) A. ✓)
Arus total 2 A. Hambatan 6 Ω hanya kebagian ±0,67 A. Arus lebih suka jalur yang hambatannya kecil, tetapi tetap mengalir di semua cabang.
Lanjut · olimpiadeJembatan Wheatstone dan trik simetriEmpat hambatan \(P, Q, R, S\) disusun seperti belah ketupat, dengan galvanometer di "jembatan" tengahnya. Jika \(P/Q = R/S\), kedua ujung jembatan sama potensialnya sehingga tidak ada arus lewat galvanometer, dan hambatan di jembatan boleh dihapus dari hitungan. Prinsip ini dipakai jembatan meter di laboratorium untuk mengukur hambatan yang tidak diketahui. Trik serupa: titik-titik yang simetris dalam rangkaian berpotensial sama dan boleh "disambung" atau "dipisah". Dengan trik ini, hambatan antara dua pojok berseberangan pada kubus 12 resistor \(R\) bisa dihitung tanpa Kirchhoff: hasilnya \(\tfrac56 R\).
"Lampu terakhir pada rangkaian seri paling redup karena arusnya sudah dipakai lampu-lampu sebelumnya."
Pada rangkaian seri arusnya sama di semua titik. Lampu identik menyala sama terang. Muatan tidak habis. Yang berkurang di tiap lampu adalah energi per coulomb (tegangan).
"Burung tidak tersengat di kabel listrik karena kakinya bersisik dan kebal listrik."
Kedua kaki burung bertengger di kabel yang sama, jadi beda potensial di antara kakinya hampir nol, sehingga arus hampir tidak mengalir lewat tubuhnya. Jika sayapnya menyentuh kabel lain atau tiang, burung itu bisa tersengat.
23.5Hukum Kirchhoff: aturan simpang dan aturan putaran
Beberapa rangkaian tidak bisa disederhanakan menjadi seri dan paralel, misalnya rangkaian dengan dua baterai di cabang yang berbeda. Untuk itu kita punya dua aturan sakti dari Gustav Kirchhoff.
Hukum I Kirchhoff (aturan simpang). Jumlah arus yang masuk ke sebuah titik cabang sama dengan jumlah arus yang keluar: \(\Sigma I_\text{masuk} = \Sigma I_\text{keluar}\).
Bayangkan perempatan jalan: banyaknya motor yang masuk perempatan per menit sama dengan yang keluar, karena motor tidak menghilang di tengah jalan. Hukum ini adalah kekekalan muatan.
Hukum II Kirchhoff (aturan putaran). Dalam satu putaran tertutup, jumlah GGL sama dengan jumlah penurunan tegangan: \(\Sigma \varepsilon = \Sigma IR\).
Bayangkan mendaki dan menuruni bukit lalu kembali ke titik awal: total perubahan ketinggianmu nol. Muatan yang mengelilingi satu putaran juga kembali ke potensial semula. Hukum ini adalah kekekalan energi.
Dua baterai menghidupi satu hambatan bersama \(R_3\). Arus \(I_1\) dan \(I_2\) bertemu di titik A, lalu bersama-sama turun lewat \(R_3\). Ujung baterai yang garisnya panjang adalah kutub positif (+).
Pada gambar di atas, hitung \(I_1\), \(I_2\), dan \(I_3\). Apa yang sebenarnya terjadi pada baterai 6 V?
Maka \(I_1 = 6 - 3{,}6 = 2{,}4\) A dan \(I_2 = 3 - 3{,}6 = -0{,}6\) A.
\(I_1 = 2{,}4\) A, \(I_3 = 1{,}8\) A, dan \(I_2 = -0{,}6\) A. Tanda minus berarti arus di cabang kanan mengalir berlawanan dengan tebakan kita: arus 0,6 A masuk ke kutub positif baterai 6 V. Baterai 6 V justru sedang diisi oleh baterai 12 V! Inilah prinsip mengecas aki dengan aki lain ("jumper").
Tamu dari masa laluGustav Kirchhoff merumuskan kedua hukumnya pada 1845 ketika masih menjadi mahasiswa berusia 21 tahun di Königsberg (Prusia). Belakangan ia juga ikut menemukan cara "membaca" unsur kimia dari spektrum cahaya. Spektroskopi ini memungkinkan kita mengetahui isi Matahari tanpa pernah ke sana (lihat Bab 29).
Lanjut · IB & olimpiadeMengubah galvanometer menjadi amperemeter dan voltmeterGalvanometer sangat peka. Misalnya jarumnya penuh pada arus \(I_g = 1\) mA, dan hambatan kumparannya \(R_g = 50\) Ω. Agar bisa mengukur sampai 1 A, pasang hambatan shunt kecil secara paralel supaya sebagian besar arus "melipir": \(R_\text{sh} = \dfrac{I_g R_g}{I - I_g} = \dfrac{0{,}001 \times 50}{0{,}999} \approx 0{,}05\) Ω. Agar bisa mengukur sampai 10 V, pasang hambatan depan besar secara seri: \(R_d = \dfrac{V}{I_g} - R_g = 10\,000 - 50 = 9\,950\) Ω. Itulah sebabnya amperemeter berhambatan kecil dan voltmeter berhambatan besar. Potensiometer bekerja dengan prinsip "nol arus" yang mirip jembatan Wheatstone, sehingga bisa mengukur GGL tanpa mengambil arus dari sel.
23.6Energi, daya, dan token listrik
Setiap coulomb yang melewati beda potensial \(V\) melepaskan energi \(V\) joule. Jika dalam waktu \(t\) mengalir muatan \(Q = It\), energi listrik yang berubah menjadi cahaya, kalor, gerak, atau bunyi adalah \(W = VQ = VIt\). Daya listrik adalah energi per detik:
\[ P = \frac{W}{t} = VI = I^2 R = \frac{V^2}{R} \]
Satuan daya adalah watt (W) = joule per detik. Angka daya tertulis di label setiap alat: lampu LED 9 W, kipas angin 40 W, setrika 350 W. Label itu berlaku pada tegangan yang tertulis di sampingnya, biasanya 220 V.
Lampu pijar 100 W/220 V dan lampu pijar 40 W/220 V dirangkai seri, lalu dipasang pada 220 V. Lampu mana yang menyala lebih terang?
Lampu 100 W, karena dayanya lebih besar.
Sama terang, karena arusnya sama.
Lampu 40 W.
Keduanya tidak menyala sama sekali.
Lampu 40 W yang lebih terang! Angka watt hanya berlaku jika lampu dipasang sendirian pada 220 V. Dari \(R = V^2/P\), lampu 40 W berhambatan \(220^2/40 = 1\,210\) Ω, sedangkan lampu 100 W hanya 484 Ω. Pada rangkaian seri arusnya sama, jadi daya \(P = I^2R\) lebih besar pada hambatan yang lebih besar. Hitungannya: \(I = 220/1\,694 \approx 0{,}13\) A, sehingga lampu 40 W memakai ±20 W, sedangkan lampu 100 W hanya ±8 W. (Angka sebenarnya sedikit berbeda karena hambatan filamen berubah dengan suhu, tetapi kesimpulannya sama.)
kWh: satuan "belanja" listrik
Joule terlalu kecil untuk tagihan listrik. PLN memakai kilowatt-jam (kWh): energi yang dipakai alat 1.000 W selama 1 jam. \(1\ \text{kWh} = 1\,000\ \text{W} \times 3\,600\ \text{s} = \) 3,6 juta joule. Inilah "barang" yang kamu beli saat membeli token.
Atur lama pemakaian tiap alat dalam sehari, pilih nominal token, lalu tekan ▶ Jalankan untuk melihat sisa kWh berkurang hari demi hari. Coba matikan "mode hangat" rice cooker atau kurangi jam main game. Berapa hari tokenmu bertambah awet? Tarif hanyalah contoh. Tarif sebenarnya mengikuti golongan tarif rumahmu.
Komputer dan monitor Raka memakai daya total 300 W. Raka bermain 6 jam setiap hari selama 30 hari. Dengan contoh tarif Rp1.450/kWh, berapa biaya listrik untuk main game sebulan?
Energi per hari: \(\dfrac{300 \times 6}{1\,000} = 1{,}8\) kWh.
Energi sebulan: \(1{,}8 \times 30 = 54\) kWh.
Biaya: \(54 \times 1\,450 = 78\,300\), jadi ±Rp78.300.
Sekitar Rp78.300 sebulan, hampir setara token Rp100.000! Mengurangi main game 2 jam sehari menghemat ±Rp26.100 per bulan.
Fisika Indonesia: token dan literasi finansialJutaan rumah di Indonesia memakai meteran prabayar. Kamu membeli token, memasukkan 20 angkanya, dan meteran menambah "saldo" kWh. Saat saldo menipis, meteran berbunyi sebagai pengingat. Beberapa hal penting:
Harga per kWh mengikuti golongan tarif (daya tersambung 450 VA, 900 VA, 1.300 VA, dan seterusnya). Sebagian golongan mendapat subsidi. Selalu cek tarif terbaru di struk atau aplikasi resmi PLN.
kWh yang kamu terima sedikit lebih kecil daripada nominal ÷ tarif, karena ada pajak daerah untuk penerangan jalan (besarnya berbeda di tiap daerah) dan kadang biaya administrasi.
Penghematan paling besar datang dari alat yang dayanya besar atau yang menyala lama: AC, setrika, pompa air, dan rice cooker yang dibiarkan dalam mode hangat seharian.
23.7Instalasi listrik rumah dan keselamatan
Listrik masuk ke rumahmu lewat kabel dari tiang PLN, lalu melewati meteran kWh dan MCB (pemutus arus mini). Dari sana, listrik dibagi ke cabang-cabang paralel: lampu, stop kontak, pompa air. Di dalam dinding ada tiga jenis kabel:
Kabel
Warna umum (PUIL)
Tugasnya
Fase (L)
cokelat (kadang hitam atau abu-abu)
membawa tegangan ±220 V terhadap tanah. Inilah kabel yang berbahaya. Saklar dan MCB dipasang di kabel ini.
Netral (N)
biru
jalur kembali arus, potensialnya dekat dengan tanah
Ground/arde (PE)
hijau-kuning
menghubungkan badan logam alat ke tanah. Dalam keadaan normal tidak dialiri arus.
MCB (miniature circuit breaker) adalah "satpam arus". Jika arus melebihi batas cukup lama (beban lebih), keping bimetal di dalamnya memanas dan melengkung sehingga saklarnya terlepas. Jika terjadi korsleting (hubung singkat) dengan arus sangat besar, kumparan magnet di dalamnya langsung menyentak saklar dalam sekejap. Sekering lama bekerja dengan cara lebih sederhana: kawat tipisnya meleleh. Batas MCB dari PLN disesuaikan dengan daya tersambung: 900 VA ≈ 4 A, 1.300 VA ≈ 6 A, 2.200 VA ≈ 10 A (karena \(220\ \text{V} \times 6\ \text{A} \approx 1\,300\ \text{VA}\)).
Nyalakan alat-alat satu per satu dan perhatikan jarum arus serta "panas bimetal" MCB. Pada daya 900 VA, bisakah setrika, rice cooker, dan pompa air menyala bersamaan? Tekan ⚡ Korsleting untuk melihat pemutus magnetik bekerja seketika, lalu 🔼 Naikkan MCB untuk menyalakan kembali.
Kabel ground: penyelamat yang sering diremehkan
Mesin cuci terhubung ke tiga kabel: fase (cokelat) membawa ±220 V, netral (biru) sebagai jalur kembali, dan ground (hijau-kuning) yang disambungkan ke badan logam mesin dan ke tanah.
Keadaan normal: arus masuk lewat kabel fase, memutar motor, lalu kembali lewat netral. Kabel ground tidak dialiri arus.
Kerusakan: isolasi kabel fase di dalam mesin terkelupas dan menyentuh badan logam. Sekarang badan mesin ikut bertegangan.
Tanpa ground, badan mesin bertegangan ±220 V terhadap lantai. Saat Raka menyentuhnya, arus mengalir lewat tubuhnya ke tanah. Ini bisa mematikan!
Dengan ground, arus bocor mengalir lewat kabel ground yang hambatannya sangat kecil. Arusnya sangat besar sehingga MCB (atau ELCB) memutus listrik dalam sekejap.
Listrik padam dan badan mesin tidak bertegangan lagi. Raka aman. Mesin rusak harus diperbaiki teknisi sebelum dipakai lagi.
Aturan aman listrik (wajib hafal!)
Jangan menumpuk steker (colokan T bertingkat). Arus total semua alat lewat satu stop kontak dan kabel yang sama, sehingga kabel bisa sangat panas dan memicu kebakaran.
Jangan menyentuh saklar, steker, atau alat listrik dengan tangan atau kaki basah. Kulit basah menurunkan hambatan tubuh berkali-kali lipat.
Saat banjir mulai masuk rumah, matikan MCB lebih dulu dan jangan menyalakan alat yang pernah terendam sebelum diperiksa.
Matikan MCB sebelum memperbaiki atau mengganti fiting lampu. Cabut steker dengan memegang kepalanya, jangan menarik kabelnya.
Jika ada orang tersengat, jangan langsung memegangnya. Matikan MCB dulu, atau dorong kabelnya menjauh dengan benda kering yang tidak menghantar listrik (kayu kering, plastik). Lalu segera minta bantuan orang dewasa.
Alat berbadan logam yang dekat air (mesin cuci, pompa air, pemanas air) harus memakai stop kontak dengan arde. Pengaman arus bocor (ELCB/RCCB) memutus listrik bila ada arus bocor sekitar 30 mA.
"Tegangan rendah pasti aman dan tegangan tinggi pasti mematikan."
Yang melukai adalah arus lewat tubuh. Setruman karpet bisa ribuan volt tetapi muatannya amat sedikit, jadi tidak berbahaya. Listrik PLN 220 V bisa mematikan karena sanggup mengalirkan arus terus-menerus, apalagi saat kulit basah.
"Charger atau TV yang tidak dipakai tetapi masih tercolok tidak memakai listrik sama sekali."
Alat dalam mode standby tetap memakai daya. Pada charger modern dayanya sangat kecil, tetapi TV, dekoder, dan komputer standby bisa memakai beberapa watt terus-menerus. Mencabutnya juga mengurangi risiko panas berlebih.
🎄
Lampu hias Lebaran & Natal
Untaian lampu murah dirangkai seri, jadi satu lampu putus membuat semua padam. Untaian yang lebih baik dirangkai paralel atau memakai pintasan otomatis di tiap lampu.
🍚
Rice cooker & setrika
Elemen pemanasnya dari nikrom yang hambatan jenisnya besar, sehingga energi listrik berubah menjadi kalor. Kabel tembaga ke alat itu sendiri tetap dingin karena hambatannya kecil.
🏍️
Aki motor 12 V
Isinya enam sel 2 V yang disusun seri. Saat starter, arusnya besar sekali, sehingga tegangan jepit aki sempat turun karena hambatan dalam.
🔌
Stop kontak bertumpuk
Semua alat yang dicolok bersamaan menarik arus lewat satu kabel. Arus besar pada kabel tipis membuat kabel panas (\(P = I^2R\)). Ini salah satu penyebab kebakaran rumah.
🚲
Sepeda listrik & power bank
Puluhan sel litium disusun seri (supaya tegangannya tinggi) dan paralel (supaya kapasitasnya besar dan awet).
🚦
Lampu lalu lintas LED
Lampu LED memakai daya jauh lebih kecil daripada lampu pijar untuk terang yang sama, sehingga menghemat listrik kota dan bisa ditopang baterai saat listrik padam.
Muatan 120 C mengalir melalui sebuah kawat selama 1 menit. Kuat arusnya adalah…
2 A
120 A
0,5 A
7.200 A
\(I = Q/t = 120\ \text{C} / 60\ \text{s} = 2\) A. Jangan lupa ubah 1 menit menjadi 60 sekon.
Tiga lampu identik dirangkai paralel pada baterai ideal. Jika satu lampu dilepas, maka dua lampu lainnya…
padam
lebih redup
lebih terang
tetap sama terang
Pada rangkaian paralel dengan baterai ideal, tiap cabang tetap mendapat tegangan penuh. Lampu yang tersisa menyala sama terang. Yang berkurang hanya arus total dari baterai.
Setrika 350 W dipakai 2 jam setiap hari selama 30 hari. Energi yang dipakainya adalah…
Medan Magnet: Kekuatan Tak Terlihat di Sekitar Arus
Jarum kompas tiba-tiba berbelok di dekat kabel. Burung bermigrasi ribuan kilometer tanpa peta. Kipas angin berputar tanpa disentuh. Semuanya diatur oleh satu hal yang tak terlihat: medan magnet.
Setelah bab ini, kamu bisa
menggambar garis medan magnet dan menjelaskan cara kerja kompas serta magnet Bumi;
memakai aturan tangan kanan untuk arah medan di sekitar kawat berarus dan solenoid, lalu menghitung besarnya;
menentukan arah dan besar gaya Lorentz pada kawat berarus dan pada muatan yang bergerak;
menjelaskan lintasan lingkaran dan heliks partikel bermuatan, serta cara kerja motor listrik DC;
membedakan bahan feromagnetik, paramagnetik, dan diamagnetik.
Kompas yang Bandel Komik · 4 panel
Perkemahan Pramuka, malam hari
RakaUtara ke sana! Regu Elang, ikuti kompasku!
RakaLho?! Jarumnya belok ke kabel lampu! Kompasku rusak?
SariKabelnya dari tembaga. Tembaga kan nggak ditarik magnet…
Kak NaraBukan kabelnya, tapi arusnya! Arus listrik membuat medan magnet. Oersted menemukannya tahun 1820.
TarsiFakta unik: banyak burung migran yang melintasi Indonesia diduga "membaca" medan magnet Bumi untuk menentukan arah!
24.1Magnet dan garis medan
Setiap magnet punya dua kutub: kutub utara (U, north) dan kutub selatan (S, south). Aturannya mirip muatan listrik: kutub sejenis tolak-menolak, kutub tak sejenis tarik-menarik. Magnet menarik benda dari bahan feromagnetik seperti besi, nikel, kobalt, dan baja, bahkan tanpa menyentuhnya.
Daerah di sekitar magnet tempat gaya magnet masih terasa disebut medan magnet, diberi simbol \(\vec B\), dengan satuan tesla (T). Medan ini kita "lihat" lewat garis medan: taburkan serbuk besi di atas kertas yang menutupi magnet, ketuk-ketuk, lalu serbuk besi akan berbaris mengikuti garis medan.
Di luar magnet, garis medan keluar dari kutub U dan masuk ke kutub S. Di dalam magnet, garis itu menyambung dari S ke U sehingga membentuk lingkaran tertutup.
Arah medan di suatu titik = arah yang ditunjuk ujung U jarum kompas di titik itu.
Garis medan tidak pernah berpotongan. Makin rapat garisnya, makin kuat medannya.
Gampangnya: magnet punya "daerah kekuasaan" tak terlihat yang disebut medan magnet. Kompas adalah magnet kecil yang selalu menunjuk mengikuti arah medan itu.
Sebuah magnet batang dipotong tepat di tengahnya, di antara kutub U dan kutub S. Apa yang kamu dapatkan?
Satu potongan berisi kutub U saja dan satu potongan berisi kutub S saja.
Dua magnet kecil, masing-masing punya kutub U dan kutub S.
Dua potongan besi biasa yang tidak bermagnet lagi.
Satu potongan masih bermagnet, potongan lainnya tidak.
Dua magnet kecil yang lengkap! Magnet tersusun dari jutaan "magnet mini" (domain) yang searah. Dipotong berapa kali pun, setiap potongan tetap punya kutub U dan S. Fisikawan belum pernah menemukan monopol magnet (kutub tunggal). Inilah beda besar antara magnet dan listrik: muatan positif bisa berdiri sendiri, kutub U tidak.
Seret kompas ke mana saja dan lihat ujung merahnya (kutub U jarum) mengikuti garis medan. Pilih susunan "tarik-menarik" dan "tolak-menolak", lalu nyalakan serbuk besi. Di mana medannya paling rapat? Adakah titik tempat jarum kompas bingung (medannya nol)?
Sumber medan magnet
Kuat medan (kira-kira)
Medan magnet Bumi di Indonesia
±40 μT (0,00004 T)
Magnet hiasan kulkas
±5 mT
Kabel 10 A, pada jarak 5 cm
±40 μT
Magnet neodimium kecil (di permukaannya)
±0,5–1 T
Mesin MRI di rumah sakit
1,5–3 T
Magnetar (sejenis bintang neutron)
sampai \(10^{10}\)–\(10^{11}\) T
24.2Magnet Bumi dan kompas
Bumi sendiri adalah magnet raksasa. Arus besi cair yang berputar di inti luar Bumi menghasilkan medan magnet yang bentuknya mirip medan magnet batang (fisikawan menyebutnya geodinamo). Ada satu kejutan: karena ujung U jarum kompas menunjuk ke arah utara, kutub magnet Bumi di dekat kutub utara geografis sebenarnya adalah kutub selatan magnet!
Medan magnet Bumi mirip medan "magnet batang raksasa" di dalam Bumi yang miring sekitar 11° dari sumbu putar. Garis medan keluar dari belahan Bumi selatan dan masuk ke belahan utara.
Ada dua sudut penting bagi penjelajah:
Deklinasi: sudut antara arah utara kompas dan utara geografis yang sebenarnya. Di Indonesia sudut ini kecil (umumnya hanya beberapa derajat), tetapi di dekat kutub bisa puluhan derajat.
Inklinasi (sudut dip): sudut antara medan magnet Bumi dan bidang mendatar. Di kutub magnet, jarum yang bebas berputar akan berdiri tegak (90°). Indonesia berada dekat khatulistiwa magnet, sehingga inklinasinya relatif kecil dan jarum hampir mendatar.
Fisika Indonesia: dari pasir besi sampai observatorium magnetPasir hitam di beberapa pantai selatan Jawa, misalnya di Kulon Progo dan Lumajang, banyak mengandung mineral magnetit. Masukkan magnet ke kantong plastik, lalu celupkan ke pasir itu: butiran hitamnya menempel! Pasir besi ini bahkan ditambang sebagai bahan baku besi. Di Tangerang, BMKG mengoperasikan observatorium magnet Bumi yang merekam medan magnet setiap saat. Datanya dipakai untuk memantau badai magnet akibat letusan Matahari, yang bisa mengganggu satelit, GPS, dan jaringan listrik.
Tamu dari masa laluPelaut Tiongkok sudah memakai jarum magnet untuk navigasi sekitar abad ke-11. Pada 1600, dokter Inggris William Gilbert menulis buku De Magnete. Ia membuat bola magnet kecil yang disebutnya terrella ("Bumi mini") dan menunjukkan bahwa jarum kompas di sekitarnya berperilaku persis seperti di Bumi. Kesimpulannya berani untuk zamannya: Bumi sendiri adalah magnet raksasa.
Mengapa aurora jarang terlihat di Indonesia?Matahari terus menyemburkan partikel bermuatan (angin surya). Medan magnet Bumi membelokkan sebagian besar partikel itu, sehingga melindungi kita. Sebagian partikel "dialirkan" sepanjang garis medan ke daerah sekitar kutub dan menumbuk atmosfer, sehingga udara berpendar hijau dan merah: aurora. Indonesia jauh dari kutub magnet, jadi aurora hampir tidak pernah tampak di sini.
24.3Medan magnet di sekitar arus listrik
Pada 1820, saat mengajar, Hans Christian Oersted melihat jarum kompas di mejanya bergerak setiap kali ia menyambungkan kawat ke baterai. Itulah bukti pertama bahwa listrik dan magnet bersaudara: arus listrik menghasilkan medan magnet.
Di sekitar kawat lurus panjang, garis medan magnet berbentuk lingkaran-lingkaran sepusat yang mengelilingi kawat. Arahnya ditentukan dengan aturan genggaman tangan kanan: genggam kawat dengan tangan kanan, arahkan ibu jari searah arus, maka lipatan keempat jari menunjukkan arah putaran medan magnet.
Kiri: aturan genggaman tangan kanan. Kanan: kawat dilihat dari ujungnya. Simbol ⊙ berarti arus keluar dari layar menuju kamu (seperti melihat ujung panah), dan ⊗ berarti arus masuk ke layar (seperti melihat ekor panah).
Kuat medan di sekitar kawat lurus panjang sebanding dengan arus dan berbanding terbalik dengan jarak:
Kawat tegak lurus layar berada di tengah. Geser arus dari nol ke besar, lalu balik arahnya. Mula-mula semua kompas menunjuk ke utara (medan Bumi). Pada arus berapa kompas di dekat kawat mulai membentuk lingkaran? Matikan medan Bumi untuk melihat medan kawat saja. Seret kompas besar untuk mengukur medan di titik mana pun.
Awas jebakan: arah garis medan kawatGaris medan di sekitar kawat lurus tidak berawal dan berakhir di kutub mana pun. Garis itu berupa lingkaran tertutup tanpa ujung. Dan medan magnet tidak mengarah menjauhi kawat seperti medan listrik muatan titik: arahnya menyinggung lingkaran, tegak lurus terhadap garis dari kawat.
Jika kawat dilengkungkan menjadi lingkaran, garis-garis medan dari setiap bagian kawat "berkumpul" di tengah lingkaran. Medan di pusat lingkaran berjari-jari \(R\) dengan \(N\) lilitan adalah \(B = \dfrac{\mu_0 N I}{2R}\). Satu sisi lingkaran berlaku seperti kutub U, sisi lainnya kutub S.
Lanjut · IB & olimpiadeHukum Biot–Savart dan hukum AmpèreSetiap potongan kawat kecil \(\mathrm d\vec l\) yang membawa arus \(I\) menyumbang medan \(\mathrm d\vec B = \dfrac{\mu_0}{4\pi}\dfrac{I\,\mathrm d\vec l \times \hat r}{r^2}\) (hukum Biot–Savart). Jika diintegralkan sepanjang kawat lurus tak hingga, hasilnya \(B = \mu_0 I/(2\pi a)\). Pada sumbu lingkaran berjari-jari \(R\), sejauh \(x\) dari pusatnya: \(B = \dfrac{\mu_0 I R^2}{2(R^2 + x^2)^{3/2}}\). Untuk bentuk yang simetris, hukum Ampère lebih cepat: \(\oint \vec B \cdot \mathrm d\vec l = \mu_0 I_\text{dilingkupi}\). Pilih lintasan lingkaran di sekitar kawat, maka \(B \cdot 2\pi a = \mu_0 I\), dan selesai dalam satu baris!
24.4Solenoid dan elektromagnet
Gulung kawat menjadi kumparan panjang seperti per (pegas), lalu alirkan arus. Inilah solenoid. Medan dari setiap lilitan saling menguatkan di dalam kumparan, sehingga di dalamnya medan menjadi kuat dan seragam, sedangkan di luarnya mirip medan magnet batang. Ujung tempat garis medan keluar adalah kutub U.
Trik Kak Nara: genggaman untuk kumparanUntuk kumparan, tukar peran jari: genggam kumparan dengan tangan kanan sehingga keempat jari searah arus di lilitan. Maka ibu jari menunjuk kutub utara (U) kumparan. Trik lain: lihat ujung kumparan. Jika arus berputar berlawanan arah jarum jam, ujung itu kutub U. Jika searah jarum jam, ujung itu kutub S.
Masukkan inti besi lunak ke dalam solenoid, maka domain-domain magnet di dalam besi ikut searah dan medannya berlipat ratusan kali. Inilah elektromagnet: magnet yang bisa dinyalakan dan dimatikan dengan saklar. Kekuatannya bisa diatur lewat arus dan jumlah lilitan. Besi lunak dipakai karena kemagnetannya langsung hilang saat arus diputus. Baja akan tetap bermagnet.
Bel listrik sekolah terdiri atas elektromagnet (inti besi berbentuk U yang dililit kawat), jangkar besi lunak berpegas dengan pemukul di ujungnya, sebuah gong, dan sekrup kontak.
Tombol ditekan: rangkaian tertutup, arus mengalir lewat kumparan, dan inti besi menjadi magnet.
Elektromagnet menarik jangkar. Pemukul menghantam gong: TING!
Tetapi saat jangkar tertarik, jangkar terlepas dari sekrup kontak. Rangkaian terputus, arus berhenti, dan elektromagnet kehilangan kemagnetannya.
Pegas menarik jangkar kembali sampai menyentuh sekrup kontak. Arus mengalir lagi, dan siklus ini berulang puluhan kali per detik: KRIIIING!
🏗️
Crane besi tua
Di tempat pengumpulan besi bekas dan pelabuhan, elektromagnet raksasa mengangkat berton-ton besi. Arus diputus, besinya jatuh di tempat yang diinginkan.
🔔
Bel sekolah
Elektromagnet menarik dan melepas jangkar puluhan kali per detik, sehingga pemukul menghantam gong berulang-ulang.
🔌
Relai
Elektromagnet kecil berarus lemah menyambung saklar berarus besar, misalnya pada pompa air otomatis dan lampu jalan bersensor.
🏥
MRI rumah sakit
Solenoid superkonduktor raksasa menghasilkan medan 1,5–3 T untuk "memotret" bagian dalam tubuh tanpa sinar-X.
24.5Gaya Lorentz: magnet mendorong arus
Jika arus membuat medan magnet, maka magnet juga bisa mendorong arus. Kawat berarus yang berada di dalam medan magnet mengalami gaya yang disebut gaya Lorentz. Gaya ini paling besar jika kawat tegak lurus medan, dan nol jika kawat sejajar medan.
Arah gaya tegak lurus terhadap arus dan terhadap medan. Ada dua cara populer untuk menentukannya, dan keduanya memberi jawaban yang sama:
Arus ke kanan, medan ke atas, maka gaya mengarah keluar layar menuju kamu. Ketiganya selalu saling tegak lurus jika kawat tegak lurus medan.
Gaya pada muatan yang bergerak
Arus hanyalah muatan yang bergerak, jadi setiap muatan \(q\) yang melaju dengan kecepatan \(v\) di dalam medan \(B\) juga merasakan gaya Lorentz: \(F = qvB\sin\theta\). Untuk muatan positif, ganti "arus" dengan "kecepatan" pada kaidah tangan. Untuk muatan negatif seperti elektron, arah gayanya dibalik.
Sebuah proton ditembakkan ke daerah bermedan magnet seragam, tegak lurus terhadap medannya. Bagaimana bentuk lintasannya di dalam medan?
Garis lurus, karena magnet tidak memengaruhi proton.
Parabola, seperti bola yang dilempar mendatar.
Lingkaran, dengan kelajuan tetap.
Spiral yang makin mengecil sampai proton berhenti.
Lingkaran! Gaya magnet selalu tegak lurus kecepatan, persis seperti tali yang menahan batu yang diputar. Gaya ini membelokkan arah gerak tanpa pernah mempercepat atau memperlambat, karena gaya tegak lurus tidak melakukan usaha. Hasilnya: gerak melingkar beraturan dengan jari-jari \(r = \dfrac{mv}{qB}\). Bentuknya bukan parabola, karena pada lemparan bola arah gayanya (gravitasi) tetap, sedangkan di sini arah gayanya ikut berputar.
Samakan gaya Lorentz dengan gaya sentripetal: \(qvB = \dfrac{mv^2}{r}\), sehingga
Mode lingkaran: ubah kelajuan dan medan, lalu bandingkan proton, partikel alfa, dan elektron. Mode heliks: atur sudut antara kecepatan dan medan. Mode pemilih kecepatan: atur medan listrik \(E\) sampai partikel lolos lurus lewat celah. Berapa kelajuan yang lolos?
Jika kecepatan partikel membentuk sudut dengan medan, komponen yang sejajar medan tidak dibelokkan sama sekali, sedangkan komponen yang tegak lurus membuat partikel berputar. Gabungannya adalah lintasan heliks (spiral seperti per). Inilah cara medan magnet Bumi "menggiring" partikel angin surya ke daerah kutub.
Kawat sepanjang 20 cm dialiri arus 3 A dan diletakkan tegak lurus medan magnet 0,5 T. Berapa gaya yang dialami kawat?
Ubah satuan: \(L = 20\) cm \(= 0{,}2\) m. Karena tegak lurus, \(\sin 90^\circ = 1\).
\(F = BIL = 0{,}5 \times 3 \times 0{,}2 = 0{,}3\) N.
Gayanya 0,3 N, kira-kira seberat sepertiga apel kecil. Inilah gaya yang memutar motor listrik.
Proton (\(m = 1{,}67 \times 10^{-27}\) kg, \(q = 1{,}6 \times 10^{-19}\) C) melaju \(2 \times 10^6\) m/s tegak lurus medan magnet 0,4 T. Tentukan jari-jari lintasan dan waktu satu putaran.
Jari-jarinya ±5,2 cm, dan proton berputar ±6 juta kali per detik. Perhatikan bahwa \(T = 2\pi m/(qB)\) tidak bergantung pada kelajuan. Rahasia ini dipakai mesin siklotron.
Lanjut · IB & olimpiadeSiklotron, pemilih kecepatan, dan dua kawat sejajarPemilih kecepatan: jika partikel melewati medan listrik \(E\) dan medan magnet \(B\) yang saling tegak lurus, gaya listrik \(qE\) dan gaya magnet \(qvB\) saling meniadakan hanya untuk \(v = E/B\). Partikel lain dibelokkan. Siklotron: partikel berputar dalam dua "D" berongga di dalam medan \(B\), dan setiap setengah putaran dipercepat oleh tegangan bolak-balik di celahnya. Karena periodenya tetap, frekuensi tegangan cukup dibuat \(f = \dfrac{qB}{2\pi m}\). Dua kawat sejajar berjarak \(d\) yang dialiri arus \(I_1\) dan \(I_2\) saling menarik (jika arusnya searah) atau menolak (jika berlawanan) dengan gaya per meter \(\dfrac{F}{L} = \dfrac{\mu_0 I_1 I_2}{2\pi d}\). Dulu, definisi resmi ampere memakai gaya ini.
Tamu dari masa laluGaya ini dinamai menurut Hendrik Antoon Lorentz, fisikawan Belanda peraih Nobel Fisika 1902. Fakta unik dari Tarsi: Taman Nasional Lorentz di Papua, situs Warisan Dunia UNESCO, tidak dinamai menurut sang fisikawan, melainkan menurut Hendrikus Albertus Lorentz, penjelajah Belanda yang memimpin ekspedisi ke sana pada awal abad ke-20. Dua orang berbeda, sama-sama Belanda, sama-sama bernama Lorentz!
24.6Motor listrik DC: gaya Lorentz yang berputar
Letakkan kumparan persegi di antara kutub U dan S, lalu alirkan arus. Kedua sisi panjang kumparan membawa arus dengan arah berlawanan, sehingga gaya Lorentz-nya juga berlawanan: satu sisi didorong ke atas, sisi lain ke bawah. Pasangan gaya ini membuat kumparan berputar.
Masalahnya, setelah setengah putaran, sisi yang tadi di kiri pindah ke kanan dan gaya justru membalikkan putaran. Solusinya adalah komutator (cincin belah): setiap setengah putaran, komutator membalik arah arus di kumparan, sehingga kumparan selalu didorong ke arah yang sama. Sikat karbon menjaga sambungan listrik ke komutator yang berputar.
Tekan ▶ Jalankan. Perhatikan panah gaya \(F\) pada kedua sisi kumparan di tampak depan. Matikan komutator: apa yang terjadi? Balik arah arus, lalu tambah tegangan, jumlah lilitan, atau kuat magnet. Kalau motor macet di posisi tegak, tekan 👆 Dorong sedikit.
Agar motor berputar lebih kuat, kita bisa (1) memperbesar arus, (2) menambah jumlah lilitan, (3) memakai magnet yang lebih kuat, dan (4) melilitkan kumparan pada inti besi lunak. Membalik arah arus atau membalik kutub magnet akan membalik arah putaran.
Lanjut · IB & olimpiadeTorsi pada kumparan dan galvanometerKumparan \(N\) lilitan dengan luas \(A\) dan arus \(I\) berperilaku seperti magnet kecil dengan momen magnet \(\mu = NIA\). Di dalam medan \(B\), torsinya \(\tau = NIAB\sin\phi\), dengan \(\phi\) adalah sudut antara garis normal kumparan dan medan. Torsi maksimum terjadi saat bidang kumparan sejajar medan. Pada galvanometer kumparan putar, kutub magnetnya dibuat melengkung dan diberi inti besi silinder supaya medannya radial. Akibatnya \(\sin\phi = 1\) di semua posisi, torsi magnet \(NIAB\) diimbangi torsi pegas \(k\theta\), dan simpangan jarum \(\theta = \dfrac{NAB}{k}\,I\) sebanding dengan arus. Skalanya pun jadi seragam.
🌀
Kipas angin
Kumparan dan medan magnet di dalam motor kipas saling mendorong, sehingga energi listrik berubah menjadi energi gerak baling-baling.
🚇
MRT dan KRL
Motor traksi di bawah gerbong kereta perkotaan mendorong kereta berton-ton dengan gaya magnet yang dikendalikan secara elektronik.
🛵
Motor & sepeda listrik
Banyak yang memakai motor di dalam roda (hub motor) tanpa sikat. Komutatornya diganti rangkaian elektronik yang membalik arus pada saat yang tepat.
🔊
Pengeras suara
Kumparan pada kerucut speaker berada di dalam medan magnet. Arus sinyal yang naik-turun membuat kerucut maju-mundur dan menggetarkan udara.
24.7Bahan magnetik
Mengapa besi ditarik magnet, sedangkan aluminium tidak? Setiap elektron berperilaku seperti magnet super kecil, karena berputar pada porosnya (spin) dan beredar mengelilingi inti. Pada kebanyakan bahan, magnet-magnet mini itu saling meniadakan. Berdasarkan responsnya terhadap medan magnet, bahan dibagi menjadi tiga:
Jenis
Perilaku dalam medan magnet
Contoh
Feromagnetik
ditarik sangat kuat. Bisa dijadikan magnet. Di dalamnya ada daerah-daerah kecil (domain) yang magnet mininya sudah searah.
besi, nikel, kobalt, baja, magnet neodimium
Paramagnetik
ditarik sangat lemah, hanya terasa dengan magnet sangat kuat
aluminium, oksigen cair, platina
Diamagnetik
ditolak sangat lemah
air, tembaga, emas, kayu, tubuhmu!
Besi biasa tidak bermagnet karena domain-domainnya mengarah acak dan saling meniadakan. Saat dimagnetkan, domain-domain itu menjadi searah.
Kemagnetan bisa hilang jika magnet dipanaskan melewati suhu Curie (untuk besi ±770 °C), dipukul-pukul keras, atau diletakkan dalam medan bolak-balik yang makin melemah. Pada suhu Curie, getaran panas mengacak domain-domainnya.
Fakta unik dari Tarsi: rahasia rice cookerRice cooker model lama punya "saklar pintar" berupa magnet kecil di bawah panci. Magnet itu menempel pada keping khusus yang suhu Curie-nya sedikit di atas 100 °C. Selama masih ada air, suhu panci tertahan di sekitar 100 °C. Begitu air habis dan nasi matang, suhu naik melewati suhu Curie, keping itu berhenti bersifat magnet, magnet terlepas, dan saklar "klik" pindah ke mode hangat. Itulah bunyi "klik" yang kamu dengar!
Lanjut · IB & olimpiadeHisteresis: bahan "keras" dan "lunak"Jika medan luar \(H\) pada bahan feromagnetik dinaikkan, diturunkan, lalu dibalik, kemagnetannya \(B\) tidak kembali melalui jalur yang sama. Grafiknya membentuk lingkaran yang disebut kurva histeresis. Saat medan luar sudah nol, bahan masih menyimpan kemagnetan sisa (remanensi). Untuk menghapusnya, dibutuhkan medan balik sebesar koersivitas. Bahan keras (baja, magnet neodimium) punya remanensi dan koersivitas besar, sehingga cocok untuk magnet permanen dan pita rekaman. Bahan lunak (besi lunak, baja silikon) punya lingkaran histeresis sempit dan mudah dibalik, sehingga energinya yang hilang sebagai kalor kecil. Bahan ini cocok untuk inti elektromagnet dan transformator (Bab 25). Luas lingkaran histeresis sebanding dengan energi yang hilang per siklus.
"Magnet menarik semua jenis logam."
Magnet hanya menarik kuat bahan feromagnetik: besi, nikel, kobalt, dan paduannya. Kaleng minuman aluminium, kabel tembaga, emas, dan perak praktis tidak ditarik. Cobalah dengan sendok, kaleng, dan peniti di rumah!
"Ujung utara jarum kompas menunjuk ke kutub utara magnet Bumi."
Kutub U jarum ditarik oleh kutub S. Jadi di dekat kutub utara geografis Bumi terdapat kutub selatan magnet Bumi. Nama "kutub utara" pada jarum artinya "kutub yang mencari utara".
"Medan magnet bisa mempercepat elektron supaya makin ngebut."
Gaya magnet selalu tegak lurus kecepatan, jadi tidak melakukan usaha. Medan magnet hanya membelokkan, tidak menambah kelajuan. Akselerator partikel memakai medan listrik untuk mempercepat, dan medan magnet untuk membelokkan.
Di sebuah alat spektrometer, ion-ion melewati daerah dengan medan listrik \(E = 3{,}0 \times 10^4\) V/m dan medan magnet \(B = 0{,}060\) T yang saling tegak lurus. Ion dengan kelajuan berapa yang lolos lurus tanpa dibelokkan? Jika ion yang lolos itu adalah proton, lalu masuk ke daerah yang hanya bermedan magnet 0,060 T, berapa jari-jari lintasannya?
Lolos lurus jika gaya listrik = gaya magnet: \(qE = qvB\), jadi \(v = \dfrac{E}{B} = \dfrac{3{,}0 \times 10^4}{0{,}060} = 5{,}0 \times 10^5\) m/s.
Perhatikan bahwa muatan \(q\) dicoret, sehingga semua ion dengan kelajuan ini lolos, apa pun muatan dan massanya.
Di daerah bermedan magnet saja: \(r = \dfrac{mv}{qB} = \dfrac{1{,}67 \times 10^{-27} \times 5{,}0 \times 10^5}{1{,}6 \times 10^{-19} \times 0{,}060} \approx 8{,}7 \times 10^{-2}\) m.
Kelajuan yang lolos \(5{,}0 \times 10^5\) m/s, dan jari-jari proton ±8,7 cm. Ion yang lebih berat akan membentuk lingkaran lebih besar. Inilah cara spektrometer massa memisahkan isotop.
Kawat lurus tegak dialiri arus ke atas. Dilihat dari atas, garis medan magnet di sekitarnya…
keluar menjauhi kawat seperti jari-jari roda
berputar searah jarum jam
berputar berlawanan arah jarum jam
sejajar kawat, ke atas
Dengan ibu jari kanan menunjuk ke atas (ke arah matamu), lipatan jari berputar berlawanan arah jarum jam jika dilihat dari atas.
Cara yang tidak memperkuat elektromagnet adalah…
mengganti inti besi lunak dengan inti kayu
menambah jumlah lilitan
memperbesar arus
merapatkan lilitan
Inti besi lunak melipatgandakan medan. Kayu tidak bersifat feromagnetik, jadi menggantinya dengan kayu justru melemahkan elektromagnet.
Elektron dan proton masuk ke medan magnet yang sama dengan kecepatan yang sama, tegak lurus medan. Pernyataan yang benar adalah…
keduanya berbelok ke arah yang sama dengan jari-jari sama
elektron tidak dibelokkan karena massanya sangat kecil
proton berbelok lebih tajam karena muatannya positif
keduanya berbelok ke arah berlawanan, dan lingkaran elektron jauh lebih kecil
Muatannya berlawanan tanda, jadi arah belokannya berlawanan. Besar muatannya sama, tetapi massa elektron ±1/1836 massa proton, sehingga \(r = mv/(qB)\) elektron jauh lebih kecil.
25
Bab 25 · Listrik & Magnet
Induksi Elektromagnetik: Menyulap Gerak Menjadi Listrik
Senter goyang menyala tanpa baterai. Kincir raksasa di Sidrap menerangi ribuan rumah. Kompor induksi memasak tanpa api. Rahasia ketiganya sama: medan magnet yang berubah.
memakai hukum Faraday \(\varepsilon = -N\,\Delta\Phi/\Delta t\) dan hukum Lenz untuk besar dan arah arus induksi;
menghitung GGL gerak \(\varepsilon = B\ell v\) dan GGL maksimum generator \(\varepsilon_\text{maks} = NBA\omega\);
memakai persamaan transformator dan menjelaskan mengapa listrik dikirim dengan tegangan tinggi;
menjelaskan induktansi dan teknologi induksi di sekitarmu: kompor induksi, kartu uang elektronik, pengisian nirkabel.
Senter Goyang Komik · 4 panel
Pukul 20.00, listrik padam
RakaYah, mati lampu! Baterai senterku juga habis…
SariTenang, aku punya senter goyang. Nggak pakai baterai!
RakaKok bisa nyala?! Listriknya dari mana?
Kak NaraDari ototmu! Di dalamnya ada magnet yang meluncur bolak-balik melewati kumparan kawat.
Kak NaraFaraday menemukannya tahun 1831. Prinsip yang sama menyalakan PLTA dan kincir angin raksasa di Sidrap!
TarsiJadi listrik di rumah juga hasil "goyangan" magnet raksasa?
25.1Fluks magnet: berapa banyak medan yang "menembus"
Bayangkan hujan turun tegak lurus, dan kamu memegang bingkai jendela. Berapa banyak air hujan yang lewat bingkai? Bergantung pada derasnya hujan, luas bingkai, dan kemiringan bingkai. Jika bingkai dipegang mendatar, banyak air yang lewat. Jika bingkai dipegang tegak, hampir tidak ada air yang lewat.
Medan magnet yang menembus sebuah bidang dihitung dengan cara yang sama. Besaran ini disebut fluks magnet \(\Phi\) (phi), dengan satuan weber (Wb):
Gampangnya: fluks magnet adalah banyaknya garis medan magnet yang menembus sebuah lingkaran kawat. Makin banyak garis yang lewat, makin besar fluksnya.
25.2Hukum Faraday: perubahan melahirkan listrik
Magnet yang sangat kuat diletakkan diam di dalam kumparan yang tersambung ke galvanometer (pengukur arus yang sangat peka). Jarum galvanometer akan…
menyimpang jauh dan tetap menyimpang selama magnet ada di dalam.
menunjuk nol, karena tidak ada arus.
bergetar terus-menerus.
menyimpang makin lama makin jauh.
Nol! Magnet sekuat apa pun tidak menghasilkan arus jika diam. Yang diperlukan adalah perubahan fluks. Faraday sendiri sempat bertahun-tahun gagal karena memakai magnet yang diam. Jarum baru bergerak tepat ketika magnet dimasukkan atau dikeluarkan.
Pada 29 Agustus 1831, Michael Faraday menemukan bahwa arus listrik muncul di kumparan setiap kali fluks magnet yang melingkupinya berubah. Arus ini disebut arus induksi, dan "dorongan" yang menghasilkannya disebut GGL induksi. Makin cepat perubahannya dan makin banyak lilitannya, makin besar GGL-nya:
Fluks \(\Phi = BA\cos\theta\) bisa diubah dengan tiga cara: mengubah kuat medan \(B\) (menggerakkan magnet mendekat atau menjauh), mengubah luas \(A\) (menarik atau mengempiskan simpal kawat), atau mengubah sudut \(\theta\) (memutar kumparan, seperti di generator).
Seret magnet masuk dan keluar kumparan. Kapan jarum menyimpang ke kanan, kapan ke kiri, dan kapan diam? Coba gerakkan cepat lalu pelan, tambah lilitan, atau balik magnetnya. Tombol 🔁 Gerak otomatis menggerakkan magnet bolak-balik seperti di dalam senter goyang.
Tamu dari masa laluMichael Faraday (1791–1867) lahir dari keluarga pandai besi yang miskin di London. Ia hanya sempat sekolah dasar, lalu bekerja sebagai tukang jilid buku dan membaca buku-buku yang dijilidnya. Ia melamar menjadi asisten Humphry Davy dengan membawa catatan kuliah yang ditulis rapi. Faraday hampir tidak memakai matematika, tetapi gambaran "garis gaya"-nya kemudian dirumuskan secara matematis oleh James Clerk Maxwell. Hampir seluruh listrik di dunia kini dibangkitkan dengan prinsip yang ia temukan. Di Amerika, Joseph Henry menemukan gejala serupa pada waktu yang hampir bersamaan.
Fluks magnet di dalam kumparan 500 lilitan bertambah dari 0 menjadi 0,6 mWb dalam 0,2 s saat magnet dimasukkan. Berapa besar GGL induksinya?
GGL-nya 1,5 V, setara satu baterai senter. Namun GGL ini hanya ada selama magnet bergerak.
25.3Hukum Lenz: alam tidak memberi listrik gratis
Hukum Lenz. Arah arus induksi selalu sedemikian rupa sehingga medan magnet yang dihasilkannya melawan perubahan fluks penyebabnya.
Saat kutub U magnet didekatkan, kumparan "membela diri" dengan membuat kutub U juga di ujung yang menghadap magnet, sehingga magnet ditolak. Saat magnet dijauhkan, kumparan membuat kutub S untuk menahan magnet pergi. Ikuti animasinya:
Magnet diam jauh dari kumparan. Fluks di dalam kumparan tidak berubah, jadi jarum galvanometer menunjuk nol.
Kutub U didekatkan: fluks bertambah. Arus induksi membuat ujung kiri kumparan menjadi kutub U yang menolak magnet. Jarum menyimpang ke satu arah.
Magnet berhenti: fluks tetap, arus induksi hilang, jarum kembali ke nol.
Magnet ditarik menjauh: fluks berkurang. Kini ujung kiri kumparan menjadi kutub S yang menarik magnet, seolah menahannya pergi. Jarum menyimpang ke arah sebaliknya.
Kumparan selalu melawan perubahan. Karena itu kamu harus mengerahkan usaha untuk menggerakkan magnet, dan usaha itulah yang berubah menjadi energi listrik. Inilah kekekalan energi.
Trik Kak Nara: "Lenz si penjaga status quo"Bayangkan kumparan itu orang yang tidak suka perubahan. Magnet didekatkan? Kumparan membuat kutub yang sama untuk menolaknya ("jangan mendekat!"). Magnet dijauhkan? Kumparan membuat kutub berlawanan untuk menariknya ("jangan pergi!"). Setelah kutubnya ketemu, pakai aturan genggaman tangan kanan: ibu jari menunjuk kutub utara kumparan, empat jari yang menggenggam menunjukkan arah arus induksi. Tiga detik, beres!
Awas jebakan: Lenz melawan perubahan, bukan melawan medanArus induksi tidak selalu membuat medan yang berlawanan arah dengan medan magnet. Ia melawan perubahan-nya. Jika fluks bertambah, medan induksi berlawanan arah dengan medan magnet. Jika fluks berkurang, medan induksi justru searah, untuk "menambal" fluks yang hilang.
Magnet neodimium kecil dijatuhkan ke dalam pipa tembaga yang berdiri tegak. Tembaga tidak ditarik magnet. Dibandingkan jatuh di dalam pipa plastik, magnet itu…
jatuh sama cepat, karena tembaga tidak bersifat magnet.
jatuh jauh lebih lambat.
menempel di dinding pipa dan berhenti.
jatuh lebih cepat, karena didorong ke bawah oleh pipa.
Jauh lebih lambat, seperti jatuh di dalam madu! Saat magnet jatuh, fluks di setiap "cincin" dinding pipa berubah, sehingga muncul arus melingkar yang disebut arus pusar (eddy current). Menurut hukum Lenz, arus di bawah magnet menolaknya dan arus di atasnya menariknya. Keduanya menahan gerak jatuh. Energi potensial magnet berubah menjadi kalor di dinding pipa.
Tekan ▶ Jalankan untuk menjatuhkan tiga magnet sekaligus ke pipa sepanjang 1 m. Ubah tebal dinding pipa dan kekuatan magnet. Mengapa pipa tembaga paling "kental"? (Petunjuk: tembaga menghantarkan listrik lebih baik daripada aluminium.)
🎢
Rem magnetik
Beberapa wahana jatuh bebas dan kereta memakai rem arus pusar: sirip logam melewati magnet kuat, lalu arus pusar memperlambatnya tanpa gesekan dan tanpa aus.
⚖️
Peredam jarum timbangan
Keping aluminium yang bergerak di antara magnet membuat jarum timbangan dan meteran analog cepat berhenti bergoyang.
🛬
Detektor logam bandara
Kumparan memancarkan medan yang berubah. Benda logam di sakumu menimbulkan arus pusar yang medannya terdeteksi kembali oleh alat.
🎸
Gitar listrik
Senar baja yang bergetar di atas magnet kecil mengubah fluks di kumparan pickup, sehingga muncul GGL yang naik-turun mengikuti nada.
25.4GGL gerak: kawat yang meluncur dalam medan
Bayangkan batang logam sepanjang \(\ell\) yang meluncur dengan kecepatan \(v\) di atas dua rel, di dalam medan magnet \(B\) yang tegak lurus. Setiap detik luas rangkaian bertambah \(\ell v\), sehingga fluksnya bertambah \(B\ell v\) per detik. Dari hukum Faraday:
Arah arus induksinya ditentukan dengan kaidah tangan kanan Fleming (untuk generator): ibu jari = arah gerak, telunjuk = arah medan, jari tengah = arah arus induksi. Ingat: tangan kiri untuk motor (gaya), tangan kanan untuk generator (arus induksi).
Batang sepanjang 0,5 m meluncur 4 m/s di atas rel yang ujungnya dihubungkan oleh lampu 2 Ω. Medan magnet 0,8 T tegak lurus bidang rel. Hambatan batang dan rel diabaikan. Tentukan GGL, arus, dan gaya yang diperlukan agar batang tetap meluncur dengan kecepatan tetap.
GGL: \(\varepsilon = B\ell v = 0{,}8 \times 0{,}5 \times 4 = 1{,}6\) V.
Arus: \(I = \varepsilon / R = 1{,}6 / 2 = 0{,}8\) A.
Batang berarus di dalam medan mengalami gaya Lorentz yang melawan gerak (hukum Lenz): \(F = BI\ell = 0{,}8 \times 0{,}8 \times 0{,}5 = 0{,}32\) N.
Agar kecepatannya tetap, batang harus ditarik dengan 0,32 N. Daya tarik: \(Fv = 0{,}32 \times 4 = 1{,}28\) W, persis sama dengan daya lampu \(I^2R = 0{,}64 \times 2 = 1{,}28\) W. ✓
GGL 1,6 V, arus 0,8 A, dan gaya tarik 0,32 N. Energi mekanik yang kamu berikan berubah seluruhnya menjadi energi listrik di lampu. Tidak ada listrik gratis!
Lanjut · IB & olimpiadeDari gaya Lorentz, dan batang yang berputarGGL gerak bisa diturunkan tanpa fluks. Elektron di dalam batang ikut bergerak dengan kecepatan \(v\), sehingga mengalami gaya Lorentz \(evB\) sepanjang batang. Elektron menumpuk di satu ujung sampai medan listrik di batang mengimbanginya: \(eE = evB\), sehingga beda potensial ujung-ujungnya \(E\ell = B\ell v\). Untuk batang sepanjang \(L\) yang berputar dengan kecepatan sudut \(\omega\) pada salah satu ujungnya, tegak lurus medan, setiap bagian batang bergerak dengan kecepatan \(v = \omega r\). Jumlahkan: \(\varepsilon = \int_0^L B\omega r\,\mathrm dr = \tfrac12 B\omega L^2\). Pesawat bersayap 60 m yang terbang 250 m/s melintasi komponen vertikal medan Bumi ±40 μT menghasilkan GGL sekitar \(B\ell v \approx 0{,}6\) V di antara kedua ujung sayapnya!
25.5Generator: memutar kumparan, memanen listrik
Putar kumparan di antara kutub magnet, maka sudut \(\theta\) antara medan dan garis normal kumparan terus berubah. Fluks \(\Phi = BA\cos\omega t\) naik-turun, sehingga muncul GGL yang juga naik-turun seperti gelombang sinus:
\[ \varepsilon = NBA\omega\,\sin\omega t = \varepsilon_\text{maks}\sin\omega t \]
GGL paling besar justru saat bidang kumparan sejajar medan (fluksnya nol, tetapi berubah paling cepat), dan nol saat bidang kumparan tegak lurus medan (fluksnya maksimum, tetapi sesaat tidak berubah).
Tekan ▶ Jalankan, atau seret engkol (lingkaran oranye) untuk memutar kumparan dengan tanganmu. Perhatikan kapan grafik GGL mencapai puncak. Ganti cincin geser dengan komutator: bagaimana bentuk grafiknya berubah? Putar sangat pelan: mengapa lampunya berkedip?
Ujung kumparan yang berputar dihubungkan ke rangkaian luar melalui cincin geser (slip ring), sehingga keluarannya arus bolak-balik (AC). Jika cincin geser diganti komutator seperti pada motor, arah arus dibalik setiap setengah putaran, sehingga keluarannya arus searah yang berdenyut. Dinamo sepeda dan generator di pembangkit listrik menghasilkan arus bolak-balik. Pada generator besar, biasanya magnetnya (elektromagnet) yang berputar dan kumparannya diam.
Fisika Indonesia: dari Cirata sampai SidrapDi PLTA seperti Cirata dan Saguling di Jawa Barat, air waduk memutar turbin yang memutar generator. PLTA Cirata saja berkapasitas sekitar 1.000 MW. Di Kabupaten Sidenreng Rappang, Sulawesi Selatan, berdiri PLTB Sidrap, pembangkit listrik tenaga bayu skala besar pertama di Indonesia (diresmikan 2018). Tiga puluh turbin angin setinggi gedung puluhan lantai menghasilkan total sekitar 75 MW. Semua generator yang tersambung ke jaringan PLN harus berputar serempak agar frekuensinya tepat 50 Hz. Generator PLTA berputar lambat (ratusan putaran per menit), jadi dipasangi puluhan kutub magnet supaya tetap menghasilkan 50 Hz.
Kumparan dinamo berisi 250 lilitan dengan luas 4 cm² dan berputar di dalam medan 0,1 T. Berapa putaran per detik yang diperlukan agar GGL puncaknya 6 V?
\(f = \dfrac{\omega}{2\pi} = \dfrac{600}{2\pi} \approx 95\) putaran per detik.
Sekitar 95 putaran per detik. Roda kecil dinamo yang menempel pada ban memang berputar sangat cepat. Itulah sebabnya lampu sepeda meredup saat sepeda melambat.
25.6Transformator dan transmisi listrik
Transformator (trafo) terdiri atas dua kumparan, primer dan sekunder, yang dililitkan pada satu inti besi. Arus bolak-balik di kumparan primer membuat fluks yang terus berubah di inti. Fluks itu ikut menembus kumparan sekunder dan menginduksi GGL di sana. Karena fluks per lilitan sama, tegangan sebanding dengan jumlah lilitan:
Atur lilitan primer dan sekunder sampai lampu 12 V menyala normal dari listrik PLN 220 V. Lalu ganti sumbernya dengan aki 12 V DC. Mengapa lampunya hanya berkedip sekali lalu padam?
Awas jebakan: trafo tidak bisa dipakai untuk DCArus searah (DC) yang tetap membuat fluks yang tetap, sehingga tidak ada GGL induksi di sekunder (kecuali lonjakan sesaat saat saklar dinyalakan atau dimatikan). Trafo hanya bekerja dengan arus bolak-balik. Selain itu, trafo menaikkan tegangan tetapi tidak menaikkan daya. Daya keluar paling banyak sama dengan daya masuk, dan pada trafo nyata sedikit lebih kecil.
Trafo nyata kehilangan sedikit energi sebagai kalor: hambatan kawat kumparan, histeresis inti besi, dan arus pusar di inti. Agar arus pusar kecil, inti dibuat dari lembaran-lembaran tipis baja silikon yang dilapisi isolator (inti berlapis). Trafo besar efisiensinya bisa lebih dari 98%, dan dengungnya yang khas berasal dari inti yang bergetar 100 kali per detik.
Mengapa listrik dikirim dengan tegangan sangat tinggi?
Pembangkit sering jauh dari kota. Kabel sepanjang ratusan kilometer punya hambatan \(R\), sehingga sebagian daya terbuang menjadi kalor: \(P_\text{rugi} = I^2R\). Untuk mengirim daya \(P = VI\) yang sama, tegangan 25 kali lebih tinggi berarti arus 25 kali lebih kecil, dan rugi dayanya \(25^2 = 625\) kali lebih kecil!
Pilih tegangan transmisi dan perhatikan arus di kabel, kabel yang membara, serta berapa rumah di kota yang menyala. Mengapa mengirim 100 MW dengan 220 V mustahil?
Tahap perjalanan listrik
Tegangan (umum di Indonesia)
Keluaran generator pembangkit
belasan sampai ±20-an kV
Trafo step-up di pembangkit → SUTET
500 kV (Jawa–Bali), 275 kV (sebagian Sumatra & Kalimantan)
SUTT (saluran udara tegangan tinggi)
150 kV dan 70 kV
Gardu induk → jaringan distribusi (tiang kota)
20 kV
Trafo distribusi di tiang/gardu → rumahmu
220 V (satu fase) atau 380 V (tiga fase)
Sebuah pembangkit mengirim daya 50 MW lewat kabel berhambatan total 8 Ω. Bandingkan persentase daya yang hilang jika dikirim pada 20 kV dan pada 150 kV.
Pada 20 kV: \(I = \dfrac{50 \times 10^6}{20 \times 10^3} = 2\,500\) A, sehingga \(P_\text{rugi} = 2\,500^2 \times 8 = 50 \times 10^6\) W = 50 MW. Semua daya habis di kabel! Mengirim daya sebesar itu pada 20 kV lewat kabel ini jelas mustahil.
Pada 150 kV: \(I = \dfrac{50 \times 10^6}{150 \times 10^3} \approx 333\) A, sehingga \(P_\text{rugi} = 333^2 \times 8 \approx 0{,}89\) MW.
Pada 20 kV hampir seluruh daya hilang, sedangkan pada 150 kV hanya ±1,8%. Tegangan naik 7,5 kali, rugi daya turun \(7{,}5^2 \approx 56\) kali. Karena itulah ada SUTET dan trafo di mana-mana.
Keselamatan di dekat jaringan listrik
Jangan bermain layangan di dekat kabel listrik, apalagi dengan benang kawat atau benang basah. Layangan yang tersangkut menyebabkan pemadaman dan bisa menyetrum. Biarkan saja dan laporkan ke PLN.
Jangan memanjat tiang listrik, menara SUTT/SUTET, atau pagar gardu. Listrik tegangan tinggi bisa "meloncat" (busur listrik) walau belum disentuh.
Jika ada kabel putus menjuntai ke tanah, menjauhlah, dan larang orang lain mendekat. Segera hubungi PLN.
25.7Induktansi dan teknologi induksi di sekitarmu
Arus yang berubah di sebuah kumparan menghasilkan fluks yang berubah di kumparan itu sendiri, sehingga muncul GGL yang melawan perubahan arus. Gejala ini disebut induksi diri, dan ukurannya adalah induktansi \(L\) (satuan henry, H): \(\varepsilon = -L\,\dfrac{\Delta I}{\Delta t}\). Kumparan seolah punya "kelembaman listrik": sulit dinyalakan dengan cepat dan sulit dimatikan mendadak. Saat saklar motor besar dibuka tiba-tiba, GGL induksi diri yang besar bisa menimbulkan percikan api di saklar.
Jika arus berubah di satu kumparan dan menginduksi GGL di kumparan lain di dekatnya, gejalanya disebut induksi bersama (induktansi bersama \(M\)). Transformator, pengisi daya nirkabel, dan kompor induksi bekerja dengan prinsip ini.
Lanjut · IB & olimpiadeSolenoid, energi, dan rangkaian R–LUntuk solenoid panjang dengan \(N\) lilitan, panjang \(\ell\), dan luas \(A\): \(L = \dfrac{\mu_0 N^2 A}{\ell}\). Induktor menyimpan energi di medan magnetnya: \(U = \tfrac12 L I^2\). Jika induktor \(L\) dan resistor \(R\) dihubungkan ke baterai GGL \(\varepsilon\), arus tidak langsung penuh, tetapi tumbuh menurut \(I(t) = \dfrac{\varepsilon}{R}\left(1 - e^{-t/\tau}\right)\) dengan konstanta waktu \(\tau = L/R\). Setelah \(t = \tau\), arus mencapai ±63% nilai akhirnya. Saat baterai dilepas (dan rangkaian tetap tertutup), arus meluruh \(I = I_0 e^{-t/\tau}\).
🍳
Kompor induksi
Kumparan di bawah kaca dialiri arus bolak-balik berfrekuensi puluhan kilohertz. Arus pusar muncul langsung di dasar panci, sehingga panci yang memanas, bukan kompornya. Pancinya harus berdasar besi atau baja yang ditarik magnet.
📱
Pengisi daya nirkabel
Kumparan di alas pengisi dan kumparan di dalam HP membentuk "trafo tanpa inti". Medan yang berubah memindahkan energi menembus casing HP.
💳
Kartu uang elektronik & tol
Kartu tidak punya baterai. Saat ditempel, medan bolak-balik dari pembaca menginduksi arus di antena kumparan dalam kartu. Arus itu menyalakan cip untuk sesaat dan mengirim data saldo.
🚦
Sensor kendaraan di jalan
Kumparan kawat yang ditanam di aspal berubah induktansinya saat ada kendaraan logam di atasnya. Sinyal ini bisa dipakai untuk menghitung kendaraan atau mengatur lampu lalu lintas.
Fisika Indonesia: kompor induksi di dapur kitaIndonesia mengimpor sebagian besar elpiji yang dipakai di dapur-dapur kita. Karena itu pemerintah dan PLN pernah menguji coba pembagian kompor induksi di beberapa kota, agar memasak bisa memakai listrik dari pembangkit dalam negeri. Efisiensinya tinggi, sebab kalor dibangkitkan langsung di dasar panci. Tips: tempelkan magnet ke dasar pancimu. Jika menempel kuat, panci itu cocok untuk kompor induksi. Panci aluminium tipis biasanya tidak bisa dipakai.
"Magnet yang sangat kuat di dalam kumparan pasti menghasilkan listrik terus-menerus."
Listrik induksi hanya muncul saat fluks berubah. Magnet diam, sekuat apa pun, tidak menghasilkan arus. Generator bekerja karena kumparannya terus berputar.
"Transformator bisa menaikkan tegangan aki 12 V menjadi 220 V untuk menyalakan TV."
Aki memberi arus searah yang tetap, sehingga trafo tidak bekerja. Alat inverter lebih dulu mengubah DC menjadi AC dengan rangkaian elektronik, baru kemudian tegangannya dinaikkan.
"Kalau tegangan dinaikkan dengan trafo, energinya juga bertambah. Bisa jadi mesin energi gratis!"
Trafo ideal: \(V_pI_p = V_sI_s\). Tegangan naik, arus turun. Daya keluar tidak pernah melebihi daya masuk. Hukum kekekalan energi tetap berlaku.
Cara yang tidak menghasilkan GGL induksi pada sebuah kumparan adalah…
memasukkan magnet ke dalam kumparan
membiarkan magnet diam di dalam kumparan
memutar kumparan di antara kutub magnet
menyalakan dan mematikan arus di kumparan lain di dekatnya
GGL induksi memerlukan perubahan fluks. Magnet yang diam tidak mengubah fluks.
Trafo memiliki 200 lilitan primer dan 4.000 lilitan sekunder. Jika tegangan primernya 220 V AC, tegangan sekundernya…
11 V
220 V
4.400 V
0 V
\(V_s = 220 \times \dfrac{4000}{200} = 4\,400\) V. Ini trafo step-up.
Listrik dikirim lewat SUTET dengan tegangan sangat tinggi terutama untuk…
memperkecil arus sehingga rugi daya \(I^2R\) di kabel kecil
mempercepat aliran elektron agar listrik cepat sampai
menambah daya listrik yang diterima kota
supaya kabel tidak perlu isolator
Untuk daya \(P = VI\) yang sama, tegangan tinggi berarti arus kecil, dan rugi daya sebanding dengan \(I^2\).
26
Bab 26 · Listrik & Magnet
Arus Bolak-balik: Listrik yang Menari
Stopkontak di rumahmu berlabel 220 V, padahal tegangannya naik-turun sampai ±311 V dan berbalik arah seratus kali setiap detik. Lalu bagaimana radio bisa memilih satu stasiun di antara puluhan siaran yang memenuhi udara?
Setelah bab ini, kamu bisa
membedakan AC dan DC, lalu membaca frekuensi, periode, nilai puncak, dan nilai efektif (rms) listrik PLN;
menjelaskan perilaku resistor, induktor, dan kapasitor pada AC lewat reaktansi dan beda fase;
menggambar diagram fasor dan menghitung impedansi rangkaian RLC seri;
menghitung frekuensi resonansi dan menjelaskan cara radio memilih stasiun;
menghitung daya dan faktor daya, serta memahami cara adaptor HP mengubah AC menjadi DC.
Misteri 220 Volt Komik · 4 panel
Malam hari, di rumah Raka
RakaDi stopkontak tertulis 220 V. Berarti tegangannya tetap 220 V terus, kan?
Esoknya, di lab sekolah
SariOsiloskop bilang lain, Rak. Tegangannya naik-turun, puncaknya ±311 V, dan arahnya berbalik terus!
RakaBerbalik arah?! Jadi listrik di kabel kita maju-mundur kayak orang menggergaji?
TarsiFakta unik: 50 kali bolak-balik setiap detik!
Kak NaraItu arus bolak-balik, AC! Radio ini bahkan memakai AC untuk memilih satu stasiun dari puluhan siaran. Yuk, kita bongkar!
Stopkontak PLN berlabel 220 V. Berapa tegangan tertinggi yang sebenarnya dicapai di stopkontak itu?
Tepat 220 V, karena itulah yang tertulis.
Sekitar 110 V, karena tegangannya dibagi dua untuk dua lubang.
Sekitar 311 V, sesaat, dua kali dalam setiap periode (sekali positif, sekali negatif).
Sekitar 440 V, karena naik-turun dari −220 V ke +220 V.
Jawabannya: sekitar 311 V. Tegangan PLN berbentuk gelombang sinus yang berayun antara +311 V dan −311 V. Angka "220 V" adalah nilai efektif: gelombang ini memanaskan setrika sama kuatnya dengan listrik DC 220 V. Hubungannya \(311 \approx 220 \times \sqrt2\). Kita buktikan di subbab 26.2.
26.1AC vs DC: listrik yang searah dan yang bolak-balik
Baterai senter mendorong elektron ke satu arah saja, dari kutub negatif ke kutub positif melalui rangkaian. Arus seperti ini disebut arus searah atau DC (direct current).
Listrik PLN berbeda. Di pembangkit, generator memutar kumparan di dalam medan magnet (ingat Bab 25). GGL yang dihasilkan berbentuk gelombang sinus: dorongannya ke kanan, melemah, berbalik ke kiri, melemah lagi, lalu berbalik ke kanan. Inilah arus bolak-balik atau AC (alternating current).
\[ V = V_\text{maks}\sin(\omega t), \qquad \omega = 2\pi f, \qquad T = \frac1f \]
Rumus ini bercerita: tegangan \(V\) (volt) berayun di antara \(+V_\text{maks}\) dan \(-V_\text{maks}\). \(f\) adalah frekuensi (hertz, Hz): berapa gelombang utuh per detik. \(T\) adalah periode (detik): lama satu gelombang utuh. \(\omega\) adalah frekuensi sudut (rad/s). PLN memakai \(f = 50\) Hz, jadi \(T = 1/50 = 0{,}02\) s = 20 milidetik. Dalam satu periode arus berbalik arah dua kali, sehingga dalam satu detik arus berbalik arah 100 kali.
Gampangnya: elektron di kabel AC seperti gergaji kayu yang digerakkan maju-mundur. Gergajinya tidak pernah pergi jauh, tetapi kayunya tetap terpotong. Elektron AC juga hanya maju-mundur di tempat, tetapi energinya tetap sampai ke lampu dan kipas angin di rumahmu.
Tegangan stopkontak PLN selama 40 ms (dua periode). Garis hijau adalah nilai efektif (rms) 220 V, garis merah adalah puncaknya.
Arus searah (DC)
Arus bolak-balik (AC)
Arah elektron
satu arah terus
maju-mundur, berbalik 2× tiap periode
Grafik V–t
garis datar
gelombang sinus
Sumber
baterai, aki, panel surya, adaptor
generator PLTA, PLTU, PLTB; stopkontak PLN
Bisa dinaikkan/diturunkan trafo?
tidak (trafo butuh fluks yang berubah)
ya, sehingga mudah dikirim jarak jauh dengan tegangan tinggi
Contoh pemakai
HP, laptop, senter, mobil listrik (baterainya)
kipas angin, kulkas, pompa air, setrika
Tamu dari masa laluSekitar tahun 1880-an terjadi "Perang Arus". Thomas Edison membangun jaringan listrik DC di New York, tetapi DC sulit dikirim jauh karena tegangannya tidak bisa dinaikkan. Nikola Tesla dan George Westinghouse memperjuangkan AC, yang tegangannya bisa dinaikkan dengan trafo sehingga rugi daya di kabel kecil (Bab 25). Pada 1896, listrik AC dari pembangkit di air terjun Niagara dialirkan ke kota Buffalo, sekitar 40 km jauhnya. AC menang, dan sampai sekarang hampir semua jaringan listrik dunia memakai AC.
Fisika IndonesiaStandar listrik rumah di Indonesia adalah 220 V, 50 Hz. Sebagian negara lain berbeda: Amerika Serikat memakai sekitar 120 V, 60 Hz. Itulah sebabnya alat elektronik dari luar negeri kadang butuh adaptor khusus. Untungnya, sebagian besar charger HP dan laptop modern tertulis "100–240 V, 50/60 Hz", artinya bisa dipakai di mana saja.
26.2Nilai efektif (rms): kenapa "220 V"?
Coba hitung rata-rata tegangan PLN selama satu periode. Separuh waktu positif, separuh waktu negatif, sama besar. Rata-ratanya… nol! Tetapi setrika jelas tetap panas. Jadi rata-rata biasa bukan ukuran yang tepat.
Kuncinya ada di daya. Panas pada resistor sebanding dengan \(I^2\) (ingat \(P = I^2R\) dari Bab 23). Kuadrat selalu positif, jadi saat arus negatif pun resistor tetap memanas. Fisikawan lalu mendefinisikan nilai efektif atau rms (root mean square, akar dari rata-rata kuadrat): nilai DC yang menghasilkan panas sama besar.
Bagaimana dengan rata-rata setengah periode?Kalau hanya dirata-rata selama setengah periode positif, hasilnya \(V_\text{rata} = \dfrac{2V_\text{maks}}{\pi} \approx 0{,}637\,V_\text{maks}\). Nilai ini dipakai untuk arus yang sudah disearahkan (subbab 26.7). Jadi ada tiga angka berbeda: puncak (311 V), efektif (220 V), dan rata-rata setengah periode (±198 V).
Awas jebakanMultimeter dan label alat listrik selalu memakai nilai efektif. Tetapi isolasi kabel, kapasitor, dan sakelar harus kuat menahan nilai puncak. Kapasitor bertuliskan "250 V" yang dipasang langsung di stopkontak 220 V bisa jebol, karena tegangan puncaknya 311 V!
Osiloskop menunjukkan tegangan sinus dengan puncak 12 V dan satu gelombang utuh selebar 4 kotak. Skala waktunya 5 ms per kotak. Tentukan tegangan efektif dan frekuensinya.
Tegangan efektif: \(V_\text{rms} = \dfrac{12}{\sqrt2} = \dfrac{12}{1{,}414} \approx 8{,}5\) V.
Periode: \(T = 4 \times 5\) ms \(= 20\) ms \(= 0{,}020\) s.
Frekuensi: \(f = \dfrac1T = \dfrac{1}{0{,}020} = 50\) Hz.
\(V_\text{rms} \approx 8{,}5\) V dan \(f = 50\) Hz, sama dengan frekuensi PLN. Mungkin ini keluaran trafo kecil dari stopkontak.
"Listrik rumah 220 V artinya tegangannya selalu 220 V."
Tegangannya terus berubah di antara +311 V dan −311 V, 50 kali per detik. Angka 220 V adalah nilai efektif: setara dengan DC 220 V dalam hal memanaskan dan menyalakan.
"Rata-rata arus AC nol, jadi AC tidak bisa memanaskan apa pun."
Panas sebanding dengan \(I^2\), yang selalu positif. Yang nol hanya rata-rata arusnya, bukan rata-rata dayanya. Karena itu setrika dan rice cooker tetap panas.
Lanjut · IB & olimpiadeDari mana datangnya √2?Daya sesaat pada resistor: \(P(t) = \dfrac{V_\text{maks}^2}{R}\sin^2(\omega t)\). Karena \(\sin^2 x = \tfrac12(1 - \cos 2x)\) dan rata-rata \(\cos 2x\) dalam satu periode nol, maka \(\langle \sin^2 \rangle = \tfrac12\). Jadi \(\langle P\rangle = \dfrac{V_\text{maks}^2}{2R} = \dfrac{V_\text{rms}^2}{R}\) dengan \(V_\text{rms} = V_\text{maks}/\sqrt2\). Rumus ini hanya untuk sinus. Gelombang kotak \(\pm V_0\) punya \(V_\text{rms} = V_0\), sedangkan gelombang segitiga punya \(V_\text{rms} = V_0/\sqrt3\).
26.3Resistor, induktor, dan kapasitor pada AC
Frekuensi sumber AC dinaikkan dari 50 Hz menjadi 5.000 Hz, sedangkan tegangan efektifnya tetap. Apa yang terjadi pada arus yang melewati sebuah kapasitor, dan arus yang melewati sebuah kumparan (induktor)?
Keduanya naik, karena frekuensi tinggi membawa lebih banyak energi.
Keduanya turun, karena elektron kewalahan bolak-balik terlalu cepat.
Arus kapasitor naik, arus kumparan turun.
Tidak ada yang berubah, karena tegangannya sama.
Arus kapasitor naik, arus kumparan turun. Kumparan "membenci" perubahan arus (Hukum Lenz, Bab 25), dan perubahan makin cepat pada frekuensi tinggi, jadi kumparan makin menghambat. Kapasitor sebaliknya: makin sering muatan bolak-balik mengisi dan mengosongkan pelatnya, makin besar arusnya. Pengeras suara memanfaatkan sifat ini untuk memisahkan nada tinggi dan nada rendah.
Pada DC, kita hanya mengenal hambatan \(R\). Pada AC muncul dua "penghambat" baru yang bergantung pada frekuensi. Hambatan versi AC ini disebut reaktansi (lambang \(X\), satuan ohm). Bedanya dengan resistor: reaktansi tidak mengubah energi listrik menjadi panas. Energinya hanya disimpan sebentar, lalu dikembalikan.
Komponen
"Hambatan" terhadap AC
Jika f naik
Fase arus terhadap tegangan
Analogi
Resistor R
\(R\)
tetap
sefase (bersamaan)
lorong sempit: selalu menghambat sama
Induktor L
\(X_L = 2\pi f L\)
naik
arus terlambat 90° (¼ periode)
roda gila berat: malas diubah arah putarnya
Kapasitor C
\(X_C = \dfrac{1}{2\pi f C}\)
turun
arus mendahului 90°
balon karet di dalam pipa air: air bolak-balik "lewat" walau tidak menembus
Mengapa kapasitor membuat arus mendahului tegangan? Bayangkan mengisi ember. Arus air paling deras saat ember masih kosong, padahal "tinggi air" (tegangan) baru mulai naik. Saat ember penuh (tegangan puncak), arus justru berhenti. Jadi puncak arus datang ¼ periode lebih dulu daripada puncak tegangan. Induktor kebalikannya: ia menahan perubahan arus, sehingga arusnya baru memuncak ¼ periode setelah tegangannya.
Trik Kak Nara: CIVILIngat kata Inggris CIVIL. Pada C (kapasitor), I datang sebelum V: C-I-V. Pada L (induktor), V datang sebelum I: V-I-L. Tinggal dibaca dari kiri ke kanan!
Panah berputar di kanan adalah fasor; bayangan vertikalnya menggambar grafik di layar (waktu mengalir ke kanan, jadi gelombang yang duluan memuncak lebih ke kiri). Pilih Resistor saja, lalu Kapasitor saja, lalu Induktor saja. Puncak siapa yang datang lebih dulu? Kemudian naikkan frekuensinya dan amati arusnya. Coba juga mode R + L + C pada 50 Hz. Ada kejutan!
Sebuah kapasitor 10 μF (tahan 400 V) dihubungkan ke listrik PLN 220 V, 50 Hz. Berapa reaktansinya dan berapa arus efektif yang mengalir?
\(I_\text{rms} = \dfrac{V_\text{rms}}{X_C} = \dfrac{220}{318} \approx 0{,}69\) A.
Cek isolasi: tegangan puncak \(311\) V masih di bawah 400 V. Aman.
\(X_C \approx 318\ \Omega\) dan \(I_\text{rms} \approx 0{,}69\) A. Arus ini mengalir walaupun tidak ada satu elektron pun yang menembus celah kapasitor!
"Kapasitor memutus semua arus, seperti sakelar yang terbuka."
Kapasitor memblokir DC, tetapi meloloskan AC. Makin tinggi frekuensinya, makin mudah. Elektron bolak-balik mengisi dan mengosongkan pelat tanpa pernah menembus celahnya.
"Kumparan kawat tembaga hanya seutas kabel panjang, jadi tidak menghambat apa-apa."
Untuk DC memang hampir begitu. Untuk AC, kumparan melawan perubahan arus (Hukum Lenz), sehingga reaktansinya \(X_L = 2\pi f L\) bisa ratusan ohm walaupun hambatan kawatnya hanya beberapa ohm.
26.4Diagram fasor & impedansi rangkaian RLC
Bagaimana kalau R, L, dan C dipasang seri? Arusnya sama di semua komponen, tetapi tegangan di tiap komponen memuncak pada saat yang berbeda. Tegangan-tegangan itu tidak bisa dijumlahkan begitu saja. Alatnya adalah fasor: panah berputar yang panjangnya menyatakan nilai puncak dan sudutnya menyatakan fase. Bayangan vertikal fasor yang berputar menggambar grafik sinus, persis seperti di Lab Mini tadi.
Pada rangkaian seri, arus \(I\) sama di mana-mana. Kita jadikan arus sebagai acuan: fasornya mendatar.
Tegangan resistor \(V_R = IR = 60\) V sefase dengan arus, jadi panahnya searah \(I\).
Tegangan induktor \(V_L = IX_L = 160\) V mendahului arus 90°, jadi panahnya tegak ke atas.
Tegangan kapasitor \(V_C = IX_C = 80\) V tertinggal 90° dari arus, jadi panahnya tegak ke bawah.
\(V_L\) dan \(V_C\) berlawanan arah, jadi saling mengurangi. Sisanya 80 V ke atas.
Jumlahkan dengan Pythagoras: \(V = \sqrt{60^2 + 80^2} = 100\) V. Tegangan sumber mendahului arus sebesar \(\varphi \approx 53^\circ\).
Bagi semua sisi dengan \(I\): segitiga yang sama berlaku untuk hambatan. Inilah impedansi \(Z = \sqrt{R^2 + (X_L - X_C)^2} = 50\ \Omega\).
\[ Z = \sqrt{R^2 + (X_L - X_C)^2}, \qquad \tan\varphi = \frac{X_L - X_C}{R}, \qquad I = \frac{V}{Z} \]
Rumus ini bercerita: impedansi \(Z\) (ohm) adalah "hambatan total" rangkaian AC. \(R\) dan selisih reaktansi \((X_L - X_C)\) dijumlahkan seperti dua sisi tegak segitiga siku-siku. Sudut \(\varphi\) adalah beda fase: positif jika rangkaian bersifat induktif (\(X_L > X_C\), tegangan mendahului arus), negatif jika bersifat kapasitif.
Awas jebakanPada contoh di atas, \(V_R + V_L + V_C = 60 + 160 + 80 = 300\) V, padahal sumbernya hanya 100 V! Tidak ada yang salah. Voltmeter AC membaca nilai efektif masing-masing, dan ketiga tegangan itu tidak pernah memuncak bersamaan. Jumlahkan sebagai vektor (fasor), bukan sebagai angka biasa.
Resistor 40 Ω, induktor dengan \(X_L = 100\ \Omega\), dan kapasitor dengan \(X_C = 70\ \Omega\) dipasang seri pada sumber 100 V (efektif). Tentukan impedansi, arus, dan beda fasenya.
\(Z = 50\ \Omega\), \(I = 2\) A, \(\varphi \approx 37^\circ\). Segitiga 3-4-5 sering muncul di soal: hafalkan polanya!
Lanjut · IB & olimpiadeImpedansi sebagai bilangan kompleksFisikawan dan insinyur menulis impedansi sebagai bilangan kompleks: \(Z_R = R\), \(Z_L = j\omega L\), \(Z_C = \dfrac{1}{j\omega C} = -\dfrac{j}{\omega C}\), dengan \(j = \sqrt{-1}\). Rangkaian seri cukup dijumlahkan: \(Z = R + j\left(\omega L - \dfrac1{\omega C}\right)\). Besarnya \(|Z|\) adalah rumus Pythagoras di atas, dan argumennya adalah \(\varphi\). Rangkaian paralel dihitung seperti resistor paralel: \(\dfrac1Z = \dfrac1{Z_1} + \dfrac1{Z_2}\). Dengan trik ini, rangkaian AC serumit apa pun diselesaikan seperti rangkaian DC biasa.
26.5Resonansi: cara radio memilih stasiun
Perhatikan rumus impedansi. Kalau \(X_L = X_C\), suku \((X_L - X_C)\) menjadi nol, sehingga \(Z = R\). Impedansi mencapai nilai terkecil dan arus mencapai nilai terbesar. Keadaan istimewa ini disebut resonansi. Karena \(X_L\) naik dan \(X_C\) turun saat frekuensi naik, hanya ada satu frekuensi yang membuat keduanya sama:
Analoginya ayunan di taman. Kalau kamu mendorong ayunan tepat mengikuti irama alaminya, ayunan makin tinggi. Kalau dorongannya tidak seirama, ayunan hanya bergoyang kecil. Rangkaian LC juga punya "irama alami" \(f_0\). Sinyal yang frekuensinya sama dengan \(f_0\) membuat arus besar, sedangkan sinyal lain hampir tidak menghasilkan arus.
Antena radio menangkap semua siaran sekaligus. Di dalam radio, antena terhubung ke rangkaian LC. Saat kamu memutar tombol penala, sebenarnya kamu mengubah kapasitansi \(C\) (pada radio lama berupa kapasitor variabel dengan pelat-pelat yang bisa diputar; pada radio digital berupa dioda khusus yang kapasitansinya diatur tegangan). Hanya stasiun yang frekuensinya sama dengan \(f_0\) yang menghasilkan arus besar, lalu diperkuat dan dibunyikan.
Seret jarum di papan frekuensi atau geser slider \(C\). Kurva menunjukkan seberapa kuat rangkaian merespons tiap frekuensi. Tekan 🔊 Suara untuk mendengar hasilnya (setiap stasiun berbunyi khas). Lalu besarkan hambatan \(R\): mengapa stasiun-stasiun mulai bercampur?
Fisika IndonesiaDi banyak daerah, radio FM masih menjadi sumber informasi utama: berita lokal, info harga panen, jadwal kapal, sampai peringatan dini bencana. Radio komunitas di desa sering memakai pemancar berdaya kecil. Penerimanya cukup radio murah dengan rangkaian LC yang sama prinsipnya dengan yang kamu mainkan di atas. Saat jaringan internet putus karena gempa atau banjir, radio bertenaga baterai tetap bisa menerima siaran darurat.
Penala radio FM memakai kumparan \(L = 0{,}25\ \mu\)H. Berapa kapasitansi yang diperlukan agar radio menangkap stasiun 100 MHz?
Dari \(f_0 = \dfrac{1}{2\pi\sqrt{LC}}\), kuadratkan dan susun ulang: \(C = \dfrac{1}{(2\pi f_0)^2 L}\).
\(C = \dfrac{1}{3{,}95\times10^{17} \times 0{,}25\times10^{-6}} = \dfrac{1}{9{,}87\times10^{10}} \approx 1{,}01\times10^{-11}\) F.
\(C \approx 10\) pF. Untuk menangkap 90 MHz, \(C\) harus sedikit lebih besar (sekitar 12,5 pF), karena \(f_0 \propto 1/\sqrt C\).
Ayunan listrik: osilasi LC
Apa yang terjadi jika kapasitor bermuatan dihubungkan langsung ke kumparan, tanpa sumber? Kapasitor melepas muatan, arus mengalir, dan energinya pindah ke medan magnet kumparan. Kumparan "malas berhenti" (Hukum Lenz), sehingga arus terus mengalir dan mengisi kapasitor dengan kutub terbalik. Lalu semuanya berulang ke arah sebaliknya. Energi berayun bolak-balik antara medan listrik (di kapasitor) dan medan magnet (di kumparan), persis seperti energi potensial dan energi kinetik pada pegas yang berosilasi (Bab 12).
Tekan Jalankan. Perhatikan batang energi: kapan energi penuh di kapasitor (ungu), kapan penuh di kumparan (hijau)? Bandingkan dengan balok dan pegas di sebelahnya. Lalu naikkan hambatan \(R\). Ke mana energinya pergi?
Lanjut · IB & olimpiadeFaktor kualitas dan lebar pitaPersamaan osilasi LC adalah \(L\ddot q + \dfrac{q}{C} = 0\), mirip \(m\ddot x + kx = 0\) pada pegas. Jadi \(L \leftrightarrow m\) dan \(1/C \leftrightarrow k\), sehingga \(\omega_0 = 1/\sqrt{LC}\) seperti \(\omega_0 = \sqrt{k/m}\). Hambatan \(R\) berperan sebagai gesekan. Ketajaman resonansi diukur dengan faktor kualitas \(Q = \dfrac{1}{R}\sqrt{\dfrac LC} = \dfrac{f_0}{\Delta f}\), dengan \(\Delta f = \dfrac{R}{2\pi L}\) adalah lebar pita (selang frekuensi tempat daya rangkaian bernilai minimal setengah daya maksimum). Radio yang baik punya \(Q\) cukup besar agar stasiun berdekatan tidak bercampur, tetapi tidak terlalu besar agar seluruh lebar siaran satu stasiun tetap tertangkap.
26.6Daya & faktor daya
Induktor dan kapasitor menyimpan energi selama seperempat periode, lalu mengembalikannya ke sumber pada seperempat periode berikutnya. Rata-rata dayanya nol. Yang benar-benar "memakan" energi hanya hambatan. Karena itu daya rata-rata rangkaian AC adalah:
\[ P = V_\text{rms}\, I_\text{rms} \cos\varphi \]
Rumus ini bercerita: \(P\) (watt) adalah daya nyata, yaitu energi per detik yang benar-benar berubah menjadi panas, cahaya, atau gerak. \(\cos\varphi\) disebut faktor daya: 1 untuk resistor murni (setrika, rice cooker), lebih kecil dari 1 untuk alat yang punya kumparan (pompa air, kipas, kulkas). Hasil kali \(S = V_\text{rms} I_\text{rms}\) tanpa \(\cos\varphi\) disebut daya semu, dengan satuan volt-ampere (VA).
Fisika Indonesia: kenapa daya rumah ditulis dalam VA?Pelanggan PLN memilih daya tersambung seperti 900 VA, 1.300 VA, atau 2.200 VA, bukan watt. Alasannya, yang dibatasi PLN adalah arus, lewat pemutus arus (MCB) di dekat meteran. Untuk 1.300 VA, arus maksimumnya \(1300/220 \approx 5{,}9\) A, sehingga dipasang MCB sekitar 6 A. Kalau total arus semua alat melebihi batas itu, MCB memutus listrik: "jeglek!" Alat dengan faktor daya rendah menarik arus lebih besar untuk daya nyata yang sama, sehingga lebih cepat membuat MCB turun. Pelanggan industri besar bahkan bisa dikenai biaya tambahan jika faktor dayanya terlalu rendah.
Rumah berdaya 1.300 VA (220 V) sedang menyalakan rice cooker 400 W (faktor daya 1) dan pompa air yang menarik arus 3,5 A dengan faktor daya 0,75. Bisakah setrika 350 W (faktor daya 1) ikut dinyalakan tanpa membuat MCB turun?
Batas arus: \(I_\text{maks} = 1300/220 \approx 5{,}91\) A.
Arus rice cooker: \(400/220 \approx 1{,}82\) A, sefase dengan tegangan.
Arus pompa 3,5 A tertinggal \(\varphi = \arccos 0{,}75 \approx 41{,}4^\circ\). Komponennya: sefase \(3{,}5 \times 0{,}75 \approx 2{,}63\) A, tegak lurus \(3{,}5 \times \sin 41{,}4^\circ \approx 2{,}31\) A.
Arus setrika: \(350/220 \approx 1{,}59\) A, sefase.
Jumlahkan sebagai fasor: komponen sefase \(1{,}82 + 2{,}63 + 1{,}59 = 6{,}04\) A, komponen tegak lurus \(2{,}31\) A. Total \(\sqrt{6{,}04^2 + 2{,}31^2} \approx 6{,}5\) A.
Sekitar 6,5 A, melebihi batas 5,9 A. Setrika sebaiknya menunggu nasi matang, kalau tidak MCB bisa turun! Tanpa setrika, arusnya hanya sekitar 5,0 A. (Kalau arus dijumlahkan biasa, \(1{,}82 + 3{,}5 + 1{,}59 \approx 6{,}9\) A: terlalu besar karena beda fase diabaikan.)
Dulu, lampu TL (neon panjang) memakai ballast berupa kumparan besar untuk membatasi arus. Mengapa kumparan, bukan resistor? Resistor membatasi arus sambil membuang energi menjadi panas. Kumparan membatasi arus lewat reaktansinya, dan energinya dikembalikan ke jaringan setiap setengah periode. Hemat! Kumparan semacam ini disebut choke.
26.7Penyearah & adaptor: dari AC ke DC
Baterai HP membutuhkan DC sekitar 5 V, sedangkan stopkontak memberi AC 220 V. Charger HP melakukan empat tugas: menurunkan tegangan, menyearahkan arus, meratakan gelombang, dan menstabilkan hasilnya. Komponen kuncinya adalah dioda, "pintu satu arah" bagi arus listrik. Cara kerja dioda secara lengkap akan kamu pelajari di Bab 32.
Dari stopkontak: 220 V AC. Bagian pertama charger menurunkan tegangannya, misalnya menjadi AC dengan puncak 9 V. Arusnya masih bolak-balik.
Satu dioda hanya meloloskan arus satu arah. Setengah gelombang negatif dibuang. Hasilnya penyearah setengah gelombang: arahnya selalu sama, tetapi separuh waktu kosong.
Empat dioda yang disusun sebagai jembatan membalik setengah gelombang negatif menjadi positif. Inilah penyearah gelombang penuh. Arahnya selalu sama, tetapi besarnya masih naik-turun 100 kali per detik.
Kapasitor besar "menabung" muatan di puncak dan melepasnya saat gelombang turun. Hasilnya hampir rata, dengan sedikit naik-turun yang disebut riak.
Regulator memangkas riak dan menahan tegangan tetap 5 V. Sekarang listriknya DC rata, siap mengisi baterai HP.
Kenapa charger zaman sekarang ringan sekali?Charger lama memakai trafo besi yang berat, karena trafo yang bekerja pada 50 Hz butuh inti besar. Charger modern lebih dulu menyearahkan listrik 220 V, lalu "mencacahnya" menjadi AC berfrekuensi puluhan ribu hertz. Pada frekuensi setinggi itu, trafonya cukup sebesar ruas jari. Sistem ini disebut switch-mode power supply. Itulah sebabnya charger cepat 65 W pun muat di saku.
🔌
Charger HP
Mengubah 220 V AC menjadi sekitar 5 V DC: diturunkan, disearahkan dioda, diratakan kapasitor, lalu distabilkan.
📻
Radio FM
Rangkaian LC di dalamnya beresonansi pada frekuensi satu stasiun saja, sehingga siaran lain tidak terdengar.
🏠
Daya rumah dalam VA
PLN membatasi arus lewat MCB. Rumah 1.300 VA memakai MCB sekitar 6 A. Kelebihan beban? "Jeglek!"
🍳
Kompor induksi
Kumparannya dialiri AC berfrekuensi puluhan kilohertz. Medan magnet yang berubah sangat cepat memanaskan dasar panci besi (Bab 25).
🔊
Speaker aktif
Kapasitor mengirim nada tinggi ke speaker kecil (tweeter), induktor mengirim nada rendah ke speaker besar (woofer). Reaktansi bekerja sebagai pemilah frekuensi.
Tegangan efektif listrik PLN 220 V. Tegangan puncaknya kira-kira…
Jika frekuensi sumber AC dinaikkan, reaktansi sebuah kapasitor akan…
mengecil
membesar
tetap
menjadi nol tepat pada 50 Hz
\(X_C = 1/(2\pi f C)\): frekuensi di penyebut, jadi makin tinggi \(f\), makin kecil \(X_C\).
Rangkaian RLC seri berada dalam keadaan resonansi ketika…
\(R = X_L\)
\(X_C = 0\)
\(X_L = X_C\)
arusnya paling kecil
Saat \(X_L = X_C\), impedansi \(Z = R\) (paling kecil), sehingga arusnya justru paling besar.
27
Bab 27 · Listrik & Magnet
Gelombang Elektromagnetik: Satu Keluarga, Banyak Wajah
Pesan dari Palembang sampai di Jayapura dalam sekejap. Oven microwave memanaskan sayur, sinar matahari menghangatkan kulit, dan sinar X memotret tulang. Ternyata semuanya saudara kandung: gelombang listrik dan magnet yang saling menggendong.
Setelah bab ini, kamu bisa
menjelaskan bagaimana Maxwell menyatukan listrik, magnet, dan cahaya, termasuk ide arus pergeseran;
menjelaskan terbentuknya gelombang EM dari muatan yang bergetar, serta hubungan arah \(\vec E\), \(\vec B\), dan arah rambat;
menghitung dengan \(c = \lambda f\), \(E = cB\), dan \(c = 1/\sqrt{\mu_0\varepsilon_0}\);
mengurutkan spektrum elektromagnetik serta menyebut kegunaan dan bahaya tiap jenisnya;
menghitung intensitas \(I = P/(4\pi r^2)\) dan menjelaskan cara kerja BTS, satelit, dan radar cuaca.
Pesan ke Papua Komik · 4 panel
Palembang, pukul 19.00
RakaTerkirim! Pesanku ke sepupu di Jayapura langsung centang dua. Pesannya naik apa, sih?
SariLewat gelombang radio ke menara BTS, lalu kabel serat optik di dasar laut. Isinya sama-sama gelombang elektromagnetik!
Di dapur
RakaTunggu… sinyal HP, microwave Ibu, dan sinar matahari itu bersaudara?!
TarsiFakta unik: semuanya melaju ±300.000 km per detik!
Kak NaraBetul! Semuanya gelombang elektromagnetik. Bedanya cuma panjang gelombangnya. Yuk, kenalan dengan keluarga besarnya!
Di ruang hampa, mana yang merambat paling cepat: gelombang radio, cahaya tampak, atau sinar X?
Sinar X, karena energinya paling besar.
Gelombang radio, karena gelombangnya paling panjang sehingga "langkahnya" lebar.
Cahaya tampak, karena itulah "cahaya" yang sesungguhnya.
Semuanya sama cepat, sekitar 300.000 km per detik.
Semuanya sama cepat. Di ruang hampa, semua gelombang elektromagnetik melaju dengan kecepatan cahaya \(c \approx 3\times10^8\) m/s, apa pun panjang gelombangnya. Gelombang radio memang "melangkah" lebar (panjang gelombangnya besar), tetapi jumlah langkahnya per detik sedikit (frekuensinya kecil). Hasil kali keduanya selalu \(c = \lambda f\).
27.1Maxwell menyatukan listrik, magnet, dan cahaya
Di Bab 25 kamu bertemu Faraday: medan magnet yang berubah menimbulkan medan listrik. Itulah dasar generator dan trafo. Sekitar tahun 1860-an, James Clerk Maxwell bertanya kebalikannya: apakah medan listrik yang berubah juga menimbulkan medan magnet?
Contohnya kapasitor yang sedang diisi. Di kabel ada arus, dan di sekitarnya ada medan magnet. Di celah antara pelat kapasitor tidak ada satu elektron pun yang menyeberang, tetapi medan listriknya terus bertambah. Maxwell menyimpulkan bahwa medan listrik yang berubah itu berperilaku seperti arus. Ia menyebutnya arus pergeseran. Pengukuran kemudian membuktikan bahwa di sekitar celah kapasitor memang ada medan magnet, persis seperti di sekitar kabelnya.
Gampangnya: listrik yang berubah membuat magnet, dan magnet yang berubah membuat listrik. Keduanya seperti dua sahabat yang bergantian saling menggendong. Karena saling menghasilkan, mereka bisa terus melaju sendiri, tanpa kabel, bahkan di ruang hampa. Itulah gelombang elektromagnetik.
Hukum
Isinya dalam bahasa sehari-hari
Contoh
1. Gauss (listrik)
Muatan listrik menghasilkan medan listrik. Garis medannya keluar dari muatan positif dan masuk ke muatan negatif.
rambut berdiri setelah disisir (Bab 22)
2. Gauss (magnet)
Tidak ada kutub magnet tunggal. Garis medan magnet selalu berupa lintasan tertutup.
magnet dipotong dua tetap punya kutub U dan S
3. Faraday
Medan magnet yang berubah menimbulkan medan listrik.
generator, trafo, kompor induksi (Bab 25)
4. Ampère–Maxwell
Arus listrik dan medan listrik yang berubah menimbulkan medan magnet.
elektromagnet; medan di celah kapasitor
Hukum 3 dan 4 bersama-sama meramalkan sesuatu yang luar biasa. Gangguan listrik-magnet bisa menjalar sendiri sebagai gelombang. Maxwell menghitung kecepatannya dari dua tetapan yang diukur di laboratorium listrik dan magnet, dan hasilnya sekitar \(3\times10^8\) m/s. Angka itu sama dengan kecepatan cahaya yang sudah diukur sebelumnya. Kesimpulan Maxwell: cahaya adalah gelombang elektromagnetik.
Tamu dari masa laluJames Clerk Maxwell (1831–1879) dari Skotlandia menerbitkan teori lengkapnya pada 1865. Saat itu belum ada yang pernah membuat gelombang elektromagnetik buatan. Baru pada 1887–1888, Heinrich Hertz di Jerman membuktikannya: percikan listrik di satu alat membuat percikan kecil di alat lain di seberang ruangan, tanpa kabel penghubung. Satuan frekuensi "hertz" diambil dari namanya. Konon, ketika ditanya apa gunanya penemuan itu, Hertz menjawab bahwa penemuannya tidak ada gunanya. Sekarang, setiap HP di sakumu memakai gelombang Hertz!
Lanjut · IB & olimpiadeHukum Ampère–MaxwellHukum Ampère lama berbunyi \(\oint \vec B\cdot\mathrm d\vec l = \mu_0 I\). Maxwell menambahkan arus pergeseran \(I_d = \varepsilon_0\dfrac{\mathrm d\Phi_E}{\mathrm dt}\), dengan \(\Phi_E\) adalah fluks medan listrik: \[\oint \vec B\cdot\mathrm d\vec l = \mu_0\left(I + \varepsilon_0\frac{\mathrm d\Phi_E}{\mathrm dt}\right).\] Untuk kapasitor pelat sejajar yang diisi arus \(I\), medan di celah \(E = \dfrac{q}{\varepsilon_0 A}\), sehingga \(\varepsilon_0\dfrac{\mathrm d(EA)}{\mathrm dt} = \dfrac{\mathrm dq}{\mathrm dt} = I\). Arus pergeseran di celah tepat sama dengan arus di kabel, sehingga "arus" tidak terputus di kapasitor.
27.2Bagaimana gelombang EM terbentuk: muatan yang bergetar
Muatan yang diam hanya punya medan listrik yang tenang. Muatan yang bergerak dengan kecepatan tetap membawa medan listrik dan medan magnet, tetapi tidak memancarkan gelombang. Gelombang baru lahir saat muatan dipercepat, misalnya bergetar bolak-balik.
Bayangkan medan listrik sebagai helai-helai rambut panjang yang menempel pada muatan. Kalau kepalamu diam, rambut juga diam. Kalau kepalamu digoyang ke kiri dan ke kanan, "lekukan" menjalar sepanjang helai rambut, menjauhi kepala. Lekukan pada medan listrik itulah gelombang elektromagnetik. Bedanya, lekukan ini melaju dengan kecepatan cahaya.
Arus bolak-balik dari pemancar mendorong elektron di antena naik-turun. Ujung antena bergantian bermuatan positif dan negatif.
Muatan yang berubah-ubah membuat medan listrik \(\vec E\) di dekat antena ikut berubah.
Hukum Ampère–Maxwell: medan listrik yang berubah menimbulkan medan magnet \(\vec B\) yang melingkar.
Hukum Faraday: medan magnet yang berubah menimbulkan medan listrik baru, sedikit lebih jauh, dengan arah berlawanan.
Medan listrik baru itu menimbulkan medan magnet baru lagi, dan seterusnya…
Rantai "listrik → magnet → listrik → …" ini melaju menjauhi antena dengan kecepatan cahaya. Inilah gelombang elektromagnetik, dan frekuensinya sama dengan frekuensi arus di antena.
Warna oranye berarti medan listrik mengarah ke atas, biru ke bawah. Seret antena penerima menjauh, lalu amati tundanya. Putar penerima menjadi mendatar: apakah elektronnya masih bergoyang? Tekan ⏻ untuk menghentikan getaran muatan. Apa yang terjadi pada gelombang yang sudah terlanjur dipancarkan? Perhatikan juga: di atas dan di bawah antena, medannya hampir nol.
Awas jebakanGelombang EM tidak membutuhkan medium. Bunyi butuh udara, gelombang laut butuh air, tetapi gelombang EM justru paling cepat di ruang hampa. Karena itu cahaya Matahari bisa sampai ke Bumi melewati 150 juta km ruang hampa, sedangkan suara ledakan di permukaan Matahari tidak akan pernah terdengar di Bumi.
Kenapa antena HP kecil dan antena radio AM panjang?Antena bekerja paling baik jika panjangnya sekitar setengah atau seperempat panjang gelombang yang dipancarkan atau diterima. Sinyal HP 4G sekitar 1.800 MHz punya \(\lambda \approx 17\) cm, jadi antenanya cukup beberapa sentimeter dan tersembunyi di dalam bodi HP. Radio AM 1 MHz punya \(\lambda = 300\) m, sehingga menara pemancar AM tingginya puluhan sampai ratusan meter.
27.3Kecepatan cahaya dan hubungan E dengan B
Dari persamaan-persamaannya, Maxwell menemukan bahwa kecepatan gelombang EM hanya bergantung pada dua tetapan alam:
\[ c = \frac{1}{\sqrt{\mu_0\,\varepsilon_0}} = \frac{1}{\sqrt{(1{,}257\times10^{-6})(8{,}854\times10^{-12})}} \approx 3{,}00\times10^{8}\ \mathrm{m/s} \]
Rumus ini bercerita: \(\varepsilon_0\) (permitivitas ruang hampa, F/m) mengukur seberapa "mudah" ruang diisi medan listrik, dan \(\mu_0\) (permeabilitas ruang hampa, T·m/A) mengukur hal yang sama untuk medan magnet. Kedua angka ini diukur dengan kapasitor dan kumparan, tanpa senter sama sekali. Tetapi hasilnya adalah kecepatan cahaya!
Dalam gelombang EM, medan listrik \(\vec E\) dan medan magnet \(\vec B\) selalu tegak lurus satu sama lain, dan keduanya tegak lurus arah rambat. Jadi gelombang EM adalah gelombang transversal. Keduanya juga sefase: mencapai puncak bersama, melewati nol bersama.
\[ E = E_0\sin(kx - \omega t),\quad B = B_0\sin(kx - \omega t),\qquad \frac{E_0}{B_0} = c,\qquad c = \frac{\omega}{k} = \lambda f \]
Seret gambar untuk memutar sudut pandang. Coba pandangan dari depan: kamu melihat gelombang datang ke arahmu, dengan \(\vec E\) naik-turun dan \(\vec B\) kiri-kanan. Lalu bandingkan angka \(E_0\) dan \(B_0\). Mengapa \(B_0\) begitu kecil?
Trik Kak Nara: tangan kananArah rambat gelombang EM adalah arah \(\vec E \times \vec B\). Arahkan empat jari tangan kananmu ke \(\vec E\), lalu tekuk ke arah \(\vec B\). Ibu jarimu menunjuk arah rambat. Kalau \(\vec E\) ke atas dan \(\vec B\) keluar dari layar, gelombang melaju ke kanan.
27.4Spektrum elektromagnetik: keluarga besar
Semua gelombang EM melaju dengan kecepatan \(c\) di ruang hampa. Yang membedakan anggota keluarga ini hanya panjang gelombang \(\lambda\) (atau frekuensi \(f\)). Hubungannya sama dengan gelombang mana pun (Bab 18):
\[ c = \lambda f \]
Rumus ini bercerita: \(\lambda\) (meter) adalah jarak antara dua puncak, \(f\) (hertz) adalah jumlah puncak yang lewat per detik, dan hasil kalinya selalu \(c = 3\times10^8\) m/s. Frekuensi tinggi berarti gelombang pendek, dan sebaliknya.
Jenis
Panjang gelombang
Frekuensi
Sumber
Kegunaan
Gelombang radio
> 1 m
< \(3\times10^8\) Hz
antena pemancar
radio AM/FM, TV, HT, radio kapal
Gelombang mikro
1 mm – 1 m
\(3\times10^8\) – \(3\times10^{11}\) Hz
antena HP & BTS, magnetron
HP, Wi-Fi, oven microwave, radar, satelit
Inframerah
700 nm – 1 mm
\(3\times10^{11}\) – \(4{,}3\times10^{14}\) Hz
semua benda hangat, LED remote
remote TV, kamera termal, serat optik
Cahaya tampak
400 – 700 nm
\(4{,}3\) – \(7{,}5\times10^{14}\) Hz
Matahari, lampu, layar
penglihatan, fotosintesis, fotografi
Ultraviolet (UV)
10 – 400 nm
\(7{,}5\times10^{14}\) – \(3\times10^{16}\) Hz
Matahari, lampu UV
sterilisasi, cek uang, pembentukan vitamin D
Sinar X
0,01 – 10 nm
\(3\times10^{16}\) – \(3\times10^{19}\) Hz
tabung sinar X
rontgen, CT scan, pemeriksaan bagasi
Sinar gamma
< 0,01 nm
> \(3\times10^{19}\) Hz
inti radioaktif, ledakan bintang
radioterapi kanker, sterilisasi alat medis
Trik Kak Nara: urutan keluargaDari gelombang terpanjang ke terpendek: Rajin Mandi Itu Tanda Untuk eXtra Ganteng → Radio, Mikro, Inframerah, Tampak, Ultraviolet, sinar X, Gamma. Dari kiri ke kanan, frekuensi dan energinya makin besar.
Geser slider atau ketuk pita spektrum. Perhatikan ukuran pembandingnya: gelombang HP kira-kira sebesar HP itu sendiri! Temukan juga bagian mana yang bisa menembus atmosfer sampai ke tanah. Kenapa astronom harus menaruh teleskop sinar X di luar angkasa?
Batasnya tidak tajamBatas antarjenis dalam tabel hanyalah kesepakatan. Gelombang mikro dan radio saling bersambung tanpa garis tegas. Sinar X dan sinar gamma bahkan bisa punya panjang gelombang yang sama; namanya dibedakan berdasarkan asalnya: sinar X dari elektron yang diperlambat atau melompat di kulit atom, sinar gamma dari inti atom.
27.5Kegunaan dan bahaya
Anggota keluarga EM dengan frekuensi tinggi (UV jauh, sinar X, gamma) membawa "paket energi" yang cukup besar untuk melepas elektron dari atom. Radiasi ini disebut radiasi pengion. Ia dapat merusak sel dan DNA, sehingga paparannya harus dibatasi. Radio, gelombang mikro, inframerah, dan cahaya tampak termasuk radiasi non-pengion: efek utamanya pada tubuh hanyalah pemanasan. Kenapa yang menentukan adalah frekuensi, bukan kekuatan sinarnya? Jawabannya ada di Bab 28.
Kamu bermain di pantai saat langit berawan. Udaranya sejuk dan tidak terasa terik. Mengapa kulitmu tetap bisa terbakar?
Karena panas inframerah menembus awan dan memanggang kulit.
Karena sebagian besar sinar UV tetap menembus awan, padahal UV-lah yang membakar kulit, bukan rasa panasnya.
Karena angin laut membuat kulit kering dan merah.
Karena pasir memantulkan panas ke kulit.
Sinar UV tetap lolos. Rasa hangat berasal terutama dari inframerah, yang banyak ditahan awan. Tetapi kulit terbakar (kemerahan, perih) disebabkan oleh UV-B, dan sebagian besar UV masih menembus awan tipis. Pasir, air, dan permukaan terang malah memantulkan sebagian UV ke kulitmu. Jadi tabir surya tetap perlu, walaupun cuaca tidak terasa panas.
Fisika Indonesia: indeks UV tropisIndonesia berada di sekitar khatulistiwa, sehingga Matahari siang hari hampir tegak lurus di atas kepala dan sinar UV menempuh lapisan udara yang tipis. Pada siang yang cerah, indeks UV di banyak kota Indonesia sering mencapai kategori "sangat tinggi" sampai "ekstrem" (8 ke atas), terutama antara pukul 10.00 dan 14.00. Lindungi dirimu dengan topi, baju berlengan, kacamata hitam, dan tabir surya, terutama saat upacara, berolahraga, atau ke pantai.
"Makanan yang dipanaskan dengan microwave menjadi radioaktif."
Gelombang mikro hanya membuat molekul air di makanan bergoyang sehingga makanan panas. Begitu oven dimatikan, tidak ada radiasi yang tersisa. Gelombang mikro juga tidak cukup kuat untuk mengubah inti atom.
"Radiasi HP sama berbahayanya dengan sinar X."
Paket energi gelombang mikro HP sekitar sejuta kali lebih kecil daripada yang dibutuhkan untuk merusak ikatan molekul, sedangkan sinar X jauh di atasnya. Penelitian sejauh ini tidak menemukan bukti kuat bahaya HP, tetapi batas paparannya tetap diatur.
"Kalau mendung, kita aman dari sinar UV."
Sebagian besar UV menembus awan tipis. Rasa sejuk membuat kita lengah dan berjemur lebih lama. Gunakan tabir surya walaupun langit berawan.
Sinar X di rumah sakit menembus jaringan lunak tetapi diserap tulang, sehingga tulang tampak terang pada foto rontgen. Satu kali foto rontgen dada memberi dosis yang kecil, kira-kira setara radiasi alam yang kita terima selama beberapa hari. Petugas radiologi tetap berlindung di balik dinding berlapis timbal, karena mereka bekerja dengan sinar X setiap hari.
27.6Energi dan intensitas gelombang EM
Gelombang EM membawa energi. Buktinya, kulitmu hangat di bawah Matahari dan panel surya menghasilkan listrik. Ukurannya adalah intensitas \(I\): daya yang menembus setiap meter persegi bidang yang tegak lurus arah rambat (W/m²). Sumber titik memancarkan daya \(P\) ke segala arah. Daya itu tersebar di permukaan bola yang makin besar, sehingga:
\[ I = \frac{P}{4\pi r^2} \]
Rumus ini bercerita: jika jarakmu dari sumber menjadi 2 kali, intensitasnya tinggal ¼; jika 10 kali, tinggal 1/100. Itulah hukum kuadrat terbalik.
Seret HP-nya menjauhi lampu. Saat jaraknya menjadi 2 kali, angka lux tinggal kira-kira ¼. Tekan 📌 Catat data di 0,10; 0,15; 0,20; 0,30; dan 0,50 m, lalu ganti grafiknya. Grafik E terhadap \(1/r^2\) menjadi garis lurus, dan kemiringannya adalah kuat cahaya lampu. Nyalakan lampu kamar: kenapa cahaya latar harus dikurangkan dulu?
Stasiun radio FM memancar pada 100 MHz. Berapa panjang gelombangnya?
\(f = 100\) MHz \(= 1{,}00\times10^8\) Hz.
\(\lambda = \dfrac{c}{f} = \dfrac{3{,}00\times10^8}{1{,}00\times10^8} = 3{,}0\) m.
\(\lambda = 3{,}0\) m, kira-kira dua kali tinggi badanmu. Antena teleskopik radio sepanjang ±75 cm adalah antena seperempat gelombang.
Matahari memancarkan daya \(3{,}8\times10^{26}\) W ke segala arah. Jarak Bumi–Matahari \(1{,}5\times10^{11}\) m. Berapa intensitas sinar matahari di atas atmosfer Bumi?
Luas bola berjari-jari jarak Bumi–Matahari: \(4\pi r^2 = 4\pi(1{,}5\times10^{11})^2 \approx 2{,}83\times10^{23}\ \mathrm{m^2}\).
Sekitar 1.300 W/m² (nilai terukur ±1.361 W/m²). Setelah melewati atmosfer, yang sampai ke tanah saat siang cerah sekitar 1.000 W/m². Inilah "bahan bakar" panel surya.
Energi gelombang tersimpan di medan listrik dan medan magnetnya, dengan porsi yang sama besar. Rata-ratanya memberi hubungan intensitas dengan amplitudo medan listrik:
\[ I = \tfrac12\, c\,\varepsilon_0 E_0^2 \]
Sinar matahari di permukaan Bumi berintensitas \(1{,}0\times10^3\) W/m². Hitung amplitudo medan listrik \(E_0\) dan medan magnet \(B_0\)-nya.
\(E_0 \approx 870\) V/m dan \(B_0 \approx 2{,}9\ \mu\)T, kira-kira 1/14 medan magnet Bumi. Medannya bergetar sekitar \(5\times10^{14}\) kali per detik, jadi kompas tidak sempat merasakannya.
Lanjut · IB & olimpiadeCahaya bisa mendorong: tekanan radiasiGelombang EM tidak hanya membawa energi \(U\), tetapi juga momentum \(p = U/c\). Jika diserap seluruhnya, cahaya memberi tekanan \(P_\text{rad} = I/c\). Jika dipantulkan sempurna, \(P_\text{rad} = 2I/c\), karena arah momentumnya berbalik. Untuk sinar matahari (1.361 W/m²) yang dipantulkan cermin: \(P_\text{rad} = 2(1361)/(3\times10^8) \approx 9\ \mu\)Pa, sangat kecil. Tetapi di ruang hampa tanpa gesekan, dorongan sekecil itu bekerja terus-menerus. Wahana IKAROS milik Jepang (2010) berhasil berlayar memakai "layar surya" seluas ±200 m² yang didorong cahaya Matahari.
27.7Telekomunikasi Indonesia: gelombang EM menyatukan Nusantara
Indonesia terdiri atas belasan ribu pulau. Menghubungkan semuanya dengan kabel tembaga hampir mustahil, jadi gelombang EM menjadi tulang punggung komunikasi. Ikuti perjalanan pesan Raka dari Palembang ke Jayapura:
Pesan berpindah wujud beberapa kali: gelombang mikro dari HP ke BTS, cahaya inframerah di serat optik, lalu gelombang mikro lagi. Daerah terpencil memakai satelit. (Gambar tidak berskala.)
Fisika IndonesiaPalapa Ring adalah jaringan kabel serat optik nasional sepanjang lebih dari 12.000 km yang menghubungkan pulau-pulau dari Sumatra sampai Papua, sebagian besar melintasi dasar laut. Daerah yang belum terjangkau kabel dilayani BTS desa dan satelit, termasuk satelit internet SATRIA-1 yang diluncurkan pada 2023 untuk sekolah, puskesmas, dan kantor desa. Sementara itu, radar cuaca BMKG memancarkan gelombang mikro untuk "melihat" awan hujan dari jarak ratusan kilometer.
Radar cuaca memancarkan pulsa gelombang mikro. Gema dari awan hujan kembali setelah \(400\ \mu\)s. Berapa jarak awan itu?
Pulsa menempuh jarak pergi-pulang: \(2d = c\,t\).
\(d = \dfrac{c\,t}{2} = \dfrac{(3{,}0\times10^8)(400\times10^{-6})}{2} = \dfrac{1{,}2\times10^5}{2} = 6{,}0\times10^4\) m.
Awan hujan berada 60 km dari radar. Dengan memutar antenanya, radar memetakan hujan di sekelilingnya; perubahan frekuensi gemanya (efek Doppler) bahkan bisa mengukur kecepatan angin di dalam awan.
Sinyal telepon dari Merauke dikirim ke satelit geostasioner (tinggi ±35.786 km di atas khatulistiwa), lalu diteruskan ke Jakarta. Anggap satelit tepat di atas kedua tempat. Berapa tunda minimum sinyal satu arah? Mengapa percakapan lewat satelit terasa "berjeda"?
Jarak tempuh satu arah: naik lalu turun \(\approx 2 \times 35\,786\) km \(\approx 7{,}16\times10^7\) m.
\(t = \dfrac{d}{c} = \dfrac{7{,}16\times10^7}{3{,}0\times10^8} \approx 0{,}24\) s.
Jawaban lawan bicara menempuh perjalanan yang sama kembali, jadi jeda bolak-balik minimal ±0,48 s, ditambah waktu pengolahan.
Tunda satu arah sekitar 0,24 s. Hampir setengah detik jeda bolak-balik cukup untuk membuat dua orang saling memotong pembicaraan. Kabel serat optik antarpulau jauh lebih pendek jalurnya, jadi tundanya hanya puluhan milidetik.
Kenapa teknologi 5G butuh BTS lebih rapat? Frekuensi yang lebih tinggi membawa data lebih banyak per detik, tetapi gelombangnya lebih mudah diserap dinding, pepohonan, dan hujan. Jangkauannya pendek, jadi perlu banyak pemancar kecil.
📡
Radar cuaca BMKG
Memancarkan pulsa gelombang mikro dan mendengarkan gemanya dari butiran hujan untuk memetakan hujan dan badai.
🛰️
Satelit komunikasi
Menerima gelombang mikro dari Bumi lalu memancarkannya kembali ke pulau-pulau yang jauh, termasuk ke kapal di tengah laut.
🌡️
Termometer tembak
Mengukur suhu dahi dari radiasi inframerah yang dipancarkan kulit, tanpa menyentuh.
🩻
Rontgen
Sinar X menembus otot tetapi diserap tulang, sehingga dokter bisa melihat tulang yang patah.
📺
Remote TV
LED di ujungnya berkedip-kedip memancarkan inframerah sekitar 940 nm. Tak terlihat mata, tetapi terlihat kamera HP!
🍲
Oven microwave
Gelombang mikro 2,45 GHz menggoyang molekul air, sehingga makanan memanas sampai beberapa sentimeter di bawah permukaannya.
Urutan dari panjang gelombang terpanjang ke terpendek yang benar adalah…
sinar X, ultraviolet, cahaya tampak, radio
radio, inframerah, cahaya tampak, sinar gamma
gamma, sinar X, ultraviolet, radio
cahaya tampak, radio, sinar X, inframerah
Ingat: Rajin Mandi Itu Tanda Untuk eXtra Ganteng: radio, mikro, inframerah, tampak, UV, X, gamma.
Stasiun radio FM memancar pada 100 MHz. Panjang gelombangnya…
100 m
30 m
0,3 m
3 m
\(\lambda = c/f = (3\times10^8)/(1\times10^8) = 3\) m.
Gelombang elektromagnetik dipancarkan oleh…
muatan listrik yang dipercepat, misalnya bergetar
muatan listrik yang diam
magnet batang yang diam
arus searah yang tetap besarnya
Hanya muatan yang dipercepat yang memancarkan gelombang EM. Muatan diam dan arus tetap menghasilkan medan yang tidak berubah, jadi tidak ada gelombang.
28
Bab 28 · Fisika Modern
Kuantum: Cahaya Berbutir, Elektron Bergelombang
Kenapa cahaya merah seterang apa pun tidak sanggup melepaskan satu elektron dari pelat seng, sedangkan sinar UV yang redup langsung bisa? Jawabannya mengguncang fisika pada awal abad ke-20, dan kini menyalakan panel surya di atap rumah.
Setelah bab ini, kamu bisa
menjelaskan krisis radiasi benda hitam dan ide kuanta Planck, \(E = hf\);
menjelaskan efek fotolistrik: frekuensi ambang, fungsi kerja, tegangan henti, dan \(E_{k,\text{maks}} = hf - \phi\);
menghitung energi dan momentum foton dalam joule dan elektronvolt;
menghitung panjang gelombang de Broglie dan menjelaskan dualisme gelombang-partikel lewat celah ganda elektron;
menjelaskan cara kerja panel surya, sensor kamera, dan mikroskop elektron.
Lampu Redup Menang! Komik · 4 panel
Lab sekolah
Kak NaraPelat seng di atas elektroskop ini bermuatan negatif, makanya daunnya mekar. Siapa bisa membuat elektronnya kabur pakai cahaya?
RakaGampang! Lampu sorot merah super terang ini pasti bisa. Rasakan ini!
Lima menit kemudian…
RakaLho?! Sudah lima menit, daunnya tetap mekar!
SariMungkin masalahnya bukan soal terang…
Kak NaraLampu UV kecil ini redup, tapi daunnya langsung kuncup! Cahaya datang dalam butiran energi. Inilah awal fisika kuantum!
Catatan keselamatan: lampu UV-C (lampu kuman) berbahaya bagi mata dan kulit. Demonstrasi seperti ini hanya dilakukan guru dengan kacamata pelindung khusus.
Cahaya merah yang sangat terang disorotkan ke pelat seng bermuatan negatif, tetapi tidak satu elektron pun lepas. Apa yang terjadi jika cahaya merah itu dibuat sepuluh kali lebih terang?
Elektron mulai lepas, karena energi cahayanya kini cukup besar.
Elektron lepas setelah ditunggu cukup lama, karena energinya menumpuk sedikit demi sedikit.
Tetap tidak ada elektron yang lepas.
Pelat justru menjadi lebih negatif.
Tetap tidak ada yang lepas. Cahaya datang dalam butiran energi yang disebut foton. Cahaya yang lebih terang berarti foton lebih banyak, bukan foton yang lebih kuat. Setiap elektron hanya menyerap satu foton dalam satu waktu, dan foton merah terlalu "lemah" untuk melepaskan elektron dari seng. Seribu kali lebih terang pun tetap gagal. Inilah teka-teki yang dipecahkan Einstein pada 1905.
28.1Radiasi benda hitam: krisis fisika klasik
Semua benda memancarkan gelombang EM sesuai suhunya. Pandai besi yang menempa golok tahu betul: besi yang dipanaskan mula-mula merah tua, lalu oranye, lalu kuning keputihan. Makin panas benda, makin terang ia bersinar dan makin pendek panjang gelombang cahaya terkuatnya.
Tubuhmu pun "bersinar"! Hanya saja sinarnya inframerah, yang tak terlihat mata. Kamera termal di bandara bisa melihatnya. Benda yang lebih panas, seperti kawat kompor listrik, mulai bersinar merah. Matahari jauh lebih panas lagi, sehingga sinarnya putih terang.
Fisikawan mempelajari benda hitam: benda ideal yang menyerap semua cahaya yang mengenainya, sehingga cahaya yang dipancarkannya hanya bergantung pada suhu. Panjang gelombang puncak pancarannya mengikuti hukum pergeseran Wien:
kuning kemerahan (sebagian besar energinya inframerah!)
Permukaan Matahari
±5.800 K
±500 nm
putih
Bintang Rigel
±12.000 K
±240 nm
putih kebiruan
Masalahnya muncul saat fisikawan menghitung bentuk spektrum ini dengan fisika klasik (teori Rayleigh–Jeans). Hasil hitungan cocok untuk gelombang panjang, tetapi untuk gelombang pendek, intensitasnya terus naik tanpa batas. Artinya, setiap benda hangat seharusnya memancarkan energi tak terhingga dalam bentuk ultraviolet dan sinar X! Jelas tidak masuk akal. Krisis ini dijuluki bencana ultraviolet.
Tekan Jalankan untuk memanaskan besi perlahan, atau geser suhunya. Perhatikan puncak kurva bergeser ke kiri saat suhu naik. Lalu nyalakan ramalan fisika klasik: di sebelah mana teori lama gagal total?
28.2Planck dan kuanta energi
Pada tahun 1900, Max Planck menemukan rumus yang cocok sempurna dengan data, tetapi dengan satu syarat yang aneh: energi pancaran tidak boleh bernilai sembarang. Energi hanya boleh dipancarkan dalam "paket" atau kuanta sebesar
\[ E = hf, \qquad h = 6{,}63\times10^{-34}\ \mathrm{J\,s} \]
Rumus ini bercerita: energi satu paket \(E\) (joule) sebanding dengan frekuensi \(f\) (hertz). Pengalinya adalah tetapan Planck \(h\), angka yang sangat kecil. Analoginya uang logam: kamu bisa membayar Rp1.000 atau Rp1.500 dengan koin Rp500, tetapi tidak bisa membayar Rp1.250. Bagi gelombang EM berfrekuensi \(f\), "koin" energinya bernilai \(hf\). Karena \(h\) sangat kecil, butir-butirnya tidak terasa dalam kehidupan sehari-hari, seperti butiran gula pasir yang terlihat mulus dari kejauhan.
Tamu dari masa laluMax Planck (1858–1947) sendiri tidak yakin dengan idenya. Ia menyebut langkah itu "tindakan putus asa" dan berharap suatu hari ada penjelasan klasik. Penjelasan itu tidak pernah datang. Lima tahun kemudian, Albert Einstein yang berusia 26 tahun menganggap serius butiran energi ini: menurutnya, cahaya itu sendiri memang terdiri atas butiran, yang kemudian disebut foton. Planck menerima Nobel Fisika 1918.
Energi satu foton sangat kecil dalam joule, jadi fisikawan memakai satuan elektronvolt (eV): energi yang diperoleh satu elektron saat dipercepat beda potensial 1 volt. \(1\ \mathrm{eV} = 1{,}60\times10^{-19}\) J. Karena \(f = c/\lambda\), energi foton juga bisa ditulis \(E = hc/\lambda\).
Hitung energi satu foton cahaya hijau 500 nm, dalam joule dan dalam elektronvolt.
\(E = \dfrac{hc}{\lambda} = \dfrac{(6{,}63\times10^{-34})(3{,}00\times10^8)}{500\times10^{-9}} \approx 3{,}98\times10^{-19}\) J.
Dalam eV: \(\dfrac{3{,}98\times10^{-19}}{1{,}60\times10^{-19}} \approx 2{,}5\) eV. Dengan angka sakti: \(1240/500 = 2{,}48\) eV. Cocok!
Satu foton hijau membawa sekitar \(4\times10^{-19}\) J atau 2,5 eV. Lampu LED 1 W memancarkan miliaran miliar foton setiap detik.
28.3Efek fotolistrik: Einstein memecahkan teka-teki
Cahaya yang mengenai logam dapat melepaskan elektron dari permukaannya. Peristiwa ini disebut efek fotolistrik, dan elektron yang lepas disebut fotoelektron. Dalam percobaan, logam dipasang di dalam tabung hampa sebagai katode, berhadapan dengan anode. Elektron yang sampai ke anode menghasilkan arus yang terbaca amperemeter. Hasil pengamatannya membingungkan para ahli teori gelombang:
Ada frekuensi ambang \(f_0\). Di bawah frekuensi itu, tidak ada elektron yang lepas, seterang apa pun cahayanya.
Energi kinetik maksimum elektron bergantung pada frekuensi, bukan pada kecerahan cahaya.
Kecerahan (intensitas) hanya menambah jumlah elektron, sehingga arusnya bertambah.
Tidak ada jeda waktu. Elektron lepas seketika, bahkan saat cahayanya sangat redup.
Menurut teori gelombang, cahaya terang seharusnya selalu bisa melepaskan elektron, asal ditunggu cukup lama. Einstein (1905) menjawab dengan model foton: setiap foton membawa energi \(hf\) dan memberikan seluruh energinya kepada satu elektron. Elektron butuh energi minimum \(\phi\), yang disebut fungsi kerja, untuk keluar dari logam. Sisanya menjadi energi gerak:
Rumus ini bercerita: \(hf\) adalah "uang saku" yang dibawa satu foton, \(\phi\) adalah "ongkos keluar" dari logam (eV atau J), dan sisanya adalah energi kinetik elektron tercepat. Elektron yang berada lebih dalam butuh ongkos lebih besar, sehingga keluar lebih lambat. \(V_0\) adalah tegangan henti: tegangan balik yang tepat cukup untuk menghentikan elektron tercepat, sehingga arusnya nol.
Elektron di dalam pelat seng terikat. Untuk keluar, setiap elektron harus "membayar" energi minimal \(\phi = 4{,}3\) eV, yaitu fungsi kerja seng.
Datang satu foton merah (690 nm). Energinya hanya 1,8 eV. Elektron terguncang sedikit, lalu kembali. Tidak ada yang lepas.
Cahaya merah dibuat sepuluh kali lebih terang: fotonnya sepuluh kali lebih banyak. Tetapi setiap foton tetap 1,8 eV, dan energi dari beberapa foton tidak bisa ditabung oleh satu elektron. Tetap gagal!
Kini datang satu foton UV-C (254 nm) dengan energi 4,9 eV. Lebih besar daripada 4,3 eV, jadi elektron langsung lepas dari permukaan.
Sisa energinya menjadi energi gerak: \(hf = \phi + E_{k,\text{maks}}\), yaitu \(4{,}9 = 4{,}3 + 0{,}6\) eV. Inilah persamaan fotolistrik Einstein.
Mulailah dengan natrium dan cahaya biru. Ubah tegangan menjadi negatif sampai arusnya tepat nol: itulah tegangan henti. Tekan 📈 Rekam kurva I–V, lalu ulangi dengan kecerahan berbeda dan warna berbeda. Kurva mana yang memotong sumbu di titik yang sama? Coba juga seng dengan cahaya merah 100% terang.
Logam
Fungsi kerja φ (kira-kira)
Panjang gelombang ambang \(\lambda_0 = hc/\phi\)
Bisa dilepas cahaya tampak?
Sesium
2,1 eV
±590 nm (kuning)
ya, hampir semua warna kecuali merah-oranye
Natrium
2,3 eV
±540 nm (hijau)
hanya hijau, biru, ungu
Kalsium
2,9 eV
±430 nm (ungu-biru)
hanya ungu
Seng
4,3 eV
±290 nm (UV)
tidak; perlu UV
Tembaga
4,7 eV
±260 nm (UV)
tidak; perlu UV
Grafik \(V_0\) terhadap \(f\): garis lurus untuk setiap logam, semuanya sejajar dengan kemiringan \(h/e\). Titik potong dengan sumbu \(f\) adalah frekuensi ambang; perpanjangannya memotong sumbu \(V_0\) di \(-\phi/e\). Dari grafik inilah Millikan mengukur tetapan Planck.
Awas jebakanIntensitas ≠ energi foton. Cahaya yang lebih terang memberi lebih banyak foton, sehingga arus lebih besar. Tetapi tegangan henti dan energi kinetik maksimum tidak berubah, karena energi setiap foton tetap. Yang mengubah energi tiap foton hanyalah frekuensi (warna) cahaya.
Cahaya ungu 400 nm menyinari natrium (\(\phi = 2{,}3\) eV). Tentukan energi kinetik maksimum fotoelektron, tegangan hentinya, dan kecepatan elektron tercepat.
Energi foton: \(hf = 1240/400 = 3{,}10\) eV.
\(E_{k,\text{maks}} = 3{,}10 - 2{,}3 = 0{,}80\) eV, sehingga \(V_0 = 0{,}80\) V.
Dalam joule: \(0{,}80 \times 1{,}60\times10^{-19} = 1{,}28\times10^{-19}\) J.
\(E_{k,\text{maks}} = 0{,}80\) eV, \(V_0 = 0{,}80\) V, dan \(v_\text{maks} \approx 530\) km/s, cepat sekali, tetapi masih jauh di bawah kecepatan cahaya.
Tamu dari masa laluEinstein menerima Hadiah Nobel Fisika 1921 bukan untuk teori relativitas, melainkan untuk menjelaskan efek fotolistrik. Robert Millikan di Amerika sebenarnya ingin membuktikan bahwa Einstein keliru. Selama sekitar sepuluh tahun ia mengukur tegangan henti dengan sangat teliti. Hasilnya justru membenarkan persamaan Einstein dan menghasilkan nilai \(h\) yang akurat.
"Cahaya yang lebih terang berarti setiap butir cahayanya lebih bertenaga."
Lebih terang berarti lebih banyak foton. Energi tiap foton hanya ditentukan frekuensinya: \(E = hf\). Lampu sorot merah raksasa tetap kalah oleh lampu UV kecil dalam urusan melepaskan elektron dari seng.
"Kalau ditunggu cukup lama, cahaya redup pasti bisa melepaskan elektron."
Satu elektron tidak bisa menabung energi dari banyak foton. Jika satu foton tidak cukup, menunggu tidak membantu. Sebaliknya, jika satu foton cukup, elektron lepas seketika walaupun cahayanya sangat redup.
28.4Foton juga punya momentum
Foton tidak bermassa, tetapi membawa momentum. Itulah sebabnya cahaya bisa memberi tekanan, seperti layar surya di Bab 27. Momentum foton:
\[ p = \frac{E}{c} = \frac{h}{\lambda} \]
Rumus ini bercerita: momentum \(p\) (kg·m/s) makin besar jika panjang gelombang \(\lambda\) makin pendek. Satu foton hijau 530 nm hanya membawa \(p = 6{,}63\times10^{-34}/5{,}3\times10^{-7} \approx 1{,}3\times10^{-27}\) kg·m/s. Sangat kecil, tetapi foton sinar X ribuan kali lebih "berat dorongannya".
Lanjut · IB & olimpiadeEfek Compton: foton bertabrakan seperti bola biliarPada 1923, Arthur Compton menembakkan sinar X ke grafit. Sinar X yang terhambur ternyata memiliki panjang gelombang lebih panjang daripada sinar datang. Teori gelombang tidak bisa menjelaskannya. Model foton bisa: foton menumbuk elektron, menyerahkan sebagian energi dan momentumnya, seperti bola biliar. Dengan kekekalan energi dan momentum (memakai relativitas), diperoleh \[\Delta\lambda = \lambda' - \lambda = \frac{h}{m_e c}(1 - \cos\theta),\] dengan \(h/(m_e c) = 2{,}43\) pm disebut panjang gelombang Compton. Pada sudut hambur 90°, sinar X 50,0 pm menjadi 52,4 pm. Compton menerima Nobel 1927. Sejak itu, foton diterima sebagai partikel sungguhan.
28.5Gelombang materi: elektron pun bergelombang
Jika gelombang cahaya bisa berperilaku seperti partikel, apakah partikel bisa berperilaku seperti gelombang? Pada 1924, Louis de Broglie, mahasiswa doktoral di Prancis, menjawab "ya". Setiap benda bermomentum \(p = mv\) memiliki panjang gelombang:
\[ \lambda = \frac{h}{p} = \frac{h}{mv} \]
Rumus ini bercerita: \(\lambda\) adalah panjang gelombang dari gelombang materi, disebut juga panjang gelombang de Broglie (meter), \(m\) massa (kg), dan \(v\) kecepatan (m/s). Karena \(h\) sangat kecil, hanya benda yang sangat ringan, seperti elektron, yang gelombangnya cukup panjang untuk teramati. Elektron yang dipercepat 100 V memiliki \(\lambda \approx 0{,}12\) nm, seukuran jarak antaratom dalam kristal.
Elektron ditembakkan satu per satu ke dinding bercelah dua. Setiap elektron meninggalkan satu titik di layar. Setelah ribuan elektron, pola apa yang tampak di layar?
Dua pita terang tepat di belakang kedua celah, seperti peluru yang lewat celah.
Satu bercak di tengah, karena elektron saling bertabrakan.
Banyak pita terang-gelap berselang-seling, seperti pola interferensi cahaya.
Titik-titik acak tanpa pola apa pun.
Pola interferensi! Setiap elektron tiba sebagai satu titik, seperti partikel. Tetapi tempat jatuhnya diatur oleh gelombang yang melewati kedua celah sekaligus lalu berinterferensi. Elektron tidak pernah jatuh di garis gelap. Percobaan ini pernah dilakukan secara nyata dengan elektron satu per satu, dan para fisikawan menyebutnya salah satu percobaan terindah dalam sejarah fisika.
Tekan Jalankan dan perhatikan titik-titik muncul satu per satu. Setelah beberapa ratus elektron, polanya mulai terlihat. Ubah tegangan pemercepat dan jarak celah: kapan pitanya merapat? Lalu pasang detektor di celah (mengintip celah mana yang dilewati elektron). Apa yang terjadi pada polanya? Bandingkan juga dengan kelereng.
Jadi elektron itu partikel atau gelombang?Keduanya, dan juga bukan keduanya. Elektron selalu terdeteksi di satu titik (sifat partikel), tetapi peluang di mana ia terdeteksi mengikuti pola gelombang. Gelombang materi adalah gelombang peluang. Cahaya pun begitu: foton tiba satu per satu, tetapi pola tempat jatuhnya mengikuti interferensi gelombang. Inilah dualisme gelombang-partikel.
Tamu dari masa laluIde de Broglie terdengar begitu nekat sehingga penguji disertasinya meminta pendapat Einstein dulu. Einstein mendukungnya. Tiga tahun kemudian, pada 1927, Clinton Davisson dan Lester Germer di Amerika menembakkan elektron ke kristal nikel dan menemukan pola difraksi, persis seperti sinar X. De Broglie menerima Nobel 1929. Pada 1989, tim Akira Tonomura di Jepang merekam elektron yang tiba satu per satu dan perlahan membentuk pola interferensi, seperti Lab Mini di atas.
Lanjut · IB & olimpiadePercobaan Davisson–Germer dan ketidakpastian HeisenbergElektron yang dipercepat beda potensial \(V\) memiliki \(p = \sqrt{2m_e eV}\), sehingga \(\lambda = \dfrac{h}{\sqrt{2m_e eV}} \approx \dfrac{1{,}23}{\sqrt V}\) nm. Davisson dan Germer memakai \(V = 54\) V, jadi \(\lambda = 1{,}23/\sqrt{54} \approx 0{,}167\) nm. Baris atom di permukaan nikel berjarak \(D = 0{,}215\) nm dan bertindak sebagai kisi difraksi: puncak pertama terjadi pada \(D\sin\theta = \lambda\), sehingga \(\sin\theta = 0{,}167/0{,}215\) dan \(\theta \approx 51^\circ\). Mereka mengukur \(50^\circ\). Cocok! Sifat gelombang juga berarti posisi dan momentum tidak bisa diketahui tepat bersamaan: \(\Delta x\,\Delta p \geq \dfrac{h}{4\pi}\) (prinsip ketidakpastian Heisenberg). Itulah sebabnya "mengintip" celah mana yang dilewati elektron selalu mengganggu momentumnya cukup banyak untuk menghapus pola interferensi.
28.6Mikroskop elektron: melihat yang tak terlihat
Mikroskop cahaya tidak bisa membedakan dua titik yang jaraknya lebih kecil dari sekitar setengah panjang gelombang cahaya, kira-kira 200 nm, karena gelombang cahaya mengalami difraksi (Bab 21). Bakteri masih terlihat, tetapi kebanyakan virus tidak. Solusinya: gunakan "cahaya" yang gelombangnya jauh lebih pendek, yaitu elektron.
Dalam mikroskop elektron, elektron dipercepat oleh tegangan puluhan sampai ratusan kilovolt sehingga panjang gelombangnya hanya beberapa pikometer. Berkas elektron difokuskan oleh "lensa" berupa kumparan magnet (Bab 24). Mikroskop elektron transmisi (TEM) menembakkan elektron menembus sampel yang sangat tipis, sedangkan mikroskop elektron pemindai (SEM) menyapu permukaan sampel dan menghasilkan gambar tiga dimensi yang menakjubkan.
Elektron dalam mikroskop dipercepat beda potensial 50 kV. Hitung panjang gelombang de Broglie-nya (abaikan efek relativitas), lalu bandingkan dengan cahaya hijau 530 nm. Bandingkan pula dengan bola tenis 0,058 kg yang melaju 50 m/s.
Energi kinetik: \(E_k = eV = (1{,}60\times10^{-19})(5{,}0\times10^4) = 8{,}0\times10^{-15}\) J.
Perbandingan: \(530\ \text{nm} / 5{,}5\ \text{pm} \approx 10^5\). Gelombang elektron sekitar seratus ribu kali lebih pendek.
Bola tenis: \(\lambda = \dfrac{6{,}63\times10^{-34}}{0{,}058\times50} \approx 2{,}3\times10^{-34}\) m, jauh lebih kecil daripada inti atom.
\(\lambda_\text{elektron} \approx 5{,}5\) pm (dengan koreksi relativitas sedikit lebih kecil, ±5,4 pm). Dalam praktik, ketajaman mikroskop elektron dibatasi oleh cacat lensa magnetnya, sekitar 0,1 nm, cukup untuk melihat deretan atom. Bola tenis? Gelombangnya mustahil teramati, jadi bola tetap berperilaku seperti bola.
Fisika IndonesiaLaboratorium di BRIN dan sejumlah perguruan tinggi di Indonesia memiliki mikroskop elektron (SEM dan TEM). Peneliti memakainya untuk mengamati virus dan bakteri, struktur material baterai dan katalis, pori-pori batuan untuk eksplorasi panas bumi, hingga pola mikro pada sisik ikan dan sayap kupu-kupu Nusantara.
28.7Panel surya dan sensor kamera: foton bekerja untukmu
Panel surya terbuat dari kristal silikon. Di dalam silikon, elektron juga terikat, tetapi "ongkos lepasnya" (celah pita energi) hanya sekitar 1,1 eV. Foton dengan energi lebih dari 1,1 eV, yaitu panjang gelombang kurang dari sekitar 1.100 nm, dapat membebaskan elektron di dalam kristal. Sambungan p–n pada panel surya lalu mendorong elektron bebas itu ke satu arah, sehingga terbentuk arus listrik. Peristiwa ini disebut efek fotovoltaik, saudara dekat efek fotolistrik.
Perhatikan bedanya dengan pelat seng: silikon cukup "murah ongkosnya" sehingga cahaya merah pun bisa menghasilkan listrik. Foton inframerah jauh (energi di bawah 1,1 eV) lewat tanpa guna, sedangkan kelebihan energi foton biru dan UV terbuang sebagai panas. Inilah salah satu alasan efisiensi panel surya silikon biasa hanya sekitar 20%.
Sinar matahari siang berintensitas 1.000 W/m². Anggap panjang gelombang rata-rata fotonnya 600 nm. (a) Berapa foton yang menimpa 1 m² setiap detik? (b) Panel surya 1,7 m² berefisiensi 20%. Berapa daya listriknya?
Energi satu foton: \(E = 1240/600 \approx 2{,}07\) eV \(= 3{,}31\times10^{-19}\) J.
Jumlah foton: \(N = \dfrac{1000}{3{,}31\times10^{-19}} \approx 3{,}0\times10^{21}\) foton per detik per m².
Daya listrik panel: \(P = 0{,}20 \times 1000 \times 1{,}7 = 340\) W.
Sekitar tiga ribu miliar miliar foton menghujani setiap meter persegi atap setiap detik! Satu panel 1,7 m² menghasilkan sekitar 340 W saat siang cerah, cukup untuk menyalakan beberapa lampu, kipas, dan mengisi baterai HP.
Fisika Indonesia: PLTS terapung CirataDi Waduk Cirata, Jawa Barat, ratusan ribu panel surya mengapung di atas air. PLTS Terapung Cirata diresmikan pada November 2023 dengan kapasitas sekitar 192 MWp, salah satu yang terbesar di Asia Tenggara. Air waduk membantu mendinginkan panel, karena efisiensi panel turun jika terlalu panas. Di banyak desa dan ruas jalan, lampu jalan tenaga surya mengisi baterainya pada siang hari lalu menyala otomatis saat gelap, sangat berguna untuk daerah yang belum terjangkau jaringan listrik.
Sensor kamera HP bekerja dengan prinsip serupa. Sensornya berisi jutaan piksel, masing-masing berupa fotodioda silikon kecil. Setiap foton yang tertangkap bisa membebaskan satu elektron, lalu jumlah elektron itu dihitung untuk menentukan terang-gelapnya piksel. Filter merah, hijau, dan biru di atas piksel memberi informasi warna. Saat memotret di ruangan sangat gelap, hanya sedikit foton yang tiba di setiap piksel, dan jumlahnya acak. Bintik-bintik derau (noise) pada foto gelap itu sebagian berasal dari sifat cahaya yang berbutir!
"Panel surya tidak menghasilkan listrik sama sekali saat mendung."
Cahaya yang dihamburkan awan tetap berisi foton dengan energi di atas 1,1 eV. Listriknya berkurang, sering menjadi kurang dari separuh, tetapi tidak nol.
"Mikroskop cahaya yang sangat canggih pasti bisa melihat atom."
Ketajaman mikroskop cahaya dibatasi difraksi, sekitar setengah panjang gelombang cahaya (±200 nm). Atom berukuran sekitar 0,1 nm, dua ribu kali lebih kecil. Untuk itu dibutuhkan elektron atau teknik lain.
☀️
PLTS atap
Panel silikon di atap rumah dan sekolah mengubah foton menjadi arus listrik DC, lalu inverter mengubahnya menjadi AC 220 V (Bab 26).
🛣️
Lampu jalan tenaga surya
Panel mengisi baterai di siang hari. Sensor cahaya menyalakan lampu otomatis saat foton yang datang berkurang.
📷
Kamera HP
Jutaan fotodioda menghitung foton yang datang. Sensornya bahkan "melihat" inframerah dari remote TV.
🧮
Kalkulator tenaga surya
Sel surya kecil di atasnya cukup untuk menjalankan kalkulator walau hanya diterangi lampu kelas.
🔬
Mikroskop elektron
Memakai gelombang elektron yang sangat pendek untuk memotret virus dan susunan atom.
Menurut persamaan Einstein, energi kinetik maksimum fotoelektron bergantung pada…
intensitas cahaya
lamanya penyinaran
frekuensi cahaya dan jenis logam
luas pelat logam
\(E_{k,\text{maks}} = hf - \phi\): hanya frekuensi cahaya (\(f\)) dan fungsi kerja logam (\(\phi\)) yang berperan. Intensitas hanya mengubah jumlah elektron.
Foton manakah yang energinya paling besar?
ultraviolet
inframerah
cahaya merah
gelombang radio
\(E = hf\): ultraviolet memiliki frekuensi tertinggi di antara pilihan itu.
Mikroskop elektron dapat melihat benda yang jauh lebih kecil daripada mikroskop cahaya karena…
elektron lebih terang daripada cahaya
elektron bermuatan negatif
lensa kacanya lebih besar
panjang gelombang elektron jauh lebih pendek
Ketajaman dibatasi oleh panjang gelombang. Elektron 50 kV memiliki \(\lambda\) sekitar 5 pm, seratus ribu kali lebih pendek daripada cahaya tampak.
29
Bab 29 · Fisika Modern
Membongkar Atom: dari Roti Kismis ke Tangga Cahaya
Kenapa lampu jalan sodium berwarna kuning, sedangkan kembang api bisa merah, hijau, dan biru? Jawabannya tersembunyi di dalam atom, benda super kecil yang ternyata hampir seluruhnya ruang kosong.
Setelah bab ini, kamu bisa
menceritakan perkembangan model atom dari Thomson, Rutherford, Bohr, sampai model kuantum, beserta bukti percobaannya;
menafsirkan percobaan hamburan alfa: mengapa atom hampir kosong dan punya inti kecil yang padat;
menghitung tingkat energi atom hidrogen \(E_n = -13{,}6/n^2\) eV serta panjang gelombang foton yang dipancarkan atau diserap;
membedakan spektrum emisi dan serapan, deret Lyman, Balmer, Paschen, dan memakai spektrum sebagai "sidik jari" unsur;
menjelaskan cara kerja laser dan kegunaannya di sekitarmu.
Warna-warni Malam Tahun Baru Komik · 4 panel
Malam tahun baru, alun-alun kota
RakaWuih, merah, hijau, biru! Pasti tiap kembang api dicat pakai warna beda, ya?
SariDicat? Catnya kan ikut terbakar, Rak. Terus, kenapa lampu jalan di sana kuning semua, ya?
Kak NaraWarnanya datang dari atom! Stronsium memancarkan merah, barium hijau, natrium kuning. Setiap unsur punya "sidik jari" cahaya sendiri.
Esoknya, di kelas
TarsiFakta unik: atom itu hampir seluruhnya ruang kosong!
RakaKosong? Terus kenapa tanganku nggak tembus meja?
Sejumput garam dapur (natrium klorida) ditaburkan ke nyala api kompor gas yang biru. Warna apinya akan berubah menjadi…
tetap biru, karena garam tidak bisa terbakar.
putih terang, karena garam berwarna putih.
kuning-oranye, seperti lampu jalan sodium.
hijau, karena garam berasal dari laut.
Jawabannya: kuning-oranye. Panas api "menendang" elektron di atom natrium ke tingkat energi yang lebih tinggi. Saat elektron kembali turun, atom natrium memancarkan cahaya dengan panjang gelombang hampir tepat 589 nm, yaitu kuning-oranye. Lampu jalan sodium memakai atom yang sama, sehingga warnanya pun sama. Warna itu bukan berasal dari warna garamnya, melainkan dari atomnya!
29.1Thomson: atom seperti roti kismis
Sekitar 2.400 tahun lalu, filsuf Yunani Demokritos membayangkan bahwa benda yang terus dipotong akhirnya akan sampai pada butiran yang tidak bisa dibagi lagi. Ia menamainya atomos, artinya "tak terbagi". Tahun 1803, John Dalton menghidupkan lagi gagasan itu: atom adalah bola pejal kecil yang tidak bisa dibagi, dan setiap unsur punya atom yang berbeda.
Lalu tahun 1897, J.J. Thomson menemukan partikel yang jauh lebih ringan dari atom terkecil sekalipun: elektron, yang bermuatan negatif. Berarti atom bisa dibagi! Karena atom secara keseluruhan netral, pasti ada muatan positif yang mengimbangi elektron. Thomson mengusulkan model roti kismis: atom adalah bola bermuatan positif yang tersebar rata, dengan elektron-elektron menempel di dalamnya seperti kismis di roti.
Gampangnya begini: menurut Thomson, atom itu seperti roti kismis. Rotinya bermuatan positif, kismisnya adalah elektron yang bermuatan negatif. Jumlah muatan positif dan negatifnya sama, jadi atom tidak bermuatan.
Model atom dari masa ke masa. Model yang lama tidak "salah total": masing-masing benar sampai batas tertentu, lalu diperbaiki oleh bukti baru.
Tamu dari masa laluJ.J. Thomson menemukan elektron tahun 1897 dengan tabung sinar katode, kerabat jauh tabung layar televisi zaman dulu. Ia mengukur bahwa partikel itu jauh lebih ringan daripada atom hidrogen. Sekarang kita tahu massa elektron kira-kira 1/1.836 massa proton. Thomson menerima Hadiah Nobel Fisika tahun 1906. Uniknya, beberapa muridnya kelak juga meraih Nobel, termasuk Ernest Rutherford, tokoh kita di subbab berikut.
29.2Rutherford: menembak atom dengan peluru alfa
Bagaimana cara "melihat" isi atom yang terlalu kecil untuk mikroskop mana pun? Ernest Rutherford punya ide nekat: tembaki saja atom itu, lalu amati ke mana pelurunya terpental. Pelurunya adalah partikel alfa (\(\alpha\)), yaitu partikel bermuatan positif yang dipancarkan zat radioaktif seperti radium dan polonium. Kamu akan berkenalan lebih dekat dengannya di Bab 31.
Tahun 1909, dua anggota timnya, Hans Geiger dan mahasiswa berusia 20 tahun bernama Ernest Marsden, menembakkan partikel alfa ke lembaran emas yang sangat tipis, setebal ratusan sampai ribuan lapis atom saja. Di sekelilingnya dipasang layar berlapis seng sulfida. Setiap kali partikel alfa menabrak layar, muncul kilatan cahaya kecil yang mereka hitung satu per satu dengan mikroskop di ruang gelap.
Jika atom benar-benar seperti roti kismis Thomson, muatan positifnya tersebar tipis sehingga gaya listriknya lemah. Apa yang sebenarnya diamati Geiger dan Marsden?
Semua partikel alfa menembus lurus tanpa dibelokkan sedikit pun.
Sebagian besar partikel alfa memantul balik ke arah sumber.
Sebagian besar menembus lurus, tetapi ada sangat sedikit yang dibelokkan tajam, bahkan memantul balik.
Semua partikel alfa tertahan di dalam lembar emas.
Jawabannya: hampir semua lurus, tetapi sedikit memantul balik. Pada lembar logam berat seperti platina dan emas, kira-kira 1 dari setiap 8.000 partikel alfa dipantulkan ke belakang. Rutherford kemudian mengibaratkannya seperti menembakkan peluru meriam ke selembar kertas tisu, lalu pelurunya berbalik dan mengenai si penembak! Model roti kismis tidak mungkin menghasilkan pantulan seperti itu.
Tahun 1911, Rutherford menarik tiga kesimpulan dari hasil itu:
Sebagian besar partikel menembus lurus, jadi atom hampir seluruhnya ruang kosong.
Sedikit partikel dibelokkan tajam, jadi ada sesuatu yang kecil, bermuatan positif, dan sangat kuat menolak partikel alfa. Rutherford menamainya inti atom.
Partikel yang memantul balik sangat jarang, jadi intinya sangat kecil sehingga jarang "terkena", tetapi di situlah hampir seluruh massa atom berada.
Seberapa kecil? Jari-jari atom emas sekitar \(1{,}4 \times 10^{-10}\) m, sedangkan jari-jari intinya hanya sekitar \(7 \times 10^{-15}\) m, kira-kira 20.000 kali lebih kecil. Jika atom emas dibesarkan seukuran stadion sepak bola besar, intinya hanya sebesar kelereng di titik tengah lapangan. Elektron-elektronnya beterbangan di tribun, dan di antaranya… kosong! Namun kelereng itu memuat lebih dari 99,9% massa seluruh atom.
Seret (atau klik) di kanvas untuk membidik, lalu lepaskan untuk menembak satu partikel alfa. Bandingkan bidikan yang jauh dan yang dekat dengan inti. Lalu tekan Berondong 400: partikel ditembakkan acak ke jalur selebar ±2.000 fm, jauh lebih lebar dari layar. Yang lewat jauh dari inti tidak tergambar, tetapi tetap tercatat di kotak hitungan. Berapa yang memantul? Ubah energi partikel, lalu ganti model atom menjadi roti kismis. Apa bedanya? (Pada atom emas sungguhan, jalurnya puluhan kali lebih lebar lagi, sehingga pantulan jauh lebih langka.)
Awas jebakan: "kosong" bukan berarti bisa ditembusAtom memang hampir kosong dari massa, tetapi ruang itu dipenuhi medan listrik elektron. Saat tanganmu menekan meja, awan elektron di kulitmu dan awan elektron di meja saling tolak dengan sangat kuat. Ditambah aturan kuantum yang melarang dua elektron menempati keadaan yang sama, itulah yang membuat tanganmu tidak tembus meja. Rasa "menyentuh" sebenarnya adalah rasa ditolak gaya listrik!
Lanjut · IB & olimpiadeJarak terdekat dan rumus hamburanPartikel alfa (muatan \(2e\)) yang ditembakkan lurus ke inti (muatan \(Ze\)) berhenti sesaat ketika seluruh energi kinetiknya berubah menjadi energi potensial listrik:
\[E_k = \dfrac{k\,(2e)(Ze)}{d_0} \quad\Rightarrow\quad d_0 = \dfrac{2Zke^2}{E_k}.\]
Trik hitung cepat: \(ke^2 = 1{,}44\) MeV·fm (1 fm = \(10^{-15}\) m). Untuk alfa 5 MeV dan emas (\(Z = 79\)): \(d_0 = 2 \times 79 \times 1{,}44/5 \approx 46\) fm, lebih besar dari jari-jari inti emas (±7 fm). Jadi alfa berbalik sebelum menyentuh inti. Untuk partikel yang lewat sejauh \(b\) dari garis pusat (parameter dampak), sudut hamburnya memenuhi \(\tan(\theta/2) = d_0/(2b)\). Rutherford juga menurunkan bahwa jumlah partikel yang terhambur ke sudut \(\theta\) sebanding dengan \(1/\sin^4(\theta/2)\). Ramalan inilah yang dicocokkan Geiger dan Marsden dengan data kilatan mereka, dan hasilnya cocok sekali.
Namun model Rutherford punya masalah besar. Menurut teori listrik-magnet klasik (Bab 27), muatan yang bergerak melingkar terus memancarkan gelombang elektromagnetik sehingga kehilangan energi. Elektron seharusnya berputar makin dekat lalu jatuh ke inti dalam waktu kurang dari sepersemiliar detik. Kenyataannya, atom stabil selama miliaran tahun. Ada yang belum beres!
29.3Bohr: elektron menaiki tangga energi
Tahun 1913, fisikawan Denmark Niels Bohr menambal model Rutherford dengan ide berani yang meminjam konsep kuanta dari Planck dan Einstein (Bab 28). Untuk atom hidrogen, Bohr mengajukan tiga postulat:
Elektron hanya boleh beredar pada orbit-orbit tertentu. Selama berada di orbit itu, elektron tidak memancarkan energi. Orbit ini disebut keadaan stasioner.
Orbit yang diizinkan adalah orbit yang momentum sudutnya kelipatan bulat dari \(h/2\pi\): \(mvr = n\dfrac{h}{2\pi}\), dengan \(n = 1, 2, 3, \dots\) yang disebut bilangan kuantum utama.
Elektron dapat melompat dari satu orbit ke orbit lain. Saat turun, ia memancarkan satu foton. Saat naik, ia menyerap satu foton. Energi foton tepat sama dengan selisih energi kedua orbit: \(hf = E_\text{atas} - E_\text{bawah}\).
Bayangkan tangga rumah panggung. Kamu bisa berdiri di anak tangga pertama, kedua, atau ketiga, tetapi tidak bisa melayang di antara dua anak tangga. Elektron pun begitu: energinya hanya boleh bernilai tertentu. Inilah arti kata terkuantisasi. Bedanya, tangga atom makin ke atas makin rapat.
Versi singkatnya: elektron di atom seperti anak yang naik-turun tangga. Untuk naik, ia perlu "makan" energi. Saat turun, ia "melepaskan" energi dalam bentuk cahaya. Besar lompatannya menentukan warna cahaya itu.
Atom hidrogen dalam keadaan dasar: elektron di tingkat \(n = 1\), energinya \(-13{,}6\) eV. Ia senang di sini dan tidak memancarkan apa-apa.
Atom dipanaskan atau ditabrak atom lain. Datang "paket energi" sebesar \(-1{,}51 - (-13{,}6) = 12{,}09\) eV.
Elektron menyerap energi itu dan melompat ke tingkat \(n = 3\). Atom kini dalam keadaan tereksitasi.
Keadaan tereksitasi tidak betah lama. Biasanya dalam sekitar seperseratus juta detik, elektron akan turun lagi.
Elektron turun dari \(n = 3\) ke \(n = 2\) dan memancarkan foton berenergi \(1{,}89\) eV, yaitu cahaya merah 656 nm.
Lalu dari \(n = 2\) ke \(n = 1\): foton berenergi \(10{,}2\) eV, yaitu ultraviolet 122 nm yang tak terlihat mata.
Lewat prisma atau kisi, cahaya hidrogen tampak sebagai garis-garis berwarna terpisah, bukan pelangi utuh. Garis merah ini terlihat jelas di foto nebula yang kemerahan.
Trik Kak Nara: angka sakti 1240Energi foton dan panjang gelombangnya berhubungan lewat \(E = hf = hc/\lambda\). Karena \(hc \approx 1240\) eV·nm, kamu cukup menghafal satu angka:
\[\lambda\ (\text{nm}) = \dfrac{1240}{E\ (\text{eV})}.\]
Foton 2 eV → 620 nm (oranye-merah). Foton 3 eV → 413 nm (ungu). Foton 10 eV → 124 nm (ultraviolet).
Berapa energi elektron atom hidrogen di tingkat \(n = 2\), dan berapa energi minimum untuk melepaskannya dari atom?
Elektron lepas (terionisasi) jika energinya mencapai 0 eV. Energi yang perlu ditambahkan: \(0 - (-3{,}4) = 3{,}4\) eV.
\(E_2 = -3{,}4\) eV. Energi ionisasi dari tingkat ini 3,4 eV, jauh lebih kecil daripada dari keadaan dasar (13,6 eV). Elektron di tangga atas lebih mudah lepas.
Elektron atom hidrogen turun dari \(n = 3\) ke \(n = 2\). Hitung energi dan panjang gelombang foton yang dipancarkan. Apa warnanya?
\(E_3 = -13{,}6/9 = -1{,}51\) eV dan \(E_2 = -3{,}40\) eV.
Energi foton: \(\Delta E = E_3 - E_2 = -1{,}51 - (-3{,}40) = 1{,}89\) eV.
Foton 1,89 eV dengan \(\lambda \approx 656\) nm, berwarna merah. Inilah garis H-alfa yang terkenal, warna merah muda khas awan gas hidrogen di antariksa.
Klik sebuah anak tangga untuk memindahkan elektron. Lompat turun = memancarkan foton (lihat warnanya!). Lompat naik = menyerap foton. Garis yang terbentuk dikumpulkan di layar spektrum. Coba nyalakan gas panas dan tunggu sampai keempat garis tampak Balmer muncul. Bisakah kamu membuat garis ungu 410 nm sendiri?
"Elektron mengelilingi inti persis seperti planet mengelilingi Matahari."
Itu gambaran Bohr yang sangat berguna, tetapi tidak sepenuhnya benar. Elektron tidak punya lintasan tajam. Fisika kuantum menggambarkannya sebagai awan peluang (29.7). Yang tetap benar dari Bohr: energinya bertingkat-tingkat.
"Makin tinggi lompatan elektron, makin terang cahayanya."
Besar lompatan menentukan energi tiap foton, jadi menentukan warna-nya. Terangnya cahaya ditentukan oleh banyaknya foton, yaitu berapa banyak atom yang melompat setiap detik.
Jauh sebelum Bohr, guru matematika Swiss Johann Balmer (1885) menemukan rumus yang cocok dengan empat garis tampak hidrogen. Johannes Rydberg lalu memperluasnya. Bohr akhirnya bisa menurunkan rumus itu dari modelnya, dan inilah kemenangan besar model Bohr:
Di sini \(n_1\) adalah tingkat tujuan (bawah) dan \(n_2\) tingkat asal (atas). Semua lompatan yang berakhir di tingkat yang sama membentuk satu deret (keluarga garis):
Deret
Turun ke \(n_1\)
Rentang panjang gelombang
Wilayah
Ditemukan
Lyman
1
91–122 nm
ultraviolet
1906
Balmer
2
365–656 nm
cahaya tampak (sebagian UV dekat)
1885
Paschen
3
820–1875 nm
inframerah
1908
Brackett
4
1458–4051 nm
inframerah
1922
Pfund
5
2279–7458 nm
inframerah jauh
1924
Trik Kak Nara: urutan deretHafalkan kalimat "Lihat Bintang Pagi, Bulan Pergi" untuk Lyman (ke n = 1), Balmer (ke 2), Paschen (ke 3), Brackett (ke 4), Pfund (ke 5). Hanya deret Balmer yang punya garis berwarna yang bisa dilihat mata.
Segumpal gas hidrogen dibuat sehingga elektron-elektronnya tereksitasi sampai tingkat \(n = 4\). (a) Berapa macam garis spektrum yang mungkin muncul saat elektron-elektron itu turun? (b) Hitung panjang gelombang terpendek di antaranya.
Pasangan tingkat yang mungkin: 4→3, 4→2, 4→1, 3→2, 3→1, 2→1. Jadi ada 6 garis. Rumus umumnya \(n(n-1)/2 = 4 \times 3/2 = 6\).
Panjang gelombang terpendek = energi terbesar = lompatan terjauh, yaitu 4 → 1.
(a) 6 garis. (b) \(\lambda_\text{min} \approx 97\) nm, di wilayah ultraviolet (deret Lyman). Hanya dua dari enam garis itu yang tampak oleh mata: 4→2 (486 nm, biru kehijauan) dan 3→2 (656 nm, merah).
Lanjut · IB & olimpiadeMenurunkan model Bohr dalam empat barisGaya Coulomb menjadi gaya sentripetal: \(\dfrac{ke^2}{r^2} = \dfrac{mv^2}{r}\). Postulat Bohr: \(mvr = n\hbar\). Eliminasi \(v\) menghasilkan
\[r_n = n^2\,\dfrac{\hbar^2}{mke^2} = n^2 a_0, \qquad a_0 \approx 0{,}0529\ \text{nm},\]
\[E_n = \tfrac12 mv^2 - \dfrac{ke^2}{r_n} = -\dfrac{ke^2}{2r_n} = -\dfrac{13{,}6\ \text{eV}}{n^2}.\]
Kecepatan elektron di orbit pertama \(v_1 = \alpha c \approx 2{,}19 \times 10^6\) m/s, dengan \(\alpha \approx 1/137\) disebut konstanta struktur halus. Untuk ion berelektron tunggal (He⁺, Li²⁺) ganti \(ke^2\) dengan \(Zke^2\): \(r_n \propto n^2/Z\) dan \(E_n \propto -Z^2/n^2\). Koreksi kecil karena inti ikut bergoyang (massa tereduksi) membuat garis deuterium sedikit bergeser dari garis hidrogen biasa. Pergeseran mungil inilah yang dipakai Harold Urey untuk menemukan deuterium pada tahun 1931.
29.5Spektrum emisi & serapan: sidik jari unsur dan bintang
Setiap unsur punya susunan tangga energi yang berbeda, jadi setiap unsur memancarkan kumpulan garis yang berbeda pula. Kumpulan garis ini unik seperti sidik jari. Ada tiga jenis spektrum yang perlu kamu kenali:
Gas hidrogen memancarkan dan menyerap pada panjang gelombang yang sama: 656, 486, 434, dan 410 nm. (Skala warna disederhanakan.)
Spektrum kontinu: pelangi utuh tanpa celah, dipancarkan benda padat, cair, atau gas rapat yang panas, misalnya filamen lampu pijar atau besi membara.
Spektrum emisi (garis terang): garis-garis berwarna di atas latar gelap, dipancarkan gas tipis yang panas atau dialiri listrik, misalnya lampu sodium dan lampu reklame neon.
Spektrum serapan (garis gelap): pelangi dengan garis-garis hitam. Muncul saat cahaya kontinu melewati gas yang lebih dingin. Atom gas menyerap foton yang energinya pas untuk lompatan naik, sehingga warna itu "hilang".
Cahaya Matahari ternyata penuh garis gelap. Atmosfer Matahari yang lebih dingin menyerap warna-warna tertentu. Dengan mencocokkan garis gelap itu dengan spektrum unsur di laboratorium, para astronom bisa mengetahui bintang terbuat dari apa tanpa perlu ke sana!
Tamu dari masa laluTahun 1814, pembuat lensa Jerman Joseph von Fraunhofer mencatat ratusan garis gelap misterius di spektrum Matahari. Sekitar tahun 1860, Gustav Kirchhoff dan Robert Bunsen (penemu pembakar Bunsen) membuktikan bahwa garis-garis itu adalah sidik jari unsur. Mereka bahkan menemukan dua unsur baru, sesium dan rubidium, hanya dari garis spektrumnya. Tahun 1868, saat gerhana Matahari, para astronom melihat garis kuning baru di 587,6 nm yang tidak cocok dengan unsur apa pun di Bumi. Unsur itu dinamai helium (dari helios, Matahari). Helium baru ditemukan di Bumi 27 tahun kemudian!
Kembang api bekerja dengan prinsip yang sama: garam logam yang berbeda memancarkan garis-garis yang berbeda. Hal ini juga dipakai di laboratorium kimia dalam uji nyala:
Unsur (logam)
Warna nyala
Dipakai untuk
Natrium (Na)
kuning-oranye (589 nm)
lampu jalan sodium, kembang api kuning
Stronsium (Sr)
merah terang
kembang api merah, suar darurat kapal
Litium (Li)
merah tua (merah karmin)
kembang api merah tua
Kalsium (Ca)
merah-oranye bata
kembang api oranye
Barium (Ba)
hijau muda
kembang api hijau
Tembaga (Cu)
biru kehijauan
kembang api biru (paling sulit dibuat!)
Kalium (K)
ungu muda (lila)
uji nyala di laboratorium
Fisika IndonesiaBanyak jalan raya dan jalan tol di Indonesia dulu diterangi lampu natrium (sodium) berwarna kuning-oranye. Lampu ini hemat karena sebagian besar cahayanya dipancarkan atom natrium di sekitar 589 nm, warna yang mudah ditangkap mata. Kelemahannya, warna benda di bawahnya sulit dibedakan: baju merah bisa tampak cokelat kusam! Kini banyak yang diganti lampu LED putih. Di Lembang, para astronom Observatorium Bosscha memakai spektrograf untuk membaca sidik jari cahaya bintang, persis seperti Lab Mini di bawah ini.
Layar atas menampilkan spektrum misteri. Centang unsur-unsur pembanding di bawah, cocokkan garisnya, lalu tekan Periksa. Untuk bintang, cari garis gelap. Untuk lampu, cari garis terang. Bisakah kamu memecahkan lima misteri berturut-turut?
"Warna kembang api berasal dari cat atau pewarna."
Pewarna akan hangus terbakar. Warnanya berasal dari atom logam (stronsium, barium, tembaga, natrium) yang dipanaskan, sehingga elektronnya melompat turun dan memancarkan foton dengan energi khas.
"Garis gelap pada spektrum Matahari berarti ada bagian Matahari yang tidak bersinar."
Matahari bersinar di semua warna, tetapi gas di atmosfernya menyerap warna-warna tertentu sebelum cahayanya sampai ke Bumi. Garis gelap adalah jejak atom penyerap itu.
29.6Laser: pasukan foton kembar
Biasanya atom memancarkan foton secara spontan: kapan saja, ke arah mana saja, dan tidak kompak. Tahun 1917, Einstein meramalkan cara lain. Jika foton yang energinya pas lewat di dekat atom yang sedang tereksitasi, foton itu bisa "memancing" atom melepaskan foton kembar identik: warnanya sama, arahnya sama, dan iramanya (fasenya) sama. Peristiwa ini disebut emisi terstimulasi.
LASER adalah singkatan dari Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, artinya penguatan cahaya lewat emisi terstimulasi. Laser pertama dibuat Theodore Maiman pada tahun 1960 dari kristal batu delima (rubi) dan memancarkan cahaya merah 694 nm.
Di dalam tabung laser ada banyak atom (abu-abu = keadaan dasar). Kedua ujung tabung dipasangi cermin. Cermin kanan sedikit tembus cahaya.
Atom-atom dipompa dengan energi dari lampu kilat atau arus listrik.
Atom tertahan di tingkat tereksitasi yang agak "awet" (tingkat metastabil). Kini atom yang tereksitasi lebih banyak daripada yang tidak. Keadaan langka ini disebut inversi populasi.
Satu foton spontan yang energinya pas mulai berjalan menyusuri tabung.
Setiap kali melewati atom tereksitasi, foton itu memancing foton kembar. Jumlahnya berlipat ganda seperti longsoran: 1, 2, 4, 8, …
Cermin memantulkan foton bolak-balik sehingga longsoran makin kuat. Sebagian kecil lolos dari cermin kanan menjadi berkas laser: satu warna, searah, dan seirama.
Tiga sifat istimewa cahaya laser adalah monokromatis (satu warna), koheren (semua gelombang seirama), dan terarah (berkasnya hampir tidak melebar). Pointer laser biasanya hanya memancarkan beberapa miliwatt, jauh lebih kecil daripada daya cahaya senter. Namun seluruh cahayanya terkumpul dalam berkas sempit, sehingga lensa mata bisa memfokuskannya menjadi titik yang sangat panas di retina.
Awas: laser bukan mainan untuk mataJangan pernah mengarahkan pointer laser ke mata siapa pun, termasuk hewan, dan jangan pernah ke pesawat terbang. Kilatan laser bisa membuat pilot silau tepat saat mendarat. Kerusakan retina bisa terjadi dalam sekejap dan tanpa rasa sakit.
🛒
Pemindai kasir minimarket
Berkas laser merah (±650 nm) menyapu kode batang (barcode). Garis hitam menyerap cahaya, garis putih memantulkannya. Sensor membaca pola pantulan itu sebagai angka harga.
👓
Operasi mata LASIK
Laser ultraviolet 193 nm mengikis lapisan kornea setipis mikrometer untuk membentuk ulang kelengkungan kornea, sehingga penderita rabun bisa lepas dari kacamata.
🌐
Internet serat optik
Laser inframerah berkedip miliaran kali per detik di dalam serat kaca jaringan Palapa Ring, membawa pesan dan video ke seluruh Nusantara.
🎆
Pertunjukan kembang api
Garam stronsium, barium, tembaga, dan natrium dicampur ke dalam selongsong. Saat meledak, setiap jenis atom memancarkan warna khasnya.
💡
Lampu TL di rumah
Uap merkuri di dalam tabung memancarkan garis ultraviolet. Lapisan fosfor di dinding tabung menyerapnya lalu memancarkan cahaya putih.
🔭
Membaca isi bintang
Dari garis spektrum, astronom tahu bintang mengandung hidrogen, helium, kalsium, atau besi, serta seberapa panas dan seberapa cepat bintang itu bergerak.
29.7Atom kuantum modern: elektron sebagai awan
Model Bohr luar biasa untuk hidrogen, tetapi gagal untuk atom berelektron banyak seperti helium. Bohr juga tidak bisa menjelaskan mengapa orbit tertentu saja yang diizinkan. Jawabannya datang dari gelombang materi de Broglie (Bab 28): elektron juga bersifat gelombang. Orbit yang diizinkan adalah orbit yang kelilingnya pas memuat bilangan bulat panjang gelombang elektron, seperti senar gitar yang hanya bergetar pada nada-nada tertentu.
Tahun 1926, Erwin Schrödinger menulis persamaan gelombang untuk elektron. Hasilnya: elektron tidak punya lintasan tajam. Kita hanya bisa tahu peluang menemukannya di suatu tempat. Daerah dengan peluang besar disebut orbital, yang digambarkan sebagai awan elektron. Makin pekat awannya, makin besar peluang elektron ditemukan di situ. Werner Heisenberg menambahkan bahwa posisi dan momentum elektron tidak bisa diketahui sekaligus dengan tepat (prinsip ketidakpastian).
Bayangkan memotret kipas angin yang berputar cepat dengan waktu pencahayaan lama. Bilahnya tampak sebagai bayangan kabur yang memenuhi lingkaran. Awan elektron mirip seperti itu: kita tidak bisa menunjuk "di sini elektronnya", tetapi kita tahu di mana ia sering berada.
Model
Gambaran
Bisa menjelaskan
Gagal menjelaskan
Dalton (1803)
bola pejal tak terbagi
hukum perbandingan massa dalam reaksi kimia
adanya elektron
Thomson (1904)
roti kismis
atom netral yang berisi elektron
pantulan balik partikel alfa
Rutherford (1911)
inti kecil padat, elektron di sekitarnya
hasil hamburan alfa
kestabilan atom, spektrum garis
Bohr (1913)
orbit bertingkat energi
spektrum hidrogen dengan tepat
atom berelektron banyak, alasan kuantisasi
Kuantum (1926)
awan peluang (orbital)
semua atom, ikatan kimia, tabel periodik
masih menjadi model terbaik hingga kini
Tamu dari masa laluRutherford menerima Hadiah Nobel tahun 1908, tetapi di bidang Kimia (untuk penelitiannya tentang radioaktivitas), bukan Fisika, dan ia sempat bercanda soal itu. Niels Bohr menerima Nobel Fisika tahun 1922. Laboratorium Bohr di Kopenhagen menjadi tempat berkumpul fisikawan muda yang kelak membangun fisika kuantum.
Dalam percobaan hamburan Rutherford, kenyataan bahwa sebagian besar partikel alfa menembus lurus menunjukkan bahwa…
partikel alfa bermuatan negatif
atom sebagian besar berupa ruang kosong
inti atom bermuatan negatif
elektron sangat berat
Partikel alfa menembus lurus karena hampir tidak menemui apa-apa. Atom hampir seluruhnya ruang kosong, sedangkan massanya terpusat di inti yang sangat kecil.
Elektron atom hidrogen melompat dari \(n = 4\) ke \(n = 2\). Atom itu…
menyerap foton cahaya tampak
memancarkan foton ultraviolet (deret Lyman)
tidak memancarkan apa-apa
memancarkan foton cahaya tampak (deret Balmer)
Turun berarti memancarkan foton. Berakhir di \(n = 2\) berarti deret Balmer. \(\Delta E = 13{,}6(1/4 - 1/16) = 2{,}55\) eV → \(\lambda \approx 486\) nm, biru kehijauan.
Spektrum cahaya Matahari menunjukkan garis-garis gelap. Garis-garis itu terbentuk karena…
atom-atom di atmosfer Matahari menyerap panjang gelombang tertentu
Matahari tidak memancarkan warna-warna itu sama sekali
debu di Bumi menghalangi cahaya
prisma yang dipakai rusak
Ini spektrum serapan: gas yang lebih dingin di atmosfer Matahari menyerap foton yang energinya cocok untuk lompatan naik elektron.
30
Bab 30 · Fisika Modern
Relativitas Khusus: Saat Waktu Bisa Melar
Dua anak kembar berpisah. Yang satu terbang ke bintang dengan roket super cepat, yang lain tetap di Bumi. Saat bertemu lagi, usia mereka berbeda! Ini bukan cerita fiksi ilmiah, melainkan akibat langsung dari satu fakta aneh tentang cahaya.
Setelah bab ini, kamu bisa
menjelaskan kerangka acuan, relativitas Galileo, dan dua postulat Einstein;
menurunkan dilatasi waktu dari jam cahaya dan menghitung faktor Lorentz \(\gamma\);
menghitung kontraksi panjang dan penjumlahan kecepatan relativistik;
memakai \(E = mc^2\) serta energi total dan energi kinetik relativistik;
menjelaskan bukti nyata relativitas: muon dari sinar kosmik dan koreksi jam satelit GPS.
Kembar Beda Usia Komik · 4 panel
Tahun 2040, bandar antariksa Biak
RikaDah, Raka! Aku cuma pergi ke bintang Proxima, kok. Pulang nanti kita tetap kembar!
RakaHati-hati, Rik! Jangan lupa oleh-oleh!
WUSSS!
RikaJam tanganku berdetak biasa saja. Enam tahun lagi aku sampai di rumah!
Tahun 2050, Biak
RakaRIKA?! Kok kamu masih kayak anak SMA? Aku sudah sarjana, lho!
RikaKamu kok berkumis?! Aku cuma pergi enam tahun!
Kak NaraBukan sulap! Waktu memang melar bagi yang bergerak sangat cepat. Einstein menghitungnya tahun 1905.
TarsiFakta unik: jam satelit GPS di HP-mu juga harus dikoreksi efek ini setiap hari!
30.1Diam atau bergerak? Tergantung siapa yang melihat
Raka duduk di kereta cepat Whoosh yang melaju mulus 350 km/jam. Ia menjatuhkan bola dari tangannya. Menurut Raka, bola jatuh lurus ke bawah, tepat di dekat kakinya. Menurut Sari yang berdiri di dekat rel, bola itu bergerak melengkung (parabola), karena selain jatuh, bola juga ikut melaju ke depan bersama kereta. Siapa yang benar? Keduanya! Mereka hanya mengamati dari kerangka acuan yang berbeda.
Kerangka acuan adalah "tempat berdiri" pengamat beserta penggaris dan jamnya. Kerangka yang diam atau bergerak lurus dengan kecepatan tetap disebut kerangka inersia. Di semua kerangka inersia, hukum Newton berlaku sama persis.
Tamu dari masa laluTahun 1632, Galileo Galilei mengajak pembacanya membayangkan kabin tertutup di dalam kapal yang berlayar sangat mulus. Kupu-kupu tetap terbang ke segala arah dengan santai, tetesan air tetap jatuh lurus ke dalam botol, dan bola yang dilempar ke teman terasa sama saja. Tanpa melihat keluar, tidak ada percobaan yang bisa memberi tahu apakah kapal sedang diam atau berlayar. Inilah prinsip relativitas Galileo.
Pernahkah kamu duduk di kereta yang diam, lalu kereta di sebelahmu berjalan pelan, dan kamu merasa keretamu sendiri yang bergerak? Itu karena gerak selalu relatif: kamu hanya bisa bilang "aku bergerak" jika membandingkannya dengan sesuatu yang lain.
Dalam fisika Galileo dan Newton, kecepatan tinggal dijumlahkan. Jika Raka melempar bola ke depan dengan kecepatan 10 m/s di dalam kereta yang melaju 97 m/s, Sari mengukur bola itu bergerak \(97 + 10 = 107\) m/s. Rumusnya \(u = u' + v\). Sederhana, masuk akal, dan… ternyata tidak berlaku untuk cahaya!
Raka di atas Whoosh (350 km/jam) menyalakan senter ke arah depan. Sari di samping rel mengukur kecepatan cahaya senter itu dengan alat super teliti. Hasilnya…
sedikit lebih besar dari \(c\), yaitu \(c\) + 350 km/jam.
sedikit lebih kecil dari \(c\), karena udara menghambat cahaya.
tepat \(c\), sama seperti yang diukur Raka di dalam kereta.
tergantung seberapa terang senternya.
Jawabannya: tepat \(c\). Kecepatan cahaya dalam ruang hampa selalu terukur sama, yaitu sekitar 300.000 km/s, tidak peduli seberapa cepat sumbernya atau pengamatnya bergerak. Fakta ini sudah diuji ribuan kali, dari cahaya bintang ganda sampai partikel di akselerator. (Di udara, cahaya memang sedikit lebih lambat, tetapi tetap sama untuk Raka maupun Sari.)
30.2Dua postulat Einstein
Pada akhir abad ke-19, persamaan Maxwell (Bab 27) meramalkan cahaya merambat dengan kelajuan \(c = 1/\sqrt{\mu_0\varepsilon_0} \approx 3 \times 10^8\) m/s. Tetapi relatif terhadap apa? Banyak fisikawan menduga ada zat tak terlihat bernama eter yang memenuhi alam semesta, tempat cahaya merambat seperti bunyi di udara. Bumi yang mengorbit Matahari seharusnya merasakan "angin eter".
Tahun 1887, Albert Michelson dan Edward Morley membangun alat interferometer super peka untuk mendeteksi angin eter itu. Hasilnya: nihil. Cahaya selalu merambat sama cepat ke segala arah. Tahun 1905, Albert Einstein mengambil langkah berani: lupakan eter, dan jadikan fakta itu sebagai hukum dasar.
Postulat
Isi
Artinya bagi kita
1. Prinsip relativitas
Hukum-hukum fisika berbentuk sama di semua kerangka inersia.
Tidak ada kerangka yang "benar-benar diam". Tidak ada percobaan yang bisa menunjukkan gerak mutlak.
2. Kecepatan cahaya tetap
Cahaya dalam ruang hampa merambat dengan kelajuan \(c = 299.792.458\) m/s menurut semua pengamat inersia, apa pun gerak sumbernya.
Kalau \(c\) harus sama untuk semua orang, maka yang harus "mengalah" adalah waktu dan panjang.
Tamu dari masa laluWaktu berusia 16 tahun, Einstein melamun: "Bagaimana rasanya mengejar seberkas cahaya dengan kecepatan cahaya?" Sepuluh tahun kemudian, saat bekerja sebagai pemeriksa paten di Bern, Swiss, ia menerbitkan empat makalah yang mengubah fisika dalam satu tahun saja (1905): efek fotolistrik (Bab 28), gerak Brown, relativitas khusus, dan \(E = mc^2\). Tahun itu dijuluki annus mirabilis, tahun keajaiban.
Awas jebakan: "relativitas" bukan berarti "semuanya relatif"Justru sebaliknya! Teori Einstein dibangun di atas hal-hal yang mutlak: kelajuan cahaya \(c\) dan bentuk hukum fisika sama bagi semua pengamat. Yang relatif adalah ukuran waktu dan panjang. Einstein sendiri sempat lebih suka menyebutnya "teori invarian".
30.3Dilatasi waktu: jam cahaya di kereta super cepat
Bayangkan jam paling sederhana di dunia: dua cermin sejajar berjarak \(L\), dengan sebutir foton yang memantul naik-turun di antaranya. Setiap kali foton kembali ke cermin bawah, jam berbunyi "tik". Inilah jam cahaya. Bagi Raka yang membawa jam ini di dalam kereta, satu detak memakan waktu \(\Delta t_0 = 2L/c\).
Sekarang Sari melihat kereta itu melaju dengan kecepatan \(v\). Ikuti animasinya untuk melihat apa yang dilihat Sari.
LRaka: jam diam, satu detak Δt₀ = 2L/cvv·Δt/2Lc·Δt/2(c·Δt/2)² = L² + (v·Δt/2)²Δt = Δt₀ / √(1 − v²/c²) = γ·Δt₀lintasan lebih panjang,kelajuan tetap c→ waktu lebih lama!
Di kereta, Raka melihat foton naik-turun lurus sejauh \(L\). Satu detak: \(\Delta t_0 = 2L/c\). Waktu yang diukur oleh jam yang diam terhadap pengamatnya disebut waktu diri (proper time).
Sari di peron melihat kereta bergerak. Selama foton naik dan turun, cermin sudah bergeser ke kanan. Jadi menurut Sari, foton menempuh lintasan miring berbentuk zigzag.
Ambil setengah detak (menurut Sari lamanya \(\Delta t/2\)). Terbentuk segitiga siku-siku: alasnya jarak geser kereta \(v\,\Delta t/2\), tingginya \(L\), dan sisi miringnya jarak tempuh foton \(c\,\Delta t/2\). Ingat: menurut Sari pun, foton tetap melaju \(c\)!
Pakai teorema Pythagoras pada segitiga itu.
Selesaikan untuk \(\Delta t\), lalu ganti \(2L/c\) dengan \(\Delta t_0\). Hasilnya \(\Delta t = \gamma\,\Delta t_0\), dengan \(\gamma = 1/\sqrt{1 - v^2/c^2}\) yang selalu ≥ 1.
Kesimpulan: menurut Sari, jam Raka berdetak lebih lambat. Ini bukan karena jamnya rusak. Waktu itu sendiri yang berjalan lebih lambat untuk benda yang bergerak relatif terhadap pengamat. Inilah dilatasi waktu.
Bilangan \(\gamma\) disebut faktor Lorentz. Pada kecepatan sehari-hari, \(\gamma\) sangat dekat dengan 1, sehingga efeknya tidak terasa. Baru ketika \(v\) mendekati \(c\), nilainya meroket.
1246800,2c0,4c0,6c0,8ccγkecepatan vbatas c0,6c → 1,250,8c → 1,670,9c → 2,290,99c → 7,09Whoosh, pesawat, satelit:γ = 1,0000000…Faktor Lorentz \(\gamma\) hampir datar di angka 1 sampai sekitar separuh kecepatan cahaya, lalu melesat ke tak hingga saat \(v \to c\).
Atur kecepatan kereta, lalu jalankan. Bandingkan jumlah detak jam Sari dan jam Raka. Lalu ganti sudut pandang ke dalam kereta. Siapa yang sekarang jamnya terlambat? Nyalakan segitiga untuk melihat asal rumusnya.
Trik Kak Nara: siapa yang memakai Δt₀?\(\Delta t_0\) selalu milik jam yang ikut bergerak bersama kejadian (jam di roket, umur muon, jam tangan Rika). Nilainya selalu yang paling kecil. Pengamat lain selalu mengukur waktu yang lebih panjang: \(\Delta t = \gamma\Delta t_0\). Kalau hasil hitunganmu terbalik (waktu pengamat diam lebih kecil), berarti kamu tertukar!
Sebuah pesawat antariksa melaju dengan \(v = 0{,}6c\). Berapa faktor Lorentz \(\gamma\)-nya?
\(\sqrt{0{,}64} = 0{,}8\), jadi \(\gamma = 1/0{,}8 = 1{,}25\).
\(\gamma = 1{,}25\). Setiap 4 jam di pesawat terukur 5 jam oleh pengamat di Bumi. Angka 0,6 dan 0,8 adalah pasangan favorit pembuat soal, mirip segitiga 3-4-5!
Rika terbang ke bintang lalu pulang dengan roket berkecepatan 0,8c, sedangkan Raka tetap di Bumi. Menurut Rika, Raka-lah yang bergerak menjauh lalu mendekat. Saat bertemu lagi…
usia mereka tetap sama, karena gerak itu relatif.
Rika lebih tua, karena ia mengalami percepatan.
Rika lebih muda daripada Raka.
tidak bisa ditentukan, tergantung siapa yang menghitung.
Rika lebih muda. Situasinya tidak simetris. Raka diam di satu kerangka inersia sepanjang waktu. Rika harus berbalik arah di bintang tujuan, artinya ia berpindah dari kerangka "pergi" ke kerangka "pulang". Perpindahan kerangka inilah yang membuat perhitungan Rika berbeda. Semua cara perhitungan yang benar sepakat: Rika yang lebih muda. Teka-teki ini terkenal dengan nama paradoks kembar.
Pilih bintang tujuan dan kecepatan roket, lalu jalankan. Perhatikan diagram ruang-waktu di kanan: setiap titik adalah ulang tahun. Titik-titik Rika makin renggang saat roket makin cepat. Bisakah kamu membuat Rika pulang ke Bumi saat usianya baru 13 tahun?
Rika (12 tahun) terbang ke Proxima Centauri yang berjarak 4,24 tahun cahaya, lalu langsung pulang, dengan kecepatan tetap 0,8c. Abaikan waktu mempercepat dan berbalik. Berapa usia Raka dan Rika saat bertemu lagi?
Menurut Bumi, jarak pulang-pergi \(2 \times 4{,}24 = 8{,}48\) tahun cahaya. Waktu tempuh: \(\Delta t = 8{,}48/0{,}8 = 10{,}6\) tahun.
Waktu diri Rika: \(\Delta t_0 = \Delta t/\gamma = 10{,}6 \times 0{,}6 = 6{,}36\) tahun.
Usia Raka: \(12 + 10{,}6 = 22{,}6\) tahun. Usia Rika: \(12 + 6{,}36 \approx 18{,}4\) tahun.
Raka ±22,6 tahun, Rika ±18,4 tahun. Selisih lebih dari 4 tahun, persis seperti di komik pembuka!
"Waktu di roket melambat karena mesin jamnya terguncang."
Semua proses ikut melambat bersama-sama: jam atom, detak jantung, pertumbuhan rambut, peluruhan partikel. Bagi Rika sendiri, semuanya terasa normal. Waktu itu sendiri yang berbeda, bukan alat ukurnya yang rusak.
"Dilatasi waktu hanya ada di teori, tidak pernah dibuktikan."
Sudah dibuktikan berkali-kali: jam atom yang diterbangkan dengan pesawat keliling dunia (1971), umur partikel di akselerator, muon dari sinar kosmik, dan satelit GPS yang kamu pakai setiap hari (30.7).
30.4Kontraksi panjang: benda cepat tampak memendek
Jika waktu bisa melar, panjang pun bisa menyusut. Benda yang bergerak relatif terhadap pengamat terukur lebih pendek searah geraknya:
\(L_0\) adalah panjang diri, yaitu panjang benda menurut pengamat yang diam terhadap benda itu. Penyusutan hanya terjadi pada arah gerak. Tinggi dan lebar kereta super cepat tidak berubah, hanya panjangnya yang "terpencet".
Rangkaian kereta super cepat panjangnya 200 m saat diam. Berapa panjangnya menurut pengamat di peron jika kereta melaju 0,6c?
\(\sqrt{1 - 0{,}6^2} = \sqrt{0{,}64} = 0{,}8\).
\(L = 200 \times 0{,}8 = 160\) m.
160 m. Penumpang di dalam kereta tetap mengukur keretanya 200 m. Justru merekalah yang melihat peron memendek!
Lanjut · IB & olimpiadeTransformasi Lorentz dan relativitas keserentakanDilatasi waktu dan kontraksi panjang adalah dua wajah dari satu aturan, yaitu transformasi Lorentz. Untuk kerangka S' yang bergerak dengan kecepatan \(v\) sepanjang sumbu x:
\[x' = \gamma(x - vt), \qquad t' = \gamma\left(t - \dfrac{vx}{c^2}\right).\]
Suku \(vx/c^2\) berarti dua kejadian yang serentak di S (sama \(t\), beda \(x\)) tidak serentak di S'. Keserentakan itu relatif! Besaran yang sama bagi semua pengamat adalah interval ruang-waktu \(s^2 = (c\Delta t)^2 - (\Delta x)^2\). Dari \(s^2\) kita langsung mendapat \(\Delta t_0 = \Delta t/\gamma\), sebab pada kerangka diam jam berlaku \(\Delta x = 0\). Paradoks kembar pun selesai dengan elegan: waktu diri sepanjang lintasan lurus (Raka) selalu lebih panjang daripada sepanjang lintasan yang berbelok (Rika).
30.5Penjumlahan kecepatan: 0,5c + 0,5c ≠ c
Roket A melaju 0,5c relatif terhadap Bumi dan menembakkan proyektil ke depan dengan kecepatan 0,5c relatif terhadap roket. Menurut Galileo, proyektil itu bergerak 1,0c relatif terhadap Bumi. Menurut Einstein, tidak demikian. Karena waktu dan panjang ikut berubah, rumus penjumlahan kecepatan juga berubah:
\[u = \dfrac{u' + v}{1 + \dfrac{u'v}{c^2}}.\]
Di sini \(v\) adalah kecepatan roket terhadap Bumi, \(u'\) kecepatan benda terhadap roket, dan \(u\) kecepatan benda terhadap Bumi. Untuk contoh tadi: \(u = (0{,}5 + 0{,}5)c/(1 + 0{,}25) = 0{,}8c\). Lebih kecil dari \(c\)!
\(v\) (roket)
\(u'\) (terhadap roket)
Galileo: \(u' + v\)
Einstein: \(u\)
97 m/s (Whoosh)
10 m/s
107 m/s
107 m/s (kurang ±10⁻¹² m/s saja)
0,5c
0,5c
1,0c
0,8c
0,9c
0,9c
1,8c
0,994c
0,9c
\(c\) (cahaya)
1,9c
\(c\) tepat!
Perhatikan baris terakhir: jika \(u' = c\), rumus Einstein selalu menghasilkan \(u = c\), berapa pun \(v\). Postulat kedua terpenuhi dengan sendirinya. Untuk kecepatan sehari-hari, penyebut \(1 + u'v/c^2\) praktis bernilai 1, sehingga rumus Galileo tetap bisa dipakai dengan aman.
Pesawat A bergerak 0,6c ke kanan relatif terhadap Bumi. Dari pesawat A, sebuah wahana kecil diluncurkan ke kanan dengan kecepatan 0,8c relatif terhadap A. Berapa kecepatan wahana menurut pengamat di Bumi?
\(v = 0{,}6c\) (A terhadap Bumi), \(u' = 0{,}8c\) (wahana terhadap A).
\(u \approx 0{,}946c\), bukan 1,4c. Seberapa pun kamu "menumpuk" kecepatan, hasilnya tidak pernah melewati \(c\).
30.6\(E = mc^2\): massa adalah energi yang "tersimpan"
Makalah kedua Einstein tentang relativitas pada tahun 1905, yang hanya tiga halaman, berisi rumus paling terkenal di dunia. Benda bermassa \(m\) yang diam pun menyimpan energi diam:
\[E_0 = mc^2.\]
Karena \(c^2\) sangat besar (\(9 \times 10^{16}\) m²/s²), massa sedikit saja setara dengan energi raksasa. Satu gram massa setara \(9 \times 10^{13}\) J, kira-kira 25 juta kWh. Itu cukup untuk memenuhi kebutuhan listrik belasan ribu rumah selama setahun!
Untuk benda yang bergerak, energi totalnya \(E = \gamma mc^2\), dan energi kinetiknya adalah selisih energi total dan energi diam:
\[E_k = (\gamma - 1)\,mc^2.\]
Saat \(v \to c\), \(\gamma \to \infty\), sehingga energi yang dibutuhkan untuk mempercepat benda bermassa sampai kecepatan cahaya juga tak terhingga. Itulah sebabnya tidak ada benda bermassa yang bisa mencapai \(c\). Proton di akselerator LHC dipacu hingga 99,999999% kecepatan cahaya, dengan \(\gamma\) sekitar 7.000, tetapi tetap tidak pernah mencapai \(c\).
Hitung energi yang setara dengan massa 1 gram, dalam joule dan dalam kWh (1 kWh = \(3{,}6 \times 10^6\) J).
\(9 \times 10^{13}\) J atau 25 juta kWh. Dalam reaksi kimia biasa (misalnya membakar bensin), massa yang "hilang" kurang dari sepersemiliar massa bahan bakarnya. Itu terlalu kecil untuk ditimbang, tetapi tetap nyata!
Lanjut · IB & olimpiadeEnergi, momentum, dan fotonMomentum relativistik \(p = \gamma mv\). Energi dan momentum terhubung lewat
\[E^2 = (pc)^2 + (mc^2)^2.\]
Untuk foton (\(m = 0\)): \(E = pc\), sesuai dengan momentum foton \(p = h/\lambda\) di Bab 28. Untuk \(v \ll c\), deret binomial \(\gamma \approx 1 + \tfrac12\beta^2\) memberi \(E_k = (\gamma - 1)mc^2 \approx \tfrac12 mv^2\). Rumus Newton muncul kembali sebagai pendekatan! Fisikawan partikel suka memakai satuan MeV: energi diam elektron 0,511 MeV dan proton 938 MeV.
"\(E = mc^2\) hanya berlaku untuk bom dan reaktor nuklir."
Rumus ini berlaku untuk semua perubahan energi. Teh panas sedikit lebih berat daripada teh dingin, dan baterai penuh sedikit lebih berat daripada baterai kosong. Selisihnya saja yang terlalu kecil untuk ditimbang. Di reaksi inti, selisihnya cukup besar untuk diukur (Bab 31).
"Kalau terus didorong, roket akhirnya bisa melewati kecepatan cahaya."
Makin mendekati \(c\), makin besar energi yang diperlukan untuk menambah kecepatan sedikit saja. Untuk mencapai \(c\) tepat dibutuhkan energi tak terhingga. Hanya partikel tanpa massa, seperti foton, yang selalu melaju dengan kecepatan \(c\).
30.7Bukti nyata: muon dari langit dan GPS di HP-mu
Setiap detik, Bumi dihujani sinar kosmik, yaitu partikel berenergi sangat tinggi dari luar angkasa. Saat menabrak atom udara di ketinggian sekitar 15 km, terbentuklah partikel bernama muon, "saudara" elektron yang ±207 kali lebih berat. Muon tidak stabil: umur rata-ratanya hanya 2,2 mikrodetik (diukur saat muon diam di laboratorium), lalu ia meluruh menjadi elektron dan neutrino.
Teka-tekinya: bahkan dengan kecepatan 0,998c, muon hanya bisa menempuh sekitar \(0{,}998 \times 3 \times 10^8 \times 2{,}2 \times 10^{-6} \approx 660\) m dalam 2,2 mikrodetik. Jauh dari cukup untuk turun 15 km! Kenyataannya, alat deteksi di permukaan laut menangkap banyak sekali muon. Kira-kira satu muon menembus telapak tanganmu setiap detik.
Menurut kita di Bumi: jam muon berjalan lambat. Dengan \(\gamma \approx 15{,}8\), umur rata-ratanya menjadi ±35 mikrodetik, cukup untuk menempuh sekitar 10 km. Banyak yang selamat sampai tanah.
Menurut muon sendiri: umurnya tetap 2,2 mikrodetik, tetapi atmosfer yang melesat ke arahnya menyusut dari 15 km menjadi \(15/15{,}8 \approx 0{,}95\) km. Jaraknya jadi pendek!
Kedua cerita memberi ramalan yang sama persis tentang jumlah muon yang sampai ke tanah. Inilah keindahan relativitas.
Jalankan, lalu matikan dilatasi waktu untuk melihat ramalan fisika Newton. Apa yang terjadi pada muon-muon itu? Ubah juga ketinggian lahirnya dan kecepatannya.
Bukti kedua ada di sakumu. Satelit navigasi GPS mengorbit pada ketinggian ±20.200 km dengan kecepatan ±3,9 km/s, dan membawa jam atom. HP-mu menentukan posisi dengan mengukur selisih waktu tiba sinyal dari minimal empat satelit. Karena sinyal merambat dengan kelajuan cahaya, kesalahan 1 mikrodetik saja berarti salah posisi sekitar 300 m.
Efek pada jam satelit GPS
Penyebab
Per hari
Relativitas khusus (bab ini)
satelit bergerak cepat → jamnya melambat
±7 mikrodetik lebih lambat
Relativitas umum (gravitasi)
gravitasi di orbit lebih lemah → jamnya lebih cepat
±45 mikrodetik lebih cepat
Total
±38 mikrodetik lebih cepat
Tanpa koreksi, 38 mikrodetik per hari akan menumpuk menjadi salah posisi sekitar 11 km setiap hari. Karena itu, frekuensi jam atom satelit sengaja disetel sedikit lebih lambat sebelum diluncurkan, dan penerima di HP juga menerapkan koreksi tambahan.
Fisika IndonesiaSetiap kali pengemudi ojek online menjemputmu tepat di depan pagar, ada Einstein yang ikut bekerja! Aplikasi peta di HP memakai sinyal dari satelit navigasi (GPS dan sistem sejenis) yang jamnya sudah dikoreksi efek relativitas. Untuk pemetaan yang jauh lebih teliti, Badan Informasi Geospasial mengoperasikan jaringan stasiun penerima GNSS tetap di berbagai daerah Indonesia, yang dipakai untuk pemetaan, survei tanah, dan pemantauan gerakan lempeng bumi.
🏍️
Ojek online & peta digital
Posisi dari satelit navigasi hanya akurat beberapa meter karena jam satelit sudah dikoreksi efek relativitas khusus dan umum.
🏥
PET scan di rumah sakit
Positron bertemu elektron lalu musnah menjadi dua sinar gamma 511 keV, persis \(E = mc^2\) massa elektron. Detektor menangkap pasangan sinar itu untuk memetakan tubuh.
🔺
Memindai piramida dengan muon
Muon kosmik yang menembus batu dipakai seperti sinar X raksasa. Tahun 2017, cara ini menemukan rongga besar tersembunyi di Piramida Agung Giza.
☀️
Matahari kehilangan massa
Matahari mengubah ±4 juta ton massanya menjadi energi setiap detik. Sinarnya yang menghangatkan sawah di Jawa berasal dari \(E = mc^2\).
⚛️
Akselerator partikel
Siklotron penghasil radioisotop untuk kedokteran harus dirancang dengan memperhitungkan massa dan energi relativistik partikel yang dipercepat.
🚄
Masinis Whoosh
Berkereta 350 km/jam tanpa henti setahun penuh membuat jam masinis "tertinggal" sekitar 1,7 mikrodetik dari jam di stasiun. Ada, tetapi sangat kecil!
Postulat kedua Einstein menyatakan bahwa kelajuan cahaya dalam ruang hampa…
bergantung pada kecepatan sumber cahaya
lebih besar jika pengamat bergerak mendekati sumber
sama besar menurut semua pengamat inersia
berubah-ubah menurut arah angin eter
Kelajuan cahaya \(c\) sama untuk semua pengamat inersia, tidak bergantung gerak sumber maupun pengamat. Percobaan Michelson–Morley tidak menemukan "angin eter".
Sebuah wahana melaju 0,6c. Jam di wahana menunjukkan 8 jam telah berlalu. Menurut pengamat di Bumi, waktu yang berlalu adalah…
10 jam
6,4 jam
8 jam
12,5 jam
\(\gamma = 1{,}25\) untuk 0,6c. \(\Delta t = \gamma\Delta t_0 = 1{,}25 \times 8 = 10\) jam.
Muon dari sinar kosmik bisa mencapai permukaan Bumi walaupun umurnya sangat singkat. Menurut kerangka muon, hal ini terjadi karena…
umur muon bertambah panjang
muon bergerak lebih cepat dari cahaya
gravitasi Bumi menarik muon lebih cepat
tebal atmosfer menyusut (kontraksi panjang)
Dalam kerangka muon, umurnya tetap 2,2 μs, tetapi atmosfer yang bergerak relatif terhadapnya menyusut dengan faktor \(\gamma\), sehingga jarak tempuhnya cukup pendek.
31
Bab 31 · Fisika Modern
Inti Atom & Radioaktivitas: Jam Alam di Dalam Batu
Bagaimana para ahli tahu bahwa fosil manusia purba di Sangiran berumur lebih dari satu juta tahun? Jawabannya ada di inti atom yang meluruh dengan irama sangat teratur: jam alam yang tidak bisa dipercepat atau diperlambat.
Setelah bab ini, kamu bisa
menuliskan susunan inti dengan notasi \({}^{A}_{Z}\mathrm{X}\) dan membedakan isotop, isobar, dan isoton;
menghitung defek massa dan energi ikat inti dengan \(E = \Delta m\,c^2\);
membandingkan sinar alfa, beta, dan gamma (muatan, daya ionisasi, daya tembus) dan menuliskan persamaan peluruhannya;
memakai waktu paruh dan hukum peluruhan untuk penanggalan radiometrik dan dosis obat nuklir;
menjelaskan fisi, reaktor nuklir, fusi di Matahari, serta cara hidup aman bersama radiasi.
Berapa Umur Tengkorak Ini? Komik · 4 panel
Museum Manusia Purba Sangiran
RakaWow, tengkorak Homo erectus! Umurnya pasti ditebak dari warnanya, ya?
Homo erectus
SariDitebak dari warna? Masa, sih. Di sini tertulis "lebih dari satu juta tahun". Mengukurnya pakai apa, ya?
± 1 juta tahun lebih
Kak NaraPakai jam alam! Atom radioaktif di lapisan abu gunung api meluruh dengan irama tetap. Panas, dingin, tekanan, tidak ada yang bisa mengubah iramanya.
abu vulkanik ⏱abu vulkanik ⏱
TarsiFakta unik: tubuhmu sendiri sedikit radioaktif, lho! Ada kalium-40 dan karbon-14 alami.
RakaHAH?! Aku radioaktif?!
GLEK!
Tenang, Raka!Tubuh orang dewasa memang mengandung sedikit kalium-40 dan karbon-14 alami, sehingga di dalam tubuhmu terjadi beberapa ribu peluruhan setiap detik. Ini normal, alami, dan sudah dialami manusia sejak dulu. Yang menentukan aman atau tidaknya radiasi adalah besar dosisnya, dan dosis dari tubuhmu sendiri sangat kecil. Kita bahas di 31.8.
31.1Isi inti: proton, neutron, dan isotop
Di Bab 29 kamu bertemu inti atom: titik super kecil di tengah atom yang memuat hampir seluruh massanya. Inti tersusun dari dua jenis partikel yang disebut nukleon: proton (bermuatan +1) dan neutron (tidak bermuatan, ditemukan James Chadwick tahun 1932). Massa keduanya hampir sama, sekitar 1.836 kali massa elektron.
Inti ditulis dengan notasi \({}^{A}_{Z}\mathrm{X}\):
\(Z\) = nomor atom = jumlah proton. Nilai ini menentukan jenis unsur.
\(A\) = nomor massa = jumlah proton + neutron.
Jumlah neutron \(N = A - Z\).
Contoh: \({}^{238}_{92}\mathrm{U}\) punya 92 proton dan \(238 - 92 = 146\) neutron. Atom-atom dengan jumlah proton sama tetapi jumlah neutron berbeda disebut isotop. Karbon-12 (6p, 6n), karbon-13 (6p, 7n), dan karbon-14 (6p, 8n) adalah isotop karbon. Sifat kimianya sama, tetapi massa dan kestabilan intinya berbeda.
Trik Kak Nara: P-B-NIsotop → proton sama (huruf p). Isobar → nomor massa sama (bayangkan "barbel" yang berat). Isoton → neutron sama (huruf n).
Jari-jari inti kira-kira \(R \approx 1{,}2\ \text{fm} \times A^{1/3}\). Artinya volume inti sebanding dengan jumlah nukleonnya: nukleon tersusun rapat seperti kelereng dalam kantong. Akibatnya, kerapatan semua inti hampir sama, yaitu sekitar \(2{,}3 \times 10^{17}\) kg/m³. Satu sendok teh materi inti beratnya lebih dari satu miliar ton!
Gampangnya: inti atom berisi dua macam "bola": proton (bermuatan positif) dan neutron (netral). Banyaknya proton menentukan unsurnya. Banyaknya neutron boleh sedikit berbeda, dan atom "saudara" seperti itu disebut isotop.
31.2Gaya inti kuat dan energi ikat
Ada yang aneh. Proton-proton di dalam inti bermuatan positif dan berdesakan sangat rapat, jadi seharusnya saling tolak dengan gaya listrik yang dahsyat. Mengapa inti tidak meledak? Karena ada gaya inti kuat: gaya tarik antara nukleon (proton–proton, proton–neutron, neutron–neutron) yang jauh lebih kuat daripada gaya listrik, tetapi jangkauannya sangat pendek, hanya sekitar 2–3 fm. Neutron berperan seperti "lem" tambahan yang menambah tarikan tanpa menambah tolakan.
Timbanglah inti helium-4 dengan sangat teliti. Massanya lebih kecil daripada jumlah massa 2 proton dan 2 neutron penyusunnya! Selisihnya disebut defek massa \(\Delta m\). Massa itu tidak hilang. Ia berubah menjadi energi yang dilepaskan saat nukleon bergabung, sesuai \(E = \Delta m\,c^2\) dari Bab 30. Energi ini disebut energi ikat, yaitu energi yang harus diberikan untuk membongkar inti menjadi nukleon-nukleon lepas.
Massa proton 1,007276 u, neutron 1,008665 u, dan inti helium-4 4,001506 u. Hitung defek massa, energi ikat, dan energi ikat per nukleon inti helium-4. (1 u setara 931,5 MeV)
Massa penyusun: \(2(1{,}007276) + 2(1{,}008665) = 4{,}031882\) u.
Defek massa: \(\Delta m = 4{,}031882 - 4{,}001506 = 0{,}030376\) u.
Energi ikat: \(E = 0{,}030376 \times 931{,}5 \approx 28{,}3\) MeV.
Per nukleon: \(28{,}3/4 \approx 7{,}07\) MeV.
\(\Delta m = 0{,}0304\) u, energi ikat 28,3 MeV, atau 7,07 MeV per nukleon. Sebagai pembanding, memutus ikatan kimia hanya butuh beberapa eV. Energi inti jutaan kali lebih besar!
02468050100150200240nomor massa Aenergi ikat per nukleon (MeV)H-2He-4C-12Fe-56 (paling stabil)U-235FUSI →inti ringan bergabung← FISIinti berat membelahMakin tinggi titik pada grafik, makin erat nukleon terikat. Inti besi dan nikel berada di puncak. Inti ringan melepaskan energi jika bergabung (fusi), sedangkan inti berat melepaskan energi jika membelah (fisi). Keduanya "mendaki" menuju puncak.
Tamu dari masa laluTahun 1932, James Chadwick membuktikan adanya neutron. Sebelumnya, para fisikawan bingung mengapa massa inti kira-kira dua kali jumlah protonnya. Penemuan neutron menyelesaikan teka-teki itu, dan kelak neutron pula yang menjadi "pemicu" reaksi fisi (31.6).
31.3Radioaktivitas: sinar alfa, beta, dan gamma
Tidak semua inti stabil. Inti yang punya terlalu banyak neutron, terlalu banyak proton, atau terlalu besar akan berubah sendiri menjadi inti lain sambil memancarkan partikel atau energi. Peristiwa ini disebut peluruhan radioaktif, dan pancarannya disebut radiasi.
Tamu dari masa laluTahun 1896, Henri Becquerel menyimpan garam uranium di laci bersama pelat foto yang terbungkus kertas hitam. Ternyata pelat itu menghitam sendiri! Marie Curie dan Pierre Curie lalu menemukan dua unsur yang jauh lebih aktif, yaitu polonium dan radium (1898), dan memperkenalkan istilah radioaktivitas. Marie Curie menjadi orang pertama yang meraih dua Hadiah Nobel di dua bidang sains berbeda: Fisika (1903) dan Kimia (1911).
Sinar
Sebenarnya
Muatan
Daya ionisasi
Daya tembus
Dihentikan oleh
Alfa \(\alpha\)
inti helium \({}^{4}_{2}\mathrm{He}\)
+2
sangat kuat
sangat lemah: ±4 cm di udara
selembar kertas, kulit luar
Beta \(\beta^-\)
elektron cepat \({}^{0}_{-1}\mathrm{e}\)
−1
sedang
sedang: beberapa meter di udara
aluminium beberapa mm
Gamma \(\gamma\)
gelombang EM berenergi tinggi (foton)
0
lemah
sangat kuat
timbal tebal atau beton (hanya dilemahkan)
Persamaan peluruhan harus seimbang: jumlah nomor massa (atas) dan jumlah nomor atom (bawah) di kiri dan kanan sama.
Peluruhan beta minus: sebuah neutron berubah menjadi proton dan elektron (plus antineutrino yang nyaris tak terdeteksi): \({}^{A}_{Z}\mathrm{X} \to {}^{A}_{Z+1}\mathrm{Y} + {}^{0}_{-1}\mathrm{e} + \bar\nu\). Contoh: \({}^{14}_{6}\mathrm{C} \to {}^{14}_{7}\mathrm{N} + {}^{0}_{-1}\mathrm{e} + \bar\nu\).
Peluruhan gamma: inti yang "kelebihan energi" melepaskan foton tanpa berubah jenis: \({}^{A}_{Z}\mathrm{X}^* \to {}^{A}_{Z}\mathrm{X} + \gamma\).
U-23892 p · 146 nTh-23490 p · 144 nPa-23491 p · 143 nU-23492 p · 142 nPb-20682 p · 124 n · stabil!αalfa = 2p + 2nA turun 4, Z turun 2e⁻beta: n → p + e⁻A tetap, Z naik 1gamma: buang energiA dan Z tetaptotal 14 peluruhan:8 alfa6 betarantai peluruhan uranium-238
Uranium-238 adalah inti besar yang tidak stabil. Waktu paruhnya 4,5 miliar tahun, kira-kira seumur Bumi.
Peluruhan alfa: U-238 melepaskan partikel alfa (2 proton + 2 neutron). Nomor massa turun 4 dan nomor atom turun 2, sehingga inti berubah menjadi torium-234.
Peluruhan beta: di dalam Th-234, sebuah neutron berubah menjadi proton dan elektron. Elektronnya terlempar keluar. \(Z\) naik 1, \(A\) tetap. Terbentuk protaktinium-234.
Satu peluruhan beta lagi: Pa-234 menjadi uranium-234. Uranium lagi, tetapi isotop yang berbeda!
Setelah peluruhan, inti sering masih "bergetar" kelebihan energi. Ia melepaskannya sebagai sinar gamma tanpa berubah jenis.
Rantai berlanjut sampai akhirnya menjadi timbal-206 yang stabil. Dari 238 ke 206, nomor massa turun 32, berarti 8 kali alfa. Nomor atom turun dari 92 ke 82: 8 alfa menurunkan 16, jadi perlu 6 beta yang menaikkannya kembali.
Pilih sumber radiasi dan perisai, lalu jalankan dan amati angka cacahan detektor. Sinar mana yang tertahan kertas? Mana yang masih lolos dari timbal 1 cm? Geser detektor menjauh: apa yang terjadi pada alfa setelah ±4 cm? Nyalakan bunyi klik untuk mendengar detektornya.
Awas jebakan: "daya tembus kecil = tidak berbahaya"?Alfa memang tertahan kertas dan lapisan kulit mati, jadi sumber alfa di luar tubuh hampir tidak berbahaya. Tetapi jika zat pemancar alfa terhirup atau tertelan, seluruh energinya dilepaskan pada jaringan di sekitarnya, dan karena daya ionisasinya sangat kuat, kerusakannya bisa besar. Karena itu bahan radioaktif di laboratorium tidak boleh disentuh langsung, dimakan, atau dihirup.
31.4Waktu paruh: irama peluruhan yang tak bisa diganggu
Kapan sebuah inti radioaktif akan meluruh? Tidak ada yang tahu! Peluruhan itu acak, seperti melempar koin. Tetapi jika intinya sangat banyak, polanya sangat teratur: dalam selang waktu tertentu, separuh dari inti yang tersisa akan meluruh. Selang waktu itu disebut waktu paruh \(T_{1/2}\).
Kamu punya 1.000 inti radioaktif dengan waktu paruh 1 jam. Berapa inti yang belum meluruh setelah 2 jam?
0, karena dua kali waktu paruh berarti habis.
500.
250.
125.
Jawabannya: 250. Setelah 1 jam tersisa separuh, yaitu 500. Setelah 1 jam lagi, separuh dari 500, yaitu 250. Peluruhan bukan seperti lilin yang memendek dengan laju tetap sampai habis, melainkan selalu "separuh dari yang tersisa".
\[N = N_0\left(\tfrac12\right)^{t/T_{1/2}}\]
Setiap kotak adalah satu inti. Pada setiap lemparan, setiap inti "melempar" koin atau dadunya sendiri. Jika keluar angka sial, inti itu meluruh. Klik satu inti untuk menandainya: kapan ia akan meluruh? Bandingkan titik-titik hasil lemparan dengan kurva teori. Mengapa kurva makin mulus jika jumlah intinya makin banyak?
Trik Kak Nara: tangga separuhBuat tangga: 100% → 50% → 25% → 12,5% → 6,25% → … Setiap anak tangga adalah satu waktu paruh. Dan ingat: setelah 10 waktu paruh, sisanya \(1/2^{10} = 1/1024\), kira-kira seperseribu.
Banyaknya peluruhan per detik disebut aktivitas \(A\), satuannya becquerel (Bq): 1 Bq = 1 peluruhan per detik. Aktivitas sebanding dengan jumlah inti: \(A = \lambda N\), dengan konstanta peluruhan \(\lambda = \ln 2/T_{1/2} \approx 0{,}693/T_{1/2}\). Karena \(N\) menyusut separuh setiap waktu paruh, aktivitasnya pun ikut menyusut separuh.
Seorang pasien kelenjar tiroid menerima iodin-131 dengan aktivitas 800 MBq (waktu paruh 8 hari). Akibat peluruhan saja, berapa aktivitas yang tersisa setelah 24 hari?
Banyaknya waktu paruh: \(24/8 = 3\).
\(800 \to 400 \to 200 \to 100\) MBq.
Tersisa 100 MBq (seperdelapannya). Karena waktu paruhnya pendek, obat ini cepat "padam" di dalam tubuh. Itulah salah satu alasan isotop berwaktu paruh pendek dipilih untuk pengobatan.
"Setelah dua kali waktu paruh, zat radioaktif habis."
Setelah satu waktu paruh tersisa ½, setelah dua tersisa ¼, setelah tiga ⅛, dan seterusnya. Secara teori zat itu tidak pernah benar-benar habis, hanya makin sedikit.
"Memanaskan atau mendinginkan zat radioaktif bisa mempercepat peluruhannya."
Waktu paruh ditentukan oleh inti, yang jauh terlindung di dalam atom. Suhu, tekanan, dan reaksi kimia biasa praktis tidak berpengaruh. Itulah mengapa peluruhan bisa dipakai sebagai jam yang sangat andal.
Lanjut · IB & olimpiadeKalkulus peluruhanLaju peluruhan sebanding dengan jumlah inti: \(\dfrac{\mathrm dN}{\mathrm dt} = -\lambda N\). Integralkan:
\[N(t) = N_0 e^{-\lambda t}, \qquad T_{1/2} = \dfrac{\ln 2}{\lambda}, \qquad \tau = \dfrac{1}{\lambda} = \dfrac{T_{1/2}}{\ln 2}.\]
\(\tau\) adalah umur rata-rata sebuah inti, sekitar 1,44 kali waktu paruh. Grafik \(\ln N\) terhadap \(t\) berupa garis lurus dengan kemiringan \(-\lambda\). Cara ini dipakai di laboratorium untuk mengukur waktu paruh dari data cacahan yang "berisik". Untuk deret induk → anak → cucu, berlaku persamaan Bateman. Jika waktu paruh induk jauh lebih panjang, aktivitas anak lama-lama menyamai aktivitas induk. Keadaan ini disebut kesetimbangan sekuler.
31.5Penanggalan radiometrik dan manfaat radioisotop
Di atmosfer, sinar kosmik terus-menerus mengubah sebagian nitrogen-14 menjadi karbon-14 yang radioaktif (waktu paruh ±5.730 tahun). Tumbuhan menyerap karbon-14 bersama CO₂, hewan memakan tumbuhan, sehingga semua makhluk hidup mengandung karbon-14 dengan kadar hampir sama. Saat makhluk itu mati, ia berhenti menyerap karbon baru, dan karbon-14 di tubuhnya mulai berkurang separuh setiap 5.730 tahun. Dengan mengukur sisanya, ilmuwan bisa menghitung kapan makhluk itu mati.
Arang kayu dari sebuah situs gua hanya mengandung 25% karbon-14 dibandingkan kayu yang masih hidup. Berapa umur arang itu?
\(100\% \to 50\% \to 25\%\): sudah dua kali waktu paruh.
Umur \(= 2 \times 5.730 = 11.460\) tahun.
Sekitar 11.500 tahun. Ingat, di setiap pengukuran ada ketidakpastian, jadi hasilnya ditulis seperti "11.460 ± 80 tahun".
Arkeolog ingin mengetahui umur lapisan tanah tempat ditemukannya fosil Homo erectus di Sangiran, yang diperkirakan berumur lebih dari satu juta tahun. Metode mana yang paling cocok?
Penanggalan karbon-14 pada tulang fosilnya.
Penanggalan radiometrik isotop berumur panjang (misalnya argon-argon atau uranium-timbal) pada lapisan abu vulkanik di sekitar fosil.
Mengukur seberapa keras tulang fosil itu.
Menghitung warna tanah di sekitar fosil.
Jawabannya: isotop berumur panjang pada abu vulkanik. Setelah ±10 waktu paruh (±57.000 tahun), karbon-14 yang tersisa tinggal seperseribu, terlalu sedikit untuk diukur dengan andal. Batas praktis penanggalan karbon sekitar 50.000 tahun. Untuk jutaan tahun, ilmuwan memakai isotop dengan waktu paruh sangat panjang, misalnya kalium-40 (±1,25 miliar tahun) yang meluruh menjadi argon-40, atau uranium yang meluruh menjadi timbal di kristal zirkon. Yang ditanggali adalah lapisan abu gunung api di atas dan di bawah fosil, sehingga umur fosil "dijepit" di antaranya.
Fisika Indonesia: jam argon di SangiranSitus Manusia Purba Sangiran di perbatasan Sragen dan Karanganyar, Jawa Tengah, menjadi Warisan Dunia UNESCO sejak 1996. Lapisan tanahnya berselang-seling dengan abu letusan gunung api purba. Saat abu panas mengendap, gas argon di dalam mineralnya lepas, sehingga "jam argon" mulai berdetak dari nol. Dengan metode argon-argon, serta uranium-timbal dan jejak fisi pada kristal zirkon, para peneliti memperkirakan lapisan tertua yang berisi fosil Homo erectus di Sangiran berumur lebih dari satu juta tahun. Angka pastinya masih diteliti dan diperdebatkan; berbagai penelitian mendapat kisaran sekitar 1,3 hingga 1,6 juta tahun.
Radioisotop juga punya banyak kegunaan lain:
🏥
Radioterapi kanker
Berkas sinar gamma atau sinar-X berenergi tinggi diarahkan tepat ke tumor dari berbagai sudut, sehingga sel kanker menerima dosis besar sementara jaringan sehat di sekitarnya terlindungi.
🩻
Kedokteran nuklir
Teknesium-99m (waktu paruh 6 jam) disuntikkan dalam jumlah sangat kecil. Kamera gamma memotret ke mana zat itu mengalir untuk melihat kerja tulang, jantung, atau ginjal.
🧪
Sterilisasi & pengawetan
Alat suntik, sarung tangan bedah, dan rempah-rempah disinari gamma untuk membunuh kuman. Bahan itu tidak menjadi radioaktif.
🌾
Padi unggul hasil mutasi
Peneliti nuklir Indonesia (dulu BATAN, kini BRIN) menyinari benih padi untuk memperoleh varietas baru, misalnya Sidenuk, yang dikembangkan agar lebih produktif.
🔥
Detektor asap
Sedikit amerisium-241 memancarkan alfa yang mengionkan udara sehingga arus kecil mengalir. Asap mengganggu arus itu, lalu alarm berbunyi.
🛢️
Perunut & radiografi
Perunut radioaktif dapat melacak kebocoran pipa bawah tanah, dan sinar gamma dipakai untuk "memotret" sambungan las pipa minyak dan gas.
31.6Fisi dan reaktor nuklir
Tahun 1938, Otto Hahn dan Fritz Strassmann menembaki uranium dengan neutron dan menemukan barium, unsur yang jauh lebih ringan. Lise Meitner dan Otto Frisch menjelaskan apa yang terjadi: inti uranium terbelah menjadi dua. Peristiwa ini disebut fisi. Contoh salah satu reaksinya:
Kuncinya ada pada neutron-neutron baru yang lahir dari setiap fisi. Mereka bisa membelah inti uranium lain, yang menghasilkan neutron lagi, dan seterusnya: reaksi berantai.
Sebuah neutron lambat mendekati inti uranium-235. Neutron tidak bermuatan, jadi tidak ditolak oleh inti.
Inti menyerap neutron dan menjadi uranium-236 yang sangat tidak stabil. Inti itu bergoyang dan memanjang seperti tetesan air.
Inti terbelah menjadi dua inti sedang (misalnya barium dan kripton), sambil melepaskan 2–3 neutron baru dan energi sekitar 200 MeV. Massa hasil fisi sedikit lebih kecil daripada massa awal; selisihnya menjadi energi.
Neutron-neutron baru melesat ke inti-inti uranium lain.
Setiap fisi memicu beberapa fisi lagi: 1, 3, 9, 27, … Tanpa kendali, jumlah reaksi bertambah dengan sangat cepat.
Di reaktor, batang kendali (dari bahan penyerap neutron seperti boron atau kadmium) menyerap kelebihan neutron. Reaksi diatur agar rata-rata tepat satu neutron dari setiap fisi memicu fisi berikutnya. Keadaan ini disebut kritis, dan menghasilkan panas yang stabil.
Bagian utama reaktor: bahan bakar (uranium yang kadar U-235-nya dinaikkan), moderator (misalnya air) untuk memperlambat neutron agar mudah ditangkap U-235, batang kendali untuk mengatur jumlah neutron, pendingin untuk mengangkut panas, dan perisai beton tebal. Di pembangkit listrik tenaga nuklir (PLTN), panas itu menguapkan air untuk memutar turbin, sama seperti PLTU batu bara.
Setiap fisi U-235 melepaskan sekitar 200 MeV. Berapa energi (dalam joule dan kWh) jika seluruh inti dalam 1 gram U-235 membelah? Bandingkan dengan batu bara (±29 MJ per kg). (\(N_A = 6{,}02 \times 10^{23}\) mol⁻¹, 1 MeV = \(1{,}60 \times 10^{-13}\) J)
Setara batu bara: \(8{,}2 \times 10^{10}/2{,}9 \times 10^7 \approx 2.800\) kg.
Sekitar \(8{,}2 \times 10^{10}\) J atau 23.000 kWh, setara pembakaran ±2,8 ton batu bara, hanya dari satu gram! Inilah alasan bahan bakar nuklir sangat ringkas.
Tembakkan satu neutron, lalu atur kedalaman batang kendali. Cari posisi yang membuat reaksi tidak padam dan juga tidak melonjak: itulah keadaan kritis. Anggap bahan bakarnya sangat banyak, sehingga inti yang sudah membelah diganti inti baru.
Fisika Indonesia: tiga reaktor risetIndonesia belum memiliki PLTN, tetapi sudah puluhan tahun mengoperasikan reaktor riset, yaitu reaktor untuk penelitian, pelatihan, dan pembuatan radioisotop, bukan untuk menghasilkan listrik:
Reaktor TRIGA di Bandung: reaktor nuklir pertama Indonesia, diresmikan tahun 1965.
Reaktor Kartini di Yogyakarta (±100 kW): banyak dipakai untuk pendidikan dan pelatihan.
Reaktor Serba Guna G.A. Siwabessy di Serpong (±30 MW termal): reaktor riset terbesar Indonesia, beroperasi sejak 1987, antara lain untuk menghasilkan radioisotop bagi rumah sakit dan industri.
Nama reaktor Serpong diambil dari Prof. G.A. Siwabessy, dokter ahli radiologi asal Maluku, perintis tenaga atom Indonesia, yang juga pernah menjabat Menteri Kesehatan. Ketiganya kini dikelola BRIN.
"Reaktor nuklir bisa meledak seperti bom atom."
Tidak bisa. Bahan bakar reaktor daya hanya berisi ±3–5% U-235, terlalu encer untuk ledakan nuklir. Kecelakaan reaktor (Chernobyl 1986, Fukushima 2011) memang serius, berupa ledakan uap atau hidrogen dan kebocoran zat radioaktif, tetapi bukan ledakan nuklir.
"Uranium mengeluarkan energi karena terbakar."
Pembakaran adalah reaksi kimia (elektron atom). Fisi adalah reaksi inti. Satu kilogram U-235 yang membelah seluruhnya melepaskan energi setara pembakaran ±3.000 ton batu bara.
31.7Fusi: api abadi di jantung Matahari
Di inti Matahari, suhunya sekitar 15 juta kelvin dan tekanannya luar biasa. Inti-inti hidrogen (proton) bergerak sangat cepat sehingga mampu menembus tolakan listrik dan bergabung. Peristiwa ini disebut fusi. Melalui beberapa tahap (rantai proton–proton), hasil akhirnya:
Inti helium yang terbentuk sekitar 0,7% lebih ringan daripada empat proton penyusunnya. Setiap detik, Matahari mengubah ±600 juta ton hidrogen menjadi helium, dan sekitar 4 juta ton massa berubah menjadi energi. Kedengarannya banyak, tetapi massa Matahari sangat besar: bahan bakarnya cukup untuk sekitar 5 miliar tahun lagi.
Fisi
Fusi
Proses
inti berat membelah
inti ringan bergabung
Bahan bakar
uranium-235, plutonium-239
hidrogen dan isotopnya (deuterium, tritium)
Syarat
neutron lambat, massa bahan cukup
suhu jutaan derajat dan tekanan sangat tinggi
Energi per kg bahan
sangat besar
beberapa kali lebih besar lagi
Limbah
hasil fisi radioaktif berumur panjang
helium (tidak radioaktif), sedikit bahan teraktivasi
Di mana sekarang
PLTN di sekitar 30 negara
bintang; reaktor percobaan (tokamak), belum untuk listrik
Setelah hidrogen di intinya menipis, bintang bisa melanjutkan fusi: helium menjadi karbon dan oksigen. Pada bintang yang jauh lebih masif daripada Matahari, fusi berlanjut terus (karbon, oksigen, silikon, dan seterusnya) sampai besi. Karena besi berada di puncak grafik energi ikat, fusi berhenti di sana. Unsur yang lebih berat terbentuk dalam ledakan supernova dan tabrakan bintang neutron, lalu tersebar ke angkasa. Kalsium di tulangmu dan besi di darahmu pernah dimasak di dalam bintang! Kisah hidup dan mati bintang dibahas lengkap di Bab 35.
Lanjut · IB & olimpiadeMengapa fusi butuh suhu jutaan derajat?Dua proton harus mendekat sampai ±1 fm agar gaya inti kuat bekerja. Penghalang Coulomb-nya \(U = ke^2/r \approx 1{,}44\ \text{MeV·fm}/1\ \text{fm} \approx 1{,}4\) MeV. Energi termal rata-rata \(\tfrac32 kT\) di inti Matahari (15 juta K) hanya sekitar 2 keV, ratusan kali lebih kecil! Fusi tetap terjadi karena dua hal: sebagian kecil proton punya energi jauh di atas rata-rata (ekor sebaran Maxwell), dan proton bisa menerobos penghalang secara kuantum (efek terowongan). Itulah sebabnya Matahari "membakar" hidrogennya sangat perlahan, dan bisa bersinar miliaran tahun.
31.8Hidup aman bersama radiasi
Radiasi pengion ada di sekitar kita sejak Bumi terbentuk: dari batuan dan tanah, gas radon di udara, sinar kosmik, bahkan dari makanan dan tubuh kita sendiri. Ini disebut radiasi latar. Pengaruh radiasi pada tubuh diukur dengan dosis ekuivalen dalam satuan sievert (Sv), biasanya ditulis milisievert (mSv) atau mikrosievert (μSv).
Sumber
Dosis (perkiraan)
Makan sebuah pisang (kalium-40 alami)
±0,0001 mSv
Rontgen gigi
±0,005 mSv
Rontgen dada
±0,02 mSv
Terbang ±9 jam (sinar kosmik di ketinggian)
±0,04 mSv
Radiasi latar alami rata-rata dunia, per tahun
±2,4 mSv
CT scan perut
±8–10 mSv
Batas tahunan pekerja radiasi (rata-rata)
20 mSv
Dosis sekaligus ke seluruh tubuh yang mulai menimbulkan gejala sakit radiasi
±1.000 mSv
Perhatikan perbandingannya: pemeriksaan medis biasa memberi dosis yang kecil dibanding radiasi latar setahun, dan manfaatnya untuk diagnosis jauh lebih besar. Dosis besar yang berbahaya hanya terjadi pada kecelakaan serius, bukan dalam kehidupan sehari-hari.
Pekerja radiasi di rumah sakit dan industri memakai tiga prinsip proteksi yang mudah diingat:
Waktu: makin singkat berada di dekat sumber, makin kecil dosisnya.
Jarak: intensitas radiasi gamma dari sumber titik turun sebanding \(1/r^2\). Mundur dua kali lebih jauh, dosisnya tinggal seperempat.
Perisai: gunakan bahan yang tepat, misalnya akrilik atau aluminium untuk beta, dan timbal atau beton untuk gamma.
Fisika Indonesia: siapa yang mengawasi?Di Indonesia, pemanfaatan tenaga nuklir dan sumber radiasi diawasi oleh BAPETEN (Badan Pengawas Tenaga Nuklir). Rumah sakit yang memakai alat rontgen, CT scan, atau radioterapi wajib memiliki izin, petugas proteksi radiasi, dan alat pemantau dosis. Pekerja radiasi memakai dosimeter kecil di bajunya untuk mencatat dosis yang mereka terima.
Intinya: radiasi itu seperti sinar Matahari. Sedikit adalah hal biasa dan ada di mana-mana. Yang berbahaya adalah jumlah yang sangat besar. Para ahli memakai waktu, jarak, dan perisai untuk menjaga dosis tetap kecil.
"Makanan yang disinari gamma menjadi radioaktif."
Sinar gamma untuk sterilisasi membunuh kuman lalu menghilang, seperti cahaya senter yang dimatikan. Makanannya tidak menjadi radioaktif dan aman dimakan. Proses ini diatur ketat dan dipakai di banyak negara.
"Semua radiasi berasal dari buatan manusia dan selalu berbahaya."
Sebagian besar dosis yang kita terima justru berasal dari alam: batuan, udara, sinar kosmik, dan makanan. Bahaya bergantung pada dosis, bukan sekadar ada atau tidaknya radiasi.
Inti \({}^{14}_{6}\mathrm{C}\) memiliki…
14 proton dan 6 neutron
6 proton dan 14 neutron
8 proton dan 6 neutron
6 proton dan 8 neutron
\(Z = 6\) proton, \(N = A - Z = 14 - 6 = 8\) neutron.
Radiasi yang dapat dihentikan oleh selembar kertas adalah…
gamma
alfa
beta
sinar-X
Partikel alfa besar, bermuatan +2, dan sangat mudah berinteraksi dengan materi, sehingga cepat kehilangan energinya.
Sebuah sampel radioaktif memiliki aktivitas 800 Bq dan waktu paruh 5 hari. Aktivitasnya setelah 15 hari adalah…
400 Bq
200 Bq
100 Bq
0 Bq
15 hari = 3 waktu paruh: \(800 \to 400 \to 200 \to 100\) Bq.
1 0
32
Bab 32 · Fisika Modern
Elektronika & Gerbang Logika: Saat Listrik Belajar "Berpikir"
Lampu taman yang menyala sendiri, charger HP, sampai kecerdasan artifisial: semuanya dibangun dari pasir (silikon) yang diatur dengan cerdik dan dua angka saja, 0 dan 1.
Setelah bab ini, kamu bisa
membedakan konduktor, isolator, dan semikonduktor memakai gambaran pita energi, lalu menjelaskan doping tipe n dan tipe p;
menjelaskan cara kerja dioda, penyearah, LED, sel surya, dan transistor sebagai saklar dan penguat;
mengubah bilangan biner ↔ desimal dan menjelaskan mengapa komputer memakai biner;
SariBukan otak. Lihat kubah kecil di atas lampu: itu sensor cahaya. Jawabannya cuma dua: terang atau gelap.
RakaCuma dua jawaban… kayak 1 dan 0?
sensor cahaya
Esoknya, di lab sekolah
Kak NaraTepat! Sensor + gerbang logika + transistor = "otak" mini. HP-mu berpikir dengan miliaran saklar mungil seperti ini. Yuk, kita bongkar!
1 + 1 = 10(dalam biner!)
Lampu taman di komik menyala sendiri sekitar pukul 17.50, dan kemarin sekitar 17.47. Apa yang paling mungkin "memerintah" lampu itu?
Jam di dalam lampu yang disetel tepat pukul 17.50.
Petugas di kantor listrik yang menekan tombol dari jauh.
Sensor cahaya yang mengirim sinyal "gelap" ke rangkaian logika dan transistor.
Panas matahari yang mendinginkan kabel lampu.
Jawabannya: sensor cahaya + rangkaian logika. Kalau lampu dipasangi jam, ia akan menyala pada menit yang sama setiap hari. Waktu nyala yang bergeser sedikit mengikuti terbenamnya matahari menunjukkan bahwa lampu "melihat" langit. Sensor mengubah cahaya menjadi sinyal listrik, rangkaian logika memutuskan (gelap → nyala), dan transistor menjadi saklar yang menyalakan lampu. Di akhir bab, kamu akan merakit sendiri "otak" lampu ini!
32.1Konduktor, isolator, dan semikonduktor
Kabel tembaga mengalirkan listrik dengan mudah. Plastik pembungkusnya hampir tidak mengalirkan listrik sama sekali. Di antara keduanya ada bahan "ajaib" bernama semikonduktor, misalnya silikon (dimurnikan dari pasir kuarsa, SiO₂) dan germanium. Kehebatannya: daya hantarnya bisa diatur dengan sangat tepat. Itulah sebabnya semua cip di HP, laptop, dan kalkulator dibuat dari semikonduktor.
Gampangnya: konduktor seperti jalan tol yang kosong (listrik lancar), isolator seperti tembok (listrik tertahan), dan semikonduktor seperti jalan berpalang yang bisa dibuka dan ditutup. Karena bisa diatur, semikonduktor dipakai untuk membuat "saklar pintar" di dalam HP.
Gedung parkir elektron: gambaran pita energi
Bayangkan elektron di dalam bahan seperti mobil di gedung parkir bertingkat. Lantai bawah, disebut pita valensi, sudah penuh sesak. Mobil di sana tidak bisa bergerak karena tidak ada tempat kosong. Lantai atas, disebut pita konduksi, masih lega. Mobil yang berhasil naik ke lantai atas bisa melaju bebas. Mobil yang melaju inilah arus listrik.
Jarak antara kedua lantai disebut celah pita (band gap), diukur dalam elektronvolt (eV). Celah inilah yang membedakan ketiga jenis bahan:
Konduktor (tembaga)Semikonduktor (silikon)Isolator (kaca)pita bertumpang tindih:elektron bebas berlimpah±1,1 eVcelah kecil: panas/cahayabisa "mengangkat" elektron±9 eVcelah raksasa: elektronterkunci di lantai bawahkonduksivalensiBiru = pita konduksi ("lantai atas"), oranye = pita valensi ("lantai bawah"). Lingkaran kosong di silikon adalah tempat yang ditinggalkan elektron: lubang.
Saat sebuah elektron naik ke pita konduksi, ia meninggalkan tempat kosong di pita valensi. Tempat kosong ini disebut lubang (hole). Elektron tetangga bisa bergeser mengisi lubang itu, lalu tetangga berikutnya mengisi lubang yang baru, dan seterusnya. Hasilnya, lubang seolah-olah bergerak seperti muatan positif. Jadi semikonduktor punya dua pembawa muatan: elektron (−) dan lubang (+).
Bahan
Jenis
Celah pita (±)
Dipakai untuk
Tembaga, aluminium
konduktor
0 (pita bertumpang tindih)
kabel listrik
Germanium
semikonduktor
0,67 eV
dioda dan transistor generasi awal
Silikon
semikonduktor
1,12 eV
cip komputer, sel surya
Galium arsenida
semikonduktor
1,42 eV
LED inframerah, laser
Galium nitrida
semikonduktor
3,4 eV
LED biru dan putih, charger mungil
Kaca, kuarsa (SiO₂)
isolator
±9 eV
pelindung, isolator tiang listrik
Sepotong kawat tembaga dan sekeping silikon murni sama-sama dipanaskan. Apa yang terjadi pada hambatan keduanya?
Keduanya naik, karena panas selalu menghambat listrik.
Keduanya turun, karena panas membuat semua bahan menghantar lebih baik.
Hambatan tembaga naik, tetapi hambatan silikon turun.
Tidak ada yang berubah, karena hambatan hanya bergantung pada panjang kawat.
Tembaga naik, silikon turun! Di tembaga, elektron bebas sudah berlimpah. Panas hanya membuat atom-atomnya bergetar lebih hebat sehingga elektron lebih sering "tersandung", jadi hambatannya naik. Di silikon, panas justru mengangkat lebih banyak elektron menyeberangi celah pita. Pembawa muatan bertambah banyak, jadi hambatannya turun. Sifat ini dipakai pada termistor, sensor suhu di rice cooker dan termometer digital.
"Semikonduktor artinya setengah konduktor, jadi arusnya selalu setengah."
"Semi" di sini berarti daya hantarnya berada di antara konduktor dan isolator, dan bisa diatur dari hampir nol sampai sangat besar. Arus pada transistor bisa diubah ribuan kali lipat hanya dengan sinyal kecil.
"Cip komputer terbuat dari logam supaya bisa menghantarkan listrik."
Otak cip adalah silikon yang dimurnikan sampai sangat tinggi, lalu "dibumbui" atom lain. Logam hanya dipakai sebagai kabel penghubung mungil di dalamnya.
32.2Doping: membumbui silikon menjadi tipe n dan tipe p
Silikon murni adalah penghantar yang buruk. Pada suhu kamar, hanya sekitar satu dari beberapa triliun atomnya yang melepas elektron ke pita konduksi. Insinyur lalu menambahkan sedikit sekali atom lain ke dalam kristal silikon. Proses ini disebut doping, mirip menaburkan sejumput garam ke dalam sepanci sayur: sedikit sekali, tetapi rasanya berubah total.
Setiap atom silikon punya 4 elektron valensi. Di dalam kristal, setiap atom berpegangan tangan dengan 4 tetangganya. Apa jadinya jika kita menyelipkan atom dengan 5 atau 3 elektron valensi?
Tipe n: diberi fosfor (5 elektron)Tipe p: diberi boron (3 elektron)SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiP−elektron ke-5 "nganggur" → bebas bergerakB+satu "tangan" kosong → lubangKiri: fosfor menyumbang satu elektron bebas (tipe n). Kanan: boron menyisakan satu lubang (tipe p). Garis abu-abu = ikatan antaratom.
Tipe n (negative): silikon diberi atom bervalensi 5, seperti fosfor atau arsenik. Empat elektronnya berikatan, elektron kelima hampir bebas. Pembawa muatan mayoritasnya elektron.
Tipe p (positive): silikon diberi atom bervalensi 3, seperti boron atau galium. Satu ikatan kekurangan elektron sehingga terbentuk lubang. Pembawa muatan mayoritasnya lubang.
Awas jebakanTipe n tidak bermuatan negatif, dan tipe p tidak bermuatan positif! Atom fosfor membawa elektron ekstra, tetapi intinya juga punya satu proton ekstra. Jadi kepingan tipe n tetap netral. Huruf "n" dan "p" hanya menunjukkan jenis pembawa muatan yang paling banyak bergerak.
Sejumput saja cukupMenambahkan kira-kira satu atom fosfor untuk setiap sejuta atom silikon sudah membuat jumlah elektron bebas naik jutaan kali. Karena itu pabrik cip membutuhkan silikon super murni: kotoran sekecil apa pun ikut menjadi "bumbu" yang tidak diinginkan.
32.3Dioda: pintu putar satu arah, dan rahasia charger HP
Tempelkan keping tipe p dengan keping tipe n, maka lahirlah sambungan p-n, inti dari sebuah dioda. Dioda bekerja seperti pintu putar di gerbang stasiun KRL: kamu bisa lewat ke satu arah, tetapi pintunya terkunci jika didorong dari arah sebaliknya. Ikuti animasinya.
tipe ptipe n−−++daerah deplesielektron menyeberang, mengisi lubang → muncul "tembok" ±0,7 V+−bias maju: tembok menipis, arus mengalir, lampu menyala−+tembok makin tebalbias mundur: hampir tidak ada arus, lampu padamanoda (p)katoda (n)arah arus yang diizinkangaris di katoda = "palang pintu"
Dua keping semikonduktor: tipe p penuh lubang (lingkaran kosong), tipe n penuh elektron bebas (titik biru).
Saat ditempelkan, elektron di dekat sambungan menyeberang dan mengisi lubang. Terbentuk daerah deplesi tanpa pembawa muatan bebas, dengan "tembok" beda potensial sekitar 0,7 V untuk silikon.
Bias maju: kutub + baterai ke sisi p, kutub − ke sisi n. Jika tegangannya melebihi ±0,7 V, tembok "jebol" dan arus mengalir deras. Lampu menyala.
Bias mundur: baterai dibalik. Elektron dan lubang ditarik menjauhi sambungan, tembok makin tebal, dan hampir tidak ada arus. Lampu padam.
Simbol dioda: segitiga menunjuk arah arus yang diizinkan (dari anoda ke katoda), dan garisnya adalah palang yang menolak arus balik.
Raka menyolder dioda silikon secara seri dengan lampu senter dan baterai 3 V, tetapi dioda itu terpasang terbalik (bias mundur). Apa yang terjadi?
Lampu menyala lebih terang karena dioda menambah tegangan.
Lampu menyala seperti biasa karena dioda hanya kawat kecil.
Lampu tidak menyala karena dioda menahan arus dari arah itu.
Baterai meledak karena arusnya berbalik.
Lampu tidak menyala. Pada bias mundur, daerah deplesi melebar sehingga hanya arus bocor yang sangat kecil (orde mikroampere atau lebih kecil) yang lewat. Baterai aman. Sifat ini justru dimanfaatkan sebagai pengaman: mainan elektronik sering diberi dioda supaya tidak rusak jika baterainya terpasang terbalik.
Penyearah: mengubah AC menjadi DC
Listrik PLN adalah arus bolak-balik (AC) 50 Hz: arahnya berbalik 100 kali setiap detik. Padahal baterai HP hanya mau diisi arus searah (DC). Di dalam charger, tegangan diturunkan dulu, lalu disearahkan oleh dioda, lalu diratakan oleh kapasitor.
Penyearah setengah gelombang (1 dioda): bagian negatif gelombang dibuang. Hasilnya denyut-denyut 50 kali per detik dengan "jeda" kosong.
Penyearah gelombang penuh (jembatan 4 dioda): bagian negatif dibalik menjadi positif. Denyutnya 100 kali per detik tanpa jeda, tetapi arus selalu melewati 2 dioda, jadi hilang ±1,4 V.
Kapasitor perata: mengisi muatan saat tegangan memuncak, lalu "menyumbangkan" muatannya saat tegangan turun, seperti tandon air di atap yang tetap mengalirkan air walau pompa menyala-mati. Sisa naik-turunnya disebut riak (ripple).
Mulai dari "tanpa dioda", lalu coba setengah gelombang dan jembatan. Perhatikan dioda mana yang menyala oranye di tiap setengah putaran. Lalu pasang kapasitor dan cari kombinasi C dan R yang membuat riaknya di bawah 1 V. Apa yang terjadi jika bebannya diperkecil (arus lebih besar)?
Sebuah adaptor memakai trafo 9 V (rms), penyearah jembatan dioda silikon, dan kapasitor besar. Berapa kira-kira tegangan DC keluarannya tanpa beban berat?
Pada jembatan, arus melewati 2 dioda: hilang \(2 \times 0{,}7 = 1{,}4\) V.
Kapasitor besar terisi hingga hampir puncak: \(V_{dc} \approx 12{,}7 - 1{,}4 = 11{,}3\) V.
Sekitar 11,3 V. Karena itu adaptor "9 V" murah sering terukur lebih dari 9 V saat tidak dibebani, lalu turun ketika arus besar ditarik (riaknya membesar).
Charger HP zaman sekarangCharger modern langsung menyearahkan listrik PLN, lalu mencacahnya ribuan kali per detik dengan transistor. Frekuensi tinggi ini membuat trafonya bisa sangat mungil. Di ujungnya, arus disearahkan dan diratakan lagi. Jadi dioda dan kapasitor tetap bekerja di dalam kotak kecil itu, dua kali!
32.4LED dan sel surya: dioda yang bermain dengan cahaya
LED (light-emitting diode) adalah dioda yang memancarkan cahaya. Saat diberi bias maju, elektron dari sisi n "jatuh" ke lubang di sisi p. Energi jatuhnya dilepas sebagai foton. Besar energi foton kira-kira sama dengan celah pita bahannya, jadi warna LED ditentukan oleh bahannya, bukan oleh warna plastik pembungkusnya.
Hubungan energi foton dan panjang gelombang (ingat Bab 28): \(E = \dfrac{hc}{\lambda}\), atau versi praktisnya \(\lambda\,(\text{nm}) \approx \dfrac{1240}{E\,(\text{eV})}\). LED merah dengan celah ±1,9 eV memancarkan cahaya ±650 nm. LED biru dengan celah ±2,7 eV memancarkan ±460 nm.
Tamu dari masa laluLED merah dan hijau sudah ada sejak 1960-an, tetapi LED biru yang terang sangat sulit dibuat. Isamu Akasaki, Hiroshi Amano, dan Shuji Nakamura berhasil membuatnya dari galium nitrida pada awal 1990-an dan meraih Nobel Fisika 2014. Berkat LED biru, lahirlah lampu LED putih (LED biru + lapisan fosfor kuning) yang hemat energi di rumah-rumah kita.
LED itu "rakus": begitu tegangannya sedikit melewati tegangan maju, arusnya melonjak dan LED bisa putus. Karena itu LED selalu dipasang seri dengan resistor pelindung.
Kamu ingin menyalakan LED merah (tegangan maju 2,0 V, arus 15 mA) dari port USB 5 V. Berapa hambatan resistor yang dibutuhkan?
Tegangan yang harus ditanggung resistor: \(5{,}0 - 2{,}0 = 3{,}0\) V.
Ubah arus ke ampere: \(15\text{ mA} = 0{,}015\) A.
\(R = \dfrac{3{,}0}{0{,}015} = 200\ \Omega\).
200 Ω. Di toko elektronik, nilai standar terdekat di atasnya adalah 220 Ω: arusnya sedikit lebih kecil (±13,6 mA), LED tetap terang dan lebih awet.
Sel surya adalah kebalikan LED. Foton yang cukup energinya menabrak sambungan p-n dan melepaskan pasangan elektron-lubang. Medan listrik di daerah deplesi langsung "menyortir" mereka: elektron didorong ke sisi n, lubang ke sisi p. Muncullah tegangan sekitar 0,5–0,6 V per sel. Satu panel surya berisi puluhan sel yang disusun seri supaya tegangannya cukup besar.
Fisika IndonesiaDi Waduk Cirata, Jawa Barat, ratusan ribu panel surya mengapung di atas air sebagai PLTS terapung yang termasuk terbesar di Asia Tenggara (diresmikan 2023). Di desa-desa, lampu jalan tenaga surya menyimpan energi siang hari di baterai, lalu menyala otomatis saat gelap. Sementara itu, kawasan industri di Batam menjadi salah satu pusat perakitan dan pengujian komponen elektronik dan semikonduktor di Indonesia.
"Warna LED berasal dari plastik berwarna yang membungkusnya."
Warnanya ditentukan oleh celah pita bahan semikonduktornya. Banyak LED modern berpembungkus bening tetapi tetap memancarkan merah, hijau, atau biru. Plastik berwarna hanya membantu kita mengenali LED saat padam.
"Panel surya butuh panas matahari, jadi makin panas makin banyak listriknya."
Panel surya memanen cahaya, bukan panas. Justru jika panel terlalu panas, tegangannya sedikit turun. Hari cerah yang sejuk adalah hari terbaik bagi panel surya.
32.5Transistor: saklar dan penguat paling penting di dunia
Susun tiga lapis semikonduktor, misalnya n-p-n, maka jadilah transistor. Kakinya ada tiga: basis (B), kolektor (C), dan emitor (E). Ide besarnya: arus kecil di basis mengendalikan arus besar dari kolektor ke emitor. Mirip pintu air bendungan yang besar tetapi bisa dibuka dengan memutar tuas kecil.
Transistor punya dua "pekerjaan":
Peran
Cara kerja
Contoh
Penguat
Sinyal kecil di basis (misalnya dari mikrofon) menghasilkan salinan yang jauh lebih besar di kolektor.
pengeras suara masjid, radio, amplifier gitar
Saklar
Basis tanpa arus → transistor mati (0). Basis diberi arus cukup → transistor jenuh, terbuka penuh (1).
lampu otomatis, semua cip komputer
Peran saklar inilah yang membuka pintu ke dunia digital. Saklar hanya punya dua keadaan: mati atau nyala, 0 atau 1. Cip prosesor HP modern memuat lebih dari sepuluh miliar transistor mungil, masing-masing berukuran puluhan nanometer, menyala-mati miliaran kali per detik.
Transistor adalah saklar yang tidak perlu dipencet tangan. Saklar ini "dipencet" oleh listrik kecil. Karena sangat kecil dan sangat cepat, miliaran transistor bisa dimasukkan ke dalam satu cip HP.
Tamu dari masa laluPada Desember 1947, John Bardeen dan Walter Brattain di laboratorium Bell (Amerika Serikat) menyalakan transistor pertama, sebesar ibu jari. William Shockley segera menyempurnakannya. Ketiganya meraih Nobel Fisika 1956. Sebelumnya, komputer memakai tabung hampa sebesar bola lampu: komputer ENIAC (1946) berisi ±18.000 tabung, beratnya ±27 ton, dan menghabiskan satu ruangan!
Transistor dengan \(\beta = 100\) mendapat arus basis 0,15 mA. Berapa arus kolektornya? Cukupkah untuk menyalakan LED yang butuh 15 mA?
15 mA, cukup. Arus basis yang hanya 0,15 mA (misalnya dari sensor atau cip) berhasil "memerintah" arus seratus kali lebih besar.
32.6Sistem bilangan biner: bahasa ibu komputer
Kita berhitung dengan sepuluh angka (0–9), mungkin karena jari kita sepuluh. Komputer hanya punya saklar, dan saklar hanya mengenal dua keadaan. Maka komputer berhitung dengan bilangan biner (basis 2), hanya memakai angka 0 dan 1. Satu angka biner disebut bit (binary digit). Delapan bit disebut satu byte.
Mengapa tidak memakai sepuluh tingkat tegangan saja? Karena membedakan "nyala" dan "mati" jauh lebih mudah dan tahan gangguan. Bayangkan memberi kode dengan senter dari seberang lapangan: membedakan nyala-mati itu gampang, tetapi membedakan sepuluh tingkat terang? Hampir mustahil!
Nilai tempat: pangkat dua
Pada bilangan desimal, nilai tempatnya 1, 10, 100, 1.000, dan seterusnya (pangkat 10). Pada biner, nilai tempatnya 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, dan seterusnya (pangkat 2). Contoh: \(1011_2 = 1\cdot 8 + 0\cdot 4 + 1\cdot 2 + 1\cdot 1 = 11\).
Dari desimal ke biner: bagi dua terus
Bagi bilangan desimal dengan 2 berulang-ulang dan catat sisanya. Baca sisanya dari bawah ke atas. Contoh untuk 13: 13 : 2 = 6 sisa 1; 6 : 2 = 3 sisa 0; 3 : 2 = 1 sisa 1; 1 : 2 = 0 sisa 1. Jadi \(13 = 1101_2\).
Trik Kak Nara: kartu tebak pikiranBuat 5 kartu. Kartu pertama berisi semua bilangan 1–31 yang bit ke-0-nya bernilai 1 (1, 3, 5, 7, …). Kartu kedua berisi bilangan yang bit ke-1-nya 1 (2, 3, 6, 7, 10, 11, …). Begitu seterusnya untuk 4, 8, dan 16. Minta temanmu memilih angka rahasia dan menyebutkan kartu mana saja yang memuat angka itu. Jumlahkan angka terkecil di kartu-kartu tersebut, dan tebakanmu pasti tepat. Kamu sedang membaca biner tanpa ketahuan!
Ketuk lampu untuk menyalakan atau mematikan bit. Tekan 🎯 Target acak, lalu buat angka yang diminta secepat mungkin. Tekan ▶ Jalankan untuk melihat byte menghitung sendiri: bit mana yang paling sering berkedip?
Ubah \(101101_2\) ke bilangan desimal.
Tulis nilai tempat dari kanan: 1, 2, 4, 8, 16, 32.
Bit yang bernilai 1 berada di tempat 32, 8, 4, dan 1.
\(32 + 8 + 4 + 1 = 45\).
\(101101_2 = 45\). Cek dengan Rumus Hidup di atas: nyalakan bit yang sesuai!
"Komputer sangat pintar karena memahami angka 0 sampai 9 lebih cepat dari kita."
Komputer hanya mengenal 0 dan 1. Ia hebat karena melakukan miliaran operasi sederhana setiap detik tanpa lelah. Foto, lagu, dan pesan WhatsApp di HP-mu semuanya disimpan sebagai deretan 0 dan 1.
32.7Gerbang logika dan tabel kebenaran
Bagaimana saklar bisa "berpikir"? Dengan disusun menjadi gerbang logika. Gerbang logika menerima satu atau dua masukan (0 atau 1) dan menghasilkan satu keluaran menurut aturan tertentu. Dalam rangkaian nyata, 1 berarti tegangan tinggi (misalnya 5 V atau 3,3 V) dan 0 berarti tegangan sekitar 0 V. Semua kemungkinan masukan dan keluarannya dicatat dalam tabel kebenaran.
Simbol
Gerbang
Ekspresi
A B = 00
01
10
11
Analogi
NOT (BUKAN)
\(Y = \overline{A}\)
A = 0 → Y = 1; A = 1 → Y = 0
si pembangkang
AND (DAN)
\(Y = A \cdot B\)
0
0
0
1
brankas dua kunci
OR (ATAU)
\(Y = A + B\)
0
1
1
1
bel dua tombol
NAND
\(Y = \overline{A \cdot B}\)
1
1
1
0
alarm "belum lengkap"
NOR
\(Y = \overline{A + B}\)
1
0
0
0
lampu "rumah kosong"
XOR
\(Y = A \oplus B\)
0
1
1
0
saklar tangga
Trik Kak Nara: hafal lewat ceritaAND = brankas bank dengan dua kunci: harus dua-duanya diputar. OR = bel rumah dengan tombol di pintu depan dan belakang: cukup satu. XOR = saklar lampu tangga: lampu menyala jika posisi saklar atas dan bawah berbeda. NOT = si pembangkang. Huruf N di depan NAND dan NOR artinya "lalu dibalik" (lihat bulatan kecil di ujung simbolnya).
Pilih gerbang, lalu ketuk saklar A dan B di kanvas (atau tombolnya). Kabel bertegangan tinggi (1) menyala oranye. Coba semua baris tabel kebenaran sampai tercentang. Gerbang mana yang keluarannya 1 paling sering?
Awas jebakan: "atau" sehari-hariKalau ibumu bertanya "mau teh atau kopi?", biasanya artinya pilih salah satu, bukan dua-duanya. Itu XOR! Dalam logika, OR berarti "salah satu atau keduanya": jika A = 1 dan B = 1, keluaran OR tetap 1. Banyak siswa tertukar di sini.
Tamu dari masa laluPada 1854, guru matematika Inggris George Boole menulis buku tentang "hukum-hukum pikiran" dan menyatakan logika (benar/salah) dengan aljabar. Hampir seratus tahun kemudian, pada 1937, mahasiswa bernama Claude Shannon menunjukkan dalam tesisnya bahwa rangkaian saklar listrik dapat menjalankan aljabar Boole. Sejak itulah setiap komputer "berpikir" dengan logika Boole. Bahkan bilangan biner sudah dibahas filsuf Gottfried Leibniz sekitar tahun 1700.
Komputer menjumlahkan: 1 + 1 = 10
Hanya dengan dua gerbang, komputer sudah bisa menjumlahkan dua bit. Rangkaian ini disebut penjumlah setengah (half adder).
A = 1B = 1XORS (jumlah) = 0ANDC (simpan) = 1C S = 10₂ = 2 ✓0+0=00 0+1=011+0=01 1+1=10(C S)
Kita ingin menghitung 1 + 1 dengan saklar saja. Masukan A = 1 dan B = 1 dicabangkan ke dua gerbang.
Gerbang XOR memberi angka jumlah (S): 1 ⊕ 1 = 0. Seperti 5 + 5 = 10 di desimal, angka satuannya 0.
Gerbang AND memberi angka simpanan (C, carry): 1 · 1 = 1. Inilah "satu disimpan" yang dulu kamu pelajari di SD!
Hasilnya dibaca C lalu S: \(10_2\), yaitu 2 dalam desimal. Benar!
Tabel lengkap keempat kemungkinan. Sambungkan banyak penjumlah seperti ini, maka jadilah kalkulator. Cip HP-mu menjumlahkan bilangan 64 bit dengan cara yang sama.
Lanjut · IB & olimpiadeHukum De Morgan dan keajaiban NANDDua hukum De Morgan: \(\overline{A\cdot B} = \overline{A} + \overline{B}\) dan \(\overline{A + B} = \overline{A}\cdot\overline{B}\). Akibatnya mengejutkan: semua gerbang bisa dibuat hanya dari NAND. NOT: sambungkan kedua masukan NAND, \(\overline{A\cdot A} = \overline{A}\). AND: NAND lalu NOT. OR: \(A + B = \overline{\overline{A}\cdot\overline{B}}\), yaitu NAND dari dua NOT. Karena itu NAND disebut gerbang universal. Pabrik cip menyukainya karena cukup satu jenis "batu bata" untuk membangun komputer apa pun. (NOR juga universal.)
32.8Sensor, mikrokontroler, dan sistem otomatis
Hampir semua alat otomatis mengikuti pola tiga langkah: masukan → proses → keluaran. Sensor mengubah besaran fisika (cahaya, suhu, gerak, jarak) menjadi sinyal listrik. Rangkaian logika atau mikrokontroler (komputer mini satu cip yang bisa diprogram) memutuskan. Aktuator (lampu, motor, pompa, bel) menjalankan keputusan.
Sensor
Mendeteksi
Prinsip fisika
Contoh pemakaian
LDR (resistor peka cahaya)
terang-gelap
cahaya melepas pembawa muatan → hambatan turun
lampu jalan otomatis
Termistor
suhu
hambatan semikonduktor turun saat panas
rice cooker, termometer digital
Sensor PIR
gerak manusia
perubahan radiasi inframerah tubuh
lampu toilet, alarm
Sensor ultrasonik
jarak
waktu pantul bunyi berfrekuensi tinggi
sensor parkir mobil, robot
Sensor kelembapan tanah
tanah basah-kering
air menurunkan hambatan tanah
penyiram tanaman otomatis
Fotodioda
cahaya inframerah
efek fotolistrik di sambungan p-n
penerima remote TV
+5 V0 VLDRR tetaptegangan sensorNOTtransistorrelailampu 220 VR basisSaat gelap, hambatan LDR naik, tegangan sensor turun (0). Gerbang NOT membaliknya menjadi 1, transistor terbuka, relai tertarik, dan lampu 220 V menyala. Relai memisahkan listrik kecil (5 V) dari listrik rumah yang berbahaya.
Sekarang giliranmu menjadi insinyur. Lampu taman modern dibuat lebih hemat: ia menyala hanya jika gelap DAN ada orang lewat, atau jika petugas menekan saklar manual. Susunlah gerbangnya!
Ketuk tiap kotak gerbang untuk mengganti jenisnya. Ketuk sensor gerak dan saklar manual untuk mengubah masukan, atau geser tingkat cahaya. Tekan 🧪 Uji 8 kemungkinan untuk memeriksa rancanganmu. Tekan ▶ Jalankan untuk melihat sehari semalam di taman.
Pompa penyiram (P) harus menyala jika tanah kering (K = 1) dan sedang tidak hujan (H = 0). Tulis ekspresi logikanya, gerbang yang dibutuhkan, dan tabel kebenarannya.
"Tidak hujan" berarti kebalikan H: \(\overline{H}\). Jadi perlu gerbang NOT untuk H.
"Kering dan tidak hujan": \(P = K \cdot \overline{H}\). Perlu gerbang AND.
Cek akal sehat: pompa hanya menyala pada satu keadaan, yaitu tanah kering di hari cerah. Air hujan tidak dibuang percuma.
\(P = K\cdot\overline{H}\): satu NOT dan satu AND. Dengan mikrokontroler, logika yang sama ditulis sebagai program: "jika kering dan tidak hujan, maka nyalakan pompa".
Lanjut · jembatan ke Koding & KANeuron buatan: gerbang logika yang bisa belajarDalam kecerdasan artifisial, perseptron (neuron buatan paling sederhana) menghitung \(w_1A + w_2B\) lalu mengeluarkan 1 jika hasilnya ≥ ambang \(\theta\). Dengan \(w_1 = w_2 = 1\) dan \(\theta = 1{,}5\), ia menjadi gerbang AND. Dengan \(\theta = 0{,}5\), ia menjadi OR. Bedanya dengan gerbang biasa: bobot \(w\) dan ambang \(\theta\) bisa diubah otomatis dari contoh data, itulah "belajar". Satu perseptron tidak akan pernah bisa menjadi XOR (coba buktikan!). Untuk itu, neuron harus disusun berlapis-lapis. Itulah awal mula deep learning.
Fisika IndonesiaMulai tahun ajaran 2025/2026, sekolah di Indonesia mengenal mata pelajaran pilihan Koding dan Kecerdasan Artifisial. Logika "jika… dan… atau… maka…" yang kamu pelajari di bab ini adalah fondasinya. Banyak SMK dan madrasah juga rajin mengikuti lomba robotik pelajar, dengan robot yang "berpikir" memakai sensor, mikrokontroler, dan gerbang logika persis seperti di sini.
🌃
Lampu jalan otomatis
Sensor cahaya + logika NOT + transistor/relai. Banyak lampu jalan tenaga surya di desa juga memakai prinsip ini.
🅿️
Palang parkir
Palang naik jika tiket sah DAN ada mobil di depan palang, dan tidak turun selama sensor masih mendeteksi mobil di bawahnya.
🧺
Mesin cuci
Sensor ketinggian air, pengunci pintu, dan pewaktu digabung dengan logika: motor berputar hanya jika pintu terkunci DAN air cukup.
📱
Charger HP
Dioda menyearahkan arus, kapasitor meratakannya, dan transistor mengatur tegangannya agar baterai tidak kelebihan muatan.
📺
Remote TV
LED inframerah berkedip mengirim kode biner. Fotodioda di TV membacanya: 0 dan 1 yang tidak terlihat mata.
🤖
Robot SMK
Sensor ultrasonik mengukur jarak, mikrokontroler memutuskan "jika jarak < 20 cm, belok", dan motor menjalankannya.
Silikon murni diberi sedikit atom fosfor yang memiliki 5 elektron valensi. Hasilnya adalah…
semikonduktor tipe p
semikonduktor tipe n
isolator
konduktor bermuatan negatif
Elektron kelima fosfor menjadi elektron bebas, sehingga pembawa muatan mayoritasnya elektron: tipe n. Bahannya tetap netral.
Gerbang yang keluarannya 1 hanya jika kedua masukannya berbeda adalah…
Bilangan biner \(11010_2\) sama dengan bilangan desimal…
26
13
52
11.010
\(16 + 8 + 0 + 2 + 0 = 26\).
33
Bab 33 · Indonesia & Semesta
Bumi yang Bergerak: Fisika Gempa, Tsunami & Gunung Api
Indonesia duduk di atas pertemuan lempeng-lempeng raksasa. Fisika membantu kita memahami guncangannya, menghitung "waktu emas" sebelum tsunami tiba, dan menyelamatkan nyawa.
Setelah bab ini, kamu bisa
menjelaskan struktur lapisan bumi dan gerak lempeng tektonik, serta alasan Indonesia rawan gempa dan letusan gunung api;
membedakan gelombang P, S, dan permukaan, lalu menentukan jarak dan lokasi episenter dari selisih waktu S−P;
memahami magnitudo sebagai skala logaritmik: naik 1 berarti energi ±32 kali;
menghitung cepat rambat tsunami \(v = \sqrt{gh}\) dan menjelaskan mengapa gelombang meninggi di dekat pantai;
menerapkan mitigasi: bangunan tahan gempa, peringatan dini InaTEWS, tas siaga bencana, dan evakuasi ke tempat tinggi.
RakaGuncangannya sudah berhenti. Kok kita masih harus jalan ke bukit, Kak?
SariPusat gempanya di bawah laut. Kalau memicu tsunami, gelombangnya butuh waktu untuk sampai ke sini.
RakaAir laut bisa "telat" datang? Berapa menit, ya?
JALUR EVAKUASI
Titik kumpul di atas bukit
Kak NaraGelombang laut punya "batas kecepatan": \(v = \sqrt{gh}\). Fisika memberi kita menit-menit emas. Kita pakai untuk menyelamatkan diri!
TITIK KUMPUL
Di tengah samudra yang dalamnya sekitar 4 km, kira-kira secepat apa gelombang tsunami bergerak?
Selambat ombak biasa di pantai, sekitar 10 km/jam.
Secepat motor di jalan raya, sekitar 60 km/jam.
Hampir secepat pesawat jet, sekitar 700 km/jam.
Secepat cahaya, sehingga tidak ada waktu untuk lari.
Jawabannya: hampir secepat pesawat jet. Dengan \(v = \sqrt{gh} = \sqrt{9{,}8 \times 4000} \approx 198\) m/s, atau sekitar 710 km/jam! Tetapi saat mendekati pantai yang dangkal, tsunami melambat drastis (dan meninggi). Selisih waktu inilah yang memberi kesempatan untuk evakuasi, terutama bila sumber gempanya jauh. Kita akan menghitungnya di subbab 33.5.
33.1Lapisan bumi dan lempeng tektonik
Bumi berbentuk hampir bulat dengan jari-jari sekitar 6.371 km. Kita tidak bisa mengebor sampai ke pusatnya: lubang bor terdalam di dunia "hanya" sekitar 12 km. Lalu bagaimana ilmuwan tahu isinya? Dengan "mendengarkan" gelombang gempa yang merambat menembus Bumi, seperti dokter yang memeriksa tubuh dengan USG.
Bayangkan telur rebus yang cangkangnya retak-retak. Cangkangnya yang tipis adalah kerak, putih telurnya adalah mantel, dan kuning telurnya adalah inti.
Bumi berlapis-lapis seperti telur. Kita tinggal di kulitnya yang tipis (kerak). Di bawahnya ada batuan panas (mantel), dan di tengahnya ada inti besi yang sangat panas. Kulit Bumi terpecah menjadi potongan-potongan besar yang bergerak pelan sekali. Saat potongan itu bergesekan, terjadilah gempa.
Kerak (kulit tipis)padat · tebal 5–70 kmMantelpadat tetapi "mengalir" sangat lambatsampai kedalaman ±2.900 kmInti luarbesi-nikel CAIR · 2.900–5.150 kmInti dalamPADAT · ±5.000–6.000 °Cjari-jari ±6.371 km (skala sebenarnya)Penampang Bumi dengan perbandingan tebal lapisan yang sebenarnya. Kerak hanya garis tipis! Inti dalam tetap padat walau sangat panas karena tekanannya luar biasa besar.
Lempeng-lempeng yang mengapung
Kerak dan bagian atas mantel yang kaku membentuk litosfer, yang terpecah menjadi belasan potongan raksasa: lempeng tektonik. Lempeng-lempeng ini "mengapung" di atas lapisan mantel yang lebih lunak dan bergerak sangat pelan, hanya beberapa sentimeter per tahun, kira-kira secepat kuku jarimu tumbuh. Pelan, tetapi bertenaga luar biasa.
Batas lempeng
Gerakan
Akibat
Contoh
Konvergen (menunjam)
saling mendekat; lempeng samudra yang lebih rapat menyusup ke bawah
gempa besar, tsunami, deretan gunung api
barat Sumatra, selatan Jawa sampai Nusa Tenggara
Divergen
saling menjauh; magma naik mengisi celah
lantai samudra baru, gunung api bawah laut
punggungan tengah Samudra Atlantik
Transform (sesar geser)
bergesekan menyamping
gempa dangkal yang merusak
sesar Palu-Koro (Sulawesi), sesar besar Sumatra
Fisika IndonesiaIndonesia berada di pertemuan tiga lempeng besar: Eurasia, Indo-Australia, dan Pasifik (ditambah lempeng Laut Filipina). Lempeng Indo-Australia bergerak ke utara sekitar 5–7 cm per tahun dan menunjam di bawah Sumatra dan Jawa. Akibatnya, Indonesia termasuk Cincin Api Pasifik dengan sekitar 127 gunung api aktif dan ribuan gempa setiap tahun, kebanyakan kecil. Hidup di negeri seperti ini berarti kita perlu paham fisikanya, bukan takut.
Tamu dari masa laluPada 1912, ahli meteorologi Jerman Alfred Wegener memperhatikan pantai Amerika Selatan dan Afrika yang cocok seperti potongan puzzle. Ia menduga semua benua dulu menyatu, lalu "berlayar" saling menjauh. Banyak ilmuwan menertawakannya karena ia tidak bisa menjelaskan tenaga penggeraknya. Baru pada 1960-an, peta dasar laut dan data magnet batuan membuktikan bahwa lantai samudra memang terus melebar. Gagasan Wegener berkembang menjadi teori tektonik lempeng.
33.2Gempa bumi: gelombang P, S, dan permukaan
Dua lempeng tidak bergeser dengan mulus. Bidang sentuhnya "macet" karena gesekan, sementara lempengnya terus mendorong. Batuan pun melentur dan menyimpan energi, seperti penggaris plastik yang ditekuk perlahan. Ketika gesekannya tidak kuat lagi menahan, batuan tiba-tiba tergelincir dan melenting. Energi yang tersimpan bertahun-tahun dilepas dalam beberapa detik sebagai gelombang seismik.
Awas jebakan: hiposenter vs episenterTitik di dalam Bumi tempat batuan mulai patah disebut hiposenter (fokus). Titik di permukaan tepat di atasnya disebut episenter. Berita "gempa berpusat 20 km barat daya kota X dengan kedalaman 10 km" menyebut letak episenter dan kedalaman hiposenter. Gempa dangkal di dekat permukiman umumnya lebih merusak daripada gempa dalam yang bermagnitudo sama.
Gelombang P (primer)dorong-tarik, searah rambatan±6 km/s · lewat padat, cair, gasGelombang S (sekunder)goyang tegak lurus rambatan±3,5 km/s · hanya lewat padatGelombang permukaanberguling di permukaan, paling lambatamplitudo terbesar, paling merusakarah rambatGelombang P menekan dan meregangkan batuan seperti slinky didorong. Gelombang S menggoyang batuan ke samping seperti tali dikibaskan. Gelombang permukaan datang paling akhir dengan guncangan terbesar.
Gelombang
Jenis
Kecepatan di kerak (±)
Merambat lewat
Yang kamu rasakan
P (primer)
longitudinal
5–7 km/s
padat, cair, gas
hentakan pertama, sering terdengar seperti dentuman
S (sekunder)
transversal
3–4 km/s
hanya padat
guncangan kuat menyamping
Permukaan (Love, Rayleigh)
gabungan
sedikit lebih lambat dari S
dekat permukaan
tanah bergelombang, paling merusak
Tanah yang berubah seperti buburPada gempa Palu 2018, beberapa kawasan seperti Petobo dan Balaroa mengalami likuifaksi. Tanah pasir yang jenuh air diguncang kuat sehingga tekanan air di sela butirannya naik. Butiran pasir tidak lagi saling menekan, gesekannya hilang, dan tanah berperilaku seperti cairan. Kamu bisa merasakan versi mininya saat menginjak-injak pasir basah di tepi pantai: lama-lama kakimu terbenam. Kini peta zona rawan likuifaksi dipakai untuk menata ulang permukiman.
Lanjut · IB & olimpiadeBayangan gelombang S: bukti inti luar cairStasiun seismik di sisi Bumi yang jauh dari gempa (lebih dari sekitar 104° busur dari episenter) tidak menerima gelombang S langsung. Gelombang S tidak bisa merambat lewat zat cair karena zat cair tidak punya kekakuan geser: modulus gesernya nol, sehingga \(v_S = \sqrt{\mu/\rho} = 0\). Bayangan S yang sangat lebar ini membuktikan bahwa inti luar Bumi cair. Gelombang P bisa lewat, tetapi dibiaskan sehingga juga meninggalkan zona bayangan antara ±104° dan ±140°.
Tamu dari masa laluPada 1936, ahli seismologi Denmark Inge Lehmann memperhatikan gelombang P lemah yang muncul di dalam zona bayangan, padahal "seharusnya" tidak ada. Ia menyimpulkan bahwa di dalam inti cair ada inti lain yang padat, yang memantulkan gelombang itu. Penemuan inti dalam ini dibuat hanya dengan membaca coretan seismogram di atas kertas, tanpa komputer modern.
33.3Menentukan lokasi gempa dari selisih waktu S−P
Gelombang P dan S berangkat dari hiposenter pada saat yang sama, tetapi P lebih cepat. Seperti dua pelari yang start bersamaan: makin panjang lintasannya, makin jauh jarak antara keduanya di garis finis. Jadi jeda antara kedatangan P dan S memberi tahu seberapa jauh pusat gempa.
Jika jaraknya \(d\), waktu tiba P adalah \(t_P = d/v_P\) dan waktu tiba S adalah \(t_S = d/v_S\). Selisihnya:
\[\Delta t = t_S - t_P = d\left(\frac{1}{v_S} - \frac{1}{v_P}\right) \quad\Longrightarrow\quad d = \Delta t\,\frac{v_P\,v_S}{v_P - v_S}\]
Trik Kak Nara: kali delapanUntuk kecepatan khas kerak bumi (\(v_P \approx 6\) km/s, \(v_S \approx 3{,}5\) km/s), faktor \(\dfrac{v_Pv_S}{v_P - v_S} \approx 8{,}4\) km/s. Jadi: jarak (km) ≈ 8 × jeda S−P (detik). Kalau kamu merasakan hentakan kecil lalu guncangan besar 5 detik kemudian, pusat gempa sekitar 40 km darimu.
stasiun seismografhiposenterepisenterP datang duluan……S menyusul, lebih kuat0 s10 s20 s30 s40 s50 sPSΔt = 13 sd ≈ 13 s × 8,4 km/s ≈ 109 kmtiga lingkaran hanya bertemu di satu titik: episenter ⭐stasiun Astasiun Bstasiun C
Batuan patah di hiposenter, sekitar 20 km di bawah tanah. Sebuah stasiun seismograf BMKG menunggu di permukaan.
Gelombang P yang cepat tiba lebih dulu. Seismograf mencatat getaran kecil.
Beberapa detik kemudian gelombang S tiba. Simpangannya jauh lebih besar.
Ukur jedanya pada skala waktu: dari P sampai S kira-kira 13 detik.
Hitung jarak: \(d \approx 13 \times 8{,}4 \approx 109\) km. Tetapi satu stasiun hanya tahu jaraknya, bukan arahnya. Pusat gempa bisa di mana saja pada lingkaran berjari-jari 109 km.
Dengan tiga stasiun, kita punya tiga lingkaran. Hanya satu titik yang dilewati ketiganya: itulah episenter. Cara ini disebut triangulasi (tepatnya trilaterasi, karena memakai jarak).
Tekan ▶ Jalankan untuk memicu gempa di lokasi rahasia. Baca jeda S−P di setiap seismogram (garis tiap 10 s), hitung jaraknya, lalu ketuk peta untuk menebak episenter. Nyalakan "lingkaran jarak" bila butuh bantuan, lalu tekan 🔍 Ungkap episenter.
Seismograf di Padang mencatat gelombang P, lalu 12 detik kemudian gelombang S. Dengan \(v_P = 6{,}0\) km/s dan \(v_S = 3{,}5\) km/s, berapa jarak stasiun ke pusat gempa?
Sekitar 100 km. Dengan trik "kali delapan": \(12 \times 8 = 96\) km, cukup dekat untuk perkiraan cepat.
33.4Magnitudo: skala logaritmik yang menipu mata
Kekuatan gempa dinyatakan dengan magnitudo (M). Skalanya logaritmik: naik 1 angka berarti simpangan pada seismogram 10 kali lebih besar, dan energi yang dilepas sekitar \(10^{1{,}5} \approx 32\) kali lebih besar. Jadi gempa M 7 bukan "sedikit lebih kuat" dari M 6. Ia melepas energi ±32 kali lipat, dan ±1.000 kali lipat gempa M 5!
Tamu dari masa laluPada 1935, seismolog Amerika Charles Richter dan rekannya Beno Gutenberg membuat skala magnitudo untuk gempa di California. Karena kekuatan gempa berbeda jutaan kali lipat, mereka memakai logaritma supaya angkanya mudah ditulis. Skala Richter asli kurang tepat untuk gempa sangat besar, sehingga kini dipakai magnitudo momen (Mw) yang dihitung dari luas bidang patahan dan besar pergeserannya.
Magnitudo
Energi dibanding M 5
Gambaran umum
M 2–3
±1/32.000–1/1.000
terjadi setiap hari, biasanya tidak terasa
M 4–5
±1/32–1
terasa, barang bergoyang, kerusakan ringan
M 6
±32 kali
bisa sangat merusak bila dangkal dan dekat permukiman (Yogyakarta 2006, M 6,3)
M 7
±1.000 kali
gempa besar (Palu 2018, M 7,5)
M 8–9
±32.000–1.000.000 kali
gempa raksasa di zona subduksi (Aceh 2004, M 9,1)
Awas jebakan: magnitudo ≠ intensitasMagnitudo adalah satu angka untuk satu gempa: seberapa besar energi di sumbernya. Intensitas (skala MMI, I–XII) menyatakan seberapa kuat guncangan di tempatmu, dan berbeda-beda di setiap kota. Gempa Cianjur 2022 "hanya" bermagnitudo 5,6, tetapi sangat dangkal dan dekat permukiman sehingga intensitasnya tinggi dan kerusakannya parah. Kedalaman, jarak, jenis tanah, dan kualitas bangunan sama pentingnya dengan magnitudo.
Gempa A bermagnitudo 9,1 dan gempa B bermagnitudo 7,5. Berapa kali energi gempa A dibanding gempa B? Berapa kali simpangan seismogramnya (pada jarak yang sama)?
Selisih magnitudo: \(\Delta M = 9{,}1 - 7{,}5 = 1{,}6\).
Energi A sekitar 250 kali energi B, walaupun angkanya "cuma" berbeda 1,6. Inilah kekuatan (dan jebakan) skala logaritmik.
Lanjut · IB & olimpiadeDari magnitudo ke jouleHubungan empiris Gutenberg-Richter: \(\log_{10} E \approx 1{,}5M + 4{,}8\), dengan \(E\) dalam joule. Untuk M 9,1: \(E \approx 10^{18{,}45} \approx 2{,}8\times10^{18}\) J, kira-kira energi listrik yang dipakai seluruh Indonesia selama beberapa tahun. Magnitudo momen dihitung dari momen seismik \(M_0 = \mu A D\) (kekakuan geser × luas patahan × pergeseran): \(M_w = \tfrac23\log_{10} M_0 - 6{,}07\), dengan \(M_0\) dalam N·m. Patahan gempa Aceh 2004 panjangnya sekitar 1.300 km!
"Ilmuwan bisa meramal tanggal dan jam gempa besar berikutnya."
Belum ada yang bisa. Ilmuwan dapat memetakan zona rawan dan peluang gempa dalam puluhan tahun, tetapi tidak tanggal dan jamnya. Waspadai pesan berantai "ramalan gempa"; percayai informasi resmi BMKG.
"Banyak gempa kecil bagus, karena energinya terbuang sedikit-sedikit sehingga gempa besar batal."
Untuk menyamai energi satu gempa M 7, dibutuhkan sekitar 1.000 gempa M 5 atau 32.000 gempa M 4. Gempa kecil hampir tidak "mengurangi tabungan" energi patahan.
33.5Tsunami: gelombang yang mengangkut seluruh laut
Ombak biasa di pantai dibuat angin dan hanya menggerakkan lapisan air di dekat permukaan. Tsunami berbeda. Ketika gempa di bawah laut mengangkat atau menurunkan dasar laut beberapa meter, seluruh kolom air dari dasar sampai permukaan ikut terangkat. Tsunami juga bisa dipicu longsoran bawah laut atau letusan gunung api. Panjang gelombangnya bisa ratusan kilometer, dan jeda antarpuncaknya belasan sampai puluhan menit.
Tsunami adalah gelombang laut raksasa yang muncul ketika dasar laut tiba-tiba bergerak. Di laut dalam, tsunami melaju sangat cepat tetapi rendah. Di dekat pantai, ia melambat dan menjadi tinggi. Jika merasakan gempa kuat di pantai, segera pergi ke tempat yang tinggi.
macet & melentur: energi tersimpandasar laut melenting naik → seluruh kolom air terangkatgelombang menyebar ke dua arah, rendah tetapi sangat cepatdi laut dangkal: melambat, memendek, meninggiair pantai sering surut dulu → tanda bahaya!lempeng samudra menunjam ±6 cm/tahun
Lempeng samudra terus menyusup ke bawah lempeng benua, sekitar 6 cm per tahun.
Bidang sentuhnya macet. Ujung lempeng benua ikut terseret ke bawah dan melentur, menyimpan energi selama puluhan sampai ratusan tahun.
Batuan patah dan ujung lempeng melenting naik beberapa meter. Air di atasnya, dari dasar sampai permukaan, ikut terangkat.
Gundukan air jatuh lagi dan menyebar ke dua arah sebagai tsunami. Di laut dalam tingginya mungkin hanya sekitar satu meter, tetapi sangat cepat.
Mendekati pantai, gelombang melambat, memendek, dan meninggi. Sering kali air pantai surut dulu sebelum gelombang datang. Itu tanda untuk segera lari ke tempat tinggi.
Mengapa \(v = \sqrt{gh}\)?
Gelombang air disebut "gelombang air dangkal" jika panjang gelombangnya jauh lebih besar daripada kedalaman laut (kira-kira lebih dari 20 kali). Tsunami dengan panjang gelombang 200 km di laut sedalam 4 km memenuhi syarat itu. Bagi tsunami, samudra terdalam pun hanyalah "genangan dangkal"! Untuk gelombang seperti ini, cepat rambatnya hanya bergantung pada percepatan gravitasi dan kedalaman.
Kedalaman
Kecepatan
Setara dengan
7.000 m
262 m/s ≈ 940 km/jam
pesawat jet
4.000 m
198 m/s ≈ 710 km/jam
pesawat jet yang sedikit lebih pelan
1.000 m
99 m/s ≈ 360 km/jam
kereta cepat Whoosh (±350 km/jam)
200 m
44 m/s ≈ 160 km/jam
mobil balap
50 m
22 m/s ≈ 80 km/jam
mobil di jalan tol
10 m
9,9 m/s ≈ 36 km/jam
sepeda motor, jauh lebih cepat dari larimu
Sebuah kapal nelayan sedang berada di tengah laut dalam ketika tsunami melintas di bawahnya. Apa yang dirasakan para nelayan?
Dinding air setinggi puluhan meter menghantam kapal.
Hampir tidak terasa: kapal hanya naik-turun pelan sekitar satu meter selama beberapa menit.
Kapal tersedot ke pusaran raksasa.
Air laut di sekitar kapal mendidih karena panas gempa.
Hampir tidak terasa! Di laut dalam, tinggi tsunami mungkin hanya sekitar satu meter, dan panjang gelombangnya ratusan kilometer. Kapal naik setinggi satu meter selama belasan menit, terlalu landai untuk dirasakan. Karena itu, bila peringatan tsunami berbunyi, kapal yang sudah di laut dalam lebih aman tetap di sana daripada kembali ke pelabuhan. Bahaya terbesar ada di perairan dangkal dekat pantai.
Mengapa tsunami meninggi di dekat pantai?
Bayangkan antrean motor yang mendekati gerbang tol. Motor terdepan melambat lebih dulu, sementara yang di belakang masih melaju kencang, sehingga antrean memadat. Hal yang sama terjadi pada tsunami: bagian depannya sudah di air dangkal dan melambat, sementara bagian belakangnya masih di air dalam dan melaju. Gelombang memendek, dan energinya yang hampir tidak berkurang tertumpuk dalam volume air yang lebih kecil. Akibatnya gelombang meninggi.
Tekan ▶ Jalankan dan ikuti gelombangnya. Perhatikan kecepatan dan tingginya saat melewati landas benua. Coba ubah kedalaman laut dalam: apa yang terjadi pada waktu tiba? Nyalakan "air surut dulu" untuk melihat tanda alam yang sering mendahului tsunami.
Sumber tsunami berada 150 km dari pantai. Anggap 120 km pertama lautnya sedalam 4.000 m dan 30 km terakhir rata-rata sedalam 100 m. Berapa menit tsunami tiba di pantai? (\(g = 9{,}8\) m/s²)
Bagian dalam: \(v_1 = \sqrt{9{,}8 \times 4000} = 198\) m/s, sehingga \(t_1 = 120\,000 / 198 \approx 606\) s.
Bagian dangkal: \(v_2 = \sqrt{9{,}8 \times 100} = 31{,}3\) m/s, sehingga \(t_2 = 30\,000 / 31{,}3 \approx 958\) s.
Total: \(606 + 958 \approx 1564\) s \(\approx 26\) menit.
Sekitar 26 menit, dan 30 km terakhir yang dangkal justru memakan waktu lebih lama! Tetapi jangan menunggu: jika sumbernya dekat (seperti di Teluk Palu 2018), tsunami bisa tiba dalam hitungan menit saja.
Awas jebakan yang menyelamatkan nyawaAir laut surut tiba-tiba bukan saatnya memungut ikan atau merekam video: itu tanda tsunami mungkin datang dalam beberapa menit. Tetapi tsunami tidak selalu didahului surut, jadi jangan menunggu tanda itu. Tsunami juga datang dalam beberapa gelombang, dan gelombang pertama belum tentu yang terbesar. Tetaplah di tempat tinggi sampai ada pernyataan aman dari pihak berwenang.
Fisika IndonesiaPada 26 Desember 2004, gempa M 9,1 di barat Aceh memicu tsunami yang merenggut lebih dari 220.000 jiwa di negara-negara sekitar Samudra Hindia, sebagian besar di Aceh. Kita mengenang mereka dengan belajar. Di Pulau Simeulue, sangat dekat dengan pusat gempa, korban jiwanya jauh lebih sedikit. Warganya mewarisi kearifan lokal smong dari tsunami tahun 1907: "jika gempa kuat dan air laut surut, segera lari ke bukit." Kisah turun-temurun itu adalah sistem peringatan dini yang sangat efektif. Pada 2018, tsunami juga melanda Teluk Palu (setelah gempa M 7,5) dan pesisir Selat Sunda (dipicu longsoran Anak Krakatau, tanpa gempa besar). Peristiwa ini mengingatkan bahwa tsunami bisa datang sangat cepat atau dari sumber yang tidak terduga.
Lanjut · IB & olimpiadeHukum GreenJika energi gelombang hampir tidak hilang, laju aliran energinya tetap: energi per satuan luas \(\propto A^2\) dikali kecepatan \(v\) harus konstan, sehingga \(A^2\sqrt{h} = \text{tetap}\), atau \(A \propto h^{-1/4}\). Dari 4.000 m ke 10 m, tinggi gelombang naik \((400)^{1/4} \approx 4{,}5\) kali. Panjang gelombang memendek sebanding \(v\), yaitu \(\propto \sqrt h\). Di dekat garis pantai, rumus ini tidak berlaku lagi: gelombang pecah dan tinggi naiknya ke darat (run-up) sangat dipengaruhi bentuk teluk dan dasar laut.
33.6Gunung api: tekanan magma dan awan panas
Di zona subduksi, lempeng samudra yang menunjam membawa air ke kedalaman. Air itu menurunkan titik lebur batuan di atasnya sehingga terbentuk magma, batuan cair yang lebih ringan dari batuan sekitarnya. Magma naik dan berkumpul di dapur magma beberapa kilometer di bawah gunung. Itulah sebabnya deretan gunung api Indonesia sejajar dengan zona subduksi, dari Sumatra, Jawa, sampai Nusa Tenggara.
Magma mengandung gas terlarut, terutama uap air dan karbon dioksida, seperti soda dalam botol tertutup. Saat magma naik, tekanannya turun dan gas membentuk gelembung yang mengembang cepat. Kocok botol soda lalu buka tutupnya: psssh! Magma yang kental (seperti di Merapi) menahan gelembung gas sehingga tekanannya menumpuk dan letusannya cenderung eksplosif. Magma yang encer membiarkan gas lolos sehingga lavanya cenderung mengalir.
dapur magmabeberapa km di bawahpipa kepundankubah lavakolom abu & gasawan panas guguranratusan °C, >100 km/jamlaharmaterial vulkanik + air hujanPenampang gunung api tipe Merapi. Kubah lava yang tumbuh di puncak bisa runtuh dan melahirkan awan panas yang meluncur di lembah.
Bahaya khas Merapi adalah awan panas guguran, yang oleh warga sekitar dijuluki wedhus gembel ("domba gimbal") karena bentuknya bergulung-gulung. Ini adalah campuran gas panas, abu, dan batuan yang lebih rapat dari udara, sehingga meluncur menuruni lereng mengikuti lembah seperti air terjun raksasa. Suhunya ratusan derajat Celsius dan kecepatannya bisa lebih dari 100 km/jam. Tidak ada yang bisa berlari mendahuluinya, jadi satu-satunya cara selamat adalah mengungsi sebelum terjadi, sesuai status gunung api.
Status (PVMBG)
Arti
Yang dilakukan warga
Level I · Normal
aktivitas dasar
beraktivitas biasa, tetap mengikuti informasi
Level II · Waspada
ada peningkatan aktivitas
tidak mendekati kawah sesuai radius yang ditetapkan
Level III · Siaga
menuju letusan
bersiap mengungsi; kawasan rawan dikosongkan sesuai arahan
Level IV · Awas
letusan sedang atau segera terjadi
mengungsi dari zona bahaya, mengikuti petugas
Tamu dari masa laluLetusan Tambora (Sumbawa, 1815) adalah letusan terbesar dalam sejarah tercatat. Abunya menyelimuti langit hingga tahun 1816 dikenal di Eropa dan Amerika sebagai "tahun tanpa musim panas". Pada 26–27 Agustus 1883, Krakatau di Selat Sunda meletus dahsyat. Dentumannya terdengar hingga sekitar 4.800 km jauhnya, di Pulau Rodrigues dekat Mauritius, dan dianggap bunyi terkeras dalam sejarah tercatat. Gelombang tekanan udaranya terekam barometer di seluruh dunia beberapa kali mengelilingi Bumi. Tsunami yang menyusul merenggut sekitar 36.000 jiwa di pesisir Banten dan Lampung.
Dapur magma berada 5 km di bawah permukaan. Massa jenis batuan di atasnya rata-rata 2.700 kg/m³. Berapa tekanan batuan pada atap dapur magma, dan berapa kali tekanan udara (1 atm ≈ \(1{,}0\times10^5\) Pa)? (\(g = 9{,}8\) m/s²)
Gunakan tekanan hidrostatis (Bab 13): \(P = \rho g h = 2700 \times 9{,}8 \times 5000\).
Sekitar 1.300 kali tekanan udara. Pada tekanan sebesar ini, gas tetap larut dalam magma. Saat magma naik dan tekanannya turun, gas "keluar" dan mendorong letusan.
33.7Mitigasi: bangunan tahan gempa, peringatan dini, dan siap siaga
Gempa jarang membunuh secara langsung. Yang membahayakan adalah bangunan yang runtuh, tsunami, dan longsor. Karena itu, mitigasi berarti dua hal: membuat bangunan dan lingkungan lebih kuat, serta membuat kita tahu apa yang harus dilakukan.
Gedung bergoyang dan resonansi
Setiap gedung punya frekuensi alami, seperti ayunan di taman (ingat Bab 12). Perkiraan kasar untuk gedung bertingkat: periode alaminya \(T \approx 0{,}1\,N\) detik, dengan \(N\) jumlah lantai. Gedung 10 lantai bergoyang bolak-balik sekitar sekali per detik. Jika tanah bergetar dengan frekuensi yang sama, terjadilah resonansi: setiap dorongan datang tepat waktu dan simpangan gedung terus membesar, seperti ayunan yang didorong pada saat yang pas.
Tekan ▶ Jalankan. Atur jumlah lantai dan frekuensi getaran tanah. Cari frekuensi yang membuat atap bergoyang paling hebat. Lalu pasang peredam massa di atap (bandul penyerap getaran) dan bandingkan kurva responsnya.
Tanah lunak di sebuah kota cenderung bergetar dengan periode sekitar 0,8 s saat gempa. Gedung mana yang paling berisiko beresonansi: 3 lantai, 8 lantai, atau 25 lantai?
Resonansi terjadi jika periode alami gedung mendekati periode getaran tanah (0,8 s).
Gedung 8 lantai. Pada gempa Meksiko 1985, banyak gedung sekitar 6–15 lantai runtuh karena periode alaminya cocok dengan getaran tanah lunak bekas danau di bawah kota itu, sementara gedung yang jauh lebih pendek atau lebih tinggi lebih banyak yang selamat.
Prinsip bangunan tahan gempa yang bisa diterapkan pada rumah:
Ringan dan sederhana: gaya gempa sebanding dengan massa (\(F = ma\)). Atap ringan lebih aman daripada atap beton berat.
Saling terikat: sloof (balok bawah), kolom, dan balok ring atas dihubungkan dengan besi tulangan sehingga rumah bergerak sebagai satu kesatuan, seperti kardus yang diikat tali.
Denah simetris: bentuk sederhana (persegi) tidak mudah terpuntir.
Lentur: sambungan yang bisa sedikit bergerak meredam energi alih-alih patah.
Peredam: gedung tinggi memakai isolasi dasar (bantalan karet-baja di bawah fondasi) atau peredam massa berupa bandul raksasa di puncaknya. Gedung Taipei 101 di Taiwan memakai bola baja sekitar 660 ton.
Fisika IndonesiaLeluhur kita sudah lama "berhitung" dengan gempa. Banyak rumah adat panggung dari kayu, seperti omo hada di Nias, berdiri di atas tiang yang ditumpukan pada batu (umpak) dan disambung dengan pasak, bukan paku. Rumah seperti ini ringan, lentur, dan bisa sedikit bergeser saat diguncang, mirip prinsip isolasi dasar pada gedung modern. Banyak rumah adat Nias tetap berdiri setelah gempa besar Nias 2005.
Lanjut · IB & olimpiadeMengapa bandul kecil bisa menenangkan gedung raksasa?Pasang massa kecil \(m_2\) dengan pegas \(k_2\) di atap gedung, lalu setel frekuensinya hampir sama dengan frekuensi gedung: \(\sqrt{k_2/m_2} \approx \sqrt{k_1/m_1}\). Saat gempa menggetarkan gedung pada frekuensi resonansinya, bandul bergoyang berlawanan fase dan menarik atap ke arah sebaliknya. Satu puncak resonansi yang sangat tinggi terpecah menjadi dua puncak yang jauh lebih rendah. Den Hartog menurunkan setelan terbaiknya: \(f_2/f_1 = 1/(1+\mu)\) dan rasio redaman \(\zeta_2 = \sqrt{3\mu/[8(1+\mu)^3]}\), dengan \(\mu = m_2/m_1\). Simulasi di atas memakai \(\mu = 0{,}05\).
Peringatan dini: berlomba dengan gelombang
Gelombang seismik merambat beberapa kilometer per detik, tsunami ratusan kilometer per jam, sedangkan sinyal listrik dan radio hampir secepat cahaya. Sistem peringatan dini memanfaatkan selisih kecepatan ini.
peringatan alami: gempa kuat/lama, air surut, gemuruh → langsung evakuasi!📡Sensorratusan seismometer,GPS, alat pasang surut🖥️Pusat BMKGhitung lokasi, kedalaman,magnitudo, potensi tsunami📢Peringatandalam hitungan menit:sirene, TV, radio,SMS, aplikasi resmi🏃Wargaikuti jalur evakuasike tempat tinggi,berjalan kakisinyal melesat hampir secepat cahaya, jauh lebih cepat dari tsunami (±200 m/s) dan gelombang gempa (±3–6 km/s)Alur InaTEWS (Indonesia Tsunami Early Warning System) yang dioperasikan BMKG sejak 2008. Tanda alam tetap yang paling cepat: jika merasakan gempa kuat di pantai, jangan menunggu sirene.
Langkah selamat: sebelum, saat, dan sesudah
Sebelum: kenali jalur evakuasi (papan hijau bertanda panah) dan titik kumpul di sekolah dan rumah. Siapkan tas siaga. Sepakati tempat bertemu keluarga.
Saat gempa (di dalam gedung): merunduk, lindungi kepala dan leher (misalnya di bawah meja yang kokoh), dan berpegangan sampai guncangan berhenti. Jauhi kaca dan lemari tinggi.
Sesudah guncangan: keluar dengan tenang lewat tangga, bukan lift. Waspadai gempa susulan dan benda yang bisa jatuh.
Di pantai: jika gempa terasa kuat atau lama, sulit berdiri, atau air laut surut tiba-tiba, langsung menuju tempat tinggi atau ke lantai atas bangunan evakuasi yang kokoh, tanpa menunggu sirene. Berjalan kaki atau bersepeda; mobil mudah terjebak macet.
Tetap di tempat aman sampai ada pernyataan resmi bahwa ancaman berakhir, karena tsunami datang dalam beberapa gelombang.
Trik Kak Nara: patokan 20-20-20Di banyak kegiatan kesiapsiagaan di pesisir Indonesia, dikenal patokan mudah diingat: jika gempa terasa sekitar 20 detik atau lebih, anggap tsunami bisa datang dalam sekitar 20 menit (bahkan bisa lebih cepat), maka segera menuju tempat setinggi sekitar 20 meter. Patokan ini bukan rumus fisika yang pasti, tetapi membantu kita bertindak cepat tanpa ragu.
Kemas tas siaga bencanamu
Tas siaga berisi kebutuhan untuk bertahan sekitar tiga hari, cukup ringan untuk dibawa berlari, dan disimpan di dekat pintu. Ketuk barang untuk memasukkannya ke tas, lalu periksa hasilnya. Ingat fisika: setiap kilogram berarti sekitar 10 N beban di punggungmu!
Memuat permainan tas siaga…
"Saat lantai bergoyang, cara teraman adalah berlari secepatnya keluar gedung."
Banyak orang terluka karena jatuh atau tertimpa benda saat berlari ketika lantai masih bergoyang. Anjuran umum: merunduk, lindungi kepala, berpegangan, lalu keluar dengan tenang setelah guncangan reda.
"Tsunami hanya satu gelombang. Setelah air surut kembali, kita bisa turun ke pantai."
Tsunami biasanya datang dalam beberapa gelombang dengan jeda belasan menit atau lebih, dan gelombang pertama belum tentu yang terbesar. Tunggu pernyataan aman resmi.
📈
Seismometer BMKG
Ratusan sensor di seluruh Indonesia mencatat getaran tanah dan mengirimnya secara digital ke pusat BMKG dalam hitungan detik.
🏠
Rumah panggung kayu
Ringan dan lentur, sambungan pasaknya meredam energi guncangan. Kearifan lokal yang sejalan dengan fisika.
🏢
Gedung evakuasi tsunami
Di Banda Aceh dan kota pesisir lain dibangun gedung tinggi berkerangka kuat untuk evakuasi vertikal bila bukit terlalu jauh.
🌋
Pos pengamatan gunung api
Petugas memantau getaran, kemiringan tanah, dan gas belerang untuk menentukan status Normal, Waspada, Siaga, atau Awas.
🌾
Tanah subur lereng gunung
Abu vulkanik kaya mineral membuat lereng Merapi dan gunung lain sangat subur untuk sayur dan kopi.
♨️
Listrik dari panas bumi
Panas magma yang sama memanaskan air bawah tanah menjadi uap untuk memutar turbin PLTP, misalnya di Kamojang dan Dieng.
Gelombang gempa yang tidak dapat merambat melalui zat cair adalah…
gelombang P
gelombang S
gelombang bunyi
gelombang tsunami
Gelombang S adalah gelombang geser (transversal). Zat cair tidak bisa menahan geseran, sehingga gelombang S tidak bisa melewatinya. Inilah bukti inti luar Bumi cair.
Tsunami bergerak dari laut sedalam 4.000 m ke laut sedalam 1.000 m. Kecepatannya menjadi…
4 kali lebih cepat
2 kali lebih cepat
setengah kecepatan semula
seperempat kecepatan semula
\(v \propto \sqrt h\). Kedalaman menjadi 1/4, sehingga kecepatan menjadi \(\sqrt{1/4} = 1/2\) kali: dari 198 m/s menjadi 99 m/s.
Jeda S−P di stasiun A adalah 10 s, sedangkan di stasiun B 25 s. Pernyataan yang benar adalah…
stasiun A lebih dekat ke pusat gempa
stasiun B lebih dekat ke pusat gempa
kedua stasiun sama jauhnya
gempa terasa lebih kuat di stasiun B
Jarak sebanding dengan jeda S−P. Jeda lebih pendek berarti lebih dekat: A sekitar 84 km, B sekitar 210 km.
34
Bab 34 · Fisika untuk Indonesia & Semesta
Selimut Bumi Makin Tebal: Energi, Iklim, dan Aksi Kita
Halaman sekolah kebanjiran padahal tidak hujan, siang terasa makin terik. Apa hubungannya dengan knalpot motor dan lampu kamarmu? Kabar baiknya: fisika juga menunjukkan jalan keluarnya, dan Indonesia kaya Matahari, angin, serta panas bumi.
Setelah bab ini, kamu bisa
menelusuri rantai perubahan energi dari Matahari sampai lampu di rumahmu dan menghitung efisiensi;
menjelaskan efek rumah kaca lewat neraca energi Bumi, lalu memperkirakan suhu kesetimbangan planet;
membedakan bukti, penyebab, dan dampak perubahan iklim, termasuk banjir rob di pesisir utara Jawa;
menghitung daya panel surya dan turbin angin, serta jejak karbon kegiatan sehari-hari;
memilih aksi hemat energi yang dampaknya terukur, dari kamar tidur sampai kebijakan negara.
Banjir Tanpa Hujan Komik · 4 panel
Pesisir Pekalongan, siang bolong
RakaPanasnya kebangetan! Eh, kok halaman sekolah banjir? Kan nggak hujan dari kemarin!
SariIni banjir rob, Rak: air laut pasang masuk ke darat. Tanahnya ambles, muka lautnya naik.
RakaLaut naik? Memangnya siapa yang nambahin airnya?
laut naik±0,4 cm/thtanah ambless.d. ±10 cm/thKenapa ada rob?
BRRMM!
Kak NaraSalah satu "tersangkanya" keluar dari knalpot kita: gas CO₂. Ia membuat Bumi seperti memakai selimut yang makin tebal.
RakaJadi motorku ikut bikin banjir?!
CO₂
Di bukit dekat sekolah
Kak NaraKabar baiknya, kuncinya juga ada di fisika: Matahari, angin, panas bumi, dan cara kita memakai energi. Yuk, selidiki!
TarsiSiap! Aku yang mengukur.
Bagaimana sebenarnya gas CO₂ membuat Bumi makin hangat?
CO₂ melubangi lapisan ozon, sehingga sinar Matahari masuk lebih banyak.
CO₂ yang keluar dari knalpot itu panas, jadi udara ikut memanas.
CO₂ menyerap sinar inframerah yang dipancarkan permukaan Bumi, lalu memancarkannya lagi ke segala arah, sebagian kembali ke bawah.
CO₂ memantulkan cahaya Matahari kembali ke Bumi seperti cermin.
Jawabannya: CO₂ menahan "panas pulang" berupa inframerah. Cahaya Matahari (kebanyakan cahaya tampak) menembus udara dan menghangatkan tanah serta laut. Permukaan yang hangat lalu memancarkan sinar inframerah ke angkasa. CO₂, uap air, dan metana menyerap inframerah itu, lalu memancarkannya kembali ke segala arah, termasuk ke bawah. Lubang ozon adalah masalah yang berbeda (soal sinar ultraungu), dan panas dari knalpot itu sendiri sangat kecil dibanding efek selimutnya.
34.1Energi: satu "mata uang", banyak wujud
Kamu sudah mengenal energi kinetik dan potensial (Bab 8), kalor (Bab 15), dan energi listrik (Bab 23). Semuanya adalah energi: kemampuan untuk melakukan usaha atau memanaskan sesuatu. Energi seperti mata uang yang bisa ditukar ke banyak bentuk: kimia (makanan, bensin, batu bara), listrik, cahaya, kalor, kinetik, potensial, dan nuklir.
Hukum kekekalan energi. Energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan; energi hanya berubah bentuk. Yang "hilang" sebenarnya berubah menjadi bentuk yang tidak kita inginkan, biasanya kalor.
Karena itu kita mengukur efisiensi: berapa bagian energi masukan yang berubah menjadi energi berguna.
Gampangnya: energi itu seperti uang jajan yang ditukar-tukar. Uangnya tidak hilang, tetapi setiap kali ditukar ada "biaya" yang berubah jadi panas. Lampu pijar membuang banyak uang jajannya jadi panas, sedangkan lampu LED jauh lebih hemat.
Hampir semua energi yang kita pakai berasal dari Matahari. Bahkan bensin dan batu bara adalah "baterai purba": cahaya Matahari yang ditangkap tumbuhan jutaan tahun lalu. Ikuti perjalanannya.
Mataharihutan purbabatu baraCO₂PLTUkabel listrik100 J batu bara → ±35 J listrik di PLTU → ±32 J sampai rumahlampu LED: ±10 J cahaya · lampu pijar: hanya ±1–2 J cahaya
Di inti Matahari, energi nuklir (fusi) berubah menjadi cahaya yang melesat ke Bumi.
Jutaan tahun lalu, tumbuhan purba menangkap cahaya itu lewat fotosintesis: energi cahaya menjadi energi kimia.
Tumbuhan mati, terkubur, dan tertekan selama jutaan tahun menjadi batu bara. Energi kimianya tersimpan, seperti baterai purba.
Di PLTU, batu bara dibakar: energi kimia → kalor → uap bertekanan → turbin berputar (kinetik). Karbon yang dulu diikat tumbuhan lepas lagi sebagai CO₂.
Generator mengubah putaran menjadi energi listrik, lalu kabel mengirimnya ke kota (Bab 25).
Di rumahmu, lampu mengubah listrik menjadi cahaya dan kalor. Perjalanan selesai!
Setiap pergantian bentuk ada "pajaknya" berupa kalor. Dari 100 J batu bara, hanya sebagian kecil yang menjadi cahaya. Lampu yang efisien membuat seluruh rantai jauh lebih hemat.
Satu lampu pijar 60 W dan satu lampu LED 9 W sama terangnya. Masing-masing menyala 6 jam sehari selama 30 hari. Tarif listrik ±Rp1.445 per kWh. Berapa rupiah yang dihemat jika memakai LED?
Hemat ±Rp13.000 per lampu setiap bulan, dan PLTU tidak perlu membakar batu bara untuk 9 kWh itu (±7 kg CO₂ lebih sedikit).
Trik Kak Nara: "watt kali jam, bagi seribu"Energi listrik dalam kWh = daya (W) × lama (jam) ÷ 1000. Kipas 40 W menyala 5 jam: \(40 \times 5 \div 1000 = 0{,}2\) kWh. Satu kWh itulah yang dihitung meteran PLN dan token prabayar.
34.2Efek rumah kaca: selimut tak terlihat
Bumi menerima energi dari Matahari dan membuangnya ke angkasa. Kalau energi masuk = energi keluar, suhu Bumi tetap. Inilah neraca energi Bumi. Di bagian atas atmosfer, Matahari memberi 1.361 W/m² (disebut konstanta surya). Karena Bumi bulat dan berputar, rata-rata seluruh permukaan hanya menerima seperempatnya, yaitu ±340 W/m².
Tidak semuanya diserap. Sekitar 30% dipantulkan kembali oleh awan, es, dan permukaan terang. Bagian yang dipantulkan disebut albedo (\(\alpha \approx 0{,}30\) untuk Bumi). Sisanya menghangatkan daratan dan lautan, yang lalu memancarkan energi sebagai sinar inframerah (Bab 15 dan 27).
Matahari memancarkan energi, sebagian besar berupa cahaya tampak (gelombang pendek) yang mudah menembus udara.
Cahaya itu tiba di Bumi: rata-rata ±340 W/m² untuk setiap meter persegi permukaan.
Awan, es, dan permukaan terang memantulkan ±30% kembali ke angkasa. Itulah albedo.
Sisanya diserap daratan dan lautan, sehingga permukaan menghangat.
Permukaan yang hangat memancarkan energi sebagai inframerah (gelombang panjang) ke atas.
Molekul CO₂, uap air, dan metana menyerap inframerah, lalu memancarkannya lagi ke segala arah. Sebagian kembali ke bawah dan menghangatkan permukaan lagi.
Tambah CO₂ → selimut makin tebal → lebih sedikit energi lolos. Bumi baru setimbang lagi pada suhu yang lebih tinggi.
Seandainya Bumi tidak punya selimut gas rumah kaca, berapa suhunya? Kita bisa menghitungnya dengan menyamakan energi yang diserap dengan energi yang dipancarkan benda hitam, \(\sigma T^4\) (hukum Stefan–Boltzmann, \(\sigma = 5{,}67 \times 10^{-8}\) W m⁻² K⁻⁴):
Untuk planet lain, cahaya Matahari makin redup sebanding dengan kuadrat jarak (hukum kuadrat terbalik): \(S = S_0/d^2\), dengan \(S_0 = 1\,361\) W/m² dan \(d\) dalam satuan astronomi (SA). Jadi kita bisa "memindahkan" planet mendekat atau menjauhi Matahari.
Coba planet tetanggaAtur Rumus Hidup ke Mars (d = 1,52 SA, albedo 0,25): hasilnya ±−63 °C, mirip suhu Mars sungguhan karena atmosfernya sangat tipis. Lalu coba Venus (d = 0,72 SA, albedo 0,76): hasilnya ±−43 °C, padahal permukaan Venus ±460 °C, cukup panas untuk melelehkan timah! Atmosfer Venus hampir seluruhnya CO₂ dan sangat tebal, sehingga efek rumah kacanya "kebablasan".
Dengan \(S = 1\,361\) W/m² dan \(\alpha = 0{,}30\), berapa suhu Bumi seandainya tidak ada efek rumah kaca?
Energi yang diserap per m²: \(\dfrac{1\,361 \times 0{,}70}{4} \approx 238\) W/m².
\(T = (4{,}2 \times 10^{9})^{1/4} \approx 255\) K \(\approx -18\) °C.
Tanpa selimut, Bumi membeku pada ±−18 °C. Kenyataannya rata-rata ±15 °C. Efek rumah kaca alami menambah ±33 °C dan membuat kehidupan mungkin!
Awas jebakanEfek rumah kaca itu bukan musuh. Tanpanya, lautan membeku. Masalahnya adalah efek rumah kaca yang diperkuat: manusia menambah CO₂ terlalu banyak dan terlalu cepat, sehingga selimutnya menebal. Istilah "rumah kaca" pun hanya analogi. Rumah kaca sungguhan hangat terutama karena udaranya terkurung, bukan karena menyerap inframerah.
Titik kuning = cahaya Matahari, titik putih = cahaya yang dipantulkan, titik merah = inframerah. Mulai dari Bumi sekarang (±420 ppm). Naikkan CO₂ ke 560 ppm: berapa kenaikan suhu setimbangnya? Coba matikan umpan balik, lalu tekan Letusan Tambora. Ini model sederhana untuk belajar, bukan ramalan cuaca.
Lanjut · IB & olimpiadeModel atmosfer satu lapisAnggap atmosfer satu lapisan yang menyerap bagian \(\varepsilon\) (emisivitas) inframerah dari permukaan dan bersuhu \(T_a\). Neraca lapisan: \(\varepsilon\sigma T_s^4 = 2\varepsilon\sigma T_a^4\), sehingga \(T_a^4 = T_s^4/2\). Neraca di puncak atmosfer: \(\tfrac{S}{4}(1-\alpha) = (1-\varepsilon)\sigma T_s^4 + \varepsilon\sigma T_a^4 = \sigma T_s^4\left(1 - \tfrac{\varepsilon}{2}\right)\). Hasilnya \(T_s = T_e\left(\dfrac{2}{2-\varepsilon}\right)^{1/4}\), dengan \(T_e \approx 255\) K. Agar \(T_s = 288\) K, diperlukan \(\varepsilon \approx 0{,}78\). Jika \(\varepsilon = 1\), \(T_s = 2^{1/4} T_e \approx 303\) K. Model ini juga menjelaskan mengapa stratosfer mendingin ketika troposfer memanas.
Tamu dari masa laluSekitar tahun 1824, Joseph Fourier menduga atmosfer berfungsi seperti selimut. Tahun 1856, Eunice Foote menjemur tabung kaca berisi berbagai gas dan mendapati tabung berisi CO₂ paling panas. Tahun 1859, John Tyndall mengukur bahwa CO₂ dan uap air menyerap inframerah. Tahun 1896, Svante Arrhenius menghitung dengan tangan bahwa melipatgandakan CO₂ akan menghangatkan Bumi beberapa derajat. Sejak 1958, Charles Keeling mengukur CO₂ udara setiap hari di Gunung Mauna Loa, Hawaii. Jadi fisika iklim sudah berumur lebih dari 150 tahun!
34.3Bukti dan dampak: Bumi sedang demam
Ilmuwan tidak menyimpulkan pemanasan global dari satu hari yang panas. Buktinya datang dari banyak alat ukur yang saling menguatkan: termometer di ribuan stasiun cuaca, pelampung di lautan, satelit, inti es purba, dan lingkar pohon.
32034036038040042019601970198019902000201020202024: ±424 ppm1960: ±317 ppmCO₂ di udara (ppm), Mauna Loasebelum era industri: ±280 ppm (di bawah grafik)tahunKurva Keeling (disederhanakan dari data pengukuran). Gelombang kecil tiap tahun terjadi karena hutan belahan utara menyerap CO₂ saat musim semi-panas dan melepasnya saat musim gugur-dingin. Garis besarnya terus naik.
±1,2 °Ckenaikan suhu rata-rata global dibanding akhir abad ke-19 (2024 sempat melewati 1,5 °C)
>420 ppmCO₂ di udara, tertinggi setidaknya dalam ratusan ribu tahun
±20 cmkenaikan muka laut global sejak 1900, kini ±4 mm per tahun
±90%kelebihan panas Bumi yang tersimpan di lautan
Dampaknya terasa di Indonesia. Gelombang panas makin sering, hujan ekstrem makin deras (sehingga banjir kilat), kemarau saat El Niño makin kering sehingga hutan dan lahan gambut mudah terbakar, dan air laut yang terlalu hangat membuat terumbu karang memutih. Karang yang stres mengusir alga mungil yang memberinya warna dan makanan. Jika air tidak segera sejuk kembali, karang bisa mati. Padahal Indonesia adalah jantung Segitiga Terumbu Karang dunia.
Gampangnya: Bumi sedang demam ringan. Kenaikan 1 °C terdengar kecil, tetapi untuk seluruh planet itu besar sekali. Coba ingat badanmu: 37 °C normal, 38 °C sudah demam!
Fisika Indonesia: kenapa ada banjir rob?Di pesisir Semarang, Pekalongan, dan Jakarta Utara, banjir rob terjadi karena dua gerak sekaligus. Muka laut naik ±4 mm per tahun karena pemanasan global (air laut memuai dan es daratan mencair). Namun tanahnya sendiri ambles jauh lebih cepat, di beberapa titik bisa mencapai ±10 cm per tahun, terutama karena air tanah disedot berlebihan dan beban bangunan. Jadi penurunan tanah bisa 20 kali lebih cepat daripada kenaikan laut! Solusinya pun harus dua arah: mengurangi emisi, sekaligus menghentikan penyedotan air tanah, memakai air perpipaan, menanam mangrove, dan membangun tanggul.
Awas jebakan: asap hitam ≠ CO₂Asap hitam dari knalpot atau cerobong adalah pencemaran udara: partikel halus (PM2,5), jelaga, dan gas beracun yang merusak paru-paru. CO₂ justru tidak berwarna dan tidak berbau. Keduanya sering keluar dari sumber yang sama (pembakaran bahan bakar fosil), tetapi akibatnya berbeda: pencemaran membuat kita sakit hari ini, sedangkan CO₂ menebalkan selimut Bumi selama ratusan tahun. Menghemat bahan bakar menolong keduanya sekaligus.
Es di Samudra Arktik (Kutub Utara) mengapung di laut. Jika semuanya mencair, bagaimana muka laut global?
Naik puluhan meter, karena es di kutub sangat banyak.
Hampir tidak berubah, karena es terapung sudah "menggeser" air seberat dirinya.
Turun, karena air lebih padat daripada es.
Naik persis setinggi bongkahan es yang menyembul.
Hampir tidak berubah: ini hukum Archimedes (Bab 13)! Es terapung memindahkan air yang beratnya sama dengan berat es. Saat mencair, es berubah menjadi air yang volumenya hampir sama dengan air yang tadi dipindahkan. (Muka laut naik sedikit sekali karena air lelehan tawar sedikit kurang padat daripada air laut.) Yang berbahaya adalah es daratan di Greenland dan Antartika serta gletser gunung: saat mencair, airnya benar-benar ditambahkan ke laut. Ditambah lagi, air laut yang hangat memuai.
"Kemarin hujan deras dan dingin. Jadi pemanasan global itu bohong."
Cuaca adalah keadaan udara hari ini, sedangkan iklim adalah rata-rata puluhan tahun. Satu hari dingin tidak membatalkan tren rata-rata seluruh Bumi, sama seperti satu nilai jelek tidak menentukan rapormu.
"Lubang ozon adalah penyebab pemanasan global."
Lubang ozon disebabkan gas CFC dan membuat sinar ultraungu lebih banyak masuk. Itu masalah berbeda. Kabar baiknya, dunia melarang CFC lewat Protokol Montreal 1987, dan ozon kini perlahan pulih. Bukti bahwa kerja sama global bisa berhasil!
"Perubahan iklim terlalu besar. Tidak ada yang bisa kita lakukan."
Setiap pecahan derajat yang dicegah mengurangi dampak. Teknologi bersih (panel surya, angin, baterai) kini jauh lebih murah daripada 15 tahun lalu, dan pilihan banyak orang menggerakkan pasar serta kebijakan.
34.4Energi fosil vs terbarukan
Bahan bakar fosil (batu bara, minyak bumi, gas alam) terbentuk dari sisa makhluk hidup selama jutaan tahun. Persediaannya terbatas, sehingga disebut tak terbarukan. Saat dibakar, karbonnya bergabung dengan oksigen: \(\text{C} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2\). Saat ini lebih dari separuh listrik Indonesia masih berasal dari PLTU batu bara.
Energi terbarukan berasal dari sumber yang terus diisi ulang oleh alam: cahaya Matahari, angin, air hujan yang mengalir, panas dari dalam Bumi, dan biomassa. Hampir tanpa emisi CO₂ saat beroperasi.
Fakta unik dari TarsiSatu liter bensin beratnya ±0,74 kg, tetapi saat dibakar menghasilkan ±2,3 kg CO₂, lebih berat dari bensinnya! Kok bisa? Setiap atom karbon (massa 12) mengikat dua atom oksigen dari udara (massa 2 × 16), menjadi CO₂ bermassa 44. Jadi massa karbonnya "dikalikan" \(44/12 \approx 3{,}7\).
Sumber
Terbarukan?
Kelebihan
Tantangan
Contoh di Indonesia
Batu bara (PLTU)
Tidak
stabil siang-malam, teknologinya mapan
CO₂ terbesar (±1 kg per kWh), polusi udara, tambang merusak lahan
banyak di Jawa, Sumatra, Kalimantan
Gas alam (PLTG/PLTGU)
Tidak
cepat dinyalakan, emisi ±setengah batu bara
tetap fosil; kebocoran metana
PLTGU Muara Karang, Tambak Lorok
Surya (PLTS)
Ya
Matahari tropis berlimpah, panel bisa di atap
hanya siang; butuh lahan atau atap luas; perlu baterai
PLTS Terapung Cirata, PLTS atap
Air (PLTA)
Ya
stabil, bisa jadi "baterai" (bendungan)
bendungan mengubah ekosistem sungai; kemarau mengurangi debit
Cirata, Saguling, Jatiluhur
Angin (PLTB)
Ya
tanpa bahan bakar, lahan di bawahnya masih bisa ditanami
angin berubah-ubah; lokasi berangin terbatas
PLTB Sidrap, PLTB Tolo Jeneponto
Panas bumi (PLTP)
Ya
menyala 24 jam, sangat stabil
eksplorasi mahal dan berisiko; lokasi di pegunungan vulkanik
Kamojang, Dieng, Sarulla, Lahendong
Biomassa & biogas
Ya (jika ditanam ulang)
memanfaatkan limbah pertanian dan ternak
bisa memicu pembukaan hutan bila tak dikelola
biogas kotoran sapi di desa
"Listrik tenaga surya tak bisa diandalkan, karena malam tidak ada Matahari."
Jaringan listrik yang baik memadukan banyak sumber: PLTS di siang hari, PLTP dan PLTA yang stabil, PLTB, serta baterai atau PLTA pompa untuk menyimpan kelebihan siang hari. Tidak ada satu sumber yang harus bekerja sendirian.
"Mobil listrik pasti bebas emisi."
Knalpotnya memang nol, tetapi listriknya bisa berasal dari PLTU. Emisi totalnya bergantung pada sumber listrik. Makin banyak PLTS, PLTB, dan PLTP di jaringan, makin bersih kendaraan listrik.
34.5Surya, air, angin, panas bumi, biogas
Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS)
Sel surya adalah semikonduktor (Bab 32). Foton cahaya melepaskan elektron sehingga mengalir arus (efek fotolistrik, Bab 28). Panel silikon modern mengubah ±20% energi cahaya menjadi listrik. Indonesia berada di khatulistiwa, sehingga rata-rata menerima ±4–5 kWh energi cahaya per m² setiap hari.
Atap rumah Sari dipasangi 6 panel surya, masing-masing seluas 2 m² dengan efisiensi 20%. Di kotanya, energi cahaya Matahari rata-rata 4,5 kWh per m² per hari. Berapa energi listrik per hari, dan berapa rupiah per bulan yang bisa dihemat (tarif ±Rp1.445/kWh)?
Luas total: \(A = 6 \times 2 = 12\) m².
Energi listrik per hari: \(E = \eta \times (\text{energi cahaya per m}^2) \times A = 0{,}20 \times 4{,}5 \times 12 = 10{,}8\) kWh.
Cek kewajaran: di dunia nyata ada rugi-rugi kabel, inverter, debu, dan panas (±20%), sehingga hasil nyata ±8–9 kWh per hari.
Sekitar 9–11 kWh per hari, cukup untuk sebagian besar kebutuhan rumah tangga hemat, dan menghindari ±250 kg CO₂ per bulan dari PLTU.
Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA)
Air di bendungan menyimpan energi potensial. Saat mengalir turun setinggi \(h\), energi itu memutar turbin. Daya PLTA: \(P = \eta\,\rho\,g\,Q\,h\), dengan \(Q\) debit air (m³/s). PLTA Cirata di Jawa Barat berkapasitas ±1.000 MW. Di atas waduknya yang sama kini terapung ratusan ribu panel surya!
Pembangkit Listrik Tenaga Bayu (angin, PLTB)
Angin adalah udara yang bergerak, jadi membawa energi kinetik. Udara bermassa \(m = \rho A v t\) melewati baling-baling seluas \(A\) dalam waktu \(t\). Energi kinetiknya \(\tfrac12 m v^2\), sehingga dayanya sebanding dengan \(v^3\).
Kecepatan angin naik dua kali lipat (misalnya dari 4 m/s ke 8 m/s). Daya yang dibawa angin melalui turbin menjadi…
2 kali lipat, karena kecepatannya 2 kali.
4 kali lipat, karena energi kinetik sebanding dengan \(v^2\).
8 kali lipat.
tetap, karena ukuran turbinnya sama.
8 kali lipat! Energi kinetik tiap kilogram udara naik 4 kali (\(v^2\)), dan jumlah udara yang lewat tiap detik juga naik 2 kali (\(v\)). Totalnya \(2^3 = 8\). Karena itulah lokasi PLTB dipilih dengan sangat teliti: sedikit lebih berangin berarti jauh lebih banyak listrik.
Satu turbin PLTB Sidrap memiliki baling-baling berdiameter 114 m. Jika angin rata-rata 7 m/s, massa jenis udara 1,2 kg/m³, dan efisiensi 35%, berapa daya rata-ratanya? Bandingkan dengan kapasitas maksimum turbin, 2,5 MW.
Luas sapuan: \(A = \tfrac{\pi}{4}D^2 = \tfrac{\pi}{4}(114)^2 \approx 10\,207\) m².
Rasio terhadap kapasitas: \(0{,}74 / 2{,}5 \approx 0{,}29\), yaitu ±29%.
Rata-rata ±0,74 MW. Angka ±29% itu disebut faktor kapasitas: turbin tidak selalu bekerja penuh karena angin naik-turun. PLTP bisa mencapai 80–90%, PLTS ±15%.
Lanjut · olimpiadeBatas Betz: kenapa turbin tak bisa mengambil 100%?Jika turbin mengambil semua energi angin, udara di belakangnya berhenti dan menumpuk, sehingga udara baru tidak bisa lewat. Misalkan angin datang dengan laju \(v_1\) dan pergi dengan \(v_2\). Model cakram aktuator memberi laju di baling-baling \(v = \tfrac12(v_1 + v_2)\) dan daya \(P = \tfrac14\rho A (v_1+v_2)(v_1^2 - v_2^2)\). Turunkan terhadap \(v_2\) dan samakan dengan nol: maksimum terjadi pada \(v_2 = v_1/3\), dengan \(P_\text{maks} = \tfrac{16}{27}\cdot\tfrac12\rho A v_1^3\). Jadi paling banyak 59,3%. Albert Betz menurunkannya pada 1919.
Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi (PLTP)
Indonesia berdiri di atas Cincin Api (Bab 33). Magma memanaskan air tanah di dalam batuan hingga menjadi uap bertekanan tinggi. Sumur dibor, uapnya dialirkan untuk memutar turbin, lalu air dingin disuntikkan kembali ke dalam tanah. PLTP menyala siang-malam, tidak bergantung cuaca.
Fisika Indonesia: negeri panas bumiSumur panas bumi pertama di Indonesia dibor di Kamojang, Garut, tahun 1926. PLTP Kamojang mulai menyalurkan listrik tahun 1983 dan kini berkapasitas lebih dari 200 MW. Di dataran tinggi Dieng, Jawa Tengah, PLTP memanfaatkan kawasan vulkanik yang sama dengan kawah-kawah wisatanya. Indonesia memiliki salah satu potensi panas bumi terbesar di dunia (±24 GW) dan kapasitas terpasangnya menempati peringkat kedua dunia. Masih banyak yang belum dimanfaatkan, mungkin menunggu insinyur seperti kamu!
Biomassa dan biogas
Kotoran sapi yang dimasukkan ke tangki tertutup (digester) diurai bakteri tanpa oksigen menjadi biogas, sebagian besar metana (CH₄). Kotoran dari 2–3 ekor sapi bisa mencukupi kompor sebuah keluarga. Bonusnya: metana adalah gas rumah kaca ±28 kali lebih kuat daripada CO₂. Membakarnya menjadi CO₂ justru mengurangi dampak, dan ampasnya menjadi pupuk.
Ketuk sebuah titik di peta, pilih jenis pembangkit, atur kapasitasnya, lalu jalankan satu hari. Bandingkan PLTS, PLTB, dan PLTP di lokasi yang sama. Di mana PLTB layak? Mengapa PLTP disebut "pemikul beban dasar"? Data potensi adalah perkiraan kasar untuk belajar.
🛣️
Lampu jalan tenaga surya
Siang hari panel mengisi baterai, malam hari baterai menyalakan lampu LED. Cocok untuk desa yang jauh dari jaringan PLN.
🐄
Kompor biogas
Kotoran sapi menjadi gas masak dan pupuk. Dapur lebih bersih, metana tidak lepas ke udara.
🌊
PLTS Terapung Cirata
Ratusan ribu panel mengapung di waduk, dengan kapasitas puncak ±192 MW, salah satu yang terbesar di Asia Tenggara. Air di bawahnya ikut mendinginkan panel.
♨️
Uap dari perut Bumi
Di Kamojang dan Dieng, uap panas bumi memutar turbin siang dan malam tanpa membakar apa pun.
34.6Efisiensi energi dan jejak karbon
Jejak karbon adalah jumlah gas rumah kaca (dihitung setara CO₂) yang dilepaskan akibat suatu kegiatan. Listrik di Indonesia saat ini rata-rata menghasilkan ±0,8 kg CO₂ per kWh, karena sebagian besar masih dari batu bara. Energi yang tidak dipakai adalah energi paling bersih dan paling murah!
Ketuk benda di dalam rumah atau geser pengaturnya. Tekan Rumah boros sebagai patokan, lalu cari kombinasi yang menghemat minimal 50% tanpa membuat penghuninya kepanasan. Angka daya adalah perkiraan rumah tangga biasa; tarif ±Rp1.445/kWh.
Transportasi juga penyumbang besar. Membakar satu liter bensin menghasilkan ±2,3 kg CO₂. Kendaraan yang irit dan penuh penumpang membagi jejak karbonnya ke banyak orang.
Raka pergi 20 km. Pilihan A: motor 45 km/L, sendirian. Pilihan B: bus kota 3 km/L yang membawa 40 penumpang. Berapa jejak karbon per orang untuk tiap pilihan?
Motor: bensin \(20 / 45 \approx 0{,}44\) L → \(0{,}44 \times 2{,}3 \approx 1{,}02\) kg CO₂, semuanya milik Raka.
Bus: bensin/solar \(20 / 3 \approx 6{,}7\) L → \(6{,}7 \times 2{,}3 \approx 15{,}3\) kg CO₂ untuk seluruh bus.
Dibagi 40 penumpang: \(15{,}3 / 40 \approx 0{,}38\) kg per orang.
Bus penuh ±0,38 kg per orang, kurang dari separuh motor sendirian (±1,02 kg). Kunci efisiensi transportasi adalah berbagi kendaraan. (Untuk solar, angkanya ±2,7 kg CO₂ per liter, jadi bus sedikit lebih tinggi, tetapi tetap jauh lebih hemat per orang.)
34.7Kendaraan listrik, baterai, dan nikel Indonesia
Mesin bensin hanya mengubah ±20–30% energi bahan bakar menjadi gerak; sisanya terbuang menjadi panas knalpot dan mesin. Motor listrik mengubah ±85–90% energi baterai menjadi gerak. Karena itu, walaupun listriknya masih sebagian dari batu bara, kendaraan listrik umumnya tetap lebih hemat energi per kilometer.
Sari menempuh 20 km per hari selama 300 hari setahun. Motor bensin: 50 km/L, bensin Rp10.000/L, 2,3 kg CO₂/L. Motor listrik: 30 Wh/km, tarif Rp1.445/kWh, listrik 0,8 kg CO₂/kWh. Bandingkan biaya dan CO₂ per tahun.
Jarak setahun: \(20 \times 300 = 6\,000\) km.
Motor bensin: \(6\,000/50 = 120\) L → biaya Rp1.200.000, CO₂ \(120 \times 2{,}3 = 276\) kg.
Jika baterainya diisi dari PLTS atap, CO₂ saat dipakai mendekati nol.
Motor listrik ±4–5 kali lebih murah per tahun dan menghasilkan ±setengah CO₂, bahkan dengan listrik hari ini. Makin bersih listrik PLN, makin besar selisihnya.
Baterai kendaraan listrik umumnya baterai litium-ion. Banyak jenisnya memakai nikel di katodenya agar bisa menyimpan lebih banyak energi per kilogram. Di sinilah Indonesia berperan besar: Indonesia memiliki cadangan nikel terbesar di dunia dan menjadi produsen nikel terbesar, terutama dari Sulawesi (Morowali, Sorowako, Kolaka) dan Halmahera.
Tamu dari masa laluMobil listrik lebih tua dari yang kamu kira! Sekitar tahun 1900, kira-kira sepertiga mobil di Amerika Serikat bertenaga listrik: senyap, tidak berasap, dan mudah dinyalakan. Mobil bensin menang karena minyak murah dan baterai zaman itu berat. Seabad kemudian, baterai litium-ion (penemunya mendapat Nobel Kimia 2019) membuat kendaraan listrik bangkit lagi.
Dua sisi tambang nikelNikel membuka lapangan kerja dan industri baterai. Namun banyak smelter nikel masih ditenagai PLTU, dan penambangan bisa menggunduli hutan serta mencemari pesisir bila tidak diawasi. Teknologi bersih harus dibuat dengan cara yang bersih pula: reklamasi lahan, smelter berlistrik hijau, dan daur ulang baterai. Fisikawan dan insinyur Indonesia dibutuhkan di setiap tahap.
Lanjut · IBGaya radiasi dan sensitivitas iklimDampak CO₂ tumbuh secara logaritmik: gaya radiasi (tambahan energi yang tertahan) kira-kira \(\Delta F \approx 5{,}35\,\ln(C/C_0)\) W/m². Melipatgandakan CO₂ memberi \(\Delta F \approx 3{,}7\) W/m². Tanpa umpan balik, Bumi cukup menghangat ±1,1–1,2 °C untuk mengimbanginya (respons Planck). Umpan balik uap air dan es mencair memperbesarnya menjadi ±3 °C (perkiraan terbaik, rentang ±2,5–4 °C). Itulah yang ditiru oleh simulasi neraca energi di atas.
34.8Aksi kita: literasi energi
Ada dua jenis aksi iklim. Mitigasi berarti mengurangi emisi: hemat energi, beralih ke energi terbarukan, menanam dan menjaga hutan serta mangrove. Adaptasi berarti menyesuaikan diri dengan perubahan yang sudah terjadi: tanggul dan mangrove di pesisir, rumah panggung, padi tahan banjir atau kekeringan, sistem peringatan dini cuaca ekstrem.
Indonesia menargetkan emisi nol bersih (net zero) paling lambat 2060. Target sebesar itu dicapai lewat jutaan keputusan kecil dan beberapa keputusan besar. Kamu bisa ikut di keduanya: kebiasaan di rumah, proyek di sekolah, dan kelak pilihan kariermu.
🌱 Janji aksi minggu ini
Pilih aksi yang benar-benar akan kamu lakukan. Angka di kanan adalah perkiraan CO₂ yang dihemat setahun bila dilakukan terus. Pilihanmu tersimpan di perangkat ini.
Total hematmu: 0 kg CO₂ per tahun
🏠
Atap putih, rumah sejuk
Atap berwarna terang memantulkan lebih banyak cahaya (albedo tinggi), sehingga ruangan lebih sejuk dan AC tidak bekerja keras.
🌿
Mangrove, benteng biru
Mangrove meredam ombak dan rob, serta menyimpan karbon jauh lebih banyak per hektare daripada hutan daratan. Indonesia memiliki hutan mangrove terluas di dunia.
🚆
KRL, MRT, dan bus listrik
Satu rangkaian kereta membawa ratusan orang dengan listrik, mengurangi kemacetan sekaligus polusi udara kota.
🏫
Sekolah hemat energi
Audit listrik sekolah, PLTS atap, bank sampah, dan kebun sekolah: proyek fisika yang hasilnya bisa diukur dengan meteran!
Bumi tanpa gas rumah kaca akan bersuhu sekitar −18 °C. Mengapa suhu rata-rata Bumi sebenarnya ±15 °C?
Karena inti Bumi memanaskan permukaan dengan sangat kuat.
Karena gas rumah kaca menyerap inframerah dari permukaan dan memancarkan sebagian kembali ke bawah.
Karena lapisan ozon memantulkan panas kembali ke Bumi.
Karena lautan menyimpan panas dari zaman purba.
Efek rumah kaca alami menahan sebagian energi inframerah sehingga permukaan setimbang pada suhu ±33 °C lebih hangat. Panas dari inti Bumi sangat kecil dibanding energi Matahari.
Kecepatan angin di lokasi A 6 m/s dan di lokasi B 3 m/s. Turbin yang sama di lokasi A menghasilkan daya…
2 kali daya di B
3 kali daya di B
4 kali daya di B
8 kali daya di B
Daya angin sebanding dengan \(v^3\): \((6/3)^3 = 2^3 = 8\).
Pembangkit mana yang bisa menyala stabil siang dan malam tanpa membakar bahan bakar?
PLTP (panas bumi)
PLTS tanpa baterai
PLTU batu bara
PLTB di daerah yang jarang berangin
Uap panas bumi tersedia terus-menerus, sehingga PLTP bisa bekerja 24 jam dengan faktor kapasitas tinggi. PLTU juga stabil, tetapi membakar batu bara.
35
Bab 35 · Fisika untuk Indonesia & Semesta
Membaca Surat dari Bintang
Cahaya bintang yang kamu lihat malam ini mungkin berangkat sebelum kakek buyutmu lahir. Tanpa pernah ke sana, fisikawan bisa tahu suhu, umur, bahkan nasib bintang itu. Bagaimana caranya? Bab terakhir ini membawamu sejauh mungkin: sampai tepi alam semesta.
Setelah bab ini, kamu bisa
menjelaskan siang-malam, musim, fase Bulan, gerhana, dan pasang surut dari gerak Bumi, Bulan, dan Matahari;
memakai satuan astronomi dan tahun cahaya, lalu menghitung waktu tempuh cahaya;
menjelaskan Matahari sebagai reaktor fusi dan menebak suhu bintang dari warnanya (hukum Wien);
membaca diagram H-R dan menelusuri siklus hidup bintang sampai katai putih, bintang neutron, atau lubang hitam;
menjelaskan bukti alam semesta mengembang (hukum Hubble) dan menghargai tradisi astronomi Nusantara.
Langit Kota, Langit Desa Komik · 4 panel
Malam Minggu, atap rumah di Jakarta
RakaBintangnya cuma tiga. Langit kota pelit banget!
Liburan di Lembang, jauh dari lampu kota
RakaWAAA! Itu awan atau asap di langit?!
SariItu Bimasakti, galaksi kita sendiri. Kita melihatnya dari dalam!
Kak NaraCahaya bintang terang itu berangkat ratusan tahun lalu. Malam ini kamu sedang melihat masa lalu!
RakaJadi… bintangnya mungkin sudah nggak ada?
Di dekat kubah teleskop
Kak NaraBisa jadi! Malam ini kita jadi detektif bintang: dari cahayanya saja, kita bisa tahu suhu, umur, dan nasib sebuah bintang.
TarsiMataku sebesar otakku. Cocok jadi astronom, kan?
Mengapa Bumi mengalami musim panas dan musim dingin (misalnya di Eropa dan Australia)?
Karena Bumi lebih dekat ke Matahari saat musim panas dan lebih jauh saat musim dingin.
Karena sumbu rotasi Bumi miring ±23,5°, sehingga sudut datang sinar dan lamanya siang berubah sepanjang tahun.
Karena Matahari kadang-kadang bersinar lebih terang.
Karena Bulan menghalangi sebagian cahaya Matahari pada musim dingin.
Jawabannya: kemiringan sumbu Bumi. Bukti bahwa jarak bukan penyebabnya: Bumi justru paling dekat ke Matahari pada awal Januari, saat Eropa sedang musim dingin! Lagi pula, ketika belahan utara musim panas, belahan selatan musim dingin pada saat yang sama, padahal jarak keduanya ke Matahari hampir sama. Yang menentukan adalah seberapa tegak sinar Matahari jatuh dan berapa jam siangnya.
35.1Bumi, Bulan, Matahari: jam raksasa di langit
Rotasi Bumi (berputar pada porosnya sekali sehari) membuat siang dan malam. Bumi berputar ke arah timur, sehingga Matahari tampak terbit di timur. Dalam satu jam Bumi berputar 15°. Indonesia membentang ±46° bujur (±95° sampai 141° BT), sehingga Matahari terbit di Papua kira-kira tiga jam lebih awal daripada di Aceh. Itulah sebabnya ada tiga zona waktu: WIB, WITA, dan WIT.
Revolusi Bumi (mengelilingi Matahari sekali setahun) dengan sumbu yang miring ±23,5° membuat musim. Ikuti animasinya.
MatahariJuni: kutub utaracondong ke MatahariDesember: kutub selatancondong ke MatahariMaret & September:tak ada yang condongawal Januari: terdekat±147 juta kmawal Juli: terjauh±152 juta kmIndonesia: musim hujan & kemarau (angin muson)
Bumi mengelilingi Matahari sekali setahun. Sumbunya (garis putih) miring ±23,5° dan selalu menunjuk ke arah yang sama di langit.
Sekitar Juni, belahan utara condong ke Matahari: sinar jatuh lebih tegak dan siang lebih panjang. Musim panas di Eropa, musim dingin di Australia.
Sekitar Desember, keadaannya terbalik: belahan selatan condong ke Matahari. Musim panas di Australia, musim dingin di Eropa.
Sekitar 21 Maret dan 23 September, Matahari tepat di atas khatulistiwa. Di Pontianak, tengah hari tanpa bayangan!
Jebakannya: Bumi paling dekat ke Matahari pada awal Januari (±147 juta km) dan paling jauh pada awal Juli (±152 juta km). Bedanya hanya ±3%, bukan penyebab musim.
Di Indonesia, pergeseran pemanasan ini membalik arah angin muson. Hasilnya musim hujan (kira-kira Oktober–April) dan kemarau (kira-kira April–Oktober) di sebagian besar wilayah.
Fisika Indonesia: hari tanpa bayanganKarena berada di sekitar khatulistiwa, setiap kota di Indonesia mengalami dua kali setahun saat Matahari tepat di atas kepala pada tengah hari, sehingga benda tegak tidak berbayang. Di Pontianak, yang dilalui garis khatulistiwa, peristiwa ini terjadi sekitar 21–23 Maret dan 21–23 September dan dirayakan di Tugu Khatulistiwa. Kota lain mengalaminya pada tanggal berbeda tergantung lintangnya; BMKG rutin mengumumkan jadwalnya. Coba berdirikan spidol di halaman sekolah pada tanggal itu!
Fase Bulan dan gerhana
Bulan tidak bercahaya sendiri; ia memantulkan cahaya Matahari. Separuh Bulan selalu terang (menghadap Matahari), tetapi seberapa banyak bagian terang yang kita lihat bergantung pada posisi Bulan dalam orbitnya. Satu siklus fase lamanya ±29,5 hari: dasar kalender Hijriah.
Mengapa bentuk Bulan berubah-ubah dari sabit sampai purnama?
Karena bayangan Bumi menutupi sebagian Bulan.
Karena Bulan benar-benar berubah bentuk.
Karena dari Bumi kita melihat bagian Bulan yang tersinari Matahari dari sudut yang berbeda-beda.
Karena awan menutupi sebagian Bulan.
Jawabannya: sudut pandang kita berubah. Bayangan Bumi hanya mengenai Bulan saat gerhana Bulan, yang jarang terjadi. Fase Bulan terjadi setiap bulan karena Bulan beredar mengelilingi Bumi, sehingga kita melihat "separuh terang"-nya dari samping (sabit), separuh (kuartal), atau penuh (purnama). Buktikan sendiri di Lab Mini berikut.
Seret Bulan mengelilingi Bumi (Matahari jauh di sebelah kiri). Saat Bulan baru atau purnama, apakah selalu terjadi gerhana? Geser Bulan ke- untuk mengubah posisi Bumi di orbitnya, lalu matikan orbit miring. Perhatikan juga tonjolan air laut: kapan pasangnya paling tinggi?
Bidang orbit Bulan miring ±5° terhadap bidang orbit Bumi. Karena itu, saat Bulan baru, Bulan biasanya lewat sedikit di atas atau di bawah Matahari (tidak ada gerhana). Gerhana Matahari hanya terjadi jika Bulan baru tepat berada di dekat garis potong kedua bidang itu, dan gerhana Bulan jika purnama terjadi di sana. Kebetulan yang indah: Matahari ±400 kali lebih lebar daripada Bulan, tetapi juga ±400 kali lebih jauh, sehingga keduanya tampak sama besar di langit.
Gampangnya: gerhana Matahari = Bulan menutupi Matahari (siang jadi gelap sebentar). Gerhana Bulan = Bulan masuk ke bayangan Bumi (Bulan purnama jadi merah tembaga). Keduanya tidak terjadi setiap bulan karena "jalan" Bulan sedikit miring.
Awas jebakan: jangan menatap Matahari!Sinar Matahari saat gerhana tidak "beracun". Bahayanya sama seperti hari biasa: menatap Matahari merusak retina tanpa terasa sakit. Saat gerhana kita tergoda menatapnya lama-lama. Gunakan kacamata gerhana bersertifikat atau proyeksi lubang jarum (lihat Tantangan Rumah). Kacamata hitam biasa, film rontgen, atau CD bekas tidak aman.
Tamu dari masa lalu: dua gerhana, dua sikapPada 11 Juni 1983, gerhana Matahari total melintasi Jawa. Waktu itu banyak orang diminta tetap di dalam rumah dan menutup jendela karena takut. Pada 9 Maret 2016, gerhana Matahari total melintasi Sumatra, Kalimantan, Sulawesi, dan Maluku, termasuk Palu dan Ternate. Kali ini ribuan orang berkumpul di lapangan dengan kacamata gerhana, para peneliti mengukur korona Matahari, dan turis datang dari luar negeri. Totalitasnya hanya ±1,5–3 menit di Indonesia. Pengetahuan mengubah rasa takut menjadi pesta sains!
Pasang surut
Gravitasi Bulan menarik sisi Bumi yang dekat sedikit lebih kuat daripada pusat Bumi, dan menarik sisi yang jauh sedikit lebih lemah. Selisih tarikan inilah (gaya pasang surut) yang membuat dua tonjolan air laut: satu menghadap Bulan, satu membelakanginya. Bumi berputar melewati kedua tonjolan, sehingga banyak pantai mengalami dua kali pasang sehari. Matahari juga ikut, dengan efek ±46% dari Bulan. Saat Bulan baru dan purnama, efek keduanya searah: pasang purnama yang tinggi. Saat kuartal pertama dan terakhir, saling melemahkan: pasang perbani. Ingat Bab 34? Banjir rob paling parah sering terjadi saat pasang purnama.
Suatu hari Matahari terbit di Jayapura (±140,7° BT) pukul 05.30 WIT. Kira-kira pukul berapa Matahari terbit di Banda Aceh (±95,3° BT), dinyatakan dalam WIB? Anggap keduanya dekat khatulistiwa.
Bumi berputar \(15^\circ\) per jam, jadi selisih waktunya \(45{,}4/15 \approx 3{,}03\) jam ≈ 3 jam 2 menit.
05.30 WIT sama dengan 03.30 WIB (WIT = WIB + 2 jam). Ditambah 3 jam 2 menit: ±06.32 WIB.
Sekitar pukul 06.32 WIB. Walaupun satu zona waktu dengan Jakarta, Matahari di Aceh terbit jauh lebih "siang" karena Aceh berada di ujung barat zona WIB.
35.2Tata surya dan skala jarak kosmik
Jarak di antariksa sangat besar, sehingga kilometer terasa terlalu kecil. Astronom memakai:
Satuan astronomi (SA): jarak rata-rata Bumi–Matahari, ±150 juta km (\(1{,}496 \times 10^{11}\) m).
Tahun cahaya: jarak yang ditempuh cahaya dalam setahun, ±\(9{,}46 \times 10^{12}\) km. Ingat, tahun cahaya adalah satuan jarak, bukan waktu!
Benda
Jarak dari Matahari
Waktu tempuh cahaya Matahari
Diameter (× Bumi)
Merkurius
0,39 SA
3,2 menit
0,38
Venus
0,72 SA
6,0 menit
0,95
Bumi
1 SA
8,3 menit
1
Mars
1,52 SA
12,7 menit
0,53
Jupiter
5,2 SA
43 menit
11,0
Saturnus
9,5 SA
79 menit
9,1
Uranus
19,2 SA
2,7 jam
4,0
Neptunus
30,1 SA
4,2 jam
3,9
Proxima Centauri (bintang terdekat setelah Matahari)
±268.000 SA = 4,24 tahun cahaya
4,24 tahun
±0,15 × Matahari
Jarak Bumi–Matahari \(1{,}5 \times 10^{11}\) m dan cepat rambat cahaya \(3 \times 10^{8}\) m/s. Berapa lama cahaya Matahari sampai ke Bumi?
8 menit 20 detik. Matahari yang kamu lihat adalah Matahari 8 menit yang lalu!
Geser lebar layar dari sistem Bumi–Bulan sampai seluruh tata surya. Seret kanvas ke kiri atau kanan untuk menggeser. Nyalakan ukuran asli: masih kelihatankah planetnya? Lalu kirim kilatan cahaya dari Matahari dan percepat waktunya.
🎂 Bintang ulang tahunmu
Berapa umurmu? Kita cari bintang yang cahayanya berangkat saat kamu lahir dan baru tiba di matamu malam ini.
tahun
Model tata surya seukuran lapanganJika Matahari sebesar bola sepak (diameter 22 cm), Bumi hanyalah butir merica (±2 mm) sejauh ±24 m, kira-kira sepanjang lapangan tenis. Neptunus berada ±700 m jauhnya. Bintang terdekat, Proxima Centauri, berada ±6.300 km jauhnya: lebih jauh daripada jarak Sabang ke Merauke! Tata surya ternyata hampir seluruhnya ruang kosong.
Lanjut · IBParalaks dan parsekSaat Bumi berpindah dari satu sisi orbitnya ke sisi lain (berjarak 2 SA), bintang dekat tampak bergeser sedikit terhadap bintang-bintang yang jauh. Setengah sudut pergeseran itu disebut sudut paralaks \(p\). Jika \(p\) dalam detik busur, jaraknya \(d = 1/p\) parsek. Satu parsek (pc) \(\approx 3{,}26\) tahun cahaya \(\approx 206\,265\) SA. Proxima Centauri memiliki \(p \approx 0{,}77''\), jadi \(d \approx 1{,}3\) pc. Sudut sekecil itu setara melihat koin dari jarak ±5 km!
35.3Matahari: reaktor fusi raksasa
Matahari adalah bola gas panas (sebagian besar hidrogen dan helium) yang diameternya ±109 kali Bumi. Suhu permukaannya ±5.800 K, sedangkan intinya ±15 juta K dengan tekanan sangat besar. Di inti itulah terjadi fusi nuklir: inti-inti hidrogen bergabung menjadi helium.
Massa satu inti helium ±0,7% lebih kecil daripada massa empat inti hidrogen. Massa yang "hilang" itu berubah menjadi energi sesuai \(E = \Delta m\,c^2\) (Bab 31). Setiap detik Matahari melebur ±600 juta ton hidrogen dan mengubah ±4 juta ton massa menjadi energi. Walaupun begitu, selama 4,6 miliar tahun Matahari baru kehilangan ±0,03% massanya.
Mengapa Matahari tidak meledak dan tidak runtuh? Karena gravitasi yang menarik ke dalam diimbangi tekanan gas dan radiasi yang mendorong ke luar. Keseimbangan ini membuat Matahari stabil selama miliaran tahun.
Gampangnya: Matahari seperti kompor raksasa yang tidak membakar bensin, melainkan "menempelkan" atom hidrogen menjadi helium. Sedikit massanya berubah menjadi energi yang sangat besar, lalu sampai ke Bumi sebagai cahaya dan kehangatan.
Di jarak Bumi (\(d = 1{,}5 \times 10^{11}\) m), setiap m² menerima 1.360 W dari Matahari. Berapa daya total yang dipancarkan Matahari, dan berapa kilogram massa yang berubah menjadi energi setiap detik (\(c = 3 \times 10^{8}\) m/s)?
Bayangkan bola berjari-jari \(d\) mengelilingi Matahari. Semua cahaya Matahari menembus bola itu, yang luasnya \(4\pi d^2\).
Massa per detik: \(\dfrac{\Delta m}{\Delta t} = \dfrac{L}{c^2} = \dfrac{3{,}8 \times 10^{26}}{9 \times 10^{16}} \approx 4{,}3 \times 10^{9}\) kg/s.
Daya Matahari ±\(3{,}8 \times 10^{26}\) W, setara ±4,3 juta ton massa per detik yang berubah menjadi energi. Inilah jawaban teka-teki Bab 34!
Lanjut · olimpiadeFusi butuh terowongan kuantumDua proton saling tolak secara listrik. Agar cukup dekat untuk dilekatkan gaya kuat, menurut fisika klasik diperlukan suhu ±10 miliar K, padahal inti Matahari "hanya" 15 juta K. Kuncinya adalah efek terowongan kuantum: proton punya peluang kecil menembus dinding tolakan itu (Bab 28). Peluangnya sangat kecil, sehingga fusi di Matahari berjalan pelan dan Matahari bisa bertahan ±10 miliar tahun. Selain itu, cahaya yang lahir di inti butuh puluhan ribu sampai ratusan ribu tahun untuk "berjalan acak" sampai ke permukaan, lalu hanya ±8 menit menuju Bumi.
☀️
Panel surya = fusi bekas
Listrik dari PLTS sebenarnya berasal dari energi fusi di inti Matahari, yang menempuh perjalanan puluhan ribu tahun di dalam Matahari dan 8 menit di antariksa.
🛰️
Cuaca antariksa
Badai Matahari dapat mengganggu sinyal GPS, radio, dan satelit. Indonesia memantaunya lewat pusat riset antariksa BRIN.
🕌
Jadwal salat
Waktu salat dihitung dari posisi Matahari di langit, misalnya waktu Subuh saat Matahari masih ±20° di bawah ufuk.
🌊
Tabel pasang surut
Nelayan dan pelabuhan memakai ramalan pasang surut dari posisi Bulan dan Matahari untuk berlayar dengan aman.
35.4Bintang: terang, warna, dan suhu
Seberapa terang bintang tampak dari Bumi (kecerlangan tampak) bergantung pada dua hal: daya pancar sesungguhnya (luminositas \(L\)) dan jaraknya. Kecerlangan tampak \(b = \dfrac{L}{4\pi d^2}\) mengikuti hukum kuadrat terbalik. Jadi bintang yang tampak redup bisa jadi raksasa yang sangat jauh.
Warna adalah termometer bintang
Ingat besi yang dipanaskan pandai besi (Bab 15): mula-mula merah, lalu oranye, kuning, dan makin panas makin keputihan. Bintang juga begitu. Bintang memancarkan spektrum benda hitam, dan panjang gelombang puncaknya berbanding terbalik dengan suhunya: hukum pergeseran Wien.
Kenapa tidak ada bintang hijau?Matahari justru memancarkan paling banyak cahaya hijau kebiruan! Tetapi bintang memancarkan semua warna sekaligus dengan kurva yang lebar. Bintang yang puncaknya di hijau juga memancarkan cukup banyak merah dan biru, sehingga mata kita melihatnya putih. Bintang hanya tampak merah jika ia dingin (puncak di inframerah) atau biru jika sangat panas (puncak di ultraungu).
Trik Kak Nara: urutan kelas bintangAstronom mengelompokkan bintang dari yang terpanas: O B A F G K M. Hafalkan dengan: "Oh, Betapa Asyiknya Fisika: Gampang, Kok, Mantap!" Kelas O biru (>30.000 K), B biru-putih, A putih, F kuning-putih, G kuning (Matahari: G2, ±5.800 K), K oranye, dan M merah (<3.700 K).
Tamu dari masa laluSekitar tahun 1900, Annie Jump Cannon di Observatorium Harvard mengelompokkan ratusan ribu spektrum bintang dan menyusun urutan OBAFGKM yang masih dipakai sampai sekarang. Tahun 1925, Cecilia Payne menunjukkan dalam disertasinya bahwa bintang sebagian besar tersusun dari hidrogen dan helium. Banyak ilmuwan senior awalnya tidak percaya, tetapi data spektrum membuktikan ia benar. Fisika menghargai bukti, bukan nama besar.
Ukuran bintang juga menentukan dayanya. Bintang memancar hampir seperti benda hitam, jadi luminositasnya mengikuti hukum Stefan–Boltzmann: \(L = 4\pi R^2 \sigma T^4\). Agar mudah dibandingkan, kita nyatakan dalam satuan Matahari.
Diagram Hertzsprung–Russell (H-R)
Sekitar tahun 1910, Ejnar Hertzsprung dan Henry Norris Russell menggambar luminositas bintang terhadap suhunya. Hasilnya bukan titik acak, melainkan pola: sebagian besar bintang berada pada pita diagonal yang disebut deret utama. Di kanan atas ada raksasa dan maharaksasa (dingin tetapi sangat terang, jadi pasti sangat besar), dan di kiri bawah ada katai putih (panas tetapi redup, jadi sangat kecil). Perhatikan: sumbu suhu dibalik, yang panas di kiri!
Mode Bintang terkenal: ketuk sebuah bintang untuk melihat suhu, luminositas, dan ukurannya. Mode Siklus hidup: pilih massa bintang, lalu jalankan atau seret bintangnya sepanjang lintasan hidupnya. Bandingkan bintang 1 dan 20 massa Matahari: mana yang berumur lebih panjang?
Suhu permukaan Betelgeuse ±3.600 K, sedangkan Rigel ±12.000 K (\(b = 2{,}9 \times 10^{-3}\) m K). Hitung panjang gelombang puncak masing-masing. Warna apa yang kira-kira kita lihat?
Betelgeuse memuncak di inframerah, jadi cahaya tampaknya didominasi merah-oranye. Rigel memuncak di ultraungu, jadi tampak biru-putih. Keduanya ada di rasi Orion; coba bandingkan warnanya di langit malam!
Bintang A dan B memiliki luminositas yang sama, tetapi suhu permukaan A dua kali suhu B. Berapa perbandingan jari-jari \(R_A : R_B\)?
\(L = 4\pi R^2 \sigma T^4\) sama untuk keduanya, jadi \(R_A^2 T_A^4 = R_B^2 T_B^4\).
\(R_A : R_B = 1 : 4\). Bintang yang lebih panas harus jauh lebih kecil agar sama terang. Inilah cara diagram H-R "mengukur" ukuran bintang tanpa menyentuhnya.
"Bintang berkelap-kelip karena cahayanya berdenyut."
Kelap-kelip terjadi karena cahaya bintang melewati udara Bumi yang bergolak dan berbeda-beda suhunya, sehingga arahnya terus dibelokkan sedikit. Dari luar angkasa, bintang tidak berkelap-kelip. Planet jarang berkelip karena tampak sebagai cakram kecil, bukan titik.
"Bintang Utara (Polaris) adalah bintang paling terang dan selalu jadi penunjuk arah."
Polaris hanya sekitar bintang ke-50 paling terang. Bintang malam paling terang adalah Sirius. Dari sebagian besar Indonesia (selatan khatulistiwa), Polaris bahkan berada di bawah ufuk. Pelaut Nusantara memakai rasi lain, seperti rasi Pari (Crux) untuk arah selatan.
35.5Siklus hidup bintang
Bintang lahir, hidup, dan mati. Yang menentukan nasibnya hampir hanya satu hal: massanya.
nebulaprotobintangderet utamaraksasa merahnebula planeterkatai putihbintang seperti Mataharimaharaksasa merahSUPERNOVA!bintang > ±8 massa Mataharibintang neutronlubang hitamdebu bintang → bintang & planet baru → kita!
Bintang lahir di nebula, awan raksasa gas dan debu. Bagian yang sedikit lebih padat mulai runtuh karena gravitasinya sendiri.
Gas yang runtuh memanas menjadi protobintang. Ketika intinya mencapai ±10 juta K, fusi hidrogen menyala.
Bintang memasuki deret utama: gravitasi ke dalam seimbang dengan tekanan ke luar. Bintang menghabiskan ±90% hidupnya di sini.
Bintang seperti Matahari kehabisan hidrogen di intinya, lalu mengembang menjadi raksasa merah. Lapisan luarnya terlepas menjadi nebula planeter, dan intinya tersisa sebagai katai putih seukuran Bumi.
Bintang yang lebih dari ±8 kali massa Matahari menjadi maharaksasa merah dan membuat unsur sampai besi di intinya. Besi tidak bisa lagi menghasilkan energi lewat fusi, sehingga inti runtuh dalam sekejap dan memantul: supernova!
Sisa intinya menjadi bintang neutron (diameter ±20 km) atau, jika terlalu masif, lubang hitam yang gravitasinya bahkan menahan cahaya.
Ledakan menyebarkan unsur-unsur berat ke nebula baru. Dari debu bintang itu lahir bintang dan planet generasi berikutnya, termasuk Bumi dan tubuhmu!
Seandainya Matahari tiba-tiba diganti lubang hitam bermassa sama persis, apa yang terjadi pada orbit Bumi?
Bumi langsung tersedot ke dalam lubang hitam.
Bumi terlempar keluar dari tata surya.
Orbit Bumi tetap sama (walaupun Bumi menjadi gelap dan membeku).
Bumi mengorbit lebih cepat karena lubang hitam lebih kuat.
Orbitnya tetap sama! Gaya gravitasi hanya bergantung pada massa dan jarak (Bab 11): \(F = GMm/r^2\). Massa sama dan jarak sama berarti gaya sama. Lubang hitam baru "mengerikan" jika kamu sangat dekat dengannya. Lubang hitam bermassa Matahari hanya berjari-jari ±3 km. Masalah sebenarnya bagi Bumi: tidak ada lagi cahaya dan kehangatan.
Awas jebakan: lubang hitam bukan penyedot debu kosmikLubang hitam bukan "lubang" atau terowongan, dan tidak menyedot semua benda di alam semesta. Lubang hitam adalah massa yang sangat padat, sehingga di dekatnya kecepatan lepas melebihi kecepatan cahaya. Dari jauh, tarikan gravitasinya sama saja dengan benda lain bermassa sama.
Lanjut · olimpiadeJari-jari SchwarzschildKecepatan lepas dari permukaan benda bermassa \(M\) berjari-jari \(R\) adalah \(v = \sqrt{2GM/R}\) (Bab 11). Samakan dengan \(c\): \(R_s = \dfrac{2GM}{c^2}\). Perhitungan Newton ini kebetulan memberi hasil yang sama dengan relativitas umum. Untuk Matahari \(R_s \approx 3\) km; untuk Bumi hanya ±9 mm, sebesar kelereng! Di dekat lubang hitam, beda tarikan antara kaki dan kepala sangat besar, sehingga benda ditarik memanjang seperti mi ("spagetifikasi").
Tamu dari masa laluTahun 1930, Subrahmanyan Chandrasekhar, pemuda India berusia 19 tahun, menghitung di atas kapal menuju Inggris bahwa katai putih tidak bisa lebih berat dari ±1,4 massa Matahari (batas Chandrasekhar). Idenya sempat ditertawakan, tetapi kemudian terbukti dan ia meraih Nobel 1983. Tahun 1967, mahasiswi Jocelyn Bell Burnell menemukan denyut radio yang sangat teratur: pulsar, bintang neutron yang berputar. Tahun 2019, jaringan teleskop radio di seluruh dunia (Event Horizon Telescope) memotret bayangan lubang hitam untuk pertama kalinya.
Kamu terbuat dari debu bintangHidrogen di dalam air yang kamu minum terbentuk tak lama setelah Big Bang, ±13,8 miliar tahun lalu. Karbon di sel-selmu dan oksigen yang kamu hirup ditempa di dalam bintang. Besi di darahmu dan kalsium di tulangmu berasal dari bintang yang meledak, dan sebagian emas di bumi diduga lahir dari tabrakan bintang neutron. Jadi, secara harfiah, kamu adalah debu bintang yang bisa belajar fisika!
35.6Galaksi dan alam semesta yang mengembang
Matahari hanyalah satu dari 100–400 miliar bintang di galaksi kita, Bimasakti, piringan raksasa berdiameter ±100.000 tahun cahaya. Tata surya berada ±26.000 tahun cahaya dari pusatnya dan mengitarinya sekali dalam ±230 juta tahun. Dari Indonesia, pusat Bimasakti (di arah rasi Sagitarius) tampak tinggi di langit sekitar Juni–Agustus. Galaksi besar terdekat, Andromeda, berjarak ±2,5 juta tahun cahaya dan bisa dilihat dengan mata telanjang di langit yang gelap. Di alam semesta teramati ada ratusan miliar galaksi atau lebih.
Pergeseran merah: galaksi-galaksi menjauh
Ingat garis spektrum unsur (Bab 29) dan efek Doppler (Bab 19)? Garis-garis spektrum galaksi jauh selalu bergeser ke arah merah (panjang gelombang lebih panjang). Artinya galaksi-galaksi itu menjauh dari kita. Untuk kecepatan yang jauh lebih kecil dari cahaya:
\[ z = \frac{\Delta\lambda}{\lambda_0} \approx \frac{v}{c} \]
Spektrum hidrogen di laboratorium (diam)Spektrum galaksi jauh (z = 0,05)Hβ 486 nmHα 656 nmbergeser ke merah380 nm750 nmHα 656 → 689 nm, Hβ 486 → 510 nm: v ≈ 0,05c ≈ 15.000 km/sPola garisnya sama (sidik jari hidrogen), tetapi semuanya bergeser dengan faktor yang sama \(1 + z\). Itulah tanda galaksi menjauh.
Tahun 1929, Edwin Hubble menemukan pola mengejutkan: makin jauh sebuah galaksi, makin cepat ia menjauh. Ini dikenal sebagai hukum Hubble–Lemaître.
Apakah berarti kita berada di pusat alam semesta? Tidak! Bayangkan adonan roti kismis yang mengembang di oven. Dari kismis mana pun, kismis lain tampak menjauh, dan yang jauh menjauh lebih cepat. Alam semesta tidak mengembang ke dalam ruang kosong; ruang itu sendiri yang meregang. Jika diputar mundur, semuanya pernah sangat panas dan padat ±13,8 miliar tahun lalu: Big Bang.
Ketuk galaksi untuk mengamati spektrumnya. Pergeseran garis Hα memberi kecepatan, dan "lilin standar" memberi jaraknya. Kumpulkan minimal 4 galaksi, lalu seret garis agar paling cocok dengan titik-titik data. Kemiringannya adalah \(H_0\). Berapa umur alam semesta menurut datamu?
Garis Hα (656,3 nm) pada spektrum sebuah galaksi teramati di 669,4 nm. Dengan \(H_0 = 70\) km/s/Mpc dan \(c = 3 \times 10^{5}\) km/s, berapa kecepatan menjauh dan jarak galaksi itu?
\(d = \dfrac{v}{H_0} = \dfrac{6\,000}{70} \approx 86\) Mpc \(\approx 280\) juta tahun cahaya.
Galaksi itu menjauh ±6.000 km/s dan berjarak ±86 Mpc. Cahaya yang kita lihat berangkat ±280 juta tahun lalu, bahkan sebelum dinosaurus pertama muncul di Bumi!
Jika galaksi selalu menjauh dengan kecepatan tetap, waktu sejak semuanya berimpit adalah \(t = d/v = 1/H_0\). Hitung \(1/H_0\) untuk \(H_0 = 70\) km/s/Mpc dalam miliar tahun (1 Mpc \(= 3{,}086 \times 10^{19}\) km, 1 tahun \(= 3{,}156 \times 10^{7}\) s).
Dibagi detik per tahun: \(\dfrac{4{,}41 \times 10^{17}}{3{,}156 \times 10^{7}} \approx 1{,}40 \times 10^{10}\) tahun.
±14 miliar tahun, sangat dekat dengan umur hasil pengukuran modern (13,8 miliar tahun). Perhitungan sederhana ini mengabaikan perubahan laju pengembangan, tetapi menebak angka yang benar!
Bukti Big Bang tidak hanya pergeseran merah. Tahun 1965, Arno Penzias dan Robert Wilson menangkap radiasi latar gelombang mikro kosmik: "sisa cahaya" Big Bang yang kini dingin, ±2,7 K, dengan puncak di panjang gelombang ±1 mm (hukum Wien lagi!). Sebagian kecil "semut" di layar TV analog lama berasal dari radiasi ini. Bukti ketiga: perbandingan hidrogen dan helium di alam semesta (±3 : 1 menurut massa) cocok dengan perhitungan fusi pada menit-menit pertama.
Tamu dari masa laluTahun 1912, Henrietta Leavitt menemukan bahwa bintang Cepheid yang berdenyut lebih lambat ternyata lebih terang. Penemuannya menjadi "penggaris" untuk mengukur jarak galaksi. Tahun 1927, pastor sekaligus fisikawan Belgia Georges Lemaître sudah menurunkan bahwa alam semesta mengembang. Dua tahun kemudian, Hubble memakai Cepheid untuk membuktikannya dengan data. Sejak 2018, para astronom menamainya hukum Hubble–Lemaître.
"Big Bang adalah ledakan bom di satu titik di ruang angkasa."
Big Bang bukan ledakan di dalam ruang, melainkan pengembangan ruang itu sendiri, terjadi di mana-mana sekaligus. Tidak ada "pusat ledakan" yang bisa ditunjuk.
"Di luar angkasa tidak ada gravitasi."
Gravitasi ada di mana-mana dan menahan Bulan, planet, serta galaksi. Astronot di stasiun luar angkasa melayang karena terus-menerus jatuh mengelilingi Bumi (Bab 11), bukan karena gravitasinya nol.
Lanjut · IBPergeseran merah kosmologisUntuk galaksi sangat jauh, \(z\) bisa lebih dari 1, dan rumus \(v = zc\) tidak lagi berlaku. Pergeseran merah kosmologis sebenarnya adalah peregangan panjang gelombang oleh ruang yang mengembang: \(1 + z = \dfrac{a_\text{sekarang}}{a_\text{dulu}}\), dengan \(a\) faktor skala alam semesta. Galaksi dengan \(z = 1\) memancarkan cahayanya ketika alam semesta berukuran setengah ukuran sekarang. Laju menjauh galaksi yang sangat jauh bahkan bisa melebihi \(c\) tanpa melanggar relativitas, karena yang bergerak adalah ruangnya.
Satu misteri besar masih tersisa: materi biasa (atom) hanya ±5% isi alam semesta. Sekitar 27% adalah materi gelap yang tak terlihat tetapi gravitasinya terasa, dan ±68% adalah energi gelap yang mempercepat pengembangan alam semesta. Belum ada yang tahu apa sebenarnya keduanya.
35.7Astronomi Indonesia: dari pelaut Bugis sampai Timau
Jauh sebelum ada teleskop, nenek moyang kita sudah membaca langit dengan cermat.
Fisika Indonesia: langit sebagai kalender dan kompasPranata mangsa adalah kalender pertanian Jawa yang membagi tahun Matahari menjadi 12 mangsa. Petani mengamati tanda alam dan bintang, misalnya kemunculan rasi Waluku (sabuk Orion, berbentuk bajak) sebagai tanda waktu mengolah sawah. Sistem ini dibakukan di Kasunanan Surakarta pada abad ke-19. Para pelaut Bugis-Makassar mengarungi Nusantara dengan perahu pinisi memakai bintang sebagai kompas, misalnya gugus Bintang Tujuh (Pleiades), yang mereka sebut worong-porong, dan rasi Pari (Crux, di Jawa disebut gubuk penceng) untuk mencari arah selatan.
Rukyatul hilal adalah pengamatan bulan sabit tipis pertama sesudah Matahari terbenam untuk menentukan awal bulan Hijriah, misalnya awal Ramadan dan Syawal. Fisikanya menarik: hilal sangat tipis (bagian yang tersinari ±1%), letaknya rendah di ufuk barat, dan harus terlihat di langit senja yang masih terang. Karena itu, Indonesia bersama negara tetangga memakai kriteria berbasis perhitungan astronomi (hisab), yaitu tinggi hilal minimal 3° dan jarak sudut Bulan–Matahari (elongasi) minimal 6,4°. Hisab dan rukyat sama-sama memakai ilmu gerak Bulan dan Matahari. Di dekat khatulistiwa, hilal senja sering tampak seperti perahu atau senyuman karena sisi terangnya menghadap Matahari yang sudah di bawah ufuk.
Observatorium Bosscha di Lembang, Jawa Barat, dibangun tahun 1920-an dan kini dikelola ITB. Teleskop refraktor gandanya berlensa 60 cm dan masih dipakai untuk meneliti bintang ganda. Sayangnya, lampu kota Bandung yang makin terang mengancam langit gelapnya. Karena itu, pemerintah melalui LAPAN (kini BRIN) membangun Observatorium Nasional Timau di Kupang, Nusa Tenggara Timur, yang langitnya kering dan gelap, dengan teleskop berdiameter 3,8 m, terbesar di Asia Tenggara. Indonesia juga pernah menjadi tuan rumah Olimpiade Astronomi dan Astrofisika Internasional (IOAA) 2008 di Bandung.
🌙
Kalender Hijriah
Satu bulan Hijriah mengikuti satu siklus fase Bulan (±29,5 hari), sehingga setahun Hijriah ±11 hari lebih pendek dari tahun Masehi.
🧭
Navigasi tanpa GPS
Rasi Pari (gubuk penceng) menunjuk ke arah selatan. Nelayan tradisional masih memakainya untuk pulang ke pelabuhan.
💡
Lampu jalan menghadap ke bawah
Lampu bertudung mengurangi polusi cahaya, menghemat listrik, dan mengembalikan bintang-bintang ke langit kota.
📡
GPS di ponselmu
GPS memakai jam atom di satelit dan butuh koreksi relativitas (Bab 30). Astrofisika ada di sakumu!
"Astronomi tidak ada gunanya untuk kehidupan sehari-hari."
Kalender, jadwal salat, navigasi, tabel pasang surut, GPS, prakiraan cuaca antariksa, sampai sensor kamera ponsel (dikembangkan untuk kamera wahana antariksa) semuanya berasal dari astronomi dan riset antariksa.
"Bulan hanya muncul pada malam hari."
Bulan sering terlihat siang hari! Bulan kuartal pertama terbit sekitar tengah hari dan bisa dilihat sore hari di langit biru. Bulan kuartal akhir terlihat pagi hari.
Saat purnama, posisi Bumi, Bulan, dan Matahari adalah…
Bulan berada di antara Bumi dan Matahari
ketiganya membentuk sudut siku-siku
Bumi berada di antara Matahari dan Bulan (hampir segaris)
Matahari berada di antara Bumi dan Bulan
Saat purnama, sisi Bulan yang terang menghadap Bumi, jadi Bumi berada di antara Matahari dan Bulan. Jika ketiganya tepat segaris, terjadilah gerhana Bulan.
Bintang A tampak biru-putih dan bintang B tampak merah. Pernyataan yang benar adalah…
suhu permukaan A lebih tinggi daripada B
A pasti lebih dekat ke Bumi daripada B
B lebih panas karena merah adalah warna api
keduanya pasti bersuhu sama
Menurut hukum Wien, puncak pancaran bintang biru berada di panjang gelombang pendek, jadi suhunya lebih tinggi. Warna tidak memberi tahu jarak.
Bukti utama bahwa alam semesta mengembang adalah…
bintang berkelap-kelip di malam hari
Matahari terbit dari timur
adanya gerhana Matahari total
spektrum galaksi jauh bergeser ke merah, makin jauh makin besar
Pergeseran merah yang sebanding dengan jarak (hukum Hubble–Lemaître) menunjukkan galaksi-galaksi saling menjauh karena ruang mengembang.
📄
Alat belajar
LKPD: Lembar Kerja Peserta Didik
Satu lembar kerja inkuiri untuk setiap bab. Bahannya sederhana, ada versi virtualnya, dan bisa dicetak edisi siswa atau edisi guru (kunci, contoh data, dan rubrik).
Untuk guruPilih LKPD, centang Edisi guru untuk melihat kunci dan rubrik, lalu tekan Cetak lembar ini. Satu LKPD biasanya cukup untuk 2 × 45 menit dengan kelompok 3–4 orang. Kumpulan lengkap tersedia sebagai PDF.
🃏
Alat belajar
Peta Rumus & Koleksi Kartu
Semua Rumus Hidup di buku ini, dikelompokkan per bagian. Rumus yang sudah kamu taklukkan berubah menjadi kartu koleksi berwarna.
Trik Kak NaraRumus bukan untuk dihafal seperti mantra. Setiap rumus adalah kalimat tentang alam. Coba baca kalimat di bawah setiap kartu dengan suara keras. Kalau kamu bisa menceritakan rumusnya, kamu sudah paham.
🏔️
Alat belajar
Bank Soal: Dari Kaki Bukit ke Puncak Jaya
Semua soal Physicspedia dalam satu tempat. Saring per bab, level, dan tipe, lalu pilih cara berlatih. Setiap soal dilengkapi pembahasan langkah demi langkah.
Cara mendakiMulailah dari level yang terasa "agak mudah". Kalau benar 3 kali berturut-turut, naik satu level. Kalau salah 2 kali, turun sebentar dan baca lagi bagian babnya. Pendaki yang baik tidak terburu-buru. 🧗
📘
Penutup
Sampai jumpa di puncak berikutnya!
Glosarium istilah penting, panduan untuk guru dan orang tua, serta informasi tentang buku ini.
Panduan untuk guru & orang tua
Mulai dari tebakan. Minta anak memilih jawaban "Tebak Dulu" sebelum membaca. Tebakan yang salah lalu dibuktikan sendiri akan diingat jauh lebih lama daripada jawaban yang langsung diberikan.
Biarkan mereka bermain. Rumus Hidup dan Lab Mini sengaja dibuat untuk diutak-atik. Tanyakan: "Kalau massanya dua kali lipat, apa yang terjadi?" Biarkan mereka menebak lalu mengecek.
Tangga latihan. Untuk SD–SMP cukup Lv 1–2. Untuk SMA dan TKA, targetkan Lv 3. Lv 4–5 untuk siswa IGCSE/IB, dan Lv 6 untuk peserta olimpiade.
Tantangan Rumah memakai bahan dapur yang aman. Dampingi anak, terutama untuk percobaan yang memakai air panas atau listrik.
Mode Dasar · SMA · Lanjut di kanan atas menyesuaikan kedalaman bacaan tanpa mengganti buku.
Progres (XP, kartu, soal yang sudah benar) tersimpan di perangkat. Jika dibuka di aurumgen.my.id, hasil latihan juga direkam secara anonim untuk menghitung statistik "berapa persen pembaca menjawab benar".
Glosarium
A · Fondasi
Istilah
Arti singkat
Besaran pokok
Tujuh besaran dasar SI: panjang (m), massa (kg), waktu (s), suhu (K), kuat arus (A), intensitas cahaya (cd), jumlah zat (mol).
Dimensi
Cara menyatakan besaran dalam besaran pokok, mis. kecepatan = [L][T]⁻¹. Berguna untuk mengecek rumus.
Angka penting
Angka hasil pengukuran yang dapat dipercaya, termasuk satu angka taksiran terakhir.
Presisi vs akurasi
Presisi = hasil berulang saling berdekatan. Akurasi = hasil dekat dengan nilai sebenarnya.
Vektor
Besaran yang punya besar dan arah (perpindahan, kecepatan, gaya).
Turunan & integral
Turunan = laju perubahan (kemiringan grafik). Integral = jumlahan kecil-kecil (luas di bawah grafik).
B · Gerak & Gaya
Istilah
Arti singkat
Perpindahan
Perubahan posisi lengkap dengan arah. Berbeda dengan jarak tempuh.
Percepatan
Laju perubahan kecepatan, \(a = \Delta v/\Delta t\).
GLB / GLBB
Gerak lurus beraturan (kecepatan tetap) / gerak lurus berubah beraturan (percepatan tetap).
Kelembaman (inersia)
Kecenderungan benda mempertahankan keadaan geraknya. Ukurannya adalah massa.
Gaya normal
Gaya dorong permukaan yang tegak lurus permukaan itu.
Diagram benda bebas
Gambar satu benda beserta semua gaya yang bekerja padanya.
Gaya gesek
Gaya sejajar permukaan yang melawan gerak atau kecenderungan gerak.
Gaya sentripetal
Gaya total yang mengarah ke pusat lingkaran pada gerak melingkar.
Usaha
Gaya × perpindahan searah gaya, \(W = Fs\cos\theta\).
Energi kinetik / potensial
Energi karena gerak (\(\tfrac12mv^2\)) / karena posisi atau keadaan (\(mgh\), \(\tfrac12kx^2\)).
Daya
Laju usaha atau energi, \(P = W/t\), satuan watt.
Momentum & impuls
Momentum \(p = mv\). Impuls = gaya × selang waktu = perubahan momentum.
Koefisien restitusi
Perbandingan kecepatan relatif sesudah dan sebelum tumbukan (0 sampai 1).
Torsi
Efek putar gaya, \(\tau = rF\sin\theta\).
Momen inersia
Ukuran kelembaman rotasi. Bergantung pada massa dan sebarannya terhadap sumbu.
Momentum sudut
\(L = I\omega\). Kekal jika tidak ada torsi luar (penari, gasing).
Kecepatan lepas
Kecepatan minimum agar benda lepas dari tarikan gravitasi planet.
Getaran harmonik sederhana
Gerak bolak-balik dengan gaya pemulih sebanding simpangan, \(F = -kx\).
Resonansi
Getaran membesar saat frekuensi pemaksa sama dengan frekuensi alami.
C · Fluida & Panas
Istilah
Arti singkat
Tekanan hidrostatis
Tekanan akibat berat zat cair, \(P = \rho g h\).
Gaya apung (Archimedes)
Gaya ke atas yang sama dengan berat fluida yang dipindahkan.
Kontinuitas
Debit fluida tetap: \(A_1v_1 = A_2v_2\).
Asas Bernoulli
Pada aliran yang lebih cepat, tekanan fluida lebih kecil.
Kalor jenis
Kalor untuk menaikkan suhu 1 kg zat sebesar 1 K.
Kalor laten
Kalor untuk mengubah wujud tanpa mengubah suhu.
Konduksi, konveksi, radiasi
Tiga cara perpindahan kalor: lewat sentuhan, lewat aliran fluida, dan lewat gelombang elektromagnetik.
Gas ideal
Model gas berupa partikel kecil yang hanya berinteraksi lewat tumbukan, \(PV = nRT\).
Energi dalam
Jumlah energi kinetik dan potensial seluruh partikel dalam sistem.
Efisiensi mesin kalor
Perbandingan usaha berguna dengan kalor yang diserap. Batas maksimumnya efisiensi Carnot.
Entropi
Ukuran ketidakteraturan atau banyaknya cara susunan mikroskopis. Cenderung bertambah.
D · Gelombang & Cahaya
Istilah
Arti singkat
Panjang gelombang & frekuensi
Jarak satu gelombang penuh (λ) dan banyaknya gelombang tiap detik (f), dengan \(v = \lambda f\).
Gelombang transversal / longitudinal
Arah getar tegak lurus / sejajar arah rambat.
Interferensi
Perpaduan dua gelombang yang saling menguatkan atau melemahkan.
Gelombang stasioner
Gelombang "diam" dengan simpul dan perut, hasil pantulan yang berpadu.
Desibel
Skala logaritmik taraf intensitas bunyi.
Efek Doppler
Perubahan frekuensi yang terdengar karena sumber atau pendengar bergerak.
Indeks bias
Perbandingan cepat rambat cahaya di vakum dengan di medium, \(n = c/v\).
Pemantulan total
Cahaya terpantul seluruhnya saat sudut datang melebihi sudut kritis (prinsip serat optik).
Fokus & dioptri
Titik kumpul sinar sejajar. Daya lensa \(P = 1/f\) (f dalam meter).
Difraksi
Pembelokan gelombang di tepi celah atau penghalang.
Polarisasi
Penyaringan arah getar gelombang transversal (kacamata polaroid).
E · Listrik & Magnet
Istilah
Arti singkat
Muatan listrik
Sifat partikel (positif atau negatif). Satuannya coulomb, dan nilainya selalu kelipatan muatan elektron.
Medan listrik
Gaya per satuan muatan uji, \(E = F/q\).
Potensial listrik
Energi potensial per satuan muatan. Satuannya volt.
Kapasitor
Komponen penyimpan muatan dan energi, \(C = Q/V\).
Arus listrik
Laju aliran muatan, \(I = Q/t\), satuan ampere.
Hambatan & hukum Ohm
\(V = IR\) untuk penghantar ohmik.
Hukum Kirchhoff
Arus masuk = arus keluar di titik cabang. Jumlah tegangan dalam loop tertutup = 0.
kWh
Kilowatt-jam, satuan energi listrik pada tagihan dan token: 1 kWh = 3,6 MJ.
Medan magnet
Daerah tempat gaya magnet bekerja. Satuannya tesla.
Gaya Lorentz
Gaya pada muatan atau kawat berarus dalam medan magnet.
Induksi elektromagnetik
Timbulnya GGL saat fluks magnet berubah (hukum Faraday & Lenz).
Transformator
Pengubah tegangan AC: \(V_s/V_p = N_s/N_p\).
Nilai rms
Nilai efektif arus atau tegangan bolak-balik. Listrik rumah 220 V adalah nilai rms.
Spektrum elektromagnetik
Rentang gelombang EM: radio, gelombang mikro, inframerah, cahaya tampak, UV, sinar X, gamma.
F · Fisika Modern
Istilah
Arti singkat
Foton
Paket energi cahaya, \(E = hf\).
Efek fotolistrik
Lepasnya elektron dari logam yang disinari cahaya berfrekuensi cukup tinggi.
Gelombang de Broglie
Partikel juga bersifat gelombang, \(\lambda = h/p\).
Tingkat energi
Energi elektron dalam atom yang hanya boleh bernilai tertentu (terkuantisasi).
Dilatasi waktu
Jam yang bergerak cepat berdetak lebih lambat menurut pengamat diam.
Isotop
Atom unsur sama dengan jumlah neutron berbeda.
Waktu paruh
Waktu sampai separuh inti radioaktif meluruh.
Fisi & fusi
Pembelahan inti berat / penggabungan inti ringan. Keduanya melepaskan energi.
Semikonduktor
Bahan dengan daya hantar di antara konduktor dan isolator (silikon).
Gerbang logika
Rangkaian digital yang mengolah masukan 0/1 (AND, OR, NOT, dll.).
G · Indonesia & Semesta
Istilah
Arti singkat
Gelombang P & S
Gelombang gempa primer (longitudinal, lebih cepat) dan sekunder (transversal).
Magnitudo
Ukuran logaritmik energi gempa. Naik 1 berarti energinya ±32 kali.
Tsunami
Gelombang laut panjang akibat gangguan dasar laut, cepat rambatnya \(\approx\sqrt{gh}\).
Efek rumah kaca
Gas seperti CO₂ menahan radiasi inframerah sehingga Bumi lebih hangat.
Energi terbarukan
Energi dari sumber yang terus diperbarui alam: surya, angin, air, panas bumi, biomassa.
Tahun cahaya
Jarak tempuh cahaya dalam setahun, ±9,46 × 10¹⁵ m.
Lubang hitam
Daerah dengan gravitasi begitu kuat sehingga cahaya pun tidak bisa lolos.
Versi cetak (PDF) & versi offline
Semua bagian Physicspedia juga tersedia sebagai PDF siap cetak untuk kelas tanpa internet: buku lengkap, LKPD (siswa & guru), bank soal (siswa & guru), dan paket ujian (siswa & guru). Untuk dibaca di HP atau laptop tanpa sinyal, simpan buku ini di perangkatmu, atau unduh berkas offline yang bisa dibagikan lewat WhatsApp dan flashdisk. Komik, Rumus Hidup, Lab Mini, dan bank soalnya tetap berjalan.
Tentang buku ini
Physicspedia · Fisika Itu Asyik! adalah buku fisika interaktif berbahasa Indonesia. Alur belajarnya terinspirasi dari pengamatan terhadap cara guru-guru fisika terbaik mengajar: cerita pembuka, analogi yang konkret, tabel yang ditulis bertahap, peringatan miskonsepsi, contoh bertingkat, dan latihan harian. Alur ini dipadukan dengan prinsip Pembelajaran Mendalam (berkesadaran, bermakna, menggembirakan) dan Capaian Pembelajaran 2025.
Semua soal adalah karya asli. Label "gaya IGCSE", "gaya IB", dan "gaya olimpiade" menunjukkan tingkat kesulitan dan format, bukan salinan soal ujian resmi.