1

BAB 1

PENDAHULUAN

FISIKA ITU APA?

Fisika adalah ilmu yang paling fundamental dan mencakup semua sains, baik sains benda-

benda hidup (biologi, zoologi dan lain-lain) maupun sains fisika (astronomi, kimia, fisika

sendiri dan lain-lain). Fisika yang pada dasarnya membahas tentang materi dan energi adalah

akar dari tiap bidang sains dan mendasari semua gejala.

Memang sukar untuk menyatakan secara singkat apa yang dimaksud dengan fisika. Fisika

berhubungan dengan gejala yang terjadi di dunia. Tanpa kecuali, gejala-gejala itu selalu

mengikuti/memenuhi sekumpulan prinsip umum tertentu yang disebut hukum-hukum fisika.

Sasaran fisika adalah menemukan prinsip/hukum itu, sehingga berbagai gejala dapat

dihubungkan, dimengerti serta digunakan untuk meramalkan kejadian-kejadian yang belum

diamati.

Jadi dalam Fisika dicari korelasi beberapa gejala fisika. Dari berbagai gejala yang terjadi

sekeliling kita, dicari sifat dan karekteristik tertentu hingga beberapa kejadian yang berbeda

dapat dimengerti sebagai sekedar contoh dari suatu prinsip umum tertentu. Sebagai contoh

perhatikan beberapa benda dengan berat berbeda yang sama dijatuhkan. Ternyata bila

dijatuhkan dari ketinggian yang sama, maka benda-benda tersebut tiba di tanah dalam waktu

yang sama bila gesekan dengan udara dapat diabaikan. Inti dari kejadian-kejadian ini adalah

contoh dari prinsip umum yang di dapat dari proses generalisasi, yaitu: laju jatuh bebas

suatu benda tidak tergantung pada berat benda.

Proses membuta pernyataan umum yang didasarkan beberapa pengamatan/percobaan disebut

proses induksi. Pernyataan umum yang telah dibuat ini selanjutnya dapat digunakan untuk

meramal hasil dari percobaan lain lewat proses deduksi. Bila ramalan tersebut sesuai dengan

hasil percobaan maka pernyataan umum itu diterima, sedangkan bila terjadi perbedaan maka

sumber ketidaksesuaian itu perlu dicari. Mungkin kesalahan terjadi dalam percobaannya,

namun mungkin pula telah terjadi penurunan/deduksi yang salah dari pernyataan umum tadi

menuju ke hasil ramalan. Bila kedua proses tadi tidak ada yang salah, maka pernyataan

umum itulah yang perlu di modifikasi atau sama sekali di tolak.

2

Keberhasilan sains tercapai karena para ilmuwan telah mengembangkan dan menggunakan

suatu metode yang sangat efektif. Galileo, ilmuwan terkenal yang sering kali disebut sebagai

Bapak metode ilmiah , telah mengajarkan metode seperti yang tersirat dalam pembahasan

di atas sebagai berikut:

Mengenali permasalahan Menebak/menduga jawaban Meramalkan akibat dari dugaan tersebut Melakukan percobaan untuk menguji ramalan Merumuskan teori termudah sehubungan dengan ramalan dan hasil pencarian tadi

Pentingnya hubungan yang erat antara prinsip-prinsip fisika dan sifat-sifat fisis yang teramati

di alam nyata merupakan perbedaan penting dan fundamental antara fisika dan matematika.

Matematika, terutama matematika murni, hanya berhenti pada pembentukan struktur yang

konsisten dan logis berdasarkan aturan-aturan logika tertentu, namun tidak dikaitkan dengan

hal-hal nyata di luar itu. Bila hubungan yang ada sudah dapat dikaitkan dengan alam nyata,

maka ranah (domain) matematika telah ditinggalkan untuk masuk ke ranah fisika.

Fisika memberi prinsip-prinsip dasar, yang bersama-sama dengan teknik matematika yang

tepat, akan merupakan unsur yang penting dalam perkembangan kerekayasaan (engineering).

Kerekayasaan merupakan terapan dari prinsip-prinsip sains bagi pemecahan permasalahan

praktis. Sasaran utama dari fisika adalah mengerti hal-hal yang praktis. Hal yang terakhir ini

adalah tugas di bidang kerekayasaan, walaupun banyak juga fisikawan yang terlibat dalam

pekerjaan yang sifatnya atau sebagian daripada bersifat kerekayasaan. Memang tidaklah

mungkin dan tidaklah perlu untuk membuat garis yang tegas antara fisika dan kerekayasaan.

Jadi, walaupun fisika berhubungan dengan prinsip-prinsip dasar, namun latihan untuk

menerapkan prinsip-prinsip ini adalah penting untuk mendapatkan pengertian yang mantap.

MEKANIKA DI BUKU INI

Mekanika adalah cabang ilmu Fisika yang membahas pengaruh gaya terhadap suatu sistem.

Sistem dalam hal ini dapat berwujud benda padat, cair maupun gas. Zat cair maupun gas

mudah berubah bentuk, sedang zat padat ada yang mudah berubah bentuk tetapi ada juga

yang sifatnya tegar/kaku. Oleh karena itu pengaruh gayanya juga berbeda walaupun terdapat

hal-hal dasar yang sama.

3

Konsep-konsep mekanika hampir selalu diajarkan lewat mekanika partikel, artinya benda

dalam hal ini ukurannya dianggap kecil sekali. Anggapan ini pulalah dalam buku ini. Bila

ukuran benda tidak lagi dapat dianggap sebagai titik maka pengertian-pengertian baru seperti

momentum sudut, titik pusat massa dan lain-lain menjadi penting dan muncullah konsep-

konsep mekanika benda kaku. Mekanika zat cair dan gas khususnya disebut mekanika fluida,

untuk zat cair muncul dalam hidrostatik dan hidrodinamika, namun ada di luar lingkup buku

ini. Konsep-konsep mekanika partikel sering juga diterapkan pada gas dan dikenal dalam

teori gas kinetik yang akan dibahas di jilid ke II, yaitu di buku Termofisika.

Mekanika yang dibahas di sini adalah mekanika yang dikembangkan oleh Galileo dan

Newton beberapa abad yang lalu untuk benda-benda makroskopis yang dapat diamati secara

langsung. Mekanika klasik ini perlu dipelajari dengan seksama, karena ia merupakan dasar

untuk mempelajari fisika modern; walaupun beberapa modifikasi penting perlu diadakan baik

pada mekanika relativistik maupun pada mekanika kuantum.

Dalam pembahasannya, mekanika sering kali dibagi menjadi tiga bagian, yaitu statika,

kinematika dan dinamika. Semua ini akan dibahas secara bergantian dalam bab-bab yang

akan datang.

BESARAN DAN PENGUKURAN

Dalam melakukan pengamatan-pengamatan gejala fisika,sering kali nilai besaran-besaran

yang terlibat perlu diketahui. Tiap sifat/keadaan yang dapat digambarkan secara kuantitatif

dengan memberinya suatu angka disebut besaran fisis atau selanjutnya akan disebut besaran

saja. Nilai suatu besaran didapat dengan mengukur. Jadi dengan mengukur di sini

dimaksudkan suatu proses untuk menetapkan suatu angka bagi besaran yang bersangkutan.

Dengan demikian dikatakan bahwa besaran adalah sifat dari suatu sistem yang dapat diukur,

baik secara langsung maupun tidak langsung.

Sehubungan dengan kelengkapan gambaran suatu besaran, informasi itu baru lengkap bila

besaran itu dikaitkan dengan suatu angka dan satuan. Informasi yang diberikan tidaklah jelas

bila misalnya dikatakan bahwa panjang suatu kawat 7 saja. Informasi itu baru menjadi jelas

bila dikatakan panjang kawat adalah 7 meter atau 7 centimeter.

Selanjutnya tentu timbul masalah lagi tentang apa yang dimaksud dengan 1 meter atau 1 detik

atau 1 gram dan seterusnya. Sebagai satuan standar tentu saja satuan-satuan itu harus

4

didefinisikan dengan lengkap dan tidak boleh tergantung pada pengamat. Sebagai contoh

dapat dilihat bagaimana 1 meter didefinisikan, yaitu :

1 meter adalah 1.650.763,73 kali panjang gelombang dalam hampa yang

dipancarkan oleh atom Kripton 86 pada peralihan antara tingkat energi 2 P 10 dan 5

d 5.

Definisi meter yang diberikan ini tidak dimaksud untuk dihafalkan, namun untuk sekedar

menunjukkan bagaimana lengkapnya definisi tersebut. Ini tentu saja dilakukan agar 1 meter

itu sifatnya universal. Artinya siapapun yang berbicara tentang 1 meter berbicara tentang

ukuran yang tepat sama dan sama sekali tidak tergantung pada kondisi pengamat maupun

lingkungan fisis sekitarnya.

Dalam mekanika terdapat besaran-besaran yang disebut besaran dasar. Mereka disebut

besaran dasar karena besaran-besaran lain selalu dapat dinyatakan dalam besaran dasar ini.

Besaran-besaran dasar yang dimaksud adalah besaran panjang, massa dan waktu. Jadi

besaran lain juga dapat dikatakan sebagai kombinasi besaran dasar ini. Dengan demikian

selalu dapat diturunkan besaran-besaran baru dari besaran yang telah ada.

Kadang-kadang suatu besaran diturunkan dari rasio dua bilangan yang mempunyai satuan

yang sama. Besaran semacam ini disebut besaran tak bersatuan, atau lebih sering lagi disebut

besaran tak berdimensi. Contoh misalnya konstanta Laplace = cp/cv.

Contoh lain yang menarik adalah sudut yang dinyatakan dalam radian. Sudut dalam radian

didefinisikan sebagai nisbah (rasio) panjang busur yang diapit sudut itu pada suatu lingkaran

dan jari-jari lingkaran tersebut. Jadi dengan mengukur kedua panjang itu dalam satuan yang

sama di dapat sudut yang dinyatakan dalam radian ; sudut itu dalam hal ini disebut sebagai

besaran tak berdimensi.

Dalam setiap pengukuran atau perhitungan satuan-satuan yang dipakai haruslah konsisten.

Karena itu perlu dibuat sistem satuan yang mengatur kegunaan satuan itu agar tidak terjadi

kekacauan. Sistem satuan yang sekarang dipakai adalah Sistem Satuan Internasional (SI unit).

5

Dalam sistem SI ini,

massa dinyatakan dalam kgm,

gaya dalam newton,

panjang dalam meter,

waktu dalam detik,

arus listrik dalam ampere,

temperatur dalam kelvin dan

intensitas cahaya dalam kandela.

SI unit ini sebenarnya telah ditetapkan sebagai satu-satunya sistem satuan yang harus dipakai

saat ini. Namun dalam pelaksanaannya sistem-sistem lain (sistem Inggris misalnya) pun tetap

digunakan (mungkin karena lebih terbiasa); lagipula beberapa buku lama yang masih belum

menggunakan sistem SI ini sering kali masih perlu dibaca. Karena itu di sini akan diberikan

suatu tabel sistem satuan.

Sebagai suatu pegangan umum dapatlah diingat pernyataan berikut: Dalam tiap persamaan

aljabar yang mengandung sejumlah suku dan suatu kesamaan, maka tiap suku di kiri maupun

di kanan tanda sama dengan haruslah mempunyai satuan yang sama .

Pernyataan ini juga dapat dipakai untuk melihat secara sepintas kebenaran suatu rumus atau

persamaan.

Tabel 1.1 Satuan Pada Beberapa Sistem Satuan

Sistem Satuan SI Inggris Absolut Inggris Teknik

Panjang m ft ft

Waktu s s s

Gaya newton pdl (poundal) lbf (poundforce)

Massa kgm lbm slug

1 ft = 0,3 m 1 lbf = 32,174 pdl

1 slug = 32,174 lbm 1 N = 7,23 pdl

1 lbm = 0,45359 kgm

6

Contoh 1.1

Kecepatan v sebuah benda yang bergerak, berubah dengan waktu t menurut persamaan:

v= at + b / (t + c)

dengan a, b dan c adalah konstanta.

Bila v mempunyai satuan m/detik dan t dinyatakan dalam detik, carilah satuan-satuan dari a,

b, dan c supaya persamaan ini konsisten.

Penyelesaian :

Tiap suku pada suatu persamaan harus mempunyai satuan yang sama; dalam halini

samadengan satuan ruas kiri yang adalah m/detik.

Satuan at = (sat a) (sat t) = ik

mdet

Jadi :

Satuan a = ( )

ikik

m

detdet = 2det ik

m

Agar t dapat dijumlahkan dengan c, maka

Satuan c = satuan t = detik

Dengan demikian,

Satuan b = ik

mdet

. detik = meter

Contoh ini menunjukkan bahwa walaupun a, b, dan c bernama konstanta, mereka mempunyai

satuan. Apakah anda tadi berpendapat bahwa a,b,c pasti tak bersatuan karena mereka

merupakan konstanta?

Ingat bahwa yang namanya konstanta adalah sesuatu yang nilainya konstan, tetapi ini sama

sekali tak berarti bahwa mereka tak bersatuan.

MODEL DAN PERSAMAAN FISIKA

Fisika membahas gejala-gejala fisika baik secara kualitatif maupun secara kuantitatif melalui

pengamatan-pengamatan.

Dalam melakukan pengamatan itu perlu dibedakan mana besaran yang penting dana mana

yang tidak penting ataupun yang tidak ada hubungannya sama sekali. Misalnya dalam

7

mengamati benda jatuh bebas, dapat saja dicatat temperatur udara bahkan tekanan darah si

pengamat yang jelas tidak ada sangkut pautnya dengan gejala jatuhnya benda tadi. Jelaslah

bahwa permasalahannya sekarang adalah menetapkan besaran-besaran mana saja yang perlu

diamati dalam menganalisis gejala fisis.

Dalam menganalisis suatu gejala sering kali akan banyak manfaatnya bila dibayangkan suatu

keadaan ideal yang serupa dengan keadaan sebenarnya, namun disederhanakan dengan cara

mengabaikan beberapa pengaruh yang relatif kurang penting. Dengan mengabaikan faktor-

faktor yang kurang penting ini, maka analisis yang terinci dapat dilakukan dengan lebih

mudah dan konsep-konsep fisis dapat dimengerti dengan baik dan mudah.

Gambaran yang disederhanakan dan diidealisir dari suatu permasalahan yang rumit disebut

sebagai model dari keadaan yang mau dianalisis itu. Jadi suatu model merupakan gambaran

pendekatan dari suatu keadaan fisis (agar dapat dilakukan analisis dan perhitungan).

Sebagai contoh, dua benda berbeda yang dijatuhkan dari ketinggian yang sama tidak tiba di

tanah pada saat yang tepat sama, tetapi pada saat yang hampir sama. Perbedaan waktu yang

sedikit sekali tidaklah terlalu penting dibandingkan sifat-sifat lain gerakan jatuh bebas ini.

Perbedaan kecil ini mungkin disebabkan tahanan udara. Jadi bila dianggap tahan udara tidak

penting, maka percobaan yang ideal dapat dibayangkan terjadi dalam ruang hampa udara.

Selanjutnya bila dianggap ukuran dan bentuk benda tidak penting, maka benda itu dapat

dianggap sebagai titik. Jadi keadaan ideal atau model benda jatuh bebas ini adalah benda titik

yang jatuh dalam ruang hampa udara.

Memang benar bahwa ketepatan hasil analisis suatu gejala fisik dari modelnya tergantung

pada ketepatan perhitungan numeriknya. Tetapi ada satu hal yang lebih penting yang juga

perlu di camkan, yaitu bahwa tiap model mempunyai batas-batas atau limitnya. Ini berarti

bahwa hasil analisis suatu model memang tidak akan tepat sama dengan hasil percobaan.

Makin banyak faktor yang diabaikan dalam model itu makin banyak pula penyimpangan dari

hasil percobaan; sebaliknya makin terinci suatu model makin dekat pula hasilnya dengan

percobaan. Walaupun demikian, model-model yang sederhana tetap banyak manfaatnya

terutama untuk mengerti dengan mudah dan mantap konsep-konsep dasar suatu gejala fisika.

Dalam menjelaskan berbagai gejala fisika haruslah jelas hubungan antara satu besaran dan

besaran lain. Hubungan ini secara matematika dinyatakan dalam persamaan.

8

Suatu persamaan yang menyatakan hubungan antara besaran bukanlah suatu prinsip fisika,

tetapi merupakan cara simbolik dan singkat untuk menyatakan inti dari suatu prinsip fisika.

Salah satu hubungan sederhana antara dua besaran fisika adalah kesebandingan. Dua besaran

dikatakan sebanding bila mereka berubah sedemikian hingga hasil baginya konstan. Sebagai

contoh, bila gaya F yang dibutuhkan untuk meregangkan pegas sejauh x adalah sebanding

dengan x, maka F/x adalah konstan. Bila konstanta hasil bagi itu disebut k, maka hubungan

ini dinyatakan dalam persamaan F/x = k, atau F = kx. Konstanta k disebut konstanta

kesebandingan dan dalam hal ini ditentukan oleh bahan dan rancangan pegas.

Hubungan lain yang sering muncul adalah hubungan linear yang ditulis sebagai :

y = ax + b

dengan a dan b adalah konstanta,

x dan y adalah besaran fisis.

Hubungan semacam ini disebut hubungan linear karena grafik y terhadap x merupakan garis

lurus, karena itu persamaannya juga disebut persamaan linear.

Contoh hubungan linear ini dijumpai pada hubungan antara kecepatan dan waktu jatuhnya

suatu benda, yaitu :

v = vo + at

dimana v = kecepatan pada saat t dan vo serta a adalah konstanta konstanta.

Pandangan bahwa fisika hanya terdiri dari sejumlah persamaan/rumus dan bahwa untuk

mengerti fisika cukup dihafalkan persamaan persamaan tersebut adalah pandangan yang

menyesatkan.

Sebuah persamaan memang merupakan ringkasan dari suatu hasil analisis, tetapi persamaan-

persamaan itu tidak pernah dapat menggantikan pengertian dan konsep dari besaran yang

bersangkutan secara tuntas. Jadi tidaklah bijaksana untuk menghafalkan sejumlah rumus dan

terpaku di sana saja. Sebaliknya, bila konsep dasar suatu gejala di mengerti dengan baik,

maka dengan sendirinya rumus itu akan teringat tanpa usaha yang berlebih.

9

SOAL-SOAL

1.1 Sebuah titik bergerak sedemikian hingga jarak yang di tempuh x berubah dengan waktu t

menurut persamaan :

x = at + bt2 meter, dengan t dalam detik.

Tentukan satuan konstanta a dan b agar persamaan di atas konsisten secara dimensional

(satuannya sesuai).

1.2 Seorang mahasiswa menurunkan suatu rumus dan mendapatkan bahwa periode sebuah

bandul sederhana, artinya waktu yang diperlukan untuk membuat satu ayunan penuh, adalah:

T = 2 lg /

Dengan T adalah panjang bandul dalam cm dan g adalah percepatan gravitasi dalam

cm/detik2.

Dari segi satuan, apakah rumus ini benar ?

Bila tidak, bagaimana seharusnya bentuk rumus di atas ?

1.3 Temperatur Celcius mempunyai hubungan linier dengan temperatur Fahrenheit,

Tentukanlah persamaan linier itu bila diketahui bahwa FC oo 320 = dan FC oo 212100 = .