Author: Ahmad Dahlan

Temperatur dan Skala Pada Termometer
AhmadDahlan.NET – Secara sederhana suhu (temperatur) dapat diartikan sebagai derajat panas dan dingin dari suatu zat. Manusia bisa dengan mudah mengesan suhu dari lingkngan dan benda seperti Ice Cream itu dingin, soto ayam itu hangat atau air mendidih itu panas.

Hanya saja, kesan yang dirasakan manusia itu relatif dan sifatnya subjektif. Misalkan saja pada saat kita berwisata di daerah pegunungan yang lumayan dingin. Mungkin saja kita butuh jaket yang tebal agar bisa menyesuaikan diri dengan suanan lingkungan sekitar namun bagi penduduk lokal, suhu yang mereka alami ini biasa saja.

A. Pengertian Suhu

Derajat panas dan dingin suatu benda tidaklah cukup dijadikan defenisi baku dari suhu karena hal ini bersifat subjektif. Agar defenisi lebih operasional, suhu dapat didefenisikan sebagai besaran yang diukur dengan termometer sebagaimana banyak besaran fisika lainnya yang bisa dengan mudah didefenisikan dari cara besaran tersebut diukur.

Indera Manusia memiliki sensitifitas yang sangat terbetas dalam mengesan suhu. Misalkan kita baru saja mengambil dua buah es batu dari kulkas yang berbeda yakni dari kulkas industri yang bisa menurunkan suhu di dalam frezenya sampai -15^oC dan kulkas rumahan yang hanya mampu menurunkan suhu sekitar -5^oC.

Kita tentu saja tidak membedakan es mana yang keluar dari kulkas rumahan dan kulkas insutri hanya dengan memanfaatkan tangan kita, lebih tepatnya lapisan kulit yang berperan sebagai indera peraba manusia. Praktis manusia hanay bisa merasakan rasa sakit selian rasa dingin ketika terlalu lama memegang ke dua es tersebut.

Kedua benda tersebut berada pada suhu di bawah 0^oC dan kita sama-sama sepakat suhu ini sama-sama dingin. Hanya saja dari sudut pandang energi, kita bisa saja dengan mudah menyebutkan bahwa suhu salah satu es jauh lebih panas dibandingkan dengan es yang lainnya.

Perbedaan 10^oC pada kedua es tersebut ternyata berasal dari perbedaan energi panas masing-masing es. Jika saja massa dari kedua es tersebut sama-sama 1 kilogram, maka terdapat perbedaan energi panas sebesar 21.000 Joule dari kedua es ini.

Lantas apa yang dimasuk dengan temperatur?

Suh adalah indikator energi kinetik tingkat partikel yang dimiliki dari suatu benda. Selama sebuah benda masih bergetar maka akan selalu memiliki energi panas pada benda tersebut, sekalipun suhunya -100^oC.

Atom-atom penyusuan dari sebuah materi akan terus meneur bergetar. Getaran ini dalam bentuk energi kinetik dan setiap benda yang bergetar akan menghasilkan gesekan yang membentuk energi panas.

Semua atom-atom benda bergetar, tidak hanya zat cair dan udara. Benda padat yang terlihat kaku dan diam saja juga memiliki atom-atom yang bergetar. Kecepatan getar dari atom-atom tersebut bergantung dari suhunya. Semakin tinggi suhu dari benda tersebut, semakin besar getarannya.

Pada zat mengalir (Fluida), partikel fluida, baik dalam bentuk atom maupun senyawa, bergetar dengan tingkat energi yang relatif lebih tinggi dibandingkan dengan benda padat. Selain energi kinetik, ada gaya yang menghubungkan antar satu partikel dengan partikel lainnya. Gaya tarik antar partikel pada fluida lebih rendah dibandingkan dengan zat padat.

Gaya tarik yang lemah ini membuat partikel bergetar dengan lebih cepat yang secara otomatis membuat energi kinetiknya lebih tinggi. Ketika sejumlah kalor diberikan lagi ke dalam fluida maka energi tersebut akan diserap oleh partikel. Akibatnya getaran dan gerakannya semakin cepat. Ketika gerakan sudah cukup cepat, maka partikel sudah punya cukup energi untuk lepas dari ikatan antar partikel dalam wujud cair membuat partikel terlepas dan terpisah. Partikel ini selanjutnya disebut wujud gas.

Demikian pula sebaliknya, jika sejumlah energi panas keluar dari benda tersebut, maka gerakan partikel penyusun benda akan lebih sedikit, sampai akhirnya akan lebih lemah dari gaya ikat antar partikel. Dalam kondisi benda akan memiliki wujud padat. Meskipun dalam wujud padat bukat berarti partikel-partikel penyusun benda tersebut diam. Pada tingkat mikroskopik, partikel ini tetap bergetar dan getaran menghasilkan panas yang diindikasi sebagai suhu benda.

Penambahan energi pada suatu materi akan menunjukkan berbagai macam perubahan fisis. Pada metal misalnya, penambahan panas akan membuat jarak antar satu atom dan atom lainnya menjadi lebih renggang. Jika total tari renggangan ini dijumlahkan, maka dimensi panjang dari zat padat ini akan mengalami pertambahan panjang dan hal ini disebut pemuaian. Namun tidak semua panas akan membuat logam memuai, sebagaian dari panas tersebut jika cukup panas akan dipancarkan dalam bentuk radiasi, sebagaimana logam tungsen ketika dipanaskan atau baja yang sedang ditempa akan terlihat berpendar.

B. Termometer

Termometer adalah istilah yang merujuk pada alat yang digunakan untuk mengukur suhu suatu benda. Bentuknya berbagai macam, tergantung dari suhu dan objek yang akan diukur.

Setiap zat memiliki perubahan yang unik ketika mengalami perubahan suhu. Perubahan ini berbeda-beda tergantung dari karakteristik zat itu sendiri. Misalkan saja Aluminium dan Baja, ketika dipanaskan dan menhalami perubahan suhu yang sama, perubahan panjang (pemuaian) dari kedua logam ini berbeda. Aluminium memuai lebih panjang dibandingkan dengan baja.

Jika dua logam ini ditempelkan satu sama lain maka perubahan panjang tidak akan lurus ke satu arah saja tapi lebih cenderung melengkung ke arah baja karena koefisien muai panjang baja lebih rendah dibandingkan dengan aluminium. Konsep ini selanjutnya digunakan untuk menunjukkan perubahan suhu dengan meletakan jarum di bagian ujung logam campuran.

Berdasarkan hasil percobaan di laboratorium, koefisien muai panjang dari Aluminium adalah 0,000024/K sedangkan baja adalah 0,000012/K Hal ini berarti jika sebatang Aluminium sepanjang 1 meter ketika dipanaskan sekitar 1^oC hanya akan mengalami perubahan sebesar 0,000024 meter atau 0,0024 cm. Perubahan ini tentu saja sangat sulit diamati oleh mata telanjang manusia dengan demikian Bimetal tidak begitu baik digunakan sebagai bahan termometer yang mengukur perubahan suhu-suhu kecil.

Dalam upaya membuat termometer yang digunakan untuk menunjukkan perubahan suhu yang kecil maka dicari benda dengan karakteristik koefisien muai panjang lebih besar dibandingkan logam. Sebagaimana yang kita kenal sekarang zat termometer yang digunakan pada pengukuran suhu-suhu sekitar suhu kamar sampai air mendidih ada dua yakni Raksa dan Alkohol.

Kedua zat tersebut mampu menunjukkan perubahan yang signifikan dengan sedikit perubahan suhu. Karakteristik ini yang dijadikan alasan menjadikan dua zat ini sebagai bahan termometer. Cara pembuatan terbiang sederhana yakni hanya dengan membuat pipa kapiler yang sangat tipis sehingga pemuaian zat luas dan voluem zat dapat diabaikan dan hanya pemuaian panjang yang dapat diperhitungkan.

Demikian pula halnya untuk mengukur suhu-suhu yang sangat tinggi seperti pada saat logam sudah mencari karena pasannya, maka logam tidak lagi digunakan sebagai bahan pembuat termometer. Dibutuhkan konsep baru dalam pembuatan termometer seperti radiasi benda bersuhu tinggi. Besar Radiasi yang dipancarkan benda ternyata berbanding lurus dengan suhu pangkat 4, maka hal ini bisa dijadikan indikator pengukuran suhu.

Tentu saja saja tidak mungkin mengukur suhu matahari dengan termometer batang, karena kita akan kesulitan mencelupkan termometer tersebut dipermukaan matahari dan yang kedua suhu permukaan matahari yang mencapai 6000 oC sangat tinggi dan bisa melelehkan benda pada saja yang dibawa dari bumi ketika menyentuh permukaannya.

C. Skala Pada Termometer

Skala pada termometer dibuat berdasarkan dua hal yakni berdasarkan penemunya dan berdasarkan nilai mutlak. Pada skala termometer yang dimabil dari penemunya, skalanya berlaku secara umum namun konsep yang digunakan dalam membuat desain termometer sifanya lebih subjektif. Contoh skala-skala ini adalah Celcius, Fahrenheit dan Reamur.

Konsep skala termometer lainnya diambil berdasarkan nilai mutlak yakni dengan asumsi panas yang diindikasi oleh suhu adalah bentuk energi yang nilainya selalu ada maka tidak akan pernah ada keadaan dimana energi suatu objek bernilai negatif. Bentuk energi paling minimal adalah 0 sedangkan simbol negatif energi hanya dapat berarti bahwa sejumlah energi keluar sebuah kerangka acuan. Kerangka acuan boleh jadi sistem, lingkungan ataupun semesta.

Skala yang diambil berdasarkan nilai mutlak ini ada dua yakni Kelvin dalam sistem Metrik dan Rankine dalam sistem BTU atau British Termal Units.

Fakta Unik – Skala suhu dalam sistem British Thermal Units (BTU) adalah Fahrenheit dan sistem ini digunakan oleh Amerika Serikat, sedangkan Inggris sendiri menggunakan skala Celcius.

1. Termometer Celcius

Derajat Celcius (^oC) merupakan satuan suhu yang dijadikan standar pengukuran untuk skala Centigrade atau SI. Skala ini diperkanalkan oleh Anders Celcius (1701-1744) namun nama Celcius baru dijadikan skala pada termometer pada tahun 1948 untuk menghormati atas penemuannya.

Konsep yang digunakan Celcius dalam mendesain termometernya adalah air tepat membeku dan air tempat akan mendidih. Sebatang Termometer berisi raksa dicelupkan pada es yang tepat mencair kemudian ditandai sebagai batas atas termometer. Titik ini ditandai dengan nilai 100^oC. Selanjutnya air dipanasakan sampai akhirnya mendidih. Titik didih air ini ditandai sebatas batas bawah termometernya dengan nilai 0^oC. Pengukuran tersebut dilakukan pada tekana satu 1 atm.

Jarak yang terpisah 100 nilai ini dipilih karena pada masa itu semua alat ukurn standari disusun dengan skala kelipatan 10, seperti 1 meter yang tidak lain adalah 100 cm atau 1 kg yang tidak lain 1000 g.

Jeans-Pierre Christin menganggap bahwa skala tersebut tidak praktis karena energi yang bertambah pada air justru menunjukkan penurunan suhu. Tahun 1743, Christin kemudian membalik skala ini dimana air tepat membeku pada suhu 0^oC dan tepat mendidik pada suhu 100^oC.

2. Termometer Fahrenheit

Derajat Fahrenheit (^oF) adalah satuan suhu yang digunakan di Amerika Serikat. Skala ini diperkenalkan oleh Daniel Gabriel Fahrenheit (1686–1736). Suhu ini dianggap tidak lazim karena keluar dari kebiasaan umum dimana alat ukur kebanyakan menggunakan angka 0^o sebagai batas bawahnya termasuk untuk dua skala lainnya yakni Reamur dan Celcius. Es mulai mencair sendiri berada pada titik 32^oF dan mendidih pada suhu 212^oF. Padahal Fahrenheit sebenarnya tetap menggunakan konsep 0^o dan 100^o pada pembuatan skalanya hanya saja acuannya berbeda.

Fahrenheit memilih titik bawah (0^oF) pada skalanya dengan mengambil suhu paling rendah pada musim dingin di daerah Danzig, Polandia sekitar tahun 1708 sampai 1709. Danzig sendiri adalah daerah asal Fahrenheit dan tempat dia membuat skala termometernya. Suhu 100^oF diambil dari suhu tubuh rata-rata orang sehat. Titik ini kemudian dijadikan standarisasi skala Fahrenhit.

Beberapa tahun berikutnya Skala ini dikoreksi sedikit mengingat suhu terdingin di Danzig setiap tahun mengalami peningkatan karena pemasan Global. Koreksi ini dilakukan dengan cara membuat batas bawah dari campuran Air, Es, garam laut dan Amonium Clorida yang nilainya lebih rendah 2^oF hal ini membuat batas atasnya juga berubah yang tadinya orang sehat ada pada skala 100^oF kini menjadi 98^oF. Pada tahun 2021 saja suhu terendah di Danzig yang tercatat hanya berada pada 24,8 ^oF, sudah tidak sedinging ketiak Fahrenheit masih hidup 3 abad yang lalu.

Setelah tulisan dari Andres Celcius populer tentang Titik Acuan Termometer, Skala pada termometer Fahrenheit kemudian dikaliberasi dengan skala Celcius dan hasilnya didapatkan bahwa titik Air tepat mencari pada tekanakn satu atmosfer (0^oC) setara dengan titik 32^oF sedangkan air mendidih (100^oC) setara dengan 212^oF. Dengan demikian 100 celcius derajat serara dengan 180 fahrenheit derajat.

Catatan : Penyebutan skala yang dimulai dari derajat, seperti derajat Celcius menunjukkan titik, misalnya 15 derajat Celcius berarti berada diantara 14 derajat Celcius dan 16 derajat Celcius sedangkan Celcius Derajat menunjukan interval skala misalnya 3 celcius derajat itu bisa jadi dari 7 derajat celcius ke 10 derajat celcius ataupun dari 121 derajat celcius ke 124 celicus derajat.

Konversi Satuan Fahrenheit-Celcius

Kaliberasi skala ini kemudian bisa dijadikan acuan konversi skala Fahrenheit ke Celcius yakni dengan ilustrasi sebagai berikut :
```
\frac{100^oC-0^oC}{212^oF-32^oF}=\frac{(X-0)^oC}{(Y-32)^oF}
```
Persamaan ini bisa disederhanakan menjadi
```
\frac{5}{9}=\frac{X^oC}{(Y-32)^oF}
```
Maka persaman ini dapat digunakan untuk menkoversi Fahrenheit ke Celcius
```
X^oC=\frac{5}{9}(Y-32)
```
atau untuk menkorversi Celcius ke Fahrenheit
```
Y^oF=\frac{9}{5}X^oC+32
```
Uji Kompetensi :
1. Jelaskan defenisi umum dari Suhu?
2. Menurut pendapat anda apakah keterbatasan indera perasa manusia dijadikan alat ukur suhu?
3. Mengapa termometer logam tidak cocok digunakan sebagai alat ukur untuk pengukuran suhu tubuh?
4. Buatlah analisis matematis untuk mengkonversi suhu :
  1. Kelvin ke Rankine
  2. Reamur ke Fahrenheit
Lengkapilah tabel di bawah ini !

… ^oC 0^oF
32^oC … ^oF
… ^oC -40^oF
-40^oC … ^oF
… ^oC -50^oF

Tugas
1. Carilah informasi mengenai konsep yang digunakan dalam membuat suhu reamur dan mengapa angka 80^oR dijadikan batas atas dari skala Reamur!
December 16, 2020
Massa Atom Relatif dan Jarak Antar Atom berdasarkan Teori Fisika Materi
AhmadDahlan.NET – Semua zat ada di alam semesta ini merupakan kumpulan-kumpulan dari atom-atom yang menyusunnya. Misalnya saja mobil merupakan kumpulan dari banyak zat penyusun yang berada di Bodi, ban, suspensi, bahan bakar bahkan debu yang melekat di permukaan kacanya.

Besi yang ada bodi mobil sendiri adalah unsur yang jika dipotong menjadi dua kita akan mendapatkan dua bagian bodi mobil. Satu bagian ini bisa dibagi lagi hingga akhirnya kita mendapatkan bagian terkecil yang tidak dapat dibagi lagi. Meskipun tidak terjadi demikian, karena mustahil manusia memiliki pisau yang bisa membelah unsur sampai pada tingkat terkecil. Bagian yang tidak dapat dibagi lagi ini disebut sebagai atom (a : tidak dan thomos : terbagi).

Makna dari kata tidak dapat dibagi lagi ini lebih merujuk dimana atom dari besi masih mewakili karakteristik dari unsur besi, namun sebuah atom terdiri dari Proton, Neutron dan elektron. Semua zat akan memiliki karakteristik yang khas pada saat membentuk unsur sedangkan pada tingkat proton, neutron, dan elektron, ketiganya memiliki karakteristik yang sama meskipun sudha membentuk unsur lain.

Sebagai contoh Atom oksigen yang memiliki 16 Proton, 16 Neutron dan 16 elektron akan memiliki sifat-sifat fisis yang berbeda dengan Carbon yang memiliki 12 Proton, 12 Neutron, dan 12 Elektron namun jika kita bisa mengambil satu proton dari okseigen dan satu proton dari carbon, maka proton tersebut akan memiliki karakteristik yang sama. Jika proton ini mampu kita berikan 1 buah elektron dan mengitari proton dengan stabil maka kita baru saja membuat unsur hidrogen dari proton dan elektron. Hanya saja prosesnya tidak sesederhana itu.

Karakateristik proton, neutron dan elektron ketika berdiri sendiri kemudian dijadikan acuan untuk membuat suatu indikator yang bisa digunakan untuk seluruh unsur. Indikator tersebut disebut sebagai massa atom relatif. Agar menunjukkan hasil yang konsisten, ¹²C yang merupakan unsur yang paling stabil kemudian dijadikan standar untuk massa atom relatif.

1 u = 1,6605 x 10^-27 kg

Massa relatif atom Hidrogen yang memiliki stau potron adalah 1,0079 u. Untuk mengetahui masing-masing massa dari sebuah atom, dapat dilihat di tabel periodik.

Unsur adalah suatu subtansi tunggal sepetri besi (Fe), emas (Au), Tembaga (Cu) dan sejenisnya. Unsur yang membentuk ikatan dengan unsir lain ataupun dirinya sendiri disebut sebagai senyawa Ozon (O₃), Air (H₂O), Besi Trioksida (Fe₂O₃) dan sejeninya. Oksigen yang banyak ditemukan di udara merupakan senyawa O₂ yang ikatan lebiih stabil dibandingkan dengan unsur oksigen O. Namun untuk penamaannya kebetulan saja sama untuk oksigen O₂ (tidak perlu disebut dioksida) dan oksigen O.

Gerak Brown

Serbuk sari berwarna putih dan halus yang masuk ke dalam air yang tenang tidak akan bergerak lurus tapi bergerak secara acak. Gerak ini dinamakan gerak Brown yang diambil dari nama Robert Brown. Gerak serbuk sari di dalam air ini disebabkan oleh massanya yang sangat kecil sehingga gerakan macroscopik dari air mempengaruhi lintasan dari serbuk sari.

Gerak Brown ini membuat serbuk terus menerus bergerak sehingga cukup untuk mengimbangi gaya gravitasi. Hasilnya serbuk sari tidak akan pernah mengendap di dasar cairan.

Tahun 1905, Albert Einsten kemudian mempelajari gerak Brown dari sudut padangan fisika teoretis lalu menghitung perkiraan dari massa dan ukuran atom dan molekul di percobaannya. Hasil perhitungan menunjukkan perkiraan diameter dari atom secara umum sekitar 10^-10m.

Contoh Kasus

Rapat jenis dari tembaga adalah 8,9 x 10³ kg/m³. Jika massa atom relatif dari Atom Tembaga adalah 63 u berapakah perkiaraan jarak antar atom tembaga yang berdekatan?

Solusi :

Misalkan ada 1 m³ tembaga berbentuk kubus dimana sisi-sisinya adalah 1 m x 1 m x 1 m. Massa total dari kubus tersebut adalah :
```
m = ρ V = 8,9 x 10³ kg/m³ x 1 m³ = 8,9 x 10³ kg.
```
di dalam kubus tersebut tersebut tersebaar sebanyak N atom dimana mssa relatif 1 atom tembaga adalah 63 u
```
m_r = 63 x 1,66 x 10^-27 kg = 1,05 x 10-²⁵ kg/atom
```
Hal ini berarti dalam 1 m³ terdapat
```
n = \frac{8,9.10^3 kg}{1,05 x 10^{-25} kg/atom} = 8,5 x 10^{28} atom/m^3
```
Jika atom tersebut terdistribusi rata (Tidak ada tendensi tertentu) maka jarak antar atom
```
1 m / ∛ 8,5 x 10²⁸ = 2,3 x 10^-10 m
```
Jadi kira-kira jarak antara satu atom tembaga dan tembaga lain terpisah sejauh 2,3 x 10^-10 m.
December 16, 2020
Keterampilan Dasar Menulis Bahasa Inggris untuk Tujuan Saintifik dan Akademik

AhmadDahlan.NET – Keterampilan menulis artikel ilmiah (Saintifik) dalam Bahasa Inggris lebih dari sekedar menulis artikel yang benar secara struktur dan mengikuti aturan grammar namun lebih ke titik cara menyampaikan informasi yang benar kepada pembaca. Pembaca ini bisa dari dua kelompok yakni saintis ataupun orang awam yang tertarik dengan sains.

Sebelum lebih jauh masuk ke dalam tehnis penulisan sains, mari kita bahas terlebih dahulu dua tujuan penulisan artikel sains dilakukan. Tujuan pertama adalah artikel sains popular yang ditujukan untuk pembaca umum yang mungkin mayoritas tidak begitu paham dengan sains. Tulisan ini banyak publish di majalah dan surat kabat yang menyediakan pojok sains. Salah satu tulisan yang paling terkenal dari jenis ini adalah pojok Sains dair Robert L Wolke di surat kabar New York Times. Pojok itu ditujukan kepada orang tua yang anak-anaknya sering bertanya tentang fenoeman sains namun mereka tidak mengetahui jawabannya. Pertanyaan sederhana seperti “mengapa langit berwarna biru ?”, “mengapa suara bisa terdengar?” dan puluhan pertanyaan sederhana lain tentang sains sudah dijawab. Di Indonesia, kumpulan artikel tersebut ditulisan dalam bahasa indonesia kemudian dibukukan menjadi buku “Einstein saja Nggak Tau” dan menjadi salah satu buku sains pop yang laris terjual.

Tulisan sains yang ke dua adalah tulisan adalah tulisan ilmiah yang dipublish dalam bentuk artikel resmi seperti pada Jurnal dan Prociding. Artikel-Artikel ini biasanya ditulis dengan gaya bahasa yang kaku dan detail untuk menghindari kesalahan dalam penafsiran (Ambiguitas).

Tulisan saintifik diharuskan menjelaskan informasi secara detail dalam hal pemilihan diksi dan frasa, singkat dan jelas. Hal ini sangat penting dipertimbangkan mengingat pembaca bisa saja berasal dari dari berbagai kelompok yang mungkin saja sudah paham sains (Saintis), setengah paham (pelajar) atau malah belum paham sama sekali (orang awam).

Mengapa Harus Menyusun kalimat yang Jelas dan Presisi?

Langkah pertama yang harus diperhatikan oleh penulisan dalam menyusun kalimat adalah penggunaan diksi yang tepat dan kata hubung yang sesuai. Salah dalam pemilihan kata tidak sebatas penggunaan istilah ilmiah secara global seperti gaya yang ditulis “Force” bukan “Fashion” atau “Style” tapi tulisan ilmiah jauh lebih complicated dalam hal pemiihan suku kata.

Dalam hal penggunaan diksi misalnya, kata “de-stabilzed”, yang artinya secara harfiah adalah tidak stabil padahal dalam beberapa bidang kajian sains maknanya bisa jadi kurang stabil dari sebelumnya. Hal ini masih memiliki dua makna, memang kurang stabil atau kurang stabil dari sebelumnya namun masih masuk dalam kategori stabil secara umum.

Pada sebuah kalimat, diksi jauh lebih memiliki makna dibanidngkan berdiri sendiri, seperti “Isotopes, which were discovered in 1853, are radioactive,” Secara struktur kalimat ini dapat diartikan sebagai semua isotops yang ditemukan pada tahun 1853, padahal maksud dari peneliti adalah Isotops (tertentu, yang mereka temukan) yang ditemukan pada pada tahun 1985 bersifat radioaktif yang mungkin lebih tepat ditulis “The isotopes that were discovered in 1853 are radioactive”

Menghilangkan Subjetifitas

Salah satu hal yang paling mudah dikenali dari tulisan ilmiah adalah tidak boleh subjektif dalam menyampikan informasi, sekalipun hal tersebut ditemukan oleh individu. Kalimat harus disampaikan subjectless sehingga mendukung karakteristiks informasi ilimuah yang berlaku secara umum dan tergantung dari objeknya (Objektif).

Misalnya saja “saya memberikan energi listrik sebesar 500 V pada elektron Gunner untuk menunjukkan proses ekstitasi elektron dan pancaran radiasi pada atom hidrogen”. Kata “saya” disini lebih bersifat penjelasan dibandingkan dengan kriteria fakta sains, sehingga kata “saya” harus dihilangkan sehingga pelaku utama dalam digantikan menjadi aktifitas yang sedang dilakukan yang bisa saja disusun :

“Proses ekstitasi elektron dan pancaran radiasi pada atom hidrogen diamati dengan pemberian energi listrik sebesar 500 V kepada elektron melalui elektron gunner”.

Dalam bahasa inggrs, Frasa “Proses ekstitasi elektron dan pancaran radiasi pada atom hidrogen” tidak lagi memiliki posisi sebagai keterangan aktifitas (adverd of manner) tapi sudah bergeser menjadi Kegiatan atau benda bersifat abstrak (Abstract Noun). Aturan yang digunakan dalam bahasa inggris ada banyak, salah satunya adalah penggunaan penggunaan Gerund.

Masalahnya, pelajaran basics writing skill yang banyak diajarkan di sekolah-sekolah dan buku-buku bahasa inggris yang membahas Grammar, struktur sebuah kalimat itu selalu dimulai dengan Subject, seperti simple present yang dibuat dalam bentuk S + Vinv+ ANA, hal serupa juga sama dalam bahasa Indonesia yang umumnya dikenal strktur S + P + O + K (jika diperlukan). Kemudian Subjek itu umumnya dijelaskan hanya dalam bentuk Pronoun yang isinya I, You, They, We, She, He, It dan Name. Padahal hal lain yang bisa jadi subjek selain dari 8 bentuk Pronoun di atas.

Terkadang tulisan dalam bahasa inggris sains memang tidaklah elok terbaca maupun terdengar. Cenderung membosankan dan ribet dalam tata bahasa, namun ingat tujuan dari Academics scientific article writing adalah menyampaikan informasi bukan membuat orang lain terpukau karena ini ditulis oleh seorang akademisi bukan seorang pujangga.

Remember, you’re not writing to impress. You’re writing to communicate.

December 14, 2020
Kecepatan Suara
AhmadDahlan.NET – Syarat untuk terdengar sebuah suara adalah adanya sumber suara, medium perantara dan pendengar, oleh karena itu suara akan membutuhkan waktu dari sumber suara sampai akhirnya mencapai sumber suara. Lama waktu yang dibutuhkan suara agar sampai di tujuan bergantung dengan jarak dari orang tersebut sehingga dapat dituliskan :

s ~ t

s = c t

dimana c adalah besar kecepatan suara yang merambat melalui medium.

Kecepatan suara

Kecepatan suara adalah istilah yang meruju pada kecepatan gelombang suara yang merambat pada sebuah medium elastis. Tanpa medium elastisitas suara tidak akan mungkin tersampaikan. Standar kecepatan suara disepakati udara karena mayoritas manusia berkomunikasi secara verbal memnafatakan medium udara sehingga kecepatan suara di udara diukur pada (1) ketingian permukaan air laut, (2) tekanan udara STP, dan (3) suhu 20^oC didapatkan kecapatan suara 343 m/s atau 1238 km/h.

Proses perambatan suara yang bersifat mekanik ini membuat kecepatan suara akan merambat tergantung dari medium yang dilalui. Semakin rapat medium yang dilalui maka semakin tinggi kecepatannya, namun semakin cepat suara merambat tidak menjadi jaminan kualitas dari suara yang disampaikan. Misalnya saja suara akan merambat di air dengan kecepatan 1,484 m/s atau sekitar 4,3 kali kecepatan suara di udara, namun hal ini kembali lagi bergantung dari kondisi airnya. Seperti air laut yang densitas lebih tinggi dari air, maka kecepatan suara di laut lebih tinggi dari air biasa. Untuk benda yang lebih padat, suara akan merambat lebih cepat, seperti pada besi, kecepatan suara mencapai 5,120 m/s sedangkan pada berlian, struktur paling kompak di muka bumi, kecepatan suara mencapai 12 km/s.

Gelombang suara merambat melalui energi yang mengetarkan partikel yang ada disekitarnya. Getaran ini berbentuk gelombang kompresi dengan tipe gelombang geser tang sama seperti pada benda padat. Kecepatan gelombang kompressi bergantung dari kompresibilitas, modulus geser dan kerapatan dari medium.

Dalam dinamika Fluida, kecepatan suara melalui sebuah medium dapat dibandingkan dengan kecepatan objek yang mengeluarkan suara, jika sumber suara tidak diam. Perbandingan antara kecepatan objek terhadap kecepatan suara dalam fluida disebut disebut bilangan Mach. Objek yang begerak melebihi 1 mach disebut bergerak dengan kecepatan supersonik. Artinya benda tersebut bergerak lebih cepat dari kecepatan suara pada medium yang dijadikan acuan.

Kecepatan suara yang bergerak pada medium tertentu dapat ditulis
```
c= \sqrt{\frac{K_s}{\rho}}
```
dimana
```
c : kelajuan suara di mediun (m/s)
K_s : Modulus Bulk
ρ : massa jenis (kg/m³).
```
simbol c diambil dari kata celeritas yang berati kelajuan.

Soal Latihan
1. Seserang berteriak didahapan sebuah gunung yang berada jauh di depannya. Jika ia mendengar gema pertama dari suaranya setelah 5 detik, berapakah jarak dari gunung tersebut?
2. Sebuah kereta api melaju di atas lintasan lurus dengan kecepatan konstan 20 m/s. Jika ia membunyikan terompet di depan sebuah gunung dan mendengar suara gema pertama dari terompetnya 5 detik kemudian. Berapakah jarak gunung tersebut dari kereta saat mendengar gema?
December 5, 2020
Gelombang Bunyi dan Karakterestik Suara
AhmadDahlan.NET – Seperti halnya Cahaya, Bunyi (suara) adalah besaran fisika yang dapat ditangkap oleh indra manusia. Alat Penangkapnya adalah telinga. Pada telinga, terdapat sebuah organ yang disebut gendang telinga. Organ ini sejenis selaput dari kulit tipis yang dapat bergetar karena getaran yang merambat melalui udara. Sinyal getaran ini kemudian ditangkap oleh sel saraf di telinga dan dikirim ke otak kemudian diterjemahkan oleh otak sebagai suara atau bunyi.

Bunyi berasal dari setiap getaran benda ataupun partikel hanya saja terkadang kekuatan dari getaran tersebut tidaklah cukup besar untuk sampai menggentarkan udara yang ada di sekitarnya ehingga getaran tersebut tidak dapat dipancarkan. Jika kekuatan getaran tersebut cukup besar, maka getaran tersebut akan cukup kuat untuk menggetarkan udara yang ada disekitarnya sampai jarak yang cukup jauh. Ketika telinga manusia berada pada jangkauan getaran udara yang dihasilkan oleh getaran sumber, telinga manusia juga akan ikut bergetar dan sebagiaman yang dijelaskan sebelumnya kita akan mengenalnya sebagai suara.

Dari hal ini dapat disimpulkan suara dapat dihasilkan oleh semua benda yang bergetar hanya saja untuk mendengarkan suara maka dibutuhkan tigas syarat :
1. Getaran yang cukup kuat (sumber bunyi)
2. Medium
3. Pendengar
A. Karaktetistik Suara

Bunyi menghasilkan kesan yang berbeda dan bergatung pada sumber bunyi tersebut. Sekalipun tidak melihat sumbernya, otak manusia bisa dengan mudah mengenali sumber suara yang ada. Misalnya saja pada saat kita mendengarkan petikan gitar dari tetangga sebelah, yang meskipun tanpa melihatnya, kita bisa memastikan jika sumber suara tersebut berada dari dawai gitar yang sedang dipetik.

Hal tersebut karena manusia sudah terlebih dahulu pernah mendengar dna melihat suara gitar sebelumnya akhirnya mengenali suara tersebut tanpa harus melihat gitarnya. Lebih jauh dari hal tersebut beberapa manusia khususnya musisi bahkan bisa mengenali jenis-jenis nada hanya dengan mendengarnya tanpa harus melakukan pengukuran lebih detail mengenai besaran-besaran yang terkait.

Semua aspek ini disebut yang membuat manusia bisa membedakan sumber bunyi tersebut disebut sebagai karakteristik suara. Fisikawan selanjutnya melakukan pengukuran untuk besaran-besaran yang terkait dengan suara yang bertujuan memberikan spesifikasi jelas atas semua karakteristik tersebut.

A. Amplitudo Suara

Sebagaimana yang telah dijelaskan pada materi gelombang, Amplitudo adalah simpangan maksimun dari sebuah gerak yang berosilasi. Simpangan maksimun ini adalah indikator besarnya energi yang dimiliki dari sebuah getaran sehingga Amplitudo dalam gelombang suara juga menjadi indikator energi yang dimiliki oleh suara.

Kuantitas kekuatan sumber suara dalam gelombang suara disebut sebagai kenyaringan (Loudness) sedangkan untuk pendengar atau besar suara berdasarkan titik tertentu disebut intensitas. Besarnya intensitas dan Loudness ini sebanding dengan Amplitudo dari suara yang dihasilkan.

Mari kita misalkan ketika memukul senar dari sebuah drum dengan gaya yang kecil. Gaya yang diberikan ini akan menyebabkan permukaan senar tertekan dengan kedalamam x dan akan menghasilkan suara. Jika pukulan dibuat lebih lembut kedalaman permukaan senar yang dihasilkan akan lebih kecil dari x maka suara yang dihasilkan akan lebih kecil dari pukulan pertama. Untuk membuat suara terdengar lebih nyaring maka senar gitar harus dipukul lebih keras lagi.

a. Intensitas Bunyi

Selain berpengaruh pada besar suara atau loudness yang dihasilkan, Amplitudo secara tidak langsung berpengaruh terhadap intensitas bunyi. Mari kita buat lebih mudah dengan menganalogikan suara ketika kita berbicara dengan orang yang di samping kita. Tentu saja kita butuh kekuatan bicara seperti biasa untuk jarak teman bicara tidaklah jauh, namun ketika lawan bicara kita ada sebelah gunung atau lokasinya jauh dari kita, maka upaya yang dilakukan agar suara sampai ke telinga pendengar dengan cara berteriak.

Suara yang dirambatkan dari mulut sebenarnya tetap sampai ke telinga orang yang berada jauh dari kita hanya saja intensitasnya kurang besar sehingga tidak begitu kuat untuk menggetarkan gendang telinga. Sebagai hasilnya suara tersebut tidak akan terdengar, kalaupun terdengar akan samar-samar saja.

Kenyaringan atau biasa disebut dengan loudness merupakan kesadaran telinga manusia terhadap kuantitas yang terukur secara fisik, yaitu intensitas gelombang. Oleh karena itu, kenyaringan adalah suatu skala suara yang bisa didengar. Sementara itu, intensitas dapat diartikan sebagai suatu energi yang dipindahkan oleh sebuah gelombang dalam setiap satuan waktu pada satuan luas yang tegak lurus terhadap dengan aliran energi. Seperti yang kita ketahui juga bahwa energi yang dihasilkan per satuan waktu merupakan pengertian dari daya. Maka dari itu, intensitas juga dapat diartikan sebagai daya per satuan luas, seperti yang dapat dirumuskan secara matematis berikut ini

I = P / A

dimana :
```
I  = Intensitas bunyi (W/m²)
P = Energi per setiap satuan waktu atau daya (W)
A = Luas (m²)
```
Pada kondisi isotropik yakni sumber bunyi tersebut menyiarkan bunyi pada segala arah dan besarnya sama. Oleh karena itu, dapat disimpulkan bahwa ketika bunyi tersebar kesegala arah maka setiap titik yang sama jaraknya dari pusat bunyi akan didengarkan intensitas yang sama. Persamaan intensitas bunyi tersebut adalah sebagai berikut :

I = P / (4πR²)

Rata-rata telinga manusia mampu mendeteksi bunyi dengan intensitas paling rendah sekitar 10^-12 W/m², sedangkan paling tinggi adalah 1 W/m². Meskipun demikian, telinga manusia masih bisa mendeteksi bunyi yang memiliki intensitas lebih dari 1 W/m² dengan resiko ketika mendengar bunyi tersebut maka akan terasa menyakitkan di telinga. Hal tersebut sangat erat kaitannya dengan sebuah rentang intensitas yang begitu lebar lantaran meliputi faktor pangkat (10¹²) mulai dari intensitas rendah sampai dengan intensitas tertinggi.

Lantaran rentang yang sangat lebar tersebut, maka secara nyata diketahui bahwa yang disebut dengan kenyaringan yang dirasakan oleh manusia justru sebenarnya tidak berbanding lurus dengan intensitas. Diketahui bahwa untuk memperoleh bunyi dengan kedengaran sampai dua kali lebih keras dari biasanya maka dibutuhkan sebuah gelombang bunyi yang mempunyai intensitas sebesar 10 kalinya.

Hal tersebut juga berlaku pada tingkatan bunyi dengan frekuensi yang berada tepat pada tengah kisaran terdengar. Misalnya, gelombang bunyi yang memiliki intensitas sebesar 10^-2 W/m²apabila didengar oleh manusia maka bunyi yang akan terdengar justru lebih keras dibandingkan dengan yang mempunyai intensitas 10^-3 W/m².

b. Tingkat Bunyi

Tingkat bunyi adalah hubungan dari sensasi bunyi subjektif untuk kenyaringan dan kuantitas intesitas suara yang berbanding logaritmit. satuannya dinyatakan dalam Bel merujuk pada penemunya yakni Alexander Graham Bell dan umumnya dinyatakan dalam satuan desiBell atau dB dimanan 1 Bel = 10 dB. Tingkat Bunyi (sound level) adalah

β = 10 Log (I/I_o)
```
β : sound level (dB)
I : Intensitas Bunyi (W/m²)
I_o : Intensitas pendengaran minimum manusia yakni 10^-10 W/m2
```
Konstanta I₀ merupakan intensitas acuan yang telah dipilih dan juga logaritmanya berada pada angka 10. Selain itu, I₀ adalah acuan yang diambil sebagai ambang pendengaran minimum yang dapat didengar oleh telinga ( I₀ = 1,0 X 10^-12 W/m² ). Oleh karena itu, apabila tingkat bunyi yang berasal dari bunyi yang mempunyai intensitas sebesar I = 1,0 X 10^-10 W/m²maka

β = 10 Log (1,0 X 10^-10 W/m²/1,0 X 10^-12 W/m²) = 10 log 100 = 20 dB

Hasil dari log 100 adalah 2 (sesuai dengan logaritma). Sementara itu, tingkatan bunyi ambang batas yang dapat didengar oleh telinga adalah 0 dB. Sehingga β = 10 log 10^-12/ 10^-12= 10 log 1 = 0. Di samping itu, yang harus diperhatikan juga adalah apabila terjadi kenaikan intensitas bunyi pada faktor 10 maka secara tidak lansung pasti akan menaikkan tingkat bunyi sebesar 20 dB.

B. Frekuensi Bunyi

Secara kuantitas fisis, Frekuensi bunyi tidak memiliki perbedaan dengan defenisi frekensu pada getaran dan gelombang yakni jumlah getaran atau sinyal yang dihasilkan dalam satu sekon. Pada sumber suara yang melakukan getaran sebanyak 300 kali maka suara yang akan dihasilan adalah 300 Hz, hanya saja pada otak manusia, frekuensi ini membawa kesan yang berbeda selain dari jumlah getaran fisisi.

Aksen tersebut adalah titanada (pitch). Titanada dengan nilai frekuensi tinggi akan memberikan kesan suara yang tinggi sedangkan untuk frekuensi rendah maka akan menghasilkan suara yang rendah. Titanada ini pertama kali dicatat oleh Galilei Galileo.

Telinga manusia pada umumnya mampu mendengar suara dengan frekuensi dalam rentang 20 Hz sampai dengan 20 kHz. Rentang ini disebut sebagai Audiosonik. Coba dengarkan Suara yang dihasilkan oleh Video di bawah ini dengan Headset yang baik yakni mampu menghasilkan suara rendah (bass) dan suara tinggi (treble) berikut.

Peringatan : Set Volume suara device anda pada volume sedang.

Link Youtube : https://www.youtube.com/watch?v=qNf9nzvnd1k&feature=youtu.be

Catat-catatlah dengan baik frekuensi paling rendah dan paling tinggi dari yang bisa didengar telinga anda. Bisa jadi telinga anda dan teman anda akan mendengarkan suara pada frekuensi berbeda karena hal tersebut bergantung dan bentuk fisiologis dari telinga, namun terkadang juga ada kendala perangkat yang digunakan untuk menghasilkan bunyi.

Untuk gelombang bunyi yang frekuensinya lebih tinggi dari 20 kHz disebut Ultrasonik. Frekuensi suara yang tidak terdengar oleh manusia ini banyak dimanfaatkan untuk pengkuran fisis seperti mengukur jarak dari suatu benda karea suaranya tidak terdengar maka proses pengukurannya tidak mengganggu manusia. Hanya saja beberapa hewan memiliki kemampuan mendengar suara dengan frekuensi ultrasonik seperti Kelelawar.

Catatan : Jangan rancaukan antara ultrasonik dan supersonik. Super sonik digunakan untuk menjelaskan benda-benda yang bergerak dengan kecepatan lebih cepat dari suara seperti Jet Tempur.

C. Timbre

Timbre adalah karakteristik suara yang membedakan asal bunyi dari suara tersebut yang dikesan oleh otak manusia. Timbre juga kadang disebut sebagai Warna dari suara namun defenisi lebih merujuk pada penggunaan sosial dan seni karena pada sains, jika suara dianalogikan dengan cahaya, maka warna pada cahaya yang bergantung dari frekuensinya harusnya analog dengan titanada pada suara yang sama-sama bergantung frekuensi.

Secara umum Timbre berperan dalam mebantu manusia mengenai jenis dari sumber suara seperti dari gitar, piano, drum dan sejenisnya, sekalipun keduanya dibunyikan dengan Amplitudo dan Frekuensi yang sama. Sebut saja pada saat ingin memainkan sebuah band, maka beberapa alat musik di dalam band tersebut akan disamakan seperti frekuensi senar pada piano dan gitar, namun ketika dibunyikan bersamaan otak akan dengan mudah mengenali perbedaan antara piano dan gitar sekalipun amplitudo dan frekuensinya sama.

Dalam dunia tarik suara, Timbre inilah yang membuat kita akan dengan mudah membedakan suara ketika Adelle menanyikan lagu “Someone like You” dibandingkan dengan suara dari kontestan Indonesian Idol yang menyanyikan lagu yang sama pada set nada dasar yang sama. Timbre ini pulalah yang bertanggung jawab mengapa orang lain menyukai suara dari Frank Sinatra sedangkan yang lainnya menyukai Elvis Presley.

Soal Latihan
1. Sebuah pengeras suara memiliki keampaun untuk mengasilkan suara mulai dari 30 Hz sampai 18.000 Hz pada tingkat bunyi ± 3 dB. Tentukan faktor perubahan intesitas bunyi pada tingkat keluaran untuk perubahan 3 dB?
2. Seorang pemain biola mengahasilkan suara sebesar 75 dB. Jika mereka bermain quarted, berapakah tingkat bunyi yang dihasilkan?
December 4, 2020
Jembatan Keledai Segi Delapan Ajaib GPHSUVFT – Besaran Fisis dan Potensial Termodinamika
Ahmaddahlan.NET – Pada dasarnya terdapat delapan besaran fisis dalam termodinamika yakni :
1. Energi bebas Gibbs (G)
2. Tekanan (p)
3. Entalpi (H)
4. Entropi (S)
5. Energi Dalam (U)
6. Volume (V)
7. Energi bebas Helmholtz (F)
8. Temperature (T)
A. Konsep Potensial Termodinamika

Untuk memudahkan mengingat delapan besaran ini dibuat jembatan keledai yakni :

Good Physicians Have Studied Under Very Fine Teacher

Kalimat tersebut singkatan dari GPHSUVFT yang diambil dari simbol besaran-besaran fisis dalam termodinamika. Secara harfiah artinya Fisikawan yang baik pernah belajar dibawah bimbingan Guru yang sangat bijaksana. Tidak maksud apa-apa dalam kalimat tersebut, tujuannya hanya untuk memudahkan mengingat besaran-besaran yang ada di dalam termodinamika.

Posisinya sama dengan Heboh Negara Arab Karena Xerangan Ranjau yang diambil digunakan untuk memudahkan mengetahui unsur-unsur yang ada di golongan Gas Mulia atau VIIIa.

Kembali ke jembatan keledai Good Physicians Have Studied Under Very Fine Teacher. Kalimat ini menyimbolkan segi delapan ajaib termodinamika yang ada pada gambar di bawah ini!

Sebagaimana yang telah dijelaskan pada hukum II termodinamika bahwa Potensial Termodinamika terbagi atas 4 yakni Perubahan Energi Bebas Gibbs (dG), perubahan entalpi (dH), perubahan energi dalam (dU) dan perubahan energi bebas Helmholtz (dF).

Hubungan ke empat potensial termodinamika tersebut akan lebih mudah dipahami dengan segi delapan diatas. Aturan mainnya sederhana yakni

Jika kita bergerak ke arah atas atau ke kanan maka akan diberi tanda positif. Misalnya dari T ke G, atau dari V ke U. Begitu pula sebaliknya jika bergerak ke kiri dan ke bawah maka diberi tanda negatif.

Sebagai contoh : Perubahan Energi Bebas Gibbs (dG) memiliki sudut terdekat tekanan p, sehingga dp diberi tanda postif, sedangkan temperature berada di bawahnya maka perubahan temperaturnya adalah dT. Dengan demikin dapat dituliskan persamaan awalnya adalah …

dG = … dp – … dT

Sekarang kita hanya harus tau besaran yang ada didepannya, cara termudahnya adalah menganalisis satuan dari besaran yang ada disisi kiri dan sisi kanan.

G adalah besaran energi sehingga satuannya dinyatakan dalam Joule atau Nm, dp yang bersatuan Nm^-2, harus dikalikan dengan sesuatu yang ada di segi depalan tersebut agar besaran sama, oleh karena itu dp dikalikan dengan Volume (m³) agar besaran sama.

Nm = m³ Nm^-2

maka dari sini kita akan temukan satu bagian V. dp.

Untuk unsur dT dalam satuan Kelvin (K) harus dikalikan dengan JK^-1 agar menghasilkan satuan Joule. JK^-1 tidak lain adalah satuan dari besaran entropi (S) sehingga persamaan dG adalah :

dG = V dp – s dT

Persamaan ini disebut sebagai konsep Potensial Termodinamis I.

Selanjutnya mari melangkah untuk Perubahan energi Entropi (dH). dengan cara yang sama kita akan menemukan persamaan awal

dH = … dP + … dS

Agar sisi kiri dan kanan setara maka dP dikalikan dengan suhu (T) dan dP dikalikan dengan V, sehingga persamaan ini ditulis dalam bentuk :

dH = V dp + T dS

Berdasarkan jembatan keledai ini maka didapatkan hubungan dari besaran konsep fisis termodinamis ini sebagai berikut :
1. dG = V dp – S dT
2. dH = V dp + T dS
3. dU = T dS – p dV
4. dF = – p dV – S dT
B. Definisi Potensial Termodinamis

Fungsi Gibbs – mari kita tinjau konsep termodinamis di persamaan pertama dG = V dp – S dT, kemudian untuk persamaan dH = V dp + T dS. Dari persamaan ini bisa kita subtitusian nilai V dp pada persamaan dG dengan

V dp = dH – T dS

sehingga dG bisa ditulis

dG = dH – T dS – S dT

dG = dH – (T dS + S dT)

unsur (T dS + S dT) ini tidak lain hasil dari turunan parsial dari d(TS), dengan demikian

G = H – TS

Persamaan ini tidak lain adalah fungsi GIBBS, yang pada beberapa buku di tulis A = U – TS, bergantung dari rujukan penulisan.

Entalpi – Untuk Entalpi, kita menggunakan konsep potensial termodinamis dH = V dP + T dS, dimana T dS bisa didapatkan dari dU = T dS – p dV, oleh karena itu

T dS = dU + p dV

sehingga

dH = V dp + dU + p dV

dH = dU + (V dp + p dV)

unsur (V dp + p dV) adalah turunan parsial dari d(pV) maka Entalpi H adalah

H = U + pV

Energi Dalam – Untuk energi dalam kita perhatikan persamaan dU = T dS – p dVm dimana T dS = dQ dan – p dV = dW maka Energi dalam adalah :

U = Q + W

Energi Bebas Helhomzt – perhatikan persamaan dF = – p dV – S dT, dimana dU = T dS – p dV, sehingga

– p dV = dU – T dS

sehingga

dF = dU – T dS – S dT

dF = U – ( T dS + S dT)

unsur ( T dS + S dT) tidak lain dalah turunan parsial dari d(TS) sehingga

F = U – TS
December 1, 2020
Periode dan Persamaan Umum Gelombang Sinosoidal pada GHS – Kasus Pegas
AhmadDahlan.NET – Untuk menganalisis periode dan karakteristi Sinosoidal pada pegas, mari kita misalkan sebuah pegas dengan konstanta k digantungkan beban sebesar m seperti pada gambar dibawah ini !

Ketika pegas diberi ganguan yang kecil maka akan berosilisasi dengan gaya-gaya yang bekerja pada pegas adalah :
1. Gaya Berat, w = mg
2. Gaya Pemulih dari pegas yakni F_k = – k (y + Δy)
3. Gaya peredam F_D = -Dv_y
4. Gaya eksternal dari ganguan yang diberikan F_e.
Karena benda bergerak dengan kecepatan yang tidak tetap maka berlaku hukum II Newton tentang gerak sehingga :

Σ F = ma

gaya-gaya yang berlaku kemudian dmasukkan ke dalam ΣF, sehingga persamaan ini bisa ditulis :

W + F_k + F_D + F_e = ma_y

mg – k (y + Δy) – Dv_y – Fe = ma_y

mg – ky – kΔy – Dv_y – Fe = ma_y

Perhatikan unsur mg = kx dan v_y = dy/dt, dan a_y = d²y/dt² maka persamaan ini bisa ditulis :

unsur Δy tidak lain adalah simpangan (y), persamaan kemudian dapat ditulis dengan bentuk :

Pada gerak harmonik sederhana, D dy/dt dapat dihilangkan karena pegas tidak mengalami regangan karena dianggap akan terus berayun sedangkan gaya Fe dapat dihilangkan karena sistem sudah dalam keadaan setimbang, sehingga persamaan ini dapat ditulis :

Pada saat posisi pegas berada pada kecepatan maksimum maka kecepatan sesaat nya adalah ω² = k/m

Dalam persamaan diferensial Biasa orde II (PDB Orde II), bentuk ini bisa ditulis

r² + ω² = 0

r² + ω² = 0 memiliki akar-akar persamaan r_1,2=±iω₀ sehingga bentuk solusi adalah :

y(t) = c₁ cos ω₀t + c₂ sin ω₀t

kedua ruas kemudian dikalikan dengan √(c₁²+c₂²) / √(c₁²+c₂²) sehingga :

jika kita misalkan R² = c₁²+c₂² maka :

masukkan solusi ke persamaan y(t) maka solusinya adalah :

y(t) = R (sin θ cos θ ω₀t + cos θ sin θ ω₀t)

berdasarkan idnetitas trigonometri persamaan dapat ditulis lebih sederhana yakni

y(t) = R cos (ω₀t ± θ)

R tidak lain adalah Amplitudo arau R maksimum sehingga persamaan umum gelombang berlajan yang berubah terhadap waktu adalah :

y(t) = A cos (ω₀t ± θ)

dimana :
```
A : Amplitudo (m)
y(t) : Simpangan (m)
ω : Kecepatan sudut (rad/s)
t : waktu (s)
θ : beda fase
```
Persamaan y(t) = A cos (ω₀t ± θ) ini juga dikenal sebagai persamaan umum gelombang berjalan untuk herak harmonik sederhana.

Periode dan Frekuensi Gelombang

Perhatikan hubungan kecepatan sudut ω = 2πf, dan ω² = k/m sehingga dapat disimpulkan jika

Dimana :
```
T : Periode gelombang berjalan (sekon)
f : frekuensi gelombang (hz)
```
perhatikan persamaan periode getaran dari yang menunjukkan hubungan antara T ~ √m. Hal ini menunjukkan jika kelambaman (inersia) dari massa juga berpengaruh terhadap periode ayunan dimana semakin besar inersia maka semakin lama pula periode getarannya.

Baca Juga : Gerak Melingkar

Tugas dan Latihan

Karena y(t) adalah fungsi simpanga terhadap waktu maka turunan pertama y(t) terhadap waktu adalah kecepatan dan turunan kedua adanya percepatan, maka tentutakanlah :
- Persamaan kecepatan
- Persamaan percepatan.
November 25, 2020
Energi Gerak Harmonik Sederhana pada Pegas
AhmadDahlan.NET – Semua benda yang bergerak di permukaan bumi ini akan membutuhkan energi dan berlaku hukum kekekalan energi mekanik, termasuk pada Pegas.

A. Energi Potensial Pegas

Pada saat pegas diberi gaya baik diregangkan atau dimanpatkan hingga mengalmai pertambahan panjang sebesar x, Pegas sebenarnya diberikan energi yang oleh pegas dirubah menjadi energi potensial. Energi potensial ini akan berubah menjadi energi kinetik begitu gaya yang diberikan dilepas.

Besar energi Potensial dari pegas adalah :

E_P = 1/2 kx²

Dimana
```
E_P : Energi Potensial Pegas (J)
k : Konstanta Pegas (N/m)
x : Perpindahan pegas (m)
```
B. Energi Kinetik

Ketika gaya yang diberikan ke pegas dilepas, semua energi yang dikonversi oleh pegas menjadi energi potensial pegas, perlahan-lahan berubah menjadi energi kinetik seiring dengan pertambahan kecepatan dari pegas.

Besar energi kinetik ini adalah :
```
E_k=\frac{1}{2}mv^2
```
Dimana
```
E_K : Energi Kinetik (J)
m : massa beban (kg)
v : kecepatan sesaat (m/s)
```
C. Energi Mekanik Pegas

Pada awal pegas dilepas, energi potensial pegas berada pada posisi maksimal, sejenak dalam keadaan diam (Ek = 0) kemudian kecepatan beban perlahan-lahan bertambah sampai pada posisi x = 0 atau posisi setimbang ketika pegas tidak diberikan gaya, kecepatan di posisi ini beban memiliki kecepatan maksimal sehingga :
```
E_{k.mask}=\frac{1}{2}mv_{k.mask}^2
```
Di posisi ini, seluruh energi potensial sudah berubah menjadi energi kinetik sehingga E_P = 0. Sesaat setelah melewati setimbang, pegas kemudian memiliki tahanan dan membuat kecepatan dari pegas berkurang, tahanan ini adalah proses merubahn energi kinetik menjadi energi potensial samapi akhirnya mencapai perpindahan terjadi dari pegas.

Perpindahan terjauh atau perpindahan maksimal dari pegas tidak lain adalah amplitudo GHS itu sendiri A = x_maks. Sehingga energi potensial maksimal dari pegas adalah :
```
E_k=\frac{1}{2}kA^2
```
Dalam keadaan ideal dimana tidak ada energi yang hilang karena panas, proses ini akan terjadi berulang-ulang terus menerus tanpa henti. Berdasarkan hukum kekekalan energi Mekanik maka :

E_M = E_K + E_P
```
E_M : Energi Mekanik
```
Hanya kondisi di dunia nyata, sangat sulit untuk menemukan sistem pegas yang ideal karena karakteristik dari pegas itu sendiri. Getaran-getaran yang terjadi pada pegas di dunia nyata adalah getaran pegas teredam.

Soal dan latihan
1. Sebuah pegas mengalami pertambahan panjang sebesar 15 cm ketika digantungkan beban bermanssa 0,3 kg. Pegas ini kemudian diletakkan vertikal di atas meja tanpa gaya gesek di atas, jika pegas ditarik sejauh 10 cm lalu dilepaskan, tentukan
  1. konstanta pegas
  2. magnitudo kecepatan maksimum dari pegas
  3. percepatan maksimum dari pegas
November 24, 2020
Osilasi Pada Pegas dan Hukum Hooke
Hukum Hooke dan Osilasi Pegas – Sebuah pegas akan mengalami perabahan panjang ketika diberikan gaya. Misalkan gaya tersebut berasal dari sebuah beban bermassa m, kemudian ditarik dengan gangguan kecil. Pegas akan begerak bolak-balok. Gerak ini disebut gerak harmonik sederhana yakni gerak osilasi pada pegas dengan gaya kecil.

A. Gerak Osilasi Sederhana

Misalkan sebuah benda terhubung dengan sebuah pegas diletakkan di atas meja licin yang gaya geseknya diabaikan.

Beban m ini kemudian didorong dengan gaya F sampai pegas bergerak sejauh x dari posisi awal, ketika gaya dilepas maka pegas akan menarik massa mendekat dengan dingding ke titik 0 lalu bergerak kembali sampai sejauh -x, gaya ini disebut gaya pegas yang kemudian akan menimbulkan rekasi gaya pemulih yang sama besar dengan gaya yang membuat pegas kembalo ke posisi 0 lalu sampai ke posisi x.

Jika sistem ini sempurna maka pegas akan terus menerus bergerak bolak-balik dengan lintasan yang sama dengan waktu yang sama. Gerak ini selanjutnya disebut sebagai osilasi dengan waktu satu getaran akan sama dengan getaran berikutnya (Periodik).

B. Hukum Hooke

Besar perpindahan (x) yang dihasilkan saat menarik pegas bergantung dari besar gaya (F) yang diberikan.

F ~ x

besar perpindahan ditentukan dari jenis pegas itu sendiri yang disebut sebagai konstanta pegas (k) dengan demikian persamaan ditulis :

F = -kx
```
F : Gaya pemulih (N)
k : konstanta pegas (N/m)
x : perpindahan (m)
```
tanda negatif (-) menunjukkan bahwa gaya pemulih berlawanan arah dengan gaya pegas yang diberikan. Persamaan ini juga dikenal sebagai Hukum Hooke karena ditemukan oleh Robert Hooke. Gaya ini bekerja pada pegas selama gaya yang diberikan tidak begitu besar sehingga lebh kecil dari gaya kritisnya yakni gaya yang membuat pegas mengalami perubahan bentuk.

a. Tinjauan Gerak pada Pegas

Segera setelah gaya yang diberikan ke pegas dilepaskan, maka pegas akan mulai bergerak dari keadaan diam di titik x ke sumbu -, kecepatan sesaat setalah pada posisi ini adalah kecepatan paling rendah dan menjadi maksimum pada saat benda mendekati titik kesetimbangan yakni titik 0, setelah melewati titik 0, kecepatan pegas akan berkurang dan sampai akhirnya menjadi 0 dititk -x.

Kembali dari titik -x, kecepatan benda berubah ke arah ke sumbu +, kemudian mendapatkan kecepatan maksimal di posisi 0 dan menurun ketiak melewati titik 0 ke titik x. Lama waktu yang dibutuhkan untuk melakukan satu getawan penuh, posisi yang sama, selanjutnya disebut sabagi Periode (T) sedangkan jumlah getaran yang dibentuk untuk satuan waktu disebut periode (f).

T = 1/f dan f = 1/T

Misalkan saja sebuah pegas berisolasi 4 getaran setiap sekoan maka Periodenya 0,25 sekon dan frekuensinya adalah 4 Hz.

b Susunan Pegas

Misalkan dua buah pegas dikombinasikan, maka kombinasi dari pegas ini akan memiliki dua kemungkinan yakni tersusun secara (1) pararel dan (2) seri.

1. Susunan Pegas Seri

Pada gambar di atas dapat dilihat bahwa total pertambahan panjang pegas secara keselurahan pada saat dirangkai seri adalah :

Δx_t = Δx₁ + Δx₂

Karena F = k.Δx maka persamaan ini dapat ditulis :
```
\frac{F}{k_t}=\frac{F}{k_1}+\frac{F}{k_2}
```
```
\frac{1}{k_t}=\frac{1}{k_1}+\frac{1}{k_2}
```
2. Susunan Pegas Pararel

Pada pegas yang disusun pararel, beban total yang tergantung pada sistem pegas dibagi ke dua pegas :

w_t = w₁ + w₂

jika w tidak lain adalah gaya yang diberikan maka, w = kx dimana x dianggap sama dengan pertambahan panjang x₁ dan x₂ maka konstanta penggantinya adalah

k_tx = k₁x + k₂x

k_t = k₁ + k₂

Solusi ini secara matematis dianggap benar, hanya saja pada kenyataannya jika pegas memiliki konstanta berbeda dan dirangkai pararel, beban harus diletakkan sedemikian rupa agar pertambahan panjang dari pegas bisa sama, jika tidak maka pertambahan panjang dari rangkaian ini tidak akan sama.

Latihan Konsep dan Soal Pegas

Sebuah mobil dengan massa 1200 kg memiliki 4 pegas yang dirangkai pada tiap bannya. 4 orang menaiki mobil tersebut dengan massa total 200 kg membuat mobil tertekan sejauh 3 cm.
1. berapaka konstanta pegas dari masing-masing mobil?
2. Jika dia orang lagi naik ke atas mobil dengan asumsi satu orang bermassa 50 kg, berapakah perubahan panjang pegas?
November 21, 2020
Hukum Archimedes dan Gaya Hidrostatis
AhmadDahlan.NET – Semua benda yang tercelupkan sebagian atau seluruh ke dalam suatu fluida akan mengalami sejumlah gaya apung oleh suatu fluida. Gaya ini disebut sebagai gaya hidrostatis atau gaya apung yang disebabkan oleh zat cair yang diam.

Misalkan saja sebuah bola yang ditenggelamkan ke dalam sebuah kolam renang akan mengalami gaya apung yang mendorong balik bola tersebut ke atas. Dalam kasus ini akan berlaku hukum Newton tentang gerak. Jika gaya apung lebih besar dari gaya yang dikeluarkan oleh tangan untuk mendorong bola tersebut, maka benda tidak akan tenggelam, begitu pula sebaliknya.

Gaya apung juga bekerja pada benda yang tenggelam sekalipun benda tersebut sudah berada di bawah air. Gaya apung akan selalu dialami oleh benda yang ada di dalam fluida hanya saja pada kasus benda tenggelam gaya apung lebih kecil di bandingkan dengan gaya berat benda.

A. Tekanan dan Gaya Apung

Gaya Apung disebabkan oleh tekanan yang diberikan oleh fluida terhadap benda yang ada di dalamnya. Perhatikan benda yang berada dalam keadaan melayang di dialam sebuah fluida.

Pada benda di atas berlaku dua gaya yakni

F_B = F₂ – F₁

Masukkan persamaan Tekanan Fluida yakni P = F/A

F_B = P₂A – P₁A

F_B = ρgh₂ A – ρgh₁A

F_B = ρgA(h₂-h₁)

A(h₂-h₁) tidak lain adalah volume dari benda sehingga

F_B = ρgV

B. Hukum Archimedes

Raja Hieron II yang hidup sekitar abad 2 SM curiga bahwa mahkota yang ia miliki ini tidak terbuat dari emas yang klaim terbuat dari emas murni oleh sang empunya. Heiron pun meminta bantuan dari Archiemedes untuk membuktikan bahwa dugannya tentang mahkota bukanlah emas.

Data tentang emas dan alat ukur emas pada zaman tersebut tentu saja tidak secanggih sekarang sehingga akhirnya Archimedes memutar otak untuk memenuhi permintaan raja, sampai suatu ketika Archimedes masuk ke dalam bak mandi yang berisi penuh air. Setiap kali ia mencelupkan lebih banyak bagian tubuhnya di dalam bak mandi, air yang tertumpah semakin banyak. Ia kemudian menyadari bahwa jumlah zat cair yang tertumpah itu sebanding dengan volume tubuhnya yang masuk dan akhirnya ia berlari keluar dari kamar mandi sambil berteriak Eureka!!!, Eureka!!!, Eureka!!!.

Eureka berarti saya temukan dan teriakan itu menandakan ia telah menemukan solusi dari permasalahan raja. Archimedes kemudian mengambil sebongkah emas murni yang massanya sama dengan massa dari mahkota. Archimedes mengklaim jika jumlah volume air yang dipindahkan saat mencelupkan emas murni ke dalam bejana sama dengan mahkota raja, maka mahkota tersebut adalah emas, jika tidak maka mahkota tersebut tidak terbuat dari emas murni.

Hasilnya Volume air yang pindahkan jauh lebih sedikit dari emas murni yang dibawa Archimedes, jadilah sang empu pembuat mahkota di hukum Gantung. Peristiwa tersebut tercatat dalam sejarah dan nama Archimedes pun diabadikan sebagai hukum Archimedes untuk gaya Apung Fluida.

Contoh Kasus

Sebuah mahkota seberat 147 N di udara, jika ditimbang didalam air, beratnya berkurang menjadi 134 N. Jika gaya gravitasi ditemapt tersebut adalah 10 m/s², apakah mahkora tersebut terbuat dari emas?

Solusi :

Konsep : Emas memiliki massa jenis sekitar 19.300 kg/m³, jika tidak sesaui dengan massa jenis maka Mahkota tersebut tidak terbuat dari emas murni.

Gaya yang dialami oleh Fluida adalah

Σ F = 0

W_B – F_T – F_f = 0

W_B – F_T = F_f

Jika

w = mg = ρ₀Vg

W_B – F_T = F_f = ρ_oVg

Bagikan ke dua ruas dari persamaan tersebut maka :

Hasil ini menunjukkan bahwa densiti dari mahkota tersebut hanya 11.300 kg/m³.

Soal Latihan
1. Sebuah gelas ukur diletakkan di atas neraca elektronik. Sebuah bola tembaga dengan jari-jari 2,6 cm digantung dengan seutas tali kemudian dicelupkan ke dalam gelas tapi dijaga tidak menyentuh lantai dasar. Berapakah besar tegangan tali dari penggantung tersebut, jika massa bola tersebut sebesar 975 g?
November 20, 2020