AhmadDahlan.NET – Massa Jenis adalah besaran fisika yang mendefenisikan mengenai Kerapatan Massa Benda terhadap Volumenya. Rumus Massa Jenis sebagai berikut :
\rho=\frac{m}{V}
ρ = masa jenis (kg/m3) m = massa (kg) V = Volume (m3)
Contoh Soal Massa Jenis
Sebuah kubus dengan panjang sisi 5 cm memiliki massa 250 gram. Berapakah massa jenis Kubus dalam SI?
Budi menimbang sebuah minyak goreng sebanyak 2 liter dan menemukan massanya sebesar 1600 gram. Berapa massa jenis Minyak goreng yang ditimbang oleh Budi?
Sebuah Mobil Tangki Bensin mengangkut Bensin sebanyak 20.000 Liter. jika massa jenis 0,73 g/cm3, berapakah berat bensin yang di bawa mobil tersebut? Asumsikan g = 10 m/s2.
Solusi Soal No. 1
Dik : m = 0,25 kg s = 0,05 m
Dit : Massa Jenis dalam SI
Penyelesaian
Volume Kubus
V = s x s x s = s3
V = (0,05 cm)3 = 0,000125 m5
\rho = \frac{m}{V}
=\frac{0,25 \ kg}{0,000125 \ m^3} = 2000 \ kg/m^3
Solusi Soal No. 2
Dik : m = 1600 g v = 2 L = 2 dm3 = 2000 cm3
Dit : Massa Jenis minyak goreng dalam SI
Solusi
\rho = \frac{m}{V}
=\frac{1600 \ g}{2000 \ cm^3} = 0,8 \ g/cm^3
Solusi Soal No. 3
Dik : V = 20.000 L = 20.000 dm3 = 20 m3 ρ = 0,73 g/cm3. g = 10 m/s2
AhmadDahlan.NET – Ketika kita melemparkan batu ke air, batu tersebut akan tenggelam. Tahukah kalian mengapa batu tersebut tenggelam? Salah satu penyebab kejadian tersebut adalah adanya massa jenis. Berikut penjelasan mengenai massa jenis.
A. Pengertian Massa Jenis
Massa jenis secara sederhana dapat diartikan sebagai ukuran massa per volume benda dengan kata lain juga disebut sebagai kepadatan. Massa jenis tiap benda berbeda – beda tergantung dengan bahan atau material dari benda.
Massa jenis merupakan faktor penting dalam menentukan apakah sesuatu benda akan mengapung atau tidak di permukaan fluida. Massa jenis benda dapat dihitung menggunakan persamaan :
ρ=\frac{m}{V}
dimana,
ρ : massa jenis (kg/m3) m : massa (kg) V : volume
Adapun tabel daftar massa jenis berbagai benda dalam satuan sistem sebagai berikut:
No
Zat
Massa Jenis (kg/m3)
1
Air
1 000
2
Aluminium
2 700
3
Besi
7 900
4
Emas
19 300
5
Es
920
6
Perak
10 500
7
udara
1,29
B. Contoh Soal Massa Jenis
Diketahui sebuah benda berbentuk kubus yang memiliki sisi sebesar 2 cm dan jika diketahui massa kubus 100 gram. Berapakah nilai massa jenis kubus tersebut?
Penyelesaian
Diketahui : Panjang sisi benda = 2 cm Massa benda = 100 g
Ditanyakan : Massa jenis benda?
Jawab :
1. Mencari volume benda
Karena benda berbentuk kubus, maka volume benda dapat diperoleh dengan persamaan :
AhmadDahlan.NET – Mungkin kalian sudah snagat bosan mendengar pertanyaan jadul di tongkrongan yakni “manakah yang lebih berat 1 kg besi atau 1 kg kapas?”
Jawaban paling sering dilontarkan sambil mencoba melucu “Baranya sih sama, tapi kalau dilemparkan ke anda tentu saja jauh lebih berat besi”.
Tapi itukan jawaban di tongkrongan, bagaimana menurut sudut pandang sains tentang jawaban ini? Fisika sendiri punya jawaban yang berbeda tentang pertanyaan ini.
Jadi sebelum kita jawab pertanyaan ini, mari kita simak pembahasan sebagai berikut!
Massa dan Berat
Baik mari kita mulai dari konsep paling sederhana hubungan antara massa dan berat. Secara umum berat 1 kg besi akan sama dengan berat 1 kg kapas. Hal ini didapat dari persamaan berat dari Hukum Newton yakni :
w = m.g
w = (1 kg)(9,8 m/s2) = 9,8 N
Jadi menurut hukum Newton, secara umum seruluh benda dengan massa 1 kg memiliki berat 9,8 Newton di daerah katulistiwa. Jika ditimbang di eropa beratnya akan lebih dekat dengan 10 Newton.
Tapi tunggu dulu!!!. Ini bukan jawaban final. Jawabannya masih butuh pertimbangan lain.
Suka tidak suka ataupun percaya tidak bercara, 1 kg besi lebih berat dari 1 kg kapas. Bahkan jika keduanya ditimbang dalam keadaan diam.
Mengapa demikian?
Massa Besi vs Kapas
Mari kita mulai pembahasan ini dengan besaran yang terkait dengan pernyataan ini yakni massa dan berat. 1 kg kapas maupun besi menyatakan massa dari masing-masing zat. Gram (Kilogram) adalah sataun dari besaran yang disebut massa.
Massa sendiri adalah karakteristik kuantitatif (banyaknya) dari sebuah zat baik dalam bentuk padat, cair dan udara. 1 kg air memiliki massa yang sama dalam bentuk padat, cair dan gas.
Massa ini membawa karakteristik lain selain menyatakan banyaknya sebuah zat. Karakteristik ini disebut sebagai kelambaman atau kemampuan sebuah benda mempertahankan keadaannya terhadap perubahan gerakan.
Semakin besar massa benda maka semakin sulit untuk mengalami perubahan gerak. Misalnya sebuah dus mie instan akan lebih mudah digeser dibandingkan dengan lemari yang berisi penuh buku. Demikian pula dalam keandaan bergerak, benda bermassa besar akan lebih sulit dihentikan misalnya menghentikan truk yang bergerak membutuhkan gaya yang lebih besar dibandingkan dengan menghentikan bola yang menggeldinding di kecepatan yang sama.
Benda dengan massa yang sama memiliki kelambaman yang sama pula, 1 kg kapas dan 1 kg besi juga demikian.
Berat Besi dan Kapas
Selanjutnya mari kita kembali fokus ke besaran berat sebagaiman pertanyaan ini diajukan.
Berat dan massa adalah besaran yang berkaitan namun keduanya berbeda. Massa adalah besaran skalar yang nilainya akan selalu sama baik itu diam, bergerak dan dalam kondisi apapun. Berbeda dengan massa, Berat adalah besaran vektor yang nilanya dipengaruhi oleh keadaan.
Persamaan w = mg adalah persamaan umum yang hanya berlaku dalam keadaan tertentu saja. Nilai g yang sering ditulis di buku-buku fisika yakni 9,8 m/s2 dan 10 m/s2 hanya pendekatan semata. Nilainya dipengarruhi banyak hal. Misalnya posisi dari permukaan bumi atau posisi terhadap garis ekuator.
Jika kamu berada di menara Burj, Khalifa Abu Dabi, maka berat kami akan lebih ringan jika kamu mengukurnya dipuncak menara jika dibandingkan di lantai dasar.
Apalagi kalau anda naiknya ke puncak jalan kaki!
Berat juga berubah jika ditimbang dalam keadaan diam dan bergerak. Kamu akan memiliki berat yang lebih ringan saat berada dalam lift yang begerak ke atas dibandingkan bergerak ke bawah.
Lebih jauh tentang berat, besaran ini sebenarnya muncul karena adanya gaya tarik antar benda dengan medan sejenis yakni medan gravitasi yang dimiliki semua benda yang memiliki massa.
Besar gaya tarik ini adalah :
F=G\frac{Mm}{r^2}
Besar gaya tarik gravitasi ini adalah :
Mari kita hitung besar gaya gravitasi untuk benda bermassa 1 kg dengan persamaan ini. Asumsikan saja massa bumi 9,97 x 1024 kg dengan konstanta gravitasi (G) 6,673 x 10-11 Nm2.kg-2 dan jari-jari bumi adalah 6371 km, maka gaya tariknya adalah :
F = 6,673 × 10^{-11} \frac{(5,97 × 10^{24})(1)}{6 371 000^2}
Hasil perhitungan sekitar 9,814 Newton. Namun ini kita mengabaikan ukuran dari kapas dan besi itu sendiri. 1 Kg kapas tentu saja memiliki ukuran yang berbeda berbeda dengan 1 kg besi. Besi adalah materi yang jauh lebih padat dibadingkan dengan besi sehingga volume kapas pasti jauh lebih besar.
Ukuran ini tentu saja mempengaruhi jarak antara besi dan kapas terhadap pusat massa bumi karena r pada rumus gaya gravitasi adalah jarak antar pusat massa benda yang saling berinteraksi. Kita asumsuikan terlebih dahulu kedua benda adalah benda yang distribusi massanya homogen yakni sama di semua titik sehingga pusat massanya ada di bagian tengah dari masing-masing benda. Lalu asumsi berikutnya bentuknya menyerupai bola seperti berikut ini :
Dari sini kita bisa simpulkan r pada kapas dan bumi adalah Rbumi + Rkapas, sedangkan pada besi dan bumi adalah Rbumi + Rbesi. Jari-jari besi dan kapas ini dapat dihitung dengan konsep massa jenis dengan mencari terlebih dahulu volumenya.
1. Jari-jari besi
Untuk menghitung Rbesi kita terlebih mencari volume 1 kg besi dengan memasukkan massa jenis besi sebesar 7850 kg/m3 dengan demikian volumenya adalah :
\rho = \frac{m}{V}
masukkan nilai massa dan massa jenisnya
V_{besi}=\frac{1}{7850} = 0.000127 \ m ^3
Kemudian masukkan nilai volume ini ke dalam rumus volume bola :
perbandingan adalah gaya tariknya adalah 1.00000000984 : 1, dimana besi lebih berat 1.00000000984 dari berat kapas.
Pengaruh Gaya Angkat Fluida
Mari kita sepekati terlebih dahulu, kita main teka teki ini masih di salah satu area dipermukaan bumi, bukan di mars, bulan apalagi planet Namek. Karena kita berada di bumi maka otomatis pada saat beki diangkat akan ada udara di sekitar besi dan kapas. Udara sebagai fluida memiliki gaya angkat fluida seperti ilustrasi di bawah ini!
Besar gaya angkat fluida ini sama dengan :
F_f=\rho gV
Menurut Archimedes, besar gaya angkat fluida berbanding lurus dengan volume dari masing-masing benda sehingga kita bisa bandingkan bahwa kapas memiliki gaya angkat ke atas lebih besar dibandingkan dengan besi.
Jadi yuk mari kita bandingkan berat total 1 kg besi dan kapas dengan memasukkan volume yang kita sudah hitung di bagian sebelumnya. Asumsi yang kita gunakan kita berada dalam kondisi udara yang baik-baik saja sehingga massa jenisnya sekitar 1,2 kg/m3
Perbandingan gaya berat benda di udara adalah :
W_{b}-F_{fb}:W_k-F_{fk}
m_b.g-\rho_u.g.V_b:m_k.g-\rho_u.g.V_k
1-(1,2)(0.000127):1-(1,2)(0.00344)
0.9998476 :0.995872
masing masing dibagi 0.995872, maka hasilnya adalah :
1.0039920793 :1
Dari analisis tersebut kita bisa simpulkan jika Berat 1 kg besi di udara dalam keadaan standar (STP) lebih besar 1.0039920793 kali dibandingkan dengan 1 kg kapas.
Jadi jawaban dari teka-teki manakah yang lebih berat 1 kg besi atau 1 kg kapas sudah tuntas yah.
Akhir Kata
Nah ini mungkin jawaban yang lebih bertanggung jawab ketika kita diminta untuk memilih manakah yang lebib berat 1 kg kapas atau 1 kg besi. Tapi saya tidak memberi jaminan kalau tongkorongan kalian tetap asik jika kamu menjawab dengan metode ini ke teman-teman saat diberi teka-teki legend ini.
Ahmaddahlan.NET – Pesawat dan burung yang terbang di udara adalah benda yang berkerja sangat baik melawan gaya gravitasi yang menarik mereka ke permukaan bumi. Dua benda ini berkerja sama sangat baik dengan fluida sehingga mereka mendapatkan gaya apung yang cukup besar membuat mereka melayang di udara meskipun tanpa tali penggantung.
Fluida dan Wujud Materi
Materi adalah segala benda yang memiliki massa dan menampati ruang, wujudnya pada umumnya terdiri dari tigas fase yang kita kenal sebagai padat (solid), cair (liquid), dan gas. Tiga dase ini dijadikan patokan paling sederhana dalam membedakan fase materi. Misalnya (1) padat adalah fase dimana materi akan memiliki bentuk yang independent selama tidak ada gaya yang cukup besar untuk mengubah bentukknya, (2) cair adalah fase dimana zat akan memiliki kecenderungan berbetuk sesuai dengan wadahnya dan selali berada di bagian dasar wadah, dan (3) gas adalah fase dimana zat memiliki bentuk sangat bebas dan mengikuti volume dari wadah penampunya.
Dua fase dari zat memiliki kriteria yang sama yakni sama-sama tidak memiliki bentuknya sendiri karena selalu mengikuti wadah yang menampungnya. Zat menyusun dari benda dalam bentuk cair dan gas akan sangat mudah diipsahkan karena gaya ikat antar partikelnya yang lemah, jika beri ganguan partikel-partikel akan dengan mudah mengalir, seperti pada saat kita meniup balon atau menumpahkan air dari sebuah ember. Hal ini membuat dua zat tersebut dimasukkan dalam bagian kajian Fluida yang secara harifah berarti mengalir.
Wujud Materi Lain
Dalam kajian fisika materi dan larutan, wujud zat secara detail tidak hanya dibedakan ke dalam tiga wujud saja, tapi ada banyak jenis wujud zat tergantung dari karakteristik yang ingin dikaji. Misalnya dalam larutan, zat cair masih dibagi ke dalam beberapa fase seperti darah yang sifatnya koloid dimana materimateri penyusunnya terpisah sangat jelas tidak laurt seperti ketika melaurtkan gula ke dalam air.
Pada kondisi tertentu misalnya temperature yang sangat tinggi, atom-atom dari zat tertenti dapat terionisasi sehingga membentuk plasma. Kristal Cair juga dikenal sebagai fase antara padat dan cair yang banyak digunakan pada perangkat elektronik seperti televisi, smartphone, dan komputer. Padat sendiri memiliki banyak fase yang kadang kita kenal dengan sebutan cristal, amorf dan lain sejenisnya. Hanya saja dalam kajian fluida kita hanya mengkaji zat mengalir (fluida) berdasarkan fase gas dan cair.
a. Jenis-Jenis Fluida
Sebagaimana yang telah dijelaskan sebelumnya, Fluida merupakan zat-zat yang tergabung dalam dua fase yakni fase liquid dan gas. Lebih khusus lagi, fluida mengkaji zat-zat tersebut berdasarkan sifatnya yang dapat dialirkan dengan mudah.
Dalam kajian fisika, Fluida di bagi atas dua jenis yakni (1) Fluida statis atau hidrostatis yakni kajian fluida yang dalam keadaan diam seperti massa jenis, berat jenis, tekanan, dan gaya hidrostati. Kajian kedua menyangkut (2) Fluida dinamis dimana Fluida dikaji pada saat bergerak. Kajian ini meliputi hukum paskal, hukum kontinuitas, asas bernoulli dan sejenisnya.
Selain penggolangan dua ini, Fluida dibagi ke dalam dua jenis berdasarkan kemampuannya menahan tegangan permukaan. Adapun dua fluida tersebut adalah fluida Newton dan Fluida non-Newton.
Fluida Newtonian merujuk pada fluida yang memiliki kurva tegangan/regangannya linier atau τ ∼ μ, seperti Air. Fluida Newton juga memiliki viskositas yang tetap dan tidak berubah meskipun terdapat gaya di dalam fluida ini. Viskostas dari fluida Newton hanya dipengaruhi temperature dan tekanan. Fluida non-Newton adalah fluida yang kecepatnnya akan berpengaruh terdahap viskositasnya dengan kata lain kurva tegangannya tidak linier.
b. Densitas
Kelakar anak muda di tongkrongan yang paling saintis yang pernah saya dengar mungkin pertanyaan “manakah yang lebih berat antara 1 kilogram kapas, kayu ataupun besi?” Mayoritas jawaban singkat yang dapatkan akan memilih besi, karena besi 1 kg akan jauh lebih sakit ketika menimpa kepala dibandingkan dengan kapas dan kayu.
Sejatinya 1 kg besi tidaklah lebih berat dari 1 kg kapas dan kayu karena masing-masing sama-sama memiliki berat 1 Newton dengan persamaan w=mg. Akan tetap rasa sakit yang membuat seperti lebih berat dari lainnya ketika menimpa kepala karena besi jauh lebih padat dari dua zat lainnya. Tingkat kepadatan dari suatu zat disebut sebagai densiti atau massa jenis, dimana benda padat akan memiliki lebih banyak partikel dalam satuan ruang dibandingkan dengan benda lain.
Secara matematis, kepadatan ditulis dalam bentuk
\rho=\frac{m}{V}
dimana
ρ : massa jenis (kg/m3)
m : massa (kg)
V : volume (m3)
Massa jenis mewakili kriteria dari sebuah zat murni atau zat tanpa campuran misalnya tembaga (Cu). Tembaga bisa saja memiliki bentuk yang sangat kecil seperti cincin atau berbentuk kubah pada masjid-masjid klasik di daerah Rusia, namun dimanapun tembaga berad, massa jenis akan selalu sama 8960 kg/m3.
Misalkan konsep Densitas ini dimasukkan ke dalam gaya berat maka kita akan dapatkan persamaan
m = ρV
jika ke dua ruas dikali dengan g maka kita akan dapatkan
mg = ρvg
pada ruas mg ini tidak lain adalah gaya berat sedangkan pada ruas ρvg adalah gaya yang dihasilkan oleh sebuah fluida.
Berikut ini beberapa tabel densitas (massa jenis) dari beberapa unsur dan senyawa yang diukur pada tekanan 1 atm dan suhu 0oC
Zat
Densitas (kg/m3)
Baja
7850
Tembaga
8960
Aluminium
2712
Emas
19320
Es (air solid)
917
Air 4oC
1000
Air Laut
1015
Raksa (Merkuri)
13600
Etil Alkohol
0,79
Udara
1,29
Uap Air
0,598
Helium
0,179
Massa jenis suatu unusr dan senyawa memiliki nilai tetap namun nilanya pada kondisi sama, namun nilainya tetap dipengaruhi banyak variable fisis lainnya meskipun tidka begitu besar. Misalnya saja air pada suhu 4oC akan memiliki massa jenis 1000 kg / m3, namun tidak demikian jika diukur pad asuhu lebih rendah atau tinggi.
Sola Latihan :
Mengapa Iceberg dapat mengapung di lautan?
Salah satu cara mengetahui buah yang masih segar atau tidak dengan cara melihat posisinya ketika diletakkan di dalam air, buah yang lebih segar akan tenggelam, mengapa hal tersebut dapat terjadi?
Misalkan sebuah wadah berlabel 5 liter, berisi penuh cairan raksa. Berapakah massa dari raksa yang ada di dalam wadah tersebut?
Ahmad Dahlan – Massa jenis (disimbiolkan dengan ρ – huruf yunani yang dibaca rho) adalah perbandingan antara massa yang terjadi suatu zat terhadap volume zat itu sendiri.
A. Massa Jenis
Sebuah benda memiliki karakteris unik dari sisi fisis dari benda itu sendiri, salah satu dari sisi ukuran benda itu sendiri. Dalam fisika ukuran suatu benda dapat dinyatakan dalam 4 hal yakni massa, volume, dan jumlah mol.
Mari kita tinjau massa dan volumenya terlebih dahulu. Misalkan saja kita mengambil 1 kg air di sebuah sumur maka kita membutuhkan sebesar 1 liter, begitu pula kelipatannya ketika kita mengambil 2 kg air saya membutuhkan wadah berukuran 2 liter. Dengan demikian kita bisa menyimpulkan bahwa massa suatu benda berbanding lurus dengan volume benda itu sendiri.
m ∼ V
Setiap kenaikan 1 kg air akan menyebabkan kenaikan volume air sebesar 1 liter. Perbandingannya akan selalu sama sehingga nilai massa dan volume dari suatu benda dihubungan dengan sebuah nilai yang konstan yang disebut sebagai massa jenis (ρ). Maka persamaan ini dapat ditulis sebagai berikut L
m = ρV
Dimana ρ adalah perbandingan antara massa benda dan volume benda itu sendiri.
\rho = \frac{m}{V}
Kerapatan dan Massa Jenis
Massa jenis ini adalah simbil dari kerapatan suatu benda (density). Misalkan saja kita mengambil 1 kg besi, tentu saja kita hanya memiliki sedikit besi jika dibandingkan dengan air jika ditinjau dari Volumenya. Hal ini disebabkan densitas besi lebih tinggi dari air. Hal ini pula yang membuat kita butuh karung yang besar untuk menampung kapas sebanyak 1 kg.
Setiap zat memiliki densitas yang berbeda meskipun ada kemungkin beberapa jenis zat memiliki massa jenis yang sama.
Tabel Massa Jenis Beberapa zat
Jenis Zat
Densiti ρ (103 kg/m3)
Platinum
21,45
Emas
19,30
Uranium
18,70
Timbal
11,30
Tembaga
8,92
Air
1,00
Udara (1 atm)
0,0012
B. Massa Atom Relatif
Sebagaimana yang kita ketahui mengenai struktur partikel yang menyusun suatu zat terdiri atom-atom tertentu yang dikenal dengan jenis unsur unsur dan berdasarkan teori atom Rutherford dan Atom Bhor, setiap atom terdiri dari proton dan neutron yang terletak di Inti atom sedangkan pada kulit ditempati elektron.
Jumlah proton dan Neutron dalam inti sebuah atom akan berpengaruh pada massa atom relatif yang diukur dalam satuan massa atom (u), dalam beberapa buku terjemahan juga disingkat dengan sma, dimana satu u = 1,6660 538 7 x 10-27 kg. Dikatakan sebagai massa atom relatif, karena jenis atom yang digunakan untuk mengukur adalah atom dari carbon-12, atom ini digunakan sebagai satuan pembanding karena memiliki karakteristik paling stabil dari seluruh atom yang ada di alam.
Sebagai contoh, timbal dengan massa 207 u dan aluminium adalah 27 u, rasio antara massa timbal dan massa aluminium adalah 10 : 1 namun hal ini berbeda jika rasio berdasarkan massa jenis, iman rasio-nya menjadi 4,19 : 1. Hal ini disebabkan oleh jarak antar atom yang penyusun struktur kristal dari penyusun kedua atom tersebut.
Referensi: Jewet & Serway. 2007. Physics for Scientist and Enggineer.
