bab_1 fisika dasar

13
PENDAHULUAN 1-1. ARTI FISIKA Fisika berasal dari kata Yunani yang berarti "alam". Karenaitu "Fisika" adalah ilmu pengetahuan yang mempelajari benda-benda di alam, gejala-gejala, kejadian- kejadian alam serta interaksi dari benda-benda di alam tersebut. Gejala-gejala ini pada mulanya adalah apa yang dialami oleh indera kita, misalnya penglihatan, menemukan optika atau cahaya,pendengaran menemukan pelajaran tentang bunyi, panas juga dapat dirasakan (perasaan). Demikianlah fisika didefinisikan sebagai proses benda-benda alam yang tak dapat berubah artinya benda mati. (Biologi mern- pelajari benda-benda hidup). Maka disimpulkan bahwa "fisika" adalah ilmu penge- tahuan yang tujuannya mempelajari bagian-bagian dari alam dan interaksi antara bagian tersebut. Sebagaimana diketahui, benda-benda di alam terbagi atas 2 bagian: alam makro yaitu benda-benda yang ukurannya besar dapat dilihat dengan alat-alat yang ada saat ini; alam yang besar ini tennasuk benda-benda yang sangat besar dengan jarak antara 2 benda juga besar sekali, misalnya bulan, matahari, bumi dan lain-lain. Alam mikro adalah benda-benda kecil sekali dengan jarak antara benda tersebut sangat kecil, benda-benda mikro ini tak dapat dilihat dengan alat-alat biasa. 3

Upload: api-3809516

Post on 07-Jun-2015

5.834 views

Category:

Documents


18 download

DESCRIPTION

materi kuliah tentang dasar dasar fisika

TRANSCRIPT

PENDAHULUAN

1-1. ARTI FISIKA

Fisika berasal dari kata Yunani yang berarti "alam". Karenaitu "Fisika" adalahilmu pengetahuan yang mempelajari benda-benda di alam, gejala-gejala, kejadian­kejadian alam serta interaksi dari benda-benda di alam tersebut. Gejala-gejala inipada mulanya adalah apa yang dialami oleh indera kita, misalnya penglihatan,menemukan optika atau cahaya,pendengaran menemukan pelajaran tentang bunyi,panas juga dapat dirasakan (perasaan). Demikianlah fisika didefinisikan sebagaiproses benda-benda alam yang tak dapat berubah artinya benda mati. (Biologi mern­pelajari benda-benda hidup). Maka disimpulkan bahwa "fisika" adalah ilmu penge­tahuan yang tujuannya mempelajari bagian-bagian dari alam dan interaksi antarabagian tersebut. Sebagaimana diketahui, benda-benda di alam terbagi atas 2 bagian:alam makro yaitu benda-benda yang ukurannya besar dapat dilihat dengan alat-alatyang ada saat ini; alam yang besar ini tennasuk benda-benda yang sangat besardengan jarak antara 2 benda juga besar sekali, misalnya bulan, matahari, bumi danlain-lain. Alam mikro adalah benda-benda kecil sekali dengan jarak antara bendatersebut sangat kecil, benda-benda mikro ini tak dapat dilihat dengan alat-alat biasa.

3

Menurut sejarah, fisika adalah bidang ilmu yang tertua, karena dimulai dari penga­matan-pengamatan dari gerakan benda-benda langit, bagaimana lintasannya, peri­odenya, usianya dan lain-lain. Ilmu yang mempelajari gerak benda ini disebutmekanika. Bidang ilmu ini dimulai kira-kira berabad abad yang lalu. Mekanikaberkembang pada zamannya Galileo dan Newton. Galileo merumuskan hukum­hukum benda-benda jatuh, Newton mempelajari gerak benda pada umumnya, ter­masuk planet-planet pada sistem tatasurya. Hukum Newton adalah dasar darimekanika.

1-2 CABANG-CABANG FISIKA

Fisika klasik Mekanika, Listrik Magnit, Panas, Bunyi, Optika dan Gelombangadalah perbatasan antara fisika klasik dan modern.

Fisika Modern: adalah perkembangan fisika mulai abad 20 yaitu penemuan teor irelativitas dari Einstein.

Fisika klasik bersumber pada gejala-gejala perasaan. Ilmu Fisika sudah jelas men ­dukung teknologi, termasuk engineering, kimia, biologi, kedokteran dan lain-lain.Ilmu Fisika dapat menjawab pertanyaan-pertanyaan mengenai, misalnya :

1. Mengapa bumi dapat mengelilingi matahari ?

2. Bagaimana udara dapat menahan pesawat terbang yang berat itu ?

3. Kenapa langit berwarna biru ?

4. Bagaimana suara dapat dipancarkan ke tempat jauh melalui radio dan telepon ?

5. Bagaimana TV dapat menjangkau tempat-tempat yang jauh ?6. Bagaimana sifat-sifat listrik sangat diperlukan dalam operasi-operasi siste m

komunikasi dan industri ?

7. Bagaimana peluru antar benua dapat diarahkan kesasaran yang jauh sekaliletaknya?

8. Dan akhirnya bagaimana pesawat dapat mendarat di bulan ? Sebagaimanadiketahui kita sekarang berada dalam zaman energi atom dan inti, memasukiabad ruang angkasa, di mana Fisika dan para fisikawan ikut ambil bagian.

4

1-3 HU'BUNGAN FISIKA DENGAN ILMUPENGETAHUAN LAIN

Tujuan fisika adalah agar kita dapat mengerti bagian-bagian dasar dari benda­benda dan interaksi antara benda-benda.jadi untuk menerangkan gejala-gejala alamoDari pernyataan ini kita ketahui bahwa fisika adalah bidang ilmu pengetahuan alamyang paling dasar. Ilmu kimia berdasarkan kepada fisika dan kimia, untuk mene­rangkan proses-proses yang terjadi dalam benda-benda hidup. Ilmu teknik jugabersandar kepada fisika dan kimia. Fisika adalah penting untuk menunjang risetmurni maupun terpakai. Misalnya akhli-akhli geologi dalam risetnya menggunakanmetode-metode gravimetri, ekustik, listrik dan mekanika. Rumah-rumah sakitmoderndilengkapi dengan alat-alat elektronik. Ahli-ahli astronomi memerlukan optik, spektro­grafi dan teknik radio, demikian pula ahli-ahli meteorologi, oceanologi, seismologimemerlukan pengetahuan fisika.

1-4 PENGUKURANSuatu hal yang selalu dilakukan oleh fisikawan adalah mengukur. Mengukur

adalah membandingkan suatu besaran dengan besaran standar. Namun angkakesalahan tak dapat dihindari dalam setiap pengukuran. Padahal fisika termasuk ilmueksakta, pengetahuan eksak yang berdasarkan pada pengukuran. Setiap pengukuranselalu mempunyai batas ketelitian, disebabkan oleh antara lain: alat ukurnya sendiridan pembacanya. Misalnya :

Panjang sebuah batang Q= 4 m, ini tidak berarti tepat 4 m, kemungkinan beradaantara 4,05 m dan 3,95 m, ditulis sebagai Q= (4,00 ± 0,05) m. 0,05 adalah ketelitianpengukuran, makin kecil angka ini makin baik hasil pengukuran kita. Dengan grafikdapat pula diukur besar-besaran tertentu. Grafik menyatakan kejadian-kejadiansebagai gambaran dari bentuk matematis.

Misalnya : T ~ 2 " {[

adalah periode suatu bandul sederhana, untuk mencari harga g, dengan g =percepatangravitasi bumi, Q =panjang tali, T dapat diukur, jadi didapat hubungan antara T danQ atau T2 dan Q. T dan Qmerupakan lengkungan, T2vs Qmerupakan garis IUfUS dengankoefisien arah : 4 7t2

9

Cara menuliskan hasil pengukuran sebaiknya secara ilmiah yaitu menulis dalamdesimal.

5

Tabel I-I. Kelipatan Metrik (SI)

Besar Prefix Simbol

10-18 atto a10-15 fe n to f10-12 pic 0 P10-9 nano n10-6 micro Il10-3 mill i m10-2 c e n t i c10-1 dec i d

10° satuan dasar -10 deca D

102 hecto H

103 k i 10 k atau K

106 mega M109 glga G

1012 t era T

1-5. BESARAN, DIMENSI, SATUAN.

BesaranDefinisi : Besaran adalah sesuatu yang dapat diukur.

Dalam fisika besaran terbagi atas besaran dasar, besaran turunan, dan besaranpcicngkap. Besaran dasar adalalr oesaran yang rak rerganrung pada oesar-besaranlain dan besaran turunan adalah besaran yang diturunkan dari besaran-besaran dasar,jadi merupakan kombinasi dari besaran dasar. Adapun besaran pelengkap adalahbesaran yang diperlukan untuk membentuk besaran turunan. Besaran dasar dalamfisika, menurut sistem International (S.n yang mulai berlaku sejak 1960 -padakonferensi International dari "Bureu of Weights and Measures" di Paris adalah :

6

Tabel 1-2 Besaran Dasar Dan Satuan S 1

No. Besaran Simbol Satuan SimbolDimensi I

1. panjang I meter m2. massa m kilogram kg3. waktu t sekon(detik) s (det)4. arus listrik I ampere A5. Temperatur termo- T kelvin K

dinamis

6. Intensitas penyi- Lc candela (lilin) Cd.naran

7. banyaknya zat mole mol

Besaran pelengkap8. sudut datar - radian rad

(plane angle)9. sudut ruang - steradian Sr

(solid angle)

Gambar 1-1

7

Sudut datar terbesar :

sudut ruang terbesar :

2 1t r--- =21t rad

r

---=41tSr

Besaran turunan misalnya : keeepatan, gaya, kerja , kecepatan putar, frekuensidan lain-lain. Untuk mekanika besaran dasar adalah : panjang, massa dan waktu.

Dari bermacam-rnacam besaran ini, ada besaran yang harganya tak tergantungpada sistem koordinat dan ada pula besaran yang harganya sangat tergantung padasistem koordinat. Besaran maeam pertama disebut skalar, sedangkan yang terakhirvektor. Jadi maeam pertama disebut skalar, sedangkan yang terakhir vektor. Jadimaeam besaran terbagi dalarn :

1. Skalar, mempunyai satu komponen

2. Vektor, mempunyai riga komponen

3. Tensor, mempunyai tiga pangkat n ( 3" ) komponen dengan n ~ 2 (bulat).

Sebenarnya semua besaran adalah jenis tensor dengan n mulai dari nol, tensor tingkatnol, n = 1, tensor tingkat 1 dan seterusnya .

DimensiDefinisi : Dimensi adalah eara penulisan dari besaran-besaran dengan

menggunakan simbol-simbol (lambang-Iambang) besaran dasar.

Notasi (eara penulisan) dimensi adalah panjang

massa

waktu

[I]

[m][t]

Contoh:[F], dibaea dimensi F (gaya) adalah [m] La] = [m] 11] rtF ,

dengan a adalah pereepatan.

Guna dimensi :1. Untuk menurunkan satuan dari suatu besaran.

2. Untuk meniliti kebenaran suatu rumus atau persamaan.

8

Metode penjabaran dimensi

1. Dimensi mas kanan =dimensi ruas kiri

2. Setiap suku berdimensi sarna

SatuanDefinisi : Satuan adalah ukuran dari suatu besaran

Misal: meter, kilometer, untuk satuan panjang; detik, jam, untuk satuan waktu;gram, kilogram, untuk satuan massa.

Semua besaran mempunyai satuan, tapi belum tentu mernpunyai dimensi (besaranpelengkap), misalnya sudut, getaran, putaran dan lain-lain. Satuan dari besaran dasaradalah satuan dasar, dan besaran turunan mempunyai satuan turunan, sedangkanbesaran pelengkap mempunyai satuan pelengkap. Sebuah besaran tidak ada artinyajika tidak disertai satuannya, misalnya tak dapat dikatakan bahwa panjang sebuahpinsil 20, ini mungkin 20 em, atau 20 inci. Jadi satuan menentukan ukuran suatubesaran. Satuan be saran turunan harus menggunakan satu sistem tertentu, kecualipada pemakaian sehari-hari misalnya kecepatan mobil dalam krn/jam tidak dalam rn/del. ; berat dalam kilogram, bukan Newton (berat adalah gaya), satuan sehari-haridisebut satuan praktis.

Sistem satuan.

Ada dua macam bentuk satuan : metrik dan non metrik (British Unit =satuanInggeris). Menurunkan sistem satuan berdasarkan kepada hukum Newton, F =k.m.a.disederhanakan untuk k =1, sehingga sistem satuannya dinamakan :"dirasionalisasi"dan k tidak berdimensi. Sistem yang dirasionalisasi ini ada 2 macam; sistem statis dansistem dinamis, dengan masing-masing rnernpunyai bentuk metrik dan non metrik.

Sistem dinamisSebagai be saran dasar adalah panjang, massa, waktu (sistern 1m t). Sistem ini

ada 2 macam : cgs dan mks. Sistern mks ini sekarang dinamakan mksa atau mksc( a =ampere, c =coulomb) singkatan untuk sistem International (S.I.). Sistem nonmetrik yang disingkat fps, berarti panjang dalam feet, massa dalarn pound, dan waktudalam second.

c.g.s.

m.k.s.

= cm - gram - sekon.

= meter - kilogram - sekon .

Sistem StatisSebagai besaran dasar adalah panjang, gaya, waktu (sistem 1Ft). Pada sistem

ini, sistem metrik ada 2 macam, yaitu : sistem gravitasi dan sistem teknis (praktis)dan kedua sistem terakhir ini terbagi lagi atas sistem statis besar dan kecil.

9

Sistem statis besar gravitasi

Panjang dalam meter, berat dalam kilogram berat dan waktu dalam sekon.

Sistem statis keeil gravitasi : panjang dalam em, berat dalam gram berat danwaktu dalam sekon (detik).

Sistem statis besar teknis : panjang dalam meter, gaya dan waktu dalam sekon.

Sistem statis keeil teknis : panjang dalam cm, gaya dalam gram gava dan waktudalam sekon.

Sistem non metrik hanya ada 1 macam untuk sistem gravitasi dan teknis yaitu :Sistem gravitasi : ft - @bwt - sec.

Sistem teknis : ft - @bf - sec.

Catatan:Sistem mks dipilih untuk penggunaan praktis, yang sekarang digunakan diseluruh dunia. Pada sistem statis (@ Ft), satuan berat adalah kilogram berat ataukilogram gaya, sedangkan untuk massa satuannya kg massa atau juga digunakansmsb dan smsk. Perhatikan nanti pada bab II penjelasan tentang massa dan berat.

S.l. sebenarnya adalah sistem mks yang telah disempurnakan dalam satuan stan­darnya (satuan patokan), tidak lagi dipergunakan definisi sebelum tho 1960.Definisi lama tidak dapat lagi dipertahankan ketelitiannya. Standar yang baru,yang berlaku sejak 1960 tak dapat berubah pada kondisi apapun.

Deflnisi satuan-satuan dasar menurut S.I.

MeterSatu meter adalah panjang yang sarna dengan 1.650.763,73 kali panjanggelombang dalam vakum dari sinar merah spektrum atom Kr86 (Krypton 86)yang merupakan radiasi yang disebabkan oleh transis i antara tingkat energi2 PIO dan 5 d.,

KilogramSatu kilogram adalah massa standar kilogram berbentuk silindris yang dibuat daribahan platina iridium yang disimpan di Sevres Perancis.

De t i kSatu detik adalah interval waktu dari 9.192.631,770 kali waktu getar radiasiyang disebabkan oleh transisi antara tingkat halus (fine structure energy level)dari ground state atom Cs 133 (Caesium - 133).

10

AmpereSatu amper adalah arus tetap yang terjadi bila pada dua buah konduktor lurussejajar panjangnya tak berhingga dan diabaikan luas penampangnya berjarak 1meter di1etakkan di ruang vakum akan menghasilkan gaya antara kedua kon­duktor sebesar 2 x 10-7 newton per meter.

Kalori

Satu kalori adalah

Candela

1

273, 16bagian dari temperatur termodinamis darititik tripel ari

Satu candela adalah kuat penerangan secara tegak lurus pada permukaan yang

luasnya 600~OOO m2 dari sebuah "benda hitam" pada titik beku platina.(2046.65 derajat kelvin) pada tekanan 101325 Newton per meter kwadrat.

Mole.Satu mole adalah banyaknya zat yang mengisi atom Cl2 sebanyak 0,012 kg

(atau yang mengandungjumlah atom C yang sarna dengan 0,012 kgCI2 murni).

Contoh pemakaian

1. Menentukan satuan.

[F] = [m] [@] [tF = gaya ,mempunyai satuan : kg - m - dr', untuk gaya, satuan ini mempunyai namakhusus yaitu Newton.[p] =[m] [@l3 =massajenis atau kerapatan massa mempunyai satuan kg - m'.

2. Meneliti rumus.

F =-kx - rv, dengan F = gaya.x = jarak.v = kerapatan.

11

ruas kiri : gaya, dimensinya [m] If] [tF setiap suku berdimensi gaya juga.

jadi :

k harus berdimensi = [m] [i ] [tj-2 In-I= [rn] [t]-2

r harus berdimensi = [mll~ ] [t]-2 In- l

= [mjlt]-I

3. Apakah persamaan ini benar ?p + 1/2 mv? + pgh = konstan, dengan :p = tekanan

m = massa

v == kecepatan

p = kerapatan massa

h = ketinggian

Jawab:

Ip] = IFIIAj -1 [AI = [luas] = IW

= Iml[i] Itl -2 In 1 = [rn] [~I-I[t]-2

1/2 mv? = [rn] [~F [tj-2

pgh = [rn] I~P Ii] [tF [~]

= [rn] mol [tF

Jadi dari ketiga suku ini 1/2 mv? yang berlainan, berarti rumus ini saiah,seharusnya :

p + 1/2 P v2 + P gh = konstan

12

Tabell-3. Besaran Turunan SI dan singkatannya

Besaran Definisi Simbol Dimensi Satuan Turunan

pergeseran peru bahan posisi s,r ~ meter (m)

kecepatan perubahan posisi dsper satuan waktu v =-

~ t-l meter-detik'dt

percepatan perubahan kecepatan dvper satuan waktu a =-

~ r-2 rn-detik?dt

pergeseran perubahan posisi e - radiansudut sudut

kecepatan perubahan posisi00 = dQputar dalam sudut dt r l rad/det'

percepatan perubahan kecepatan doo r 2 rad/det?U=-putar putar perdetik dt

luas - A,S ~ 2 meter?

Volume - v P meter'

momentum hasil kali massa p=mv m~ r l kg/der 'linear dengan kecepatan

momentum hasil kali momen-putar inersia dan kec. putar L = 100 m~ 2t-1 kgrni/det'

Imomen - I m I 2 kg - rrf Iinersia

impuls gaya hasil kali gayadan waktu selama Fol m~ r' newton-detikgaya bekerja

13

momen gaya perkalian gayadanlengan t=Fl mflr2 newton meter

gaya penyebab perubahangerak F=m.a m~r2 kgm/det? = N

Newton.

kerja perkalian gaya danjalan yang ditempuh W=F.s mflr2 N - m e Joule

daya kerja per satuanP = dwwaktu dt m flr3 joule/det = Watt

(W)

tekanan gaya per satuan Fluas P=A me-l r2 Newton m-2=

Pascal (Pa)

kerapatan a. massa per satuan Mmassa volume p = V me-3 kg m?

b. massa per satuan Mluas t = A mt2 kg m?

c. massa persatuan Mpanjang J.l = - me-I kg rrr'I

energi kemampuanmelakukan kerja E m fl r 2 Joule

energi kemampuan suatukinetik titik massa bergerak EK=

1/2mv2 m~2r2 joule

energi kemampuan suatupotensial benda berada pada EP=mgh m flr2 joulegravitasi ketinggian tententu

14

~

energi po- kemampuan pegas\

tensial pegas ditarik atau ditekan 1/2 kx2 m Fr2 joule .

frekuensi jumlah getaran persatuan waktu v= 1 r l cycle sekon'-

T(Hz)

perioda waktu untuk satu

ayunan T t detik.

kuat medan gaya per satuan F m] r2 newton/kg:'

gravitasi-

massa m

potensial energi potensialv= EPgravitasi per satuan waktu ~ 2 r2 joule/kg:'

m

15