MAKALAHFISIKA DASAR II

DisusunOleh :

Nama : Hizkia Aharon P.

Nim : 1301186

SEKOLAH TINGGI TEKNOLOGI MINYAK DAN GAS BUMI

BALIKPAPAN 2013

DAFTAR ISI

BAB I

BAB II

BAB III

BAB IV

BAB V

Lampiran soal

Daftar pustaka

BAB I

HUKUM KIRCHOFF

Di peralatan listrik, kita sudah biasa menjumpai serangkaian listrik yang

bercabang-cabang. Untuk menghitung besarnya arus listrik yang mengalir pada setiap

cabang yang dihasilkan oleh sumber arus listrik. Gustav Kirchhoff (1824-1887)

mengemukakan dua aturan hukum yang dapat digunakan untuk membantu

perhitungan tersebut. Hukum Kirchoff I disebut hukum titik cabang dan Hukum

Kirchhoff II disebut hukum loop.

Gambar 1.1. Foto Robert Gustav Kirchoff

1.1. Hukum kirchoff I

Di pertengahan abad 19 Gustav Robert Kirchoff (1824 – 1887) menemukan

cara untuk menentukan arus listrik pada rangkaian bercabang yang kemudian di

kenal dengan Hukum Kirchoff I.

Hukum I Kirchoff berbunyi :

“jumlah kuat arus listrik yang masuk titik percabangan sama dengan jumlah

kuat arus listrik yang meninggalkan titik percabangan”.

Gambar 1.2. Persamaan kuat arus listrik

Bila digambarkan dalam bentuk rangkaian bercabang maka akan diperoleh

sebagai berikut:

Gambar 1.3. rumus kuat arus pada rangkaian bercabang

Muatan listrik yang mengalir melalui rangkaian listrik bersifat kekal artinya

muatan listrik yang mengalir ke titik percabangan dalam suatu rangkaian

besarnya sama dengan muatan listrik yang keluar dari titik percabangan itu.

Perhatikan Gambar berikut.

Muatan Q1, Q2 dan Q5 menuju titik percabangan P dan muatan Q3 dan Q4

keluar dari titik percabangan P. Secara umum muatan listrik bersifat kekal, maka

jumlah muatan listrik yang masuk percabangan P sama dengan jumlah muatan

listrik yang keluar dari titik percabangan P. Dalam hal ini berlaku persamaan:

Gambar 1.4. persamaan muatan listrik

Jika muatan mengalir selama selang waktu t, kuat arus yang terjadi:

Gambar 1.5. persamaan muatan dengan waktu

Bagaimanakah penerapan Hukum I Kirchoff pada rangkaian listrik?

Gambar 1.6. Jumlah muatan yang masuk

maupun yang keluar percabangan P tiap satuan waktu sama

Hukum I Kirchoff yang membahas kuat arus yang mengalir pada rangkaian

listrik dapat diterapkan pada rangkaian listrik tak bercabang (seri) maupun

rangkaian listrik bercabang (paralel).

1.2. Hokum Kirchoff II

Hukum Kirchoff secara keseluruhan ada 2, setelah yang diatas dijelaskan tentang

hukum beliau yang ke I. Hukum Kirchoff II dipakai untuk menentukan kuat arus

yang mengalir pada rangkaian bercabang dalam keadaan tertutup (saklar dalam

keadaan tertutup). Perhatikan gambar berikut!

Gambar 1.7. Rangkaian tertutup

Hukum Kirchoff 2 berbunyi: "Dalam rangkaian tertutup, Jumlah aljabbar

GGL (E) dan jumlah penurunan potensial sama dengan nol". Maksud dari jumlah

penurunan potensial sama dengan nol adalah tidak ada energi listrik yang hilang

dalam rangkaian tersebut, atau dalam arti semua energi listrik bisa digunakan atau

diserap.

Dari gambar diatas kuat arus yang mengalir dapat ditentukan dengan menggunakan

beberapa aturan sebagai berikut:

1) Tentukan arah putaran arusnya untuk masing-masing loop

2) Arus yang searah dengan arah perumpamaan dianggap positif

3) Arus yang mengalir dari kutub negatif ke kutup positif di dalam elemen dianggap

positif

4) Pada loop dari satu titik cabang ke titik cabang berikutnya kuat arusnya sama

5) Jika hasil perhitungan kuat arus positif maka arah perumpamaannya benar, bila

negatif berarti arah arus berlawanan dengan arah pada perumpamaan.

BAB II

HUKUM OHM

2.1. Pengertian dan bunyi Hukum Ohm

Gambar 2.1

Hukum Ohm adalah suatu pernyataan bahwa besar arus listrik yang

mengalir melalui sebuah penghantar selalu berbanding lurus dengan beda

potensial yang diterapkan kepadanya atau juga menyatakan bahwa besar arus

yang mengalir pada suatu konduktor pada suhu tetap sebanding dengan beda

potensial antara kedua ujung-ujung konduktor.Sebuah benda penghantar

dikatakan mematuhi hukum Ohm apabila nilai resistansinyatidak bergantung

terhadap besar dan polaritas beda potensial yang dikenakan kepadanya.

Walaupun pernyataan ini tidak selalu berlaku untuk semua jenis penghantar,

namun istilah "hukum" tetap digunakan dengan alasan sejarah. Hukum ini

dicetuskan oleh Georg Simon Ohm, seorang fisikawan dari Jerman pada

tahun 1825 dan dipublikasikan pada sebuah paper yang berjudul The Galvanic

Circuit Investigated Mathematically pada tahun 1827.

Ada 2 bunyi hukum Ohm yaitu :

1. Besarnya arus listrik yang mengalir sebanding dengan besarnya beda

potensial (Tegangan). Untuk sementara tegangan dan beda potensial

dianggap sama walau sebenarnya kedua secara konsep berbeda. Secara

matematika di tuliskan I ∞ V atau V ∞ I, Untuk menghilangkan

kesebandingan ini maka perlu ditambahkan sebuah konstanta yang

kemudian di kenal dengan Hambatan (R) sehingga persamaannya menjadi

V = I.R. Dimana V adalah tegangan (volt), I adalah kuat arus (A) dan R

adalah hambatan (Ohm).

2. Perbandingan antara tegangan dengan kuat arus merupakan suatu bilangan

konstan yang disebut hambatan listrik. Secara matematika di tuliskan V/I

= R atau dituliskan V = I.R.

Secara matematis hukum Ohm diekspresikan dengan persamaan:

Gambar 2.2

dimana I adalah arus listrik yang mengalir pada suatu penghantar dalam

satuan Ampere, Vadalah tegangan listrik yang terdapat pada kedua ujung

penghantar dalam satuan volt, dan Radalah nilai hambatan listrik (resistansi)

yang terdapat pada suatu penghantar dalam satuanohm.

Fungsi utama hukum Ohm adalah digunakan untuk mengetahui

hubungan tegangan dan kuat arus serta dapat digunakan untuk menentukan

suatu hambatan beban listrik tanpa menggunakan Ohmmeter. Kesimpulan

akhir hukum Ohm adalah semakin besar sumber tegangan maka semakin

besar arus yang dihasilkan. Kemudian konsep yang sering salah pada siswa

adalah hambatan listrik dipengaruhi oleh besar tegangan dan arus listrik.

Konsep ini salah, besar kecilnya hambatan listrik tidak dipengaruhi oleh besar

tegangan dan arus listrik tetapi dipengaruhi oleh panjang penampang, luas

penampang dan jenis bahan.

2.2. Konsep Hambatan Listrik

Misalkan kita punya sebatang kawat, maka didalam kawat itu

sebenarnya punya jutaan elektron yang bergerak secara acak dengan kelajuan

10 pangkat 5 m/s. Ketika kawat ini tidak kita hubungkan dengan sumber

tegangan maka elektron akan bergerak disekitar tempat nya saja, dia tidak

akan bisa jauh-jauh dari tempatnya semula. Hal ini disebabkan karena

disekitarnya berdesak – desakan dengan elektron lain dan juga ada pengaruh

gaya ikat inti. Bagaimana jika kawat tersebut kita hubungkan dengan sumber

tegangan maka elektron mulai mengalir dengan kelajuan 1 mm/s. Menurut

para ahli energi yang diperoleh dari sumber tegangan digunakan elektron

untuk berpindah, dan saat berpindah elektron juga mengeluarkan energi.

Dalam perjalanannya elektron juga mendapat halangan elektron – elektron

yang lain. Besarnya halangan yang dialami elektron inilah yang disebut

dengan hambatan listrik suatu benda.

Seperti penjelasan awal tadi hambatan dipengaruhi oleh 3 faktor yaitu

panjang, luas dan jenis bahan. Hambatan berbading lurus dengan panjang

benda, semakin panjang maka semakin besar hambatan suatu benda.

Hambatan juga berbading terbalik dengan luas penampang benda, semakin

luas penampangnya maka semakin kecil hambatannya.. Inilah alasan mengapa

kabel tiang listrik dibuat besar-besar, tujuannya adalah untuk memperkecil

hambatan sehingga tegangan bisa mengalir dengan mudah. Hambatan juga

berbanding lurus dengan jenis benda (hambatan jenis) semakin besar

hambatan jenisnya maka semakin besar hambatan benda itu. Secara

matematika dapat dituliskan : 

Gambar 2.3 persamaan hambatan

dimana ρ adalah hambatan jenis (ohm/m), L adalah panjang benda (m) dan A

adalah luas penampang (m kuadrat) biasanya luas penampang bentuknya

lingkaran.

2.3. Rangkaian Resistor Seri dan Paralel

Untuk menghitung resistansi total pada resistor yang disusun secara

seri dan paralel memerlukan suatu perhitungan matematika yang tidak terlalu

sulit. Jika menghitung resistansi total pada resistor seri dapat dilakukan cara

menjumlahkan secara langsung seluruh resistor yang terhubung seri

sedangkan pada resistor paralel membutuhkan perhitungan khusus.

1) Untuk rangkaian resistor seri :

Gambar 2.4 rangkaian resistor seri

2) Untuk rangkaian resistor paralel:

Gambar 2.5 rangkaian resistor paralel

BAB III

LISTRIK MAGNET

3.1. Pengertian Listrik magnet

Pada pelajaran listrik telah dikaji bahwa jika sebuah muatan diletakkan dalam

medan listrik, ia mengalami gaya listrik dan energi listriknya dapat dipakai

sebagai tenaga gerak untuk berpindah tempat. Hal yang sama terjadi pada

magnet. Jika sebatang magnet diletakkan dalam suatu ruang, maka terjadi

perubahan dalam ruang ini, yaitu pada setiap titik dalam ruang akan terdapat

medan magnetik.

Arah medan magnetik di suatu titik didefinisikan sebagai arah yang

ditunjukkan oleh kutub utara jarum kompas ketika ditempatkan pada titik

tersebut. Perhatikan Gambar 3.1a.

 

 

(a)                                 (b)

Gambar 3.1. (a) Arah medan magnet, (b) Garis-garis medan magnet

Sama seperti medan listrik, medan magnetikpun dapat digambarkan dalam bentuk

garis-garis khayal yang disebut garis medan magnetik. Garis medan magnetik dapat

digambarkan dengan pertolongan sebuah kompas. Untuk menunjukkan garis medan

magnet yang disebabkan oleh sebuah magnet batang, dilakukan dengan jarum

kompas. Arah medan magnetik di suatu titik pada garis medan ini ditunjukkan dengan

arah garis singgung di titik tersebut. Gambar 3.1(b) menunjukkan garis-garis medan

magnetik.

Selama bertahun-tahun Hans Cristian Oersted, seorang guru fisika dari

Denmark, mempercayai ada suatu hubungan antara kelistrikan dan kemagnetan,

namun dia tidak dapat membuktikan secara eksperimen. Baru pada tahun 1820 dia

akhirnya Oersted mengamati bahwa ketika sebuah kompas diletakkan dekat kawat

berarus, jarum kompas tersebut menyimpang atau bergerak, segera setelah arus

mengalir melalui kawat tersebut. Ketika arah arus tersebut dibalik, jarum kompas

tersebut bergerak dengan arah sebaliknya. Jika tidak ada arus listrik mengalir melalui

kawat tersebut, jarum kompas tersebut tetap diam. Karena sebuah jarum kompas

hanya disimpangkan oleh suatu medan magnet, Oersted menyimpulkan bahwa suatu

arus listrik menghasilkan suatu medan magnet.

Gambar 3.2. Arus yang mengalir melalui sebuah kawat akan menimbulkan medan

magnet

Perhatikan Gambar 3.2, ketika kompas-kompas kecil tersebut diletakkan di sekitar

penghantar lurus yang tidak dialiri arus listrik, jarum-jarum kompas tersebut sejajar

(semuanya menunjuk ke satu arah). Keadaan ini memperlihatkan bahwa jarum

kompas tersebut hanya dipengaruhi oleh medan magnet Bumi. Dengan demikian

suatu arus listrik yang mengalir melalui sebuah kawat menimbulkan medan magnet

yang arahnya bergantung pada arah arus listrik tersebut. Garis gaya magnet yang

dihasilkan oleh arus dalam sebuah kawat lurus berbentuk lingkaran dengan kawat

berada di pusat lingkaran.

Oersted mengamati bahwa ketika sebuah kompas diletakkan dekat kawat

berarus, jarum kompas tersebut menyimpang atau bergerak, segera setelah arus

mengalir melalui kawat tersebut. Ketika arah arus tersebut dibalik, jarum kompas

tersebut bergerak dengan arah sebaliknya. Jika tidak ada arus listrik mengalir melalui

kawat tersebut, jarum kompas tersebut tetap diam. Karena sebuah jarum kompas

hanya disimpangkan oleh suatu medan magnet, Oersted menyimpulkan bahwa suatu

arus listrik menghasilkan suatu medan magnet..

3.2. Hukum Biot Savart

Sebuah kawat apabila dialiri oleh arus listrik akan menghasilkan medan

magnet yang garis-garis gayanya berupa lingkaran-lingkaran yang berada di

sekitar kawat tersebut. Arah dari garis-garis gaya magnet ditentukan dengan

kaidah tangan kanan (apabila kita menggenggam tangan kanan ibu jari sebagai

arah arus listrik sedang keempat jari yang lain merupakan arah medan magnet)

Apabila sebuah jarum kompas ditempatkan disekitar kawat berarus ( lihat

gambar), maka jarum kompas akan mengarah sedemikian sehinga selalu

mengikuti arah medan magnet. Kuat medan magnet di suatu titik di sekitar

kawat berarus listrik disebut induksi magnet (B).

Besar Induksi maget (B)  oleh Biot dan Savart dinyatakan  :

Berbanding lurus dengan arus listrik (I)

Berbanding  lurus dengan panjang elemen kawat penghantar (â„“)

Berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara titik itu ke elemen kawat

penghantar

Berbanding lurus dengan sinus sudut antara arah arus dan garis penghubung

titik itu ke elemen kawat penghantar

3.3. Medan magnet di sekitar kawat lurus berarus listrik

Di sekitar kawat yang berarus listrik terdapat medan yang dapat

mempengaruhi  posisi magnet lain. Magnet jarum kompas dapat menyimpang

dari posisi normalnya bila dipengaruhi oleh medan magnet. Percobaan ini

pertama kali dilakukan oleh Oersted pada tahun 1820. Untuk melihat model

percobaan ini lihat bagian kerja ilmiah. Berdasarkan percobaan ini dapat

disimpulkan bahwa arus listrik (muatan yang bergerak) dapat menimbulkan

medan magnetik.

Pada pembahasan listrik statis telah dibahas bahwa muatan listrik statis tidak

berinteraksi dengan batang magnet. Penemuan Oersted telah membuka wawasan

baru mengenai hubungan listrik dan magnet, yaitu bahwa suatu muatan listrik

dapat berinteraksi dengan magnet ketika muatan itu bergerak. Penemuan ini

membangkitkan kembali teori tentang “muatan” magnet, yaitu bahwa magnet

terdiri dari muatan listrik. Ampere mengusulkan bahwa sesungguhnya batang

magnet yang statis (diam) itu terdiri dari muatan-muatan listrik yang senantiasa

bergerak dan kemagnetan itu adalah suatu fenomena. Konsep muatan magnet

dari Ampere ini akan kita bahas nanti (lihat konsep Ampere).

3.4. Arah Medan Magnetik Akibat Kawat Berarus

Arah medan magnetik yang disebabkan oleh kawat berarus dapat ditentukan

dengan 2 cara:

3.4.1. Dengan menggunakan jarum kompas

Suatu jarum kompas yang ditempatkan dalam suatu medan magnetik akan

mensejajarkan dirinya dengan garis medan magnetik. Kutub utaranya akan

menunjukkan arah medan magnetik di titik itu.(Perhatikan Gambar 3.3.a).

Gambar 3.3.a                             Gambar 3.3.b

 

Sekarang amati jarum sebuah kompas yang digerakkan pada titik sekitar

kawat berarus. Jarum kompas tampak bergerak sesuai dengan arah garis

singgung lingkaran yang berpusat pada kawat.(Perhatikan Gambar 3.3.b).

Dari sini dapat disimpulkan bahwa arah garis medan magnetik akibat

kawat berarus adalah sejajar garis singgung lingkaran-lingkaran yang

berpusat pada kawat dengan arahnya ditunjukkan oleh kutub utara kompas.

3.4.2 Dengan aturan tangan kanan

Genggam kawat dengan tangan kanan Anda sedemikian

sehingga ibu jari Anda menunjukkan arah arus. Arah putaran

genggaman keempat jari Anda menunjukkan arah medan magnetik.

Perhatikan Gambar 3.4.

Gambar 3.4. Aturan kaidah tangan kanan

3.5. Medan magnet di sekitar kawawt melingkar berarus listrik

Besar dan arah medan magnet disumbu kawat melingkar berarus listrik dapat

ditentukan dengan rumus :

Gambar 3.5.medan magnet di kawat melingkar

Keterangan:

BP = Induksi magnet di P pada sumbu kawat melingkar dalam tesla  ( T)

I   = kuat arus pada kawat dalam ampere ( A )

a  =  jari-jari kawat melingkar dalam meter ( m )

r   = jarak P ke lingkaran kawat dalam meter ( m )

θ   = sudut antara sumbu kawat dan garis hubung P ke titik pada lingkaran

kawat dalam         derajad (°)

x = jarak titik P ke pusat lingkaran dalam mater ( m )

                 dimana     

Besarnya medan magnet di pusat kawat melingkar dapat dihitung

B  =  Medan magnet dalam tesla ( T )

μo =  permeabilitas ruang hampa  = 4п . 10 -7 Wb/amp. m

I     =  Kuat arus listrik dalam  ampere ( A )

a     =   jarak titik P dari kawat dalam meter (m)

       =   jari-jari lingkaran yang dibuat

Arah ditentukan dengan kaidah tangan kanan. Sebuah kawat melingkar

berada pada sebuah bidang mendatar dengan dialiri arus listrik. Apabila kawat

melingkar tersebut dialiri arus listrik dengan arah tertentu maka disumbu pusat

lingkaran akan muncul medan magnet dengan arah tertentu. Arah medan magnet

ini ditentukan dengan kaidah tangan kanan.

Dengan aturan sebagai berikut:

Apabila tangan kanan kita menggenggam maka arah ibu jari menunjukkan arah

medan magnet sedangkan keempat jari yang lain menunjukkan arah arus listrik

Keterangan gambar :

3.6. Medan magnet pada selonoida

Sebuah kawat dibentuk seperti spiral yang selanjutnya disebut kumparan ,

apabila dialiri arus listrik maka akan berfungsi seperti magnet batang. Kumparan

ini disebut dengan Solenida. Besarnya medan magnet disumbu pusat (titik O)

Solenoida dapat dihitung

Bo = medan magnet pada pusat solenoida dalam tesla ( T ) 

μ0 = permeabilitas ruang hampa = 4п . 10 -7 Wb/amp. M 

I = kuat arus listrik dalam ampere ( A ) 

N = jumlah lilitan dalam solenoida

L = panjang solenoida dalam meter ( m )

Dengan arah medan magnet ditentukan dengan kaidah tangan kanan. Arah

arus menentukan arah medan magnet pada Solenoida.

Gambar 3.6.

Besarnya medan magnet  di ujung Solenida  (titik P)  dapat dihitung:

BP = Medan magnet diujung Solenoida dalam tesla ( T ) 

N = jumlah lilitan pada Solenoida dalam lilitan

I = kuat arus listrik dalam ampere ( A ) 

L = Panjang Solenoida dalam meter ( m )

BAB IV

RESONASI BUNYI

4.1. Resonasi

Resonansi adalah peristiwa ikut bergetarnya suatu benda karena ada benda lain

yang bergetar dan memiliki frekuensi yang sama atau kelipatan bilangan bulat

dari frekuensi itu. Resonansi sangat bermanfaat dalam kehidupan sehari-hari.

Misalnya, resonansi bunyi pada kolom udara dapat dimanfaatkan untuk

menghasilkan bunyi. Berdasarkan hal tersebut, maka dapat dibuat berbagai

macam alat musik. Alat musik pada umumnya dibuat berlubang agar terjadi

resonansi udara sehingga suara alat musik tersebut menjadi nyaring. Contoh alat

musik itu antara lain: seruling, kendang, beduk, ketipung dan sebagainya.

Resonansi sangat penting di dalam dunia musik. Dawai tidak dapat

menghasilkan nada yang nyaring tanpa adanya kotak resonansi. Pada gitar

terdapat kotak atau ruang udara tempat udara ikut bergetar apabila senar gitar

dipetik. Udara di dalam kotak ini bergerak dengan frekuensi yang sama dengan

yang dihasilkan oleh senar gitar. Udara yang mengisi tabung gamelan juga akan

ikut bergetar jika lempengan logam pada gamelan tersebut dipukul. Tanpa

adanya tabung kolom udara di bawah lempengan logamnya, Anda tidak dapat

mendengar nyaringnya bunyi gamelan tersebut. Reonansi juga dipahami untuk

mengukur kecepatan perambatan bunyi di udara. Untuk mengetahui proses

resonansi, kita tinjau dua garputala yang saling beresonansi seperti ditunjukkan

pada Gambar 4.1.

Gambar 4.1. Dua garputala yang saling beresonansi

 

Jika garputala dipukul, garputala tersebut akan bergetar. Frekuensi bunyi yang

dihasilkan bergantung pada bentuk, besar, dan bahan garputala tersebut.

4.1.1. RESONASI PADA KOLOM UDARA

Apabila pada kolom udara yang terletak di atas permukaan air

digetarkan sebuah garputala, molekul-molekul di dalam udara tersebut

akan bergetar. Perhatikan Gambar 4.2.

Gambar 4.2. Sebuah kolom udara di atas permukaan

air digetarkan oleh sebuah garputala

Syarat terjadinya reronansi, yaitu:

(a)   pada permukaan air harus terbentuk simpul gelombang;

(b)   pada ujung tabung bagian atas merupakan perut gelombang.

Peristiwa resonansi terjadi sesuai dengan getaran udara pada pipa organa

tertutup. Jadi, resonansi petama akan terjadi jika panjang kolom udara di atas air

¼ λ, resonansi ke dua ¾ λ, resonansi ke tiga 5/4 λ, dan seterusnya.

Kolom udara pada percobaan penentuan resonansi di atas berfungsi sebagai

tabung resonator. Peristiwa resonansi ini dapat dipakai untuk mengukur

kecepatan perambatan bunyi di udara. Agar dapat terjadi resonansi, panjang

kolom udaranya adalah l = (2n-1)¼λ dengan n = 1, 2, 3, . . .

Berdasarkan penjelasan tersebut, dapat ditentukan bahwa resonansi bertuturutan

dapat Anda dengar apabila suatu resonansi dengan resonansi berikutnya

memiliki jarak Δl = ½ λ. Jika frekuensi garputala diketahui, cepat rambat

gelombang bunyi di udara dapat diperoleh melalui hubungan:

v= λf ....................................................(4.1.)

Peristiwa resonansi juga dapat menimbulkan masalah dalam kehidupan sehari-

hari. Misalnya, gelas piala bertangkai bisa pecah bila diletakkan didekat

penyanyi yang sedang menyanyi. Hal ini terjadi karena gelas memiliki frekuensi

alami yang sama dengan suara penyanyi sehingga gelas mengalami resonansi

dan mengakibatkan pecahnya gelas tersebut. Peristiwa resonansi juga dapat

menyebabkan runtuhnya jembatan gantung jika frekuensi hentakan kaki serentak

orang yang berbaris di atas jembatan gantung sama dengan frekuensi alami

jembatan sehingga jembatan akan berayun hebat dan dapat menyebabkan

runtuhnya jembatan.

4.2 Gelombang Bunyi pada Dawai atau Senar

Anda tentu pernah melihat orang memainkan gitar.  Pada senar atau dawai pada

gitar kedua ujungnya terikat dan jika digetarkan akan membentuk suatu

gelombang stasioner. Getaran ini akan menghasilkan bunyi dengan nada tertentu,

tergantung pada jumlah gelombang yang terbentuk pada dawai tersebut. Pola

gelombang stasioner ketika terjadi nada dasar (harmonik pertama), nada atas

pertama (harmonik kedua) dan nada atas kedua (harmonik ke tiga) ditunjukkan

pada Gambar 3.6.

Gambar 4.3. Pola Panjang Gelombang pada Dawai.

 

Frekuensi nada yang dihasilkan tergantung pada pola gelombang yang terbentuk.

Secara umum, ketiga panjang gelombang di atas dapat dinyatakan dengan

persamaan :

(4.2

)

 

Dengan demikian, frekuensi nada yang dihasilkan dawai memenuhi persamaan

(4.2

)

 

Dengan demikian, frekuensi nada yang dihasilkan dawai memenuhi

persamaan :

(4.3

)

 

Keterangan :

Cepat rambat gelombang pada dawai (m/s)

n

Frekuensi nada ke-n (Hz)

n

Panjang gelombang ke-n

Panjang dawai

Bilangan yang menyatakan nada dasar, nada atas ke-1, dst. (0, 1,

2, ...)

4.2.1. Pola gelombang pada Dawai

Contoh pemanfaatan dawai ini adalah gitar. Pernahkah kalian bermain

gitar? Apa yang terjadi saat dawai itu dipetik? Jika ada dawai yang terikat kedua

ujungnya, maka saat terpetik dapat terjadi pola-pola gelombang seperti pada

Gambar 4.4.

Gambar 4.4. Pola gelombang pada dawai

 

Kemungkinan pertama terjadi seperti pada Gambar 4.4(a). Pola ini disebut

nada dasar (n = 0). Pada gelombang stasionernya terjadi 2 simpul dan 1 perut

dan memenuhi l = 1/2λ. Jika dipetik di tengah dawai, maka akan terbentuk pola

gelombang seperti Gambar 4.4.(b). Ada 3 simpul dan 2 perut. Pola ini

dinamakan nada atas pertama (n =1) dan berlaku l = λ. Sedangkan pada Gambar

4.4.(c) dinamakan nada atas kedua, l = 3/2λ. Jika pola gelombangnya

digambarkan terus, maka setiap kenaikan satu nada akan bertambah ½

gelombang lagi. Sifat dawai ini dapat dituliskan seperti berikut.

Pola gelombang dawai nada ,

n = 0, 1, 2, ...

panjang, l = ½ λ, λ, 3/2λ, ....

Bagaimana jika ingin menghitung frekuensi nadanya? Sesuai sifat

gelombang, pada bunyi juga berlaku hubungan v = λf.  Panjang gelombang λ

dapat ditentukan, v dapat ditentukan dari hukum Melde, v = . Dengan

demikian, pada nada dasar dapat berlaku:

l=1/2λ; → λ = 2l

.........................................(4.4)

4.3. Pipa Organa

Pipa organa merupakan sejenis alat musik tiup. Bisa dicontohkan sebagai

seruling bambu. Anda tentu pernah melihat bahwa ada dua jenis seruling bambu.

Demikian juga dengan karakteristik pipa organa. Ada pipa organa terbuka (kedua

ujungnya terbuka) dan pipa organa tertutup (salah satu ujungnya tertutup).

Pipa organa merupakan semua pipa yang berongga di dalamnya, bahkan Anda

dapat membuatnya dari pipa paralon. Pipa organa ini ada dua jenis yaitu pipa

organa terbuka berarti kedua ujungnya terbuka dan pipa organa tertutup berarti

salah satu ujungnya tertutup dan ujung lain terbuka. Kedua jenis pipa ini

memiliki pola gelombang yang berbeda.

4.3.1. Pipa Organa Terbuka

Jika pipa organa ditiup, maka udara-udara dalam pipa akan bergetar

sehingga menghasilkan bunyi. Gelombang yang terjadi merupakan

gelombang longitudinal. Kolom udara dapat  beresonansi, artinya dapat

bergetar. Kenyataan ini digunakan pada alat musik yang dinamakan

Organa, baik organa dengan pipa tertutup maupun pipa terbuka. Pola

gelombang untuk nada dasar  ditunjukkan pada Gambar 3.7. Panjang

kolom udara (pipa) sama dengan ½ (jarak antara perut berdekatan).

Gambar: 4.5.Pipa Organa Terbuka

Dengan demikian  L = atau λ1= 2L

Dan frekuensi nada dasar adalah

f1 = (4.5)

Pada resonansi berikutnya dengan panjang gelombang λ2 disebut

nada atas pertama, ditunjukkan pada Gambar 3.7b. Ini terjadi dengan

menyisipkan sebuah simpul, sehingga terjai 3 perut dan 2 simpul.

Panjang pipa sama dengan λ2. Dengan demikian, L = λ2 atau λ2 = L

Dan frekuensi nada atas kesatu ini adalah

f2 =  (4.6)

Tampaknya persamaan frekuensi untuk pipa organa terbuka sama

dengan persamaan frekuensi untuk tali yang terikat kedua ujungnya. Oleh

karena itu, persamaan umum frekuensi alami atau frekuensi resonansi

pipa organa harus sama dengan persamaan umum untuk tali yang terikat

kedua ujungnya, yaitu

............................................................(4.6)

Dengan v = cepat rambat bunyi dalam kolom udara dan n = 1, 2, 3, . . . .

Jadi, pada pipa organa terbuka semua harmonik (ganjil dan genap)

muncul, dan frekuensi harmonik merupakan kelipatan bulat dari

harmonik kesatunya. Flute dan rekorder adalah contoh instrumen yang

berprilaku seperti pipa organa terbuka dengan semua harmonik muncul.

4.3.2. Pipa Organa Tertutup

Jika ujung pipa organa tertutup, maka pipa organa itu disebut pipa

organa tertutup. Pada ujung pipa tertutup, udara tidak bebas bergerak,

sehingga pada ujung pipa selalu terjadi simpul. Tiga keadaan resonansi di

dalam pipa organa tertutup ditunjukkan pada Gambar 3.8.

Gambar 4.6.Pipa Organa Tertutup

Pola gelombang untuk nada dasar ditunjukkan pada gambar 3.8a,

yaitu terjadi 1 perut dan 1 simpul. Panjang pipa sama dengan ¼ (jarak

antara simpul dan perut berdekatan). Dengan demikian,  atau λ1 =

4L, dan frekuensi nada dasar adalah

.......................................(4.7)

Pola resonansi berikutnya dengan panjang gelombang λ3 disebut nada

atas pertama, ditunjukkan pada gambar 3.8b. Ini terjadi dengan

menyisipkan sebuah simpul, sehingga terjadi 2 perut dan 2 simpul.

Panjang simpul sama dengan . Dengan demikian, atau

, dan frekuensi nada atas kesatu ini adalah

.....................................(4.8)

Perhatikan bahwa frekuensi ini sama dengan tiga kali frekuensi nada

dasar. Selanjutnya akan Anda peroleh bahwa frekuensi nada atas kedua,

yang getarannya seperti ditunjukkan pada Gambar 3.8c adalah

(4.9)

Tampak bahwa pada kasus pipa organa tertutup hanya harmonik-

harmonik ganjil yang muncul. Harmonik kesatu,  f1, harmonik ketiga f3 =

3f1, harmonik kelima f5 = 5f1, dan seterusnya. Secara umum, frekuensi-

frekuensi alami pipa organa tertutup ini dinyatakan oleh :

.............................(4.10)

Alat musik yang termasuk keluarga klarinet merupakan contoh pipa

organa tertutup dengan harmonik ganjil untuk nada-nada rendah

4.4. Efek Doppler

Fenomena perubahan frekuensi karena pengaruh gerak relatif antara sumber

bunyi dan pendengar, pertama kali diamati oleh Christian Doppler. Jika antara

sumber bunyi dan pendengar tidak ada gerakan relatif, maka frekuensi sumber

bunyi dan frekuensi bunyi yang didengar oleh seseorang adalah sama. Namun,

jika antara sumber bunyi dan si pendengar ada gerak relatif, ternyata antara

frekuensi sumber bunyi dan frekuensi bunyi yang didengar tidaklah sama. Suatu

contoh, misalnya ketika Anda naik bis dan berpapasan dengan bis lain yang

sedang membunyikan klakson, maka akan terdengar suara yang lebih tinggi,

berarti frekuensinya lebih besar dan sebaliknya ketika bis menjauhi anda, bunyi

klakson terdengar lebih rendah, karena frekuensi bunyi yang didengar berkurang.

Peristiwa ini dinamakan Efek Doppler.

Jadi, Effek Doppler adalah peristiwa berubahnya harga frekuensi bunyi yang

diterima oleh pendengar (P) dari frekuensi suatu sumber bunyi (S) apabila terjadi

gerakan relatif antara P dan S. Oleh Doppler dirumuskan sebagai :

.........................................................(4.11)

Dengan :

fP adalah frekuensi yang didengar oleh pendengar.

fS adalah frekuensi yang dipancarkan oleh sumber bunyi.

vP adalah kecepatan pendengar.

vS adalah kecepatan sumber bunyi.

v adalah kecepatan bunyi di udara.

 

Tanda + untuk vP dipakai bila pendengar bergerak mendekati sumber bunyi.

Tanda - untuk vP dipakai bila pendengar bergerak menjauhi sumber bunyi.

Tanda + untuk vS dipakai bila sumber bunyi bergerak menjauhi pendengar.

Tanda - untuk vS dipakai bila sumber bunyi bergerak mendekati pendengar

4.4.1. Pengaruh Angin

Persamaan (3.24) untuk efek Doppler diperoleh dengan mengabaikan

kecepatan angin vw. Jika kecepatan angin cukup berarti sehingga tak dapat

diabaikan, maka kecepatan angin vw harus dimasukkan ke dalam

persamaan efek Doppler. Dengan demikian efek Doppler dengan

memasukkan pengaruh angin adalah

....................................(4.12)

Perjanjian tanda untuk vw sama seperti vp dan vs yaitu positif jika searah

dengan arah dari sumber ke pendengar.

4.5. Intensitas dan Taraf Intensitas Bunyi

4.5.1. Intensitas

Intensitas didefinisikan sebagai energi yang dipindahkan tiap satuan luas

tiap satuan waktu. Karena energi tiap satuan waktu kita ketahui sebagai

pengertian daya, maka intensitas bisa dikatakan juga daya tiap satuan luas.

Secara matematis :

(4

.13)

Keterangan :

Intensitas bunyi (W/m2)

Energi tiap waktu atau daya (W)

Luas (m2)

 

Jika sumber bunyi memancarkan ke segala arah sama besar (isotropik),

luas yang dimaksud sama dengan luas permukaan bola, yaitu :

(4

.14)

Sehingga, persamaan (3.21) dapat kita modifikasi menjadi :

(4

.15)

Persamaan 3.23 tersebut menunjukkan bahwa intensitas bunyi yang

didengar di suatu titik (tempat) berbanding terbalik dengan kuadrat

jaraknya.

Intensitas bunyi terendah yang umumnya didengar manusia memiliki nilai

10-12 W/m2. Biasanya disebut sebagai intensitas ambang (I0). Jangkauan

intensitas bunyi ini sangat lebar berkaitan dengan kuat bunyi, sehingga

secara tidak langsung kuat bunyi sebanding dengan intensitasnya.

4.5.2. Taraf Intensitas Bunyi

Hubungan antara kuat bunyi dan intensitas bunyi diberikan oleh

Alexander Graham Bell dengan mendefiniskannya sebagai taraf intensitas

bunyi. Taraf Intensitas Bunyi adalah logaritma perbandingan intensitas

bunyi terhadap intensitas ambang. Secara matematis, taraf intensitas bunyi

didefinisikan sebagai :

(4

.16)

Keterangan :

I

Taraf intensitas bunyi (desiBell disingkat dB)

Intensitas bunyi (W/m2)

0

Intensitas ambang pendengaran manusia (10-

12 W/m2

 

Untuk n buah sumber bunyi identik, misalnya ada n sirine yang

dinyalakan bersama-sama, maka besarnya taraf intensitas bunyi

dinyatakan sebagai :

(4

.17)

TI1 adalah taraf intensitas bunyi untuk satu buah sumber.

Jika didengar di dua titik yang jaraknya berbeda, besar intensitas bunyi di

titik ke-2 bisa dinyatakan sebagai :

(4

.18)

4.6. Aplikasi Gelombang Bunyi

a. Aplikasi ultrasonic

Gelombang ultrasonik dapat dimanfaatkan untuk berbagai macam keperluan

antara lain:

1) Kacamata tunanetra, dilengkapi dengan alat pengirim dan penerima

ultrasonik memanfaatkan pengiriman dan penerimaan ultrasonik.

Perhatikan bentuk kaca tuna netra pada gambar berikut.

Gambar 4.7. kaca mata tunanetra

2) Mengukur kedalaman laut, untuk menentukan kedalaman laut (d) jika

diketahui cepat rambat bunyi (v) dan selang waktu (t), pengiriman dan

penerimaan pulsa adalah :

(4.19)

Gambar 4.8. pemancaran dan penerimaan gelombang

Ultrasonic oleh kapal

3) Alat kedokteran, misalnya pada pemeriksaan USG (ultrasonografi).

Sebagai contoh, scaning ultrasonic dilakukan dengan menggerak-gerakan

probe di sekitar kulit perut ibu yang hamil akan menampilkan gambar

sebuah janin di layar monitor. Dengan mengamati gambar janin, dokter

dapat memonitor pertumbuhan, perkembangan, dan kesehatan janin.

Tidak seperti pemeriksaan dengan sinar X, pemeriksaan ultrasonik adalah

aman (tak berisiko), baik bagi ibu maupun janinnya karena pemerikasaan

atau pengujian dengan ultrasonic tidak merusak material yang dilewati,

maka disebutlah pengujian ultrasonic adalah pengujian tak merusak (non

destructive testing, disingkat NDT). Tehnik scanning ultrasonic juga

digunakan untuk memeriksa hati (apakah ada indikasi kanker hati atau

tidak) dan otak. Pembuatan perangkat ultrasound untuk menghilangkan

jaringan otak yang rusak tanpa harus melakukan operasi bedah otak.

“Dengan cara ini, pasien tidak perlu menjalani pembedahan otak yang

berisiko tinggi. Penghilangan jaringan otak yang rusak bisa dilakukan

tanpa harus memotong dan menjahit kulit kepala atau sampai melubangi

tengkorak kepala.

b. Manfaat cepat rambat bunyi dalam kehidupan sehari-hari

1) Cepat rambat gelombang bunyi juga dimanfaatkan oleh para nelayan

untuk mengetahui siang dan malam.

2) Pada malam hari kita mendengar suara lebih jelas daripada siang hari

karena kerapatan udara pada malam hari lebih rapat dibandingkan dengan

siang hari.

c. Manfaat resonasi

Pemanfaatan resonansi pada alat musik seperti seruling, kendang, beduk dan

lainnya.

d. Manfaat pemantulan bunyi

1) Menentukan kedalamaan laut

Pada dinding kapal bagian bawah dipasang sebuah sumber getaran

(osilator). Di dekat osilator dipasang alat penerima getaran (hidrofon).

Jika waktu getaran (bunyi) merambat (t) sekonuntuk menempuh jarak

bolak-balik yaiu 2 L meter, maka cepat rambat dapat dihitung sebagai

berikut.

(4.20)

Di mana:

v = cepat rambat bunyi (m/s)

L = dalamnya laut (m)

t = waktu (t)

2) Melakukan survey gofisika

mendeteksi, menentukan lokasi dan mengklasifikasikan gangguan di

bumi atau untuk menginformasikan struktur bumi, mendeteksi lapisan

batuan yang mengandung endapan minyak

3) Prinsip pemantulan ultrasonik dapat digunakan untuk mengukur

ketebalan pelat logam, pipa dan pembungkus logam yang mudah korosi

(karat).

4) Mendeteksi retak-retak pada struktur logam

Untuk mendeteksi retak dalam struktur logam atau beton digunakan

scanning ultrasonic inilah yang digunakan untuk memeriksa retak-retak

tersembunyi pada bagian-bagian pesawat terbang, yang nanti bisa

membahayakan penerbangan pesawat. Dalam pemerikasaan rutin,

bagian-bagian penting dari pesawat di-scaning secara ultrasonic. Jika ada

retakan dalam logam, pantulan ultrasonic dari retakan akan dapat

dideteksi. Retakan ini kemudian diperiksa dan segera diatasi sebelum

pesawat diperkenankan terbang.

BAB V

KALORIMETER

5.1. Pengertian Kalorimeter

Kalorimeter adalah alat yang digunakan untuk mengukur kalor. Kalorimeter

umumnya digunakan untuk menentukan kalor jenis suatu zat. Kalor jenis suatu

zat dapat di hitung dengan menggunakan massa air dingin, massa bahan contoh,

massa kalorimeter, dan mengukur suhu air dan bahan contoh sebelum dan

sesudah percobaan.

Ada beberapa jenis kalorimeter, yaitu:

1. Kalorimeter alumunium

2. Kalorimeter elektrik

Kalor yang dibutuhkan untuk menaikan suhu calorimeter sebesar 10oC pada

air dengan massa 1 gram disebut tetapan calorimeter. Dalam proses ini berlaku

Azas Black, yaitu:

Qlepas = Qteriima

Qair panas = Qair dingin + Qkalorimeter

m1 c (Tp-Tc) = m2 c (Tc-Td) + C (Tc – Td)

(5.1)

Keterangan:

m1 = massa air panas

m2 = massa air dingin

c = kalor jenis air

C = kapasotas kalor

Tc = suhu air panas

Tp = suhu air campuran

Td = suhu air dingin

Sedang hubungan kuantitatif antara kalor dan bentuk lain energi disebut

termodinamika. Termodinamika dapat didefinisikan sebagai cabang kimia yang

menangani hubungan kalor, kerja, dan bentuk lain energi dengan kesetimbangan

dalam reaksi kimia dan dalam perubahan keadaan.

Hukum pertama termodinamika menghubungkan perubahan energi dalam suatu

proses termodinamika dengan jumlah kerja yang dilakukan pada sistem dan

jumlah kalor yang dipindahkan ke sistem (Keenan, 1980).

Hukum kedua termodinamika yaitu membahas tentang reaksi spontan dan tidak

spontan. Proses spontan yaitu reaksi yang berlangsung tanpa pengaruh luar.

Sedangkan reaksi tidak spontan tidak terjadi tanpa bantuan luar.

Hukum ketiga termodinamika menyatakan bahwa entropi dari Kristal sempurna

murni pada suhu nol mutlak ialah nol. Kristal sempurna murni pada suhu nol

mutlak menunjukan keteraturan tertinggi yang dimungkinkan dalam sistem

termodinamika. Jika suhu ditingkatkan sedikit di atas 0 K, entropi meningkat.

Entropi mutlak selalu mempunyai nilai positif.

Kalor jenis dapat diperoleh dari hubungan massa zat (m), kalor jenis zat (c) dan

perubahan suhu (ΔT ), yang dinyatakan dalam persamaan berikut:

Q = m.c. ΔT 

Keterangan:

Q = Jumlah kalor (joule)

m = massa zat (gram)

c = kalor jenis

ΔT  = peruubahan suhu ( Takhir – Tawal)

Kalorimeter adalah jenis zat dalam pengukuran panas dari reaksi kimia atau

perubahan fisik. Kalorimetri termasuk penggunaan kalorimeter. Kata kalormetri

berasal dari bahasa latin yaitu calor, yang berarti panas. Kalorimetri tidak langsung

(indirect calorimetry) menghitung panas pada makhluk hidup yang memproduksi

karbon dioksida dan buangan nitrogen (ammonia, untuk organisme perairan, urea,

untuk organisme darat) atau konsumsi oksigen. Lavoisier (1780) menyatakan

bahwa produksi panas dapat diperkirakan dari konsumsi oksigen dengan

menggunakan regresi acak. Hal ini membenarkan teori energi dinamik.

Pengeluaran panas oleh makhluk hidup ditempatkan di dalam kalorimeter untuk

dilakukan langsung, di mana makhluk hidup ditempatkan di dalam kalorimeter

untuk dilakukan pengukuran. Jika benda atau sistem diisolasi dari alam, maka

temperatur harus tetap konstan. Jika energi masuk atau keluar, temperatur akan

berubah. Energi akan berpindah dari satu tempat ke tempat yang disebut dengan

panas dan kalorimetri mengukur perubahan suatu tersebut. Bersamaan dengan

kapasitas dengan kapasitas  panasnya, untuk menghitung perpindahan panas.

Kalor adalah berbentuk energi yang menyebabkan suatu zat memiliki suhu. Jika

zat menerima kalor, maka zat itu akan mengalami suhu hingga tingkat tertentu

sehingga zat tersebut akan mengalami perubahan wujud, seperti perubahan wujud

dari padat menjadi cair. Sebaliknya jika suatu zat mengalami perubahan wujud dari

cair menjadi padat maka zat tersebut akan melepaskan sejumlah kalor. Dalam

Sistem Internasional (SI) satuan untuk kalor dinyatakan dalam satuan kalori (kal),

kilokalori (kkal), atau joule (J) dan kilojoule (kj).

1 kilokalori= 1000 kalori

1 kilojoule= 1000 joule

1 kalori   = 4,18 joule

(5.2)

1 kalori adalah banyaknya kalor yang diperlukan untuk memanaskan 1 gram air

sehingga suhunya naik sebesar 1oC atau 1K. jumlah kalor yang diperlukan untuk

menaikkan suhu 1oC atau 1K dari 1 gram zat disebut kalor jenis Q=m.c. ΔT,

satuan untuk kalor jenis adalah joule pergram perderajat Celcius (Jg-1oC-1) atau

joule pergram per Kelvin (Jg-1oK-1) (Petrucci, 1987).

5.2. Cara kerja

Sebelum zat-zat pereaksi di reaksikan di dalam calorimeter, terlebih dahulu

suhunya di ukur, dan usahakan agar masing-masing pereaksi ini memiliki suhu

yang sama. Setelah suhunya diukur kedua larutan tersebut dimasukkan kedalam

calorimeter sambil diaduk agar zat-zat bereaksi dengan baik, kemudian suhu

akhir diukur.

Jika reaksi dalam calorimeter berlangsung secara eksoterm maka kalor yang

timbul akan dibebeaskan ke dalam larutan itu sehingga suhu larutan akan naik,

dan jika reaksi dalam kalorimeter berlangsung secara endoterm maka reaksi itu

akan menyerap kalor dari larutan itu sendiri, sehingga suhu larutan akan turun.

Besarnya kalor yang diserap atau dibebaskan reaksi itu adalah sebanding dengan

perubahan suhu dan massa larutan, jadi:

Qreaksi = mlarutan . clarutan . ΔT

(5.3)

Kalorimetri yang lebih teliti adalah yang lebih terisolasi serta

memperhitungkan kalor yang diserap oleh perangkat kalorimeter (wadah,

pengaduk, termometer). Jumlah kalor yang diserap/dibebaskan kalorimeter dapat

ditentukan jika kapasiatas kalor dari kalorimeter diketahui. Dalam hal ini jumlah

kalor yang dibebaskan /diserap oleh reaksi sama dengan jumlah kalor yang

diserap/dibebaskan oleh kalorimeter ditambah dengan jumlah kalor yang

diserap/dibebaskan oleh larutan di dalam kalorimeter. Oleh karena energi tidak

dapat dimusnahkan atau diciptakan, maka

Qreaksi= (-Qkalorimeter- Qlarutan)

(5.4)

Kalorimeter sederhana

Pengukuran kalor reaksi, setara kalor reaksi pembakaran dapat dilakukan

dengan menggunakan kalorimeter pada tekanan tetap yaitu dengan kalorimeter

sederhana yang dibuat dan gelas stirofoam. Kalorimeter ini biasanya dipakai

untuk mengukur kalor reaksi yang reaksinya berlangsung dalam fase larutan

(misalnya reaksi netralisasi asam-basa/netralisasi, pelarutan dan pengendapan)

(Syukri, 1999).