Materi Fisika | Besaran dan Satuan

Fisika merupakan salah satu mata pelajaran yang mempelajari tentang gejala – gejala alam yang ada di sekitar kita. Dalam rangka mempelajari gejala – gejala alam tersebut, fisika menggunakan metode eksperimen dan perhitungan matematis. Objek pengamatan fisika diidentifikasi dengan menggunakan angka – angka dari suatu fenomena alam yang terjadi kemudian dikembangkan sehingga tercipta sebuah teori yang dapat digunakan untuk memprediksi hasil suatu eksperimen. Teori – teori fisika biasanya diekspresikan dalam bahasa matematis yang sering kita sebut dengan “rumus atau persamaan matematis”, yang mana rumus tersebut akan menghubungkan antara teori dengan eksperimen sehingga menjadi dasar ketika akan dikembangkan di masa yang akan datang.
Dalam melakukan eksperimen, kita membutuhkan suatu ukuran dan angka untuk mendeskripsikan ukuran tersebut, oleh karena itu dalam fisika dikenal suatu istilah yakni besaran dan satuan. Keduanya ini merupakan suatu konsep yang penting ketika mempelajari fenomena – fenomena yang terjadi di sekitar dan di dalam ilmu fisika untuk menganalisis suatu permasalahan tidak dapat dipisahkan dari besaran dan satuan.

Besaran dan satuan

Pada bagian ini sebenarnya telah dipelajari pada kelas VII SMP/MTs, tidak begitu banyak perbedaannya sehingga kita hanya perlu mengingat kembali apa yang dulu telah kita pelajari. Besaran dalam fisika didefinisikan sebagai “segala sesuatu yang dapat diukur dan hasilnya dinyatakan dalam angka”. Misalkan tentang tubuh manusia, kita dapat melakukan beberapa pengukuran yang berkaitan dengan tubuh manusia, yakni : tinggi badan, massa badan, suhu badan, panjang kaki dll. Tinggi, massa, suhu dan panjang itu merupakan contoh dari besaran. Satuan didefinisikan sebagai sesuatu yang mengikuti besaran, “mengikuti” disini diartikan bahwa letak satuan selalu di belakang besaran, tidak ada satuan yang ditulis di depan besarannya. Satuan juga sebagai “identitas” dari suatu besaran, setiap besaran memiliki satuannya masing-masing sehingga kita dapat mengetahui jenis besarannya dari satuan yang ditulis. Misalkan untuk pengukuran terhadap tubuh manusia ternyata didapatkan hasil bahwa manusia tersebut memiliki tinggi badan 1,75 m, berat badan 70 kg, suhu badan 35,3 ⁰C dan panjang kaki 0,80 m. Berdasarkan ilustrasi tersebut kita dapat mengetahui bahwa “m”, “kg” dan ” ⁰C” merupakan contoh satuan, “kg” adalah satuan untuk besaran massa, “⁰C” adalah satuan untuk besaran suhu, “m” adalah satuan untuk besaran panjang. perlu diperhatikan bahwa meskipun tinggi memiliki satuan yang sama dengan panjang yakni “m” tetapi tetap termasuk ke dalam besaran panjang karena dalam fisika meter “m” adalah satuan untuk besaran panjang, jadi apapun namanya asalkan memiliki satuan meter termasuk ke dalam besaran panjang (misalkan kedalaman, ketinggian, lebar, jarak, dll).

Satuan menunjukkan jenis besarannya, akan tetapi satuan ini terkadang ada jenis satuan yang hanya bisa digunakan untuk satu orang tertentu saja tapi tidak dapat digunakan untuk orang lain, misalkan orang zaman dulu atau di pedesaan untuk mengukur panjang terkadang digunakan jengkal, jangka, hasta, depa, dll. Satuan-satuan ini tidak dapat digunakan oleh orang lain selain orang yang melakukan pengukuran karena setiap orang memiliki jengkal, jangka, hasta yang berbeda-beda jadi tidak dapat dijadikan standar dalam pengukuran. Satuan jenis ini disebut dengan “satuan tidak baku”. Sehingga diperlukan suatu standar satuan yang dapat digunakan oleh semua orang, satuan ini disebut dengan satuan “baku”. Satuan disebut sebagai satuan baku harus memenuhi 3 syarat berikut ini :

1. Nilai satuan harus tetap

Nilai satuan harus tetap yang artinya tidak dipengaruhi oleh suhu, cuaca, atau perubahan lingkungan lainnya, meskipun digunakan oleh anak – anak atau orang dewasa hasilnya harus sama.

2. Mudah ditiru

Satuan harus mudah ditiru, karena sebagai suatu standar tentunya setiap daerah atau negara harus dapat membuatnya, tidak sulit untuk memperbanyak karena setiap orang di dunia ini pasti akan memerlukan satuan ini.

3. Berlaku internasional

Satuan harus berlaku internasional untuk keperluan pengembangan ilmu pengetahuan dan teknologi, karena sering kali hasil penelitian dari satu negara juga digunakan untuk negara lain sehingga harus ada kesepakatan internasional agar suatu satuan disebut sebagai satuan baku.

Pada tahun 1960, para ilmuan sepakat untuk membentuk suatu sistem satuan yang akan dijadikan standar bagi seluruh dunia yang disebut dengan “System International d’Unites” atau Sistem Internasional (SI). dalam sistem SI ini dikenal tujuh besaran pokok.

Besaran Pokok

Besaran pokok merupakan besaran dasar yang satuannya telah didefinisikan terlebih dahulu, ada tujuh besaran pokok yakni

1. Panjang (meter)
2. Massa (kilogram)
3. Waktu (sekon)
4. Kuat arus listrik (Ampere)
5. Suhu (Kelvin)
6. Intensitas Cahaya (Kandela)
7. Jumlah Zat (mol)

Satuan-satuan dari besaran pokok di atas telah didefinisikan yang merupakan hasil kesepakatan ilmuan di seluruh dunia. Kita akan membahas beberapa definisi dari satuan – satuan di atas

Meter

Pada tahun 1960, satu meter standar didefinisikan sebagai 1.650.763,73 kali panjang gelombang dari garis spektrum warna jingga merah atom krypton-86 dalam ruang hampa. Kemudian untuk kemudahan dibuat tiruannya dan menambah keakuratannya, pada tahun 1983 dilakukan pendefinisian ulang untuk satu meter menjadi jarak yang ditempuh oleh cahaya dalam ruang vakum selama 1/299 792 458 sekon.

Gambar 1. Ilustrasi satuan meter

(sumber: University Physics with Modern Physics)

Berdasarkan definisi terbaru dari meter maka kita dapat mengatakan bahwa dalam ruang hampa udara cahaya akan menempuh jarak sejauh 299.792.458 m. beberapa informasi tentang besaran panjang dapat dilihat pada tabel 1 berikut

Tabel 1. Perkiraan nilai beberapa panjang

Kilogram

Pada tahun 1887 satu kilogram didefinisikan sebagai sebuah silinder logam yang terbuat dari platinum iridium yang sekarang tersimpan di Sevres dekat paris. Agar memiliki tingkat yang lebih akurat (sekedar informasi, kilogram merupakan satu-satunya satuan yang didefinisikan dalam bentuk fisik) maka pada november 2018 kilogram didefinisikan ulang yakni “dengan mengambil nilai tetap konstanta planck sebesar 6,626 070 15 x 10^-34 ketika dinyatakan dalam satuan Js, yang sama dengan kg m² s^-1, dimana meter dan detik didefinisikan dalam istilah c dan ΔvCs. Berdasarkan definisi terbaru dari kilogram tersebut kita dapat menyatakan kilogram dalam tiga konstanta yakni “h”, “c”, “ΔvCs” sebagai berikut

Beberapa informasi tentang massa dalam kilogram dapat dilihat pada tabel 2 berikut ini

Sekon

Sebelum tahun 1967 satu sekon didefinisikan sebagai (1/60) (1/60) (1/24) hari atau 1/86 400 hari yang didasarkan dari gerakan rotasi planet. Akan tetapi dikemudian hari para ilmuwan menyadari bahwa definisi ini tidak bisa dijadikan standar karena waktu dalam satu hari akan berkurang sekitar 0,001 sekon setiap satu abad. Oleh karena ini pada tahun 1967 dibuat pendefinisian baru untuk satu sekon dengan mengukur getaran atom cesium. Satu sekon didefinisikan sebagai selang waktu dari 9 192 631 770 getaran dari radiasi yang dihasilkan oleh transisi atom cesium -133. Alat ukurnya adalah jam atom cesium yang memiliki ketelitian sangat tinggi yakni selama 20 juta tahun jam ini hanya mengalami kesalahan 1 detik. Beberapa informasi tentang waktu ini dapat dilihat pada tabel 3 di bawah

Besaran Turunan

Besaran turunan adalah besaran yang diturunkan dari dua atau lebih besaran pokok atau merupakan kombinasi dari beberapa besaran pokok. Hal ini dapat dilihat dari satuan besaran tersebut, jika besaran pokok hanya memiliki satu satuan, maka besaran turunan memiliki lebih dari satu satuan. Besaran turunan dihasilkan dari hasil perkalian atau pembagian antar besaran, seperti berikut

Hasil perkalian
Besaran turunan yang merupakan hasil perkalian antara lain
Luas (A)
Luas merupakan hasil perkalian antara besaran panjang dan panjang
p x l = A
m x m = m²
(satuan ada dua)
Gaya (F)
Gaya merupakan hasil perkalian antara besaran massa dan percepatan
m . a = F
kg . m/s² = kgm/s² (kgm/s² = N)
(satuannya ada 4, satuan gaya bisa “disingkat” menjadi Newton (N))
Muatan (Q)
Muatan merupakan hasil perkalian antara besaran kuat arus listrik dan waktu
I . t = Q
A . s = As (As = C)
(satuannya ada 2, satuan muatan bisa “disingkat” menjadi Coulomb (C))

Hasil pembagian
Besaran turunan yang merupakan hasil pembagian antara lain
Kecepatan (v)
Kecepatan merupakan hasil pembagian antara besaran perpindahan dan waktu
Perpindahan/waktu = kecepatan
m/s = m/s
(satuannya ada 2)
Massa jenis (ρ) Massa jenis merupakan hasil pembagian antara besaran massa dan volume
Massa/volume = massa jenis
Kg/m³ = Kg/m³
(satuannya ada 4)
Tekanan (P)
Tekanan merupakan hasil pembagian antara besaran gaya dengan luas penampang
Gaya/Luas penampang = tekanan
N/m² = N/m² (N/m² = Pa)
(Satuannya ada 5, satuan tekanan bisa disingkat menjadi Pascal (Pa))

Sebenarnya untuk besaran turunan masih banyak lagi selain dari yang sudah disebutkan di atas, akan tetapi perlu juga diperhatikan beberapa besaran turunan memiliki satuan khusus seperti gaya satuannya N, tekanan satuannya Pa dll. jadi seolah-olah besaran-besaran tersebut memiliki satu satuan seperti besaran pokok tapi pada kenyataannya itu merupakan kombinasi dari satuan-satuan lainnya.

Konversi satuan

Konversi satuan merupakan perubahan satuan dari satu bentuk ke bentuk lainnya yang digunakan sesuai dengan kebutuhan. Paling banyak ditemui adalah konversi satuan SI menjadi jenis satuan lainnya, tapi yang perlu diingat konversi satuan ini hanya mengubah bentuk angkanya tapi tidak mengubah nilainya. Konversi satuan dapat ditinjau berdasarkan beberapa hal Konversi satuan ke tingkatan yang berbeda

Konversi satuan ini sering kita lihat dibuat gambar anak tangga, contoh konversi jenis ini adalah

Konversi satuan di atas sudah lazim diketahui, meskipun ada beberapa tambahan yang tidak ada di tabel tapi pada dasarnya jika besaran panjang maka satuannya meter beserta seluruh tingkatannya dan jika besaran massa maka satuannya adalah gram beserta seluruh tingkatannya. Hal ini berlaku juga untuk jenis satuan yang lain.

Konversi satuan ke jenis yang berbeda

Konversi satuan ke jenis yang berbeda dimaksudkan disini adalah beberapa daerah atau negara terkadang memiliki jenis satuannya tersendiri yang bukan merupakan satuan SI seperti British Imperial Systems yang digunakan di wilayah inggris dan sekitarnya dan US Customary Systems yang digunakan di negara Amerika dan sekitarnya sehingga kita memerlukan konversinya jika ingin diubah ke satuan SI. Beberapa contoh konversi satuan ini adalah

1 Pound (lb) = 0,454 kg
1 Ounce (Oz) = 28,35 gram
1 inch = 2,54 cm
1 foot = 30,48 cm
1 yard = 91,44 cm
1 miles = 1,61 km

Perhatikan data-data di atas, bilangan 0,454, 28,35, 2,54 dst merupakan bilangan konversinya, jadi ketika ingin mengkonversi suatu satuan kita harus mengetahui bilangan konversinya terlebih dahulu

Konversi satuan besaran turunan

Konversi satuan besaran turunan dapat dilakukan dengan cara mengkonversi masing-masing satuannya agar menemukan bilangan konversi dari satuan tersebut. misalkan untuk mengkonversi satuan kecepatan dari km/jam menjadi m/s kita harus mengkonversinya satu persatu. Kita telah mengetahui bahwa 1 km = 1000 m dan 1 jam = 3600 s, sehingga

1 km/jam = 1000/3600 m/s
1 km/jam = 10/36 m/s
Jadi bilangan konversi satuan dari km/jam menjadi m/s adalah 10/36. Dengan bilangan tersebut kita bisa langsung mengkonversinya. Contoh
18 km/jam = 18 . 10/36 m/s
18 km/jam = 5 m/s
72 km/jam = 72 . 10/36 m/s
72 km/jam = 20 m/s

Cara di atas dapat dilakukan untuk mengkonversi jenis satuan besaran turunan yang lainnya.