Teori Relativitas Khusus Einstein | Pendahuluan

Albert Einstein

(sumber : Fundamentals of Physics)

Albert Einstein seorang fisikawan asal Jerman yang sangat berpengaruh dalam perkembangan ilmu fisika, 1905 ketika ia berumur 25 tahun telah mengemukakan sebuah teori yang terkenal dengan teori relativitas khusus. Disebut teori relativitas khusus, karena teori ini hanya berlaku untuk kerangka acuan inersial (kerangka acuan yang diam atau bergerak dengan kecepatan konstan). Teori ini yang kemudian mengubah pandangan para fisikawan terkait dengan konsep ruang dan waktu, menurut teori relativitas khusus ini ruang dan waktu tidak bersifat mutlak atau absolut (tetap) tetapi bisa berubah jika bendanya bergerak dengan kecepatan yang mendekati kecepatan cahaya. Melalui teori relativitas khusus ini ilmu fisika berkembang dengan pesat sehingga masa setelah di kemukakan teori ini oleh Einstein sering disebut fisika modern (masa sebelumnya disebut dengan fisika klasik dimana benda bergerak dengan kecepatan jauh dibawah kecepatan cahaya, dengan Newton sebagai fisikawan paling populer di masa ini).
Pada bab ini kita akan mempelajari bagaimana teori ini bisa muncul, fenomena apa yang tidak mampu dijelaskan oleh fisika klasik sehingga muncul teori relativitas khusus, dan bagaimana penerapannya dalam kehidupan sehari-hari.

Relativitas Galileo

Dalam ilmu fisika, kita mengenal konsep gerak dimana gerak pada dasarnya bersifat relatif yang artinya gerak bergantung pada kerangka acuannya, misalkan ketika kamu berhadap-hadapan dengan seorang teman, kemudian kamu melangkah ke kiri maka teman di hadapan kita akan beranggapan bahwa kita bergerak ke kanan. Meskipun dikatakan geraknya berbeda (satu mengatakan ke kiri, satu mengatakan ke kanan) akan tetapi keduanya benar karena menggunakan kerangka acuan yang berbeda, kamu mengatakan bergerak ke kiri dengan acuan dirimu sendiri, sedangkan temanmu yang berada di depanmu mengatakan kamu bergerak ke kanan dengan kerangka acuan temanmu.

Selain gerak, kita juga harus memahami konsep kejadian. Kejadian dalam fisika merupakan suatu peristiwa fisika yang terjadi dalam suatu ruang dan pada waktu tertentu, contohnya menyalakan lampu, tumbukan dua partikel, ledakan petasan, dll. Setiap kejadian fisika akan berada dalam koordinat ruang dan waktu (spacetime coordinate) yang terdiri atas koordinat ruang (x, y, z) dan koordinat waktu (t). sistem koordinat itu sendiri juga merupakan suatu kerangka acuan. Seseorang yang mengamati suatu kejadian fisika dan melakukan pengukuran disebut pengamat, perlu dipahami bahwa untuk satu kejadian dapat diamati oleh lebih dari satu pengamat jika sistem koordinat yang dipakai masing-masing pengamat berbeda juga.

Berdasarkan penjelasan di atas, teori relativitas erat kaitannya dengan kejadian-kejadian yang teramati dari kerangka acuan inersial, yang mana kerangka acuan juga tidak bersifat mutlak. Oleh Galileo mengemukakan prinsip relativitas Galileo (di beberapa buku ada yang menyebutkan prinsip relativitas Newton) yakni

Hukum-hukum mekanika berlaku sama untuk semua kerangka acuan inersial

Untuk lebih memahami prinsip relativitas Galileo ini perhatikan ilustrasi berikut.

Gambar 1. Dua pengamat sedang mengamati lintasan bola ketika dilempar ke atas kemudian jatuh kembali, ternyata menghasilkan dua lintasan yang berbeda
(sumber: physics for scientists and engineers with modern physics)

Sebuah truk yang bergerak dengan kecepatan konstan terhadap bumi dengan seorang penumpang di bak belakang (gambar 1a). Jika penumpang yang berada di belakang truk melemparkan bola ke atas kemudian ditangkap kembali ketika jatuh, hasil pengamatan orang tersebut adalah bahwa lintasan yang ditempuh oleh bola tersebut berupa garis lurus vertikal, hal ini dikarenakan ia juga ikut bergerak bersama dengan truk (bola hanya memiliki kecepatan dalam arah sumbu y tidak memiliki kecepatan dalam arah sumbu x). Akan tetapi jika ada orang diam di pinggir jalan (gambar 1b) mengamati lintasan yang ditempuh oleh bola tersebut akan menghasilkan bahwa lintasan yang ditempuh oleh bola berupa lintasan parabola, hal ini dikarenakan menurut orang yang diam dipinggir jalan selain bola bergerak secara vertikal bola juga bergerak secara horizontal (bola memiliki kecepatan searah sumbu y dan sumbu x). Dalam kerangka acuan yang berbeda (pengamat di atas bak truk dan pengamat diam di pinggir jalan) hukum – hukum mekanika berlaku untuk kedua kerangka acuan tersebut meskipun menghasilkan lintasan yang berbeda.

Transformasi Galileo
Berdasarkan ilustrasi di atas, kita mengetahui bahwa dalam satu kejadian bisa diamati dari dua kerangka acuan yakni kerangka acuan yang diam (orang diam di pinggir jalan) dan kerangka acuan yang bergerak (orang berada di atas bak truk).
Suatu kejadian dalam fisika terjadi dalam sistem koordinat 4 dimensi yakni koordinat ruang dan waktu (x, y, z, t) serta bisa diamati dari dua kerangka kejadian, hubungan antara kedua kerangka acuan dan kejadian tersebut dapat dijelaskan menggunakan kerangka acuan inersial dalam satu gambar seperti berikut.

Gambar 2. Kejadian yang terjadi pada titik P. Kejadian ini di amati dari dua kerangka acuan yakni S dan S’, dimana S’ bergerak dengan kecepatan v relatif terhadap S.

Berdasarkan dua sistem koordinat S dan S’ (gambar 2), dimana S’ bergerakan dengan kecepatan konstan v terhadap S searah dengan sumbu x dan x’ (keduanya berhimpit). Dalam hal ini kita asumsikan bahwa pada awalnya kedua kerangka acuan berhimpit (saat t = t’ = 0) dan kejadian pada titik P terjadi dalam ruang dan waktu yang bersamaan ditinjau dari kedua sistem koordinat (t=t’). Pengamat berada pada titik O untuk sistem koordinat S (x, y, z, t) dan pengamat pada titik O’ untuk sistem koordinat S’ (x’, y’, z’, t’). Gambar 2, menunjukkan bahwa kerangka acuan S’ hanya bergerak terhadap sumbu x sehingga dengan menggunakan analisis geometri kita dapat menuliskan hubungan jarak kejadian terhadap kedua sistem koordinat tersebut sebagai berikut

x = x’ + vt, y = y’, z = z’, t = t’

persamaan di atas kita sebut sebagai transformasi Galileo untuk koordinat ruang dan waktu. Perhatikan bahwa waktu diasumsikan sama untuk kedua sistem koordinat. Sehingga perubahan waktu yang terjadi untuk sistem koordinat S sama dengan perubahan waktu yang terjadi untuk sistem koordinat S’.
Jika titik P berpindah dalam arah sumbu x sebesar dx dalam selang waktu dt yang diamati dari kerangka acuan S, pada saat yang sama jika di amati dari kerangka acuan S’ maka titik P akan mengalami perpindahan sejauh dx’ maka kecepatan titik P terhadap kerangka acuan S dan S’ dapat kita tentukan dengan menurunkan fungsi perpindahan terhadap waktu seperti berikut ini.

Dimana v merupakan kecepatan kerangka acuan S’ terhadap kerangka acuan S, dengan cara yang sama maka kita dapat memperoleh kecepatan titik P terhadap sumbu y yakni u’y = uy dan kecepatan titik P terhadap sumbu z yakni u’z = uz. secara lengkap transformasi galilleo untuk kecepatan adalah sebagai berikut

ux = ux’ + v, u’y = uy, u’z = uz

kecepatan cahaya
Diakhir tahun 1800, para fisikawan berpendapat bahwa, sekitar tahun 1964 seorang fisikawan dari MIT melakukan sebuah eksprimen untuk mempercepat gerak elektron dengan cara memberikan gaya tolak kepada elektron tersebut. berdasarkan hasil percobaannya ternyata di menemukan bahwa gaya yang bekerja pada elektron yang bergerak sangat cepat bertambah besar, maka energi kinetik elektron juga semakin besar, tetapi kecepatannya tidak bertambah secara signifikan (perhatikan gambar 3).

Gambar 3. Titik pada grafik merupakan besarnya energi kinetik yang dimiliki oleh sebuah elektron terhadap kecepatannya. tidak peduli berapa besar energi yang diberikan kepada elektron (atau partikel lain yang bermassa), kecepatannya tidak pernah sama atau mencapai kecepatan mutlak “c”.
(sumber : “Fundamentals of Physics”)

Elektron yang dipercepat dalam laboratorium sekitar 0,999 999 999 95 kali kecepatan cahaya tetapi kecepatannya tetap di bawah kecepatan cahaya sebesar c. sehingga kecepatan cahaya disebut dengan kecepatan mutlak, dimana nilai c = 3 x 10⁸ m/s . Hasil percobaan di atas juga menunjukkan bahwa tidak ada benda yang bisa bergerak melebihi kecepatan cahaya, hal ini tidak sesuai jika kita menggunakan transormasi Galileo. Perhatikan ilustrasi berikut.

Gambar 4. Sebuah pesawat yang begerak dalam kerangka acuan “A” yang juga bergerak dengan kecepatan konstan “v”
(sumber : Physics – Course Companion)

Sebuah pesawat luar angkasa yang begerak dengan kecepatan 0,7c dalam kerangka acuan A yang juga bergerak dengan kecepatan 0,6c searah dengan arah gerak pesawat. Jika seorang melihat dari bumi yang diam, maka berdasarakan transformasi Galileo kecepatan pesawat tersebut adalah
v_p = u_A + v
v_p = 0,7c + 0,6c
v_p = 1,3c
kecepatan pesawat tersebut tidak mungkin terjadi, karena tidak ada benda yang bergerak melebihi kecepatan cahaya. Hal ini merupakan kelemahan dari tranformasi Galileo.

Tranformasi Lorentz
Untuk menjawab permasalahan di atas, maka diperlukan suatu faktor koreksi yang mampu menyelesaikan fenomena di atas tanpa menyalahi hasil eksperimen. Faktor koreksi ini disebut dengan Faktor Lorentz yakni

Bentuk transformasi Lorentznya adalah sebagai berikut

x = γ(x’ + vt), y = y’, z = z’, t’ = γ(t + vx/c2)

Tranformasi Lorentz untuk kecepatan dapat diturunkan

Jika kita bagi persamaan (1) dan (2) maka
gambar 4c
Persamaan di atas masih mengikuti pada gambar 2 dengan
v’_x = kecepatan benda pada kerangka acuan S’
v_x = kecepatan benda pada kerangka acuan S
v = kecepatan S’ relatif terhadap S

untuk lebih memahami persamaan tersebut, perhatikan ilustrasi berikut ini!

Gambar 5. Dua pesawat yang bergerak di sekitar planet

Misalkan kita diminta untuk menentukan besar kecepatan pesawat A relatif terhadap planet maka perumusannya dapat ditulis

Penting untuk dipahami dalam memaknai persamaan di atas, pertama Dalam penulisan kecepatan perhatikan indeksnya
v_AP merupakan kecepatan pesawat “A” terhadap planet
v_AB merupakan kecepatan pesawat “A” terhadap pesawat “B”
v_BP merupakan kecepatan pesawat “B” terhadap Planet
perhatikan pula peletakaan indeks pada bagian atas dari persamaan

Jika dalam penulisan awalnya indeks terbalik dengan yang ada di dalam persamaan, maka ketika memasukkan nilainya diberikan tanda negatif, b egitu pula jika kedua benda begerak berlawan arah, maka salah satunya juga dibuat negatif (ingat kecepatan adalah besaran vektor). Mari kita lanjutan pembahasan ini dengan menerapkannya dalam beberapa soal seperti berikut.

Latihan soal 1

Sebuah pesawat ruang angkasa bergerak dengan kecepatan 0,6c meninggalkan bumi. Dari pesawat tersebut ditembakkan peluru dengan kecepatan 0,5c (c = kecepatan cahaya di ruang hampa). Berapa kecepatan peluru menurut pengamat di Bumi jika arah peluru searah pesawat ....

A. 0,75c
B. 0,85c
C. 0,95c
D. 0,88c
E. 0,55c
Kunci jawaban : “B”

pembahasan soal nomor 1:

Berdasarkan soal diketahui
v_P.b = 0,6c
(kecepatan pesawat terhadap bumi)
v_p.P = 0,5c
(kecepatan peluru terhadap pesawat)
v_p.b ... ?
(kecepatan peluru terhadap bumi)

Maka persamaannya adalah

Latihan soal 2
Dua benda bergerak dengan arah yang berlawanan dan kecepatan masing-masing ½ c dan ¼ c. Jika c = kecepatan cahaya, maka kecepatan benda pertama terhadap benda kedua sebesar ....
A. 0,750 c
B. 0,666 c
C. 0,500 c
D. 0,125 c
E. 0,250 c
Kunci jawaban : “B”

pembahasan soal nomor 2:

Berdasarkan soal dapat diketahui
v_1.b = ½ c
v_2.b = -¼ c (berlawanan arah)
v_1.2 ... ?
sehingga

Karena yang diinginkan adalah v_b.2

Latihan soal 3
Pesawat angkasa Alfa berkecepatan 0,9 c terhadap bumi, jika pesawat Beta melewati pesawat Alfa dengan kecepatan relatif 0,5 c. Berapakah kecepatan pesawat Beta terhadap bumi?
Kunci jawaban : “0,97c”

pembahasan soal nomor 3:

Berdasarkan soal dapat diketahui
v_A.b = 0,9c
v_B.A = 0,5c
v_B.b ... ?

Latihan soal 4
Sebuah pesawat antariksa bergerak dengan kelajuan 0,85 c. seorang anak dalam pesawat tersebut menembakkan rudal dengan kelajuan 0,35 c searah dengan gerak pesawat.kecepatan rudal tersebut menurut pengamat di bumi jika berdasarkan relativitas Einstein adalah…
a. 0,48c
b. 0,82c
c. 0,88c
d. 0,92c
e. 0,99c
Kunci jawaban : “D”

pembahasan soal nomor 4:

Berdasarkan soal dapat diketahui
v_pb = 0,85c (kecepatan pesawat terhadap bumi)
v_rp = 0,35 c (kecepatan rudal terhadap pesawat)
v_rb ... ? (kecepatan rudal terhadap bumi)

Latihan soal 5
Dua pesawat antariksa A dan B bergerak dengan arah berlawanan, seorang pengamat di bumi mengukur kelajuan pesawat A sebesar 0,75c dan kelajuan pesawat B adalah 0,85c. kelajuan pesawat A relative terhadap pengamat di bumi adalah…
a. 0,81c
b. 0,88c
c. 0,98c
d. 0,99c
e. 1,23c
Kunci jawaban : “C”

pembahasan soal nomor 5:

Berdasarkan soal dapat diketahui
v_Ab = 0,75c (kecepatan pesawat A terhadap bumi)
v_Bb = -0,85c (kecepatan pesawat B terhadap bumi)
(tanda negatif karena berlawanan arah)
v_AB ... ? (kecepatan pesawat A terhadap pesawat B)

Karena yang diinginkan adalah v_bB
v_bB = - v_Bb
v_bB = - (-0,85c)
v_bB = 0,85c

demikian sekilas pembahasan pada kali ini, semoga bermanfaat bagi para pembaca

Hukum Coulomb !! Yuk pahami rahasianya

Hukum Coulomb pertama kali dikemukakan oleh Charles Augustin de Coulomb seorang fisikawan asal Perancis pada tahun 1785, atas jasanya dibidang fisika nama Coulomb dijadikan menjadi satuan muatan listrik dan gaya listrik disebut juga gaya Coulomb. Beliau, meneliti terkait dengan hubungan antara besar gaya listrik dengan besar muatan dan jarak antar muatan.
Penelitian yang dilakukan oleh Charles Coulomb, pada akhirnya menyimpulkan bahwa “Besarnya gaya interaksi antar muatan listrik sebanding dengan besar muatan listrik dan berbanding terbalik dengan kuadrat jaraknya”. Pernyataan di atas tersebut kemudian hukum Coulomb yang mana secara matematis dituliskan sebagai berikut

Keterangan :
F_C = Gaya Listrik / Gaya Coulomb (N)
k = konstanta (Nm²/C²)
q₁₂ = besar muatan (C)
r = jarak antar muatan (m)
ε₀ = Permivitas ruang hampa (Nm²/C²)

jika kedua muatan berada dalam medium selain vakum atau udara, permivitas medium ε dihitung dengan persamaan berikut

Dengan εr permivitas relatif atau tetapan dielektrik

Nah, ketika melihat suatu persamaan fisika kebanyakan siswa akan merasa sulit dihafal, bingung menghitungnya, dsb. Untuk mengatasi hal tersebut kita bisa menggunakan teknik “jembatan keledai” dengan membuat sebuah kalimat dari rumus di atas agar mudah diingat, misalkan rumus di atas dapat dibuat sebuah kalimat “KaQiQuRemuk2”, silahkan membuat kalimat-kalimat lain yang sekiranya mudah dihafal.

Sekarang mari kita lakukan analisis dari gaya listrik sesuai hukum Coulomb di atas, perhatikan gambar berikut

(a) dua muatan yang berlawanan jenis timbul gaya listrik yang saling tarik-menarik

(b) dua muatan yang sejenis timbul gaya listrik yang saling tolak-menolak

Berdasarkan gambar di atas, maka kita dapat mengetahui bahwa arah gaya listrik bisa berubah bergantung pada jenis muatan yang berinteraksi, Perhatikan pula indeks yang dituliskan pada gaya listrik di atas bermakna F₁₂ adalah gaya yang bekerja pada muatan 1 karena muatan 2, F₂₁ adalah gaya yang bekerja pada muatan 2 karena muatan 1. Definisi tersebut merupakan implikasi karena berlakunya Hukum III Newton tentang gaya Aksi-Reaksi. Jadi dapat dikatakan bahwa, gaya listrik yang timbul antara dua muatan merupakan pasangan gaya Aksi-Reaksi. Lebih jauh, jika diperhatikan lagi hukum Coulomb ini perlu diperhatikan 2 point utama

1. Gaya listrik sebanding dengan besar muatan
Semakin besar muatan yang berinteraksi, maka gaya listrik yang timbul akan semakin besar, begitu pula sebaliknya

2. Gaya listrik berbanding terbalik dengan kuadrat jarak
Semakin jauh jarak antara muatan listrik, maka besar gaya listriknya akan semakin kecil

Dua point di atas adalah sifat kesebandingan secara matematis dari suatu persamaan atau rumus matematis, sehingga kita dapat menuliskan persamaan perbandingannya

Indeks “B” untuk keadaan akhir dan indeks “A” untuk keadaan awal, Silahkan dibuktikan sendiri ya ….

Penting !! Persamaan perbandingan dapat dipahami dengan mudah dengan memperhatikan sifat kesebandingan dan indeks yang dituliskan. Jika dua besaran sebanding maka penulisan indeksnya tetap (antara gaya “F” dengan besar muatan “q”) dan jika dua besaran berbanding terbalik maka penulisan indeksnya dibalik (antara gaya “F” dan jarak “r”).

Satu konsep lagi yang perlu diperhatikan dalam menggunakan hukum Coulomb ini yakni bahwa gaya listrik merupakan besaran vector, sehingga dalam analisisnya kita juga harus mematuhi kaidah – kaidah atau konsep yang berlaku di besaran vektor.

Nah untuk lebih memahami penggunaan hukum Coulomb ini perhatikan beberapa contoh soal berikut ini
Contoh Soal
soal 1
Dua bola X dan Y terpisah sejauh 9 m. muatan pada bola X adalah 3 μC dan muatan pada bola Y adalah 1 μC. Jika F adalah besar gaya X pada Y, nilainya adalah ….
A. k x 10^-12 N
B. 1/3 k x 10^-12 N
C. 1/9 k x 10^-12 N
D. 1/27 k x 10^-12 N
E. 1/81 k x 10^-12 N
Kunci jawaban : “D”

pembahasan soal nomor 1:

q₁ = 3 μC = 3 . 10^-6 C
q₂ = 1 μC = 1 . 10^-6 C
r = 9 m
F … ?

soal 2
Dua bola bermuatan kecil terpisah sejauh 0,05 m dan saling tola-menolak dengan gaya 18 x 10^-4 N. ketika bola bermuatan terpisah sejauh 0,15 m dalam medium yang sama, gaya tolak-menolak sebesar ….
A. 1 x 10^-4 N
B. 2 x 10^-4 N
C. 3 x 10^-4 N
D. 6 x 10^-4 N
E. 8 x 10^-4 N
Kunci jawaban : “B”

pembahasan soal nomor 2:

r_A = 0,05 m = 5 . 10^-2 m
F_A = 18 x 10^-4 N
r_B = 0,15 m = 15 . 10^-2 m
F_B … ?
Karena gaya listrik berbanding terbalik dengan kuadrat jarak, maka persamaan perbandingannya dapat ditulis

soal 3
Total dua muatan q₁ dan q₂ adalah 5 μC, jika kedua muatan tersebut dipisahkan sejauh 3 m, setiap muatan akan merasakan gaya listrik sebesar 4 mN. Besar q₁ dan q₂ berturut-turut adalah ….
A. -4μC dan 10μC
B. 3μC dan 3μC
C. 4μC dan 2μC
D. 5μC dan 1μC
E. 8μC dan -2μC
Kunci Jawaban :

pembahasan soal nomor 3:

q₁ + q₂ = 5μC
q₂ = 5 . 10^-6 – q₁
r = 3 m
F = 4 mN = 4 . 10^-3 N

soal 4
Muatan +Q coulomb ditempatkan di x = -1 m dan muatan -2Q coulomb ditetapkan di x = +1 m. Muatan uji +q coulomb yang diletakkan di sumbu X akan mengalami gaya total nol jika ia diletakkan di x = ….

A. –(3 + √8) m
B. -1/3 m
C. 0 m
D. 1/3 m
E. (3 + √8) m
Kunci jawaban :

pembahasan soal nomor 4:

Dari pertanyaan di atas, ada 2 kondisi letak muatan +q yakni di antara kedua muatan (indside) atau di bagian samping (outside) baik di samping kanan atau kiri agar total gayanya sama dengan nol.
Resultan gayanya sama dengan nol pada muatan ketiga dapat diperoleh dengan syarat kedua gaya listrik yang dihasilkan pada muatan +q harus berlawanan arah dan sama besar. jika ingin mendapatkan gaya yang berlawanan arah dari kedua muatan, maka muatan +q harus diletakkan di samping kedua muatan tidak boleh ditengah, dan supaya sama besar, maka muatan +q harus lebih dekat ke muatan yang besar dan lebih jauh dari muatan yang kecil. Oleh karena itu, posisi yang paling mungkin adalah berada di sebelah kiri muatan +Q seperti gambar berikut

maka

soal 5
Tiga muatan sejenis dan sama besar Q terletak pada satu bidang. Jika pusat-pusat tiap muatan dihubungkan terbentuk segitiga sama sisi dengan panjang sisi 2a. besar gaya Coulomb yang dialami oleh salah satu muatan dinyatakan dalam, k, Q, dan a adalah …..
A. (kQ²/a²) √3
B. (kQ²/2a²) √3
C. (kQ²/3a²) √3
D. (kQ²/4a²) √3
E. (kQ²/5a²) √3
Kunci Jawaban : “D”

pembahasan soal nomor 5:

Untuk menjawab soal di atas perhatikan ilustrasi berikut ini

Perlu diperhatikan, bahwa jarak antar muatan sama (karena di titik sudut segitiga sama sisi) dan besar muatannya sama, maka besar gaya interaksi di salah satu muatan adalah sama besar (F₃₁ = F₃₂) sehingga kita bisa mencari salah satunya saja

Untuk menentukan besarnya Resultan gaya dapat dilakukan dengan cara sebagai berikut

soal 6
Dua muatan masing-masing 8μC dan 2 μC diletakkan pada sumbu X pada jarak 6 m satu sama lain. Muatan pertama terletak pada pusat koordinat. Agar sebuah muatan negative tidak mengalami gaya sedikitpun, maka muatan ini harus diletakkan pada posisi ….
A. X = - 4m
B. X = - 2m
C. X = 2m
D. X = 4m
E. X = 8m
Kunci Jawaban : “C”

pembahasan soal nomor 6:

Resultan gayanya sama dengan nol pada muatan ketiga dapat diperoleh dengan syarat kedua gaya listrik yang dihasilkan pada muatan -q harus berlawanan arah dan sama besar. jika ingin mendapatkan gaya yang berlawanan arah dari kedua muatan, maka muatan -q harus diletakkan di antara kedua muatan tidak boleh ditengah, dan supaya sama besar, maka muatan -q harus lebih dekat ke muatan yang besar dan lebih jauh dari muatan yang kecil. Oleh karena itu, posisi yang paling mungkin adalah seperti gambar berikut

Maka

Ketahuilah ! Definisi baru 1 kilogram setelah 1 abad

 

Dalam dunia ilmu pengetahuan dan teknologi, pengukuran adalah elemen kritis yang mempengaruhi berbagai aspek kehidupan manusia. Untuk mengukur suatu besaran, seperti massa, waktu, panjang, dan lainnya, diperlukan standar yang konsisten dan dapat diandalkan. Salah satu standar yang paling fundamental adalah kilogram, satuan dasar untuk mengukur massa. Namun, seiring berkembangnya pengetahuan dan teknologi, ilmuwan menyadari adanya ketidaksesuaian dalam definisi kilogram berdasarkan standar fisik yang digunakan sebelumnya. Inilah saatnya untuk memperkenalkan definisi baru satu kilogram yang lebih presisi dan konsisten.   

Kilogram Sebagai Satuan Dasar   

Sebelum membahas tentang definisi baru satu kilogram, mari kita lihat sekilas sejarahnya. Dalam Sistem Internasional( SI), kilogram telah lama digunakan sebagai satuan dasar untuk mengukur massa. Sejak tahun 1889, satu kilogram telah didefinisikan berdasarkan standar fisik yang dikenal sebagai" Kilogram Internasional" atau" Le Grand K" sebuah prototipe dari platinum- iridium yang disimpan di Kantor Internasional untuk Ukuran dan Bobot di Sèvres, Prancis.  

Kilogram Internasional memberikan referensi fisik untuk satuan massa, namun, lama kelamaan, ilmuwan mulai menyadari bahwa prototipe ini mengalami perubahan massa seiring waktu dan penggunaannya. Meskipun perubahan ini sangat kecil, namun secara konseptual, itu menimbulkan masalah dalam mendefinisikan satu kilogram yang harusnya menjadi konstanta universal.   

Revolusi Metrologi Redefinisi Kilogram   

Untuk mengatasi ketidaksesuaian dalam definisi satu kilogram, ilmuwan telah lama mencari cara untuk menyandarkan satuan massa pada konstanta alam yang tidak berubah. Inilah yang dikenal sebagai" redefinisi kilogram."   

Pada 20 Mei 2019, revolusi metrologi terjadi ketika Konferensi Umum tentang Berat dan Ukuran( CGPM) memutuskan untuk meredefinisikan satuan kilogram berdasarkan konstanta alam. Konstanta alam yang dipilih adalah" Konstanta Planck"( disingkat dengan" h")- konstanta mendasar dalam fisika yang berhubungan dengan mekanika kuantum. Definisi baru ini memberikan fondasi yang lebih kuat dan konsisten untuk satu kilogram.   

Definisi Baru Satu Kilogram   

Dengan adopsi definisi baru pada tahun 2019, satu kilogram sekarang didefinisikan sebagai" besaran yang besarnya sama dengan massa kelompok partikel tertentu dengan energi leluasa6.62607015 x 10- 34 joule per detik."   

Konstanta Planck( h) adalah konstanta alam yang tidak berubah, yang memberikan kestabilan pada definisi kilogram. Dengan demikian, definisi baru ini memberikan keuntungan signifikan dalam konsistensi dan akurasi pengukuran massa, tidak lagi bergantung pada prototipe fisik yang dapat berubah seiring waktu.   

Dampak dan Implikasi   

Redefinisi satu kilogram memberikan kontribusi besar dalam dunia metrologi dan ilmu pengetahuan secara keseluruhan. Dengan memiliki definisi yang lebih presisi dan konsisten, pengukuran massa sekarang lebih dapat diandalkan dalam berbagai aplikasi, termasuk dalam ilmu pengetahuan, teknologi, perdagangan internasional, dan industri.   

Selain itu, definisi berbasis konstanta alam memungkinkan berbagai negara dan lembaga di seluruh dunia untuk mencapai konsistensi dalam sistem pengukuran mereka. Hal ini membuka jalan untuk kolaborasi global yang lebih erat dalam penelitian ilmiah dan memungkinkan kemajuan teknologi yang lebih cepat.   

Kesimpulan   

Definisi baru satu kilogram yang didasarkan pada Konstanta Planck( h) adalah tonggak penting dalam dunia metrologi. Ini menandai pergeseran dari penggunaan prototipe fisik yang rentan terhadap perubahan menjadi definisi yang lebih stabil dan universal. Perubahan ini memberikan keuntungan jangka panjang bagi dunia ilmu pengetahuan, teknologi, dan masyarakat secara keseluruhan, memungkinkan pengukuran massa yang lebih presisi dan dapat diandalkan. Sebagai bagian dari evolusi ilmu pengetahuan, redefinisi kilogram menunjukkan komitmen kita untuk terus meningkatkan keakuratan dan pemahaman kita tentang alam semesta.

Praktikum Hukum Coulomb menggunakan Phet (Virtual)

Praktikum Hukum Coulomb

1. Tujuan Percobaan

Menyelidiki hubungan antara gaya Coulomb dengan besar muatan dan jarak antar muatan

2. Rumusan Masalah
1. Bagaimana pengaruh besar muatan dengan gaya Coulomb?
2. Bagaimana pengaruh jarak antar muatan dengan gaya Coulomb?
3. Studi Literasi

Dalam rangka untuk menjawab rumusan masalah yang telah dibuat, maka pelajarilah materi terkait dengan hukum Coulomb, kemudian buatlah hipotesis (jawaban sementara) dari rumusan masalah yang telah dikemukakan di atas.



---




---

4. Variabel
1. Variabel Bebas : merupakan variabel yang berubah – ubah
Praktikum 1


---




---

Praktikum 2


---




---

2. Variabel Terikan : merupakan variabel yang diukur.
Praktikum 1


---




---

Praktikum 2


---




---

3. Variabel Kontrol : merupakan variabel yang dijaga tetap
Praktikum 1


---




---

Praktikum 2


---




---

5. Alat dan Bahan
• Laptop
• Penggaris
• Pensil
• Kertas milimeterblock
6. Langkah Percobaan
1. Membuka situs “https://phet.colorado.edu/sims/html/coulombs-law/latest/coulombs-law_en.html”.
Sehingga muncul tampilan seperti berikut




2. Memilih Macro Scale. Maka akan tampak gambar seperti ini





keterangan:

1. Tools untuk mengubah besar muatan
2. Tools untuk menampilkan besar gaya (beri tanda centang)
   (scientific values tidak dicentang)
3. Jarak kedua muatan dihitung dari pusat muatan

Praktikum 1

1. Menentukan besar kedua muatan (q₁
= + 2μC, q₂ = + 10μC) dan jarak (r = 2cm) dan tulis pada tabel 1 sebagai data ke 1
2. Mengubah besar muatan pertama (q₁) dengan cara menggeser tombol pada kotak nomor 1 di atas (seperti pada tabel 1)
3. Mencatat besar gaya pada muatan 1 (F₁₂) dan gaya pada muatan 2 (F₂₁) serta arah gayanya pada tabel 1.
Praktikum 2
1. Menentukan nilai kedua muatan (q₁ = - 8μC, q₂ = + 10μC) dan jarak (r = 2cm) ditulis sebagai data ke 1 pada tabel 2
2. Mengubah jarak kedua muatan dengan cara menggeser muatan ke kiri atau ke kanan (seperti pada tabel 2)
3. Mencatat besar gaya pada muatan 1 (F₁₂) dan gaya pada muatan 2 (F₂₁) serta arah gayanya pada tabel 2.
Catatan:
Geser penggaris tepat di tengah muatan agar hasil pengukuran jaraknya lebih teliti.
7. Data Percobaan

1. Analisis Data
1. Berdasarkan data pada tabel 1, gambarkan grafik hubungan antara besar muatan 1 (q₁) dengan besar gaya Coulomb pada kertas milimeterblock!

---




---

2. Bagaimana bentuk grafik yang terbentuk?

---




---

3. Berdasarkan grafik yang telah kamu buat, deskripsikan hubungan antara besar muatan dengan besar gaya Coulomb!

---




---

4. Berdasarkan data pada tabel 2, buatlah grafik hubungan antara r₂ dengan besar gaya Coulomb !

---




---

5. Berdasarkan grafik yang terbentuk, deskripsikan hubungan antara kuadrat jarak antar muatan dengan besar gaya coulomb!

---




---

6. Bagaimanakah pengaruh jenis muatan terhadap gaya Coulomb?

---




---

7. Adakah keterkaitan antara besar gaya coulomb dengan anak panah pada tabel 1 dan tabel 2? Jika ada berikan penjelasannya!

---




---

8. Berikan penjelasan terkait dengan besar gaya F₁₂ dan F₂₁ !

---




---

9. Jelaskan dua cara yang dapat dilakukan untuk memperbesar gaya Coulomb antara dua muatan listrik yang terpisah pada jarak tertentu!

---




---

2. Kesimpulan

Buat kesimpulan dari kegiatan yang telah kamu lakukan !


---




---




---

materi fisika kelas 11 : gerak parabola (penjelasan rinci)

Efek Doppler - Soal dan Pembahasan Lengkap

Efek Doppler - Soal dan pembahasan lengkap, kami sajikan dalam rangka agar para pembaca dapat lebih memahami  materi efek doppler dengan lebih baik. pembahasan yang dilakukan dalam artikel ini kami tulis sendiri dengan menggunakan cara sendiri yang mana kami melakukan perhitungan secara sederhana karena soal - soal yang ada kami ambil dari soal - soal tes seperti ujian nasional, sbmptn, ataupun soal tes-tes yang lain. silahkan menikmati 

Soal Nomor 1(UN 2019)
Mobil polisi bergerak dengan kecepatan 72 km/jam sambil membunyikan sirine berfrekuensi 1.400 Hz. Di belakang mobil polisi terdapat pengendara sepeda motor yang bergerak dengan kecepatan 54 km/jam searah dengan mobil polisi. Cepat rambat bunyi di udara saati itu 330 m.s^-1, maka besar frekuensi sirine mobil polisi yang didengar pengendara sepeda motor adalah ....
A. 1.240 Hz
B. 1.380 Hz
C. 1.420 Hz
D. 1.450 Hz
E. 1.558 Hz

Materi Fisika - Intensitas Bunyi (gelombang bunyi)

Materi Fisika - Efek Doppler (video)

Gaya Sentripetal pada Benda Terhubung Tali (Penjelasan Lengkap)

Gaya sentripetal merupakan gaya yang arahnya menuju pusat lingkaran pada benda yang bergerak melingkar, hubungannya dengan hukum Newton adalah terkait dengan gaya – gaya yang berlaku sama dengan gaya sentripetal dan hal ini bergantung pada kasus atau fenomena dalam soal. Beberapa di antaranya yaitu benda yang terhubung tali, jalan menikung, dan jalan yang melengkung. Mari kita bahas satu persatu. Nah, pada kesempatan kali ini pembahasan lengkap tentang gaya sentripetal pada benda terhubung tali. selamat menikmati

Benda terhubung tali

Benda yang terhubung tali dapat digerakkan secara melingkar baik melingkar vertikal dan melingkar horizontal seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini

Pada kedua gambar di atas misalkan benda bermassa m bergerak melingkar dengan kecepatan linier sebesar v sehingga gaya sentripetal yang dimiliki benda tersebut adalah

Sehingga kita dapat melakukan analisisnya sebagai berikut

Bergerak horizontal

Ketika benda bergerak melingkar secara horizontal seperti pada gambar (1) di atas, maka gaya yang bertindak sebagai gaya sentripetal adalah gaya tegang tali tersebut, secara matematis dapat ditulis
T = Fs

Persamaan di atas menunjukkan gaya tegang tali ketika benda berputar secara horizontal dimana R merupakan jari – jari lingkaran.

Bergerak vertikal

Gambar (2) menunjukkan gerakan benda terikat tali dan diputar secara vertikal, sedikit berbeda dengan sebelumnya ketika benda bergerak secara vertikal maka posisi benda mempengaruhi arah gaya yang bekerja sehingga persamaan gaya sentripetal bisa berubah bergantung pada posisi benda tersebut, perlu diingat bahwa gaya sentripetal merupakan gaya yang arahnya menuju pusat lingkaran hasil resultan gaya – gaya tersebut. Berikut akan terlihat bagaimana posisi benda akan mempengaruhi persamaan gaya sentripetalnya
Posisi A

Berdasarkan gambar di atas yang bertindak sebagai gaya sentripetal adalah gaya tegang tali, maka persamaan gaya sentripetalnya adalah

Posisi B

Berdasarkan gambar di atas, gaya sentripetal merupakan resultan dari gaya tegang tali dan gaya berat benda. Sehingga persamaan gaya sentripetalnya menjadi

Posisi C

Berdasarkan gambar di atas, gaya sentripetal merupakan resultan dari gaya tegang tali dan gaya berat benda dalam komponen sumbu y (w_y). Sehingga persamaan gaya sentripetalnya menjadi

gambar D

Berdasarkan gambar di atas, gaya sentripetal merupakan resultan dari gaya tegang tali dan gaya berat benda dalam komponen sumbu x (w_x). Sehingga persamaan gaya sentripetalnya menjadi

Posisi E

Berdasarkan gambar di atas, gaya sentripetal merupakan resultan dari gaya tegang tali dan gaya berat (arah keduanya sama). Sehingga persamaan gaya sentripetalnya menjadi

agar lebih memahami konsep gaya sentripetal pada benda terhubung tali ini secara lengkap, mari kita simak beberapa contoh soal di bawah ini yang juga disertakan pembahasan dan penjelasan lengkap.

Soal nomor 1
Sebuah bola bermassa 200 g yang diikat di ujung tali diayun dalam suatu lingkaran horizontal beradius 50 cm. Bola tersebut melakukan 150 putaran tiap menit. hitung:

1. Waktu untuk satu putaran
2. Percepatan sentripetal
3. Tegangan tali

pembahasan soal nomor 1:

Berdasarkan soal dapat diketahui
m = 200 g = 0,2 kg
R = 50 cm = 0,5 m
ω = 150 put/menit
ω =150 . 2π / 60 rad/s
ω = 5π rad/s

a. waktu untuk satu putaran
yang dimaksud dengan waktu satu putaran adalah periodenya, sehingga jika bola tersebut melakukan 150 putaran per menit atau dalam 60 s, maka
150 put = 60 s
1 put = 60/150 s
1 put = 0,4 s
Dengan kata lain periodenya adalah 0,4 s

b. percepatan sentripetal
percepatan sentripetal dapat ditentukan dengan persamaan
a_s = ω²R
a_s = (5π)² . 0,5
a_s = 25π² . 0,5
a_s = 50π² m/s²

c. tegangan tali
seperti yang telah dijelaskan di atas, untuk tali yang diputar secara horizontal gaya tegangan talinya sama dengan gaya sentripetal sehingga
T = Fs
T = m a_s
T = 0,2 . 50π²
T = 10π² N

Soal nomor 2
perhatikan gambar berikut

Sebuah benda bermassa 1 kg digantungkan pada seutas tali. Berapakah kecepatan benda di titik C jika pada titik ini T = 0 dan panjang tali 5 m?

pembahasan soal nomor 2:

Berdasarkan soal dapat diketahui
m = 1 kg
R = 5 m
θ = 30⁰
T_C = 0
Untuk menyelesaikan soal ini kita dapat menggunakan analisis benda seperti pembahasan di atas pada posisi D, sehingga persamaan matematisnya adalah

Soal nomor 3
Sebuah keping bermassa 0,500 kg diikatkan pada ujung tali yang panjangnya 1,50 m. Keping bergerak dalam lingkaran horizontal seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6.1. Jika tali dapat menahan tegangan maksimum 50,0 N, berapakah kecepatan maksimum keping dapat bergerak sebelum tali putus? Asumsikan tali tetap horizontal selama gerakan.
Teks asli
A puck of mass 0.500 kg is attached to the end of a cord 1.50 m long. The puck moves in a horizontal circle as shown in Figure 6.1. If the cord can withstand a maximum tension of 50.0 N, what is the maximum speed at which the puck can move before the cord breaks? Assume the string remains horizontal during the motion.

Figure 6.1

pembahasan soal nomor 3:

Berdasarkan soal dapat diketahui
m = 0,5 kg
R = 1,5 m
T = 50,0 N
v_max... ?
karena benda bergerak melingkar secara horizontal maka besar tegangan talinya sama dengan besar gaya sentripetal. Jadi dapat dikatakan bahwa besar tegangan tali tersebut merupakan batas maksimal agar tali tidak putus. Kita dapat menggunakan persamaan
FS = T
mv²/R = T
v² = TR / m
v² = 50 . 1,5 / 0,5
v² = 150
v = 12,2 m/s
jadi jika kecepatannya melebihi 12,2 m/s maka gaya sentripetalnya akan melebihi 50,0 N sehingga menyebabkan tali tersebut putus.

Soal nomor 4
Sebuah bola bermassa m = 0,275 kg berayun dalam lintasan melingkar vertikal pada tali L = 0,850 m seperti pada Gambar P6.45. (a) Berapakah gaya-gaya yang bekerja pada bola di setiap titik pada lintasan? (b) Gambarlah diagram gaya untuk bola saat berada di dasar lingkaran dan saat berada di atas. (c) Jika kecepatannya 5,20 m/s di puncak lingkaran, berapakah tegangan tali di sana? (d) Jika tali putus ketika tegangannya melebihi 22,5 N, berapakah kecepatan maksimum yang dapat dimiliki bola di dasar sebelum itu terjadi? Teks Asli
A ball of mass m = 0.275 kg swings in a vertical circular path on a string L = 0.850 m long as in Figure P6.45. (a) What are the forces acting on the ball at any point on the path? (b) Draw force diagrams for the ball when it is at the bottom of the circle and when it is at the top. (c) If its speed is 5.20 m/s at the top of the circle, what is the tension in the string there? (d) If the string breaks when its tension exceeds 22.5 N, what is the maximum speed the ball can have at the bottom before that happens?

Figure P6.45

pembahasan soal nomor 4:

Berdasarkan soal dapat diketahui
m = 0,275 kg
R = 0,85 m
(a)Pada setiap titik dalam benda yang bergerak melingkar vertikal benda akan mendapatkan dua gaya yakni gaya berat (w = m g) yang arahnya ke bawah dan gaya tegang tali (T) yang arahnya menuju pusat lingkaran
(b)Gambar diagram gaya ketika benda berada di titik bawah (sama dengan posisi B pada penjelasan di atas) adalah sebagai berikut

Jadi antara gaya berat dan gaya tegang tali berlawanan arah, sedangkan diagram gaya ketika benda berada di titik atas (sama dengan posisi E pada penjelasan di atas) adalah sebagai berikut

Jadi antara gaya berat dan gaya tegang tali memiliki arah yang sama
(c) Jika ketika berada di posisi atas kecepatan benda sebesar 5,20 m/s dan dengan melihat diagram gaya pada jawaban sebelumnya, maka kita dapat menuliskan persamaan untuk gaya sentripetalnya adalah sebagai berikut

(d) jika tegangan tali maksimumnya 22,5 N pada posisi bawah, maka kecepatan maksimumnya dapat ditentukan dengan persamaan

Soal nomor 5
Sebuah benda bermassa m₁ = 4,00 kg diikat ke sebuah benda bermassa m₂ = 3,00 kg dengan Tali 1 dengan panjang l = 0,500 m. Kombinasi tersebut diayunkan dalam lintasan melingkar vertikal pada tali kedua, Tali 2, dengan panjang l = 0,500 m. Selama gerakan, kedua senar selalu segaris seperti yang ditunjukkan pada Gambar P6.44. Pada puncak geraknya, m₂ bergerak dengan kecepatan v = 4,00 m/s. (a) Berapakah tegangan tali l saat ini? (b) Berapakah tegangan tali 2 saat ini? (c) Tali mana yang akan putus lebih dulu jika kombinasi diputar lebih cepat dan lebih cepat?
Teks Asli
An object of mass m₁ = 4.00 kg is tied to an object of mass m₂ = 3.00 kg with String 1 of length l = 0.500 m. The combination is swung in a vertical circular path on a second string, String 2, of length l = 0.500 m. During the motion, the two strings are collinear at all times as shown in Figure P6.44. At the top of its motion, m₂ is traveling at v = 4.00 m/s. (a) What is the tension in String 1 at this instant? (b) What is the tension in String 2 at this instant? (c) Which string will break first if the combination is rotated faster and faster?

Figure P6.44

pembahasan soal nomor 5:

Berdasarkan soal dapat diketahui
m₁ = 4,00 kg
m₂ = 3,00 kg
R = 0,5 m
v = 4,00 m/s
gambar diagram gaya untuk kedua benda dapat digambarkan sebagai berikut

Berdasarkan gambar di atas, kita dapat menuliskan persamaan gaya sentripetalnya sebagai berikut
Untuk benda 1 :

Dimana v₁ = 2v, R₁ = 2l
Untuk benda 2 :

Dimana v₂ = v, R₂ = l
a. Untuk menentukan besar tegangan pada tali 1, kita dapat menggunakan persamaan (1)

b. Untuk menentukan besar tegangan pada tali 1, kita dapat menggunakan persamaan (2)

c. Karena T2 > T1, maka tali 2 akan putus lebih dahulu ketika keduanya diputarkan semakin cepat

Demikian artikel kali ini tentang gaya sentripetal pada benda terhubung tali penjelasan lengkap dengan soal latihan dan pembahasan lengkap. Semoga dapat bermanfaat bagi para pembaca dan jika ada request dari para pembaca terkait materi atau soal tentang suatu bab fisika silahkan tinggalkan komentar