FISIKA DAN PENGUKURAN
 |
| Sebuah jam bola bergulir, ditemukan pada awal abad kesembilan belas sebagai alternatif jam pendulum. Sebuah bola gulungan bolak-balik melalui alur dalam platform miring di dekat bagian bawah. Ketika bola mencapai akhir trek berlekuk, itu perjalanan mekanisme pelarian dari jam dan platform miring ke arah lain, mengirim bola pada perjalanan pulang. Waktu adalah salah satu besaran dasar yang kita gunakan dalam mempelajari gerak benda. (Ray Bates, The British Clockmaker Inc) |
Seperti semua ilmu-ilmu lain, fisika didasarkan pada pengamatan eksperimental dan pengukuran kuantitatif. Tujuan utama fisika adalah untuk mengidentifikasi sejumlah hukum dasar yang mengatur fenomena alam dan menggunakannya untuk mengembangkan teori-teori yang dapat memprediksi hasil percobaan berikutnya. Undang-undang dasar yang digunakan dalam mengembangkan teori yang diungkapkan dalam bahasa matematika, alat yang menyediakan jembatan antara teori dan eksperimen. Ketika ada perbedaan antara prediksi dari teori dan hasil eksperimen, teori-teori baru atau dimodifikasi harus diformulasikan untuk menghilangkan perbedaan tersebut. Sering kali sebuah teori yang memuaskan hanya dalam kondisi tertentu, sebuah teori yang lebih umum mungkin memuaskan tanpa pembatasan-pembatasan. Misalnya, hukum gerak yang ditemukan oleh Isaac Newton (1642-1727) secara akurat menggambarkan gerak benda bergerak dengan kecepatan normal tetapi tidak berlaku untuk benda bergerak dengan kecepatan dibandingkan dengan kecepatan cahaya. Sebaliknya, teori relativitas khusus yang dikembangkan kemudian oleh Albert Einstein (1879-1955) memberikan hasil yang sama seperti hukum Newton pada kecepatan rendah tetapi juga benar menggambarkan gerak benda dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya. Oleh karena itu, teori khusus relativitas Einstein adalah teori yang lebih umum gerak dari itu terbentuk dari hukum Newton.
Fisika klasik meliputi prinsip-prinsip mekanika klasik, termodinamika, optik, dan elektromagnetisme dikembangkan sebelum 1900. Kontribusi penting untuk fisika klasik diberikan oleh Newton, yang juga merupakan salah satu pencetus kalkulus sebagai alat matematika. Perkembangan utama dalam mekanika berlanjut di abad ke-18, tapi bidang termodinamika dan elektromagnetisme tidak dikembangkan sampai bagian akhir abad ke-19, terutama karena sebelum waktu itu aparat untuk percobaan terkontrol dalam disiplin ilmu ini adalah terlalu kasar atau tidak tersedia.
Sebuah revolusi besar dalam fisika, biasanya disebut sebagai fisika modern, dimulai menjelang akhir abad ke-19. Fisika modern dikembangkan terutama karena banyak fenomena fisik tidak dapat dijelaskan oleh fisika klasik. Dua perkembangan yang paling penting dalam era modern ini adalah teori relativitas dan mekanika kuantum. Teori khusus relativitas Einstein tidak hanya benar menggambarkan gerak benda bergerak dengan kecepatan sebanding dengan kecepatan cahaya, tetapi juga benar-benar mengubah konsep tradisional ruang, waktu, dan energi. Teori ini juga menunjukkan bahwa kecepatan cahaya adalah batas atas kecepatan obyek dan bahwa massa dan energi terkait. Mekanika kuantum dirumuskan oleh sejumlah ilmuwan terkemuka untuk memberikan deskripsi fenomena fisik pada tingkat atom. Banyak perangkat praktis telah dikembangkan dengan menggunakan prinsip-prinsip mekanika kuantum.
Para ilmuwan terus bekerja mengembangkan pemahaman kita tentang hukum dasar. Banyak kemajuan teknologi dalam beberapa kali merupakan hasil dari upaya banyak ilmuwan, insinyur, dan teknisi, seperti eksplorasi planet tak berawak dan pendaratan di bulan berawak, microcircuitry dan komputer berkecepatan tinggi, teknik pencitraan canggih yang digunakan dalam penelitian ilmiah dan kedokteran, dan beberapa hasil yang luar biasa dalam rekayasa genetika. Efek dari perkembangan dan penemuan pada masyarakat kita seperti itu memang telah besar, dan itu sangat mungkin bahwa penemuan dan perkembangan masa depan akan menarik, menantang, dan memberikan manfaat besar bagi kemanusiaan.
1.1.Standar panjang, massa dan waktu
Untuk menggambarkan fenomena alam, kita harus melakukan pengukuran dari berbagai aspek alam. Setiap pengukuran dikaitkan dengan kuantitas fisik, seperti panjang dari suatu objek. Hukum-hukum fisika dinyatakan sebagai hubungan matematis antara jumlah fisik yang kita akan perkenalkan dan diskusikan (dalam tulisan-tulisan berikutnya-pent). Dalam mekanika, ada tiga besaran pokok adalah panjang, massa, dan waktu. Semua besaran lain dalam mekanika dapat dinyatakan dalam ketiganya.
Jika kita ingin melaporkan hasil pengukuran kepada seseorang yang ingin mereproduksi pengukuran ini, standar harus didefinisikan. Ini akan menjadi tidak berarti jika pengunjung dari planet lain adalah untuk berbicara dengan kami tentang panjang 8 “gangguan” jika kita tidak tahu arti dari unit kesalahan. Di sisi lain, jika seseorang terbiasa dengan sistem kami laporan pengukuran bahwa tembok adalah 2 meter dan tinggi unit kami panjang didefinisikan sebagai 1 meter, kita tahu bahwa tinggi dinding dua kali satuan panjang dasar kita. Apapun yang dipilih sebagai standar harus mudah diakses dan harus memiliki beberapa properti yang dapat diukur dengan andal. Standar pengukuran yang digunakan oleh orang yang berbeda di tempat yang berbeda-seluruh alam semesta-harus menghasilkan hasil yang sama. Selain itu, standar yang digunakan untuk pengukuran tidak harus berubah dengan waktu. Pada tahun 1960, sebuah komite internasional yang dibentuk seperangkat standar untuk takaran dasar ilmu pengetahuan. Hal ini disebut SI (Systeme International), dan unit fundamental dari panjang, massa, dan waktu adalah meter, kilogram, dan kedua, masing-masing. Standar lain untuk unit dasar SI yang ditetapkan oleh panitia adalah mereka untuk suhu (kelvin), arus listrik (ampere), intensitas cahaya (candela), dan jumlah zat (mol).
PANJANG
Kita dapat mengidentifikasi panjang sebagai jarak antara dua titik dalam ruang. Pada 1120, Raja Inggris memutuskan bahwa standar panjang di negaranya akan diberi nama halaman dan akan tepat sama dengan jarak dari ujung hidung ke ujung lengan terulur. Demikian pula, standar asli untuk kaki diadopsi oleh Perancis adalah panjang kaki kerajaan Raja Louis XIV. Tak satu pun dari standar ini adalah konstan dalam waktu, ketika seorang raja baru naik takhta, pengukuran panjang berubah! Standar Perancis menang sampai 1799, ketika standar hukum panjang di Perancis menjadi meter (m), yang didefinisikan sebagai sepersepuluh juta jarak dari khatulistiwa ke Kutub Utara sepanjang satu garis membujur tertentu yang melewati Paris. Perhatikan bahwa nilai ini merupakan standar berbasis Bumi yang tidak memenuhi persyaratan yang dapat digunakan di seluruh alam semesta.
Seperti baru-baru 1960, panjang meter didefinisikan sebagai jarak antara dua garis pada bar platinum-iridium tertentu yang disimpan dalam kondisi yang terkendali di Perancis. Persyaratan saat ini ilmu pengetahuan dan teknologi, bagaimanapun, memerlukan akurasi lebih dari itu dengan mana pemisahan antara garis-garis pada bar dapat ditentukan. Pada tahun 1960 dan 1970, meter didefinisikan sebagai 1 650 763,73 wavelengths1 cahaya oranye-merah yang dipancarkan dari kripton-86 lampu. Pada Oktober 1983, bagaimanapun, meter didefinisikan kembali sebagai jarak yang ditempuh oleh cahaya dalam ruang hampa selama waktu 1/299 792 458 detik. Akibatnya, ini definisi terbaru menetapkan bahwa kecepatan cahaya dalam ruang hampa justru 299 792 458 meter per detik. Definisi meter berlaku di seluruh alam semesta berdasarkan asumsi kita bahwa cahaya adalah sama di mana-mana. Tabel 1.1 daftar nilai perkiraan beberapa panjang diukur. Anda harus mempelajari tabel ini serta dua tabel berikutnya dan mulai menghasilkan intuisi untuk apa yang dimaksud dengan, misalnya, panjang 20 cm, massa 100 kilogram, atau interval waktu 3,2 X 107sekon.
MASSA
Satuan SI dasar massa, kilogram (kg), didefinisikan sebagai massa silinder paduan platina-iridium tertentu disimpan di Biro Internasional Berat dan Ukuran di Sevres, Prancis. Standar ini massa didirikan pada tahun 1887 dan belum berubah sejak saat itu karena platinum-iridium adalah paduan luar biasa stabil. Sebuah duplikat dari silinder Sèvres disimpan di Institut Nasional Standar dan Teknologi (NIST) di Gaithersburg, Maryland (Gambar 1.1a). Tabel 1.2 daftar nilai perkiraan massa dari berbagai benda.
WAKTU
Sebelum tahun 1967, standar waktu didefinisikan dalam hal mean hari matahari. (Hari surya adalah interval waktu antara penampilan berturut-turut Matahari pada titik tertinggi mencapai di langit setiap hari.) Unit dasar kedua (s) didefinisikan sebagai (
(
dari hari matahari. Definisi ini didasarkan pada rotasi satu planet, Bumi. Oleh karena itu, gerakan ini tidak memberikan standar waktu yang bersifat universal. Pada tahun 1967, kedua didefinisikan kembali untuk mengambil keuntungan dari presisi tinggi dicapai dalam perangkat yang dikenal sebagai jam atom (Gambar 1.1b), yang mengukur getaran dari atom cesium. Satu detik sekarang didefinisikan sebagai 9 192 631 770 kali periode getaran radiasi dari cesium-133 atom. nilai Perkiraan waktu interval disajikan pada Tabel 1.3.
( dari hari matahari. Definisi ini didasarkan pada rotasi satu planet, Bumi. Oleh karena itu, gerakan ini tidak memberikan standar waktu yang bersifat universal. Pada tahun 1967, kedua didefinisikan kembali untuk mengambil keuntungan dari presisi tinggi dicapai dalam perangkat yang dikenal sebagai jam atom (Gambar 1.1b), yang mengukur getaran dari atom cesium. Satu detik sekarang didefinisikan sebagai 9 192 631 770 kali periode getaran radiasi dari cesium-133 atom. nilai Perkiraan waktu interval disajikan pada Tabel 1.3.
Selain SI, sistem lain unit, sistem adat AS, masih digunakan di Amerika Serikat meskipun penerimaan SI oleh seluruh dunia. Dalam sistem ini, unit panjang, massa, dan waktu kaki (ft), siput, dan kedua, masing-masing. Dalam buku ini, kita akan menggunakan satuan SI karena mereka hampir diterima secara universal dalam ilmu pengetahuan dan industri. Kami akan membuat beberapa penggunaan terbatas adat AS unit dalam studi mekanika klasik.
Selain satuan SI dasar meter, kilogram, dan kedua, kita juga bisa menggunakan unit lain, seperti milimeter dan nanodetik, di mana awalan milliand nano-menunjukkan pengganda dari unit dasar berdasarkan berbagai kekuatan sepuluh. Awalan untuk berbagai kekuatan sepuluh dan singkatan mereka tercantum dalam Tabel 1.4. Sebagai contoh, 10-23 m adalah setara dengan 1 milimeter (mm), dan 103 m sesuai dengan 1 kilometer (km). Demikian juga, 1 kilogram (kg) adalah 103 gram (g), dan 1 mega volt (MV) adalah 106 volt (V).
Panjang variabel, waktu, dan massa adalah contoh dari jumlah pokok. Kebanyakan variabel lain berasal kuantitas, mereka yang dapat dinyatakan sebagai kombinasi matematis jumlah fundamental. Contoh umum adalah daerah (sebuah produk dari dua panjang) dan kecepatan (rasio panjang untuk interval waktu). Contoh lain dari kuantitas berasal adalah kepadatan. Kepadatan r (huruf Yunani rho) dari zat apapun didefinisikan sebagai massa per satuan volume:
(1.1)
Panjang variabel, waktu, dan massa adalah contoh dari jumlah pokok. Kebanyakan variabel lain berasal kuantitas, mereka yang dapat dinyatakan sebagai kombinasi matematis jumlah fundamental. Contoh umum adalah daerah (sebuah produk dari dua panjang) dan kecepatan (rasio panjang untuk interval waktu). Contoh lain dari kuantitas berasal adalah kepadatan. Kepadatan r (huruf Yunani rho) dari zat apapun didefinisikan sebagai massa per satuan volume:
(1.1) Dalam hal jumlah fundamental, kerapatan adalah rasio massa untuk produk dari tiga panjang. Aluminium, misalnya, memiliki kerapatan 2,70 X 103 kg/m3, dan besi memiliki kerapatan 7,86 X 103 kg/m3. Perbedaan ekstrim dalam kepadatan bisa dibayangkan dengan berpikir tentang memegang 10 sentimeter (cm) kubus styrofoam di satu tangan dan sebuah kubus 10-cm timbal yang lain. Lihat Tabel 14.1 dalam Bab 14 untuk kepadatan dari beberapa material.
