Connect with us

9 Hukum Fisika yang Mengubah Wajah Dunia

black-hole

Fisika

9 Hukum Fisika yang Mengubah Wajah Dunia

Apabila kita ditanya, mata pelajaran manakah yang paling sulit dipahami sewaktu sekolah dulu, pasti rata-rata jawabannya matematika atau fisika. Kedua pelajaran ini memang identik dengan angka, rumus, dan variabel yang harus dipahami; apalagi ketika disuruh untuk menghapal dan memahami hukum fisika yang jumlahnya seabrek, bisa membuat kepala kita kepanasan.

Hukum fisika pada hakikatnya adalah hukum alam, ketentuan dari Allah swt yang menciptakan alam semesta.

Dari sisi manusia, hukum fisika merupakan generalisasi ilmiah berdasarkan pada pengamatan empiris. Hukum alam ini telah ada sebelum para ilmuan fisika lahir, bahkan sebelum manusia menginjakan kaki di Bumi.

Makanya, hukum fisika memiliki beberapa karakteristik (dikutip dari Davies):

  • Benar, artinya takkan pernah ada pengamatan yang kontradiktif/bertentangan.
  • Universal, artinya berlaku di manapun di alam semesta.
  • Sederhana, dapat ditunjukan melalui persamaan matematis.
  • Mutlak
  • Kekal, tak berubah sejak pertama kali ditemukan.

Namun tahukah Anda, ternyata berkat ditemukannya hukum fisika oleh sejumlah ilmuan dunia, kita dapat merasakan berbagai kemudahan saat ini.

Mulai dari mudahnya bepergian dari satu tempat ke tempat lainnya melalui kendaraan seperti kereta cepat dan pesawat terbang, mudahnya menyapa orang dari benua yang berbeda melalui telepon, handphone atau internet, hingga terpecahkannya masalah pangan dan energi melalui teknologi nuklir.

Lantas, hukum fisika mana sajakah yang telah mengubah wajah dunia sehingga menjadi sekarang ini? Berikut ulasan lengkapnya.

1. Gravitasi

hukum-gravitasi

Gravitasi, gambar unikamu.com

Hukum fisika yang pertama merupakan hukum yang sangat dekat dan erat dengan kehidupan kita sehari-hari yakni gravitasi. Gravitasi merupakan gaya tarik-menarik yang terjadi antara semua partikel, yang mempunyai massa di alam semesta.

Besarnya gravitasi suatu benda berbanding lurus dengan massa benda tersebut, artinya benda yang memiliki massa besar akan memiliki gravitasi yang besar juga.

Misalnya, planet Bumi, dikarenakan massanya, semua benda disekitar permukaanya akan ditarik menuju pusatnya, bahkan bulan pun ditarik oleh Bumi (sebenarnya bulan juga menarik Bumi, tapi gayanya kecil), sehingga bulan senantiasa memutari Bumi.

“Gravitasi terbesar di sistem tata surya kita , dimiliki oleh matahari, sehingga Bumi dan bulan bersama-sama memutari matahari.”

Secara umum, gaya gravitasi antar dua benda dirumuskan sebagai berikut: “Dua benda bermassa, katakanlah benda A dan B, keduanya akan selalu saling tarik-menarik, dengan nilai gaya sebanding dengan massa kedua benda tersebut dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara benda tersebut”, secara matematis:

sweater-rajut-pria

F=G (mA.mB)/r²

dimana, G adalah konstanta gravitasi (besarnya 6,67 x 1011 Nm2/kg2 , diperoleh melalui eksperimen). Seperti contohnya, kita ingin mengukur gaya gravitasi antara planet bumi (massa B) dengan bola sepak (massa A), maka jarak antara bumi dan bola sepak adalah sama dengan jari-jari bumi. Bandingkan rumus diatas dengan rumus berat suatu benda:

w=mA.g

Dari kasus diatas, kita akan memperoleh kenyataan, bahwa gravitasi suatu planet, sebanding dengan massa planet tersebut dan berbanding terbalik dengan kuadrat jari-jari planet tersbut atau:

F=G mB/r² mA F=(G mB/r² ) mA

Karena berat adalah sebuah jenis gaya, maka:

g=G mB/r²

Rumus diatas pertama kali ditemukan oleh seorang ilmuan kelahiran Inggris, bernama Sir Issac Newton. Selain hukum gravitasi, ia juga menemukan hukum gerak. Dari kedua hukum inilah, manusia mulai bisa mengukur kecepatan, percepatan dan jarak.

Penggunaan paling bermanfaat dari hukum diatas, yakni menghitung kecepatan minimal (gaya minimal) yang harus dimiliki suatu benda agar bisa terlepas dari pengaruh gravitasi bumi. Dan akhirnya, setelah menunggu sekitar 300 tahun lebih, manusia berhasil keluar dari planet bumi, dan menginjakan kaki untuk pertama kalinya di bulan.

2. Thermodinamika

Hukum-Thermodinamika

Thermodinamika, gambar youtube.com

Adakah yang pernah berpikir, bagaimana manusia menciptakan mesin kendaraan bermotor? Berkat adanya penemuan mesin, manusia dapat membuat motor, mobil dan kereta api, yang sangat bermanfaat untuk mengantarkan manusia dari satu tempat ke tempat lainnya di planet bumi.

Cikal bakal lahirnya mesin, berasal dari sejumlah ilmuan seperti Clausius, Kelvin, Planck, dan ilmuan fisika lainnya dalam mengembangkan hukum-hukum thermodinamika.

Thermodinamika merupakan bagian dari ilmu fisika, yang khusus mengkaji hubungan energi panas (kalor) dengan usaha mekanik. Dengan kata lain, melalui hukum ini, manusia memanfaatkan energi panas untuk dapat menggerakan motor, mobil dan kendaraan lainnya. Secara garis besar, thermodinamika terbagi kedalam beberapa hukum, meliputi: Hukum nol Thermodinamika:

“Hukum ini menyatakan bahwa jika dua sistem bisa dalam keadaan setimbang dengan sistem ketiga, maka ketiganya saling setimbang satu sama lain.”

Hukum pertama Thermodinamika:

“Hukum ini menyatakan perubahan ‘energi dalam (∆U)’ dari suatu sistem tertutup sama dengan kalor (Q) yang ditambahkan ke sistem setelah dikurangi kerja (W) yang dilakukan oleh sistem tersebut.” atau

∆U=Q-W

Hukum pertama ini juga merupakan bentuk lain dari hukum kekekalan energi. Nantinya, dari hukum ini dikenal beberapa proses thermo, yakni: Isothermal, Isothermik, Isobarik, dan adiabatik.

Hukum kedua Thermodinamika: Hukum kedua thermodinamika, memiliki beberapa pernyataan yang mendukung satu sama lainnya,

Pernyataan Clausius: “Kalor mengalir secara spontan (alami) dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah dan tidak mengalir secara spontan dalam arah sebaliknya” Pernyataan Kelvin-Planck: ”Tidak mungkin membangun suatu mesin yang bekerja dalam satu siklus dengan mengambil panas dari suatu benda reservoir (sumber), dan menghasilkan kerja sebesar panas yang diambil”

Berdasarkan hukum kedua thermodinamika, manusia tidak dapat membuat mesin yang memiliki efisiensi 100%, pastinya akan ada energi panas yang terbuang ke lingkungan.

3. Elektromagnetik

Elektromagnetik

Elektromagnetik, gambar hptronic.com

Bisa dibilang, berkat adanya cabang ilmu fisika ini, elektromagnetik, kehidupan manusia lebih mudah, nyaman dan lebih berwarna. Aplikasi elektromagnetik sangatlah banyak dan telah masuk dalam sendi-sendi kehidupan manusia, mulai dari peralatan elektronik rumah tangga (TV, Kipas Angin, Mesin Cuci, dll), hingga peralatan PLN, seperti generator, trafo dan motor listrik.

Mudahnya, elektromagnetik membahas hubungan listrik dan magnet. Dari sini, manusia mulai memanfaatkan arus listrik untuk membangkitkan medan magnet buatan (sebelum ada pengetahuan ini, manusia memperoleh medan magnet dari batang magnet alam).

Ilmuan fisika yang menemukan hubungan listrik dan magnet ini yakni Hans Christian Oersted. Melalui percobaanya, yakni serbuk biji besi yang diletakan di atas sebuah papan, dimana di tengah papan berdiri kawat berpenghantar.

Sebelum arus listrik dialirkan pada kawat, tidak ada hal yang terjadi pada serbuk besi, namun setelah arus listrik dialirkan pada kawat, serbuk besi mulai membentuk pola indah, berupa lingkaran terputus-putus.

Dari sinilah, Oersted menyimpulkan bahwa “kawat berarus listrik dapat menghasilkan medan magnet”. Berkat hukum fisika ini, manusia dapat merancang berbagai peralatan listrik lebih sempurna, dan dimulailah zaman elektronik modern yang kita rasakan manfaatnya sekarang ini.

4. Superkonduktor

Superkonduktor

Superkonduktor, gambar wikimedia.org

Di sekolah dulu kita belajar benda-benda yang mampu menghantarkan listrik (konduktor), seperti tembaga dan besi. Lalu, apa itu superkonduktor? Superkonduktor merupakan material yang memiliki sifat konduktivitas sempurna (tanpa ada hambatan listrik sama sekali).

Namun, material yang memiliki sifat superkonduktor, biasanya harus berada jauh dari suhu nol derajat celcius. Contohnya, material pertama yang ditemukan efek superkonduktivitasnya yakni Merkuri, mempunyai sifat superkonduktor jika logam ini berada di bawah temperatur kirits (Tc) 4 derajat Kelvin atau -269 derajat Celcius.

Superkonduktor dapat saja berupa konduktor, semikonduktor ataupun suatu insulator pada keadaan suhu ruang/kamar. Suhu dimana terjadi perubahan sifat konduktivitas menjadi superkonduktor disebut dengan temperatur kritis (Tc).

Selain bebas hambatan listrik, superkonduktor juga memiliki keuntungan lainnya, yakni efek meissner. Efek meissner merupakan peristiwa material superkonduktor menolak medan magnet luar yang mengenainya, artinya material superkonduktor akan mengambang jika diletakan di atas bahan magnet.

Hukum fisika ini (superkonduktor) menjanjikan banyak hal bagi kehidupan manusia, diantaranya yang telah ada dan sedang dibangun, untuk transmisi arus listrik yang efisien (artinya tidak ada energi yang terbuang), untuk pembangunan kereta api super cepat (kereta api Maglev).

Sedangkan yang sedang diusahakan, yakni membangun superkomputer berkemampuan canggih, membuat motor listrik dan generator dengan efisiensi hampir 99%.

5. Radioaktivitas

Radioaktivitas

Inti nuklir berwarna biru di dalam kolam reaktor riset nuklir di reaktor serba guna G.A. Siwabessy milik Badan Tenaga Atom (BATAN), Puspiptek, Tangerang, Banten. gambar: mediaindonesia.com

Sejarahnya, pada tahun 1896, ilmuan Prancis bernama Henri Becquerel sedang meneliti material fosforen. Material semacam ini akan berpendar di tempat gelap setelah sebelumnya mendapat paparan cahaya.

Kemudian Becquerel berpikir, pendaran yang dihasilkan tabung katode oleh sinar-X mungkin berhubungan dengan fosforesensi, lalu ia membungkus sebuah pelat foto dengan kertas hitam dan menempatkan beragam material fosforen diatasnya.

Semua perkiraanya ternyata nihil, sampai ia menggunakan garam uranium. Saat menggunakan garam uranium, terjadi bintikan hitam pekat pada pelat foto. Kemudian, Becquerel berpikir ulang bahwa bintik hitam pada pelat bukan terjadi karena peristiwa fosforensi, namun murni disebabkan oleh garam uranium ini, dari peristiwa inilah mulai dikenal istilah radioaktivitas.

Radioaktivitas merupakan peristiwa dimana inti atom induk yang tidak stabil memancarkan partikel subatomik (alfa, beta dan gama), berubah menjadi sebuah inti atom anak.

Berdasarkan hukum fisika ini, manusia dapat memanfaatkannya untuk mengukur umur benda-benda, seperti fosil dinosaurus, umur bumi dan peristiwa kosmologi/astronomi, seperti ledakan supernova. Lebih jauh, radioaktivitas mengantarkan manusia memasuki era nuklir.

6. Sinar X

Sinar-x

Sinar-x, gambar amazonaws.com

Menilik kebelakang, saat mengadakan percobaan dengan aliran arus listrik dan tabung gelas yang dikosongkan sebagian (tabung sinar katode), Rontgen mengamati bahwa potongan barium platinosianida yang berdekatan melepaskan sinar saat tabung dioperasikan.

Sinar itu kemudian ia beri nama Sinar-X. Sinar-X merupakan salah satu bentuk radiasi elektromagnetik dengan panjang gelombang berkisar antara 10 nanometer sampai 100 pikometer (sebanding dengan frekuensi 30 petaHz sampai 30 exaHz) dan memiliki energi dalam sekitar 100 eV sampai 100 KeV.

Pemanfaatan hukum fisika ini sangatlah luas, mulai dari dunia kesehatan (untuk diagnosa ronsen, radioterapi dan sterilisasi peralatan medis), industri (melacak kerusakan komponen yang sulit dideteksi, dll), militer, pertanian dan pendidikan. Walaupun bermafaat sangat bermanfaat, penggunaan sinar-X harus hati-hati karena sangat berbahaya.

7. Relativitas

Albert Einstein

Albert Einstein, gambar waynejagoe.com

Siapa yang tidak mengenal Albert Einstein? Ilmuan jenius asal Jerman ini sangat dikenal akan pemikirannya yang ekstrim dan merubah pandangan manusia akan alam semesta. Berkat hukum fisika yang ia temukan, relativitas, ia menyempurnakan beberapa persamaan gerak newton dan membuka cikal bakal lahirnya fisika kuantum.

Relativitas mempunyai dua teori, yang semuanya menjelaskan perilaku suatu benda jika bergerak mendekati kecepatan cahaya (kecepatan relativisitik). Kedua teori itu, yakni relativitas khusus dan umum. Relativitas khusus merupakan teori mengenai struktur ruang-waktu.

Hukum fisika ini menunjukan bahwa jika dua pengamat berada dalam kerangka acuan yang berbeda, dimana yang satu diam dan yang lain bergerak dengan kecepatan cahaya, maka seakan besaran-besaran fisika tidak lagi sama untuk kedua kerangka tersebut. Masalah ini dapat dipecahkan melalui: Dilatasi waktu, jarum jam akan bergerak lebih lambat daripada jam pengamat yang diam.

∆t= (∆to)/√(1-v²/c² )

Kontraksi panjang, objek memendek jika diukur oleh pengamat yang sedang bergerak dengan kecepatan cahaya.

L=Lo √(1-v²/c² )

Massa relativistik, objek akan lebih berat jika diukur oleh pengamat yang sedang bergerak dengan kecepatan cahaya.

m=mo/√(1-v²/c² )

Sedangkan relativitas umum merupakan keadaan khusus dari relativitas khusus saat kerangka dipercepat. Beberapa akibat adanya relativitas umum, diantaranya:

  • Sinar cahaya matahari berbelok pada sekitar medan gravitasi suatu planet.
  • Meluasnya alam semesta, pada bagian jauh lebih cepat dari kecepatan cahaya.
  • Waktu akan semakin lambat (nyaris berhenti) pada lubang gravitasi (black hole).

Selain dua teori relativitas, Einstein pun menemukan persamaan matematis fenomenal, E=mc^2. Berdasarkan hukum fisika ini, manusia dapat merubah massa menjadi energi. Persamaan ini berguna dalam fisika inti, dimana pemanfaataanya untuk pembangkit listrik tenaga nuklir (PLTN).

8. Teori Kuantum

Max Planck

Max Planck, gambar profilbos.com

Teori kuantum merupakan kumpulan ide cemerlang sejumlah ilmuan, seperti Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr dan Louis de Broglie serta ilmuan fisika lainnya. Namun keempat ilmuan di ataslah yang memiliki andil besar dalam perkembangan hukum-hukum fisika kuantum.

Sejarahnya, pada tahun 1900, Max Planck memperkenalkan ide bahwa energi dapat dibagi-bagi menjadi beberapa paket atau kuanta. Ide ini secara khusus untuk menjelaskan sebaran intensitas radiasi yang dipancarkan oleh benda hitam.

E=hf

Kemudian, pada tahun 1905, Albert Einstein menjelaskan efek foto-elektrik dengan menyimpulkan bahwa energi cahaya datang dalam bentuk kuanta, nantinya disebut foton. Lalu, pada tahun 1913, Niels Bohr menjelaskan garis spektrum dari atom hidrogen, juga menggunakan konsep kuantisasi.

Pada tahun 1924, Louis de Broglie mengemukakan bahwa gelombang dapat dipandang sebagai partikel (partikel cahaya=foton). Teori di atas meskipun sukses, tetapi masih sangat sulit dijabarkan dalam persamaan matematis. Sehingga keempat ilmuan di atas disebut juga penemu pelopor fisika kuantum (kuantum lama).

Kemudian, hukum fisika kuantum modern lahir pada tahun 1925, ketika Werner Karl Heisenberg mengembangkan mekanika matriks dan Erwin Schrodinger menemukan mekanika gelombang dan persamaan fenomenalnya, Persaman Schrodinger.

Schrodinger membuktikan, bahwa kedua pendekatan itu sama. Kemudian, setelah itu muncul ilmuan-ilmuan lainnya seperti Paul Dirac, Neuman Janos, Richard Feynman sebagai generasi terakhir pengembang fisika kuantum.

Hukum fisika ini sangat berguna untuk menjelaskan perilaku atom dan partikel subatomik, seperti proton, neutron dan elektron, yang tidak mematuhi hukum-hukum fisika klasik. Penerapannya sendiri sangat luas dan berperan untuk pengembangan teknologi masa depan.

9. Black Hole

black-hole

Black Hole, gambar frontier.co.uk

Pernahkan kalian menonton film Theory of Everything? Jika pernah menonton, pastinya tahu siapa tokoh yang diperankan Eddi Redmayne? Yap, Stephen Hawking. Ia adalah seorang fisika teoritis asal Inggris yang menyumbangkan teori-teori kosmologi, salah satunya lubang hitam atau Black Hole.

Lubang hitam merupakan bagian dari ruang-waktu, berasal dari ledakan massa yang sangat besar, misalnya bintang yang kehabisan bahan bakar. Namun, tidak semua ledakan besar (supernova), berujung menjadi black hole. Hanya bintang tua dengan massa tertentu yang dapat menjadi black hole.

Secara teori, lubang hitam dapat memiliki ukuran apa pun, mulai dari mikroskopik, sebesar jarum, sampai sebesar bintang. Lubang hitam tidak kekal, namun akan mati melalui proses radiasi Hawking.

Proses ini sederhananya, seperti membongkar bagain per bagian dari lubang hitam, sedikit demi sedikit, seiring berjalanya waktu, black hole akan terus mengecil dan mengecil sampai akhirnya meledak dan hilang.

Manfaat adanya lubang hitam ini, konon manusia di masa depan kelak dapat memanfaatkannya sebagai terminal, untuk melakukan perjalanan yang jaraknya ratusan hingga jutaan tahun cahaya, sehingga perjalanan antara galaksi pun dapat dilakukan.

Demikian beberapa hukum fisika yang mampu mengubah wajah dunia, semoga informasi kali ini membuka khazanah wawasan kita semua.

Referensi:

wikipedia.org
Buku Fisika Giancoli

Click to comment

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

 

To Top