FISIKA DASAR I Diktat Kuliah Fisika Dasar I
Dr. Muhammad F. Rosyid Kelompok Penelitian Kosmologi, Astrofisika, dan Fisika Matematik Jurusan Fisika FMIPA Universitas Gadjah Mada 2009
Pengantar Fisika menjadi sangat penting bagi manusia karena ia merupakan upaya memahami keteraturan alam dan pemahaman yang diperoleh pada gilirannya memainkan peran kunci dalam pengembangan berbagai teknologi. Sementara fisika berupaya memahami berbagai gejala alamiah, teknologi adalah upaya merekayasa atau mengendalikan gejala-gejala alamiah tersebut sehingga bermanfaat atau sesuai dengan tuntutan kebutuhan umat manusia. Koefisien “AB” dalam gejala transisi antara aras-aras energi atomis yang ditemukan oleh Einstein pada tahun 1920-an memberi insprasi serta menuntun penemuan pembangkit laser tahun 1950 oleh fisikawan C.H. Townes dan A. M. Prokorov serta N. Basov. Dewasa ini, tak dapat dimungkiri bahwa berbagai peranti yang kita manfaatkan dalam keseharian banyak melibatkan peristiwa lasing tersebut : dari CD player, laser pointer, mainan anak-anak, dekorasi panggung-panggung pertunjukan atau konser, percetakaan-percentaan yang butuh presisi, sampai alat pemotong baja. Siapa pernah menyangka, teori elektromagnetika Maxwell mampu menghubungkan benua-benua dengan pesawat radio selang beberapa dasawarsa setelah diungkapkan dan mampu menghibur sekian milyar manusia dengan pesawat televisi? Siapa pula yang menyangka, gejala radioaktivitas yang ditemukan oleh Bacquerel pada tahun 1896 dan teori relativitas khusus Einstein mampu memenuhi kebutuhan listrik sekian ratus juta penduduk bumi serta menyelamatkan sekian juta penderita berbagai kanker ganas? Fisika menjadi penting karena rentang waktu yang memisahkan antara diperolehnya suatu pemahaman (teori) tentang gejala alamiah dan penerapannya dalam kehidupan (teknologi) seringkali sangat pendek. Pada tahun 1947, para fisikawan di laboratorium Bell berhasil membuat prototip transistor pertama. Sejenak kemudian, eksplorasi sifat-sifat semikonduktor memberikan pemahaman lebih mendalam tentang fisika zat mampat secara ke-atom-an. Pemahaman ini pada gilirannya mendorong pengembangan industri mikroelektronik secara besar-besaran. Fisika menjadi penting karena fisika berada di mana-mana. Fisika bukanlah semata-mata urusan sekolahan sehingga harus terpenjara di laboratorium-laboratorium jurusan fisika berbagai universitas dan hanya berdengung di ruang-ruang kelas maupun ruang-ruang kuliah. Pada paruh pertama abad keduapuluh, misalnya, para fisikawan telah terlibat dalam rancang-bangun fasilitas radar yang memainkan peran penting dalam perang dunia kedua. Para fisikawan juga berkolaborasi dengan insinyur-insinyur teknik kimia dan industri serta para pakar ilmu logam untuk membangun reaktor-reaktor atom raksasa guna menghasilkan baik tenaga listrik maupun pengembangan senjata pemusnah massal. Dewasa ini betapa banyak fisikawan yang bekerja di bidang nanoteknologi menjalin kemitraan baik dengan rekan-rekan mereka di bidang biologi, kesehatan dan kimia maupun dengan dunia industri. Para fisikawan juga bergabung bersama para pakar biologi dalam bidang genetika. Barangkali tidak lama lagi mereka akan mampu mempergunakan peranti-peranti optis guna menyusun kembali kode-kode genetik sesuai ii
kebutuhan. Para fisikawan juga dapat ditemukan di NASA dan di berbagai sektor industri. Fisikawan Bob Leighton memimpin proyek NASA terkait misi pesawat Mariner ke planet Merkurius di antaranya untuk membuktikan teori Witherhill (seorang astrofisikawan) tentang tahap akresi dalam pembentukan tata surya kita. Fisikawan teoretis Richard Feynman menjadi ketua tim penyelidikan penyebab meledaknya pesawat ulang-alik Chalanger. Tampak pula bahwa semakin banyak fisikawan yang bekerja di Wall Street. Mereka memperlihatkan peran penting yang dapat dimainkan oleh fisika dalam memahami dinamika modal, utang-piutang, stock, opsi, saham, dan berbagai surat berharga lainnya. Dari catatan sejarah kita dapat mengenali kurun waktu ketika berbagai penemuan teknologi yang bermanfaat bagi umat manusia harus didahului dengan serangkaian pekerjaan tanpa kepastian dan sangat melelahkan serta meghabiskan dana yang sebegitu besar, yakni saat-saat ketika penemuan-penemuan diperoleh dengan cara coba-coba. Pada masa-masa itu, seringkali orang harus melakukan seribu kali percobaan sebelum berhasil mendapatkan sesuatu yang diimpikan atau bahkan gagal tanpa hasil sama sekali. Zaman ‘kegelapan’ ini pun berakhir, ditutup tatkala manusia mulai menyadari pentingnya pengetahuan tentang perilaku alam, yakni pengetahuan akan pola-pola keteraturan yang dianut oleh gejala-gejala alamiah. Dengan ilmu pengetahuan atau sains ini, usaha manusia untuk mendapatkan suatu teknologi tidak lagi harus menempuh jalurjalur panjang yang penuh dengan spekulasi, tetapi sebaliknya sesuatunya dituntun dan diarahkan oleh teori. Dengan cara ini, teknologi berkembang dengan pesat dan tampak kepastiannya. Pengembangan teknologi yang dituntun oleh pengetahuan tentang perilaku alam semacam ini dikatakan memiliki determinasi yang tinggi. Secara umum teknologi adalah rekayasa atau manipulasi perilaku alam sehingga bermanfaat bagi umat manusia. Monitor televisi atau komputer dapat menghasilkan gambar karena perekayasaan perilaku elektron di dalam medan listrik dan medan magnet. Sinar laser dihasilkan berkat pengetahuan kita tentang perilaku atom-atom terhadap pemaparan foton-foton (cahaya). Boleh dikatakan hampir mustahil bahwa manusia mampu mendapatkan sinar laser tanpa berbekal teori tentang perilaku atom-atom terhadap radiasi elektromagnetik. Jadi, Fisika adalah peretas jalan bagi pengembangan teknologi. Inti uraian di atas adalah bahwa fisika memainkan peran sentral dalam pengembangan teknologi dan berbagai cabang sains yang lain. Untuk itu, di berbagai fakultas eksakta di UGM para mahasiswa diwajibkan mengambil matakuliah Fisika Dasar. Diktat kuliah Fisika Dasar I ini berkembang dari catatan kuliah yang penulis sampaikan selama semester genap tahun 2008-2009 di Jurusan Teknik Sipil, Fakultas Teknik, Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta. Kuliah terselenggara dua jam perminggu. Tiada gading yang tak retak, diktat ini masih jauh dari sempuran. Kritik dan saran yang membangun sangat penulis harapkan dari sidang pembaca sekalian. Ucapan terimakasih setulusnya diucapkan untuk para mahasiswa fisika yang telah membantu terwujudnya tulisan ini. Ambarketawang, Juli 2009
M.F.Rosyid
iii
Daftar Isi 1. Pengantar, ii 2. Daftar isi, iv 3. Besaran dan Pengukuran, hal.1 4. Hitung Vektor, hal.16 5. Gerak Lurus dan Gerak Pada Bidang, hal.33 6. Hukum Newton tentang Gerak, hal.56 7. Gerak Rotasi, hal.76 8. Usaha dan Tenaga, hal.93
iv
