Hukum Gas

Sifat Gas adalah sebuah area penting dimana hukum-hukum mekanika bisa diterapkan secara statistik pada sebuah besar partikel dalam sebuah sistem. Teknik-teknik berikut ini membantu menjelaskan hukum gas yang ditemukan melalui percobaan para ilmuwan antara abad ke-17 dan 19. Setiap hukum menjelaskan sifat sistem tertutup yang memuat kuantitas tertentu gas.

Hukum Boyle menyatakan bahwa didalam sebuah sistem tertutup massa gas berbanding terbalik terhadap tekanan yang ditimbulkan gas di dalam wadahnya, selama temperaturnya tetap konstan. Dengan kata lain, jika kamu memadatkan jumlah tertentu gas, tekanannya meningkat. Rumus persamaan nya adalah :

P ∞ 1/v

Hukum Charles menyatakan bahwa jika tekanan gas dalam sebuah sistem tetap konstan, maka volume yang dicakup gas berbanding lurus terhadap temperatur absolutnya. Hukum Charles secara matematis ditulis dalam bentuk :

V ∞ T

Terakhir, Hukum Gay-Lussac menyatakan bahwa, untuk gas yang disimpan dalam volume tertentu, tekanan yang dikeluarkan pada wadah berbanding lurus terhadap temperatur absolut :

P ∞ T

Ketiga hukum ini mendefinisikan hubungan segitiga saling ketergantungan, dan bisa dengan mudah dikombinasikan untuk menunjukkan bahwa hasil tekanan gas dan volumenya proporsional terhadap temperatur absolutnya :

PV ∞ T, atau PV = NkT

N adalah jumlah molekul gas di dalam sistem.

k adalah konstanta yang dikenal sebagai konstanta Boltzman.

Perlu diperhatikan bahwa hukum-hukum gas ini hanya menjelaskan 'gas-gas ideal' yaitu gas-gas yang tersusun dari partikel-partikel yang dalam gerak random tidak saling berinteraksi. Beruntung, banyak gas riil memiliki sifat seperti gas ideal kecuali di kondisi ekstrim. Pengecualian ini pada gas-gas berat seperti refrigerant, atau gas yang memiliki kekuatan sangat kuat di antara molekul-molekulnya, seperti uap air.

Hubungan antara tekanan, temperatur dan volume pada gas telah dibuktikan sedemikian rupa dalam beberapa hukum gas. Hukum-hukum gas ini memungkinkan kita untuk menentukan bagaimana pengaruh yang disebabkan oleh perubahan salah satu faktor terhadap faktor lainnya. Gas yang benar-benar memenuhi hukum-hukum gas adalah gas sempurna (perfect gas).

Refrigent merupakan
Gas yang hampir sempurna

Namun tidak ada gas yang benar-benar sempurna, tetapi dari hasil-hasil penelitian ada beberapa gas yang mendekati kondisi gas sempurna tersebut. 

Seperti hal nya refrigent yang digunakan sebagai bahan pendingin dalam teknik pendingin, walaupun dipanasi sampai di atas titik didihnya, tetap tidak akan menjadi gas sempurna, karenanya tidak akan mengikuti hukum-hukum tersebut secara tepat. 

Namun walaupun demikian hukum-hukum gas tersebut tetap bisa digunakan untuk menentukan pengaruhnya selain perubahan tekanan temperatur dan volume.

Elastisitas, Tegangan, Regangan

Pengertian Elastisitas

                Ketika sebuah obyek diberi gaya deformasi responnya seperti yang diterangkan oleh hukum Hooke dan sebuah konstanta, dikenal sebagai kekakuan yang bergantung pada materi obyek dan bentuk obyek. Konstanta lainnya, dikenal sebagai elastisitas, memungkinkan kita untuk mengukur sifat materi obyek itu sendiri. Elastisitas biasanya dirumuskan dengan persamaan 

λ = tegangan/rentangan

Dimana λ adalah modulus elastis (ukuran elastisitas).



Pengertian Tegangan dan Regangan

               Tegangan adalah gaya yang diaplikasikan untuk area unit material (diukur dalam pascals) dan regangan adalah perubahan panjang materi obyek, dibagi dengan panjang awalnya.

                Sesungguhnya, para fisikawan menggunakan beberapa modul elastis untuk menjelaskan sifat materi dalam situasi berbeda. Modulus Young menjelaskan elastisitas materi obyek ketika diberi gaya sepanjang poros tunggal, Modulus Shear menjelaskan kecenderungan materi obyek untuk mempertahankan bentuknya, dan Modulus Bulk menjelaskan resistensi obyek terhadap tekanan dari semua sisi.

• Tegangan

Tegangan didefinisikan sebagai hasil bagi antara gaya tarik F yang dialami kawat dengan luas penampang (A). Tegangan termasuk besaran skalar dan memiliki satuan pascal (Pa).

• Regangan

Regangan didefinisikan sebagai hasil bagi antara pertambahan panjang dengan panjang awal.

• Modulus Elastisitas

Didefinisikan sebagai perbandingan antara tegangan dan regangan yang dialami bahan.

Deformasi

              Dalam istilah fisika, deformasi adalah perubahan bentuk obyek padat, disebabkan oleh penggunaan energi atau pemanasan obyek. Deformasi dalam mekanika kontinum adalah transformasi sebuah benda dari kondisi terkini.

             Makna dari kondisi dapat diartikan sebagai serangkaian posisi dari semua partikel yang ada di dalam benda tersebut. Sebuah deformasi dapat disebabkan oleh gaya eksternal, gaya internal (seperti gravitasi atau gaya elektromagnetik) atau perubahan temperatur di dalam benda (pemuaian).

               Deformasi di bawah kekuatan perentang mungkin adalah bentuk deformasi paling dikenal, dimana materi padat melawan gaya kompresi dengan cukup baik. Para fisikawan membedakan antara situasi-situasi dimana deformasi secara permanen mengubah bentuk material, contohnya deformasi plastik dan kasus-kasus dimana sebuah obyek bisa kembali ke bentuk asalnya setelah gaya deformasi disingkirkan.

 Perentangan yang berlebihan akan membuat obyek patah. Hukum Hooke menyatakan bahwa, untuk deformasi elastis, tingkat deformasi x (misalnya, untuk perentangan per atau pegas) sebanding dengan gaya deformasi yang digunakan pada per atau pegas. Bentuk persamaan nya adalah :

F = kX

Dimana k adalah konstanta yang mengukur resistensi obyek terhadap deformasi yang dikenal sebagai kekakuan obyek.

             Regangan adalah bagian dari deformasi, yang dideskripsikan sebagai perubahan relatif dari partikel-partikel di dalam benda yang bukan merupakan benda kaku. Definisi lain dari regangan bisa berbeda-beda tergantung tergantung pada bidang apa istilah tersebut digunakan atau dari dan ke titik mana regangan terjadi.

            Dalam benda kontinu, bidang yang terdeformasi dihasilkan dari tegangan yang diaplikasikan akibat adanya gaya atau pemuaian di dalam benda. Hubungan  antara tegangan dan regangan diekspresikan sebagai persamaan konstitutif, seperti hukum Hooke mengenai elastisitas linear.

          Benda yang terdeformasi dapat kembali ke kondisi semula setelah gaya yang diaplikasikan dilepas, dan itu disebut sebagai Deformasi Elastis. Namun ada juga deformasi tidak dapat dikembalikan meski gaya telah dilepas, yang disebut Deformasi Plasis, yang terjadi ketika benda telah melewati batas elastis atau Yield dan merupakan hasil dari slip atau mekanisme dislokasi pada tingkat atom.

 Tipe lainnya dari deformasi yang tidak dapat kembali yaitu Deformasi Viscous atau Deformasi Viskoelastisitas. Dalam kasus defoormasi elastis, fungsi respon yang terkait dengan regangan terhadap tegangan dijelaskan dalam ekpresi tensor hukum Hooke.

Mesin Sederhana

            Mesin adalah alat mekanik atau elektrik yang mengirim atau mengubah energi untuk melakukan atau membantu pekerjaan manusia. Biasanya mesin membutuhkan sebuah masukan sebagai pelatuk, lalu mengirim energi yang telah diubah menjadi sebuah keluaran, yang akan melakukan tugas seperti yang diinginkan. 

           Dalam istilah mekanis, mesin sederhana adalah sebuah alat yang menawarkan sejumlah 'keuntungan mekanis', biasanya ini berarti sebuah sistem yang menawarkan sebuah cara mengurangi gaya yang harus digunakan untuk memindahkan obyek tertentu. 

         Mesin sederhana mengambil keuntungan dari kenyataan bahwa pekerjaan yang dilakukan dalam memindahkan sebuah obyek dengan diberikan dengan mengalikan gaya dengan jarak yang ditempuh. Karena itu dimungkinkan untuk melakukan sejumlah pekerjaan yang sama, misalnya, dengan menggunakan separuh gaya pada jarak yang dua kali lebih jauh.

Alat pengungkit
merupakan contoh
kerja mesin sederhana

           Alat pengungkit menunjukkan cara kerja mesin sederhana dengan jelas. Ketika titik tumpu diletakkan di sepertiga papan pengungkit, maka titik dimana gaya digunakan adalah dua kali panjang dari titik tumpu saat obyek diangkat.

          Hal ini membuat separuh gaya yang digunakan pada jarak dua kali lebih panjang melakukan kerja yang sama. Mesin-mesin sederhana lainnya meliputi pengetam, baji, roda, dan poros, katrol dan obeng. Semua alat ini mengurangi gaya yang digunakan dalam melakukan suatu pekerjaan.

          Mesin telah mengmbangkan kemampuan manusia sejak sebelum adanya catatan tertulis. Perbedaan utama dari alat sederhana dan mekanisme atau pesawat sederhana adalah sumber tenaga dan mungkin pengoperasian yang bebas.

          Istilah mesin biasanya menunjuk ke bagian yang bekerja bersama untuk melakukan kerja. Biasanya alat-alat ini mengurangi intensitas gaya yang dilakukan, mengubah arah gaya, atau mengubah suatu bentuk gerak atau energi ke bentuk lainnya.

Efek Coriolis

              Efek Coriolis diperkenalkan oleh ilmuwan perancis bernama Gaspard-Gustave Coriolis (1792) adalah pembelokan arah benda yang bergerak ketika dilihat dari kerangka acuan yang berputar. Benda yang bergerak lurus dalam kerangka berputar akan terlihat belok oleh pengamat yang diam pada kerangka itu.

             Efek ini dapat ditunjukkan melalui eksperimen seperti bandul foucault. Dengan menggantung sebuah bandul dan diayunkan secara terus menerus, arah bandul tersebut tidak lagi pada arah yang sama, dan bergeser ke arah yang lain.

             Efek Coriolis menjadi terkenal karena efeknya pada rotasi sistem air dan cuaca bumi, tetapi sesungguhnya efek coriolis menunjukkan secara cermat bagaimana gaya gesek, seperti gaya sentrifugal, bisa muncul. 

           Efek coriolis bisa dilihat dengan jelas berupa defleksi gerak suatu obyek yang bergerak pada jalur lurus ketika obyek dilihat dari dalam bingkai referensi yang berotasi. Jika bingkai referensi berputar searah jarum jam, defleksi mengarah ke kanan.

Pergerakan Udara di Atmosfer
Merupakan contoh
dari efek coriolis

             Rotasi lambat bumi secara relatif artinya bahwa efek coriolis hanya membuat dirinya bisa dilihat pada jarak yang jauh dan periode waktu yang lama. Pada bumi, efek coriolis dapat dirasakan untuk pergerakan pada jarak jauh dan periode yang panjang, seperti pergerakan udara berskala besar di atmosfer atau air di samudera.

Gaya Sentripetal dan Sentrifugal

Pengertian Gaya Sentripetal

Gaya Sentripetal adalah gaya yang membuat benda bergerak mengikuti lintasan berbentuk kurva atau gaya yang membuat benda untuk bergerak melingkar. Gaya ini bukan merupakan gaya fisis, atau gaya dalam arti sebenarnya, melainkan hanya suatu penamaan atau penggolongan jenis-jenis gaya yang berfungsi membuat benda bergerak melingkar. 

Bermacam-macam gaya fisis dapat digunakan sebagai gaya sentripetal, antara lain gaya gravitasi, elektrostatik, tegangan tali, gesekan dan lainnya. Istilah sentripetal berasal dari bahasa latin, yaitu centrum (pusat) dan petere (menuju arah), yang berarti menuju arah pusat lingkaran.

Gaya sentripetal selalu beraksi di sudut siku-siku pada gerak obyek, menuju ke suatu titik yang dikenal sebagai pusat kurva yang mendapat reaksi seketika. Gaya sentripetal mungkin disebabkan oleh gravitasi seperti pada kasus orbit, atau oleh tegangan sepanjang tali atau tongkat, misalnya, ketika sebuah obyek seperti bola diayunkan berputar mengelilingi kepala atlet loncat martil. Gaya-gaya yang terlibat bisa dihitung dari persamaan :

F = ma = mv²/r

Dimana

m adalah massa obyek

a adalah percepatan

v adalah percepatan

r adalah radius kurva

Persamaan ini bisa juga ditulis :

F = mrw²

Pengertian Gaya Sentrifugal

Dalam situasi seperti ini, Gaya Sentrifugal adalah gaya yang secara jelas mendorong atau menarik obyek dari pusat rotasi. Gaya ini mungkin adalah gaya riil yang dihasilkan sebagai reaksi terhadap gaya sentripetal, atau gaya gesek yang dihasilkan dari perubahan bingkai referensi.

Jadi gaya sentrifugal adalah lawan dari gaya sentripetal yang merupakan efek semu yang ditimbulkan ketika sebuah benda melakukan gerak melingkar, sentrifugal berarti menjauhi pusat putaran.

Ketika sebuah benda atau partikel melakukan gerak melingkar, pada benda atau partikel tersebut bekerja gaya sentripetal yang arahnya menuju pusat lingkaran. Banyak sekali orang yang tergoda untuk menambahkan sebuah gaya yang arahnya menjauhi pusat lingakaran, dimana peran gaya ini adalah mengimbangi gaya sentripetal.

Besar gaya sentrifugal sama dengan besar gaya sentripetal, sedangkan arah gaya sentrifugal berlawanan dengan gaya sentripetal. Hal ini dimaksudkan agar benda yang melakukan gerak melingkar berada dalam keadaan setimbang. Gaya yang arahnya menjauhi pusat tersebut dinamakan gaya sentrifugal.

Gravitasi Newton

              Gravitasi adalah gaya tarik benda-benda dengan massa sehingga benda-benda tersebut mendekat satu sama lainnya. Gravitasi adalah konsep sentral untuk semua ilmu fisika , dan sangat penting untuk ilmu mekanika. 

      Di tahun 1589, ilmuwan italia Galileo Galilei 

Galileo Galilei

menunjukkan bahwa gravitasi bumi memengaruhi obyek-obyek dengan cara yang sama terlepas dari massa obyek tersebut. Jika faktor-faktor seperti resistensi udara bisa disingkirkan, semua obyek mengalami gaya sama yang menarik obyek-obyek itu menuju ke bumi.

         Seabad kemudian, pemandangan jatuhnya apel diyakini menginspirasi Isaac Newton membuat lompatan konseptual besar, bagaimana jika gaya yang menarik apel ke tanah bersifat universal, dan gaya yang sama membuat bulan tetap di orbitnya mengelilingi bumi? 

          Berdasarkan pada hukum gerak planet Kepler, Newton dapat mengembangkan hukum geraknya sendiri dan kemudian hukum gravitasi ini menyatakan bahwa gaya tarik antara dua obyek sebanding dengan produk massa obyek dikalikan bersama, dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara obyek-obyek.

          Hukum tarik-menarik gravitasi Newton menjelaskan fenomena gaya tarik-menarik antara benda-benda untuk saling mendekat satu sama lain. Dalam bidang fisika tiap benda dengan massa m1 selalu mempunyai gaya tarik dengan benda lain dengan massa m2. 

        Misalnya partikel satu dengan partikel lain selalu akan saling tarik-menarik. Contoh yang dikemukakan Sir Isaac Newton dalam bidang mekanika klasika bahwa benda apapun di atas atmosfer akan ditarik oleh bumi, yang kemudian banyak dikenal sebagai fenomena benda jatuh.

         Teori ini kemudian dikembangkan lebih jauh lagi bahwa setiap benda angkasa saling tarik-menarik, dan ini bisa dijelaskan mengapa bumi harus berputar mengelilingi matahari untuk mengimbangi gaya tarik-menarik gravitasi bumi-matahari. Dengan menggunakan fenomena tarik-menarik gravitasi ini juga, meteor yang mendekat ke bumi dalam perjalanannya di ruang angkasa akan tertarik jatuh ke bumi.