Wednesday, 9 December 2015

Tanya-Jawab Konsep Relativistik Bareng Pakgurufisika

mengenang albert einstein

Relativitas merupakan salah satu pilar fisika modern, Teori ini masih berumur sekitar seratus tahun. Dalam memahami materi tentunya kita tidak hanya membaca isi materi, tetapi juga harus dapat menjawab pertanyaan mengenai materi tersebut. Dibawah ini terdapat sembilan pertanyaan dan jawaban mengenai konsep relativitas khusus.
Bagaimana konsep mengenai Relativitas khusus anda, apakah sudah sama dengan jawaban dibawah ini ?

Pertanyaan
1.Anggap anda bergerak di luar angkasa di antara bintang-bintang dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya. Bagaimana carannya anda mengetahui kecepatan anda? Apakah dari kenaikan massa anda? Atau dari detak jantung anda yang bertambah lambat? Atau dari tubuh anda yang bertambah pendek?
pesawat ulang alik

Jawab

Ketika anda bergerak dengan kecepatan konstan anda tidak akan pernah dapat mendeteksi kecepatan anda. Anda dapat merasakan bahwa anda bergerak ketika anda dipercepat.

Ketika anda bergerak dengan kecepatan konstan, anda tidak dapat merasakan kenaikan massa anda karena semua benda dalam pesawat itu berubah massanya dan acuan untuk mengukur timbangannya juga berubah, mengakibatkan ketika kita menimbang massa kita, skala timbangan menunjukkan nagka yang sama.

Hal yang sama juga terjadi dengan panjang tubuh kita. Semua benda termasuk alat ukur didalam pesawat bertambah pendek, akibatnya kita tidak dapat mendeteksi apakah tubuh kita bertambah pendek dalam arah gerak pesawat.

Bertambah lambatnya detak jantung juga tidak dapat dideteksi oleh orang dalam pesawat karena semua jam dan semua proses berlangsung lebih lambat.

Yang dapat mendeteksi perubahan-perubahan ini adalah suatu kerangka yang kita anggap diam (bergerak relative terhadap pesawat), seperti bumi atau bintang-bintang.

2. Ketika anda melihat seorang bergerak di luar angkasa dengan kecepatan setengah kecepatan cahaya. Apakah anda melihat jamnya bertambah lambat setengahnya?

Jawab :

Tidak! Jam orang tersebut memang bertambah lambat namun lambatnya waktu orang itu tidak setengahnya tetapi= 0,87 kalinya. Artinya ketika di bumi sudah satu tahun, di pesawat baru 0,87 tahun.

3. Dari pernyataan berikut ini mana yang melanggar teori relativistik?
a) Tidak ada satupun benda yang dapat bergerak melebihi kecepatan cahaya
b) Ketika benda Bergerak melebihi kecepatan cahaya, kecepatan benda itu akan berubah tiba-tiba menjadi lebih lambat dari kecepatan cahaya.

Jawab :

Teori relatvistik Einstein mengatakan jika sesuatu bergerak dengan kecepatan lebih kecil dari kecepatan cahaya, maka selamanya benda itu tidak akan pernah bergerak melebihi kecepatan cahaya. Namun bukan berarti bahwa tidak ada benda yang melebihi kecepatan cahaya. Secara teori ada benda yang dapat bergerak melebihi kecepatan cahaya (belum diuktikan secara eksperimen). Untuk benda-benda yang bergerak melebihi kecepatan cahaya rumus relativistik Einstein tidak berlaku lagi. 


Ilustrasi yang dapat dipakai untuk mengerti ini adalah rel kereta pada gambar di bawah. Pada gambar di bawah ini jelas bahwa ketika kita berada di A kita tidak akan pernah sampai di B (orang tidak akan dapat meembus horizon, kecuali mungkin ketika ia meninggal dan jadi roh). Tetapi ini tidak berarti di B tidak ada sesuatu. Seandainya di B juga ada sesuatu, benda di B tidak akan pernah mencapai titik A. seolah-olah ada jurang yang tidak terseberangi antara dua alam ini. 

ilustrasi rel


4. Anggap ada seorang yang sakti yang dapat berlari sangat cepat sekali. Sayangnya ia tidak dapat berlari melebihi kecepatan cahaya, mengapa? Apakah karena ketika ia berlari, tubuhnya menjadi terlalu berat sehingga otot-ototnya tidak mampu menahan tubuhnya lagi?
pelari cepat
Jawab :

Ketika orang sakti ini berlari massanya tidak bertambah (menurut dia), sehingga ia tidak merasa terganggu dan ia dapat berlari terus tanpa adanya beban tambahan berupa efek pertambahan massa. Alasan ia tdak dapat lari hingga melebihi kecepatan cahaya adalah dilatasi waktu dan kontraksi panjang.

Untuk mengukur kecepatanhya orang sakti ini menggunakan jam dan meteran. Ketika ia berlari cepat sekali jamnya menjadi sangat lambat dan meterannya menjadi sangat pendek (menurut pengamat di bumi). Akibatnya ketika orang yang berlari itu mengatakan bahwa ia menempuh 2,99999999 km dalam 10-5 detik, kita melihatnya ia bergerak 0,73 m dalam 0,04 detik. Jadi walaupun orang itu berusaha menambah kecepatannya, namun yang kita lihat pertambahan kecepatannya itu kecil sekali.

Kasus akan berbeda jika orang itu berlari karena di dorong. Jika kita mendorong orang itu, kita akan merasakan semakin sulit mendorong orang itu ketika kecepatannya makin tinggi karena kita merasakan massa orang itu bertambah. (ingat, hanya pengamat yang diam yang merasakan perubahan massa benda yang bergerak).

5. Sebuah lembing panjang 5 meter dilemparkan melalui sebuah tabung yang panjangnya 5 meter. Jika lembing bergerak dengan kecepatan tinggi sekali (kecepatan relativistik), apa yang terjadi dengan lembing ini? Apakah lebih pendek atau lebih panjang dari pipa?

Jawab :
ilustrasi pipa dan lembing

Lebih pendek atau lebih panjangnya lembing dari pipa tergantung pada acuan. Jika acuannya lembing (pengamat berada di lembing), maka pengamat akan melihat panjang lembing 5 meter, tetapi ia akan melihat panjang pipa berkontraksi sehingga lembing lebih panjang dari pipa.

Jika acuannya pipa (pengamat berada di pipa) maka pengamat akan melihat pipa panjangnya 5 meter, tetapi ia melihat lembing berkontraksi sehingga lembing lebih pendek dari pipa.

Namun jika pengamat bergerak dengan kecepatan setengah kecepatan lembing, ia akan melihat lembing dan pipa sama panjang.

6. Pada pelajaran elektromagnetik kita tahu bahwa ketika dua kawat berarus arus dialiri arus searah akan saling tarik menarik sedangkan jika arus yang mengalir berlawanan akan saling tolak. Dapatkah anda menjelaskan ini dengan metode relativistik?

gaya lorentz pada dua kawat beraraus

Jawab :
elektron dalam kawat berarus

Didalam kawat terdapat banyak proton dan elektron. Ketika arus mengalir proton tetap diam sedangkan electron mengalir berlawanan arah dengan arah arus. Dilihat dari kerangka luar kita melihat jumlah electron dan proton dalam kedua kawat sama besar karena ada electron yang masuk dan elektron yang keluar.

Namun jika pengamat berada dalam kerangka electron pada kawat A, ia akan melihat electron pada kawat lain diam. Tetapi ia melihat proton di kawat B bergerak ke kiri. Akibat kontraksi panjang ia melihat proton-proton yang bergerak ini lebih rapat (kawat terlihat lebih positif) itulah sebabnya electron (pengamat) merasakan gaya tarik listrik. Hal yang sama terjadi pada electron kawat B yang melihat proton di A lebih rapat sehingga ia merasakan tarikan ke A. dari sini dapat disimpulkan bahwa kedua kawat tarik-menarik (coba anda jelaskan mengapa kedua kawat tolak-menolak jika kedua arus mengalir berlawanan arah !!)

Mungkin timbul pertanyaan dalam diri anda. Gaya yang disebabkan kawat berarus yang kita pelajari adalah akibat gaya magnetic, tapi kenapa ini gayanya menjadi gaya listrik?

Menurut teori elektromagnetik, listrik dan magnet itu sesungguhnya merupakan satu fenomena. Kita dapat melihat suatu fenomena magnet sebagai suatu fenomena listrik ketika kita berpindah kerangka acuan dan sebaliknya. Jadi jika kita lihat suatu fenomena listrik, kita akan selalu dapat menemukan suatu kerangka dimana fenomena listrik ini menjadi fenomena magnet.

7.Jika anda mempunyai lima macam jam, misalnya jam pasir, jam mekanik, jam listrik, jam cahaya, dan jam biologi dan anda meletakkan semuanya pada sebuah pesawat. apakah kelima jam tersebut akan merasakan efek relativistik?

     
jenis-jenis jam

Jawab :

Ya.
Kelima jam ini akan mengalami efek relativistik. Jika hanya satu saja yang mengalami efek relativistik, maka kita yang berada dalam pesawat bersama-sama dengan jam akan tahu bahwa kita sedang nergerak. Padahal menurut azaz relativistik, jika kita bergerak dengan kecepatan konstan kita tidak akan tahu bahwa kita sedang bergerak. Yang kita lihat adalah benda lain yang bergerak mendekati dan menjauhi kita.

8.       Apakah kecepatan cahaya selalu konstan?

Jawab :

Kecepatan cahaya tidak selalu konstan. Kecepatan cahaya di udara berbeda dengan kecepatan udara di dalam air. Kecepatan cahaya juga tidak sama jika ada medan gravitasi.

Yang dimaksud Einstein bahwa kecepatan cahaya konstan adalah kecepatan cahaya pada semua kerangka acuan inersia yang bebas dari pengaruh medan grvitasi. Itulah sebabnya dinamakan teori relativistik khusus (“special elativity”). Pada daerah yang mempunyai medan gravitasi Einstein membuat teori lain dimana kecepatan cahaya tidak konstan. Teori ini dinamakan teori relativistik umum )”general relativity”)

lintasan cahaya dalam medan gravitasi


Untuk menerangkan efek gravitasi pada cahaya peerhatikan gambar di atas . Pada waktu cahaya AB pada suatu sumber cahaya mengenai suatu layar secara bersamaan, maka kita akan melihat bahwa lintasan cahaya BB’ akan menempuh panjang busur yang lebih kecil dibandingkan panjang busur AA’. Hal ini menunjukkan kecepatan cahaya yang lebih dekat ke bumi (gravitasinya lebih besar) akan lebih kecil. Jadi gravitasi membuat kecepatan cahaya lebih kecil.

9. Anggap suatu sepeda motor yang memakai baterai superpower dan sebuah kereta listrik dikendarai menddekati kecepatan cahaya. Kedua kendaraan itu menuju suatu alat penimbang. Mana yang pertambahan massanya lebih berat?

kereta dan motor listrik

Jawab :

Ini pertanyaan jebakan. Kita tentu akan mengatakan bahwa pertambahan massa kesuanya tentu akan hampir sama tergantung dari kecepatan mereka. Namun tidak demikian.

Kita harus hati-hati dalam hal ini. Motor menggunkan energinya dari baterai yang di dalam dirinya. Mesin dalam motor tersebut mengubah massa yang kecil menjadi energi yang besar . namun massa motor tidak akan bertambah (dari mana ia mendapat tambahan massa?) pertambahan massa motor di barengi dengan pengurangan massa baterai yang diubah menjadi energi (sehingga massa motor tetap sama).

Pada kereta listrik, energi disuplai dari luar sehingga ketiak kecepatannya tinggi sekali massanya akan bertambah (pertambahan masa berasal dari energi yang diperolehnya dari listrik luar). Pertambahan massa kereta dibarengi dengan berkurangnya massa bahan bakar pusat tenaga listrik yang memberikan energi listrik pada kereta. Jadi sebenarnya disini tidak penciptaan massa. Yang ada hanya pengubahan massa menjadi energi dan energi menjadi massa.

Referensi : Yohanes Surya . OLIMPIADE FISIKA  SMA Caturwulan Kedua Kelas Tiga. Jakarta:  Primatika Cipta Ilmu 


EmoticonEmoticon