Mengapa Aliran Sungai yang Sempit Lebih Deras daripada Sungai yang Lebar

Fisika Menjawab

Pernahkan kalian menyemprotkan air dengan menggunakan selang? kamu akan melihat sebuah fenomena fisik yang aneh tapi nyata. Cobalah untuk menekan lubang selang, air yang keluar akan dipancarkan lebih deras dan lebih jauh. 

Pernahkah kalian melakukan kegiatan arum jeram? Kalian akan mengalami kasus yang sama seperti kasus di atas, yaitu pada sungai yang menyempit aliran air di sungai menjadi lebih deras dibandingkan dengan bagian sungai yang lebih lebar? Mengapa demikian? Apa yang menyebabkan perubahan laju aliran air sungai maupun air dari kran tersebut?

Fenomena fisik tersebut dapat dijelaskan dengan mempelajari pembahasan berikut, yaitu mengenai Persamaan Kontinuitas.

Persamaan kontinuitas adalah persamaan yang menghubungkan kecepatan fluida dalam dari suatu tempat ke tempat lain. Apa itu fluida? Fluida merupakan zal yang dapat mengalir(zat cair dan gas). 

 Sebelum melangkah lebih jauh, terlebih dahulu kita pahami konsep Garis Alir, Garis Arus dan Tabung Alir. Konsep ini penting karena membantu memahami persamaan kontinuitas.

 Garis alir merupakan lintasan yang ditempuh oleh satu partikel dalam fluida yang mengalir. Pada aliran tunak kecepatan aliran partikel partikel fluida pada setiap titik konstan terhadap waktu , sehingga partikel-partikel fluida yang lewat pada suatu titik akan bergerak dengan kecepatan dan arah yang sama, lintasan yang ditempuh oleh aliran fluida ini dinamakan garis arus. Pada dasarnya kita bisa menggambarkan setiap garis arus melalui tiap-tiap titik dalam aliran fluida tersebut. Jika kita menggangap aliran fluida tunak, sejumlah garis arus yang melewati sudut tertentu pada luas permukaan imajiner (luas permukaan khayalan) membentuk suatu tabung aliran. Tidak ada partikel fluida yang saling berpotongan tapi selalu sejajar dan tabung aliran tersebut akan menyerupai sebuah pipa yang bentuknya selalu sama. Fluida yang masuk pada salah satu ujung tabung akan keluar dari tabung tersebut di ujung lainnya. 

 Misalnya fluida mengalir melalui sebuah sebuah pipa. Pipa biasanya berbentuk silinder dan memiliki luas penampang tertentu. Pipa tersebut juga punya panjang tertentu. Ketika fluida mengalir dalam pipa tersebit sejauh L, maka volume fluida yang ada dalam pipa adalah V=A (V=volume fluida, A=luas penampang, L=panjang pipa). Karena selama mengalir dalam pipa sepanjang L fluida menempuh selang waktu tertentu, maka kita bisa mengatakan bahwa besarnya debit fluida :

Debit menyatakan volume suatu fluida yang mengalir melalui penampang tertentu dalam selang waktu tertentu. Dengan demikian, ketika fluida mengalir melalui suatu pipa yang memiliki luas penampang dan panjang tertentu selama selang waktu tertentu, maka besarnya debit fluida (Q) tersebut sama dengan luas permukaan penampang (A) dikalikan dengan laju aliran fluida (v). 

 

 

 

 

 

 

 

 

A1 = luas penumpang bagian pipa yang berdiameter besar;

A2 = luas penampang bagian pipa yang berdiameter kecil;
v1 = laju aliran pada bagian pipa yang berdiameter besar;
v2 = laju aliran fluida pada bagian pipa yang berdiameter kecil;
L = jarak tempuh fluida  

Gambar di atas menunjukkan aliran fluida dari kiri ke kakanan (fluida mengalir dari pipa yang mempunyai diameter besar menuju diameter yang kecil). Garis putus-putus merupakan garis arus. 

Pada aliran tunak, kecepatan aliran partikel fluida di suatu titik sama dengan kecepatan aliran partikel fluida lain yang melewati titik itu. Aliran fluida juga tidak saling berpotongan (garis arusnya sejajar). Karenanya massa fluida yang masuk ke salah satu ujung pipa harus sama dengan massa fluida yang keluar di ujung lainnya. Jika fluida memiliki massa tertentu masuk pada pipa yang diameternya besar, maka fluida tersebut akan keluar pada pipa yang diameternya kecil dengan massa yang tetap.

Selama selang waktu tertentu, sejumlah fluida mengalir melalui bagian pipa yang diameternya besar (A1) sejauh L1 (L1 = v1t). Volume fluida yang mengalir adalah V1 = A1L1 = A1v1t. Nah, Selama selang waktu yang sama, sejumlah fluida yang lain mengalir melalui bagian pipa yang diameternya kecil (A2) sejauh L2 (L2 = v2t). Volume fluida yang mengalir adalah V2 = A2L2 = A2v2t.

Menurut persamaan kontinuitas, perkalian antara luas penampang dan kecepatan fluida pada setiap titik sepanjang tabung aliran adalah konstan. Persamaan di atas menunjukkan bahwa kecepatan fluida berkurang ketika melalui pipa lebar dan bertambah ketika melewati pipa sempit. Karena itulah ketika kita sedang berperahu atau berarum jeram di sebuah aliran sungai, perahu akan melaju semakin cepat ketika sungai semakin menyempit.

Pada bagian pengantar tulisan ini, kita membicarakn tentang air selang. Ketika sebagian mulut kran kita sumbat, aliran air menjadi lebih deras dibandingkan ketika sebagian mulut selang tidak kita tutup. Hal itu disebabkan karena luas penampang selang menjadi kecil ketika sebagian mulut selang kita tutup, sehingga laju aliran air bertambah (fluida mengalir deras). Tapi perlu diketahui bahwa debit alias laju aliran volume selalu sama pada setiap tempat sepanjang aliran air, baik ketika sebagian mulut selang kita tutup maupun tidak. Jadi yang berubah adalah laju aliran fluida tersebut. 

Lalu bagaimana dengan kasus aliran air di sungai ? Bagian sungai yang dalam memiliki penampang yang lebih besar dibandingkan dengan bagian sungai yang dangkal, sehingga laju aliran air pada bagian sungai yang dalam lebih kecil dari pada laju aliran air pada bagian sungai yang dangkal. Kalau kamu melihat aliran air sungai sangat tenang, itu artinya bagian sungai itu dalam. Tapi kalau tiba-tiba aliran air sungai menjadi deras, maka bagian sungai itu pasti dangkal. Walaupun demikian, laju aliran volume air selalu sama, baik pada bagian dalam maupun pada bagian sungai yang tenang.

Mengapa Titik-titik Embun yang Terdapat pada Daun Berbentuk bola?

Fisika Menjawab

Pernahkah kamu mengamati titik-titik embun yang terdapat pada permukaan daun atau rumput? Mengapa titik-titik itu berbentuk bola? Secara Fisika, fenomena ini dapat terjadi karena adanya tegangan permukaan. 

Apa itu tegangan permukaan? Tegangan permukaan adalah suatu kecenderungan permukaan zat cair untuk menegang sehingga permukaannya seperti ditutupi oleh suatu lapisan kulit tipis.

Penyebab adanya tegangan permukaan adalah karena adanya kohesi di bawah zat cair yang lebih besar dari pada kohesi di permukaan zat cair, sehingga permukaan air akan cenderung mengerut dan membentuk luas permukaan sekecil mungkin. Hal tersebut dapat membuktikan bahwa titik-titik embun yang menempel di atas rumput berbentuk seperti bola karena luas permukaan terkecil adalah bangun yang berbentuk bola. 

Besarnya tegangan permukaan dipengaruhi oleh suhu. Semakin tinggi suhu zat cair, semakin kecil tegangan permukaannya, dan semakin kecil tegangan permukaan, semakin besar atau baik kemampuan air untuk membasahi benda. 

Pernahkan  kamu melihat pisau silet suatu waktu dapat mengapung di atas air? Atau nyamuk atau hewan lain yang dapat berjalan di atas air? Peristiwa-peristiwa ini juga disebabkan oleh adanya tegangan permukaan. Dengan adanya tegangan permukaan, nyamuk dapat mengapung di atas permukaan air, karena berat nyamuk dapat ditahan oleh "kulit tipis" yang menyelimuti permukaan air. Seperti itu juga yang terjadi pada pisau silet yang dapat terapung pada permukaan air.

Penerapan tegangan permukaan dalam kehidupan sehari-hari antara lain:

1. Sabun cuci sengaja dibuat untuk mengurangi tegangan permukaan air sehingga dapat meningkatkan kemampuan air untuk membersihkan kotoran yang melekat pada pakaian.
2. Mencuci pakaian dengan air hangat atau air panas lebih bersih karena dengan suhu yang tinggi tegangan permukaan akan semakin kecil dan kemampuan air untuk membasahi pakaian yang kotor lebih meningkat lagi.
3. Alkohol dan antiseptik pada umumnya memiliki kemampuan untuk membunuh kuman, dan mempunyai tegangan permukaan yang rendah sehingga dapat membasahi seluruh permukaan kulit yang luka.
4. Itik dan angsa dapat berenang dan terapung di atas permukaan air karena bulu-bulunya tidak basah oleh air. Jika air dicampur dengan detergen, maka tegangan permukaan akan mengecil, itik dan angsa yang berenang bulu-bulunya akan basah sehingga itik dan angsa tersebut dapat saja tenggelam.
5. Gelembung yang dihasilkan oleh air sabun merupakan salah satu contoh adanya tegangan permukaan.

Bagaimana Proses Terjadinya Petir?

Fisika Menjawab

Saat musim hujan tiba, seringkali kita mendapati terjadinya petir disertai kilatan cahaya yang menggelegar. Petir dan kilat merupakan salah satu fenomena alam yang kadang merugikan kehidupan manusia dan alam sekitarnya. Coba Anda ingat sudah seberapa sering Anda mendengar adanya pohon yang tumbang atau bahkan manusia yang tersambar petir sekalipun. Tentu beberapa dari kita masih ada yang bingung mengapa bisa demikian.

Petir atau halilintar merupakan gejala alam yang biasanya muncul pada musim hujan, ditunjukkan dengan munculnya kilatan cahaya di langit yang menyilaukan sesaat (kilat), kemudian disusul dengan suara menggelegar (guruh). Perbedaan waktu kemunculan ini disebabkan adanya perbedaan antara kecepatan suara dan kecepatan cahaya. Prinsip dasarnya kira-kira sama dengan lompatan api pada busi.

Energi dari pelepasan muatan listrik di awan begitu besarnya sehingga menimbulkan rentetan cahaya, panas, dan bunyi yang sangat kuat yaitu geluduk, guntur, atau halilintar. Geluduk, guntur, atau halilintar ini dapat menghancurkan bangunan, membunuh manusia, dan memusnahkan pohon. Sedemikian raksasanya sampai-sampai ketika petir itu melesat, tubuh awan akan terang dibuatnya, sebagai akibat udara yang terbelah, sambarannya yang rata-rata memiliki kecepatan 150.000 km/detik itu juga akan menimbulkan bunyi yang menggelegar. Ketika akumulasi muatan listrik dalam awan tersebut telah membesar dan stabil, lompatan listrik (electric discharge) yang terjadi pun akan merambah massa bermedan listrik lainnya, dalam hal ini adalah Bumi. Besar medan listrik minimal yang memungkinkan terpicunya petir ini adalah sekitar 1.000.000 volt per meter.

Petir datang ketika langit tiba-tiba menjadi gelap disertai angin datang begitu cepatnya dan awan yang menjulang tinggi menyerupai bunga kol berwarna keabuan-abuan, kemudian udara terasa pengap. Awan ini biasanya disebut dengan awan petir CB (Comulunimbus) Dalam musim penghujan seperti saat inilah awan-awan jenis ini banyak terbentuk. Bangunan bumi yang kerap sebagai penghantar petir di bumi, merujuk Hukum Faraday, tak lain adalah bangunan, pohon, atau tiang-tiang metal berujung lancip. Pertama kita akan melihat cahaya kilat dulu baru dapat mendengar bunyi gemuruh dari petir.

Secara fisika, petir merupakan gejala alam yang bisa kita analogikan dengan sebuah kapasitor raksasa, dimana lempeng pertama adalah awan (bisa lempeng negatif atau lempeng positif) dan lempeng kedua adalah bumi (dianggap netral). Seperti kita ketahui, kapasitor adalah sebuah komponen pasif pada rangkaian listrik yang bisa menyimpan energi sesaat (energy storage). Petir juga dapat terjadi dari awan ke awan (intercloud), dimana salah satu awan bermuatan negatif dan awan lainnya bermuatan positif. 

Petir terjadi karena ada perbedaan potensial antara awan dan bumi atau dengan awan lainnya. Proses terjadinya muatan pada awan yaitu karena partikel-partikel penyusun awan bergerak terus menerus secara teratur, dan selama pergerakannya dia akan berinteraksi dengan awan lainnya sehingga muatan negatif akan berkumpul pada salah satu sisi (atas atau bawah), sedangkan muatan positif berkumpul pada sisi sebaliknya. Jika perbedaan potensial antara awan dan bumi cukup besar, maka akan terjadi pembuangan muatan negatif (elektron) dari awan ke bumi atau sebaliknya untuk mencapai kesetimbangan. Pada proses pembuangan muatan ini, media yang dilalui elektron adalah udara. Pada saat elektron mampu menembus ambang batas isolasi udara inilah terjadi ledakan suara. Petir lebih sering terjadi pada musim hujan, karena pada keadaan tersebut udara mengandung kadar air yang lebih tinggi sehingga daya isolasinya turun dan arus lebih mudah mengalir. Karena ada awan bermuatan negatif dan awan bermuatan positif, maka petir juga bisa terjadi antar awan yang berbeda muatan.

a. Proses Ionisasi
Petir terjadi diakibatkan terkumpulnya ion bebas bermuatan negatif dan positif di awan, ion listrik dihasilkan oleh gesekan antar awan dan juga kejadian Ionisasi ini disebabkan oleh perubahan bentuk air mulai dari cair menjadi gas atau sebaliknya, bahkan padat (es) menjadi cair.Ion bebas menempati permukaan awan dan bergerak mengikuti angin yang berhembus, bila awan-awan terkumpul di suatu tempat maka awan bermuatan akan memiliki beda potensial yang cukup untuk menyambar permukaan bumi maka inilah yang disebut petir.

 

b.Gesekan antar awan
Pada awalnya awan bergerak mengikuti arah angin, selama proses bergeraknya awan ini maka saling bergesekan satu dengan yang lainya , dari proses ini terlahir electron-electron bebas yang memenuhi permukaan awan. proses ini bisa digambarkan secara sederhana pada sebuah penggaris plastic yang digosokkan pada rambut maka penggaris ini akan mampu menarik potongan kertas. Pada suatu saat awan ini akan terkumpul di sebuah kawasan, saat inilah petir dimungkinkan terjadi karena electron-elektron bebas ini saling menguatkan satu dengan lainnya. Sehingga memiliki cukup beda potensial untuk menyambar permukaan bumi.

Bagaimana Peristiwa Mati Suri dalam Kacamata Fisika?

Fisika Menjawab

Perasaan tenang luar biasa, melihat cahaya terang menyilaukan entah dari mana, jiwa yang terlepas sesaat dari raga, memasuki sebuah dimensi lain, atau berjalan di kegelapan terowongan menuju cahaya di ujungnya. Atau mungkin berkomunikasi dengan roh, yang memintanya kembali ke raganya, untuk hidup kembali.

 

Pengalaman mati suri (near death experience) memiliki pola yang berbeda untuk setiap orang yang mengalaminya. Juga ragam penjelasan, dari psikologis hingga menurut keyakinan masing-masing.Teori baru ditawarkan oleh dua ilmuwan fisika kuantum ternama. Menurut mereka, pengalaman hampir mati terjadi ketika zat yang membentuk jiwa manusia terlepas dan meninggalkan sistem syaraf, memasuki alam semesta.

Berdasar pada ide ini, kesadaran (consciousness) sejatinya dianggap sebagai sebuah program komputer kuantum dalam otak, yang bisa tetap bertahan di alam semesta bahkan setelah kematian. Ini menjelaskan persepsi sejumlah orang yang pernah mengalami mati suri. Adalah Dr Stuart Hameroff, Profesor Emeritus pada Departemen Anestesi dan Psikologi dan Direktur Pusat Studi Kesadaran University of Arizona, yang mengembangkan teori kuasi-relijius ini.

Hameroff seperti dikutip Daily Mail, mendasarkan teorinya pada teori kuantum kesadaran yang ia kembangkan bersama fisikawan Inggris, Sir Roger Penrose yang menyatakan, esensi dari jiwa kita terkandung dalam strukstur yang disebut mikrotubulus (jamak: mikrotubula) yang berada dalam sel-sel otak.

Mereka berpendapat, pengalaman kesadaran kita adalah hasil dari efek gravitasi kuantum dalam mikrotubula. Sebuah teori yang mereka sebut sebagai pengaturan pengurangan obyektif (Orch-OR). Dengan demikian, menurut teori ini, jiwa kita lebih dari sekadar interaksi antar neuron pada otak. Melainkan susunan yang terbangun dari intisari alam semesta, dan mungkin telah ada sejak waktu bermula.

Konsep ini agak mirip dengan keyakinan Buddha dan Hindu, bahwa kesadaran adalah bagian integral dari alam semesta. Dan memang mirip dengan filsafat Barat idealis.

Dengan keyakinan itu, Dr Hameroff menyatakan bahwa saat pengalaman hampir mati terjadi, mikrotubula kehilangan kondisi kuantumnya, namun informasi di dalamnya tak lantas hancur. Sebaliknya, ia hanya meninggalkan raga dan kembali ke alam semesta.

“Katakanlah jantung berhenti berdetak, darah berhenti mengalir, mikrotubulus kehilangan keadaan kuantumnya,” kata Dr Hameroff. “Tapi informasi kuantum di dalam mikrotubulus tidak rusak, tak bisa dihancurkan. Hanya didistribusikan dan menghilang ke alam semesta.”
Jika pasien tersebut sadar, hidup kembali, informasi kuantum itu juga akan kembali ke mikrotubulus. “Sehingga pasien bisa berkata, ‘aku mengalami pengalaman hampir mati’.”

Bagaimana jika pasien itu tak pernah tersadar?
“Jika pasien tak sadar dan akhirnya meninggal dunia. Bisa jadi informasi kuantumnya tetap eksis di luar jasadnya, mungkin tanpa batas, sebagai sebuah ruh.”
Namun, teori Orch-OR tesebut mendapat kritik keras dari para pemikir empiris, dan terus menjadi perdebatan kontroversial di kalangan ilmuwan.
Fisikawan MIT, Max Tegmark adalah salah satu penentangnya. Ia menerbitkan makalah setebal 2.000 halaman yang mengritik teori tersebut, dan kerap dikutip oleh banyak penentang.
Meski demikian, Dr Hameroff yakin, penelitian fisika kuantum akan menvalidasi Orch-Or. Apalagi efek kuantum kini digunakan untuk menjelaskan banyak proses biologis, seperti bau, navigasi burung, dan fotosintesis.

Mengapa Sereal Cenderung Berkumpul Menjadi Satu Atau Menyingkir di Pinggir Mangkuk?

Fisika Menjawab

Pernahkah kamu memperhatikan sereal yang kamu makan untuk sarapan? Pernahkan kamu menyadari bahwa saat sereal itu dicampur dengan susu dalam mangkok, sereal tersebut cenderung berkumpul menjadi satu atau menyingkir di pinggir mangkuk. Mengapa demikian?

Sereal cenderung berkumpul menjadi satu atau menyingkir di pinggir mangkuk. Ilmuwan menjulukinya ‘efek cheerios’. Fenomena semacam ini juga berlaku untuk benda apa pun yang mengambang. Dominic Vella dari Cambridge University dan Laksminarayanan Mahadewan dari Harvard University menjadi orang pertama yang menjelaskan ini.

Menurut mereka, efek ini merupakan hasil geometri permukaan cairan. Tensi permukaan membuat permukaan susu mengumpul di tengah mangkuk karena molekul air dalam susu tertarik kaca, permukaan susu mencekung di ujung mangkuk. Hasilnya, jika tidak mengumpul di tengah, sereal akan berada di pinggir mangkuk.

Mengapa Dinding Luar Gelas yang Berisi Es Timbul Titik-titik Air?

Fisika Menjawab

Ketika kita sedang menikmati minuman dingin, tentu saja kita pernah memperhatikan bahwa terdapat titik-titik air di dinding luar gelas minuman tadi. Tahukah kamu dari mana asal titik-titik air tersebut?

Sebagian besar orang beranggapan bahwa titik-titik tersebut berasal dari dalam gelas. Titik-titik air tersebut keluar melalui pori-pori gelas. Beberapa orang juga ada yang mengatakan bahwa es menguap  dan membasahi dinding gelas. Konsepsi orang-orang tersebut bersifat miskonsepsi (salah konsep).

Bintik-bintik air tersebut sebenarnya berasal dari peristiwa pengembunan udara yang berada di sekitar dinding gelas. Udara mengalami pengembunan karena udara di sekeliling gelas melepaskan kalor kepada es dalam gelas sebab suhu udara lebih besar daripada suhu es dalam gelas. Karena udara melepaskan kalor makanya udara berubah wujud menjadi air, yang kita lihat berupa titik-titik air di luar gelas.

Fenomena tersebut dapat kalian buktikan dengan cara mencapur zat pewarna dalam campuran air dengan es tersebut. Titik-titik air tersebut tetap berwarna bening dan tidak berwarna seperti pewarna kalian. Temuan tersebut menunjukkan bahwa titik-titik air tersebut tidak berasal dari dalam gelas.

Mengapa Jika Kita Memakai Sweater Kita Merasa Lebih Hangat?

Fisika Menjawab

Saat kita berada di pegunungan pada malam hari maupun pagi hari, kita tentu merasa kedinginan karena suhu udara yang rendah. Jadi kita memutuskan untuk memakai sweater, jaket ataupun baju tebal untuk menghangatkan tubuh. Tapi pernahkah kamu berfikir kenapa saat kita memakai sweater atau jaket kita dapat merasa lebih hangat?

Hal ini berkaitan dengan konsep suhu dan kalor. Konsep suhu dan kalor bersifat abstrak, counterintuitive, dan sangat sulit dipahami sehingga kita memiliki berbagai konsepsi mengenai materi ini terutama pada penjelasan mengenai fenomena-fenomena sehari-hari. Untuk dapat memahami dengan

baik fenomena pada materi suhu dan kalor, terlebih dahulu harus memahami konsep yang paling esensial pada materi ini. Konsep esensial tersebut adalah definisi suhu dan kalor harus dipahami dengan jelas. Berikut ini dijelaskan definisi kedua istilah tersebut. 

Suhu merupakan derajat panas atau dinginnya suatu benda. Seberapa panas dan seberapa dingin itulah yang disebut dengan suhu. Sering kita mendengar kalau suhu itu dibedakan menjadi suhu panas dan suhu dingin, kadang-kadang juga ada yang mengatakan suhu hangat. Ketiga suhu yang kita dengar tersebut tidaklah sesuai degan konsepsi ilmiah atau salah konsep. Gambaran mengenai istilah suhu dan kalor yang tepat adalah suhunya rendah atau suhunya tinggi dan bisa juga dinyatakan dengan angka misalnya 10°C (10 derajat celsius).

Kalor merupakan energi yang berpindah dari benda yang bertemperatur tinggi ke benda yang bertemperatur rendah. Kalor akan terus berpindah selama masih ada perbedaan suhu dan akan terhenti ketika suhu benda sama (mencapai kesetimbangan termal). Ingat kalor itu merupakan energi yang berpindah karena adanya perbedaan temperatur dan bukan energi yang dimiliki oleh suatu benda. energi yang sudah mencapai benda, tidak disebut kalor lagi tapi dia menjadi energi dalam (U). 

Sebagian besar orang mengatakan bahwa saat kita memakai sweater atau jaket, hawa dingin tidak dapat masuk ke badan karena terhalang oleh sweater. Anggapan seperti ini adalah termasuk miskonsepsi. Konsepsi ilmiah yang tepat adalah " Pada saat suhu udara rendah sedangkan suhu tubuh kita lebih tinggi daripada suhu lingkungan, maka akan terjadi transfer kalor dari tubuh ke linkungan sehingga kita merasa kedinginan. Penggunaan baju tebal dapat menghambat transfer kalor tersebut sehingga kalor yang keluar dapat dikurangi dan kita akan merasa lebih nyaman.