Fisika Sekolah Dasar dan Menengah Pertama · Grades 1–9

18Matahari di Langit: Hari dan Musim

Pada bulan Juni kamu bermain di luar sesudah makan malam dalam cahaya keemasan; pada bulan Desember lampu jalan sudah menyala sebelum kamu pulang dari sekolah. Matahari tetap dengan kebiasaan lamanya — naik di satu sisi, melewati puncak, turun di sisi yang lain — tetapi jalannya melintasi langit tidak sama sepanjang tahun. Ikutilah ia selama satu tahun penuh, dan kamu menemukan musim.

18.1 Jalan Matahari yang berubah

Contoh 18.1 (Jalan musim panas, jalan musim dingin)

Amati busur Matahari pada pertengahan musim panas: ia terbit pagi sekali, memanjat sangat tinggi — hampir tepat di atas kepala pada tengah hari — lalu terbenam larut: jalan yang panjang dan tinggi, dan hari yang panjang. Pada pertengahan musim dingin, busurnya rendah dan pendek: Matahari terbit terlambat, tidak pernah memanjat jauh di atas atap rumah, dan terbenam pada pertengahan sore. Di antara keduanya, pada musim semi dan musim gugur, jalannya sedang-sedang saja — dan siang serta malam berbagi jam hampir sama rata.

Dua jalan Matahari yang paling ekstrem di atas cakrawala yang sama. Busur musim panas yang tinggi memerlukan banyak jam untuk ditempuh; busur musim dingin yang rendah sudah selesai pada pertengahan sore.

Proposisi 18.2 (Aturan tengah hari)

Pada setiap musim, Matahari berdiri paling tinggi pada pertengahan hari — dan pada saat itu setiap bayang-bayang paling pendek untuk hari itu dan menunjuk ke arah yang sama dengan bayang-bayang tengah hari kemarin, dan besok. Bayang-bayang tengah hari adalah anak panah paling tepercaya di alam.

Contoh 18.3 (Membaca musim dari bayang-bayang)

Panjang bayang-bayang tengah hari berubah menurut musim: pada musim panas, dengan Matahari hampir tepat di atas kepala, bayang-bayang tengah hari sebuah tiang hanyalah tunggul yang pendek; pada musim dingin, dengan Matahari tergantung rendah, tiang yang sama melemparkan bayang-bayang tengah hari yang panjang. Tandailah ujung bayang-bayang tengah hari di tanah sebulan sekali, dan tandanya akan merayap maju-mundur sepanjang tahun seperti bandul yang lambat.

18.2 Jam bayang-bayang

Definisi 18.4 (Jam matahari)

Sebuah jam matahari adalah jam yang dibuat dari bayang-bayang: sebatang tongkat atau bilah yang berdiri di bawah sinar matahari, dengan tanda di sekelilingnya yang menunjukkan tempat bayang-bayangnya jatuh pada tiap jam. Selagi Matahari menempuh busurnya, bayang-bayangnya menyapu tanda itu — pelan, tanpa suara, dan tanpa satu pun bagian yang bergerak.

Metode 18.5 (Membuat jam bayang-bayang)

Pada pagi yang cerah, di tempat yang terkena matahari sepanjang hari:

tancapkan tongkat lurus tegak di tanah yang rata (atau tegakkan di dalam ember berisi pasir);
setiap jam, tepat pada jamnya, tandai ujung bayang-bayangnya dengan sebutir kerikil lalu tulis jamnya pada kerikil itu dengan kapur;
teruskan sampai petang.

Besok, bayang-bayangnya akan menyinggahi kerikilmu tepat waktu: tongkatmu kini penunjuk waktu. (Setidaknya untuk sementara — selagi musim bergeser, bayang-bayangnya ikut bergeser, dan kerikilmu perlahan-lahan akan meleset.)

Satu tongkat, satu hari: bayang-bayangnya menyapu seperti jarum yang lambat, paling panjang di kedua tepi hari, paling pendek pada tengah hari.

18.3 Tahun dan musimnya

Definisi 18.6 (Tahun dan musim)

Sementara Bumi berputar sekali sehari, ia juga menempuh perjalanan raksasa mengelilingi Matahari — satu putaran penuh memakan waktu satu tahun, kira-kira $365$ hari. Sepanjang putaran itu, jalan Matahari melintasi langit kita perlahan naik dan turun, dan kita melewati empat musim: semi, panas, gugur, dingin — lalu semi lagi, putaran demi putaran.

Contoh 18.7 (Empat perempat)

Musim panas: Matahari tinggi, hari panjang, bayang-bayang tengah hari pendek. Musim dingin: Matahari rendah, hari pendek, bayang-bayang tengah hari panjang. Musim semi dan musim gugur berada di antaranya — dan pada masing-masingnya datang satu hari istimewa ketika siang dan malam berlangsung sama lama. Petani, pelaut, dan pembangun zaman dahulu belajar membaca kalender ini langsung dari langit.

Satu putaran Bumi mengelilingi Matahari — satu tahun, empat musim. Mengapa jalannya rendah pada musim dingin dan tinggi pada musim panas? Rahasia itu disimpan untuk bab kemudian tentang keluarga Matahari–Bumi–Bulan.

Catatan 18.8 (Musim dingin bukan karena “lebih jauh”)

Menggoda sekali untuk menebak bahwa musim dingin terasa dingin karena Bumi menjauh dari Matahari. Ternyata tidak — jaraknya hampir tidak berubah, dan ketika di sini musim dingin, pada saat yang persis sama sedang musim panas bagi anak-anak di belahan Bumi yang jauh, dan itu tidak mungkin dijelaskan oleh “lebih jauh”! Kuncinya yang sebenarnya adalah jalan rendah Matahari: matahari rendah, cahaya menyerong, pemanasan lemah. Penjelasan lengkapnya dijanjikan untuk bab kemudian.

Tengah hari pada musim dingin: Matahari tetap rendah, cahayanya datang menyerong, dan bayang-bayang memanjang di atas salju.

18.4 Latihan

Latihan 18.1 ★

Pada musim apa busur Matahari paling tinggi dan paling panjang? Paling rendah dan paling pendek? Apa akibatnya terhadap panjang harinya?

Solusi

Solusi Latihan 18.1.

Paling tinggi dan paling panjang pada musim panas — sehingga harinya panjang; paling rendah dan paling pendek pada musim dingin — sehingga harinya pendek.

Latihan 18.2 ★

Pada saat apa dalam sehari bayang-bayang sebuah tiang paling pendek? Apa lagi yang istimewa pada bayang-bayang tengah hari, hari demi hari?

Solusi

Solusi Latihan 18.2.

Pada tengah hari, ketika Matahari berdiri paling tinggi. Bayang-bayang tengah hari juga menunjuk ke arah yang sama setiap hari sepanjang tahun — anak panah paling tepercaya di alam.

Latihan 18.3 ★

Tiang yang sama melemparkan bayang-bayang tengah hari sepanjang $2$ sepatu bot pada bulan Juni dan $7$ sepatu bot pada bulan Desember. Jelaskan perbedaannya dengan kedua jalan Matahari.

Solusi

Solusi Latihan 18.3.

Pada bulan Juni Matahari menempuh jalan tingginya dan berdiri hampir tepat di atas kepala pada tengah hari, sehingga bayang-bayangnya hanya tunggul yang pendek. Pada bulan Desember Matahari tetap di jalan rendahnya; bahkan pada tengah hari cahayanya datang menyerong, dan tiang yang sama melemparkan bayang-bayang yang panjang.

Latihan 18.4 ★

Bagaimana jam matahari menunjukkan waktu? Jarum bergeraknya terbuat dari apa?

Solusi

Solusi Latihan 18.4.

Matahari menyapukan bayang-bayang tongkat itu mengelilingi tanda jam selagi ia menempuh busurnya; kamu membaca waktunya dari tanda yang disentuh bayang-bayangnya. Jarum yang bergerak adalah bayang-bayang itu sendiri.

Latihan 18.5 ★

Pada Metode 18.5, mengapa tongkatnya harus berada di tempat yang terkena matahari sepanjang hari? Apa yang terjadi pada jam itu ketika cuaca berawan — dan pada malam hari?

Solusi

Solusi Latihan 18.5.

Kalau bayangan sebuah dinding menelan tongkatnya pada suatu jam, jam itu tidak pernah dapat ditandai atau dibaca. Di bawah awan, jam itu tidak punya jarum — tidak ada bayang-bayang — dan pada malam hari juga tidak ada: jam matahari hanya bekerja selama Matahari bekerja.

Latihan 18.6 ★

Berapa lama Bumi menempuh satu putaran mengelilingi Matahari? Berapa musim yang termuat dalam satu putaran? Urutkan, mulai dari musim semi.

Solusi

Solusi Latihan 18.6.

Satu tahun — kira-kira $365$ hari. Empat musim tiap putaran: semi, panas, gugur, dingin.

Latihan 18.7 ★

Kira-kira ada berapa hari dalam satu tahun? Dan — dari bab sebelumnya — ada berapa jam dalam satu hari? Perjalanan Bumi yang mana yang membuat masing-masingnya?

Solusi

Solusi Latihan 18.7.

Kira-kira $365$ hari dalam satu tahun; $24$ jam dalam satu hari. Hari adalah satu putaran Bumi pada dirinya sendiri; tahun adalah satu keliling Bumi mengelilingi Matahari.

Latihan 18.8 ★

Sebutkan dua petunjuk, yang terlihat dari jendelamu dalam satu minggu saja, yang memberitahumu apakah kamu sedang berada di pertengahan musim panas atau pertengahan musim dingin tanpa melihat kalender.

Solusi

Solusi Latihan 18.8.

Misalnya: seberapa awal lampu jalan menyala (gelap sebelum makan malam berarti musim dingin); seberapa tinggi Matahari tengah hari berdiri; seberapa panjang bayang-bayang tengah hari; apakah kamu masih dapat bermain di luar dalam cahaya siang sesudah makan malam.

Latihan 18.9 ★

Ketika di tempat tinggalmu musim dingin, musim apa yang sedang dialami anak-anak di belahan Bumi yang jauh? Apa yang dibuktikan hal ini tentang tebakan “musim dingin terjadi karena seluruh Bumi lebih jauh dari Matahari”?

Solusi

Solusi Latihan 18.9.

Bagi mereka sedang musim panas, pada saat yang sama. Kalau seluruh Bumi memang lebih jauh dari Matahari, semua orang akan mengalami musim dingin sekaligus — jadi tebakan itu pasti keliru. Penyebab yang sebenarnya adalah jalan rendah dan cahayanya yang menyerong.

Latihan 18.10 ★★

Seorang tukang kebun menancapkan kerikil jam bayang-bayangnya pada bulan Maret. Pada bulan Juni bayang-bayangnya tidak lagi menyentuh kerikil pada jam yang ditandai. Apakah tongkatnya bergeser? Jelaskan apa yang bergeser, dengan Contoh 18.3.

Solusi

Solusi Latihan 18.10.

Tongkatnya tidak bergeser — jalan Mataharinyalah yang bergeser. Dari Maret sampai Juni busurnya memanjat lebih tinggi dan bayang-bayangnya menyusut serta bergeser, sehingga bayang-bayangnya kini meleset dari kerikil yang ditancapkan untuk jalan bulan Maret. Jam matahari harus dibaca bersama musimnya.

Latihan 18.11 ★★

Seorang penjelajah terbangun tanpa arloji dan tanpa telepon, melihat Matahari tepat di titik tertingginya, dan satu jam kemudian mendapati bayang-bayang tendanya sudah lebih panjang daripada tinggi tendanya. Kira-kira pukul berapa ketika ia terbangun, dan apakah ia lebih dekat ke pertengahan musim panas atau pertengahan musim dingin? Beralasanlah dari aturan tengah hari dan dari panjang bayang-bayangnya.

Solusi

Solusi Latihan 18.11.

Matahari di titik tertingginya berarti ia terbangun pada tengah hari. Kalau hanya satu jam kemudian bayang-bayang tendanya sudah lebih panjang daripada tendanya, Matahari pasti tergantung sangat rendah bahkan di dekat tengah hari — itulah jalan rendah musim dingin: ia lebih dekat ke pertengahan musim dingin.

Istilah yang didefinisikan dalam bab ini

Lihat semua 393 istilah di glosarium