Fisika Sekolah Dasar dan Menengah Pertama · Grades 1–9
24Berat dan Massa
Para antariksawan di Bulan melompat-lompat seperti anak di atas trampolin, padahal mereka menggendong ransel yang berat. Beratkah atau ringankah ransel mereka di sana? Untuk menjawabnya dengan benar, kita harus membelah satu kata sehari-hari menjadi dua: terbuat dari apa sebuah benda — massanya — dan seberapa kuat Bumi menariknya — beratnya. Keduanya sepupu dekat, tetapi bukan kembar.
24.1 Dua gagasan yang bersembunyi di kata “berat”
Kamu sudah mengenal massa: seberapa banyak zatnya, dalam gram dan kilogram, yang dinilai oleh neraca. Dan kamu sudah mengenal tarikan Bumi: gaya tanpa sentuhan yang membawa turun setiap benda yang dijatuhkan. Berat adalah tempat keduanya bertemu.
Definisi 24.1 (Berat)
Gaya tarik Bumi pada sebuah benda ke arah bawah disebut berat benda itu. Berat adalah apa yang dilawan lenganmu ketika kamu memegang seember air, dan apa yang meregangkan pegas ketika ember itu digantungkan padanya. Seperti setiap gaya, berat punya arah: lurus ke bawah, selalu.
Proposisi 24.2 (Makin banyak zat, makin kuat tarikannya)
Bumi menarik lebih kuat benda yang mengandung lebih banyak zat: di tempat yang sama, massa yang lebih besar selalu berarti berat yang lebih besar — dua batu bata yang serupa beratnya dua kali berat satu batu bata. Itulah sebabnya neraca, yang membandingkan tarikan pada kedua piringnya, sanggup membandingkan massa: di satu tempat, tarikan yang sama berarti zat yang sama banyak.
Contoh 24.3 (Sepupu, bukan kembar)
Massa menjawab: seberapa banyak zatnya? Massa adalah sifat bendanya sendiri — sama saja di tanganmu, di dalam air, atau di Bulan. Berat menjawab: seberapa kuat benda itu ditarik ke bawah di sini? Berat bergantung pada bendanya dan pada tempatnya. Ubahlah tempatnya saja, dan massanya tinggal tetap; beratnya dapat berubah.
24.2 Neraca pegas
Definisi 24.4 (Neraca pegas)
Sebuah neraca pegas mengukur berat dengan membiarkan berat itu meregangkan sebuah pegas: makin kuat tarikannya, makin panjang regangannya. Sebuah jarum di sebelah pegas yang teregang menunjukkan bacaannya. Timbangan nelayan, timbangan koper, dan bagian dalam timbangan dapur semuanya bekerja begini — semuanya merasakan tarikannya, bukan zatnya.
Metode 24.5 (Neraca karet gelang)
Bangunlah perasa berat milikmu sendiri:
- gantungkan sebuah karet gelang pada kait, dengan gelas kertas yang ringan direkatkan di bawahnya;
- dengan gelasnya kosong, tandailah letak bibir gelasnya dan belum usah mengukur apa pun: inilah tanda nolnya;
- isilah gelasnya — misalnya kelereng — lalu ukurlah dengan penggarismu seberapa jauh bibirnya turun di bawah tanda nol;
- isilah dengan kelereng lalu ukurlah lagi.
Kelerengnya dua kali lipat, regangannya kira-kira dua kali lipat: karet gelangmu membenarkan proposisinya — makin banyak zat, makin kuat tarikannya.
24.3 Perjalanan ke Bulan
Contoh 24.6 (Bulan penarik yang lebih lemah)
Bulan jauh lebih kecil daripada Bumi, dan ia menarik benda jauh lebih lemah — kira-kira enam kali lebih lemah. Ransel seorang antariksawan menyimpan setiap gram massanya sepanjang perjalanan, tetapi beratnya di sana menyusut menjadi seperenam. Itulah seluruh rahasia lompat-lompatan itu: kaki yang terlatih melawan tarikan Bumi tiba-tiba melawan tarikan Bulan yang lembut, dan setiap langkah menjadi lompatan.
Contoh 24.7 (Dua timbangan di Bulan)
Bawalah kedua timbangan ke Bulan lalu timbanglah ransel yang sama. Neraca pegas mengatakan kebenaran tentang tempatnya: bacaannya enam kali lebih kecil — tarikannya memang lebih lemah. Neraca dua piring tidak menyadari apa pun: Bulan menarik ranselnya dan balok acuannya sama-sama lemah, kedua piringnya tetap berseri, dan ia melaporkan massa yang sama seperti di Bumi. Pegas merasakan tempatnya; neraca membandingkan zatnya.
Catatan 24.8 (Kata sehari-hari, kata fisika)
Di toko, “melon ini beratnya satu kilogram” adalah ucapan yang tidak berbahaya — di Bumi, massa dan berat bepergian bersama ke mana-mana, sehingga tidak seorang pun bingung. Fisika membelah kedua kata itu karena ia berencana lebih jauh daripada toko: untuk para antariksawan, untuk benda yang jatuh, dan — pada tahun yang lebih tinggi — untuk mengukur gaya dalam satuannya sendiri, yang akan dinamai menurut ilmuwan yang pertama kali menuliskan hukum tarikan Bumi.
24.4 Latihan
Latihan 24.1 ★
Pertanyaan apa yang dijawab massa? Pertanyaan apa yang dijawab berat? Yang mana yang merupakan sebuah gaya?
Latihan 24.2 ★
Ke arah mana berat selalu menarik? Alat apa yang merasakan berat dengan cara meregang?
Solusi
Solusi Latihan 24.2.
Lurus ke bawah, selalu. Neraca pegas — berat meregangkan pegasnya, dan jarumnya melaporkan regangannya.
Latihan 24.3 ★
Satu batu bata meregangkan pegas neraca pegas sepanjang dua lebar jari. Seberapa jauh dua batu bata yang serupa akan meregangkannya? Proposisi mana yang mengatakannya?
Solusi
Solusi Latihan 24.3.
Kira-kira empat lebar jari — zatnya dua kali lipat, tarikannya dua kali lipat, regangannya dua kali lipat: itulah proposisi “makin banyak zat, makin kuat tarikannya”.
Latihan 24.4 ★
Pada neraca karet gelang di Metode 24.5, mengapa kamu harus menandai letak gelas yang kosong sebelum mengisinya?
Latihan 24.5 ★
Seorang antariksawan membawa ransel berisi zat ke Bulan. Di sana, apakah massanya masih ? Apakah menahannya sama beratnya seperti di Bumi?
Latihan 24.6 ★
Mengapa para antariksawan dapat melompat begitu tinggi di Bulan, padahal ransel mereka berat?
Solusi
Solusi Latihan 24.6.
Kaki mereka mendorong sekuat kaki yang terlatih di Bumi, tetapi tarikan balik Bulan enam kali lebih lemah — sehingga setiap langkah biasa berubah menjadi lompatan.
Latihan 24.7 ★
Di Bulan, timbangan mana yang berubah laporannya — neraca pegas atau neraca dua piring? Jelaskan apa yang sebenarnya dibandingkan atau dirasakan masing-masingnya.
Solusi
Solusi Latihan 24.7.
Neraca pegas: ia merasakan tarikan setempat, dan bacaannya enam kali lebih kecil. Neraca dua piring membandingkan tarikan pada ranselnya dengan tarikan pada baloknya, dan Bulan melemahkan keduanya sama saja — kedua piringnya tetap berseri pada massa yang sama.
Latihan 24.8 ★
Benar atau tidak: “Benda yang sama sekali tidak berisi zat tidak akan punya berat di mana pun.” Belalah jawabanmu dengan Proposisi 24.2.
Latihan 24.9 ★
Timbangan gantung pedagang sayur turun selagi ia mengisi apel ke piringnya. Sepupu yang mana yang dirasakan timbangannya? Mengapa caranya tetap menjual kilogram apel yang jujur — di Bumi?
Latihan 24.10 ★★
Sebuah badan antariksa harus memastikan bahwa bagian sebuah wahana punya massa yang tepat — tetapi wahana yang sudah jadi akan bekerja di dekat sebuah planet kecil yang jauh dan tarikannya lemah. Seorang insinyur cemas: “Semua penimbangan kita di Bumi akan salah di sana!” Tenangkanlah dia: pengukuran mana yang tetap tidak berubah, dan alat mana yang membuatnya?
Solusi
Solusi Latihan 24.10.
Pengukuran massa bepergian tanpa berubah: ia menggambarkan zatnya sendiri, bukan tempatnya. Penimbangan apa pun yang dilakukan dengan perbandingan — neraca dua piring melawan balok acuan — melaporkan massa dan tetap tepat di dekat planet yang jauh itu. Hanya bacaan berat gaya pegas yang akan menyusut di sana, dan bukan itu yang dicatat pada daftar bagiannya.
Latihan 24.11 ★★
Jauh di ruang angkasa, jauh dari Bumi, Bulan, maupun Matahari, seorang antariksawan melepaskan sebuah kunci pas: kunci itu melayang di sebelah tangannya, tanpa berat. Apakah kunci pas itu kehilangan massanya? Berikan dua petunjuk sehari-hari yang masih dapat ia perhatikan dan yang menunjukkan zatnya masih ada seluruhnya. (Petunjuk: cobalah mengguncangnya, atau melemparkannya.)
Solusi
Solusi Latihan 24.11.
Massanya masih ada seluruhnya. Petunjuknya: mengguncang kunci pas itu tetap memerlukan tenaga sungguhan — tangannya merasakan zatnya melawan gerak bolak-balik; dan kalau dilempar, kunci itu melesat tidak lebih cepat daripada yang sanggup dilakukan ototnya — palu yang berisi zat tetaplah palu untuk dilempar. Beratnya lenyap; zatnya tidak pernah.