Mekanika
merupakan cabang ilmu fisika tertua yang berhubungan dengan materi (benda),
yaitu ilmu yang mempelajari gerak benda, baik benda diam (statistika)
maupun benda yang bergerak (kinematika dan dinamika). Dalam perkembangannya
mekanika dibagi menjadi 2, yaitu mekanika klasik dan mekanika modern.
A.Perkembangan Mekanika Klasik
Perkembangan
mekanika klasik didasarkan pada perkembangan sejarah fisika, yaitu :
I. Periode Pertama (Pra Sains – 1550 M)
a. Aristoteles
(384 – 332 SM)
Aristoteles
merupakan seorang filosof dan ilmuwan terbesar dalam masa lampau. Dia
mempelopori penyelidikan ihwal logika, memperkaya hampir tiap cabang falsafah
dan memberi sumbangsih yang besar terhadap ilmu pengetahuan.
Aristoteles
merupakan orang pertama di periode ini yang mengemukakan cabang mekanika yang
berurusan dengan hubungan timbal balik antara gerak dan gaya yaitu bidang
dinamika. Ia mengemukakan suatu argumen tentang sifat bawaan dari berbagai
benda yang memberikan alasan untuk berbagai sifat tersebut dalam daya
intrinsik khusus dari benda itu sendiri. Aristoteles membedakan dua jenis
gerak yaitu gerak alamiah dan gerak paksa. Menurutnya tiap unsur memiliki
“tempat alamiah” di alam semesta ini seperti di pusat bumi yang dikelilingi oleh
udara, air dan api. Dengan cara serupa tiap unsur memiliki suatu gerak alamiah
untuk bergerak ke arah tempat alamiahnya jika ia tidak berada di sana. Umumnya,
bumi dan air memiliki sifat berat, yaitu cenderung bergerak ke bawah, sementara
udara dan api memiliki sifat levitasi, yaitu cenderung bergerak ke atas. Salah
satu kekurangan dinamika Aristoteles adalah bahwa kecepatan sebuah benda akan
menjadi tak hingga jika tidak ada resistansi terhadap geraknya. Sukar sekali
bagi penganut Aristoteles (aristotelian) untuk membayangkan gerak tanpa
resistansi. Memang kenyataan bahwa gerak seperti itu akan menjadi cepat secara
tak terhingga jika tak ada gesekan dengannya seperti benda yang bergerak di
ruang kosong. Teori Aristoteles bahwa gerak paksa (gerak yang s=disebabkan oleh
gaya luar yang dikenakan dan boleh ke sembarang arah) membutuhkan suatu gaya
yang bekerja secara kontiniu ternyata bisa disangkal dengan memandang gerak
proyektil. Aristoteles mencontohkan pada sebuah anak panah yang
ditembakkan dari sebuah busur akan tetap bergerak untuk beberapa jarak
meskipun jelas-jelas tidak selamanya didorong, busur entah bagaimana memberi
suatu daya gerak kepada udara, yang kemudian mempertahankan anak panah tetap
bergerak. Penjelasan ini sangat tidak meyakinkan, dan masalah gerak peluru
terus berlanjt hingga membuat kesal para Aristotelian selama berabad-abad.
b. Archimedes
(287 – 212 SM)
Cabang lain
mekanika adalah Statistika. Statistika meruakan studi benda-benda diam karena
kombinasi berbagai gaya. Perintis bidang ini adalah Archimedes. Archimedes juga
merupakan pendiri ilmu hidrostatistika, yaitu studi tentang keseimbangan
gaya-gaya yang mereka kenakan pada benda-benda tegar. Dalam bukunya yag
berjudul “benda-benda merapung”, ia menyatakan suatu prinsip terkenal yaitu “benda-benda
yang lebih berat dari cairan bila ditempatkan dalam cairan akan turun ke dasar
cairan tersebut. Bila benda tersebut ditimbang beratnya dalam cairan tersebut
akan lebih ringan dari berat yang sebenarnya, seberat zat cair yang dipisahkannya.”
Sumbangsih
lain dari Archimedes yaitu prinsip-prinsip fisika dan matematika diaplikasikan
Archimedes seperti pompa ulir, untuk mengangkat air dari tempat yang lebih
rendah maupun untuk tujuan perang. Memang tidak dapat dihindari bahwa suatu
penemuan biasanya akan dipicu oleh suatu kebutuhan mendesak. Cermin
pembakar, derek (crane) untuk melontarkan panah dan batu atau menenggelamkan
kapal adalah penguasaan fisika Archimedes yang dapat dikatakan luar biasa pada
zamannya. Kontribusi penghitungan p (pi) dari Archimedes dapat disebut sebagai awal bagi
para pengikut untuk meniru metode yang dipakai untuk menghitung luas lingkaran.
Terus memperbanyak jumlah segi enam untuk menghitung besaran p (pi) mengilhami para matematikawan
berikutnya bahwa adanya suatu ketidakhinggaan seperti paradoks Zeno, dimana hal
ini mendorong penemuan kalkulus. Archimedes adalah seorang yang mendasarkan
penemuannya dengan eksperimen sehingga ia dijuluki Bapak IPA Eksperimental.
c. Eratoshenes
(273 – 192 SM)
Erastohenes
melakukan perhitungan diameter bumi pada tahun 230 SM. Dia menengarai bahwa
kota Syene di Mesir terletak di equator, dimana matahari bersinar vertikal
tepat di atas sumur pada hari pertama musim panas. Erastohenes mengamati
fenomena ini tidak dari rumahnya, dia menyimpulkan bahwa matahari tidak akan
pernah mencapai zenith di atas rumahnya di Alexandria yang berjarak 7o
dari Syene. Jarak Alexandria dan Syene adalah 7/360 atau 1/50 dari lingkaran
bumi yang dianggap lingkaran penuh adalah 360o. Jarak antara Syene sampai
Alexandria +/- 5000
stade. Dengan dasar itu disebut prakiraan bahwa diameter bumi berkisar 50x5000
stade = 25.000 stade = 42.000 Km. Pengukuran tentang diameter bumi diketahui
adalah 40.000 km. Ternyata, astronomer jaman kuno juga tidak kalah cerdasnya
degan deiasi kurnag dari 5%
II. Periode
Kedua (Awal Sains 1550 M – 1800 M)
a. Galileo
(1564 M – 1642 M)
Aristoteles
mengajarkan, benda yang lebih berat jatuh lebih cepat ketimbang benda yang
lebih enteng, dan generasi-generasi kaum cerdik pintar menelan pendapat ini.
Tetapi, Galileo mencoba memutuskan benar tidaknya, dan lewat senrentetan
eksperimen dia menyimpulkan bahwa Aristoteles keliru. Yang benar adalah, baik
benda berat maupun enteng jatuh pada kecepatan yang sama kecuali sampai batas
berkurang kecepatannya akibat pergeseran udara. Galileo melakukan eksperimen
ini dimenara Pisa. Pada satu sisi benda ringan akan menghambat benda berat dan
benda berat akan mempercecpat benda ringan, dan karena itu kombinasi tersebut
akan bergerak pada suatu laju pertengahan. Di lain pihak benda-benda yang
dipadu bahkan akan membentuk benda yang lebih berat yang karena itu harus
bergerak lebih cepat daripada yang pertama atau salah satunya. Mengetahui hal
ini, Galileo mengambil langkah-langkah lebih lanjut. Dengan hati-hati dia
mengukur jarak jatuhnya benda pada saat yang ditentukan dan mendapat bukti
bahwa jarak yang dilalui oleh benda yang jatuh berbanding seimbang dengan
jumlah detik kwadrat jatuhnya benda. Penemuan ini (yang berarti penyeragaman
kecepatan) memiliki arti penting tersendiri. Bahkan lebih penting lagi Galileo
berkemampuan menghimpun hasil penemuannya dengan formula matematik.
Sumbangan
besar Galileo lainnya adalah mengenai kelembaman (inersia). Seblumnya, orang
percaya bahwa benda bergerak dengan sendirinya cenderung menjadi makin pelan
dan sepenuhnya berhenti kalau saja tidak ada tenaga yang menambah kekuatan agar
terus bergerak. Tetapi percobaan-percobaan Galileo membuktikan bahwa anggapan
itu keliru. Bilamana kekuatan melambat seperti misalnya pergeseran, dapat
dihilangkan, benda bergerak cenderung tetap bergerak tanpa batas. Anaisis
Galileo mencapai resolusi akhir masalah gerak peluru. Galileo menganggap bahwa
sebuah benda yang menggelinding ke bawah pada suatu bidang miring adalah
dipercepat seragam yaitu kecepatan bertambah dengan besar yang sama dalam tiap
interval waktu yang kecil. Dia kemudian menunjukkan bahwa asumsi ini dapat
diuji dengan mengukur jarak yang dilalui dari pada mencoba mengukur kecepatan
secara langsung.
b. Descartes
(1596 M – 1661 M)
Descartes
telah memunculka hukum Gerak Descartes berdasarkan pada perhitungan simetris
dan suatu gagasan bahwa sesuatu harus ditinjau dari proses tumbukan. Sayangnya,
gagasan Descartes memiliki kekurangan seperti gagasan Aristoteles yaitu masalah
diskontinuitas. Descartes menerima prinsil Galileo bahwa benda-benda cenderung
untuk bergerak dalam garis lurus, dia beranggapan bahwa tidak pernah ada
sembarang ruang kosong ke dalam dimana sebuah benda dapat bergerak. Maka
konsekuensinya adalah satu-satunya gerak yang mungkin adalah rotasi dari suatu
kumpulan partikel.
Pengaruh
besar lain dari konsepsi Descartes adalah tentang fisik alam semesta. Dia
yakin, seluruh alam kecuali Tuhan dan jiwa manusia bekerja secara mekanis dan
karena itu semua peristwa alami dapat dijelaskan secara dan dari sebab-musabab
mekanis. Atas dasra ini, dia menolak anggapan-anggapan astrologi, magis, dan
lain-lain ketahayulan. Berarti dia pun menolak semua penjelasan kejadian secara
teologis. Dari pandangan Descartes, semua makhluk hidup pada hakekatnya
merupakan mesin ruwet dan tubuh manusia pun tunduk pada hukum mekanis biasa.
Pendapat ni sejak saat itu menjadi salah satu ide fundamental bagi fisiologi
modern. Descartes menyukai suatu alam dengan suatu mekanisme mesin jam yang
besar sekali, yaitu alam yang mekanistik yang diciptakan oleh Tuhan dengan
suatu pasokan materi dan gerak yang tetap. Agar mesin dunia tidak “berhenti
akhirnya”, dia berasumsi bahwa kapanpun dua partikel bertumbukan, daya dorong
atau momentum total mereka harus tetap tak berubah. Descartes mendefenisikan
momentum sebagai perkalian massa dan kecepatan, mv. Ini tidak epenuhnya benar,
kecuali kecepatan diperlakukan sebagai sebuah vektor yaitu suatu besaran yang
memiilki arah tertentu di dalam ruang sehingga kecepatan-kecepatan yang sama
dalam arah berlawanan akan saling menghilangkan.
c. Torricelli
(1608 M – 1647 M)
Pada tahun
1643, Toricelli membuat eksperimen sederhana yang dinamakan Toricelli
Experiment yaitu ia menggunakan sebuah tabung kaca kuat dengan panjang
kira-kira 1 m dan salah satu ujungnya tertutup. Dengan menggunakan sarung
menghadap ke atas. Dengan menggunakan corong, ia menuangkan raksa dari botol ke
dalam tabung sampai penuh. Kemudian ia menutup ujung terbuka tabung dengan
jempolnya dan segera membaliknya. Dengan cepat ia melepaskan jempolnya dari
ujung tabung dan menaruh tabung vertikal dalam sebuah bejana berisi raksa. Ia
mengamati permukaan raksa dalam tabung dan berhenti ketika tinggi kolom raksa
dalam tabung 76 cm di atas permukaan raksa dalam bejana. Ruang vakum
terperangkap di atas kolam raksa.
d. Otto von
Guericke (1602 M – 1686 M)
Pada 1650,
Guecirke menemukan pompa udara. Geuricke menerapkan barometer ke ramalan cuaca
untuk meteorologi. Kemudian bidang kajiannya dipusatkan pada listrik, tetapi
sangat sedikit hasilnya. Ia menemukan generator elektrostatik yang pertama
“Elektrisiermaschine”.
e. Blaise
Pascal (1623 M – 1662 M)
Dalam bidang
fisika, khususnya mekanika, Pascal melakukan percobaan dengan cara mengukur
beda tinggi barometer di dasar dan di puncak gunung. Dari
keterangan-keterangannya itu dia mengemukakan prinsip hidrostatik yang kita
kenal dengan Hukum Pascal, yaitu “Jika suatu zat cair dikenakan tekanan, maka
tekanan itu akan merambat ke segala arah sama besar dengan tidak bertambah atau
berkurang ekuatannya”.
f. Isaac Newton
(1642 M – 1727 M)
Penemuan-penemuan
Newton yang terpenting adalah di bidang mekanika, pengetahuan sekitar
bergeraknya susuatu benda didasarkan pada tiga hukum fundamental. Hukum pertama
adalah hukum inersia Galileo. Galileo melukiskan gerak sesuatu objek apabila
tidak dipengaruhi oleh kekuatan luar. Tentu saja pada dasarnya semua objek
dipengaruhi oleh kekuatan luar dan persoalan yang paling penting adalah
bagaimana objek bergerak dalam keadaan itu. Masalah ini dipecahkan oleh Newton
dalam hukum geraknya yang kedua dan termasyhur dan dapat dianggap sebagai hukum
fisika klasik yang paling utama. Hukum kedua menetapkan bahwa percepatan objek
adalah sama dengan gaya netto dibagi massa benda (a=F/m). Hukum kedua Newton
memiliki bentuk sama seperti hukum dinamika Aristoteles (v=kF/R), dengan dua
perbedaan penting, yang satuadalah bahwa gaya menghasilkan percepatan dari pada
kecepatan sehingga dalam ketidakhadiran gaya kecepatan tetap konstan, perbedaan
yang lain adalah bahwa hambatan terhadap gerak disebabkan oleh massa benda itu
sendiri terhadap medium di mana ia bergerak. Terhadap kedua hukum itu Newton
menambah hukum ketiganya yang termasyur tentang gerak (menegaskan bahwa pada
tiap aksi terdapat reaksi yang sama dengan yang bertentangan) serta yang paling
termasyur penemuannya tentang kaidah ilmiah hukum gaya berat universal.
Newton juga
membedakan antara massa dan berat. Massa adalah sifat intrinsik suatu benda
yang mengukur resistansinya terhadap percepatan, sedangkan berat adalah
sesungguhnya suatu gaya, yaitu gaya berat yang bekerja pada sebuah benda. Jadi
berat W sebuah benda adalah W=mag, dimana ag adalah
percepatan gravitasi.Keempat perangkat hukum ini , jika digabungkan akan
membentuk suatu kesatuan sistem yang berlaku buat seluruh makro sistem
mekanika, mulai dari ayunan pendulum hingga gerak planet-planet dalam orbitnya
menglilingi matahari. Newton tidak Cuma menetapkan hukum-hukum mekanika, tetapi
juga menggunakan alat kalkulus matematik dan menunjukkan bahwa rmus-rumus
fundamental ini dapat dipergunkakan bagi pemecahan masalah fisika.
Diantara
banyak prestasi Newton, penemuan terbesarnya ialah “Hukum Gravitasi”. Pada
penemuan ini, Newton menggunakan dengan baik penemuan penting sebelumnya
tentang pergerakan angkasa yang dibuat oleh Kepler dan lainnya. Gerak sebuah
planet mengelilingi matahari adalah suatu kombinasi gerak garis lurus yang ia
harus miliki jika tak ada gaya yang bekerja kepadanya dan percepatannya karena
gaya gravitasi matahari.
III. Periode
Ketiga ( (Fisika Klasik 1800 M – 1890 (1900) M)
a. Daniel
Bernoulli (1700 M – 1780 M)
Prinsip
Bernoulli adalah sebuah istilah dalam mekanika fluida yang menyatakan bahwa
pada suatu aliran fluida peningkatan pada kecepatan fluida akan menimbulkan
penurunan tekanan pada aliran tersebut. Prinsip ini merupakan penyederhanaan
dari Persamaan Bernoulli yang menyatakan bahwa jumlah energi pada suatu titik
di dalam suatu aliran tertutup sama besarnya dengan jumlah energi di titik lain
pada jalur aliran yang sama.
b. Leonard
Euler (1707 M – 1783 M)
Euler khusus
ahli mendemonstrasikan bagaimana hukum-hukum umum mekanika yang telah
dirumuskan oleh Isaac Newton, dapat digunakan dalam jenis situasi fisika
tertentu yang terjadi berulang kali. Misalnya, dengan menggunakan hukum Newton
dalam hal gerak cairan, Euler sanggup mengembangkan persamaan hidrodinamika.
Juga melalui analisa yang cermat tentang kemungkinan gerak dari barang yang
kekar dan dengan penggunaan prinsip-prinsip Newton. Euler berkemampuan
mengembangkan sejumlah pendapat yan sepenuhnya menentukan gerak dari
barang kekar. Dalam praktek tentu saja objek benda tidak selamanya mesti kekar,
karena itu Euler juga membuat sumbangan penting tentang teori elastisitas yang
menjabarkan bagaimana benda padat dapat berubah bentuk lewat penggunaan tenaga
luar.
Pengetahuan
modern dan teknologi akan jauh tertinggal tanpa adanya formula Euler,
rumus-rumusnya dan metodenya.
c. Hamilton
Jika
ditinjau gerak partikel yang terkendala pada suatu permukaan bidang, maka
diperlukan adanya gaya tertentu yakni gaya konstrain yang berperan
mempertahankan kontak antara partikel dengan permukaan bidang. Namun tak
selamanya gaya konstrain yang bereaksi terhadap partikel dapat diketahui.
Pendekatan Newtonian memerlukan informasi gaya total yang bereaksi pada
partikel.Gaya total ini merupakan keseluruhan gaya yang bereaksi pada partikel
termasuk gaya konstrain.Oleh karena itu, jika dalam kondisi khusus terdapat
gaya yang tak dapat diketahui, maka pendekatan Newtonian tidak berlaku,
sehingga diperlukan pendekatan baru dengan meninjau kuantitas fisis lain yang
merupakan karakteristik partikel, misalnya energi totalnya. Pendekatan ini
dilakukan dengan menggunakan Prinsip Hamilton. Prinsip Hamilton mengakatan dari
seluruh lintasan yang mungkin bagi sistem dinamis untuk berpindah dari satu
titik ke titik lain dalam interval waktu spesifik (konsisten dengan sembarang
konstrain), lintasan nyata yang diikuti sistem dinamis adalah lintasan yang
meminimumkan integral waktu selisih antara energi kinetik dengan energi
potensial.
d. Joseph-Louis
Lagrange (1736 M – 1813 M)
Persamaan
gerak partikel yang dinyatakan oleh persamaan Lagrange dapat diperoleh dengan
meninjau energi kinetik dan energi potential partikel tanpa perlu meninjau gaya
yang bereaksi pada partikel. Energi kinetik partikel dalam koordinat kartesian
adalah fungsi dari percepatan, energi potensial partikel yang bergerak dalam
medan gaya konservatif adalah fungsi dari posisi. Persamaan Lagrange merupakan
persamaan gerak partikel sebagai fungsi dari koordinat umum, dan mungkin waktu
berpengaruh dalam persamaan ini karena Persamaan transformasi yang
menghubungkan dengan koordinat kartesian dan koordinat umum mengandung fungsi
waktu. Pada dasarnya persamaan Lagrange ekuivalen dengan persamaan gerak Newton
jika koordinat yang digunakan adalah koordinat kartesian.
B. Perkembangan Mekanika Modern
1. Mekanika Kuantum
1) Pada tahun
1900, Max Planck memperkenalkan ide bahwa energi dapat dibagi-bagi menjadi
beberapa paket atau kuanta. Ide ini secara khusus digunakan untuk menjelaskan
sebaran intensitas radiasi yang dipancarkan oleh bendah hitam
2) Pada tahun
1905, Albert Einstein menjelaskan efek fotoelektrik dengan menyimpulkan bahwa
energi cahaya datang dalam bentuk kuanta yang disebut foton.
3) Pada tahun
1913, Niels Bohr menjelaskan garis spektrum dari atom hidrogen dengan
penggunaan kuantisasi.
4) Pada tahun
1924, Louis de Broglie memberikan teorinya tentang gelombang benda.
Teori-teori
di atas, meskipun sukses, tetapi sangat fenomenologikal. Tidak ada penjelaskan
jelas untuk kuantisasi. Mereka dikenal teori kuantum lama.
5) Mekanika
kuantum modern lahir pada tahun 1925, ketika Werner Karl Heisenberg
mengembangkan mekanika matriks dan Erwin Schrodinger menemukan mekanika
gelombang dan persamaan Schrodinger. Schrodinger beberapa kali menunjukkan
bahwa kedua pendekatan tersebut sama. Pada tahun 1927, Heinseberg merumuskan
prinsip ketidakpastiannya dan interpretasi Kopenhagen terbentuk dalam waktu
yang hampir bersamaan.
6) Tahun 1927,
Paul Dirac menggabungkan mekanika kuantum dengan relativitas khusus. Dia juga
menggunakan teori operator, termasuk nota bra-ket yang berpengaruh.
7) Pada tahun
1932, Neumann Janos merumuskan dasar matematika yang kuat untuk mekanika
kuantum sebagai teori operator.
8) Bidang kimia
kuantum dibuka oleh Walter Heitler dan Fritz London yang mempublikasikan
penelitian ikatan kovalen dari molekul hidrogen pada tahun 1927. Kimia kuantum
beberapa kali dikembangkan oleh pekerja dalam jumlah besar, termasuk kimiawan
Amerika, Linus Pauling.
9) Berawal pada
1927, percobaan dimulai untuk menggunakan mekanika kuantum ke dalam bidang di
luar partikel satuan yang menghasilkan teori medan kuantum. Pekerja awal dalam
bidang ini termasuk Dirac, Wolfgang Pauli, Victor Weisskopf dan Pascaul Jordan.
Bidang riset area ini dikembangkan dalam formulasi elektrodinamika kuantum oleh
Richard Feynman, Freeman Dyson, Julian Schwinger dan Tomonaga pada tahun
1940-an. Elektrodinamika kuantum adalah teori kuantum elektron, proton dan
medan elektromagnetik dan berlaku sebagai contoh untuk teori kuantum
berikutnya.
10) Teori
Kromodinamika Kuantum diformulasikan pada awan 1960an. Teori yang kita kenal
sekarang ini diformulasikan oleh Polizter, Gross dan Wilzcek pada tahun 1975.
Pengembangan awal oleh Schwinger, Peter Higgs, Goldstone dan lain-lain..Sheldon
Lee Glashow, Steven Wienberg, dan Abdus Salam menunjukkan secara independen
bagaimana gaya nuklir lemah dan elektrodinamika kuantum dapat digabungkan
menjadi satu gaya lemah elektro.
2. Relativitas Umum
Relativitas
umum diperkenalkan oleh Albert Einstein pada tahun 1916. Teori ini merupakan
penjelasan gravitasi termutakhir dalam fisika modern. Ia menyatukan teori
Einstein sebelumnya dengan hukum gravitasi Newton.
Terima kasih infonya, artikel menarik lainnya silahkan klik di http://elearning.gunadarma.ac.id/docmodul/index-fisika.htm
BalasHapus