ESAI SMA : Menjelaskan Fenomena Perubahan Panjang, Waktu dan Massa Dikaitkan Dengan Kerangka Acuan dan Kesetaraan Massa Dengan Energi Dalam Teori Relativitas Khusus

i.          Awal mula teori relativitas

Pada tahun 1690 seorang ilmuwan yang bernama Christian Huygens mengemukakan sebuah teori yang berbunyi bahwa cahaya merupakan sebuah gelombang yang merambat dan mengenalkan sebuah zat hipotetik yang disebut eter.

Lalu pada tahun 1801, Thomas Young menemukan peristiwa interferensi pada cahaya. Peristiwa ini pertanda bahwa teori gelombang diperlukan untuk menjelaskan hakikat cahaya. Usulan Young diperkuat oleh James Clark Maxwell yang menyatakan bahwa cahaya merupakan bagian dari gelombang magnetik. Saat itu, Maxwell masih yakin bahwa gelombang elektromagnetik membutuhkan medium khusus untuk dapat merambat dan ia menamakan medium tersebut sebagai eter bercahaya.

A.   Teori Relativitas Newton (fisika klasik)

Sebuah benda akan dikatakan bergerak jika posisi benda itu mengalami perubahan terhadap suatu titik yang dianggap sebagai acuan atau disebut juga kerangka acuan. Benda dikatakan diam apabila posisi benda itu terhadap kerangka acuannya tidak berubah.    

Untuk membahas tentang relativitas, misalnya Anda diatas truk yang sedang bergerak dengan kelajuan 50 km/jam terhadap orang yang diam dipinggir jalan. seseorang tersebut kemudian berjalan ditruk dengan 5 km/jam searah dengan gerak kereta. orang yang diam didalam truk mengatakan bahwa kelajuan Anda adalah  5 km/jam, tetapi orang yang diam dipinggir jalan mengatakan bahwa kelajuan Anda 55km/jam. Kedua-duanya benar sebab keduanya memandang gerak Anda sesuai dengan kerangka acuannya, dengan kata lain gerak itu relatif.

Dengan rumus V_t + V_at = V_oj

B.   Pecobaan Michelson dan Morley

     Pada tahun 1887 Michelson dan Morley mengadakan percobaan-percobaan yang sangat cermat, percobaan tersebut dirancang untuk mengukur kecepatan eter menggunakan interferometer. Michelson dan Morley  mengamati pola interferesi yang ada, jika eter tersebut ada maka akan terjadi pergeseran pola interferensi. Sehingga anggapan pergerakan bumi terhadap eter itu tidak benar.  Dimana eter pada fisika klasik yang diyakini sebagai medium perambatan cahaya. Dari percobaan tersebut didapatkan kesimpulan sebagai berikut

1.    Eter tidak ada

2.    Cahaya merambat tampa memerlukan medium

3.    Kecepatan cahaya sama besar ke dalam segala arah dan tidak tergantung dari
     kerangka acuan pengamat

Percobaan ini juga telah disebut sebagai titik tolak untuk aspek teoritis revolusi ilmiah kedua. Michelson dianugerahi hadiah nobel Fisika tahun 1907 terutama utuk melaksanakan percobaan ini.

C.   Postulat Einstein

Permasalahan yang dimunculkan percobaan Michelson-Morley ini ternyata baru berhasil terpecahkan dengan teori relativitas khusus yang menjadi landasan bagi konsep-konsep baru tentang ruang dan waktu. Teori ini didasarkan pada dua postulat yang diajukan oleh Einstein yaitu:

o   Postulat 1

“Hukum-hukum fisika memiliki bentuk yang sama pada semua kerangka acuan inersial”

Postulat ini menepis adanya acuan universal dan sesungguhnya hukum listrik dan magnet berlaku untuk semua kerangka acuan.

o   Postulat 2

“Cahaya. merambat melalui ruang hampa dengan cepat rambat dan kelajuan cahaya tak bergantung pada kelajuan sumber cahaya maupun kelajuan pengamatnya”

Postulat ini tidak langsung menentang adanya eter. Apabila ada eter maka kecepatan cahaya tidak akan selalu sama dengan c=3.10⁸ m/s.

1.      Kecepatan relatif

Jika ada sebuah pesawat (acuan O’) yang bergerak dengan kecepatan v terhadap bumi (acuan O) dan pesawat melepaskan bom (benda) dengan kecepatan tertentu maka kecepatan bom tidaklah sama menurut orang di bumi dengan orang di pesawat.

 Kecepatan relatif itu memenuhi persamaan berikut. dengan :

v_x  =     kecepatan benda relatif terhadap pengamat diam (m/s)
v_x’ =     kecepatan benda relatif terhadap pengamat bergerak (m/s)
v   =     kecepatan pengamat bergerak (O’) relatif terhadap pengamat diam (O)
c   =     kecepatan cahaya

(a)   Soal kecepatan relativistik

Seorang pengamat di stasiun ruang angkasa mengamati adanya dua pesawat antariksa A dan B yang datang menuju stasiun tersebut dari arah yang berlawanan dengan laju vA = vB = ¾ c (c adalah cepat rambat cahaya). Kelajuan pesawat A menurut pilot pesawat B adalah…

A. 9/16 c

B. 8/9 c

C. 24/25 c

D. 4/3 c

E. 3/2 c

2.      Konstransi Panjang

Kontransi panjang adalah penyusutan panjang suatu benda menurut pengamat yang bergerak. Penyusutan ini memenuhi persamaan berikut.

dengan :

L = panjang benda menurut pengamat yang bergerak relatif terhadap benda
L₀ = panjang benda menurut pengamat yang diam relatif terhadap benda

(b)   Kontraksi Panjang

Panjang benda diukur pengamat yang diam = 12 m. Berapakah panjang benda itu bila diukur oleh pengamat yang bergerak dengan kecepatan 0,8 c (c = kecepatan cahaya) relatif terhadap benda?

A. 12,6 m

B. 12,2 m

C. 9,6 m

D. 7,2 m

E. 6,0 m

3.      Dilatasi Waktu

Dilatasi waktu adalah peristiwa pengembungan waktu menurut pengamat yang bergerak. Hubungannya memenuhi persamaan berikut.

dengan :

Δt = selang waktu menurut pengamat yang bergerak terhadap kejadian
Δt₀ = selang waktu menurut pengamat yang diam terhadap kejadian

(c)    Pembahasan soal dilatasi waktu

Suatu peristiwa terjadi selama 3 sekon menurut pengamat yang bergerak menjauhi peristiwa itu dengan kecepatan 0,8 c (c = kecepatan cahaya). Menurut pengamat yang diam, peristiwa tersebut terjadi selama selang waktu…

A. 5,0 s                        E. 1,2 s

B. 4,8 s

C. 3,0 s

D. 1,8 s

4.      Massa dan energi relatif

Perubahan besaran oleh pengamat diam dan bergerak juga terjadi pada massa benda dan energinya.

Dan energi benda diam dan bergerak memiliki hubungan sebagai berikut.

₁₎      Energi total : E = mc²

₂₎      Energi diam : E₀ = m₀ c² 

₃₎      Energi kinetik : E_k = E – E₀

(d)   Contoh soal massa relativ

Massa diam sebuah partikel = m0. Massa partikel tersebut saat bergerak dengan kecepatan 0,8 c akan bertambah menjadi…

A.1,25 m0

B.1,42 m0

C.1,52 m0

D.1,67 m0

E.1,92 m0

5.      Paradoks Kembar

Kejadian yang menarik dari pemuluran waktu adalah adanya paradoks kembar. Sebagai contoh, ada sepasang anak kembar yang bernama A dan B. Pada saat umur mereka menginjak 25 tahun, Si A pergi ke planet Y dengan pesawat yang memiliki kecepatan mendekati kecepatan cahaya. Saat si A kembali kebumi, ternyata si B telah berusia 60 tahun tetapi si A hanya bertambah 10 tahun saja. Hal ini dikarenakan terjadinya perlambatan proses biologi didalam tubuh si A.

 D.  KESIMPULAN

1.      Pada kecepatan relativ,  jika kecepatan benda relatif terhadap pengamat bergerak 
lebih besar daripada kecepatan pengamat bergerak relatif terhadap pengamat diam maka kecepatan relativ terhadap acuan diam akan semakin kecil dan sebaliknya.

2.      Pada panjang relativ, jika panjang mula mula suatu penda terhadap acuan diam semakin panjang dan juga seper gamma semakin besar maka panjang relativ akan semakin panjang dan sebaliknya.

3.      Pada dilatasi waktu, jika selang waktu menurut pengamat yang diam terhadap kejadian semakin lama dan gamma semakin kecil maka pemuluran waktu akan semakin lama.

4.      Pada massa relativ, jika massa suatu benda terhadap acuan diam semakin besar dan juga gamma semakin kecil maka massa relativ benda tersebut akan semakin besar.

Daftar pustaka :

1.      Pujianto. 2016. Fisika. Klaten: Intan Pariwara

2.      www.johanakhmadin.web.id

3.      yang-tau.blogspot.co.id

PLEASE SUBS MY CHANELS

MAHASISWA PKN STAN

https://www.youtube.com/channel/UCS-Kcb_syExA8ZSDh2akzNw?view_as=subscriber