Pengukuran (versi1)

1. APAKAH ITU PENGUKURAN ?

Dahulu orang sering menggunakan anggota tubuh sebagai satuan pengukuran, misalnya jari, hasta, kaki, jengkal, dan depa. Namun satuan-satuan tersebut menyulitkan dalam komunikasi, karena nilainya berbeda-beda untuk setiap orang. Satuan semacam ini disebut satuan tidak baku. Untuk kebutuhan komunikasi, apalagi untuk kepentingan ilmiah, pengukuran harus menggunakan satuan baku, yaitu satuan pengukuran yang nilainya tetap dan disepakati secara internasional, misalnya meter, liter, dan kilogram.

Sebelum adanya standar internasional, hampir setiap negara menetapkan sistem satuannya sendiri. Sebagai contoh, satuan panjang di negeri kita dikenal hasta dan jengkal, di Inggris dikenal inci dan kaki (feet), dan di Perancis adalah meter. Penggunaan bermacam-macam satuan untuk suatu besaran ini menimbulkan kesukaran. Kesukaran pertama adalah diperlukannya bermacam-macam alat ukur yang sesuai dengan satuan yang digunakan. Kesukaran kedua adalah kerumitan konversi dari satu satuan ke satuan lainnya, misalnya dari jengkal ke kaki. Ini disebabkan tidak adanya keteraturan yang mengatur konversi satuan-satuan tersebut. Akibat kesukaran yang ditimbulkan oleh penggunaan sistem satuan yang berbeda maka muncul gagasan untuk menggunakan hanya satu jenis satuan saja untuk besaran-besaran dalam ilmu pengetahuan alam dan teknologi. Suatu perjanjian internasional telah menetapkan satuan sistem internasional (International System of Units) disingkat satuan SI. Satuan SI ini diambil dari sistem metrik yang telah digunakan di Perancis.

            Untuk mencapai suatu tujuan tertentu di dalam fisika, kita biasanya melakukan pengamatan yang disertai dengan pengukuran. Pengamatan suatu gejala secara umum tidaklah lengkap apabila tidak disertai data kuantitatif yang didapat dari hasil pengukuran. Lord Kelvin, seorang ahli fisika berkata, bila kita dapat mengukur apa yang sedang kita bicarakan dan menyatakannya dengan angka-angka, berarti kita mengetahui apa yang sedang kita bicarakan itu. Apa yang anda lakukan sewaktu melakukan pengukuran? Misalnya mengukur panjang meja belajar anda dengan menggunakan jengkal, dan mendapatkan bahwa panjang meja adalah 6 jengkal. Jadi, mengukur adalah membandingkan sesuatu yang diukur dengan sesuatu lain yang sejenis yang ditetapkan sebagai satuan. Dalam pengukuran di atas anda telah mengambil jengkal sebagai satuan panjang. Sesuatu yang dapat diukur dan dinyatakan dengan angka disebut besaran. Contoh besaran adalah panjang, massa, dan waktu. Besaran pada umumnya memiliki satuan. Panjang memiliki satuan meter, massa memiliki satuan kilogram, dan waktu memiliki satuan sekon.

            Hasil pengukuran selalu mengandung dua hal, yakni: kuantitas atau nilai dan satuan. Sesuatu yang memiliki kuantitas dan satuan tersebut dinamakan besaran. Berbagai besaran yang kuantitasnya dapat diukur, baik secara langsung maupun tak langsung, disebut besaran fisis, misalnya panjang dan waktu. Tetapi banyak juga besaran-besaran yang dikategorikan non-fisis, karena kuantitasnya belum dapat diukur, misalnya cinta, bau, dan rasa.

            Besaran fisis dapat dikelompokan menjadi dua, yaitu besaran pokok dan besaran turunan. Besaran pokok adalah besaran yang satuannya telah ditetapkan terlebih dahulu. Sedangkan besaran turunan adalah besaran yang satuannya ditetapkan berdasarkan satuan-satuan besaran pokok. Misalnya, luas volume diturunkan dari besaran panjang karena satuan luas dan volume menyangkut satuan panjang.

2.      BESARAN POKOK DAN BESARAN TURUNAN

               Besaran fisis dibedakan menjadi dua, yakni besaran pokok dan besaran turunan. Besaran pokok adalah besaran yang satuannya didefinisikan sendiri berdasarkan hasil konferensi internasional mengenai berat dan ukuran. Berdasar Konferensi Umum mengenai Berat dan Ukuran ke-14 tahun 1971, besaran pokok ada tujuh, yaitu panjang, massa, waktu, kuat arus listrik, temperatur, jumlah zat, dan intensitas cahaya.  

               Dalam mempelajari mekanika besaran pokok yang digunakan ada tiga yakni : panjang, massa, dan waktu, hasil-hasil pengukuran lainnya disebut besaran turunan, contohnya besaran yang cukup kita kenal seperti luas yaitu merupakan perkalian antara besaran panjang dengan besaran panjang. Besaran turunan lainnya seperti kecepatan diperoleh dari membagi besaran panjang dengan besaran waktu. Kerapatan atau massa jenis diperoleh dengan cara membagi besaran massa dengan pangkat tiga besaran panjang.  Sedangkan besaran-besaran lain yang diturunkan dari besaran pokok, misalnya: volume, massa jenis, kecepatan, gaya, usaha dan masih banyak lagi disebut besaran turunan. Besaran-besaran tersebut sering kita temui dalam kehidupan sehari-hari. dalam mempelajari IPA dikenalkan besaran pokok untuk mengetahui banyaknya kandungan zat-zat, yaitu besaran pokok jumlah zat.

3. SATUAN PENGUKURAN

Dalam kehidupan sehari-hari mungkin anda menemui satuan-satuan berikut: membeli air dalam galon, minyak dalam liter, dan diameter pipa dalam inchi. Satuan-satuan di atas merupakan beberapa contoh satuan dalam sistem Inggris (British). Selain satuan-satuan di atas masih ada beberapa satuan lagi dalam sistem Inggris, antara lain ons, feet, yard, slug, dan pound. Setelah abad ke-17, sekelompok ilmuwan menggunakan sistem ukuran yang mula-mula dikenal dengan nama sistem Metrik. Pada tahun 1960, sistem Metrik dipergunakan dan diresmikan sebagai Sistem Internasional (SI). Penamaan ini berasal dari bahasa Perancis Le Systeme Internationale d’Unites. Sistem Metrik diusulkan menjadi SI, karena satuan-satuan dalam sistem ini dihubungkan dengan bilangan pokok 10 sehingga lebih memudahkan penggunaannya.

            Satuan baku pengukuran adalah suatu satuan yang digunakan sebagai pembanding hasil pengukuran lainnya. Berdasarkan kesepakatan para ahli, beberapa satuan baku pengukuran dikumpulkan dalam suatu sistem. Salah satu sistem pengukuran yang sangat terkenal adalah Sistem Internasional atau SI yang juga sering disebut sistem metrik.          

Tabel 1. Besaran Pokok Beserta Satuannya

Besaran	Satuan	Simbol
Panjang Massa Waktu Suhu Kuat arus Intensitas cahaya Jumlah zat	meter kilogram detik/sekon kelvin ampere candela mole	m kg s K A Cd mol

Tabel 2. Beberapa besaran turunan berserta dimensi dan satuannya

SI juga tetap mengakui satuan – satuan diluar satuan dasar karena satuan-satuan itu masih dipergunakan secara luas. SI merupakan sistem yang mudah dipakai karena sistem itu menyediakan sejumlah awalan yang menyajikan kuantitas yang lebih besar atau lebih kecil dari kuantitas baku. Besaran yang lebih besar merupakan kelipatan dari sepuluh, dan besaran yang lebih kecil merupakan pecahan desimal. Tabel 3, di bawah ini menunjukkan awalan-awalan dalam sistem Metrik yang dipergunakan untuk menyatakan nilai-nilai yang lebih besar atau lebih kecil dari satuan dasar.

Table 3. Nama dan simbol untuk awalan SI

Awalan	Simbol	Faktor/Kelipatan	Awalan	Simbol	Faktor/Kelipatan
eksa peta tera giga mega kilo hekto deka	E P T G M k    h da	1018 1015 1012   , satu triliyun 109    , satu miliar 106    , satu juta 103    , seribu 102    , seratus 101    , sepuluh	desi centi mili mikro nano piko femto atto	d c m µ n p f a	10-1   , satu per sepuluh 10-2   , satu per seratus 10-3   , satu per seribu 10-6   , satu per sejuta 10-9   , satu per semiliar 10-12  , satu per setriliun 10-15 10-18

Panjang

Panjang menyatakan jarak antara dua titik, misalnya panjang mistar adalah jarak antara suatu titik di salah satu ujung mistar dengan titik di ujung mistar yang lain. Satuan panjang dalam SI adalah meter. Pada awalnya Standar panjang internasional yang pertama adalah sebuah batang yang terbuat dari campuran platina-iridium, yang kita sebut meter standar. Meter standar ini disimpan di The International Bureau of Weights and Measures, Sevres, dekat paris. Satu meter didefinisikan sebagai jarak antara dua goresan pada meter standar (Gambar 1) sehingga jarak dari kutub utara ke khatulistiwa melalui Paris adalah 10 juta meter (Gambar 2).

Meter standar sulit untuk dibuat ulang, karena itu dibuatkan turunanturunannya dengan proses yang sangat teliti, dan disebarkan ke berbagai laboratorium standar di berbagai negara. Standar sekunder inilah yang digunakan untuk mengkalibrasi berbagai alat ukur lain. Ada beberapa kendala dalam penggunaan meter standar ini sebagai standar primer untuk panjang. Pertama, meter standar mudah rusak (misalnya oleh kebakaran) dan jika rusak, batang ini sukar dibuat ulang. Kedua, ketelitian pengukuran tidak lagi memadai untuk ilmu pengetahuan dan teknologi modern. Sebagai bukti adalah diperlukannya koreksi-koreksi perhitungan dalam perjalanan misi ruang angkasa.

Untuk mengatasi kendala tersebut, pada pertemuan ke-11 Konferensi Umum Mengenai Berat dan Ukuran tahun 1960, ditetapkan suatu standar atomik untuk panjang. Pilihan jatuh kepada gelombang cahaya yang dipancarkan oleh gas Krypton-86 (simbol Kr⁸⁶) di antara tingkat 2p₁₀ dan 5d₅ . Satu meter didefinisikan sama dengan 1650 763, 73 kali panjang gelombang sinar jingga yang dipancarkan oleh atom-atom gas Krypton-86 (Kr⁸⁶) di dalam ruang hampa pada suatu loncatan listrik.

Pada bulan Nopember 1983, definisi standar meter diubah lagi. Satu meter adalah jarak yang ditempuh cahaya (dalam vakum) pada selang waktu 1/458 792 299 sekon Perubahan ini dilakukan berdasarkan nilai kecepatan cahaya yang dianggap selalu konstan 299 792 458 m/s.

Alat-lat ukur panjang yang kita kenal adalah suatu benda yang dapat digunakan sebagai alat ukur seperti meteran, penggaris, jangka sorong, mikrometer sekrup.Untuk keperluan sehari-hari, telah dibuat alat-alat pengukur panjang, seperti terlihat pada gambar 3.

Gambar 3. Mistar dan jangka sorong, sebagai alat pengukur besaran panjang

Selain meter, panjang juga dapat dinyatakan dalam satuan-satuan yang lebih besar atau lebih kecil dari meter dengan cara menambahkan awalan-awalan seperti tercantum dalam Tabel-1. Berdasar tabel tersebut 1 kilometer (km) = 1000 meter (m), 1 sentimeter (cm) = 1/100 meter (m) atau 0,01 m dan sebaliknya, diperoleh: 1 m = 1/1.000 km = 0,001 km 1 m = 100 cm = 1.000 mm. Dalam sistem Inggris, panjang sering dinyatakan dalam inchi, feet, atau yard. Konversi satuan-satuan tersebut dengan satuan SI sebagai berikut: 1 meter = 3,281 feet = 39,3 inchi 1 inchi = 2,54 cm.

Jenis-jenis ukuran panjang dapat dibagi beberapa jenis :

·         Untuk mengukur tebal suatu benda yang sangat kecil dan tipis mislnya tebal rambut, tebal kertas, tebal plat, tebal kawat dapat dipakai jangka sorong, micrometer sekrup, dll. Alat-alat tersebut mempunyai ketelitin sampai 0.01 mm.

·         Untuk mengukur benda yang agak tebal misalnya tebal meja, panjang meja, panjang keramik serta benda-benda yang panjangnya sampai berpuluh meter digunakan meteran, meteran gulung.

·         Untuk ukuran yang jauh dapat dipakai meteran yang ada dalam kendaraan atau pesawat.

·         Untuk ukuran yang paling jauh maka dibuat alat ukur dengan satuan cahaya, misalnya untuk mengukur jarak bumi, bulan, matahari.

Pemilihan satuan pengukuran seharusnya sesuai dengan ukuran benda yang diukur. Benda kecil dinyatakan dengan ukuran kecil, benda yang lebih besar juga harus dinyatakan dalam ukuran yang lebih besar, sehingga tidak menyulitkan dalam komunikasi. Misalnya: tebal kertas umumnya dinyatakan dalam milimeter, lebar buku dinyatakan dalam sentimeter, dan jarak antar kota dinyatakan dalam kilometer. Tentu akan merepotkan bila tebal kertas dinyatakan dalam kilometer atau jarak antar kota dinyatakan dalam milimeter.

Massa

Standar internasional untuk massa adalah sebuah silinder platinairidium yang disebut kilogram standar. Kilogram standar ini (Gambar 4) disimpan di Lembaga Berat dan Ukuran Internasional, Sevres, dekat Paris, dan berdasarkan perjanjian internasional disebut memiliki massa satu kilogram. Jadi, satu kilogram adalah massa sebuah kilogram standar yang disimpan di Lembaga Berat dan Ukuran Internasional. Standar sekunder dibuat dan disebarkan ke Lembaga Berat dan Ukuran di berbagai negara. Massa berbagai benda lain dapat ditentukan dengan menggunakan neraca berlengan sama.

    Massa dengan berat dalam ilmu sain tidak sama.       
    Berat adalah besarnya gaya tarik bumi terhadap
    suatu benda. Jadi, berat adalah gaya. Satuan berat
    sama dengan satuan gaya yaitu Newton. , Massa
    tidak dipengaruhi gravitasi, sedangkan berat
    dipengaruhi oleh gravitasi. Seorang astronot ketika    
      Gambar 4. Kilogram           berada di standar bulan beratnya berkurang, karena gravitasi bulan lebih kecil dibanding gravitasi bumi, tetapi massanya tetap sama dengan di bumi. Dalam kehidupan sehari-hari, massa sering dirancukan dengan berat.

Satuan SI untuk massa adalah kilogram (kg), satuan SI untuk berat adalah newton (N). Untuk mengukur berat digunakan neraca pegas atau dynamo meter yang berskala Newton. Sedangkan alat untuk mengukur massa adalah timbangan dacin, timbangan tuas, timbangan digital atau neraca lengan, sebagaimana terlihat pada gambar 2. Neraca lengan dan neraca pegas termasuk jenis neraca mekanik. Sekarang, sudah banyak digunakan jenis neraca lain yang lebih teliti, yaitu neraca elektronik.

Gambar 5. a) neraca lengan, b) neraca pegas

Neraca berlengan menggunakan prinsip luas utuk membandingkan massa yang tidak diketahui dengan massa yang telah diketahui yang diletakan pada lengan lainya. Massa yang diketahui itu biasanya disebut anak timbangan. Massa-massa tersebut dibandingkan dan gaya grafitasi terlibat dalam proses tersebut. Asumsinya adalah karena massa yang diketahui dan massa yang tidak diketahui keduanya berada pada tempat yang sama pada saat lengan neraca setimbang, sehingga pengaruh grafitasi pada keduanya sama besar. Oleh sebab itu, ketiga gaya grafitasi yang bekerja pada benda itu sama maka massa kedua benda itu juga sama.

Selain kilogram (kg), massa benda juga dinyatakan dalam satuan-satuan lain, misalnya: gram (g), miligram (mg), dan ons untuk massa-massa yang kecil; ton (t) dan kuintal (kw) untuk massa yang besar.

1 ton = 10 kw = 1.000 kg

1 kg = 1.000 g = 10 ons

Waktu

Standar internasional untuk satuan waktu adalah sekon (disingkat s) atau detik. Mula-mula satu sekon didasarkan pada rotasi bumi sebagai atau dari rata-rata lama hari matahari. Sekarang ini, satu sekon didefinisikan berkaitan dengan frekuensi cahaya yang dipancarkan oleh atom cesium setelah atom tersebut menyerap energi. Satu sekon didefinisikan sebagai selang waktu yang diperlukan oleh atom cesium-133 untuk melakukan getaran sebanyak 9.192.631.770 kali. Alat ukur waktunya adalah jam atom cesium yang diperkirakan hanya akan membuat kesalahan kira-kira 1 sekon selama 6 000 tahun (Gambar 4b).

A                                                                  B

Gambar 6. (a) Jam air yang digunakan untuk mengukur selang waktu pada abad ke-13

(b) Jam atom cesium modern yang mudah di bawa-bawa.

Alat ukur baku untuk mengukur waktu dalam kehidupan sehari-hari adalah stop watch, jam atau arloji, seperti terlihat di gambar 7.

Gambar 7. Stop watch dan jam tangan sebagai alat pengukur waktu

 Jam atau arloji yang pada akhir-akhir ini banyak yang bekerja secara elektrik ataupun elektronik merupakan salah satu instrument laboratorium baku. Sebuah jam yang sangat akurat bekerja berdasarkan pada getaran elektromagnetik atom-atom tertentu atau sebuah kuarsa yang sangat kecil pada jam digital. Pengukuran interval waktu dapat dilakukan dengan menggunakan jam, misalnya mobil bergerak dari titik a ke titik b dengan jarak 10 m diperlukan waktu 5 detik, maka interval waktu yang diperlukan mobil untuk bergerak dari titik a ke titik b adalah 5 detik.

Untuk peristiwa-peristiwa yang selang terjadinya cukup lama, waktu dinyatakan dalam satuan-satuan yang lebih besar, yaitu: menit, jam atau hari, konversinya adalah sebagai berikut:

1 menit            = 60 sekon (detik)

1 jam               = 60 menit = 3600 sekon (detik)

1 hari               = 24 jam = 1440 menit = 86.400 sekon (detik)

Sedangkan, untuk kejadian-kejadian yang cepat sekali bisa digunakan satuan milisekon (ms) dan mikrosekon (ms).

Alat lain yang biasa digunakan untuk mengukur waktu adalah stop watch. Alat tersebut dijalankan dengan menekan tombol, setelah digunakan jarum dikembalikan ke titik nol. Stop watch sering digunakan dalam kegiatan olah raga, misalny atletik.

Suhu

            Indera manusia dapat merasakan perubahan (panas atau dingin) yang ada di sekitarnya. Pada batas-batas tertentu indera tersebut dapat menentukan keadaan panas atau dinginnya suatu benda, tetapi tidak dapat menyatakan besarnya suhu atau temperatur dengan tepat.

Percobaan yang memungkinkan kita dapat mengukur suhu adalah kenyataan bahwa sebagian besar materi mengembang apabila dipanaskan dan menyusut apabila didinginkan. Secara umum perubahan ukuran karena perubahan suhu merupakan sifat semua materi, apakah materi itu berupa zat padat, cair atau gas. Sifat semacam ini merupakan dasar untuk pembuatan alat ukur suhu pada umumnya termometer alkohol atau air raksa dalam tabung kaca.

            Skala suhu yang disepakati didasarkan pada titik suhu tertentu yang disebut titik tripel air. Pada titik tripel itu terjadi kesetimbangan zat padat, zat cair, dan gas. Suhu sebesar 273,16 K merupakan suhu pada titik tripel itu. Titik beku air adalah 273,15 K yang tepat sama dengan 0º pada skala suhu Celcius.

            Termometer ada beberapa macam berdasarkan perbedaan skala :

o   Termometer skala Celcius

o   Termometer skala Fahrenheit

o   Termometer skala Kelvin

o   Termometer skala Reamur

Jenis termometer berdasarkan kegunaannya :

o   Termometer Deman

o   Termometer Maksimum dan Minimum

o   Termometer Untuk Industri

o   Termometer Optik

Termometer berisi zat cair, biasanya digunakan air raksa atau alkohol untuk termometer yang digunakan mengukur suhu rendah, hal ini disebabkan titik beku alkohol -114⁰C dan titik didihnya 78⁰C. Cara kerja termometer adalah berdasarkan pada pemuaian dan penyusutan zat cair yang dipanaskan atau didinginkan.

Luas dan Volume

Luas dan volume adalah kuantitas yang diturunkan dari besaran panjang. Luas adalah jumlah ruang pada permukaan dua dimensi dan dinyatakan dalam  SI dalam bentuk meter persegi (m²). Volume adalah jumlah ruang dalam daerah tiga dimensi yang dinyatakan dalam (m³) dalam satuan SI.

Luas dapat diukur dengan menempatkan sebuah kisi-kisi yang telah ditandai dalam satuan-satuan bujur sangkar semacam cm² dan memperkirakan jumlah bujur sangkar satuan yang menutupi luasan. Beberapa bentuk atau bangun yang teratur yang dapat dihitung luasnya antara lain : segitiga siku-siku, segi tiga sama sisi, lingkaran, trapesium, bujur sangkar, empat persegi panjang. Jenis ukuran luas adalah : mm², cm², dm², m², dam²,hm², km², are, dalam satuan SI, satuan luas adalah m².

Volume menyatakan besarnya ruangan yang terisi oleh materi. Benda dengan volume lebih besar, dapat menampung materi lebih banyak dibanding benda lain yang volumenya lebih kecil. Volume merupakan besaran turunan, yang disusun oleh besaran pokok panjang. Volume benda padat yang bentuknya teratur, misalnya balok, dapat ditentukan dengan mengukur terlebih dulu panjang, lebar