Modul Fisika: Sifat Bahan dan Alat Ukur

01Tujuan Belajar

Setelah mempelajari modul ini, kamu diharapkan mampu:

Membedakan sifat fisik dan sifat kimia bahan, serta merancang pengamatan sifat fisik secara kualitatif dan kuantitatif.
Menggunakan konsep massa jenis, pemuaian, kalor, elastisitas, dan hambatan jenis untuk menghitung perubahan pada bahan.
Menjelaskan prinsip kerja alat ukur yang memanfaatkan sifat bahan: termometer, bimetal, neraca pegas, hidrometer, strain gauge, termistor.
Memilih bahan yang tepat untuk komponen alat ukur berdasarkan sifat fisiknya.
Menjelaskan tahap rancang bangun alat ukur: kebutuhan, prinsip, bahan, prototipe, kalibrasi, dan pengujian.
Menilai karakter alat ukur: rentang, sensitivitas, resolusi, linearitas, akurasi, dan presisi.

02Konsep Dasar

2.1 Sifat fisik dan sifat kimia

Sifat fisik adalah sifat yang dapat diamati atau diukur tanpa mengubah bahan menjadi zat lain. Sifat kimia baru tampak bila bahan bereaksi dan berubah menjadi zat baru.

Sifat fisik	Contoh yang diukur	Alat umum
Massa jenis	Massa per volume	Neraca, gelas ukur, hidrometer
Titik leleh / titik didih	Suhu perubahan wujud	Termometer
Pemuaian	Perubahan ukuran akibat suhu	Dilatometer, jangka sorong
Kalor jenis, konduktivitas termal	Kemampuan menyimpan dan menghantarkan kalor	Kalorimeter, termometer
Konduktivitas / hambatan listrik	Kemampuan menghantarkan arus	Ohmmeter, voltmeter dan amperemeter
Elastisitas, kekerasan	Respons terhadap gaya	Neraca pegas, uji tarik, uji gores
Sifat optik dan magnetik	Indeks bias, kemagnetan	Refraktometer, sensor magnet
Tegangan permukaan, viskositas	Kemampuan membasahi, kekentalan	Pipa kapiler, viskometer bola

Contoh sifat kimia: mudah berkarat, mudah terbakar, bereaksi dengan asam. Contoh sifat fisik: titik leleh es 0 °C, massa jenis aluminium 2.700 kg/m³, tembaga menghantarkan listrik dengan baik.

2.2 Cara mengamati sifat bahan secara ilmiah

Pengamatan kualitatif: deskripsi tanpa angka (warna, kilap, lentur, mengambang atau tenggelam).
Pengukuran kuantitatif: menghasilkan angka dan satuan, misalnya massa jenis 7.850 kg/m³.
Variabel: variabel bebas (yang diubah), variabel terikat (yang diamati), variabel kontrol (yang dijaga tetap). Contoh uji pemuaian: bebas = suhu, terikat = panjang batang, kontrol = jenis bahan dan panjang awal.
Pengulangan dan ketidakpastian: ulangi pengukuran, laporkan rata-rata beserta ketidakpastiannya (lihat modul Pengukuran dan Alat Ukur).
Grafik: hubungan linear (garis lurus) pada grafik menandakan keterkaitan sederhana, dan kemiringannya sering memuat konstanta sifat bahan.

2.3 Massa jenis dan prinsip hidrometer

ρ = m / V ρ massa jenis (kg/m³), m massa (kg), V volume (m³). 1 g/cm³ = 1.000 kg/m³.

Bahan	ρ (kg/m³)	Bahan	ρ (kg/m³)
Air (4 °C)	1.000	Baja	7.850
Es	917	Tembaga	8.960
Kayu jati	sekitar 700	Emas	19.300
Aluminium	2.700	Udara	1,2

Benda terapung bila massa jenis rata-ratanya lebih kecil daripada massa jenis fluida. Pada benda yang terapung, gaya apung sama dengan berat benda: ρ_fluida·g·V_tercelup = m·g. Artinya, makin besar massa jenis cairan, makin sedikit bagian benda yang tercelup. Inilah dasar hidrometer (areometer): tabung kaca bermuatan pemberat yang terapung tegak; skala di batangnya membaca massa jenis cairan, misalnya untuk menguji aki, susu, atau air garam.

2.4 Pemuaian: dasar termometer dan bimetal

Hampir semua bahan memuai bila dipanaskan karena getaran partikelnya makin besar dan jarak rata-ratanya bertambah.

ΔL = α · L₀ · ΔT | β = 2α | γ = 3α α koefisien muai panjang (1/°C atau 1/K), β koefisien muai luas, γ koefisien muai volume (zat padat isotropik). Coba di simulasi 3.1.

Bahan	α (10^-6 /°C)	Catatan
Aluminium	24	Memuai besar
Kuningan	19	Dipakai pada bimetal
Baja	12	Struktur, rel, beton bertulang
Kaca biasa	9	Kaca borosilikat sekitar 3
Invar (Fe-Ni)	sekitar 1,2	Sangat kecil: standar panjang, jam presisi

Alat ukur yang memanfaatkan pemuaian

Termometer cairan: raksa atau alkohol berwarna memuai dan naik di pipa kapiler yang sempit, sehingga perubahan volume kecil tampak sebagai pergeseran panjang yang besar. Alkohol dipakai untuk suhu sangat rendah karena titik bekunya jauh di bawah air.
Bimetal: dua logam dengan α berbeda dilekatkan. Saat dipanaskan, logam yang lebih memuai lebih panjang sehingga strip melengkung ke sisi logam yang kurang memuai. Dipakai pada termostat setrika, rice cooker, dan sakelar pengaman.
Pita ukur atau penggaris logam presisi: berbahan invar atau dikalibrasi pada suhu acuan (20 °C) agar panjangnya tidak berubah karena suhu.

Air itu anehAir memuai saat didinginkan dari 4 °C ke 0 °C (anomali air). Karena itu air tidak dipakai sebagai cairan termometer pada rentang dekat titik beku, dan danau membeku dari permukaan.

2.5 Kalor, kalor jenis, dan hantaran kalor

Q = m · c · ΔT | H = k · A · ΔT / d c kalor jenis (J/kg·K), k konduktivitas termal (W/m·K), A luas, d tebal, H laju hantaran kalor (W).

Bahan	c (J/kg·K)	k (W/m·K)
Air	4.200	0,6
Aluminium	900	237
Tembaga	390	400
Baja	450	50
Kaca	840	sekitar 1
Kayu / plastik	sekitar 1.700	0,1 – 0,2
Udara	1.000	0,026

Bahan berkalor jenis kecil cepat berubah suhunya (bagus untuk sensor yang cepat tanggap). Bahan berkonduktivitas besar (tembaga, aluminium) cepat menyamakan suhu, cocok untuk ujung sensor suhu dan panci. Bahan berkonduktivitas kecil (kayu, plastik, busa, udara) cocok untuk gagang dan isolator. Pada kalorimeter, kalor yang dilepas sama dengan kalor yang diterima (Asas Black): Q_lepas = Q_terima.

2.6 Elastisitas: dasar neraca pegas dan load cell

F = k · x | σ = F / A | ε = ΔL / L₀ | E = σ / ε σ tegangan (Pa), ε regangan (tanpa satuan), E modulus Young (Pa). Untuk batang: k = E·A / L₀. Coba di simulasi 3.2 dan 3.3.

Bahan	E (GPa)	Tegangan luluh (MPa) – perkiraan
Baja struktur	200	250
Tembaga	110	70 (anil)
Aluminium (paduan)	70	150
Kaca	70	getas (mudah pecah)
Karet	0,01 – 0,1	sangat lentur

Selama beban di bawah batas elastis, bahan kembali ke bentuk awal saat beban dilepas dan hukum Hooke berlaku. Melewati batas itu terjadi deformasi plastis (permanen), sehingga alat ukur tidak lagi akurat. Maka alat ukur dirancang agar beban maksimum berada jauh di bawah batas elastis (faktor keamanan, misalnya ≥ 2).

2.7 Sifat listrik: hambatan jenis dan sensor

R = ρ · L / A | A = π d² / 4 ρ hambatan jenis (Ω·m). Kawat lebih panjang atau lebih tipis hambatannya lebih besar. Coba di simulasi 3.5.

Bahan	ρ (Ω·m) pada 20 °C	Pemanfaatan
Tembaga	1,7 × 10^-8	Kabel, kawat penghubung
Aluminium	2,8 × 10^-8	Kabel transmisi (ringan)
Konstantan	4,9 × 10^-7	Strain gauge, resistor presisi (hambatan hampir tak bergantung suhu)
Nikrom	1,1 × 10^-6	Elemen pemanas (hambatan besar, tahan panas)
Silikon (semikonduktor)	bergantung doping dan suhu	Sensor, transistor

Termistor

Hambatan peka suhu. NTC: hambatan turun saat suhu naik, mengikuti R = R₀·exp[B(1/T − 1/T₀)] dengan T dalam kelvin. PTC: hambatan naik saat suhu naik (pengaman).

Strain gauge

Kawat konstantan berkelok yang direkatkan pada benda. Saat benda meregang, hambatan naik: ΔR/R₀ = GF·ε, dengan GF (gauge factor) sekitar 2.

LDR

Hambatan turun saat terkena cahaya. Dipakai pada lampu otomatis dan lux meter sederhana.

Termokopel

Dua logam berbeda disambung; beda suhu antar sambungan menghasilkan tegangan kecil (efek Seebeck). Mengukur suhu tinggi, misalnya tungku.

Piezoelektrik

Kristal tertentu (kuarsa, keramik PZT) menghasilkan tegangan saat ditekan. Dipakai pada sensor tekan, mikrofon kontak, dan pemantik kompor.

Sensor Hall

Mengukur medan magnet lewat tegangan pada semikonduktor. Dipakai untuk kecepatan roda, posisi, dan arus.

2.8 Sifat lain yang dimanfaatkan

Tegangan permukaan dan kapilaritas: cairan naik di pipa sempit; dipakai pada pipa kapiler termometer dan alat uji tegangan permukaan.
Viskositas: kekentalan fluida; diukur dengan viskometer bola jatuh (kecepatan bola yang jatuh di cairan).
Indeks bias: dipakai refraktometer untuk kadar gula (Brix) atau garam.
Sifat magnetik: sakelar buluh (reed switch) menutup bila ada magnet, dipakai sebagai sensor pintu atau pencacah putaran.

2.9 Dari sifat bahan ke alat ukur: rancang bangun

Alat ukur yang baik tersusun dari rantai: besaran yang diukur → sensor (sifat bahan yang berubah) → pengondisi sinyal → pembaca/tampilan.

Tahap	Pertanyaan kunci
1. Kebutuhan	Besaran apa, rentang berapa, ketelitian berapa, biaya dan kondisi pemakaian?
2. Prinsip	Sifat fisik mana yang berubah teratur terhadap besaran itu (pemuaian, hambatan, elastisitas)?
3. Pemilihan bahan	Apakah sifat bahan cukup sensitif, stabil, linear, tahan lama, dan aman?
4. Rancangan	Dimensi, rangkaian pengondisi sinyal, pembaca (skala atau ADC)
5. Prototipe	Bangun, rakit, dan periksa fungsi dasar
6. Kalibrasi	Bandingkan dengan alat standar di beberapa titik; buat persamaan konversi (mis. y = a·x + b)
7. Pengujian	Ulangi pengukuran: evaluasi akurasi, presisi, histeresis, waktu tanggap
8. Perbaikan	Revisi bahan atau rancangan sesuai hasil uji

Karakter alat ukur

Rentang (range): batas bawah sampai atas yang dapat diukur.
Sensitivitas: S = Δkeluaran / Δmasukan. Makin besar S, perubahan kecil makin mudah terbaca.
Resolusi: perubahan terkecil yang dapat dibaca (skala terkecil atau satu "count" ADC).
Linearitas: seberapa lurus hubungan keluaran dan masukan. Hubungan linear lebih mudah dikalibrasi.
Akurasi: kedekatan hasil dengan nilai sebenarnya. Presisi: kekonsistenan hasil pengukuran berulang.
Histeresis, waktu tanggap, kestabilan: hasil yang berbeda saat naik dan turun, kecepatan merespons, dan pergeseran dari waktu ke waktu.

Kenaikan sensitivitas sering menukar rentang (neraca pegas lunak peka tetapi cepat melewati batas elastis), jadi rancangan selalu berupa kompromi.

Resolusi ADC: Δ_V = V_ref / (2ⁿ − 1) | Resolusi besaran = Δ_V / S ADC 10 bit dengan V_ref 3,3 V: 1 count ≈ 3,2 mV. Bila sensor memberi 40 mV/°C, resolusi suhu ≈ 0,08 °C.

03Simulasi Interaktif

3.1 Pemuaian batang dan bimetal

Pilih bahan batang untuk melihat pertambahan panjangnya, lalu pilih pasangan bimetal dan naikkan suhu untuk melihat strip melengkung ke sisi logam yang kurang memuai (gambar diperbesar 3× agar terlihat).

Bahan batang Panjang awal L₀ Kenaikan suhu ΔT Pasangan bimetal (tebal total 1 mm, panjang 100 mm)

Koefisien α batang

Pertambahan panjang ΔL

Panjang akhir

Pergeseran ujung bimetal (nyata)

3.2 Neraca pegas dan hukum Hooke

Atur konstanta pegas dan massa beban. Perhatikan kompromi rancangan: pegas lunak (k kecil) memberi simpangan besar per gram (peka), tetapi rentangnya sempit dan cepat mencapai batas elastis. Pada simulasi ini batas elastis pegas ditetapkan 4,0 N dan g = 9,8 m/s².

Konstanta pegas k Massa beban m

Gaya berat F = mg

Pertambahan panjang x

Sensitivitas

Massa terkecil yang terbaca (penggaris 1 mm)

3.3 Load cell dengan strain gauge

Gaya tarik meregangkan batang sedikit (ε sangat kecil). Strain gauge yang direkatkan pada batang mengubah regangan itu menjadi perubahan hambatan, lalu jembatan Wheatstone mengubahnya menjadi tegangan. Simulasi memakai R₀ = 350 Ω, GF = 2,0, dan tegangan eksitasi 5 V.

Bahan batang Gaya tarik F Luas penampang A Konfigurasi jembatan

Pemakaian batas luluh

Tegangan σ = F/A

Regangan ε

Perubahan hambatan ΔR

Tegangan keluaran V_out

Faktor keamanan

Resolusi gaya (pembaca 1 µV)

3.4 Termistor NTC sebagai sensor suhu

Termistor dipasang pada pembagi tegangan (V_cc = 3,3 V) bersama resistor tetap. Geser suhu dan lihat bahwa hubungannya tidak linear: sensitivitas lebih besar pada suhu rendah. Resolusi suhu bergantung pada resolusi ADC 10 bit (1.023 count).

Suhu T Konstanta B termistor Resistor tetap

Hambatan termistor

Tegangan keluaran

Sensitivitas

Pembacaan ADC

Resolusi suhu (1 count ADC)

3.5 Kawat hambatan: R = ρL/A

Pilih bahan, panjang, dan diameter kawat untuk merancang elemen pemanas atau resistor. Daya dihitung bila dihubungkan ke tegangan 12 V.

Bahan kawat Panjang L Diameter d

Luas penampang

Hambatan R

Arus pada 12 V

Daya P = V²/R

04Aplikasi dan Implementasi

4.1 Memilih bahan sesuai fungsi

Bagian alat	Sifat yang dicari	Bahan yang cocok
Ujung sensor suhu (probe)	Konduktivitas termal besar, kalor jenis kecil, tahan korosi	Tembaga berlapis, baja tahan karat
Gagang alat panas	Konduktivitas termal kecil, tahan panas	Kayu, plastik tahan panas, bakelit
Badan load cell	E besar, tegangan luluh tinggi, tidak getas	Baja paduan, aluminium paduan
Pegas neraca	Elastis pada rentang lebar, tidak mudah lelah	Baja pegas
Skala standar panjang	α sangat kecil	Invar
Elemen pemanas	ρ besar, titik leleh tinggi	Nikrom
Kabel sensor	ρ kecil, lentur	Tembaga (diberi isolator plastik)
Jembatan strain gauge	Hambatan stabil terhadap suhu	Konstantan

4.2 Proyek: hidrometer sederhana dari sedotan

Potong sedotan (±15 cm), tutup salah satu ujung dengan lilin atau plastisin dan beri butiran pemberat (pasir atau paku kecil) agar terapung tegak.
Celupkan ke air murni dan beri tanda tinggi permukaan: ρ = 1.000 kg/m³.
Celupkan ke larutan garam bermassa jenis diketahui (ukur dengan neraca dan gelas ukur) lalu tandai lagi.
Buat skala dari titik-titik tanda dan ujilah dengan cairan lain. Makin besar ρ cairan, makin dangkal sedotan tercelup.
Kalibrasi: bandingkan dengan pengukuran massa dan volume, hitung selisihnya, dan laporkan ketidakpastian.

4.3 Proyek: termometer digital berbasis termistor

Rangkai termistor NTC 10 kΩ dengan resistor tetap 10 kΩ sebagai pembagi tegangan, masukkan ke pin analog mikrokontroler.
Hitung hambatan dari tegangan terbaca, lalu suhu dengan persamaan B (Steinhart–Hart disederhanakan).
Kalibrasi pada dua titik: air es (0 °C) dan air mendidih (sekitar 100 °C pada permukaan laut), atau bandingkan dengan termometer standar; koreksi dengan y = a·x + b.
Uji pengulangan, waktu tanggap, dan efek pemanasan sendiri (arus kecil agar sensor tidak menghangatkan dirinya).

4.4 Proyek: timbangan digital dengan load cell

Pasang load cell pada rangka sehingga beban hanya menekan satu arah.
Hubungkan jembatan Wheatstone load cell ke penguat dan ADC beresolusi tinggi (misalnya modul 24 bit).
Kalibrasi nol (tanpa beban) lalu dengan beban standar bermassa diketahui, untuk mendapatkan faktor skala (gram per count).
Uji linearitas dengan beberapa beban berbeda dan periksa histeresis (naik dan turun).

4.5 Kalibrasi dan pelaporan

Gunakan alat standar yang terkalibrasi sebagai pembanding, di minimal 5 titik sepanjang rentang.
Plot keluaran alat terhadap nilai standar; kemiringan garis memberi sensitivitas dan titik potong memberi offset.
Laporkan hasil dengan ketidakpastian dan kondisi pengujian (suhu ruang, tegangan sumber).
Terapkan K3: panas, tegangan listrik, bahan berbahaya (raksa hanya dipakai bila perlu dan dibuang dengan aman).

05Fenomena Sehari-hari

🚆 Celah di sambungan rel

Rel baja memuai saat panas. Celah muai atau rel panjang yang dilas dengan pengikat khusus mencegah rel melengkung. Rumus yang bekerja: ΔL = α·L₀·ΔT.

🍳 Gagang panci dari plastik

Panci logam menghantarkan kalor cepat ke makanan, sedangkan gagang plastik berkonduktivitas termal kecil sehingga aman dipegang.

♨️ Setrika dan rice cooker bisa mati sendiri

Bimetal melengkung bila panas melebihi batas, memutus arus, lalu lurus kembali saat dingin sehingga arus tersambung lagi.

⚖️ Timbangan dapur digital

Di dalamnya ada load cell: logam yang melentur sedikit dan strain gauge mengubah regangan menjadi tegangan listrik.

🥚 Telur terapung di air garam

Menambah garam menaikkan massa jenis air. Bila ρ air garam melampaui ρ telur, telur terapung. Ini prinsip hidrometer.

🔌 Kabel tipis dan hangat

R = ρL/A: kabel tipis atau panjang berhambatan besar dan menimbulkan panas (P = I²R). Itu sebabnya kabel panjang dipilih lebih tebal.

06Miskonsepsi yang Sering Muncul

"Benda berat pasti tenggelam." Yang menentukan terapung adalah massa jenis rata-rata, bukan beratnya. Kapal baja terapung karena rongga udara menurunkan massa jenis rata-ratanya.
"Logam terasa dingin karena suhunya lebih rendah." Suhunya sama dengan kayu di ruangan; logam terasa dingin karena menghantarkan kalor dari tangan lebih cepat.
"Bahan yang memuai berarti partikelnya membesar." Ukuran partikel tetap; jarak rata-rata antarpartikel yang bertambah.
"Bimetal melengkung ke arah logam yang memuai lebih besar." Strip melengkung ke sisi logam yang kurang memuai, sehingga logam yang memuai lebih besar berada di sisi luar lengkungan.
"Hukum Hooke berlaku untuk semua beban." Hanya di bawah batas elastis. Melewatinya membuat deformasi permanen.
"Sensitivitas tinggi pasti lebih baik." Sensitivitas tinggi sering mempersempit rentang atau menambah noise; rancangan harus sesuai kebutuhan.
"Resolusi sama dengan akurasi." Resolusi adalah ukuran perubahan terkecil yang terbaca; alat beresolusi halus tetap bisa tidak akurat bila tidak dikalibrasi.
"Hambatan jenis dan hambatan sama." ρ sifat bahan; R bergantung pada ρ dan juga ukuran kawat (L dan A).
"Termistor mengubah suhu secara linear." Hubungannya eksponensial; perlu rumus atau tabel kalibrasi.

07Ringkasan

Topik	Rumus
Massa jenis	ρ = m/V
Benda terapung	ρ_fluida·V_tercelup = ρ_benda·V_benda
Pemuaian	ΔL = α·L₀·ΔT; β = 2α; γ = 3α
Kalor	Q = m·c·ΔT; H = k·A·ΔT/d
Hooke	F = k·x
Elastisitas	σ = F/A; ε = ΔL/L₀; E = σ/ε; k = E·A/L₀
Hambatan kawat	R = ρ·L/A
Strain gauge	ΔR/R₀ = GF·ε; V_out = V_ex·GF·ε·f (f = ¼, ½, 1)
Termistor NTC	R = R₀·exp[B(1/T − 1/T₀)]
Sensitivitas	S = Δkeluaran/Δmasukan
Resolusi ADC	V_ref/(2ⁿ − 1); resolusi besaran = itu / S

Strategi mengerjakan soal(1) Tulis besaran dan ubah satuan ke SI (mm → m, mm² → m², GPa → Pa). (2) Tentukan sifat bahan yang berperan lalu pilih rumusnya. (3) Hitung bertahap dan periksa orde besar jawaban (regangan sekitar 10⁻⁴, ΔR sekitar mΩ hingga Ω). (4) Untuk soal rancangan, tanyakan: apa kompromi antara sensitivitas, rentang, dan resolusi?

08Kuis Latihan dan Pembahasan

Ada 12 soal. Pilih jawabanmu, lalu pembahasan langsung muncul. Gunakan g = 9,8 m/s² dan data tabel pada modul bila dibutuhkan.