zainul

Mengapa kertas yang basah transparan?

In Catatan fisika on Juni 3, 2011 at 3:19 pm

Tanya Budi.

“Maaf pak guru, ini mungkin pertanyaan yang bodoh.” Si Budi tampak menyesal telah mengajukan pertanyaan.

Pak guru menjawab, “Budi, tidak ada pertanyaan yang bodoh, yang ada hanya pertanyaan yang tidak mendapat kesempatan memperoleh jawaban yang baik.” Pak guru berlagak seperti orang terkenal.

Banyak kejadian menarik terjadi di sekitar kita, tapi, adakah kejadian-kejadian tersebut menggoda kita untuk bertanya? Padahal, malu bertanya sesat di jalan. Sepertinya sebagian besar kita tidak peduli. Mungkin juga karena sudah terlalu banyak pertanyaan dalam hidup dan tidak ada tempat untuk pertanyaan-pertanyaan sepele. Tapi toh selalu ada tempat untuk pertanyaan-pertanyaan seperti “Benarkah Syahrini pernah operasi plastik?”

Untuk menjawab pertanyaan si Budi (bukan tentang Syahrini), mari kita ingat kembali seperti apa kertas yang basah oleh air. Bagian kertas yang basah akan tampak lebih gelap. Selain itu, objek di balik kertas tidak tampak pada bagian kertas yang kering tetapi justru tampak pada bagian kertas yang basah. Singkatnya, kertas kering opaque, kertas basah transparan. Tidak percaya? Silahkan dicoba sendiri.

Bagaimana dengan kain? Anda-anda yang berpengalaman mencuci pakaian sendiri tentu tahu bahwa, seperti kertas, pakaian putih yang basah akan tampak lebih gelap dan lebih transparan.

Selain itu, pernahkah anda kehujanan saat sedang mengenakan baju kaos putih? Tentu sangat tidak menyenangkan apabila sesuatu di balik kaos putih tersebut tidak ingin anda perlihatkan kepada orang lain.

(Gambar dari sini)

Kembali ke kertas dan kain. Seperti apa sih struktur kertas dan kain?

 

(Gambar kiri: Kertas, diambil  dari sini. Gambar kanan: Cotton fibers, diambil dari sini. Serat-serat kira-kira berukuran beberapa mikrometer.)

Berikut adalah teori yang mungkin salah mungkin benar mengenai fenomena transparannya kertas dan kain di atas:

Gelombang yang melalui celah sempit atau penghalang akan mengalami difraksi. Ini tidak dapat diragukan lagi kebenarannya. Fenomena difraksi ini dapat diamati pada eksperimen celah tunggal atau pada difraksi sinar laser oleh sehelai rambut.

(Difraksi celah tunggal untuk lebar celah 4 kali panjang gelombang. Gambar dari sini)

Perhatikan bahwa gelombang terlihat menyebar setelah melalui celah. Pola yang muncul di layar adalah pola terang-gelap, seperti ditunjukkan pada gambar sebelah kanan. Bagian tengah yang paling terang biasa disebut sebagai terang-pusat. Perlu diketahui juga bahwa, untuk lebar celah yang sama, pola terang-pusat lebih lebar bagi panjang gelombang yang lebih besar.  Pola gelap memenuhi persamaan berikut:

d \sin \theta_{min}=n\lambda

dengan d adalah lebar celah, \theta_{min} adalah sudut di mana pola gelap terjadi, \lambda adalah panjang gelombang, dan n=1,2,3,….

Bagaimana dengan difraksi oleh penghalang? Misalnya oleh sehelai serat atau rambut. Menurut prinsip Babinet, pola difraksi oleh sebuah objek opaque (tidak transparan) akan sama dengan pola difraksi oleh lubang dengan ukuran yang sama. Yang berbeda hanya intensitas dari seluruh gelombang yang diteruskan.

(Pola difraksi oleh rambut. Gambar dari sini)

Lalu bagaimana ini menjelaskan mengapa kertas yang kering opaque sedangkan kertas yang basah transparan?

Jadi begini ceritanya. Mengapa kertas atau kain yang kering opaque? Cahaya yang mencapai kertas atau kain terdifraksi oleh serat-serat dalam kertas atau kain. Ini dapat terjadi berkali-kali. Pada akhirnya, intensitas dari cahaya yang menembus kertas menjadi sangat kecil.

Mengapa kertas yang basah transparan? Indeks bias air lebih besar daripada indeks bias udara. Akibatnya panjang gelombang cahaya di dalam medium air lebih pendek dibandingkan dengan panjang gelombang cahaya di udara, untuk frekuensi yang sama. Secara efektif ukuran rongga lebih besar relatif terhadap panjang gelombang cahaya. Seperti dijelaskan di atas, pola terang pusat lebih sempit untuk gelombang yang lebih pendek, sehingga, intensitas gelombang yang diteruskan lebih besar.

Penjelasan yang masuk akal bukan? Kami* sendiri belum yakin. Jika memang karena difraksi, maka kertas yang dibasahi dengan cairan dengan indeks bias yang lebih besar akan terlihat lebih transparan, betul?

Kami ambil sehelai kertas yang dibasahi dengan air (indeks bias 1.33) pada bagian tertentu dan dibasahi dengan gliserin (indeks bias 1.47) pada bagian lainnya. Sekilas tidak dapat dibedakan transparansi kedua bagian kertas tersebut. Ini mungkin karena keterbatasan mata manusia. Maka dari itu, diperlukan pengujian lebih lanjut. Untuk keperluan pengujian tersebut, dapat digunakan laser. Intensitas sinar laser yang menembus kertas dapat diukur dengan photodiode. 

(Photodiode ditempelkan dibalik kertas)

Tanpa sinar laser, photodiode menunjukkan angka 3-4 µW. Berikut daya yang terbaca pada photodiode untuk penghalang berupa kertas kering, kertas yang dibasahi dengan air, dan kertas yang dibasahi dengan gliserin.

Kering Air Gliserin
24-26 µW 125-130 µW 190-210 µW

Hasil yang sepertinya tidak bertentangan dengan penjelasan di atas.

Anda punya teori yang lain?

(* Teka-teki ini dikemukakan oleh dan didiskusikan bersama makhluk dengan code name Registrator Fonon. Juga didiskusikan bersama Jong Anly Tan)

(Gliserin terlihat lebih mudah membasahi kertas dibanding air. Selain itu permukaan kertas yang dibasahi air menjadi lebih keriput.)

Addendum

Penjelasan di atas mengasumsikan bahwa masing-masing serat, tidak dapat ditembus cahaya. Kenyataannya, serat-serat terbuat dari bahan yang dapat ditembus cahaya dengan indeks bias yang lebih besar dibanding indeks bias udara, air atau gliserin. Hamburan cahaya oleh suatu serat dapat terjadi melalui  refraksi (pembiasan) cahaya. Seberapa besar efek hamburan cahaya bergantung pada perbedaan indeks bias medium (udara, air, atau gliserin) relatif terhadap indeks bias masing-masing serat. Penjelasan ini tetap sesuai dengan hasil pengukuran di atas. Masing-masing serat dapat dimodelkan sebagai silinder. Ketika indeks bias medium sama dengan indeks bias serat, serat menjadi transparan sempurna.

  1. gara-gara teori mekanika kuantum dengan potensial tangga fokus saya terhadap foto yang pertama hahaha….

    Gila, dapat aja ide untuk membuktikan kertas itu transparan kak, dipatenkan aja kalo belum ada yg memberikan penjelasan demikian🙂

  2. Ketelitian alat ukur yang dipake bisa disertakan? Logika penjelasannya sangat masuk akal. But, I just intend to know the precision🙂.

    Thumbs up.

    • Alat yang dipakai punya beberapa mode ketelitian, paling kecil 0.1 uW. Angka desimal tidak saya tulis karena ketelitian data pengukuran lebih dipengaruhi serapat apa kertas ke photodioda, juga bergantung bagian kertas mana yang disinari laser karena permukaan basah mungkin tidak merata. Bacaan photodiode berubah-ubah dalam rentang yang saya tulis di atas. Pengambilan data tidak serius, sekedar menunjukkan bahwa, meskipun sulit dibedakan dengan mata, kertas basah oleh gliserin lebih transparan dibanding kertas basah oleh air.

  3. mantap kak zainul, kapan2 artikel ini dimuat di majalah 1000guru lagi gimana? seperti biasa nanti ada suntingan bahasa spesial😀

Tinggalkan Balasan

Isikan data di bawah atau klik salah satu ikon untuk log in:

Logo WordPress.com

You are commenting using your WordPress.com account. Logout / Ubah )

Gambar Twitter

You are commenting using your Twitter account. Logout / Ubah )

Foto Facebook

You are commenting using your Facebook account. Logout / Ubah )

Foto Google+

You are commenting using your Google+ account. Logout / Ubah )

Connecting to %s

%d blogger menyukai ini: