Semua Alat Ukur Mewah yang Digunakan dalam Sains Mengandalkan Dua Teknik Zaman Batu

Manusia adalah binatang yang mengukur sesuatu. Hubungi kami Manusia adalah ukuran. Kita mempunyai keinginan untuk mengukur, dan selama ribuan tahun kita telah menemukan cara-cara baru untuk melakukannya. Apa pun yang Anda pikirkan, ada alat untuk mengukurnya—mulai dari sphygmomanometer hingga spektrofotofluorometer. Dan tentu saja hal ini paling benar dalam sains. Ya, sains dan baseball.

Fisikawan membangun model untuk menjelaskan cara kerja dunia. Ini mungkin sebuah persamaan, seperti hukum gas ideal: PV = nRT. Hal ini memberitahu kita, misalnya, jika kita melipatgandakan suhu (T) suatu gas, dan semua suhunya sama, maka tekanan gasnya (P) akan berlipat ganda. Namun untuk melihat apakah model tersebut sah, atau setidaknya berguna, kita perlu mendapatkan nilai nyata dan memeriksa apakah persamaan tersebut berlaku. Membuat model dan mengukur, mengukur dan membuat model—singkatnya itulah ilmu pengetahuan.

Tentu saja, saat ini kami memiliki beberapa instrumen yang cukup bagus untuk ini. Namun saya akan memberi tahu Anda sebuah rahasia kecil: Dengan semua alat keren kami, pengukuran tetap bergantung pada perbandingan atau penghitungan. Dalam hal ini, tidak banyak yang berubah sejak Nuh membuat bahteranya dari lembaran spesifikasi dalam hasta—panjang lengan manusia dari siku hingga ujung jari. Izinkan saya menunjukkan kepada Anda apa yang saya maksud.

Mengukur Panjang

Saya akan mulai dengan pengukuran yang pernah digunakan semua orang pada suatu saat: panjang atau jarak. Tampaknya sederhana, bukan? Jika ingin mengetahui panjang pensil, letakkan pensil di sebelah penggaris. Di sana, tingginya 18,7 sentimeter. (Ya, dalam sains kita sedang membahasnya itu sisi penggaris.)

Apa yang Anda lakukan di sini adalah membandingkan panjang pensil dan panjang penggaris secara berdampingan. (Tentu saja hal ini menimbulkan masalah lain: Bagaimana Anda tahu apakah penggaris yang Anda beli secara online itu akurat? Itu adalah pembahasan lain tentang standar. Kita bisa menyimpannya untuk lain hari.)

Pengukuran perbandingan paling gila yang pernah terjadi pada tahun 1958 ketika sekelompok mahasiswa MIT berangkat untuk mencari panjang jembatan di atas Sungai Charles. Mereka meminta anggota terpendek dalam kelompoknya, Oliver Smoot (5′ 7″, atau 170 sentimeter), berbaring berulang kali, menandai trotoar dengan kapur, sepanjang jalan, dan mendapati jembatan itu berukuran 364,4 smoots, “memberi atau menerima telinga.”

(Anda tidak dapat mengada-ada: Smoot kemudian menjadi kepala Institut Standar Nasional Amerika dan kemudian Organisasi Internasional untuk Standardisasi. Definisi smoot direvisi pada tahun 2015, ketika bukti foto mengungkapkan bahwa pada usia 75 tahun, tinggi badannya telah berkurang 3 sentimeter.)

Bagaimanapun, ternyata mengukur panjang atau jarak dengan perbandingan adalah metode yang paling umum digunakan pada perangkat analog.

Pengukuran Jarak Lainnya

Misalnya, bagaimana dengan waktu? Salah satu alat penunjuk waktu tertua adalah jam matahari, yang dalam bentuknya yang familiar ditemukan oleh orang Yunani kuno. Ia mempunyai bilah berbentuk segitiga yang disebut a orang bodohdan piringan datar dengan angka jam di sekelilingnya.

Saat matahari bergerak melintasi langit, bayangan yang dihasilkan oleh gnomon juga akan ikut bergerak. Tapi bagaimana Anda mengubah bayangan itu menjadi waktu? Anda mengerti—Anda mengukur jarak bayangan dari posisi tengah hari. Jam matahari di atas menunjuk ke 14:10.

(Catatan kaki yang menarik: Label jam harus ditulis secara berbeda dari kota ke kota karena bayangan berubah berdasarkan garis lintang dan bujur. Jika Anda pindah dari Sparta ke Athena dan membawa jam matahari, Anda akan terlambat lima menit ke kelas di Lyceum.)

Berikut alat pengukur waktu lain yang mungkin pernah Anda lihat, yang menunjukkan waktu yang sama, 2:10, dengan cara berbeda:

Saya suka jam tua ini. Sangat menyenangkan untuk mengingat bahwa “IBM” adalah singkatan dari International Business Machines, yang bukan hanya sekedar komputer. Bagaimanapun, Anda membaca waktu dari lokasi jarum jam. Yup, itu adalah pengukuran jarak—informasinya disampaikan melalui seberapa jauh sebuah jarum telah bergerak mengelilingi dial. Tapi tunggu! Masih ada lagi! Berikut beberapa hal lain yang mengukur menggunakan jarak:

Pengukur gaya di atas, misalnya, memiliki pegas yang dikalibrasi di dalamnya. Saat Anda menggantungkan massa di atasnya, pegas akan meregang secara proporsional dengan gaya yang diberikan, dan panjang perpanjangan menunjukkan berapa newton gaya tarik yang diterapkan. Hasilnya ditampilkan sebagai jarak pada dial.

Terkadang kita hanya melakukan perbandingan tanpa mengukur jarak. Berikut adalah skala keseimbangan. Anda meletakkan massa yang tidak diketahui di satu sisi dan menambahkan massa yang diketahui ke sisi lainnya hingga massanya sama. Begitulah cara para penguji mengukur emas selama Demam Emas California.

Mengapa mereka tidak menggunakan timbangan pegas, mana yang lebih cepat? Karena timbangan pegas, seperti timbangan kamar mandi, mengukur gaya gravitasi yang bekerja pada suatu benda—itulah yang dimaksud dengan “berat” sebenarnya. Massa adalah konsep yang berbeda; itu jumlah materi fisik dalam suatu benda. Karena medan gravitasi tidak seragam di seluruh dunia, pengukuran berat badan bisa berbeda dari satu tempat ke tempat lain. Namun skala keseimbangan akan memberikan ukuran massa yang sama ke mana pun Anda pergi, karena gravitasi lokal mempengaruhi kedua sisi secara seimbang. Mungkin juga lebih sulit untuk melakukan kecurangan dengan skala keseimbangan.

Namun selain beberapa pengecualian serupa, hampir semua perangkat analog menggunakan perbandingan dan pengukuran panjang untuk mendapatkan nilai.

Menghitung dan Instrumen Digital

Bagaimana jika Anda ingin membuat model populasi serigala dan kelinci? Anda dapat menunjukkan bahwa tanpa serigala, jumlah kelinci akan bertambah secara eksponensial hingga mencapai batas sumber daya. Yang jelas sekarang Anda sedang menghitung, bukan membandingkan.

Ini pengatur waktu laboratorium lama yang menghitung sepersepuluh detik. Lihat apa bedanya dengan jam? Ini tidak kontinu seperti jarum detik—ia hanya dapat mengambil nilai-nilai diskrit tertentu. Itulah ciri utama sebuah instrumen “digital”: Ibarat menghitung dengan jari alias angka!

Ini mungkin membingungkan pada awalnya; yang biasa kita pikirkan digital sebagai sinonim dengan elektronik. Namun yang membuat sistem elektronik menjadi digital adalah informasi hanya dapat direpresentasikan dengan nilai-nilai diskrit—angka biner 0 dan 1. Jadi ya, meskipun pengatur waktu di atas beroperasi dengan menggerakkan roda gigi fisik, ini adalah perangkat digital.

Atau pertimbangkan voltmeter digital, seperti di bawah ini.

Bagaimana cara mendapatkan pembacaan tegangan digital? Saya akan mendemonstrasikan satu metode dasar. Sekarang, karena tegangan adalah perbedaan potensi listrik antara dua titik, tidak dapat diukur secara absolut pada satu titik; kita memerlukan tegangan referensi untuk garis dasar. (Perbandingan!)

Dalam voltmeter saya yang diretas di bawah ini, saya memulai dengan baterai 9 volt. Kemudian saya dapat menghubungkan tegangan referensi ini ke sembilan resistor yang sama secara seri. Berdasarkan hukum Ohm dan aturan loop tegangan, setiap resistor akan mempunyai beda potensial sebesar 1 volt.

Sekarang saya dapat menggunakan tegangan yang tidak diketahui bersama dengan baterai 9 volt. Jika tiga dari 4 LED saya menyala, maka kita memiliki (3/4) x 9 = 6,75 volt. Jadi ini memberi kita nilai digital dari tegangan yang tidak diketahui, yang diperoleh perhitungan lampu. Tentu saja, voltmeter tidak benar-benar menggunakan lampu yang berkedip-kedip, tetapi Anda mengerti maksudnya.

Setelah kita bisa mengukur voltase, kita bisa mendapatkan pengukuran digital untuk banyak hal lainnya, seperti suhu, kekuatan medan magnet, atau bahkan kadar karbon dioksida. Caranya adalah dengan menemukan sesuatu yang sifat kelistrikannya bergantung pada lingkungannya. Misalnya, termistor adalah semikonduktor yang resistansinya bervariasi secara tepat dan dapat diprediksi terhadap suhu. Anda cukup mengalirkan arus melaluinya dan mengukur tegangan untuk mendapatkan pembacaan suhu.

Lihat, siapa pun bisa melakukan sains! Semuanya bermuara pada menghitung atau membandingkan—atau keduanya.