GRAVITASI
GRAVITASI
Hukum Gravitasi Universal
Menurut cerita terkenal, ketika Newton duduk di bawah pohon apel muncul ide bahwa pengaruh gravitasi meluaske luar Bumi. Ketika Newton mendongak ke atas melihat asal apel jatuh, dia melihat Bulan. Newton berpikir bahwa gaya antara Bumi dan apel yang jatuh sama dengan kekuatan bumi menarik Bulan pada orbit sekitar Bumi, sama dengan planet mengelilingi matahari. Untuk menguji hipotesis ini, Newton membandingkan jatuhnya sebuah apel dengan "jatuh" Bulan. Bulan jatuh pada garis lurus jika tidak ada gaya lain yang bekerja padanya. Karena kecepatan tangensialnya, ia "jatuh di sekitar" Bumi (lebih lanjut tentang ini pada bab berikutnya). Dengan geometri sederhana, jarak Bulan jatuh per detik dapat dibandingkan dengan jarak apel atau apapun yang jauh akan jatuh dalam satu detik. Perhitungan Newton tidakmemuaskan, tapi mengakui bahwa fakta kasar harus selalu menang atas hipotesis yang indah, dia menempatkan kertas di laci, di mana mereka tinggal selama hampir 20 tahun. Selama periode ini, ia mengembangkan bidang optik geometris, yang membuat pertama kali ia terkenal.
Minat Newton dalam mekanika muncul kembali dengan munculnya komet spektakuler tahun 1680 dan dua tahun kemudian. Karena dorongan dari teman astronomnya, Edmund Halley, Newton kembali ke masalah di Bulan. Dia membuat perbaikan pada data eksperimen yang digunakan dalam metode sebelumnya dan memperoleh hasil luar biasa. Saat itulah ia mempublikasikan sesuatu yang masih jauh dari jangkauan generalisasi pikiran manusia: hukum gravitasi universal. Semua benda menarik benda yang lain dengan cara yang indah sederhana yang hanya melibatkan massa dan jarak. Menurut Newton, setiap benda menarik benda lain dengan sebuah gaya yang besarnya berbanding lurus dengan perkalian massa kedua benda dan berbanding terbalik dengan kuadrat jaraknya. Pernyataan ini dapat dinyatakan sebagai:
dengan m1 dan m2 adalah massa benda dan d adalah jarak antara kedua pusat benda. Dengan demikian, semakin besar massa m1 dan m2, semakin besar gaya tarik-menarik di antara kedua benda yang berarti berbanding lurus dengan massa benda. Semakin besar jarak pisah d, gaya tarik kedua benda semakin lemah, yang berarti berbanding terbalik dengan kuadrat jarak kedua pusat benda.
Konstanta gravitasi universal (G)
Bentuk proporsionalitas hukum gravitasi universal dapat dinyatakan sebagai suatu persamaan yang tepat ketika diberikan konstanta G. G disebut konstanta gravitasi universal. Sehingga dapat ditulis menjadi:
Dengan kata lain, bahwa gaya gravitasi antara dua benda diperoleh dengan cara mengalikan massa-masanya, membagi dengan kuadrat jarak antara kedua pusat benda, dan kemudian mengalikan hasil ini dengan G. Besarnya konstanta G identik dengan besarnya gaya antara sepasang benda bermassa 1 kg yang terpisah pada jarak 1 meter yaitu sebesar 0,0000000000667 Newton. Ini menunjukkan gaya yang sangat lemah. Dalam satuan standar dan dalam notasi ilmiah dituliskan :
Seorang ahli fisika Inggris, Henry Cavendish, pertama kali menguku G lama setelah waktu Newton di abad kedelapan belas. Dia memperoleh dengan cara mengukur gaya lemah antara dua masa menggunakan keseimbangan momen gaya. Metode sederhana ini kemudian dikembangkan oleh Philipp von Jolly. Labu bulat dari merkuri diikatkan pada salah satu lengan timbangan (Gambar 2). Setelah timbangan seimbang, bola 6-ton di simpan di bawah labu merkuri. Gaya gravitasi antara kedua benda sama dengan berat beban diperlukan pada ujung timbangan untuk mengembalikan keseimbangan. Jika, m1, m2, F, dan d diketahui, maka konstanta G dapat dihitung dengan rumus:
Nilai dari G menunjukkan bahwa kekuatan gaya gravitasi sangat lemah. Ini adalah yang paling lemah dari empat gaya fundamental yang dikenal saat ini. (Tiga yang lainnya adalah satu gaya elektromagnetik dan dua gaya inti). Gaya gravitasi hanya dirasakan ketika melibatkan massa Bumi. Jika Anda berdiri di atas sebuah kapal besar, gaya tarik-menarik antara Anda dan kapal terlalu lemah untuk pengukuran biasa. Gaya tarik-menarik antara Anda dan Bumi, dapat diukur dan itulah berat Anda. Ini adalah berat badan Anda. Berat badan Anda tidak hanya bergantung pada massa Anda, tetapi juga pada jarak dari pusat bumi. Di bagian atas gunung, massa Anda adalah sama seperti tempat lain, tapi berat badan Anda sedikit lebih kecil daripada di permukaan tanah. Itu karena jaraknya dari pusat bumi lebih besar.
Setelah nilai G diketahui, massa Bumi dengan mudah dihitung. Gaya yang dialami sebuah benda bermassa 1 kg di permukaan bumi adalah 9,8 Newton. Jarak dari permukaan ke pusat bumi disebut jari-jari bumi yaitu 6,4 X 106 meter. Dari rumus F = G(m1m2/d2), jika m1 adalah massa Bumi, maka:
Dan diperoleh massa bumi m1 = 6 X 1024 kg.
Pada abad kedelapan belas, ketika G pertama kali diukur, orang di seluruh dunia gempar dengan penemuan tersebut. Surat kabar di mana-mana mengumumkan penemuan mengukur massa bumi. Menariknya, rumus Newton mampu mengukur massa total bumi, semua lautan, pegunungan, dan bagian dalam bumi. G dan massa Bumi dapat diukur sementara sebagian besar permukaan bumi masih belum ditemukan.
Gaya Gravitasi dan Jarak: Hukum Berbanding Terbalik Kuadrat
Perlu ditekankan bahwa jarak d dalam persamaan gravitasi Newton adalah jarak antara pusat massa benda. Jadi semakin jauh jaraknya dari bumi semakin kecil berat benda. Dan berat benda tidak pernah nol, sejauh apapun benda itu berada, pengaruh gravitasi bumi tetap ada (perhatikan gambar 4). Hanya saja pengaruh gravitasi bumi pada jarak yang jauh dikalahkan oleh pengaruh gravitasi benda lain yang lebih dekat.
Berat dan Ringan
Pasang-Surut Air Laut
Rata-rata di dunia, tonjolan laut hampir 1 meter di atas rata-rata permukaan laut, Bumi berputar sekali per hari, sehingga satu titik tetap di Bumi mengalami dua kali tonjolan setiap hari, ini menghasilkan dua kali pasang surut laut tiap hari. Setiap bagian dari bumi yang mengalami tonjolan memiliki air pasang. Ketika Bumi telah berputar seperempat putaran (6 jam kemudian), permukaan air di bagian yang sama dari laut turun hampir 1 meter di bawah rata-rata permukaan laut. Ini adalah air surut. Air ditempat yang surut tersebut, pindah ke tonjolan yang membentuk pasang naik. Sebuah tonjolan pasang naik kedua dialami lagi ketika Bumi berputar seperempat putaran lagi. Jadi kita memiliki dua pasang naik dan pasang rendah setiap hari. Ternyata, pada saat bumi berputar, Bulan bergerak dalam orbitnya dan muncul di posisi yang sama di langit kita setiap 24 jam dan 50 menit, jadi siklus dua pasang tinggi sebenarnya di 24-jam-dan-50 menit. Itulah sebabnya pasang surut tidak terjadi pada waktu yang sama setiap hari.
Ketika posisi Matahari, Bumi, dan Bulan sejajar, maka pasang-surut akibat Matahari dan Bulan terjadi bersamaan, sehingga pasang naik akan lebih tinggi dan pasang surut akan lebih rendah dari keadaan rata-rata. Ini disebutpasang purnama (Gambar 9). Saat Bumi berada di antara Matahari dan Bulan disebut bulan purnama. (Jika posisi ketiganya segaris, maka terjadi gerhana bulan). Jika Bulan berada di antara Matahari dan Bumi disebut bulan baru. (bila posisi ketiganya segaris, bulan menghalangi cahaya matahari, maka terjadi gerhana matahari.). Pasang purnama terjadi pada posisi bulan baru atau bulan purnama. Semua pasang purnama tidak sama tinggi karena jarak Bumi-Bulan dan jarak Bumi-Matahari berubah-ubah, disebabkan oleh orbit Bumi dan Bulan berbentuk lonjong. Apabila posisi Bulan berada antara bulan baru dan bulan purnama (Gambar 10), air pasang yang disebabkan matahari dan bulan sebagian saling menghilangkan satu sama lain. Sehingga, ketinggian pasang naik lebih rendah dari rata-rata dan pasang turun lebih tinggi dari rata-rata. Ini disebut pasang perbani. Faktor lain yang mempengaruhi pasang surut-air laut adalah kemiringan sumbu bumi. Meskipun tonjolan pasang surut yang berlawanan adalah sama, kemiringan bumi menyebabkan pasang naik terjadi pada tempat yang berbeda-beda.
Pasang-surut di Bumi dan Atmosfer
Bumi tidaklah padat pejal, namun sebagian besar, adalah cairan ditutupi oleh kerak tipis, padat, dan lentur. Akibatnya, gaya tidal Bulan-Matahari mengakibatkan pasang-surut di bumi seperti halnya di laut. Dua kali setiap hari, permukaan padat bumi naik dan turun sebanyak seperempat meter! Akibatnya, gempa bumi dan letusan gunung berapi memiliki kemungkinan sedikit lebih tinggi saat Bumi mengalami pasang naik – yaitu dekat bulan penuh atau bulan baru. Kita hidup di dasar samudra udara yang juga mengalami pasang surut. Berada di bagian bawah atmosfer, kita tidak dapat melihat kejadian ini (sama seperti ikan di air dalam tidak melihat pasang surut laut). Di bagian atas atmosfer adalah ionosfer, dinamakan demikian karena mengandung banyak ion-elektrik atom bermuatan yang merupakan hasil dari ledakan kuat sinar kosmik dan sinar ultraviolet. Efek pasang surut di ionosfer menghasilkan arus listrik yang mengubah medan magnet yang mengelilingi Bumi. Ini adalah kemagnetan pasang. Kemagnetan pasang yang paling terbesar terjadi ketika atmosfer sedang mengalami pasang purnama, sekitar bulan purnama dan bulan baru.
Seperti halnya di bumi, di bulan juga ada dua tonjolan pasang. Jadi Bentuk Bulan tidak seperti bola, sedikit pipih dengan sumbu panjang mengarah ke Bumi. Tidak seperti di bumi, tonjolan pasang di bulan berada di lokasi tetap. Bulan membutuhkan waktu 27,3 hari untuk berrevolusi dan berotasi, belahan bulan yang menghadap bumi selalu sama setiap saat (Gambar 11), Bumi memberikan sebuah torsi kecil di Bulan. Hal ini cenderung memutar Bulan menyelaraskan dengan arah medan gravitasi bumi, torsi ini searah dengan torsi jarum kompas yang berada dalam medan magnet. Jadi kita menegatahui alasan mengapa Bulan selalu menunjukkan wajah yang sama ke bumi.
Medan Gravitasi
Kekuatan medan gravitasi bumi (seperti halnya gaya gravitasi pada benda) mengikuti hukum berbanding terbalik kuadrat. Medan terkuat berada di dekat permukaan bumi dan akan melemah pada jarak yang semakin jauh dari Bumi. Medan gravitasi di permukaan Bumi sedikit berbeda-beda dari lokasi ke lokasi. Di atas deposito besar memimpin bawah tanah, misalnya, medan sedikit lebih kuat dari rata-rata. Di atas gua-gua besar, mungkin diisi dengan gas alam, medan gravitasi sedikit lebih lemah. Untuk memprediksi apa yang ada di bawah permukaan Bumi, ahli geologi dan pencari minyak dan mineral membuat pengukuran yang tepat berdasarkan medan gravitasi bumi.
Medan Gravitasi di dalam Planet
Teori Gravitasi Einstein
Asumsikan terdapat benda yang berat berada pada lembaran tersebut, dan kamu meletakkan benda lain yang lebih ringan di dekatnya. Kelengkungan yang diciptakan oleh benda yang lebih berat akan menyebabkan benda yang lebih ringan “terpeleset” disepanjang kurva ke arah kurva tersebut, karena benda yang lebih ringan mencoba untuk mencapai keseimbangan sampai pada akhirnya benda tersebut tidak bergerak lagi (dalam kasus ini, tentu saja terdapat pertimbangan lain, misalnya bentuk dari benda tersebut, sebuah bola akan menggelinding, sedangkan kubus akan terperosot, karena pengaruh gesekan atau semacamnya). Hal ini serupa dengan bagaimana relativitas umum menjelaskan gravitasi. Kelengkungan dari cahaya bukan karena beratnya, tetapi kelengkungan yang diciptakan oleh benda berat lain yang membuat kita tetap melayang di luar angkasa. Kelengkungan yang diciptakan oleh bumi membuat bulan tetap bergerak sesuai dengan orbitnya, tetapi pada waktu yang sama, kelengkungan yang diciptakan bulan cukup untuk mempengaruhi pasang surut air laut.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar