Jumat, 20 Mei 2011

Atraksi Fisika di Udara

Sekumpulan burung Pelikan, Camar dan Angsa  terbang   indah di udara.
Suatu  atraksi  udara  yang  sangat  menakjubkan!  Ada  rasa  iri  yang  dapat
dimengerti saat manusia menyaksikan pertunjukan ini. Ternyata semua akal budi
dan  kepandaian  manusia  belum  dapat  menyaingi  kemampuan  burung  yang
dapat  terbang  dengan  mulus  dan  sempurna  tanpa  menggunakan  alat  bantu
mesin‐mesin  besar  yang mengeluarkan  suara  bising  yang memekakkan  telinga
seperti  pesawat‐pesawat  ciptaan manusia. Apa  rahasianya?  Bagaimana  burung
bisa  terbang, mengalahkan semua keterbatasan akibat berat  tubuh mereka dan
gravitasi  bumi? Mereka  bahkan  selalu  terbang  sebagai  kawanan  burung  yang
dengan  kompak  menjelajahi  udara  dengan  gerak‐gerik  yang  indah.  Kalah
kompakkah manusia?

Atraksi  terbang  burung‐burung  di  udara  ini  ternyata  melibatkan  ilmu
fisika. Ada  4 jenis gaya yang terlibat dalam atraksi udara tertua ini.
 
1.  Drag  Force,  yaitu  gaya hambat udara.  Gaya  ini berasal  dari  tumbukan
molekul‐molekul  udara  dengan  tubuh  burung.  Arah  gaya  ini  selalu
berlawanan dengan arah gerak burung. Sedangkan besar gaya  ini sangat
Gambar 1  Seekor pelikan sedang beratraksi di udara tergantung  pada  luas  permukaan  burung  dan  kecepatan  burung. 
Semakin  luas  permukaan  burung  semakin  besar  gaya  hambatnya.
Semakin cepat burung bergerak semakin besar pula gaya hambatnya  ini.
Suatu  ilustrasi yang dapat menggambarkan drag‐force (hambatan) udara
ini  adalah  hambatan   yang  dirasakan  saat  kita  berjalan  melawan  arah
angin  yang  kencang.  Hambatan  ini  semakin  terasa  besar  ketika   kita
membuka  lengan  kita  lebar‐lebar  (memperluas  permukaan  tubuh  kita)
atau ketika kita bergerak lebih cepat.    
2.  Lift  Force  (gaya  angkat) merupakan   gaya   yang mengangkat  burung  ke
atas. Ada 2 hal yang dapat menimbulkan gaya angkat  ini: kepakan sayap
dan aliran udara yang lewat sayap.  Ketika burung mengepakkan sayap ke
bawah, burung menekan udara ke bawah, akibatnya udara akan menekan
balik dan mendorong burung ke atas (hukum aksi‐reaksi). Semakin cepat
kepakan  sayap,  semakin  besar  gaya  keatasnya.    Itu  sebabnya  burung
merpati yang hendak terbang akan mengepakan sayapnya secara cepat.
Burung  yang  berat  seperti  Kori  Bustard  dari  Afrika  tentu  harus
mempunyai  otot  dada  yang  kuat  sehingga  mampu  mengepakan  sayap
lebih  cepat  untuk  mengangkat  tubuhnya  yang  gembrot  itu  (19  kg).
(Karena ototnya keras, daging Kori Bustard  keras....kurang enak dimakan). Udara yang
mengalir lewat bagian atas sayap akan bergerak lebih cepat karena udara
ini harus menempuh lintasan yang lebih jauh. Akibatnya tekanan dibagian
ini  lebih  kecil  dibandingkan  dengan  tekanan  udara  dibawah  sayap.
Perbedaan  tekanan  ini memberikan gaya angkat pada burung.  Semakin
melengkung (semakin aerodinamis) sayap semakin besar gaya angkatnya.
3.  Thrust (gaya dorong) yaitu gaya yang mendorong burung bergerak maju.
Gaya ini  dihasilkan melalui kepakan sayap yang bergerak seperti angka 8
rebah (dilihat dari samping). Kepakan sayap menghasilkan suatu pusaran
udara  (vorteks)  yang  dapat  memberikan  suatu  dorongan  bagi   burung
untuk  bergerak  maju  di  udara.  Besar‐kecilnya  gaya  dorong  ini  sangat
tergantung pada kekuatan otot terbang.
4.  Weight  (gaya  berat)  yaitu  gaya  tarik  gravitasi  bumi.  Besarnya  sangat
tergantung pada massa burung.  Arahnya vertikal ke bawah.

Kombinasi ke 4 gaya  ini dimanfaatkan burung untuk melakukan berbagai
atraksi seperti  parachutting (gerak parasut),  gliding (meluncur), flight (terbang
ke depan), dan soaring (membubung) (pintar yach burung‐burung ini....) 
Parachuting (gerak parasut)

Gerak parasut merupakan gerak  jatuh di udara  (bisa miring  bisa pula vertikal). 
Sudut miringnya lebih besar dari 450
 terhadap garis mendatar. Untuk melakukan
gerak parasut, burung rajawali harus memperbesar gaya hambatnya (drag force)
caranya  adalah  dengan  memperbesar  luas  permukaannya  (misalnya  dengan
melebarkan sayapnya).

Gliding (meluncur) 
Gliding (meluncur)  yaitu  gerak jatuh yang membentuk sudut lebih kecil dari 45°
dengan garis mendatar. Fokus utama dalam gliding adalah meluncur semendatar
mungkin.  Ini  dilakukan  dengan  memperkecil  gaya  hambat  udara.   Dalam
melakukan  gliding  burung  Fulmar  dapat menempuh  jarak mendatar  8,5 meter
tetapi hanya turun 1 meter saja. Burung pemakan bangkai (Vultures) lebih bagus
lagi, burung  ini dapat menempuh  jarak mendatar 22  jarak meter  dengan  turun
hanya 1 meter.

Flight (terbang)
Gerakan  flight (terbang)  dilakukan dengan mengepakkan sayap. Kepakan
sayap  digunakan  untuk menghasilkan  gaya  dorong  ke  depan  (thrust)  dan  gaya
angkat  (lift). Gaya  dorong  dan  gaya  angkat  ini  dapat  diatur  oleh  burung  untuk
mengendalikan arah, kecepatan, dan ketinggiannya (ternyata otak burung cukup 
cerdas untuk menghitung fisika he...he..he.....). 
Ketika  burung  hantu  turun  dengan  kecepatan  tinggi  untuk menangkap
tikus,  burung  hantu  mengecilkan  drag  force  dengan  merampingkan  tubuhnya
atau  menekuk  sayapnya.   Ketika  sudah  dekat  dengan  mangsanya  (akan mendarat), burung hantu memperlambat gerakannya dengan memperbesar drag
force  yaitu  dengan mengembangkan  sayapnya  (wuiii  ...hebat  sekali  ilmu  fisika
burung hantu ini...)

Soaring (gerak membubung)
Gerak membubung merupakan  gerak naik  tanpa mengepakkan  sayap. Gerakan
ini  dapat  dilakukan  dengan  memanfaatkan  arus  udara.  Akibat  pemanasan
matahari  suhu  udara  yang  dekat  permukaan  bumi menjadi  lebih  panas,  udara
panas  ini  akan  naik  ke  atas  dan menimbulkan  arus  udara  ke  atas.  Arus  udara
inilah  yang  dimanfaatkan  oleh  burung  rajawali  untuk membubung  tinggi  tanpa
perlu mengepakan sayapnya yang besar (hemat energi lho...). Burung camar atau
burung  albatros,  lain  lagi.  Untuk  membubung,  burung  camar  memanfaatkan 
arus udara yang dipantulkan oleh permukaan air laut. Itu sebabnya burung camar
selalu berada dekat‐dekat dengan permukaan laut. 

Parade Burung Terbang
Pernah  lihat angsa atau burung  terbang bermigrasi  (berpindah  tempat)?
Angsa ini umumnya terbang berkelompok membentuk suatu parade yang sangat
indah,  jarang  ditemukan  angsa  terbang  jauh  sendirian.  Selain  untuk
meningkatkan  keamanan  terhadap  serangan  predator,  kebersamaan  itu  juga
mengurangi  resiko  tersesat  di  jalan  saat melakukan migrasi  jarak  jauh.  Dalam
melakukan  migrasi  dari  satu  tempat  ke  tempat  lain  angsa‐angsa   ini
memanfaatkan medan magnetik bumi sebagai penunjuk arah. 
Dalam melakukan parade, angsa‐angsa  ini seringkali membentuk formasi
seperti  huruf  V  (gambar  4).  Angsa  yang  paling  depan  (pemimpin) merupakan
pembuka  jalan yang harus bekerja keras “memecah” hambatan udara, sehingga
angsa  dibelakangnya  dapat  bergerak  lebih  mudah.  Ketika  pemimpin  ini  lelah, temannya  segera  menggantikan  posisinya  (wah  ternyata  angsa   tidak
egois ...nggak mau enak sendiri).
Dalam formasi huruf  V ini gerakan angsa‐angsa dalam kawanan ini sangat
sinergi  sehingga  mereka  tidak  perlu  keluar  tenaga  terlalu  besar  (pemakaian
energi lebih efisien) untuk melakukan perjalanan yang jauh (wah tampaknya kita
harus belajar dari angsa dalam bekerja sama...).  
Angsa‐angsa   ini  tampak  kompak  sekali,  seakan‐akan  tidak  pernah  ada
yang  salah  arah.  Sebenarnya  berbagai  kesalahan  arah  terbang  tetap  terjadi,
hanya  saja kesalahan  itu dapat dengan cepat dileburkan  sehingga  tidak  terlihat
mempengaruhi  arah  terbang  kawanan.   Pada  gambar  4,  sekumpulan  angsa
sedang bergerak  ke  arah utara.   Jika  satu  angsa menyimpang dari posisi  (1)  ke
posisi  (2)  lalu  ke  posisi  (3)  dan  (4),  maka  angsa‐angsa  lain  akan  berusaha
menyesuaikan  diri  (dengan  memperhatikan  aliran  udara  dan  kondisi  udara
disekitarnya)  sedemikian  sehingga  terjadi  perubahan  posisi  tetapi  arah  gerak
kawanan tetap tidak berubah yaitu tetap ke arah utara. Eh tahu nggak...  konsep
perubahan  posisi  ini  dapat  diterapkan  dalam  ilmu  manajemen  modern  lho.
Menurut  konsep  ini  jika  ada  seorang  mempunyai  ide   yang  dapat
menyimpangkan arah perusahaan tetapi menguntungkan perusahaan itu,  orang
ini  tidak  akan  dikucilkan.  Teman‐temannyalah  yang   akan  menyesuaikan  diri
sedemikian  sehingga misi  dan  visi  perusahaan  tetap  tidak  berubah,  walaupun
mungkin  posisi  teman‐temannya  itu  bisa  berubah  (wah  keren...  belajar  dari
angsa).

 Memang asyik mengamati gerakan‐gerakan burung. Ternyata dalam ilmu
fisika  kita  harus  banyak  belajar  dari  burung.  Begitu  indah  dan mempesonanya
atraksi  fisika yang mereka pertontonkan di udara selama  jutaan  tahun sehingga
rasanya kita ini tidak ada apa‐apanya.