Main Balet Pakai Fisika Yuuk

            Diam seimbang

Pada tarian balet  terkenal “The Nutcracker” seorang balerina (penari balet) memulai tariannya dengan berjinjit seimbang pada satu kaki dan tangan terangkat ke atas. Kaki yang lain terangkat ke belakang. Pada keseimbangan yang dikenal dengan nama arabesque on pointe ini, penari bertumpu pada daerah yang sangat kecil.

Menurut hukum keseimbangan, posisi  berdiri diatas daerah kecil (on pointe) bisa tercapai jika pusat berat  balerina  berada tepat diatas titik tumpunya (Gb. 2a). Pada posisi  yang dipopulerkan oleh Marie Taglioni di pertengahan abad ke-19 ini,  gaya berat berada satu garis dengan  titik tumpunya. Itu sebabnya gaya berat si balerina tidak mampu memberikan momen gaya untuk memutar tubuhnya. Tetapi ketika posisi pusat berat (tanda silang) balerina menyimpang dari posisi seimbang (Gb. 2b), gaya berat akan membuat balerina terpelanting dalam waktu yang relatif sangat singkat.  Jika mula-mula pusat berat balerina menyimpang 1o, dalam waktu 1 detik, pusat beratnya ini akan menyimpang 8o. Tetapi jika posisi awalnya menyimpang 5o,  dalam 1 detik pusat berat balerina  menyimpang 37o.  Sangat berbahaya bagi si balerina.

Selanjutnya keseimbangan lain yang lebih rumit adalah keseimbangan ketika penari berpasangan (Gb. 3).  Pada keseimbangan ini memang pusat berat masing-masing penari tidak berada di atas titik tumpunya, namun pusat berat gabungannya masih berada diatas titik tumpunya. Titik tumpu pada keseimbangan ini harus dibuat cukup luas agar pusat berat dapat diatur untuk tetap berada diatas titik tumpu ini. Itu sebabnya penari pria harus memijakkan kakinya (tidak berjinjit) dan membuka kedua kakinya agar lebar. 

Bergerak 

Bagaimana penari bergerak? Apa yang menggerakannya? 

Ketika seseorang hendak bergerak maju yang ia lakukan adalah menekan lantai dengan kakinya ke arah  belakang.  Ketika mendapat tekanan, lantai bereaksi dan mendorong  kaki orang itu  dengan gaya yang sama besar ke depan sehingga orang bergerak maju.  Semakin keras kaki kita menekan lantai, semakin cepat kita bergerak maju.  Konsep yang sederhana ini merupakan konsep penting yang digunakan para penari balet untuk bergerak. 

 Pada Gb. 4a seorang penari pria  berdiri seimbang. Berat badannya terdistribusi merata pada kedua kakinya. Penari kemudian  mengangkat kaki kirinya sedikit sehingga ia  bertumpu pada kaki kanannya. Pusat berat penari sekarang tidak berada. di atas titik tumpunya lagi,   akibatnya penari mulai jatuh ke depan dan kaki kanannya  menekan lantai ke belakang. Lantai bereaksi dan mendorong kaki penari ke depan sehingga penari bergerak maju (Gb. 4b).

Ketika penari sedang bergerak ke depan, bisakah ia membelok atau  bergerak melingkar (manẻge)?  Menurut Newton, benda yang bergerak lurus akan membelok jika ada gaya ke samping. Darimana kita peroleh gaya ke samping itu? Penari balet tahu cara memperoleh gaya ke samping ini. Ketika penari hendak membelok ke kanan, kakinya akan menekan lantai ke kiri. Lantai akan memberikan reaksi dengan menekan kaki penari ke kanan sehingga lintasannya berbelok ke kanan.  Semakin keras penari menekan lantai, semakin tajam belokannya. Jika tekanan pada lantai ini berlangsung terus menerus, lintasan si penari akan berbentuk lingkaran. Disini gaya dari lantai bertindak sebagai gaya sentripetal.

Ketika bergerak melingkar penari akan merasakan gaya sentrifugal yang arahnya menjauhi pusat lingkaran. Untuk mengatasi gaya ini penari harus sedikit memiringkan tubuh bagian atasnya (Gb. 5).  Jika penari  bergerak dengan kecepatan 4 m/s dalam suatu lingkaran berdiameter 10 meter maka ia harus memiringkan tubuhnya sekitar 18o dari garis vertikal.

Melompat 

Penari balet tahu cara melompat! Yang ia lakukan adalah menekan kakinya pada lantai secara vertikal. Dengan memberi tekanan pada lantai, lantai memberikan reaksi mendorong kaki sang penari ke atas. Penari juga tahu bahwa lompatan akan lebih tinggi jika saat melompat lutut ditekuk. Disini tekukan lutut bertindak seperti pegas yang tertekan, siap untuk melontarkan benda yang diletakkan di atasnya. Semakin besar tekukan lutut, semakin tinggi tubuh terlontar. Namun perlu diingat bahwa lutut yang terlalu bengkok akan mengurangi gaya tekan kaki pada lantai. Penari biasanya tahu berapa besar ia harus menekuk lututnya untuk mencapai ketinggian optimal. Untuk melompat setinggi 30 cm, penari  biasanya  menekuk lututnya sejauh 30 cm disertai gaya tekan pada lantai sebesar hampir satu kali berat badannya. Pada gerakan kombinasi (grand jetẻ) penari  melakukan gerak vertikal dan gerak mendatar secara serempak. Ketika tubuh lepas kontak dari lantai, lintasan pusat berat berbentuk  suatu parabola (Gb. 6).  Untuk menambah tinggi lompatan penari harus memberikan tambahan energi dengan berlari lebih cepat. Hal yang sama dilakukan oleh para pelompat tinggi. Untuk melompat setinggi mungkin, si pelompat harus berlari secepat mungkin.  Gerakan kombinasi ini sulit dilakukan tanpa latihan yang serius. Penari harus benar-benar tahu kapan waktu melompat dan berapa kecepatan yang harus ia berikan agar gerakannya ini sesuai dengan irama musik yang dimainkan.

Pada Gb. 6 seorang penari melakukan grand jetẻ. Gerakan ini banyak membuat penonton terpukau. Penonton melihat si penari seolah-olah terbang mendatar pada ketinggian tertentu. Ilusi terbang disebabkan karena hampir separuh dari waktu terbang penari berada pada ketinggian di atas  ¼  posisi puncak. Jika grand jetẻ   berlangsung selama 0,8 detik dan tinggi maksimum 40 cm,  maka selama 0,4 detik penari akan berada pada ketinggian antara 30 cm sampai 40 cm.  Karena berada cukup lama di udara (disekitar puncak) maka penari akan tampak seperti terbang. Penari akan memperkuat ilusi terbang ini dengan mengangkat dan merentangkan kedua kakinya selebar mungkin serta menggerakan beberapa anggota tubuhnya agak ke atas. Selesai melakukan grand jetẻ penari mendarat pada lantai lentur dengan lutut ditekuk. Tanpa lantai lentur dan tekukan lutut yang cukup besar, penari akan cedera. Penari akan merasakan gaya sebesar 200 kali berat badannya jika ia mendarat dengan lutut Gb 6. Grand jetẻ tertekuk 2,5 cm pada lantai beton dari ketinggian 50 cm. Gaya sebesar ini sangat besar,  bisa  membuat penari cedera (kaki patah atau urat-urat putus).  

Berputar

Tarian balet sangat dikenal  dengan putaran diatas satu kakinya (pirouette).  Ada dua  jenis pirouette: en dedans berputar kearah kaki yang menopang (berputar ke kanan dengan kaki kanan pada lantai) dan  en dehors (berputar ke kiri dengan kaki kanan pada lantai). En dedans dan en dehors dapat divariasi dengan menempatkan kaki yang berputar pada berbagai posisi. Pada normal pirouette sepatu kaki yang berputar menempel pada lutut kaki yang menopang sedangkan pada  grande pirouette kaki yang berputar berada pada posisi mendatar.   Gerakan pirouette yang terkenal adalah fouettẻ  yaitu pirouette en dehors yang dilakukan berulang-ulang. 

Bagaimana penari berputar?

Penari berputar dengan menggerakan ujung sepatu depan dan belakang ke samping berlawanan (Gb. 8a) . Lantai akan memberikan reaksi dengan memberikan gaya yang  berlawanan pada kedua ujung sepatu itu. Kedua gaya yang disebut kopel ini akan memutar penari. 

Cara lain untuk berputar adalah dengan menggerakan kedua kaki dalam arah berlawanan. Kopel gaya dari lantai akan memutar penari (Gb. 8b). Ketika penari  Gb. 8a Kopel  Gb. 8b. Kopel gaya pada 2 kaki mulai berputar, ia dapat menaikkan kaki yang satunya pada posisi normal ataupun arabesque.  Ketika penari sudah  berputar, penari dapat mengatur kecepatan putarnya dengan mengatur besar momen kelembamannya. Disini momen kelembaman merupakan kecenderungan benda untuk mempertahankan posisinya untuk tidak ikut berputar. Benda yang momen kelembamannya besar, sangat sukar berputar. Sebaliknya yang momen kelembamannya kecil lebih mudah berputar. Benda akan berputar lebih cepat jika momen kelembamannya diperkecil sebaliknya benda akan berputar lebih lambat jika momen kelembamannya diperbesar. Penari dengan tangan terentang dan salah satu kaki pada posisi mendatar (arabesque) mempunyai momen kelembaman hampir 4 kali lipat lebih besar dibandingkan  momen kelembaman ketika penari dalam posisi normal (tangan ke bawah dan sepatu kaki yang satu menyentuh lutut kaki yang lain). Jika balerina berubah dari posisi arabesque ke posisi normal kecepatan sudutnya menjadi 4 kali lebih cepat. Untuk bergerak lebih lambat penari tinggal merentangkan tangan atau kakinya.

Mengasyikan sekali bukan? Ternyata balet yang kata orang lebih banyak menggunakan perasaan dapat dianalisa secara asyik dengan fisika.  Sejak kapan sebenarnya orang menganalisa gerakan suatu tarian? Ribuan tahun lalu Aristoteles seorang filsuf terkenal berusaha menganalisa tarian dengan menggunakan prinsip  geometri. Kemudian pada tahun 1500-an, Barelli murid Galileo menganalisa gerakan tarian dengan fisika. Untuk usaha kerasnya  menganalisa berbagai jenis gerak termasuk beberapa tarian, Barelli dijuluki sebagai bapak Biomekanika. Tarian balet yang merupakan salah satu tarian yang muncul agak belakangan  dianalisa secara detil oleh Kenneth Laws pada awal tahun 1980-an. Kenneth Laws adalah seorang fisikawan yang sangat mencintai balet. Karena kecintaannya pada balet Kenneth Laws mengabdikan dirinya untuk meneliti gerakan-gerakan balet secara teliti dan mencoba menjelaskan setiap gerakan balet secara detil  dengan menggunakan fisika. Menurut dia, usahanya menganalisa gerakan balet tidak sia-sia. Kini ia mampu membuat orang termasuk dirinya semakin menghargai, menikmati dan makin jatuh cinta pada  tarian balet.  Gb.9a. Putaran lebih lambat Gb.9b. Putaran lebih cepat Alangkah indahnya jika di Indonesia ada fisikawan-fisikawan yang begitu cintanya pada tarian jaipongan, tarian bali ataupun tarian daerah lain dapat mengabdikan dirinya untuk meneliti tarian-tarian itu. Siapa tahu  hasil penelitian ini dapat membuat masyarakat lokal dan internasional lebih menghargai dan lebih menikmati musik serta tarian-tarian yang merupakan bagian dari budaya kita.   Lebih dari itu siapa tahu hasil penelitian dapat menciptakan  gerakan-gerakan baru nan kompleks dan  indah. Dampak yang lebih jauh lagi adalah cepat atau lambat pasti akan terbentuk suatu masyarakat ilmiah dimana fisika akan bertambah populer serta  menjadi sahabat bagi banyak siswa, tidak lagi menjadi momok yang menakutkan (Olahraga 1).

Tinggal dalam Balon Raksasa

Ini benar-benar balon raksasa! Dan  kita benar-benar dapat tinggal di dalamnya. Rumah yang berbentuk balon! Di mana lokasinya? Di bulan dan planet-planet lainnya! Balon-balon raksasa ini nantinya akan menjadi tempat tinggal para astronot, peneliti, bahkan turis yang hanya ingin merasakan pengalaman berpetualang di luar angkasa. 

Teknologi  inflatable structure ini memperkenalkan pesawat, antena, tempat tinggal, stasiun pengamat, dan berbagai struktur lainnya yang berbentuk  semacam balon yang dapat di’tiup’ (inflate) saat mencapai tujuannya. Keunggulan utama teknologi ini adalah sifat praktis dan ringannya material yang digunakan. Saat diluncurkan dari bumi, bentuknya bisa berupa kotak kecil mirip kontainer biasa yang relatif ringan dibandingkan pesawat ruang angkasa dan antena konvensional. Begitu sampai di orbitnya barulah ‘kotak’ itu mengembang menjadi besar seakan ditiup seperti balon. Dengan penggunaan bahan-bahan ringan ini biaya peluncuran dapat ditekan sangat rendah sehingga proyek-proyek penjelajahan ruang angkasa dapat dijalankan dengan lebih ekonomis. Begitu menjanjikannya teknologi  ini sehingga para ilmuwan yakin bahwa teknologi inilah yang nantinya akan menjadi sarana pendukung turisme ke bulan dan berbagai planet lain di ruang angkasa. Selama ini biaya yang harus dikeluarkan untuk mengirimkan satu astronot atau bahkan pesawat-pesawat yang tidak berawak ke ruang angkasa begitu tinggi sehingga kemungkinan untuk berpetualang di ruang angkasa begitu tertutup bagi masyarakat awam.  Inflatable spacecraft dan inflatable habitat mungkin merupakan jawaban bagi masalah ini.

Konsep utama teknologi inflatable structure ini adalah penggunaan bahan-bahan yang super ringan tetapi kuat.  Kenapa harus bahan-bahan yang ringan? Karena semakin berat pesawat semakin besar energi yang dibutuhkan untuk meluncurkannya ke luar angkasa. Ini berarti bahan bakar yang dibutuhkan semakin banyak pula. Bertambahnya jumlah bahan bakar semakin menambah pula berat beban yang harus dibawa oleh pesawat. Semuanya menyebabkan semakin mahalnya biaya yang harus dikeluarkan untuk proyek-proyek luar angkasa ini. Dengan penggunaan bahan-bahan yang super ringan (tetapi tetap memiliki kualitas tinggi) biaya yang harus dikeluarkan dapat ditekan sehingga membuka kemungkinan diadakannya perjalanan ke luar angkasa bagi masyarakat umum. 

Salah satu tipe  inflatable structure yang sedang gencar dikembangkan adalah  inflatable space habitat yang menyediakan ‘rumah’ bagi para astronot yang sedang bermarkas di stasiun luar  angkasa. Unit ujicobanya diberi nama TransHab (Gambar 1). Ukurannya diameternya saat peluncuran hanya mencapai 4,3 meter, tetapi begitu mencapai  orbit TransHab langsung digelembungkan (inflate) dengan cara menyemprotkan gas nitrogen (N2) sehingga mencapai diameter maksimum 8,2 meter. Saat sudah mengembang seluruhnya, rumah balon tiga lantai ini memiliki volume 339,8 m3. Kulit atau cangkang yang membungkus rumah di ruang angkasa ini tersusun dari dua belas sampai tujuh belas lapisan bahan berbeda. Lapisan terluarnya  merupakan bahan Kevlar yang mampu menahan gaya sebesar 12.500 lbf. Ini berarti lapisan terluar itu mampu melindungi rumah balon ini dari terjangan partikel-partikel dan batu-batu (sampai diameter 1,8 cm) yang berkeliaran di luar angkasa (space debris) yang bergerak pada kecepatan 7 km per detiknya. Ini melebihi kekuatan struktur aluminium yang semula direncanakan sebagai bahan utama ‘perumahan’ di luar angkasa ini. Aluminium hanya bisa bertahan saat diterjang partikel berdiameter maksimal 1,3 cm. Semua lapisan kulit ini dirancang untuk semakin memperkuat ketahanan kulit multi-layer ini. Lapisan-lapisan lainnya  termasuk bahan-bahan keramik, busa polyuretan, dan lapisan polimer. Lapisan keramik Nextel telah lolos ujicoba kekuatan saat berhasil menghancurkan sebuah partikel berdiameter 1 cm yang menabraknya pada kecepatan orbital. Lapisan-lapisan kulit yang sangat tebal ini (total ketebalan kulit ini mencapai  0,3 meter) menjadi perisai yang melindungi penghuninya dari dampak negatif perubahan temperatur di ruang angkasa yang berfluktuasi pada temperatur -200oF sampai 250oF (sekitar -129oC sampai 121oC).

Rumah balon ini sama lengkapnya dengan rumah biasa di bumi. Ruang makan dan ruang penyimpanan baju terletak di lantai paling bawah. Lantai kedua berisi ruang mekanik dan kamar-kamar para astronot (sekitar enam kamar). Masing-masing kamar ini dilengkapi dengan tempat tidur, lemari, dan seperangkat komputer yang bisa digunakan untuk bekerja maupun untuk bermain di waktu santai. Lantai paling atas merupakan pusat kesehatan, ruang olahraga (dilengkapi beberapa alat fitnes), dan beberapa kamar mandi. Saat ujicoba, TransHab berhasil digelembungkan secara total dalam waktu 10 menit saja. Teknik penggelembungan inilah yang saat ini terus disempurnakan supaya tidak terjadi peristiwa tersangkutnya bahan-bahan kulit pada struktur tulang-tulangnya. Bahan-bahan yang digunakan sebagai lapisan-lapisan kulit atau cangkang pelindungnya pun terus dikembangkan supaya meningkat kekuatannya sehingga aman dari ancaman asteroid dan meteorit kecil yang mungkin menabraknya. 

HST atau Hubble Space Telescope yang mulai mengorbit di angkasa sejak bulan April 1990 merupakan teleskop utama yang selama ini menjadi sumber informasi mengenai ruang angkasa. Berbagai gambar yang terekam teleskop raksasa ini sudah membantu meningkatkan pemahaman mengenai tata surya kita. Tetapi biaya yang harus dikeluarkan untuk meluncurkan teleskop yang sejenis HST sangat besar karena ukuran dan beratnya yang luar biasa. Padahal dunia astronomi sangat membutuhkan teleskop lain yang dapat mengintip lebih jauh lagi ke luar tata surya kita. Itu berarti teleskop yang harus diluncurkan jauh lebih besar dari HST.  Inflatable Telescope merupakan alternatif yang sangat menarik karena seluruh struktur teleskop raksasa itu terbuat dari bahan-bahan ringan yang sangat kuat dan kokoh. Teleskop yang berukuran  dua kali lebih besar dari HST ini beratnya hanya mencapai seperenam belas kali berat HST. Faktor ini dapat menurunkan biaya peluncuran dan pemeliharaan teleskop selama mengorbit di angkasa. Teleskop yang diberi nama ARISE (Advanced Radio Interferometry between Space and Earth) ini bahkan memiliki resolusi 3.000 kali lebih baik dari Hubble karena menggunakan lebih dari satu antena. Dengan ARISE kita mungkin bisa mendapatkan gambar-gambar lubang hitam, planet-planet di luar tata surya kita, bahkan bintang selain matahari kita. 

Pada tahun 2000 para peneliti bahkan telah berhasil mengembangkan teknologi baru yang memungkinkan pembuatan bahan-bahan komposit yang lebih kuat untuk digunakan sebagai inflatable structures. Bahan komposit ini mencegah terjadinya konsentrasi gaya pada titik tertentu sehingga sewaktu permukaannya mendapatkan gaya, gaya tersebut justru disebarkan secara merata ke seluruh luas permukaan (tidak terfokus  di satu tempat saja). Mekanisme yang disebut redundant load path ini sudah dipatenkan atas nama Georgia Tech Research Corp. Dengan demikian, bahan komposit ini tidak mudah rusak atau robek atau retak atau pecah. Bahan komposit ini nantinya tidak hanya digunakan pada  inflatable structures saja, tetapi bisa pula dimanfaatkan sebagai bahan tali yang digunakan untuk menahan berat saat mendaki gunung bagi para pencinta alam serta untuk bahan sabuk pengaman pada helikopter. Tentunya aplikasi yang paling menarik adalah inflatable space structures yang memungkinkan pariwisata ke luar angkasa. (bermimpi_17)

Terbang tanpa Sayap

Ini sih impian manusia sejak dulu! Manusia selalu saja ‘cemburu’ pada hewan-hewan yang bisa terbang tanpa  memerlukan alat-alat bantuan, cukup dengan mengepakkan sayapnya saja. Tidak berhasil terbang sendiri tanpa sayap, manusia pun meniru konsep burung-burung di udara dan mengaplikasikannya pada desain pesawat terbang. Kedua sayap  raksasa di sisi pesawat terbang telah berhasil menerbangkan pesawat buatan  manusia itu! Teknologi sudah berhasil merealisasikan mimpi manusia. Tetapi, teknologi canggih ini tetap ada kekurangannya! Kita jadi  terkurung dalam kabin pesawat sepanjang perjalanan mengarungi angkasa. Nikmatnya jadi berkurang! Lagipula, kita tetap tidak bisa merasakan kebebasan seperti burung yang terbang di udara. Kaki kita tetap menginjak permukaan lantai pesawat. Wah, ini sih sama saja bukan terbang! Lalu, bagaimana caranya kita bisa benar-benar merasakan kaki terangkat di udara tanpa ditopang apa pun juga? Bagaimana caranya terbang tinggi tanpa sayap seperti lagu Flying Without Wings yang pernah terkenal itu? Bagaimana kalau kita ingin terbang sendiri tanpa sayap dan tanpa harus berbagi ruangan seperti di kabin pesawat bersama para penumpang lain? Masa sih teknologi yang sudah begitu canggihnya masih tidak bisa  mengalahkan burung? Masa  sih Fisika tidak bisa memberi jawaban?

Fisika sudah memberi beberapa alternatif jawaban! Ada beberapa olahraga, seperti terbang layang, yang memungkinkan manusia untuk merasakan kakinya benar-benar terangkat dari permukaan dan  terbang melayang. Tetapi olahraga ini tetap membutuhkan pesawat terbang layang yang juga menggunakan sayap. Jadi, tidak bisa terbang tanpa sayap? Secara alami itu memang tidak mungkin! Burung dan kupu-kupu saja butuh sayap untuk bisa beterbangan di udara. Ini karena adanya gaya tarik gravitasi bumi yang memaksa kita untuk terus ‘lengket’ di permukaan lantai atau tanah. Untuk bisa terbang kita butuh sesuatu yang bisa mengalahkan gaya berat kita itu. Burung mengepakkan sayapnya dalam rangka memberi aksi pada permukaan tanah (ada siraman udara menuju tanah) supaya tanah memberi reaksi berupa gaya angkat yang bisa mengalahkan gaya beratnya. Seperti kita tahu, Hukum III  Newton menyatakan bahwa setiap aksi selalu mendapatkan reaksi yang besarnya sama tetapi pada arah yang berlawanan. Wah, ternyata burung dan hewan-hewan udara lainnya pintar fisika ya! Mereka bisa mengaplikasikan Hukum Newton setiap saat!

Belakangan manusia pun akhirnya  menyontek strategi burung saat merancang pesawat terbang. Sayap pesawat didesain mengikuti bentuk sayap burung supaya bisa menghasilkan gaya angkat yang bisa mengalahkan gaya berat pesawat yang sangat besar itu. Tetapi sayap raksasa itu tidak bisa dikepakkan, karena pasti jadi merepotkan! Sebagai gantinya, pesawat terbang memiliki mesin pesawat yang fungsinya menghasilkan gaya dorong yang besar sehingga siraman udara yang dihasilkan semakin besar pula  dan reaksi yang didapatkan pesawat mampu mengangkat pesawat yang berat itu. Manusia memang banyak akal! Lalu bagaimana menyiasati terbang yang tanpa sayap? Terbang dengan roket!

 Roket? Mengapa tidak? Pesawat-pesawat tempur dan pesawat ruang angkasa sudah banyak memanfaatkan roket untuk meluncurkannya di udara. Tentunya roket yang digunakan untuk terbang di atmosfer bumi berbeda dengan roket yang digunakan di pesawat ruang angkasa, tetapi keduanya mengaplikasikan konsep serupa. Mesin roket pada pesawat ruang angkasa mengeluarkan aksi dengan cara menyemprotkan sejumlah massa gas tekanan tinggi. Semua gas ini sengaja disemprotkan ke satu arah yang sama (yaitu ke bawah atau ke arah tanah) supaya didapatkan reaksi ke satu arah juga, yaitu ke arah atas menuju angkasa. Gas tekanan tinggi yang disemprotkan keluar ini merupakan hasil pembakaran bahan bakar cair (misalnya hidrogen cair atau senyawa-senyawa hidrokarbon) atau padat.  Rocket Belt seperti di Gambar 1 merupakan sabuk yang dilengkapi roket pribadi ini. Sabuk ini bisa kita selempangkan seperti tas ransel yang memuat dua tangki kecil yang bisa membuatnya berfungsi sebagai mesin jet pribadi. Roket pribadi ini menggunakan prinsip aksi-reaksi yang sama dengan mesin roket raksasa yang digunakan di pesawat-pesawat tempur dan pesawat ruang angkasa. Bahan kimia yang digunakan adalah hidrogen peroksida dan gas nitrogen bertekanan tinggi. Hidrogen peroksida (sekitar 23 liter) didorong oleh gas nitrogen yang bertekanan tinggi itu supaya masuk ke ruang yang berisi katalis perak (perak yang dilapisi samarium nitrat). Di  dalam ruang itu katalis perak mengubah hidrogen peroksida menjadi kukus lewat jenuh (superheated steam) yang memiliki tekanan dan temperatur sangat tinggi (mencapai 743oC). Kukus tekanan tinggi ini kemudian berlomba-lomba untuk keluar dari tangki pada kecepatan tinggi pula. Supaya tubuh kita tidak terbakar gas panas ini kita harus selalu menggunakan baju tahan panas yang bisa melindungi kita. Saluran/pipa yang menjadi jalan keluar gas pun diselimuti dengan bahan insulasi untuk memperkecil panas yang hilang. Siraman gas panas ini menjadi gaya aksi yang akhirnya mendapatkan gaya reaksi yang mampu mengangkat kedua kaki kita dari permukaan tanah. Kita pun bisa terbang,  dan tanpa sayap! Kita bahkan tidak terkurung dalam kabin pesawat bersama  sejumlah penumpang lainnya. Kita bisa terbang solo! Menurut hasil-hasil tes  yang sudah ada roket pribadi ini dapat mencapai kecepatan 161 km/jam. Angka yang cukup bagus! Bahkan James Bond ikut-ikutan tergoda untuk mencobanya  di salah satu filmnya yang berjudul Thunderball (tahun 1965). Roket ini juga  pernah memamerkan kebolehannya di upacara pembukaan pesta olahraga dunia, Olimpiade Los Angeles, pada tahun 1984. Rancangan roket ini masih memerlukan banyak penyempurnaan terutama dalam hal kelincahan bergerak dan lamanya waktu terbang yang bisa dicapai. 

  Ada versi lain yang lebih menjanjikan dari rancangan jet pribadi ini. Versi ini walaupun tidak menggunakan sayap tetapi tetap menggunakan bantuan baling-baling (seperti di helikopter). Sepasang baling-baling yang masing-masing berputar ke arah berlawanan dipasang tinggi di atas kepala kita. Baling-baling inilah yang berfungsi untuk menghasilkan gaya aksinya. Mesin  Exo-Skeletor Flying Vehicle (EFV) yang memiliki daya 130 HP (HP =  Horse Power) ini memutar baling-baling pada kecepatan 3.500-4.000 putaran per menit sewaktu lepas landas secara vertikal, dan dapat  terbang pada kecepatan maksimal 129 km/jam sejauh 241 km menggunakan 10,5 galon gas bahan bakar. XFV bisa mencapai ketinggian 3.048 meter dan  cukup praktis untuk digunakan. Begitu praktisnya, kita bahkan bisa mendarat di atas meja! Rancangan ini lebih lincah dan menawarkan waktu terbang yang jauh lebih lama dari sabuk roket. Sabuk roket yang sudah dikembangkan sekarang menghabiskan bahan bakar sebanyak 23 liter gas selama 30 detik sehingga tidak bisa mencapai waktu terbang yang lebih lama. Padahal XFV bisa terbang  selama lebih dari 3 jam hanya dengan bahan bakar sebanyak 10 galon saja.  Keunggulan lainnya adalah mudahnya pengendalian arah terbang XFV yang menggunakan  steering system yang tidak dimiliki rocket belt. Untuk menjamin keselamatan, hanya mereka yang memiliki tinggi badan sekitar 163-198 cm (tinggi XFV sekitar 2,3 meter termasuk baling-balingnya) dengan massa sekitar 52-12 kg saja yang boleh mengendarai XFV.

 Rancangan mana pun yang nantinya lebih populer akan terus dikembangkan supaya semakin sempurna. Yang pasti, teknologi sudah berhasil merealisasikan kembali mimpi manusia untuk terbang tanpa sayap, walaupun hanya sebagai sarana rekreasi dan sarana transportasi jarak dekat dan darurat saja.

(bermimpi_16)

Suasana Perkantoran di Masa Depan

Masih ingat ruangan  holodeck dalam film fiksi ilmiah Star Trek yang terkenal itu? Dalam  holodeck semua kru pesawat ruang angkasa hasil imajinasi Gene Roddenberry itu bisa merealisasi semua keinginan dan fantasinya. Ruangan yang lebih banyak difungsikan sebagai sarana rekreasi kru pesawat itu dapat diprogram untuk menampilkan segala bentuk hologram yang tampak nyata dan dapat berinteraksi dengan  siapa pun yang ada di dalamnya. Suatu saat kapten pesawat Enterprise itu berlayar di laut fantasi seakan ia sedang berada di planet Bumi dan benar-benar berlayar di laut yang sesungguhnya. Di saat lain salah satu kru sering menenggelamkan dirinya dalam fantasi cerita misteri Sherlock Holmes yang dunianya benar-benar menjadi nyata dalam holodeck. Apakah teknologi kita dapat merealisasikan imaginasi pembuat film laris dunia itu?

Mari kita menengok kembali penemuan hologram yang menjadi inspirasi Gene Roddenberry dalam menciptakan  holodeck yang luar biasa itu. Teknologi yang menjadi latar belakang terciptanya hologram lahir dari fisikawan Hungaria, Dennis Gabor, yang mengembangkan teori holografi sejak tahun 1947. Istilah hologram berasal dari Bahasa Yunani  Holos (penuh atau lengkap) dan Gram (pesan atau informasi). Hologram didefinisikan sebagai media yang menyimpan semua informasi yang lengkap. Awalnya Gabor sedang berusaha meneliti mikroskop elektron. Ia mengembangkan teori untuk mengembangkan kemampuan mikroskop elektron itu. Pada saat ia berusaha membuktikan teorinya tersebut ia tidak menggunakan pancaran elektron, tetapi justru menggunakan cahaya. Hasilnya, ia justru menciptakan hologram pertama di dunia. Tentunya hologram pertama ini masih tidak sempurna dan banyak kekurangan. Ini disebabkan kurang memadainya sinar/cahaya yang digunakan. Sinar yang dibutuhkan untuk menciptakan hologram yang lebih baik adalah sinar LASER yang baru dikembangkan pada tahun 1960.

LASER merupakan singkatan dari  Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Cahaya laser merupakan cahaya yang memiliki beberapa karakteristik khusus yang membedakannya dengan cahaya biasa. Sinar laser merupakan cahaya monokromatik (satu panjang gelombang yang spesifik), koheren (pada frekuensi dan fasa yang sama), dan menuju satu arah yang sama sehingga cahayanya menjadi sangat kuat, terkonsentrasi (terpusat), dan terkoordinir dengan baik. Untuk memahami perbedaan sinar laser dengan cahaya lampu biasa kita bisa menganalogikannya  dengan melihat kondisi lalu lintas di suatu jalan raya satu arah, misalnya di  jalan tol bebas hambatan. Di jalan tol itu kita bisa melihat banyak jenis mobil  dengan bermacam warna, bentuk, ukuran, dan merk. Semuanya berjalan pada kecepatan yang berbeda-beda. Ini menggambarkan cahaya yang biasa kita temui di sekitar kita, seperti cahaya lampu senter. Masing-masing gelombang cahaya merambat pada berbagai panjang gelombang, frekuensi, dan fasa yang berbeda-beda satu sama lain. Misalnya di jalan tol tadi kita kemudian melihat sederetan mobil yang persis sama bentuknya, warna, jenis, ukuran, dan merknya. Semua bergerak dengan kecepatan yang sama persis dan semuanya berada pada jarak yang sama satu sama lain. Kita terus melihat pasukan yang terkoordinir dengan rapi ini melaju tanpa pernah terjadi ketidakberaturan. Inilah yang dianalogikan dengan sinar laser. Keseragaman dalam semua aspek ini menggambarkan  sifat monokromatik dan koheren sinar laser. Karena itulah sinar laser bisa menghasilkan hologram yang lebih berkualitas.

Untuk membuat sebuah hologram, sinar  laser (Gambar 1) diarahkan pada sebuah pembagi (beam splitter) yang membaginya menjadi dua bagian, sinar 1 dan sinar 2. Sinar 1 merupakan referensi atau acuan (reference beam), sedangkan sinar 2 merupakan sinar yang nantinya diarahkan ke obyek yang akan dibuat hologramnya (disebut  object beam). Sinar 1 memantul pada cermin yang berfungsi untuk mengarahkan sinar pada film. Sinar 2 juga dipantulkan pada cermin yang berfungsi untuk mengarahkannya pada obyek. Saat mengenai obyek, sejumlah sinar (yang berasal dari sinar 2 tadi) dipantulkan oleh obyek sehingga pantulannya itu berinterferensi dengan sinar 1 saat mencapai film. Interferensi gelombang cahaya inilah yang dicatat informasinya dalam film tersebut. Informasi ini merupakan informasi atau data lengkap mengenai pola interferensi yang sangat bergantung pada bentuk permukaan obyek yang memantulkan sinar tadi. Jika film tersebut disinari lagi dengan sinar 1 (reference), informasi pola interferensi cahaya tadi dapat ditampilkan dalam bentuk tiga dimensi yang selama ini kita kenal sebagai hologram. Holografi atau proses pembuatan hologram ini terus dikembangkan supaya tampilan tiga dimensinya semakin sempurna dan semakin persis dengan obyek aslinya. Salah satu teknologi yang  menjadi kunci utama perkembangan teknik holografi adalah teknologi sinar lasernya. Sinar laser yang 100% koheren sangat mahal dan susah didapatkan. Inilah inti penelitian yang sedang gencar dijalankan oleh para peneliti dunia saat ini.

Supaya ruangan kantor kita bisa seperti holodeck pesawat Enterprise yang canggih itu, teknologi holografi harus didukung lagi oleh kamera-kamera berkualitas, komputer canggih yang super cepat, serta jaringan internet yang dapat diandalkan. Dunia yang dipenuhi hologram (holographic environment) ini menggunakan konsep tele-emersi. Sejumlah kamera digunakan untuk merekam obyek-obyek yang akan dibuat hologramnya. Kamera yang digunakan harus banyak karena harus bisa merekam semua sudut pandang yang ada supaya hologram yang dihasilkan benar-benar tampak jelas dalam tiga dimensi. Berbagai sensor elektronik digunakan untuk mendeteksi adanya pergerakan (perubahan posisi) obyek. Data-data ini diolah oleh komputer dan kemudian disebarkan melalui internet supaya dapat diproyeksikan di berbagai tempat.  

 Suasana perkantoran di masa depan akan banyak melibatkan teknologi tele-emersi ini. Seorang arsitek yang  akan mempresentasikan rancangannya (Gambar 2) dapat tampil lebih meyakinkan dengan bantuan hologram yang dapat ditampilkan dalam ruangan presentasi. Rancangannya dapat dilihat dalam bentuk tiga dimensi yang sangat jelas dan  indah. Kreativitas sang arsitek dapat dimaksimalkan dan semua yang melihat hologram itu dapat langsung mengerti ide yang akan disampaikan. Asyiknya lagi, jika kita punya klien yang berada di lokasi yang berjauhan, misalnya di kota atau negara yang berbeda, kita dapat tetap melakukan presentasi atau mengadakan  berbagai rapat penting tanpa perlu melangkah keluar dari kantor masing-masing. Kita hanya perlu menghubungi kantor-kantor klien dan memanfaatkan tele-emersi yang seketika itu pula dapat menampilkan ruangan kantor mereka di dalam ruangan kantor kita. Ruangan kantor kita pun langsung muncul seketika dalam kantor-kantor mereka. Kita tidak perlu lagi direpotkan masalah jarak dan transportasi. Semua jadi lebih mudah dan praktis. Kita bahkan bisa tetap mengerjakan pekerjaan kita di kantor tanpa perlu meninggalkan rumah sama sekali. Kita bisa melakukan semuanya dari rumah! Ini lebih hebat dari teknologi holodeck dalam film Star Trek! Potensi yang lebih besar lagi terdapat di dunia kedokteran. Dokter-dokter bedah ahli yang mungkin hanya ada di  kota-kota besar kini dapat membantu berbagai operasi penting di lokasi-lokasi yang selama ini susah dijangkau. Pasien dapat dibantu dengan lebih cepat sehingga dapat meningkatkan kemungkinan kesembuhannya. Mahasiswa kedokteran pun  dapat berlatih tanpa perlu pasien yang sebenarnya. Hanya dengan hologram mereka bisa mengerjakan semuanya.Kita bahkan tidak  anya dapat melihat dan menyentuh hologram, tetapi kita juga dapat mencium aromanya dengan bantuan sensor-sensor canggih yang saat ini masih dalam tahap pengembangan. Kita tidak perlu lagi berpisah dengan keluarga walaupun kita sedang  berada di lokasi yang berjauhan. Dunia futuristik ini merupakan bukti kehebatan teknologi.(bermimpi_15)

Space Elevator

Naik lift ke bulan? Bagaimana caranya? Apakah ada lift yang bisa mencapai ketinggian itu? Keajaiban fisika dan nanoteknologi yang fantastis membuat impian ini bisa menjadi nyata! Walaupun jika lift itu tidak mencapai bulan, setidaknya lift itu bisa membawa kita menuju satelit yang mengorbit mengelilingi bumi pada jarak yang lebih  dekat dibanding orbit bulan. Lift ini dapat dibangun dengan sangat mudah  di dunia nanoteknologi menggunakan konsep fisika yang sangat sederhana.

Apa yang dibutuhkan untuk membuat lift ini? Satu hal yang pasti: bahan yang sangat kuat dan sangat panjang semacam kabel raksasa yang bisa menjulur dari bumi ke satelit yang sedang mengorbit  itu. Itu lho, yang seperti di cerita dongeng Jack and the Bean Stalk itu! Tetapi kita tentunya tidak mau seperti Jack yang harus memanjat setinggi itu sampai mencapai negeri khayangan. Kita ingin meluncur ke luar angkasa di dalam sebuah ‘lift’ yang nyaman dan mampu membawa kita ke angkasa dalam sekejap. Hmm… rasanya jalan-jalan ke luar angkasa bisa menjadi agenda mingguan! Pasti seru menjelajahi jagad raya ini! Siapa sih yang bisa menyediakan keajaiban ini? Siapa lagi kalau bukan ilmuwan-ilmuwan pintar dari National Aeronautics and Space Administration (NASA) yang tersohor itu.

Apa rencana NASA dalam mewujudkan impian ini? Pertama-tama, kita tentunya membutuhkan sebuah menara yang sangat tinggi yang bisa dijadikan ‘stasiun’ keberangkatan ke  angkasa. Menara ini harus lebih tinggi dari menara tertinggi yang ada di bumi saat ini. Menara ini harus mencapai ketinggian 50 km! Padahal bangunan tertinggi yang ada saat ini hanya sekitar 0,5 km. Pasti susah sekali membangun struktur yang setinggi itu! Kenapa harus setinggi itu? Ketinggian ini ternyata dibutuhkan untuk ‘menancapkan’ ujung kabel panjang yang menghubungkan bumi dengan satelit di  luar angkasa. Menara yang sangat tinggi dan kabel yang sangat panjang ini dapat dibuat dengan teknologi yang sudah ada saat ini. Kenapa selama ini tidak pernah ada  yang membuat menara setinggi itu jika memang manusia sudah mampu untuk membangunnya? Jawabnya sederhana saja! Biaya konstruksi bangunan setinggi itu sangat mahal. Lagipula, selama ini belum ada kebutuhan mendesak akan bangunan setinggi ini. Lalu bagaimana cara NASA mengakali  biaya pembangunan proyek yang luar biasa ini? Dengan bantuan Nanoteknologi!

Nanoteknologi merupakan teknologi  yang mengutak-atik material dalam ukuran nanometer (1 nanometer = seper  satu milyar meter). Dengan demikian, nanoteknologi merupakan teknologi yang sangat presisi. Teknologi yang menakjubkan ini dapat membantu cita-cita NASA untuk menekan biayapembangunan menara super tinggi dan kabel super panjang tadi. Mengapa bisa lebih murah dengan Nanoteknologi? Karena melalui bantuan nanoteknologi para ilmuwan bisa mengatur susunan atom-atom yang digunakan sesuai kemauan mereka. Mereka bahkan bisa diprogram untuk melakukan self-assembly. Ini berarti, proses pembangunan kabel yang luar biasa panjang itu dapat berlangsung secara otomatis! Tenaga kerja manusia yang dibutuhkan untuk menyelesaikan proyek ini dapat dikurangi. Proses pembangunannya pun bisa dipercepat.

Nanoteknologi juga sudah berhasil menyodorkan suatu material hebat yang sangat ringan, tetapi kekuatannya 100 kali lebih kuat dari baja! Material hebat ini diberi nama Carbon Nano-Tube (CNT). Material ini hanya tersusun dari atom karbon (C), seperti grafit dan berlian. Kuat tetapi sangat ringan sehingga menara dapat dibuat lebih tinggi dan kabel dapat dibuat lebih panjang dan kuat tanpa takut jatuh/roboh karena beratnya sendiri.  

Hal berikut yang sangat dibutuhkan adalah sesuatu yang cukup berat yang mengorbit mengelilingi bumi. Asteroid dapat dimanfaatkan untuk tujuan ini! Asteroid ini berfungsi sebagai beban yang menstabilkan kabel serta satelit geostasioner yang sedang mengorbit itu  (Gambar 1). Tanpa beban penstabil (counterweight), kabel dan satelit bisa  jatuh menimpa bumi karena tertarik gravitasi, walaupun bahan konstruksinya merupakan material yang sangat ringan. Asteroid ini nantinya dihubungkan dengan satelit menggunakan kabel yang sama. Asteroid ini dapat diarahkan supaya mengorbit pada ketinggian tertentu mengelilingi bumi dengan cara menembaknya dengan rudal. Tabrakan dengan rudal tersebut dapat menggeser posisi asteroid sehingga berada pada jangkauan gravitasi bumi. Dengan demikian asteroid akan terus mengorbit mengelilingi bumi pada ketinggian yang sama.

OK, rencana konstruksi bangunan dan lintasan/kabelnya tampaknya sudah cukup baik. Lalu bagaimana dengan ‘lift’nya sendiri? Yang pasti bentuknya tidak sama dengan lift yang biasa kita lihat di gedung-gedung bertingkat. Lift ke luar angkasa ini berupa sebuah pesawat luar angkasa yang akan membawa penumpang dari bumi menuju satelit yang sedang mengorbit. Pesawat ini berbeda dengan pesawat luar angkasa yang  saat ini digunakan para  astronot untuk menjalankan misi-misi mereka. Pesawat luar angkasa yang mereka gunakan harus diluncurkan menggunakan roket yang bisa melemparkan  pesawat sampai ke luar atmosfer bumi. Pesawat yang akan menjadi lift  kita nanti tidak  membutuhkan roket semacam itu. Pesawat modern ini memanfaatkan konsep magnetic levitation (maglev). Teknologi maglev saat ini digunakan untuk kereta api (Maglev Trains) yang melayang (tidak menyentuh permukaan rel kereta) setinggi 5-10 cm di atas rel kereta. Kereta maglev bisa melayang di atas rel karena ada gaya tolak-menolak antara magnet-magnet yang dijejerkan di sepanjang rel dengan magnet-magnet yang dijejerkan di sepanjang dasar kereta, yang memiliki kutub yang berlawanan dengan magnet-magnet di sepanjang rel tadi. Karena permukaan kereta dan rel tidak pernah bersentuhan (melayang) maka tidak terjadi gesekan antara kedua permukaan itu. Ini berarti kereta bisa meluncur dengan saat cepat! Itupun tanpa memerlukan banyak energi karena kereta meluncur dengan memanfaatkan gaya-gaya magnet yang mendorong dan menariknya sepanjang lintasan. Konsep inilah yang digunakan untuk lift luar angkasa kita. Pesawat maglev (Gambar 2) meluncur tanpa bersentuhan dengan kabel raksasa super panjang yang menjadi lintasannya. CNT yang ringan dan kuat tadi ternyata memiliki kelebihan lain. Material ajaib ini dapat bersifat magnet! Padahal biasanya semua material karbon tidak pernah menunjukkan sifat magnet.  Ini membuatnya semakin ideal untuk dijadikan bahan pembuat kabel raksasa kita. Perjalanan ke luar angkasa pun dapat ditempuh sangat cepat dan mengasyikkan! Mengasyikkan karena kita dapat mengintip ke luar jendela pesawat saat sedang meluncur, sambil menikmati keindahan pemandangan bumi dan luar angkasa.

Indah sekali mimpi itu! Apa ini benar-benar bisa terwujud? Mengapa tidak? NASA sangat bersemangat mengembangkan nanoteknologi yang akan menjadi tulang punggung proyek ini,  serta semua proyek NASA lainnya. Semangat NASA yang sangat tinggi ini dapat dimengerti karena saat ini semua proyek dan misi menjelajah ruang angkasa memakan biaya yang sangat besar. Dengan nanoteknologi semua biaya dapat diperkecil sehingga memungkinkan penjelajahan dan misi-misi yang lebih luar biasa dari yang selama ini direncanakan. Nantinya, tidak hanya para astronot saja yang bisa menikmati perjalanan ke luar angkasa. Semua orang bisa berlibur ke luar angkasa! Kita pun bisa semakin memahami jagad raya melalui penelitian-penelitian yang tentunya dapat dijalankan dengan lebih cepat dan mudah dengan adanya lift ini. (bermimpi_14)