Santai Bersepeda Fisika

Transportasi menggunakan sepeda merupakan metode transportasi yang efisien dalam hal penggunaan kalori, bahkan lebih efisien dari berjalan kaki (Gambar 1). Di Belanda yang tanahnya datar, sepeda merupakan transportasi yang baik dan menyehatkan. Di China yang penduduknya lebih dari 1 miliar orang, sepeda merupakan alat transportasi yang dapat menghemat penggunaan bahan bakar. Bayangkan apa yang terjadi dengan persediaan bahan bakar kita kalau setengah penduduk China menggunakan mobil? Dibanyak tempat sepeda memang bukan transportasi utama, tetapi kendaraan yang dibuat pertamakali oleh Kirkpatrick Macmillan tahun 1839 ini,   sering digunakan untuk berolah raga. Olahraga bersepeda dapat dilakukan secara lebih efisien dengan menggunakan berbagai konsep fisika.

Dalam olahraga bersepeda, kita akan mengalami  4 gaya utama : gaya angin, gaya hambat udara, gaya gesekan,  dan gaya gravitasi. Fred Rompelberg dari Belanda berhasil mengefisienkan usaha  dari gaya-gaya ini sehingga ia berhasil memecahkan rekor dunia untuk   kecepatan tertinggi dengan 268,83 km/jam pada tanggal 3 Oktober 1995.  Mau tahu tentang gaya-gaya ini? Ikuti tulisan ini yuuk…

 Gaya Angin

 Dalam bersepeda,  angin yang berhembus berlawanan arah dengan arah gerak si pengendara sepeda merupakan penghambat yang sangat menjengkelkan. Energi si pengendara akan terkuras banyak untuk melawan hambatan angin ini.  Bayangkan untuk mempertahankan kecepatan 15 km/jam ditengah angin yang bertiup dengan kecepatan 10 km/jam saja kita akan kehilangan sekitar 800 kalori setiap menitnya. Tetapi angin juga bisa menjadi faktor yang mempercepat gerakan sepeda jika arah tiupan angin searah dengan arah maju sepeda.

 Gaya hambat udara (drag force) 

 Disamping angin yang bertiup kencang,  udara sendiri dapat menjadi penghambat bagi si pengendara sepeda. Tubuh manusia yang duduk tegak di atas sepeda merupakan bentuk yang sangat tidak aerodinamik karena mengacaukan aliran udara sehingga memaksakan terbentuknya dua daerah dengan tekanan yang berbeda. Daerah di belakang tubuh  pengendara sepeda bertekanan rendah, sementara daerah di depan tubuh bertekanan tinggi. Perbedaan tekanan ini mengakibatkan tubuh pengendara terdorong ke arah belakang. Semakin cepat sepeda bergerak, semakin besar gaya  dorong ini. Ini mencegah si pengendara untuk mengayuh sepeda secepat-cepatnya. Besarnya  drag force  ini sebenarnya dapat diminimalisasi dengan mengaplikasikan bentuk yang paling aerodinamik, yaitu bentuk yang streamline (ramping) yang dapat menembus udara dengan lebih mulus. Ini dilakukan dengan membungkukkan badan. Dalam suatu lomba bersepeda, para atlit bukan saja beradu kekuatan untuk menjadi yang tercepat, tetapi justru beradu teknik untuk memaksimalkan efisiensi  aerodinamik yang dapat dicapai. 

Selain penempatan posisi tubuh yang baik, desain roda dan kerangka sepeda yang tepat juga dapat mengurangi tahanan  udara. Kerangka sepeda yang berbentuk bulat digantikan oleh rancangan bentuk  yang oval, sementara bentuk roda yang bergerigi digantikan oleh bentuk cakram (disc) yang dapat memperkecil turbulensi (gejolak udara) dan drag force saat berputar. 

Cara lain untuk memperkecil  drag force  adalah dengan melakukan teknik drafting, yaitu bersepeda beriringan sambil memanfaatkan pusaran-pusaran udara (arus  eddy) yang tercipta tepat di belakang pengendara terdepan untuk menarik pengendara berikutnya sehingga energi yang dibutuhkan menjadi lebih kecil (mirip dengan gerakan migrasi angsa yang membentuk huruf V pada  artikel minggu lalu). Semakin kecil jarak antara pengendara terdepan dengan pengendara berikutnya semakin efisien penggunaan energi oleh kedua pengendara. Pengendara terdepan dibantu oleh penggunaan arus  eddy oleh pengendara berikutnya walaupun total energi yang dikeluarkan tetap lebih besar dari energi yang dikeluarkan pengendara yang berada tepat di belakangnya. Formasi bersepeda yang membentuk grup semacam ini dikenal sebagai formasi  peloton dan echelon (formasi menyamping ke kiri maupun kanan). Para pengendara yang membentuk formasi semacam ini dapat menghemat energi sampai 40%. Pengendara sepeda profesional bahkan melakukan  drafting pada jarak beberapa cm saja untuk menghemat energi.

Gaya Gesekan

            Dalam bersepeda, kita akan mengalami beberapa macam gaya gesekan: gaya gesekan antara permukaan kulit dengan udara, gaya gesekan kelahar sepeda dan gaya gesekan antara roda dengan jalan.  Gaya gesekan antara permukaan kulit dengan udara walaupun tidak sebesar  drag force kadang sangat menjengkelkan pula. Ini dapat menjadi faktor penting dalam menentukan kemenangan seorang atlit balap sepeda. Gesekan ini dapat dikurangi dengan menggunakan pakaian bersepeda yang tepat (skinsuit). Bayangkan seorang yang duduk tegak dengan pakaian biasa dapat menaikkan kecepatannya dari 10 km/jam menjadi 20 km/jam dengan menggunakan pakaian yang tepat  dan posisi yang aerodinamik (hebat khan…). 

            Gaya gesekan kelahar sepeda dapat dikurangi dengan menggunakan oli. Sedangkan gaya gesekan antara roda dengan jalan (rolling resistance) dapat dikurangi dengan memompa ban cukup keras. Ban yang kempes akan sangat menguras energi kita. 

            Gaya Gravitasi

            Gaya gravitasi memegang peranan penting saat pengendara sepeda melewati bukit. Gaya ini menarik kita ke bawah. Kita harus memberikan ekstra energi untuk melawan gravitasi ini ketika kita  hendak menanjak bukit. Semakin tajam tanjakan bukit semakin besar energi yang dibutuhkan untuk menaiki tanjakan ini. Namun ketika kita menuruni bukit, gravitasi menjadi faktor yang berguna. Gravitasi mendorong sepeda turun lebih cepat.

Gaya gravitasi juga dapat membuat sepeda tidak seimbang. Cobalah  duduk diatas sepeda yang diam, apa yang kamu-kamu  alami? Kamu  akan merasa tidak stabil dan hendak jatuh  bukan? Mengapa? Gravitasilah penyebabnya. Tetapi mengapa sepeda yang bergerak tidak jatuh? 

 Misalkan  sepeda sedang bergerak lurus dan agak miring ke kanan. Gravitasi akan membuat sepeda jatuh ke sebelah kanan.  Agar sepeda tidak jatuh, kita harus belokan sepeda ke kanan sedikit. Usaha ini menghasilkan gaya sentrifugal yang akan mendorong sepeda ke kiri. Gaya  sentrifugal inilah yang mengkompensasi gaya gravitasi sehingga kita tidak jadi jatuh ke kanan. Sebaliknya  jika kita hendak jatuh ke kiri, kita harus belokkan sepeda ke kiri agar gaya sentrifugalnya ke kanan. Itu sebabnya kalau diamati, lintasan sepeda berkelok-kelok.  

 Gaya sentrifugal ini besarnya tergantung pada kecepatan sepeda. Semakin cepat sepeda semakin besar gaya sentrifugalnya. Sehingga pada waktu  sepeda bergerak cepat, kita tidak perlu membelokkan sepeda terlalu tajam.  Itu sebabnya lintasan sepeda yang bergerak cepat terlihat agak lurus (tidak terlalu berkelok-kelok). 

 Nah itulah gaya-gaya utama yang bekerja  pada saat kita bersepeda.  Walaupun gaya-gaya ini mempunyai pengaruh yang besar, namun seorang pengendara sepeda harus juga memperhatikan kondisi tubuhnya. 

 Tubuh manusia merupakan mesin penggerak dalam proses bersepeda sehingga bahan bakar utama untuk olahraga ini adalah makanan. Faktor genetik dan kadar latihan juga menentukan kinerja maksimal yang dapat dicapai oleh seorang pengendara sepeda. Makanan (sayuran dan buah-buahan) yang mengandung banyak karbohidrat sangat direkomendasikan untuk para atlet sebelum memulai pertandingan. Konsumsi cairan yang  cukup juga merupakan hal yang harus diperhatikan selama bersepeda karena kondisi tubuh yang sudah kehilangan 2% saja cairan tubuh dapat memberikan pengaruh yang besar. Kondisi dehidrasi yang parah dapat menyebabkan kelelahan, stroke, bahkan kematian. Atlet-atlet bersepeda sangat dianjurkan untuk terus menggantikan cairan tubuh yang hilang lewat keringat melalui minuman. Dengan  demikian, konsep-konsep fisika telah sangat membantu para pengendara sepeda untuk melakukan aktivitas bersepeda secara lebih efisien dan aman. (olahraga).

Rahasia Dibalik Keajaiban Karate

 

Karateka pemegang sabuk hitam sering mendemonstrasikan kekuatan dan keahlian mereka dengan cara membelah  dua tumpukan batu bata keras tanpa terluka sedikit pun. Seorang ahli karate dari Jepang bahkan pernah mengalahkan seekor banteng dewasa tanpa menggunakan senjata. Para karateka terlatih tampil bagaikan manusia-manusia super dengan kekuatan ajaib! Apakah mereka melibatkan daya magis? Ataukah atraksi mereka hanya tipuan belaka? 

Seni bela diri yang dikenal dengan nama Karate-Do ini berasal dari pulau Okinawa, Jepang. Seni ini dikembangkan oleh Funakoshi Yoshitaka. Menurut Michael Feld, seorang karateka sabuk coklat yang juga memiliki gelar Ph.D di bidang fisika MIT (Massachusetts Institute of Technology), demonstrasi karate tersebut sama sekali tidak menggunakan tipuan semacam tipuan kamera dan komputer yang biasa dilakukan dalam pembuatan film. Seluruh gerakan karate yang tampak ajaib sesungguhnya hanya merupakan aplikasi prinsip-prinsip fisika. Gerakan karateka merupakan paduan gerakan yang paling efisien sehingga hampir tidak dapat dimaksimalkan lebih jauh lagi. Nama Karate-Do berasal dari bahasa Jepang Kara, yang berarti kosong, Te (tangan), dan Do (metode/cara). Pengertian Karate-Do adalah metode bela  diri menggunakan tangan kosong dengan menggunakan tubuh dan alam sekitar sebagai senjata.

Rahasia utama dalam gerakan bela diri ini adalah kecepatan gerakan serta ketepatan fokus serangan  (sasaran). Semua teknik dalam Karate ditujukan untuk menghasilkan kecepatan dan kekuatan secara efisien. Sebelum memulai gerakan, karateka terbiasa untuk mengambil napas yang dalam, yang kemudian dikeluarkan lagi sambil berteriak keras "HAI-YAAA"  saat melepaskan serangan. Secara fisika, teriakan itu sebenarnya merupakan cara untuk melepaskan gaya yang sangat besar yang dihasilkan oleh otot-otot diafragma (otot yang mengatur gerakan paru-paru) yang berkontraksi sangat cepat. Dengan berteriak, gerakan yang dilakukan menjadi lebih efisien, terutama dalam melakukan pukulan.

Pukulan-pukulan yang  dihasilkan oleh seorang pemula mencapai kecepatan 6 meter per detik, sedangkan  seorang karateka sabuk hitam dapat mengeluarkan pukulan dengan kecepatan 14 meter per detik (lebih cepat dari kecepatan pelari tercepat). Kecepatan gerakan dan pukulan sangat penting dalam Karate.

 Dalam karate,  Joe Louis yang dikenal sebagai “Greatest Karate Fighter of All Time”,   tahu bahwa besaran fisika yang sangat berperan adalah momentum. Momentum suatu benda yang  sedang bergerak sama dengan massa benda itu dikalikan dengan kecepatannya. Benda yang bermassa lebih besar mempunyai momentum yang lebih besar dibandingkan dengan benda yang bermassa lebih kecil. Sebuah truk yang bergerak dengan kecepatan 70 kilometer per jam mempunyai momentum lebih besar dari sebuah mobil taxi yang bergerak dengan kecepatan yang sama. Juga benda yang bergerak dengan kecepatan lebih tinggi mempunyai momentum lebih besar, misalnya truk yang bergerak dengan kecepatan 70 km/jam akan mempunyai momentum lebih besar dari truk yang sama yang bergerak dengan kecepatan 35 km/jam. 

Pada gambar 1 seorang karateka  sedang memukul sasaran yang terbuat dari kayu. Ketika tangannya menghantam  kayu sasaran, ada momentum yang ditransfer dari tangan kepada sasaran.  Besarnya gaya yang dialami oleh kayu akibat pukulan ini sangat tergantung pada berapa besar momentum yang ditransfer dan berapa lama waktu transfernya itu.  Semakin besar momentum yang ditransfer semakin besar gaya yang dialami kayu. Dan semakin cepat waktu transfernya semakin besar pula gaya itu.  Karateka pada gambar 1 mula-mula berdiri dengan kepalan tangan menghadap ke atas. Kemudian ia memberi momentum pada tangan dengan menggerakkannya ke depan. Agar momentum tangannya lebih besar, badan karateka  ikut mendorong (dorongan badan akan  lebih efektif jika selama proses ini kepalan tangan berputar seratus delapan puluh derajat, sehingga sekarang kepalan tangan menghadap ke bawah).  Selanjutnya  momentum yang besar ini ditransfer dalam waktu sekecil mungkin. Agar waktu transfernya sekecil mungkin, setelah mengenai sasaran, sang karateka segera menarik kembali tangannya dengan cepat.

Untuk memperoleh efek hantaman yang lebih besar lagi, tekanan yang diberikan oleh tangan sang karateka harus lebih besar. Ini diperoleh dengan membuat permukaan sentuh antara tangan dan sasaran sekecil mungkin. Dalam hal ini bagian yang cocok untuk menghantam adalah  tulang-tulang metakarpal (tulang antara jari dan pergelangan tangan,  gambar 2).  

Seorang karateka mampu menghantam sasaran dengan energi  sekitar 150 joule. Jika karateka ini memukul dengan telapak tangannya (luasnya sekitar 150 cm kuadrat), maka  energi yang dirasakan oleh titik sasaran hanya sebesar 1 joule per sentimeter  kuadrat (yaitu 150 joule/150 cm2). Tetapi jika karateka itu menggunakan bagian sisi tangannya yang  luasnya lebih kecil (misalnya dengan luas 15 cm kuadrat) maka energi yang dirasakan oleh titik sasaran bisa mencapai 10 joule per sentimeter kuadrat, tentu saja ini akan memberikan efek yang jauh lebih besar. Itulah sebabnya ketepatan sasaran (pukulan yang terkonsentrasi pada luas permukaan sekecil mungkin) sangat penting dalam Karate. Gambar 3 menunjukkan bagian-bagian tangan dan kaki yang sering dipakai untuk menyerang sasaran karena dapat secara  efektif mentransfer momentum pada sasaran dan mempunyai permukaan sekecil mungkin.

Untuk memecah balok kayu, beton, batu bata ataupun balok es, pukulan seorang karateka harus mampu memberikan tekanan yang lebih besar dari batas elastis (kelenturan) yang dapat ditoleransi oleh benda-benda tersebut. Batas elastis Gb4. Memecah betontiap benda berbeda-beda. Beton  mempunyai batas elastis (maximum crushing)  400 kg per sentimeter kuadrat. Artinya jika beton itu  dihantam  dengan gaya setara dengan berat 400 kg, pada daerah seluas 1 sentimeter  kuadrat maka beton itu akan pecah. Batas elastis tulang manusia mencapai 40 kali batas elastis batang beton sehingga lebih susah untuk dipatahkan (saat terjadi  tumbukan yang patah adalah batang beton dan bukan tulang  kaki atau tangan manusia yang memukulnya). Selain itu, tangan dan  kaki manusia dilengkapi pula dengan berbagai ligamen, tendon, otot, dan kulit yang dapat membantu mendispersikan gaya yang diterima ke seluruh tubuh (gaya menjadi tidak lagi terkonsentrasi) sehingga pada akhirnya dapat menyerap gaya sebesar 2000 kali gaya maksimum yang dapat diterima beton. Tangan dan kaki karateka semakin kuat seiring dengan bertambahnya frekuensi latihan karena  terjadi adaptasi dengan terbentuknya jaringan kalus (callus) yang dapat menyerap dan mendifusikan gaya yang diterima saat terjadi tumbukan (tangan dan kaki  tidak terasa sakit sama sekali walaupun bertumbukan dengan balok padat yang keras). Tangan dan kaki yang tidak terlatih sangat mudah terluka karena permukaan kulit masih terlalu halus. Dengan latihan yang serius Mikael Bigersson (Swedia) masuk Guinnes Book dengan memecahkan 21 balok beton berukuran 60 cm x 20 cm x 7 cm dengan menggunakan tangannya dalam waktu 1 menit pada tahun  2001 yang lalu (ck..ck... hebat amat....) Jadi, semua keajaiban Karate ternyata dapat dipelajari menggunakan prinsip-prinsip fisika. Gerakan-gerakannya pun dapat ditingkatkan variasinya menggunakan berbagai strategi yang meminjam konsep dan hukum fisika. Tidak ada tipuan maupun sihir yang terlibat. Rahasianya hanya terletak pada perpaduan konsentrasi dan kesiapan mental dan fisik serta pengetahuan fisika yang baik.[olah raga 2]

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)