Gravitasi

Gaya yang menarik Anda saat ini — apa sebenarnya, dan mengapa segala sesuatu jatuh dengan cara yang sama.

​

Gaya yang paling akrab, dijelaskan dengan buruk di sekolah

Anda merasakan gravitasi sekarang. Duduk, berdiri, berbaring — ada sesuatu yang terus-menerus menarik Anda ke lantai. “Sesuatu” itu adalah gravitasi, dan ia adalah gaya yang paling diremehkan dalam fisika.

Inilah aturannya dalam satu kalimat:

Setiap objek yang memiliki massa menarik setiap objek lain yang memiliki massa.

Anda. Bumi. Bulan. Cangkir kopi Anda. Galaksi yang jauh. Mereka semua saling menarik sekarang. Hanya saja sebagian besar tarikan itu terlalu lemah untuk diperhatikan.

​

Mengapa kita hanya memperhatikan tarikan Bumi

Kekuatan gravitasi bergantung pada massa. Bumi memiliki banyak massa (sekitar $6 \times 10^{24}$ kg), jadi tarikannya mendominasi. Cangkir kopi Anda juga memiliki gravitasi — ia menarik Anda — tetapi massanya kecil, jadi gayanya kecil yang sangat menggelikan.

Newton menuliskannya sebagai:

$F = G \frac{m_1 m_2}{r^2}$

Jangan panik. Bacalah apa yang dikatakannya:

• Massa lebih besar → tarikan lebih kuat. (Masuk akal.)
• Jarak lebih jauh → tarikan lebih lemah. (Juga masuk akal.)
• Dan jaraknya dikuadratkan: gandakan jarak, tarikan menjadi empat kali lebih lemah.

​

Berat vs. massa (kebingungan berakhir di sini)

Massa

Seberapa banyak materi yang membentuk Anda. Diukur dalam kilogram. Tidak pernah berubah, di mana pun Anda berada.

Berat

Seberapa kuat gravitasi menarik Anda. Diukur dalam newton. Berubah tergantung di mana Anda berada.

Anda memiliki massa yang sama di Bumi, Bulan, dan Mars. Tetapi berat Anda berbeda di setiap tempat karena gravitasinya berbeda.

$\text{Berat} = m \cdot g$

Di Bumi, $g \approx 9,8$ m/s². Di Bulan, $g \approx 1,6$ m/s². Orang seberat 70 kg:

• Di Bumi: berat = 70 × 9,8 = 686 N
• Di Bulan: berat = 70 × 1,6 = 112 N

Orang yang sama, massa yang sama. Sekitar seperenam beratnya. Itulah sebabnya astronot memantul-mantul.

​

Eksperimen terkenal: semuanya jatuh dengan cara yang sama

Jatuhkan palu dan bulu pada saat yang sama. Palu mengenai duluan, kan? Ya — tetapi hanya karena hambatan udara.

Pada tahun 1971, astronot David Scott melakukan eksperimen yang persis sama di Bulan (tidak ada udara). Palu dan bulu mengenai tanah pada waktu yang persis sama.

Mengapa? Hukum Newton ke-2 mengatakan $a = F/m$. Gaya gravitasi pada objek yang lebih berat lebih besar ($F = mg$), tetapi objek tersebut juga lebih masif. Kedua efek tersebut saling meniadakan sempurna:

$a = \frac{mg}{m} = g$

Massa habis tercoret. Setiap objek dipercepat pada $g$ yang sama — sekitar 9,8 m/s² di dekat permukaan Bumi — tanpa memandang seberapa beratnya.

Galileo memikirkan ini 400 tahun lalu dengan menggelindingkan bola di lereng. Newton meletakkan matematikanya di belakangnya. Ini masih mengejutkan setiap siswa. Jika itu mengejutkan Anda, Anda dalam perusahaan yang baik.

​

Seberapa cepat sesuatu jatuh?

Jika Anda menjatuhkan sesuatu dari keadaan diam:

$v = g \cdot t$

• Setelah 1 detik: 9,8 m/s (sekitar 35 km/jam)
• Setelah 2 detik: 19,6 m/s (sekitar 70 km/jam)
• Setelah 3 detik: 29,4 m/s (sekitar 106 km/jam)

Perhatikan bahwa ia terus bertambah cepat. Tidak ada “kecepatan puncak” dari gravitasi saja.

​

Jadi mengapa penerjun payung tidak terus berakselerasi selamanya?

Hambatan udara. Saat Anda jatuh lebih cepat, udara mendorong balik lebih keras. Pada suatu titik, dorongan udara sama dengan tarikan gravitasi. Gaya total = nol. Tidak ada lagi akselerasi. Anda telah mencapai kecepatan terminal (sekitar 200 km/jam untuk orang yang menelungkup).

Pada titik itu Anda jatuh cepat, tetapi dengan kecepatan konstan. Terjun payung sebagian besar hanyalah menggantung pada kecepatan terminal.

​

Mengapa Bulan tidak jatuh menimpa kita (sebenarnya jatuh)

Inilah teka-teki otak: Bulan terus-menerus jatuh ke arah Bumi. Ia hanya terus meleset.

Bulan bergerak ke samping dengan sangat cepat. Gravitasi menariknya ke Bumi, tetapi pada saat ia telah jatuh sedikit, ia juga telah bergerak ke samping cukup jauh untuk “meleset” dari Bumi. Jadi ia jatuh selamanya, dalam lingkaran. Lingkaran itu disebut orbit.

Cerita yang sama untuk satelit. Cerita yang sama untuk Bumi mengelilingi Matahari. Orbit hanyalah jatuh dan meleset.

​

Apa gravitasi itu, jauh di dalam

Persamaan Newton menggambarkan gravitasi dengan sempurna untuk penggunaan sehari-hari. Tetapi Einstein melangkah lebih jauh: dalam gambarannya, massa membengkokkan ruang itu sendiri, dan objek “jatuh” karena mereka mengikuti lengkungan tersebut.

Bayangkan bola bowling di atas seprai yang direntangkan. Ia menekuk seprai. Gulirkan kelereng di dekatnya, dan kelereng itu melengkung menuju bola bowling — bukan karena bola bowling “menariknya,” tetapi karena seprai itu sendiri melengkung.

Itulah relativitas umum dalam satu kalimat. Untuk 99% rekayasa, Newton sudah cukup baik. Untuk satelit GPS dan lubang hitam, Anda memerlukan Einstein.

Selanjutnya: Tekanan dan Fluida

Mengapa kapal mengapung, sedotan berfungsi, dan telinga Anda meletup di pesawat.