Gravitasi

Gaya yang sedang menarikmu sekarang — apa sebenarnya, dan mengapa segala sesuatu jatuh dengan cara yang sama.

​

Gaya paling familiar, dijelaskan dengan buruk di sekolah

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

Inilah aturannya dalam satu kalimat:

Setiap benda bermassa menarik setiap benda bermassa lainnya.

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

​

Mengapa kita hanya merasakan tarikan Bumi

Kekuatan gravitasi bergantung pada massa. Bumi memiliki banyak massa (sekitar $6 \times 10^{24}$ kg), jadi tarikannya mendominasi. Cangkir kopimu juga memiliki gravitasi — ia menarikmu — tetapi massanya kecil, jadi gayanya sangat kecil sampai-sampai lucu.

Newton menulisnya 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: dua kali lipat jarak, tarikannya menjadi empat kali lebih lemah.

​

Berat vs. massa (kebingungan berakhir di sini)

Massa

Seberapa banyak materi yang menyusunmu. Diukur dalam kilogram. Tidak pernah berubah, ke mana pun kamu pergi.

Berat

Seberapa kuat gravitasi menarikmu. Diukur dalam newton. Berubah tergantung di mana kamu berada.

Kamu memiliki massa yang sama di Bumi, Bulan, dan Mars. Tapi beratmu 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. Seseorang dengan massa 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 melompat-lompat.

​

Eksperimen terkenal: segala sesuatu jatuh dengan cara yang sama

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

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

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

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

Massa hilang. Setiap benda dipercepat pada $g$ yang sama — sekitar 9,8 m/s² di dekat permukaan Bumi — terlepas dari seberapa berat benda itu.

Galileo memikirkan ini 400 tahun yang lalu dengan menggelindingkan bola di tanjakan. Newton menambahkan matematika di baliknya. Ini tetap mengejutkan setiap pelajar. Jika ini mengejutkanmu, kamu berada dalam kelompok yang baik.

​

Seberapa cepat sesuatu jatuh?

Jika kamu menjatuhkan sesuatu dari 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 semakin cepat. Tidak ada “kelajuan maksimum” dari gravitasi saja.

​

Jadi mengapa para penerjun payung tidak terus dipercepat selamanya?

Hambatan udara. Saat kamu jatuh lebih cepat, udara mendorong balik lebih keras. Pada titik tertentu, dorongan udara sama dengan tarikan gravitasi. Gaya total = nol. Tidak ada lagi percepatan. Kamu telah mencapai kecepatan terminal (sekitar 200 km/jam untuk seseorang yang menghadap ke bawah).

Pada titik itu kamu jatuh dengan cepat, tetapi dengan kelajuan tetap. Terjun payung sebagian besar hanya menggantung pada kecepatan terminal.

​

Mengapa Bulan tidak jatuh ke kita (sebenarnya ia jatuh)

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

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

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

​

Apa gravitasi sebenarnya, jauh di dalam

Persamaan Newton menggambarkan gravitasi dengan sempurna untuk penggunaan sehari-hari. Tapi Einstein membawanya lebih jauh: dalam gambarannya, massa membengkokkan ruang itu sendiri, dan benda-benda “jatuh” karena mereka mengikuti kelengkungan itu.

Bayangkan bola boling di atas seprai yang direntangkan. Ia membuat seprai melengkung. Gulingkan kelereng di dekatnya, dan kelereng melengkung ke arah bola boling — bukan karena bola boling “menarik” kelereng, tetapi karena seprainya sendiri melengkung.

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

Berikutnya: Tekanan dan Fluida

Mengapa kapal mengapung, sedotan bekerja, dan telingamu berdengung di pesawat.