Gravitasi

Gaya yang menarikmu saat ini juga — apa sebenarnya gaya itu, dan mengapa segala sesuatu jatuh dengan cara yang sama.

​

Gaya paling akrab yang dijelaskan dengan buruk di sekolah

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

Berikut aturannya dalam satu kalimat:

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

Kamu. Bumi. Bulan. Cangkir kopimu. Galaksi yang jauh. Mereka semua saling menarik satu sama lain saat ini. Hanya saja, sebagian besar tarikan itu terlalu lemah untuk diperhatikan.

​

Mengapa kita hanya merasakan tarikan Bumi

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

Newton menuliskannya sebagai:

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

Jangan panik. Baca apa yang dikatakannya:

• Massa lebih besar → tarikan lebih kuat. (Masuk akal.)
• Jarak lebih jauh → tarikan lebih lemah. (Juga masuk akal.)
• Dan jaraknya dikuadratkan: gandakan jaraknya, 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. Orang 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 mengapa astronot melompat-lompat di Bulan.

​

Eksperimen terkenal: semua benda jatuh dengan cara yang sama

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

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

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

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

Massa hilang. Setiap benda dipercepat dengan $g$ yang sama — sekitar 9.8 m/s² di dekat permukaan Bumi — tidak peduli seberapa berat bendanya.

Galileo mengetahui ini 400 tahun yang lalu dengan menggelindingkan bola di bidang miring. Newton kemudian menambahkan matematikanya. Hal ini masih mengejutkan setiap pelajar. Jika kamu juga terkejut, kamu tidak sendirian.

​

Seberapa cepat sesuatu jatuh?

Jika kamu 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 kecepatannya terus bertambah. Tidak ada “kecepatan maksimum” dari gravitasi saja.

​

Lalu kenapa penerjun payung tidak terus dipercepat?

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

Pada titik itu kamu jatuh dengan cepat, tetapi pada kelajuan yang konstan. Terjun payung sebagian besar hanyalah menggantung di kecepatan terminal.

​

Mengapa Bulan tidak jatuh menimpa kita (sebenarnya ia jatuh)

Ini bikin pusing: Bulan terus-menerus jatuh ke arah Bumi. Ia hanya terus meleset.

Bulan bergerak menyamping dengan sangat cepat. Gravitasi menariknya ke arah Bumi, tetapi pada saat ia telah jatuh sedikit, ia juga telah bergerak menyamping cukup jauh untuk “meleset” dari Bumi. Jadi ia jatuh selamanya, dalam suatu lintasan tertutup. Lintasan itu disebut orbit.

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

​

Apa sebenarnya gravitasi itu, jika dipikirkan lebih dalam

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

Bayangkan bola boling di atas seprai yang direntangkan. Ia membuat seprai cekung. Gelindingkan kelereng di dekatnya, dan kelereng itu akan melengkung menuju bola boling — bukan karena bola boling itu “menarik”-nya, tetapi karena seprainya sendiri melengkung.

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

Selanjutnya: Tekanan dan fluida

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