Fisika untuk Hiburan 44 (Mekanika Dasar): Pos Udara

Ketika mulai menulis artikel ini, saya serasa terbawa kembali ke kelas 1 SMA, ketika saya mulai mempelajari tentang gerak lurus beraturan dan gerak melingkar beraturan. Lebih 8 dekade telah berlalu sejak Perelman menulis buku Physics for Entertainment, namun prinsip-prinsip mekanika dasar yang digunakan masih tetap berlaku sampai sekarang.

Itulah hakekat ilmu fisika, sebuah konsep lama akan tetap berlaku selama belum ada konsep baru yang menjadi special case untuk konsep lama itu.

Contoh yang paling umum adalah mekanika Newton yang berlaku jika benda bergerak dengan kecepatan di bawah kecepatan cahaya (v), dan tidak berlaku lagi jika benda bergerak dengan kecepatan cahaya (c). Konsep relativitas Einstein menjadi special case untuk mekanika Newton itu.

Setiap gerak benda bisa dipahami dan disimpulkan berdasarkan titik acuan (point of reference) dari mana kita mengamati gerak itu. Contoh paling klasik yang suka saya sampaikan kepada anak-anak adalah bahwa sebuah batu yang dilemparkan dari sebuah kereta api yang sedang bergerak akan merupakan sebuah gerak lurus dari titik acuan seorang pengamat yang berada di atas kereta api dan melemparkan batu itu, namun seorang pengamat di tanah akan melihat gerak batu itu sebagai sebuah gerak melingkar.  

Hal inilah yang akan Anda lihat dalam pembahasan gerak di bawah ini, tentunya dengan perspektif Fisika untuk Hiburan. Rumus yang disertakan bukan untuk tujuan dihafalkan, tapi untuk membantu agar Anda lebih memahami pembahasan teoretisnya.

Bayangkan diri Anda berada di dalam sebuah pesawat yang terbang tinggi di udara. Anda melihat ke bawah dan melihat tempat-tempat yang Anda kenal.

Kemudian Anda sedang mendekati rumah teman Anda. Anda pikir bukan ide yang buruk untuk mengirimkan pesan kepada teman Anda itu. Anda dengan cepat menuliskan beberapa kata di buku tulis Anda, merobek sehelai kertas yang sudah Anda tulis, membungkus sebuah  benda berat dengan kertas itu (selanjutnya kita sebut "benda berat") dan menjatuhkannya segera setelah rumah teman Anda berada tepat di bawah pesawat.

Jika Anda berpikir bahwa benda berat itu akan jatuh ke taman di depan rumah teman Anda, Anda membuat kesalahan besar. Benda berat itu pasti tidak akan jatuh di tempat yang Anda bayangkan meskipun rumah teman Anda berada persis di bawah pesawat.

Jika Anda memperhatikan ketika benda berat itu jatuh, Anda akan melihat hal yang aneh. Sambil jatuh, beban berat pada saat yang sama akan terus bergerak di bawah pesawat, seolah-olah diikat oleh seutas benang yang tidak kasat mata.

Saat jatuh di atas tanah, benda berat itu akan menyimpang dari sasaran yang Anda tetapkan ketika Anda melemparkannya ke bawah.

Ini sekali lagi merupakan manifestasi dari hukum inersia yang sama, yang mencegah kita melakukan perjalanan dengan cara Bergerac.*

*Cyrano de Bergerac, lihat artikel saya: Fisika untuk Hiburan 1: Mekanika Dasar, Cara Traveling Termurah.

Ketika berada di dalam pesawat, benda berat bergerak bersama-sama dengan pesawat itu, namun ketika dijatuhkan dan dipisahkan dari pesawat, benda berat tidak kehilangan kecepatan awalnya.

Ketika jatuh, benda berat itu terus bergerak di udara dengan arah yang sama dengan pesawat. Jika kedua geraknya, baik yang tegak lurus maupun horizontal, diresolusikan, maka hasilnya adalah beban berat itu menelusuri sebuah lintasan melengkung, yang mempertahankan benda berat tetap di bawah pesawat dengan syarat, tentu saja, bahwa pesawat itu tidak menyimpang dari jalur aslinya atau terbang lebih cepat.

Faktanya, benda berat mengikuti lintasan yang sama dengan benda yang dilemparkan secara horizontal, misalnya peluru yang ditembakkan dari sebuah pistol horizontal, yang akan bergerak dalam sebuah lintasan berbentuk busur yang berakhir di tanah.

Perhatikan bahwa semua disebutkan di atas akan berlaku jika resistansi udara diabaikan, karena sebenarnya udara menghambat gerakan vertikal dan horizontal, sehingga benda berat secara bertahap tertinggal di belakang pesawat.

Benda berat jatuh. Sumber: buku Physics for Entertainment, Book 2, hlm. 15.

Benda berat yang dijatuhkan dari pesawat yang sedang bergerak tidak akan jatuh secara vertikal ke bawah, tetapi sepanjang sebuah lintasan yang melengkung.

Penyimpangan dari lintasan garis lurus mungkin cukup besar ketika pesawat berada di ketinggian dan terbang dengan cepat. Pada hari yang tidak berangin, benda berat yang dijatuhkan dari pesawat yang terbang pada ketinggian 1.000 meter dengan kecepatan 100 km/jam akan mendarat sekitar 400 meter di depan tempat yang berada tepat di bawah pesawat ketika benda berat itu dijatuhkan (lihat gambar di atas).

Kita akan menemukan jawaban atas masalah itu dengan cukup mudah, tentu saja asalkan kita mengabaikan resistansi udara. Rumus untuk menghitung panjang lintasan yang ditempuh benda berat dengan gerak yang dipercepat beraturan adalah: S = 1/2 gt^2 dimana t = (2S/g)^1/2. Ini berarti bahwa dari ketinggian 1.000 meter, benda berat membutuhkan waktu ((2 x 1.000)/9,8)^1/2 atau 14 detik untuk jatuh.

Dalam periode waktu ini benda berat akan bergerak maju secara horizontal sejauh (100.000/3.600) x 14 = 390 meter.

Kepustakaan:
1. Perelman, Y., Physics for Entertainment, Book 2, Shkarovsky, A. (Transl.), Foreign Language Publishing House, Moscow, 1936.
2. Diary Johan Japardi
3. Berbagai sumber daring.

Jonggol, 4 Agustus 2021

Johan Japardi