Konsep Gravitasi Univers

Banyak keajaiban alam yang belum terkuak oleh manusia. Dahulu,

kebanyakan orang mengira bahwa ada tiang tak terlihat yang menopang planet-

planet di jagat raya. Seiring perkembangan ilmu pengetahuan, diketahui bahwa

tiang-tiang tersebut bernama gravitasi.

Kata kunci

·         Gaya gravitasi

·         Hukum kepler

·         Neraca cavendish

·         Hukum gravitasi newton

·         Percepatan gravitasi

Peta konsep

 

Kita pasti sering melihat fenomena gravitasi dalam keseharian. Misalnya buah kelapa jatuh dari tangkainya dan batu yang Anda lempar ke atas akan kembali jatuh ke bumi. Semua itu terjadi karena adanya gravitasi yang dimiliki bumi. Apa itu gravitasi? Secara sederhana gravitasi dapat diartikan sebagai gaya tarik yang dimiliki suatu benda. Gravitasi ada disebabkan adanya massa yang dimiliki benda.

Gravitasi merupakan gaya interaksi fundamental yang ada di alam. Para perencana program ruang angkasa secara terus menerus menyelidiki gaya ini. Sebab, dalam sistem tata surya dan penerbangan ruang angkasa, gaya gravitasi merupakan gaya yang memegang peranan penting. Ilmu yang mendalami dinamika untuk benda-benda dalam ruang angkasa disebut mekanika celestial. Sekarang, pengetahuan tentang mekanika celestial memungkinkan untuk menentukan bagaimana menempatkan suatu satelit dalam orbitnya mengelilingi bumi atau untuk memilih lintasan yang tepat dalam pengiriman pesawat ruang angkasa ke planet lain.

Dengan ini kita akan mempelajari hukum dasar yang mengatur interaksi gravitasi. Hukum ini bersifat universal, artinya interaksi bekerja dalam cara yang sama di antara bumi dan tubuh Anda, di antara matahari dan planet, dan di antara planet dan satelitnya. Anda juga akan menerapkan hukum gravitasi untuk fenomena seperti variasi berat terhadap ketinggian orbit satelit mengelilingi bumi dan orbit planet mengelilingi matahari.

Perkembangan Teori Gravitasi

Sejak zaman Yunani Kuno, orang sudah berusaha menjelaskan tentang kinematika sistem tata surya. Oleh karena itu, sebelum membahas hukum gravitasi Newton, ada baiknya apabila Anda juga memahami pemikiran sebelum Newton menemukan hukum gravitasi.

Plato (427 – 347 SM) ilmuwan yunani mengemukakan bahwa bintang dan bulan bergerak mengelilingi bumi membentuk lintasan lingkaran sempurna. Claudius Ptolemaus pada abad ke-2 M juga memberikan pendapat yang serupa yang disebut  teori geosentris. Teori ini menyatakan bumi sebagai pusat tata surya, sedangkan planet lain, bulan dan matahari berputar mengelilingi bumi. Namun, pendapat dari kedua tokoh tersebut tidak dapat menjelaskan gerakan yang rumit dari planet-planet.

Nicolaus Copernicus, ilmuwan asal Polandia, mencoba mencari jawaban yang lebih sederhana dari kelemahan pendapat Plato dan Ptolemaus. Ia mengemukakan bahwa matahari sebagai pusat sistem planet dan planet- planet lain termasuk bumi mengitari matahari. Anggapan Copernicus memberikan dasar yang kuat untuk mengembangkan pandangan mengenai tata surya. Namun, pertentangan pendapat di kalangan ilmuwan masih tetap ada. Hal ini mendorong para ilmuwan untuk mendapatkan data pengamatan yang lebih teliti dan konkret.

Tyco Brahe (1546–1601) berhasil menyusun data mengenai gerak planet secara teliti. Data yang Tyco susun kemudian dipelajari oleh Johannes Keppler (1571–1630). Keppler menemukan keteraturan-keteraturan gerak planet. Ia mengungkapkan tiga kaidah mengenai gerak planet, yang sekarang dikenal sebagai hukum I, II, dan III Kepler. Hukum-hukum Kepler tersebut menyatakan:  
"Semua planet bergerak di dalam lintasan elips yang berpusat di satu titik pusat (matahari) ,garis yang menghubungkan sebuah planet ke matahari akan memberikan luas sapuan yang sama dalam waktu yang sama, dan Kuadrat dari periode tiap planet  yang mengelilingi matahari sebanding dengan pangkat tiga jarak rata-rata planet ke matahari.

Gambar 2.1 Setiap planet bergerak dengan lintasan elips dan garis yang menghubungkan sebuah planet ke matahari akan memberikan luas sapuan yang sama dalam waktu yang sama (A = B)

Pendapat Copernicus dan hukum Keppler memiliki kesamaan bahwa gaya sebagai penyebab keteraturan gerak planet dalam tata surya. Pada tahun 1687, Isaac Newton membuktikan dalam bukunya yang berjudul “Principia” bahwa gerakan bulan mengelilingi bumi disebabkan oleh pengaruh suatu gaya. Tanpa gaya ini bulan akan bergerak lurus dengan kecepatan tetap. (Sesuai dengan inersia), gaya ini dinamakan gaya gravitasi. Gaya gravitasi memengaruhi gerakan planet-planet dan benda-benda angkasa lainnya. Selain itu, gaya gravitasi juga penyebab mengapa semua benda jatuh menuju permukaan bumi. Pemikiran Newton merupakan buah karya luar biasa karena dapat menyatukan teori mekanika benda di bumi dan mekanika benda di langit. Hal ini dapat dilihat dari penjelasan mengenai gerak jatuh bebas dan gerak planet dalam tata surya.

Hukum Gravitasi Newton

Gravitasi bumi merupakan salah satu ciri bumi, yaitu benda-benda ditarik ke arah pusat bumi. Gaya tarik bumi terhadap benda-benda ini dinamakan gaya gravitasi bumi. Berdasarkan pengamatan, Newton membuat kesimpulan bahwa gaya tarik gravitasi yang bekerja antara dua benda sebanding dengan massa masing-masing benda dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak kedua benda. Kesimpulan ini dikenal sebagai hukum gravitasi Newton. Hukum ini dapat dituliskan sebagai berikut.

Keterangan:

F           : gaya tarik gravitasi (N)

M₁, m₂ : massa masing-masing benda (kg)

r            : jarak antara kedua benda (m)

G           : konstanta gravitasi umum (6,673 x 10^-11 Nm²/kg²)

Gambar 2.2 Dua benda  yang terpisah sejauh r melakukan gaya tarik gravitasi satu sama lain yang besarnya sama meskipun massanya berbeda.

Gaya gravitasi yang bekerja antara dua benda merupakan gaya aksi reaksi. Benda 1 menarik benda 2 dan sebagai reaksinya benda 2 menarik benda 1. Menurut hukum III Newton, kedua gaya tarik ini sama besar tetapi berlawanan arah (F_aksi =   – F_reaksi).

Jika suatu benda dipengaruhi oleh dua buah gaya gravitasi atau lebih, maka resultan gaya gravitasi yang bekerja pada benda tersebut dihitung berdasarkan penjumlahan vektor. Misalnya dua gaya gravitasi F12  dan F13 yang dimiliki benda bermassa m2  dan m3  bekerja pada benda bermassa m1, maka resultan gaya gravitasi pada m1, yaitu F1 adalah:

F₁ = F₁₃ +  F₁₂

Besar gaya resultan gaya gravitasi adalah

Dengan α adalah sudut antara F₁₂ dan F₁₃.

Gambar 2.3 Resultan dua gaya gravitasi F₁₂ dan F₁₃ akibat benda bermassa m₂ dan m₃ yang bekerja pada benda m₁

Menentukan nilai konstanta Gravitasi Umum

Nilai G merupakan tetapan umum yang diukur secara eksperimen dan memiliki nilai numerik yang sama untuk semua benda. Nilai G ini pertama kali diukur oleh Hernry Cavendish, pada tahun 1798. Cavendish menggunakan peralatan seperti ditujukan pada Gambar 2.4 berikut!

Gambar 2.4 Neraca puntir Cavendish untuk menentukan nilai G

Cavendish menggunakan alat ini untuk menghitung massa bumi. Dua bola timah hitam digantungkan pada ujung-ujung sebuah tiang yang digantungkan pada kawat sedemikian ruipa sehingga tiang dapat berputar dengan bebas. Batangan yang menyangga dua bila besar diputar sedemikian rupa sehingga bola besar dan bola kecil saling mendekati. Gaya tarik gravitasi antara bola besar dan bola kecil menyebabkan tiang tersebut berputar. Dengan mengukur besar putaran. Cavendish dapat menghitung gaya tarik antara bola yang massanya diketahui pada jarak tertentu dengan menggunakan hukum gravitasi. Cavendish tidak hanya memperkuat teori gravitasi. Newton, tetapi juga berhasil menentukan nilai G. Nilai yang diterima sampai sekarang ini adalah G = 6,672 x 10^-11 Nm²/kg².

Pembuktian Hukum Gravitasi Newton

Newton membuktikan hukum gravitasinya dengan mengamati gerakan bulan. Bulan mengelilingi bumi satu kali dalam 27,3 hari. Lintasannya mirip lingkaran berjari-jari 3,8 x 10⁸ m. Menurut teori gerak melingkar, benda bergerak melingkar karena dipercepat oleh percepatan sentripetal yang arahnya menuju pusat lingkaran. Besar percepatan yang menyebabkan lintasan bulan berbentuk lingkaran adalah sebagai berikut.

Sekarang hitunglah besar percepatan sentripetal ini dengan rumus Newton.

Terlihat bahwa hasil perhitungan ini ternyata sama dengan hasil pengamatan. Ini membuktikan bahwa rumus Newton dapat dipertanggungjawabkan!

Aplikasi Hukum Gravitasi Newton

Sebelum hukum gravitasi ditemukan oleh Newton, data-data tentang gerakan bulan dan planet-planet telah banyak dikumpulkan oleh para ilmuwan. Berdasarkan hukum gravitasi Newton, data-data tersebut digunakan untuk menghitung besaran lain tentang benda ruang angkasa yang tidak mungkin diukur dalam laboratorium.

1.      Menghitung massa bumi

Massa bumi dapat dihitung dengan menggunakan nilai G yang telah diperoleh dari percobaan Cavendish. Anggap massa bumi M dan jari-jari bumi R = 6,37 × 10⁶ m (bumi dianggap bulat sempurna). Berdasarkan rumus percepatan gravitasi bumi, Anda bisa menghitung besarnya massa bumi.

2.      Menghitung massa matahari

Telah Anda ketahui bahwa jari-jari rata-rata orbit bumi  r_B = 1,5 × 10¹¹ m dan periode bumi dalam mengelilingi matahari T_B = 1 tahun = 3 × 10⁷ s. Berdasarkan kedua hal tersebut serta dengan menyamakan gaya matahari dan gaya sentripetal bumi, maka dapat diperkirakan massa matahari.

3.      Menghitung Kecepatan satelit

Suatu benda yang bergerak mengelilingi benda lain yang bermassa lebih besar dinamakan satelit, misalnya bulan adalah satelit bumi. Sekarang banyak satelit buatan diluncurkan untuk keperluan komunikasi, militer, dan riset teknologi. Untuk menghitung kecepatan satelit dapat digunakan dua cara, yaitu hukum gravitasi dan gaya sentrifugal.

4.      Menghitung Jarak Orbit Satelit Bumi

Apabila satelit berada pada jarak  r dari pusat bumi, maka kelajuan satelit saat mengorbit bumi dapat dihitung dengan menyamakan gaya gravitasi satelit dan gaya sentripetalnya

Untuk posisi orbit geosinkron, yaitu bila periode orbit satelit sama dengan periode rotasi bumi, maka jari-jari orbit satelit dapat ditentukan sebagai berikut

simple talk - 00.36

Read More

Fenomena Gravitasi yang Menakjubkan!

Sesungguhnya Allah menahan langit dan bumi supaya jangan lenyap, dan sesungguhnya jika keduanya akan lenyap maka tidak ada seorang pun yang dapat menahan keduanya selain Allah”. (QS.Faathir, 35:41)

Mengapa kita tetap berpijak di atas permukaan bumi? Mengapa setiap benda yang jatuh selalu menuju pusat bumi? Mengapa bulan tetap mengelilingi bumi dan bumi bersama-sama bulan mengelilingi matahari? Mengapa demikian?

Disadari atau tidak, seringkali kita tidak memahami pengalaman kita hidup di dunia ini. Tentang ‘sesuatu’ yang menyebabkan kita tetap lekat di permukaan bumi. Apakah sesuatu itu? Mengapa sesuatu itu ada? Bagaimana cara ia bekerja?

Suatu pertanyaan sederhana seringkali memerlukan pemikiran yang mendalam untuk memperoleh jawabannya. Dan mungkin, sedikit sekali yang berupaya sungguh-sungguh, karena hal itu tampaknya sesuatu yang “biasa” dalam kehidupan sehari-hari. Kecuali anak-anak yang polos dan lugu serta ingin tahu yang seringkali mengusik kita dengan pertanyaan-pertanyaan mereka yang spontan tentang segala sesuatu yang mereka lihat dan rasakan. Yang terkadang terkesan lucu namun menyenangkan. Diantaranya mengapa benda jatuh selalu ke “bawah”?

Penjelasan yang kita terima seperti mereka juga belumlah tuntas, bahkan mungkin hingga saat ini. Sebenarnya, setiap orang tentu mengalami pengaruh gravitasi. Demikian juga dengan semua benda yang ada di sekitar kita. Walau tanpa kita sadari, semua benda yang terdiri dari partikel materi saling berinteraksi tarik-menarik satu sama lain. Gravitasilah yang memungkinkan kita tetap nyaman tinggal di permukaan bumi dan kita dapat menikmati indahnya cahaya bulan purnama di malam hari, juga kemilaunya sinar matahari di waktu senja dan pagi hari. Tanpa gravitasi, kita semua akan beterbangan “hilang” dalam ruang makrokosmos yang teramat luas akibat rotasi bumi. Tanpa gravitasi, bumi yang kita huni, bulan dan matahari serta planet-planet yang mengisi ruangan jagat raya ini akan berhamburan dalam gerak acak yang tak beraturan. Bersyukurlah kita, bahwasannya Allah telah menciptakan gravitasi sehingga kita pun mengalami proses kehidupan yang harmonis dengan lingkungan alam kita.

Namun, apakah “gravitasi” itu? Sejauh ini telah banyak usaha yang dilakukan untuk memahami fenomena gravitasi. Sejarah mengatakan, mula pertama gagasan gravitasi dipahami dan dijelaskan oleh tuan Isaac Newton dalam Philosophiae Naturalis Principia Mathematica yang sering juga disebut Principia yang muncul pertama kali tahun 1687 (walaupun sebenarnya gagasan gravitasi tersebut telah diperolehnya 22 tahun sebelumnya) yang antara lain menjelaskan hukum gravitasi universal di samping mengemukakan teori bagaimana benda bergerak dalam ruang dan waktu. Hukum gravitasi universal menjelaskan bagaimana benda berinteraksi tarik-menarik. Gagasan hukum gravitasi universal dapat kita pahami sebagai berikut,”tiap benda dalam jagat raya ditarik ke arah semua benda lain oleh suatu gaya yang makin kuat dengan makin besarnya massa benda-benda itu, dan dengan dekatnya benda itu satu sama lain”. Artinya, setiap partikel materi yang berada di dalam jagat raya ini saling tarik-menarik satu sama lain yang besarnya gaya tarik-menarik tersebut bertambah besar bila jaraknya semakin dekat dan kandungan massa dari tiap-tiap partikel materi tersebut bertambah banyak.

Meskipun pengalaman kita hidup sehari-hari tidak merasakan hal demikian, hal ini dikarenakan oleh adanya kenyataan bahwa gaya gravitasi itu teramat lemah, sehingga pengaruh yang ditimbulkannya amat kecil untuk dapat kita rasakan.
Seiring dengan usaha pemahaman atas gaya interaktif lain yang ada di jagat raya ini, konsep medan telah diperkenalkan oleh ilmuwan fisika masyhur, Michael Faraday pada akhir abad 19 yang berusaha memahami gaya interaktif partikel bermuatan elektrik yang kita kenal sekarang sebagai gaya elektromagnetik (gagasan “partikel” untuk dunia mikroskopis adalah suatu model saja). Konsep medan ini kemudian dibuat umum hingga kemudian diterapkan juga pada gagasan gravitasi tuan Newton, yang dikenal dengan konsep medan gravitasi.

Konsep medan gravitasi ini memandang setiap partikel materi sebagai pengubah ruang medan gravitasi. Medan ini beraksi pada setiap partikel materi lain yang berada di dalam medan tersebut, yang seolah-olah “mengerahkan” gaya tarikan gravitasi pada partikel materi tersebut. Medan ini memainkan peranan perantara dalam pemikiran kita mengenai gaya-gaya interaksi di antara partikel-partikel materi.

Mungkin kita jadi berpikir, bahwa bila setiap partikel materi yang berada dalam medan gravitasi telah berusaha untuk mengerahkan daya tarikan gravitasi pada setiap partikel materi lain, maka terdapat “sesuatu” yang menjadi penghubung sehingga terjadi interaksi antar partikel-partikel materi.
Pengenalan konsep kuantum dan penelitian mutakhir dari partikel elementer memungkinkan pemahaman yang jauh lebih baik daripada sebelumnya mengenai mekanisme gravitasi. Hasilnya adalah, diduga ada “partikel interaktif” yang dikenal dengan nama graviton sebagai pembawa gaya gravitasi yang memungkinkan partikel-partikel materi berinteraksi. Partikel interaktif tersebut tidak memiliki massa, bersifat maya-karena belum ada kenyataan eksperimental yang menemukan partikel interaktif tersebut. Karena graviton tidak bermassa, maka sebagai akibatnya ia dapat dipertukarkan pada jarak yang jauh sekali yang meliputi seluruh volume ruang jagat raya. Sebagai ilustrasi, berapa “keliling” jagat raya ini bila dikatakan bahwa di dalamnya terdapat sekitar 100 milyar galaksi yang tiap-tiap galaksi berisi sekitar 100 milyar bintang! Jumlah ini adalah suatu pendekatan saja, boleh jadi jumlah yang sebenarnya melebihi aproksimasi di atas. Sementara itu, dari pengamatan yang dilakukan terdeteksi bahwa antar galaksi saling bergerak menjauhi satu sama lain mirip dengan balon karet yang kita tiup, dengan kecepatan yang semakin bertambah besar dengan bertambah jauhnya jarak antar galaksi. Menurut prediksi, bahkan hal ini akan tetap berlangsung sekitar 5 atau 10 milyar tahun lagi.

Meskipun gaya gravitasi mempunyai kekuatan yang lemah bila dibandingkan dengan gaya-gaya lain yang terdapat di jagat raya ini, ia dapat mempunyai kekuatan yang sangat besar, bila kita meninjau suatu misal, sebuah objek langit yang mengalami pemampatan materi dan telah kehilangan energi termonuklirnya yang ia pergunakan untuk melangsungkan hidup, akan mengalami pengerutan yang sangat hebat. Bintang yang ambruk tersebut akan mengerut mencapai ukuran yang sangat kecil karena efek tarikan gravitasinya yang sangat kuat. Objek semacam inilah yang sering kita kenal sebagai lubang hitam, suatu objek yang menjadi perhatian utama saat ini dikarenakan ia memiliki sifat-sifat yang diramalkan dari teori kuantum dan teori relativitas umum, yang aneh, menawan dan menakjubkan. Mungkin sulit bagi kita untuk membayangkan terdapatnya objek yang demikian sangat rapat, bila suatu misal, dalam sebuah kelereng yang berdiameter dua cm mengandung sejumlah massa 80 milyar ton! Bintang yang mempunyai massa sekian itu akan terus-menerus mengerut dalam ukuran yang semakin kecil dan semakin rapat. Tarikan gravitasinya bahkan mampu menarik cahaya yang lewat mendekatinya.

Struktur atom dan struktur inti lubang hitam tidak lagi seperti yang telah kita kenal dalam teori atom dan teori nuklir, karena tarikan gravitasi telah menarik awan elektron di sekeliling inti dan menembusnya! Sifat-sifat apakah yang terjadi dan hukum bagaimanakah yang mampu menjelaskan adanya fenomena seperti itu, hingga saat ini masih dalam perumusan para fisikawan dunia. Dan akan selalu menjadi bahan kajian yang menarik karena ia merupakan aspek penting dalam pemahaman kita terhadap alam semesta, kelahiran serta proses evolusinya secara keseluruhan dalam suatu pemahaman utuh yang menunjukkan kebesaran Allah Yang Maha Rahman dalam menciptakan jagat raya ini.

simple talk - 23.28

Read More

Hawking: Alam Semesta Tercipta Karena Hukum Gravitasi

Fisikawan terkemuka asal Inggris, Stephen Hawking, dalam bukunya terbarunya, 'The Grand Design' mengatakan bahwa Big Bang tercipta akibat hukum gravitasi dan bukan karena adanya campur tangan ilahi.

Seperti yang dikutip The Guardian, Hawking menentang pendapat Issac Newton yang mengatakan alam semesta adalah ciptaan Tuhan, karena tidak mungkin alam tercipta dari khaos "Karena adanya hukum gravitasi, alam semesta bisa dan akan tercipta dengan sendirinya. Penciptaan yang spontan itu adalah alasan mengapa sesuatu itu ada, mengapa alam semesta itu ada, mengapa kita ada," tegas Hawking yang menulis buku itu bersama Leonard Mlodinow, fisikawan asal AS.

"Tidak perlu membawa-bawa Tuhan seolah-olah Ia yang memicu terciptanya alam semesta," tambah Hawking.

Dalam buku yang akan segera terbit pada 9 September mendatang di Inggris itu Hawking meyakinkan bahwa 'M-Theory', sebuah bentuk dari 'string theory', bisa menjelaskan

"Fakta bahwa kita manusia, kita sendiri adalah kumpulan-kumpulan partikel fundamental dari alam, telah nyaris memahami hukum-hukum yang mengatur kita dan alam semesta merupakan sebuah kemenangan besar," catat Hawking kemudian.

Hawking mengatakan penolakan terhadap keyakinan Newwton bahwa alam semesta tidak bisa lahir dari khaos datang dari sebuah observasi pada 1992 yang meneliti sebuah planet yang mengelilingi sebuah bintang.

"Itu membuat kebetulan yang melingkupi kondisi sistem planet kita seperti matahari tunggal, kombinasi jarak Bumi-matahari dan masa matahari yang secara kebetulan menguntungkan manusia, menjadi tidak lagi luar biasa dan tidak cukup meyakinkan bahwa bumi dirancang dengan hati-hati untuk mendukung kehidupan manusia," jelas Hawking kemudian.

Sebelumnya dalam bukunya yang terbit tahun 1988, 'A Brief History Of Time', Hawking menegaskan kepercayaanya akan campur tangan Tuhan dalam penciptaan alam semesta.

"Jika kita menemukan sebuah teori yang lengkap maka itu akan menjadi kemenangan besar dari nalar manusia, untuk itu kita harus mengetahui pikiran Tuhan," tulis Hawking, pada saat itu.
(Ber/A038/BRT)

Editor: Aditia Maruli
COPYRIGHT © 2011

sumber: http://www.antaranews.com/berita/1283419789/hawking-alam-semesta-tercipta-karena-hukum-gravitasi

simple talk - 22.53

Read More