Gravitasi Buatan di Film Interstellar

Memangnya kita bisa membuat gravitasi buatan di pesawat luar angkasa? Artikel ini memberi penjelasan bagaimana membuat simulasi gravitasi pada pesawat luar angkasa.

Mumpung masih hot soal Interstellar, kita lanjutin lagi yuk konsep Fisika lainnya yang ada di film ini. Beberapa hari yang lalu, Glenn kan udah nulis tentang konsep dilatasi waktu di film Interstellar. Kalau lo mau tau gimana konsep relativitas-nya Einstein dipakai untuk menjelaskan dilatasi waktu, kenapa para astronot tetap muda sedangkan orang di bumi makin tua, gue saranin lo baca tulisan Glenn dulu deh. Kalau Glenn ngebahas bagian Fisika yang berat-berat, di postingan ini gue justru mau angkat bagian Fisika yang sederhana aja, tapi nggak kalah menariknya, yaitu tentang gravitasi buatan di ruang angkasa.

Buat lo pecinta sci-fi mungkin sempet kepikiran bahwa suatu hari nanti umat manusia bakal mulai melakukan eksplorasi ke luar angkasa. Masalahnya di luar angkasa itu, kita akan sangat sulit menemukan satu tempat yang punya gaya gravitasi yang persis kayak di bumi. Kan nyebelin juga kalo kita harus terus adaptasi dengan gravitasi luar angkasa dan hidup dengan cara melayang-layang di pesawat ruang angkasa, atau harus membiasakan diri dengan kondisi gravitasi yang telalu besar atau terlalu kecil.

Nah, untuk menghadapi tantangan yang satu itu, sebetulnya kita gak perlu nunggu kelamaan buat mikirin gimana caranya kita bisa memanipulasi gravitasi. Karena sebetulnya, kita udah bisa kok mensiasatinya dengan menerapkan hukum fisika yang udah kita ketahui sekarang ini. Nah, konsep yang akan gua bahas di sini, proyeksinya bisa kalian tonton di film Interstellar yang baru-baru ini lagi hot di bioskop.

By the way, postingan ini sebetulnya gua nggak akan ngebahas inti ceritanya tapi lebih ngebahas tentang penjelasan ilmiah dibalik film Interstellar . Tapi, berhubung setiap orang punya toleransi yang berbeda dengan spoiler, gua akan tetap kasih tanda spoiler warning yah. Sebetunya emang akan lebih bagus kalo lo nonton dulu film-nya baru baca artikel ini, tapi kalau lo penasaran sama konsep gravitasi buatan di luar angkasa dan nyaman aja dengan sedikit spoiler seputar penjelasan ilmiah, go ahead baca aja sampe bawah.

Spoiler-Alert

Okay, kita inget-inget lagi filmnya. Pada saat Cooper sampai ke ruang angkasa pake roket dari bumi, awalnya mereka melayang-layang, kan? Itu karena mereka nggak ngerasain gravitasi bumi lagi. Nah, terus setelah Cooper, dkk. meninggalkan atmosfer bumi, roketnya itu “parkir” ke pesawat ruang angkasa yang namanya Endurance (itu lho pesawat yang bentuknya kayak roda raksasa), terus pesawat itu berputar-putar.

Awalnya, mereka ngerasain putaran itu bahkan sampe ada yang mabok, terus setelah beberapa lama mereka mulai terbiasa dan ngerasa baik-baik aja, padahal pesawatnya tetap berputar. Nggak lama kemudian, para astronot itu udah nggak berada dalam kondisi yang melayang-layang melayang-layang lagi dan bisa jalan dan duduk seperti biasa aja.

gravitasi dalam endurance
Di dalem pesawat Endurance awalnya melayang-layang, gak lama kemudian udah bisa berdiri menapak seperti gravitasi normal | sumber : screenshot official trailer Interstellar

Loh, kok bisa? Ini karena emang film fiksi atau emang beneran ada penjelasan ilmiahnya? Yak, ini ada penjelasan ilmiahnya. Berbeda dengan artikel sebelumnya yang pakai konsep fisika modern, fenomena yang satu ini cukup cuma pakai Fisika klasik kok, yang udah ditemuin sama Newton di sekitar tahun 1686.

Apa Itu Gravitasi?

Sebenernya, kalau kita ngomongin variabel gravitasi di Fisika Klasik, itu bisa mengacu ke dua hal: (1) Bisa Gaya Gravitasi, (2) bisa Percepatan Gravitasi. Kalau gue tanya berapa percepatan gravitasi di permukaan bumi, gue yakin lo bisa jawab. Itu sering banget dipakai di soal. Berapa coba? Yup, g = 9.8 m/s^2, biasanya kita pakai pendekatan g = 10 m/s^2. Nah, itu adalah percepatan gravitasi ya. Perhatiin kalau satuannya pun sama dengan satuan percepatan.

Sebenernya, dengan mengetahui bahwa besar percepatan gravitasi di permukaan bumi itu 10 m/s^2 aja, udah banyak loh yang bisa lo simpulin. Misalnya, kalau gue tanya gini:

“Gue punya dua benda, benda pertama massanya 2 kg, benda ke dua massanya 5 kg. Kalau gue jatuhin bersamaan dari ketinggian yang sama, yang mana yang jatuh duluan?”

KLIK-DI-SINI-UNTUK-MELIHAT-JAWABANNYA

Well, kalau lo jawab 5 kg yang jatuh duluan, itu jawaban yang salah bro/sis. Tadi kan kita udah tau kalau keduanya mengalami percepatan gravitasi yang sama kan? Yup, yaitu sama-sama 10 m/s^2. Berarti percepatannya sama dong! Terus karena kecepatan awalnya sama-sama nol, terus ketinggiannya juga sama, ya bisa dipastikan jatuhnya pasti bareng! Gue pernah bikin satu artikel khusus tentang ini, judulnya Gravitasi: yang mana yang jatuh duluan?

Itu dari segi percepatan gravitasi. Sekarang, kalau gue tanya gini:

“Berapa gaya gravitasi yang dialami oleh benda 2 kg dan 5 kg?”

Nah, gaya gravitasinya bisa dihitung begini:

    \[W_1 = m_1 g = 2 \times 10 = 20 N\]

    \[W_2 = m_2 g = 5 \times 10 = 50 N\]

Yup. Jadi berat itu adalah gaya gravitasi. Masing-masing benda mengalami gaya gravitasi sebesar 20 N dan 50 N yang arahnya ke bawah (ke bumi). Jangan lupa kalau gaya itu vektor, jadi lo harus sebutin arahnya.

Kenapa di Luar Angkasa Nggak Ada Gravitasi?

Gravitasi itu sendiri muncul karena ada massa, dan itu bisa ditunjukkan dalam persamaan ini:

    \[F = G\frac{m_1 m_2}{r^2}\]

F itu gaya, m_1 dan m_2 itu massa benda satu dan dua, r itu adalah jarak antara kedua benda, dan G itu tetapan yang besarnya konstan. Jadi, benda apa pun yang bermassa, dia bisa menarik benda lain. Misalnya antara handphone dan buku, karena keduanya memiliki massa, maka keduanya tarik-menarik. Tapi berhubung massanya nggak besar, jadi gayanya pun nggak besar, jadi nggak berasa. Sekarang bandingin kalau antara Bumi dan elu. Gaya tarik-menariknya besar dan signifikan.

Nah, di persamaan itu juga kelihatan kan kalau gaya gravitasi itu berbanding terbalik dengan jarak antara kedua benda. Sekarang kalau kita menjauh dari Bumi, maka lama-lama gaya gravitasi yang dirasain akan makin kecil. Biar lebih greget, pakai contoh soal ya 🙂

soal no 6 tentang gravitasi

Lo bisa lihat video pembahasannya di sini, soal nomor 06 ya  🙂

Jelas lah ya, bahwa makin jauh dia dari bumi, makin kecil gaya gravitasi yang bekerja sama dia. Kalau dari rumusnya, sebenernya gaya gravitasinya itu nggak akan mencapai nol. Tapi ya bisa cukup kecil lah asal dia bisa jauh dari bumi. Itulah sebabnya para astronot ini melayang-layang ketika mencapai ruang angkasa, karena gravitasi bumi yang mereka rasain ini keciiil sekali.

Gravitasi Buatan

Nah, sekarang gimana caranya membuat gravitasi buatan di ruang angkasa? Apakah kita perlu pakai benda yang massanya sama besar dengan massa bumi? Ya enggak lah, ya. Triknya sebenernya sederhana aja, asalkan lo inget satu hal: gravitasi itu percepatan. So… kalau kita bisa bikin pesawat luar angkasa itu mengalami percepatan konstan sebesar g=10m/s^2, maka kita bisa mengalami gravitasi.

Ilustrasinya mirip dengan mobil dan pengemudi di bawah ini:

driving-car-f

Ketika mobil dipercepat ke depan, kita merasakan percepatan ke belakang. So, kalau pesawat luar angkasa dipercepat ke depan, awak pesawat merasakan percepatan ke arah sebaliknya. Pertanyaannya, gimana cara bikin percepatan pada pesawat, tapi nggak berpengaruh pada arah gerak pesawat? Solusinya: Gerak Melingkar!

Gaya Sentripetal Pada Gerak Melingkar

interstellar-poster-space-banner
Pesawat endurance yang bentuknya seperti rangka roda raksasa | sumber : http://www.liveforfilms.com/2014/09/18/new-interstellar-poster-and-app-are-out-of-this-world/

Jadi intinya, pesawat itu dibuat bergerak melingkar beraturan dengan kelajuan konstan sehingga muncul gaya sentripetal. Nah, ada gaya sentripetal, berarti ada percepatan sentripetal. Sama kayak mobil dan pengemudi tadi, karena pesawat endurance tersebut dipercepat ke arah pusat gerak melingkar, maka awak pesawatnya (Cooper, dkk) merasakan percepatan yang arahnya sebaliknya. Percepatan ini namanya percepatan sentrifugal. Tinggal diatur sedemikian rupa supaya dia merasakan percepatan sentrifugal yang besarnya a_s = 10 m/s^2. Cara mengaturnya adalah dengan membuat dia berputar konstan dengan kecepatan sudut tertentu, karena hubungan antara percepatan sentripetal/sentrifugal, kecepatan sudut, dan jari-jari itu rumusnya a_s = \omega^2 r. Dengan begitu, dia nggak melayang lagi di pesawatnya, tapi bisa menapak dan jalan-jalan di pesawat seperti dia jalan-jalan di bumi. Itulah alesannya kenapa pesawat endurance itu bentuknya mirip seperti rangka roda raksasa yang bergerak muter-muter terus. Berhubung gue pernah bikin video-nya, kita tonton aja ya video tentang Gaya sentripetal itu:

Pusing Nggak sih Melingkar-lingkar Terus?

Selama mereka nggak melihat ke luar, nggak akan pusing karena mereka sama sekali nggak merasakan kalau pesawatnya lagi muter-muter. Mereka cuma merasa kayak lagi di bumi aja, bisa menapak, seakan-akan ada gravitasinya. Sama aja kayak lo sekarang ini. Sadar nggak sih bahwa lo sekarang ini sedang bergerak dengan kecepatan sekitar 463,5 m/s? Yup, kira-kira segitulah kecepatan rotasi bumi di sekitar khatulistiwa. 463m/s itu cepet buanget lho =  1.668km/jam! tapi lo nggak berasa kan? Nah, begitu juga dengan awak di pesawat itu. Mereka nggak akan ngerasain perputarannya selama geraknya itu gerak melingkar beraturan dengan kelajuan konstan. Kalau dia mengalami percepatan (berarti mengalami perubahan laju), baru berasa.

Konsep ini dipakai juga di amusement parks (taman hiburan)

Mungkin lo pernah juga main-main ke beberapa amusement parks. Gue pernah lihat yang semacam ini kok di Batu Night Spectacular, Malang. Namanya Gravitron.

Gravitron itu akan berputar, awalnya dipercepat, terus lama-lama laju putarannya konstan. Nah, pas udah konstan, lo akan merasakan seolah-olah ketarik gravitasi ke dinding. Jadi lo bisa nempel di dinding. Ada contohnya yang mirip ini di Youtube, lihat aja:

Lo bisa lihat kan gimana mereka seakan-akan ketarik ke dindingnya? Penjelasannya seperti yang gue sebutin di atas. Putaran itu membuat orang-orang yang ada di dalam Graviton/Rotor mengalami gaya sentrifugal. Gaya sentrifugal ini yang mereka rasakan sebagai gaya gravitasi.

Disclaimer: "Sebetulnya terminologi "gravitasi buatan" ini kurang tepat, karena sebetulnya konsep ini gak membuat kita bisa menciptakan gravitasi, melainkan memanfaatkan gaya sentrifugal yang efeknya menyerupai gaya gravitasi. Tapi untuk mempermudah penulisan pada artikel ini, maka gua tulis dengan istilah "gravitasi buatan".

****

Nah, sekarang lo paham deh kira-kira gimana sih konsepnya kalo kita mau bikin gravitasi buatan di ruang angkasa. Konsep seperti ini sebetulnya memang udah cukup sering diterapkan dalam berbagai karya science-fiction, salah satunya di film Interstellar yang lagi hot sekarang ini. Konsep gravitasi buatan ini sebetulnya gak cuma buat upaya merasionalisasikan film sci-fi doang lho, tapi memang konsep ini betul-betul nyata bisa diterapkan jika suatu saat nanti manusia udah mau mencoba space exploration dan membentuk space colony di ruang angkasa.

Pada tahun 1976, seorang fisikawan bernama Gerard K. O’Neill mengemukakan ide proposal desain pesawat ruang angkasa dalam sebuah buku berjudul The High Frontier: Human Colonies in SpaceDalam bukunya, doi memperkenalkan desain The O’Neill cylinder, yang merupakan draft ide untuk merancang pesawat ruang angkasa raksasa yang memungkinkan manusia untuk bisa melakukan perjalanan space migration dengan interior pesawat yang berbentuk silinder serta melakukan rotasi secara konstan untuk bisa mendapatkan efek gravitasi yang sama seperti di bumi.

Spacecolony3edit
Konsep O’Neill cylinder | sumber: http://en.wikipedia.org/wiki/Space_colonization

Okay deh, kira-kira begitulah sedikit penjelasan gue tentang konsep gravitasi buatan dalam film Interstellar. Moga-moga bisa bermanfaat dan nambah pengetahuan dan wawasan lo semua, dan pastinya bikin lo terus tambah penasaran sama betapa kerennya Fisika dan science itu sendiri. 🙂

==========CATATAN EDITOR===========

Kalo ada di antara lo yang mau ngobrol atau diskusi sama Wisnu tentang film Interstellar, langsung aja tinggalin comment di bawah artikel ini ya.

Tertarik belajar dengan zenius.net? Kamu bisa pesan membership zenius.net di sini.