Penerokaan sains semakin hari semakin berkembang pesat. Sejak abad ke-20 lagi, manusia telah menyaksikan pelbagai pencapaian yang mampu menjangkau had keupayaan manusia biasa. Pencapaian sains terus berkembang pesat kerana wujudnya sifat ingin tahu yang ada dalam diri manusia. Sebagai contoh, dalam bidang astronomi, jika dahulu manusia hanya mampu melihat bintang di malam hari, hari ini telah tercatat dalam sejarah peristiwa pendaratan manusia buat julung pertama kalinya ke bulan. Sebelum ini, manusia hanya berlegar-legar di atas muka bumi tetapi kini kita mempunyai sebuah stesen angkasa lepas yang menjadi penempatan manusia yang sekarang ini sedang mengorbit mengelilingi Bumi. Pernahkah kita terfikir bagaimana Stesen Angkasa Lepas Antarabangsa (International Space Station, ISS) mampu berada di orbit untuk tempoh yang panjang tanpa jatuh terjunam ke Bumi?
Stesen Angkasa Antarabangsa (International Space Station). Sumber: https://www.nasa.gov
Untuk menjawab persoalan ini, kita akan kembali ke era sewaktu Isaac Newton mula berjinak-jinak dengan teori graviti. Dalam karyanya yang terkenal iaitu Treatise on the System of the World, Isaac Newton telah melakukan satu eksperimen pemikiran (thought experiment). Apa itu eksperimen pemikiran? Eksperimen pemikiran itu ialah analogi minda untuk menerangkan suatu hipotesis atau dalam bahasa mudah, suatu eksperimen yang dijalankan hanya menggunakan logik pemikiran. Dalam eksperimen pemikiran yang dibuat oleh Newton, Newton melakukan eksperimen yang berkaitan dengan pergerakan trajektori. Trajektori ialah laluan melengkung yang dilalui oleh sesuatu objek misalnya projektil yang bergerak di ruangan. Kita ambil contoh projektil iaitu peluru meriam. Apabila kita tembak meriam, peluru meriam akan ditembak keluar dari meriam tersebut secara selari dengan permukaan Bumi. Peluru meriam itu akan meluncur di udara dengan bentuk parabola yang akan menghala kembali ke permukaan disebabkan oleh tarikan graviti serta rintangan udara. Sesuatu yang berada di udara pasti akan jatuh ke tanah juga.
Potret Sir Isaac Newton. Sumber:http:// www.wikimedia.org
Gerak kerja Isaac Newton dalam pemahaman bidang fizik yang direkod oleh beliau sendiri. Sumber: https://galileo.ou.edu
Kemudian, meriam itu ditembak sekali lagi. Kali ini, kelajuan peluru meriam yang ditembak itu ditingkatkan. Semakin tinggi kelajuan peluru meriam itu ditembak, semakin jauh trajektori peluru meriam itu untuk jatuh kembali ke permukaan. Selepas itu, meriam itu dipindahkah pula pada satu ketinggian yang tinggi di udara. Mengapa? Bagi mengurangkan kesan rintangan udara terhadap trajektori peluru meriam itu. Bila kita fikir secara mendalam, jika rintangan udara sudah cukup kecil untuk mempengaruhi trajektori peluru meriam, kita boleh menentukan satu kelajuan yang mana, apabila kita tembak meriam tersebut dan peluru meriam itu meluncur pada kelajuan tersebut, lengkungan trajektori yang dihasilkan akan sama dengan lengkungan bumi. Bayangkan laluan peluru meriam itu mula melengkung, permukaan bumi pun melengkung sekali. Perkara ini bermakna, peluru meriam itu tidak akan sampai ke tanah kerana kelengkungan trajektori itu menyamai kelengkungan bumi.
Tiga laluan trajektori yang dilalui oleh peluru meriam. https://i.stack.imgur.com
Tiga laluan ini dibezakan oleh kelajuan peluru meriam itu meluncur di udara sejurus ditembak. Semakin laju peluru meriam itu meluncur, semakin jauh trajektori peluru meriam. Laluan trajektori C ialah laluan di mana kelajuan peluru meriam itu membolehkan peluru meriam itu mengorbit mengelilingi Bumi secara berterusan jika tiada rintangan udara.
Untuk menjawab persoalan ISS tadi, ISS sebenarnya sedang jatuh. Ya jatuh! Dalam fizik kita sebut sebagai jatuh bebas (free fall) iaitu jatuh semata-mata kerana graviti. Tetapi, kerana ISS bergerak pada suatu kelajuan tertentu iaitu sekitar 7.66 km per saat, ini membolehkan lengkungan trajektori ISS mengikuti lengkungan permukaan bumi dengan tepat. Kerana ISS secara teknikalnya sedang jatuh, angkasawan yang berada di dalam stesen angkasa akan mengalami kenirberatan (weightlessness). Bila ditimbang berat angkasawan menggunakan penimbang, bacaannya menjadi sifar. Keadaan nirberat ini akan dirasai setiap masa secara berterusan kerana stesen angkasa lepas tersebut sedang jatuh pada setiap masa tetapi tidak akan pernah sampai ke permukaan Bumi.
Keadaan nirberat ini dapat kita hasilkan sendiri di atas permukaan Bumi. Salah satunya adalah semasa kita berada di dalam sebuah lif. Kemudian lif tersebut dijatuhkan pada satu ketinggian. Hal ini akan menyebabkan kita akan mengalami keadaan nirberat yang sama seperti di dalam stesen angkasa lepas. Namun, tidak perlulah kita sampai bergadai nyawa dengan berada di dalam lif dan menjatuhkan lif tersebut kerana kita boleh merasai sendiri keadaan nirberat dengan menempah tiket menaiki pesawat sifar-g (zero-g). Pesawat sifar-g ini akan melakukan penerbangan parabolik (parabolic flight) yang mana dalam penerbangan ini, keadaan nirberat yang dihasilkan menyamai keadaan di dalam stesen angkasa.
Keadaan nirberat (weightless) dalam pesawat yang sedang melakukan penerbangan parabolik. Sumber:https://upload.wikimedia.org
Rujukan
- https://incredible-adventures.com/zero-g-how.html#:~:text=Weightlessness%20is%20achieved%20by%20flying,24%2C000%20and%2034%2C000%20feet%20altitude.&text=Next%20the%20plane%20is%20%22pushed,gravity%20segment%20of%20the%20parabolas.
- https://www.forbes.com/sites/quora/2018/04/18/what-prevents-the-iss-from-falling-out-of-orbit/#5174ebcc7b88
Disunting oleh Mustaqim Azman
MENGENAI PENGARANG
Seorang pelajar jurusan fizik di Universiti Malaya.