Dari Fenomena Fisis ke Karya Inovatif: While it is not Always Trivial

Φ-Gathering | Inovasi Berkarya

Sabtu, 2 Mei 2015 | 1201 | 13.00-16.00

Dari Fenomena Fisis ke Karya Inovatif: While it is not Always Trivial

Gambar 3. Beberapa jenis ikatan rambut dan hasil jatuhnya rambut sesudahnya [12-14].

Sparisoma Viridi

Tedapat ungkapan energi kumpulan serat yang memiliki simetri sumbu

Prodi Fisika, FMIPA, ITB Jalan Ganesha 10, Bandung 40132 [email protected]

ε (ρ ,τ ) = ∫ d 3 r ρ  Aκ 2 + ϕ (r ) + u  ,(2)

r

Abstrak. Ulasan singkat tentang beberapa fenoma fisis disajikan dalam tulisan ini, agar dapat menjadi sumber inspirasi untuk melakukan inovasi. Pemikiran yang agak out of the box diperlukan sehingga hal sehari-hari yang diamati tidak dianggap sebagai suatu yang trivial belaka. Kaca kunci: fenomena fisis, inovatif, nottrivial, insiprasi.

Pendahuluan Terdapat banyak fenomena fisis dan keteraturan alam yang dapat diamati di sekeliling kita, untuk di dapur misalnya terdapat efek Weissenberg [1] dan efek Leidenfrost [2], di kebun ada aturan Leonardo [3], di meja rias terkait ikatan rambut [4], dan dalam prakarya anak-anak dapat diamati sifat mekanik origami [5]. Selanjutnya, keteraturan dan fenomena fisis tersebut dapat dirangkum menjadi konsep, hukum, dan teori fisika. Dengan memanfaatkan konsep-konsep seperti hukum kekekalan momentum, impuls, gaya gesek, banyak inovasi dapat dilahirkan, seperti RYNO motor [6] dan the Cubli [7]. Pemikiran yang agak out of the box bahkan dapat mengantar sampai pada memadamkan api dengan suara [8]. Bermain dengan air dapat menghasilkan tampilan kucuran air yang seakan-akan membeku [9], ataupun dapat diseriuskan sehingga menghasilkan penampil air (water display) [10].

Aturan Leonardo Jumlah diameter semua cabang pada suatu pohon dalam tingkatan yang sama di dapat dikaitkan dengan diameter batangnya d melalui aturan Leonardo

d∆ =

N

∑d

∆ i

,

(1)

i =1

dengan ∆ = 2 (teramati kemudian pada berbagai pohon 1.8 < ∆ < 2.3), yang selanjutnya diuji dengan model pohon stokastik [3] sehingga dapat menghasilkan bentuk-bentuk seperti diberikan dalam Gambar 1.

Gambar 1. Contoh beberapa bentuk pohon hasil model pohon stokastik [11].

Persamaan (1) dapat dimanfatkan untuk mengidentifikasi suatu pohon sehingga dapat dipahami bagaimana pertumbuhan pohon secara lokal terjadi dan bagaimana faktor-faktor eksternal berpengaruh pada pertumbuhan, seperti angin, hujan, salju, dan es, dan juga faktor-faktor internal seperti cabang lebih ujung, daun, buah, dan bunga. Amat menarik bila dapat diikutsertakan juga kondisi tanah, nutrisi yang diperoleh, sinar matahari, dan kadar air selama pertumbuhan. Sangat ideal bila nilai ∆ dapat digunakan sebagai parameter untuk mengidentifikasi tingkat kesuburan suatu pohon.

Gambar 2. Model pohon numerik dengan batang memanjang pada arah t dan membesar pada arah b, untuk tiap percabangan akan terdapat ti dan bi pada arah θi [3].

Suatu model numerik yang ada [3] telah memperhitungkan pengaruh angin yang bekerja pada daun dan batang, serta momen gaya akibatnya. Untuk melibatkan faktor-faktor yang telah disebutkan di atas, perlu ditambahkan persamaan-persamaan lain sehingga dapat mengakomodasi faktor-faktor tersebut.

r 1 2

r

 

dengan medan kurvatur κ, potensial eksternal φ, dan lingkup bunder serat per satuan panjang [4]. Termasuk di dalam potensial eksternal adalah akibat gaya gravitasi. Persamaan (2) kemudian perlu diminimalkan sehingga dapat diperoleh suatu solusi yang dapat digunakan, misalnya saja untuk memperkirakan hasil pemotongan rambut bersusun setiap suatu panjang tertentu sebagaimana diberikan dalam Gambar 4.

Gambar 4. Profil jatuhnya rambut sebagai hasil (a) observasi dan (b) simulasi.

Hasil simulasi yang merupakan solusi dari Persamaan (2) serta hasil observasinya diberikan dalam Gambar 4. Bila suatu saat metode inversi diterapkan, maka model-model rambut hasil observasi dapat dicari nilai-nilai parameternya dari solusi Persamaan (2), sehingga model rambut dapat diidentifikasi dengan kumpulan parameter dan tidak lagi dari namanya saja.

Elastisitas origami Seni melipat kertas yang berasal dari Jepang, yang dikenal sebagai origami, tidak terbatas hanya pada membuat figurfigur benda dan binatang (Gambar 5), akan tetapi dapat lebih umum seperti untuk kotak telur, hiasan, dan sebagainya.

Fisika ikat rambut Mengikat rambut panjang dengan satu atau beberapa ikatan dapat dilakukan pada berbagai posisi yang akan mengakibatkan bentuk rambut setelah ikatan amat berbeda jatuhnya sebagaimana diilustrasikan dalam Gambar 3.

Gambar 5. Figur-figur origami standar [15].

1

Dari Fenomena Fisis ke Karya Inovatif .. Hal yang mendasar dari origami adalah melipat kertas sehingga terjadi tekukan. Ada kalanya tekukan perlu dibuka kembali untuk beberapa jenis figur. Kelengkungan kertas yang ditekuk memiliki persamaan elastica

BWθ ss − F sin θ = 0 , dengan ilustrasinya Gambar 6.

The Cubli

tetap

(3) diberikan

∆x p

dalam

Suatu konstruksi elektronik berbentuk kubus yang dapat dengan bebas mengatur perubahan momentum sudutnya, dikenal sebagai the Cubli [7], memiliki kemampuan untuk selalu berada dalam keadaan stabil pilihannya. Pose pada salah satu posisinya diberikan dalam Gambar 9.

lubang

F1 F2 > F1 Gambar 7. Desain negara gaya yang dengan elastisitas lembaran tertekuk yang ditahan pada titik tetap dan melwati lubang di bagian bawah.

Gambar 6. Tekukan kertas yang ditarik dengan gaya F: (a) variabel dan parameter, (b) laser digunakan untuk mengamati kelengkungan, dan (c) kelengkungan y(x) dengan berbagai nilai gaya berbeda, untuk lembaran bertebal 350 µm dan berukuran 200 mm × 30 mm [5].

Variabel s menggambarkan koordinat kurvilinier, θ adalah sudut lokal yang diukur terhadap sumbu horisontal, indeks bawah s menyatakan turunan kurvilinier, B adalah rigiditas bending lembaran B=

Eh 3 , 12 1 −ν 2

(

)

Penyelesaian Persamaan (3) dengan syarat batas akan dapat merelasikan antara perubahan posisi puncak tekukan ∆xp tehadap gaya F yang diberikan. Semakin besar F akan semakin besar ∆xp, yang memenuhi hubungan yang mungkin tak linier. Bila posisi titik tekuk yang baru dimanfaatkan sebagai saklar atau menggerakan rheostat, maka suatu sensor gaya yang terukur dalam bentuk resistansi dapat diwujudkan.

Gambar 9. The Cubli dalam salah satu pose stabilnya [7].

Terdapat tiga sensor dalam the Cubli yang memantau orientasi dalam ketiga sumbu setiap saatnya. Kontroler menggunakan informasi ini untuk mengubah momentum sudutnya sehingga the Cubli dapat mempertahankan orientasinya atau berubah ke orientasi baru. Perubahan momentum diperoleh dengan mengubah kecepatan (besar dan arah) tiga buah kipas yang arah putarnya menuju masing-masing sumbu koordinat x, y, dan z.

(4)

dengan E merupakan modulus Young, ν adalah rasio Poisson, h ketebalan dan W lebar. Syarat batas yang harus dipenuhi adalah

θ (∞ ) = 0, , θ s (∞ ) = 0, θ (0 ) =

π −φ

, (5) 2 di mana ϕ adalah sudut bukaan awal dari lipatan. Sudut yang dimaksud di sini adalah sudut permanen, di mana saat tidak lagi ada gaya F, sudut θ(0) akan kembali ke θ(0). Dengan menggunakan Persamaan (3) dan (4) serta syarat batas dalam Persamaan (5) sekarang dapat dihitung gaya yang diperlukan untuk menahan suatu struktur yang menggunakan lembaran seperti dalam Gambar 6.a. Perhatikan rancangan suatu alat sederhana pada Gambar 7 yang berfungsi sebagai suatu neraca gaya sederhana, di mana desain ini dapat menghitung gaya yang lebih kecil dari neraca pegas yang umumnya tersedia. 2

Gambar 8. Pemanfaatan karton dalam bentuk lipatan polihedral ekstrim sebagai kotak pelindung telur [16]

Sebelumnya telah disebutkan bahwa salah satu pemanfaatkan origami adalah untuk kotak telur. Empat buat contoh karton telur polihedral ekstrim diberikan dalam Gambar 8. Selain konstruksi harus cukup kuat, juga harus memerlukan ruang yang kecil sehingga dapat kompak dan optimal saat disusun bersama-sama (tiling). Problem optimized tiling termasuk dalam cabang ilmu matematika yang dikenal sebagai kombinatorika.

Gambar 10. Posisi stabil lain dari the Cubli hasil koordinasi ketiga kipas penghasil momentum sudut yang dikendalikan oleh kontroler [17].

The Cubli yang terletak pada suatu bidang alas, akan tetap stabil saat bidang alas tersebut dimiringkan karena ia mempertahankan momentum sudut pada ketiga sumbunya, sebagaimana diilustrasikan dalam Gambar 10. Bagaimanakah peran momentum sudut dalam hal ini? Apakah cukup itu saja atau hukum kekekalannya juga diperlukan? Kita telah dapat menerima bahwa orang

S. Viridi dapat bersepeda dengan stabil dan gasing dapat berputar karena adanya hukum kekekalan momentum sudut, lalu bagaimana dengan the Cubli yang dapat berubah orientasinya? Untuk itu perhatikan Gambar 11.

momentum sudut, sehingga akan muncul L3 sebagai penggantinya, yang dalam hal ini seluruh sepeda dan pengemudinya harus berotasi dengan titik tetap terletak pada titik di mana roda depan bersentuhan dengan jalan.

Dengan melihat dua invensi terakhir, terpikirkah untuk memanfaatkan sistem stabilitas yang sama dalam suatu inovasi baru? Bagaimana dengan peralatan rumah tanggal, sepeti kursi, meja, atau rak buku yang dapat diatur stabil pada sudut berapapun?

Efek Weissenberg Saat membuat kue, kadang adonan diaduk dengan menggunakan mixer elektronik. Amati bahwa adonan kue akan naik pada poros pengaduk mixer, berbeda apabila fluida yang diaduk adalah air. Efek ini dikenal sebagai efek Weissenberg. Fenomena ini muncul pada fluida yang bersifat non-Newtonian.

Gambar 12. Penjelasan pengemudi sepeda [18] dapat terjungkal ke depan saat mengerem mendadak hanya menggunakan rem depan.

The Cubli dengan prinsip yang sama mengatur putaran dari ketiga kipasnya untuk membuat suatu orientasi stabil atau mengubah orientasinya. Menarik bukan?

RYNO motor

Gambar 11. Langkah-langkah the Cubli, yaitu stabil pada: salah satu sisinya (atas), salah satu rusuknya (tengah), dan akhinya pada salah satu titik sudutnya (bawah) [17].

Penjelasannya akan lebih mudah dengan menggunakan orang bersepeda. Orang yang pernah secara tak sengaja terjungkal ke depan karena mendadak hanya menggunakan rem depan untuk berhenti sudah pasti pernah mengalami peristiwa seperti diilustrasikan dalam Gambar 12. Saat bersepeda normal momentum sudut diberikan oleh putaran kedua roda, yaitu L1 = I1ω1 dan L2 = I2ω2. Saat tiba-tiba rem depan diterapkan, L1' = 0 sehingga L2 tidak cukup menurut hukum kekekalan

Inovasi lain yang memanfaatkan konsep hukum kekekalan momentum sebelumnya adalah suatu kendaraan motor roda satu yang diberi nama RYNO motor [6]. Hal ini dapat dilakukan karena telah ada motor-motor listrik berkecepatan tinggi yang momentum sudut yang dapat dihasilkannya jauh lebih besar dari torsi akibat gaya gravitasi pada suatu titik rotasi padanya. Untuk itu RYNO motor baru dapat bekerja stabil saat sistem stabilitasnya (automatic balance system) bekerja, mirip dengan sistem stabilitas pada the Cubli.

Gambar/13. RYNO motor: sistem stabilitas bekerja saat indikator baterai menyala (kiri) sehingga sistem dapat stabil untuk digunakan baik diam atau berjalan (kanan) [6].

Gambar 14. Efek Weissenberg untuk ketiga fluida non-Newtonian yang berbeda, terlihat ketinggian yang tercapai pun berbeda [1].

Inovasi yang dapat dikembangkan dari fenomena fisis ini, misalnya saja adalah suatu alat ukur, yang dapat memetakan hubungan antara ketinggian maksimum yang dicapai h sebagai fungsi kecepatan putaran silinder ω, di mana kurvanya dikarakterisasi oleh parameter fluidanya seperti massa jenis ρ, viskositas η, tegangan permukaan γ, dan sudut kontaknya (adhesi-kohesi) α.

Efek Leidenfrost Selain efek sebelumnya efek berikutnya yang dikenal sebagai efek Leidenfrost juga dapat dengan mudah ditemukan di dapur. Fenomena ini dapat muncul saat air diletakkan di atas wajan yang telah dipanasi terlebih dahulu, jauh di atas temperatur penguapan air. Saat butiran air mengenai wajan yang panas, air seketika menguap sehingga menyebabkan terjadinya bantalan uap yang menyanggah tetesan air. Tetesan tersebut dapat dengan bebas bergerak ke sana-ke mari karena gesekannya dengan wajah kecil ditambah dengan adanya gaya akibat tekanan uap yang tercipta. Diperlukan temperatur permukaan sekitar 250 °C agar efek Leidenfrost dapat terjadi saat tetesan air dijatuhkan pada permukaan tersebut. Invesitasi lebih jauh dengan permukaan yang diberikan struktur, dapat dibangkitkan gaya dorong sehingga tetes3

Dari Fenomena Fisis ke Karya Inovatif .. an air dapat bergerak, bahkan mendaki bidang miring [19]. Lebih lanjut modifikasi pada permukaan yang dipanaskan tersebut dapat membuat arah gerak tetesan air menjadi menarik, bahkan dapat dibuat semacam maze [2].

tinggi akan memberikan hasil yang lebih baik, ternyata tidak. Kemudian mereka mencobanya dengan yang berfrekuensi rendah dan hasilnya lebih baik.

sehingga dapat disinkronisasikan untuk menghasilkan suatu pola tertentu.

Gambar 17. Memadamkan api dengan gelombang suara berfrekuensi rendah berintensitas besar yang dipandung dengan silinder [8].

Gambar 15. Efek Leidenfrost pada wajan yang dipanaskan dan diletakkan genangan kecil air.

Teramati pula bahwa temperatur yang berbeda, di bawah atau di atas temperatur Leidenfrost, akan menghasilkan arah gaya dorong yang berbeda [2].

Inovasi ini akan membawa tren baru dalam teknologi pemadaman api. Bayangkan suatu saa terdapat pemadam api yang tidak perlu diisi akan tetapi cukup dicharge saja.

Membuat aliran air "membeku"

Gambar 19. Penampil air yang dipasang di Stasiun Osaka, Jepang, dapat menunjukkan waktu dan informasi-informasi lainnya, selain pola-pola yang menghibur [10].

Gambar 16. Maze tetesan air dengan memanfaatkan efek Leidenfrost [2].

Akan menarik bila air yang terlihat "membeku" dan penampil air dapat digabungkan. Mungkin suatu penampil air jenis baru dapat dibuat. Salah satu kelemahan penampil air saat ini adalah semakin ke bawah jarak vertikal gambar semakin panjang (Gambar 19), karena gerak jatuh bebas butiran air yang semakin cepat pada bagian bawah dibandingkan pada bagian atas. Hal ini terjadi karena adanya gaya gravitasi bumi. Inovasi lain yang dapat dilakukan, misalnya bila digunakan tinta bewarna sehingga penampil air tidak lagi monochrome.

Memadamkan api dengan suara

Penutup

Terdengar tidak masuk akal kalimat "memadamkan air dengan suara", bukan? Tran dan Robertson dari George Mason University telah membuati inovasi suatu pemadam api yang bekerja dengan membangkitkan gelombang berfrekuensi rendah dengan intesitas cukup besar [8]. Prinsip yang digunakan sama, yaitu berusaha untuk memisahkan udara dari api yang sedang berkobar sehingga api dapat dapat padam. Hal inilah yang terjadi saat air, CO2, ataupun busa (foam) disemprotkan ke api untuk memadamkannya. Sebelumnya. Tren dan Robertson mengira bahwa gelombang suara befrekuensi 4

Aplikasi lain dari gelombang bunyi adalah dapat membuat aliran air terlihat seperti mengalir mundur, membeku, dan mengalir maju dengan frekuensi 23 Hz, 24 Hz, dan 25 Hz, berturut-turut [9, 20].

Gambar 18. Aliran air yang terlihat seakanakan membeku [9].

Salah satu dugaan adalah hal ini terjadi karena terciptanya gelombang stasioner akibat selang digetarkan dengan frekuensi yang cocok dengan suatu frekuensi tertentu dalam aliran air, mungkin frekuensi rambat gelombang bunyi dalam air. Perlu investigasi lebih lanjut mengenai hal ini.

Penampil air (water display) Salah satu penampil yang inovatif adalah dengan memanfaatkan air, di mana air yang jatuh diatur dengan kontroler

Telah disajikan beberapa fenomena fisis dan inovasi yang diharapkan dapat menjadi inspirasi untuk terus berkarya. Sumbersumber insiprasi dapat ditemui di sekeliling kita pada waktu sehari-hari. Dengan menajamkan pemikiran, banyak membaca, dan selalu mempertanyakan hal-hal (tidak menganggap segala hal sebagai trivial) akan membantu kita untuk mendapatkan inspirasi untuk melakukan inovasi dalam berkarya. Inovasi tidak perlu hebat atau wah, cukup hal-hal sederhana yang membantu proses menjadi lebih efesien. Suatu saat inovasi ini akan berbuah menjadi suatu yang besar. Percayalah.

S. Viridi

Referensi [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12]

[13]

[14]

[15] [16]

[17]

[18]

[19] [20]

plsidot, YouTube, v=npZzlgKjs0I [21050502]. SciFri, YouTube, v=zzKgnNGqxMw [20150429]. Eloy, Physical Review Letters 107, 258101 (2011). Waitukaitis et al., Physical Review Letters 114, 055503 (2015). Lechenault et al., Physical Review Letters 112, 244301 (2014). RYNO Motors, YouTube, v=Z1YoCfm7nxU [20150501]. Gajamohan et al., 2013 ECC, 1719 July, Zürich, pp. 268-274. gdgtsbuzz, YouTube, v=l8rr0B4cOE [20150501]. Fun Station, YouTube, v=dhOYRHt2cqM [20150502]. brusspup, YouTube, v=uENITui5_jU [20150502]. URL https://www.irphe.fr/~eloy /Images/arbres.png [20150501]. URL http://www.scienceengineering.net/images/articles/ig %20nobel.jpg [20150501]. URL http://www.free-power-pointtemplates.com/download/2850/ [20150501]. URL http://primped2.hcdn1.net /images/uploads/trickstips/may_10 /98894826_hero.jpg [20150501]. URL http://www.jccc.on.ca/assets /images/origami5.jpg [20150501] URL http://beachpackagingdesign .com/wp-content/uploads/2013/04 /ExtremePolyhedralEggPacks.jpg [20150501]. Gajamohan Mohanarajah, YouTube, v=n_6p-1J551Y [20150501]. URL http://2.bp.blogspot.com/WuLCLBbAND8/UYPD5XmBnsI /AAAAAAAAAPo/pZVLpgeM8P o/s1600/bicicleta.jpg [20150502]. Linke et al., Physical Review Letters 96, 154502 (2006). MrPlasm0, YouTube, v=_ytAq9sOXMo [20150501].

5