Objek Terapung pada Permukaan Fluida yang Merambatkan Gelombang

Jika Christopher Columbus benar-benar melemparkan tong kayu berisi laporan penemuan dunia baru ke lautan, kira-kira faktor apa saja yang akan mempengaruhi arah gerak, kecepatan dan waktu nya untuk sampai ke pantai?

Septian Ulan Dini
Nov 5 · 5 min read
Gambar 1. Ilustrasi Christopher Columbus. Sumber: https://images.app.goo.gl/gpxTs2S87CvqDZe97

Saat menghadapi badai besar di tengah petualangannya, Christopher Columbus[1] memasukkan laporan penemuan dunia baru ke dalam tong kayu bekas minuman anggur dan membuangnya ke laut karena takut dirinya tidak selamat dari badai[2]. Harapannya laporan itu akan terbawa ombak ke pantai lalu ditemukan orang lain. Ini adalah salah satu dari sekian banyak cerita mengenai pesan dalam botol. Pesan dalam botol merupakan contoh fenomena objek yang terapung pada permukaan gelombang. Jika Christopher Columbus benar-benar melemparkan tong kayu ke lautan, kira-kira faktor apa saja yang akan mempengaruhi arah gerak, kecepatan dan waktu nya untuk sampai ke pantai?

Kita misalkan tong kayu tersebut adalah butiran berebentuk bola dan lautan adalah permukaan fluida yang merambatkan gelombang. Maka gerak tong kayu tersebut dapat kita amati dalam bentuk simulasi. Tentu dengan asumsi karakteristik gelombang di permukaan laut seragam sepanjang waktu. Seperti penelitian yang dilakukan oleh Dr.rer.nat. Sparisoma Viridi, dkk. dalam makalah berjudul “Two-Dimensional Dynamics Of Spherical Grain Floating On The Propagating Wave Fluid Surface”[3].

Dinamika Molekuler

Penelitian dalam makalah tersebut menggunakan metode dinamika molekuler. Dinamika molekuler adalah salah satu metode yang digunakan untuk membuat simulasi gerak partikel[4]. Secara umum ada beberapa tahapan yang dilakukan dalam metode ini[5]. Pertama, mencari informasi-informasi posisi (koordinat) awal partikel, kondisi lingkungan yang akan disimulasikan, fungsi potensial serta spesifikasi objek yang diamati. Semua parameter dalam penelitian tersebut sudah memberikan arti fisis keadaan sistem dan lingkungan, kecuali temperatur fluida. Kedua, menghitung percepatan partikel yang memenuhi hukum II Newton. Ketiga, melakukan integrasi numerik dengan metode Euler untuk memperoleh trayektori sistem yang dalam hal ini berupa butiran berbentuk bola pada permukaan fluida yang merambatkan gelombang.

Pengamatan Simulasi Gerak Butiran Berbentuk Bola

Permodelan objek berbentuk bola yang berinteraksi dengan permukaan fluida yang merambatkan gelombang sinusoidal ini masih mengabaikan tegangan permukaan, efek balik gerak benda terhadap gelombang dan tegangan permukaan zat cair. Secara khusus memperhatikan superposisi gaya angkat dan gaya gravitasi yang diperlambat dengan gaya hambat fluida sebagai penyebab gerak butiran berbentuk bola.

Gambar 2. Ilustrasi butiran berbentuk bola di permukaan geombang. Sumber: Dokumen Pribadi
Gambar 3. Ilustrasi gaya-gaya yang bekerja pada butiran berbentuk bola di permukaan gelombang, gaya gravitasi(FG), gaya apung (FA) dan gaya gesek fluida (FD). Sumber: Dokumen Pribadi

Gerak butiran berbentuk bola dapat diamati sebagai sistem satu dimansi dan dua dimensi. Berupa gerak satu dimensi apabila diameter bola jauh lebih kecil dari panjang gelombang permukaan fluida. Secara matematis dinyatakan dengan (D/λ)<k yang artinya perbandingan diameter bola (D) dan panjang gelombang (λ) permukaan fluida lebih kecil dari konstanta (k) tertentu. Berupa gerak dua dimensi apabila diameter bola sedikit lebih kecil dari panjang gelombang permukaan fluida. Secara matematis dinyatakan dengan (D/λ)>k yang artinya perbandingan diameter bola (D) dan panjang gelombang (λ) permukaan fluida lebih besar dari konstanta (k) tertentu.

Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Gerak Butiran Berbentuk Bola di Permukaan Fluida yang Merambatkan Gelombang

Hasil penelitian dalam makalah tersebut disajikan dalam tiga besaran yang divariasikan. Pertama, pengaruh amplitodo terhadap gerak benda. Hasilnya diperoleh bahwa semakin besar amplitudo gelombang permukaan fluida maka arah gerak butiran berbentuk bola akan semakin ke kanan searah arah rambat gelombang.

Kedua, pengaruh frekuensi terhadap gerak benda. Hasilnya diperoleh bahwa ada perbedaan arah gerak butiran berbentuk bola pada frekuensi tertentu. Butiran berbentuk bola akan bergerak searah dengan arah rambat gelombang apabila frekuensi gelombang permukaan fluida 0,1 Hz, 0,2 Hz dan 0,5 Hz. Serta akan bergerak melawan arah rambat gelombang apabila frekuensi gelombang permukaan fluida 1 Hz dan 2 Hz.

Ketiga, pengaruh panjang gelombang terhadap gerak benda. Hasilnya menunjukkan bahwa semua variasi panjang gelombang menyebabkan butiran berbentuk bola bergerak searah dengan arah rambat gelombang.

Disebutkan pula dalam hasil penelitian tersebut bahwa terdapat perpindahan yang bernilai positif maupun negatif tergantung pada karakteristik gelombang di permukaan fluida. Hal ini dapat dimanfaatkan untuk memindahkan objek-objek yang berbeda apabila gelombang pada masing-masing tempat sumbernya memiliki karakter yang berbeda.

Potensi Aplikasi Hasil Penelitian

Bagaimana jika hasil temuan ini diaplikasikan dalam bidang lingkungan untuk mengumpulkan sampah yang ada di permukaan perairan, misalnya? Alternatif lain dari The Ocean Cleanup project[6] milik Boyan Slat.

Objek terapung sepanjang 600m berhasil menangkap sampah-sampah yang mengapung di Samudra Pasifik. Sumber: The Ocean Cleanup
Objek terapung sepanjang 600m berhasil menangkap sampah-sampah yang mengapung di Samudra Pasifik. Sumber: The Ocean Cleanup
Gambar 4. Objek terapung sepanjang 600m berhasil menangkap sampah-sampah yang mengapung di Samudra Pasifik. Sumber: The Ocean Cleanup

Kembali ke tong kayu berisi laporan temuan dunia baru milik Christopher Columbus. Tong kayu akan terombang-ambing di lautan seiring dengan berubahnya karakteristik gelombang tiap waktu akibat faktor lingkungan. Perubahan karakteristik gelombang berupa perubahan amplitudo, frekuensi serta panjang gelombang permukaan laut. Faktor lingkungan bisa berupa angin, cuaca tertentu, dan sebagainya. Wikipedia[2] menyebutkan bahwa catatan dalam tong kayu tersebut ditemukan di suatu pantai oleh penduduk setempat 300 tahun kemudian. Namun tidak ada referensi yang dapat mempertanggung-jawabkan pernyataan tersebut. Jika berminat, Anda dapat memodifikasi program simulasi[7, 8] dalam penelitian ini untuk mensimulasikan gerak tong kayu milik Christopher Columbus. Sehingga dapat memprediksi waktu berapa lama tong kayu tersebut sampai pantai. Apakah benar 300 tahun? :D

Referensi:

  1. Kontributor Wikipedia. (2019, November 6). Christopher Columbus. Wikipedia,Ensiklopedia Bebas. Diakses pada 23:21, November 7, 2019, dari https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Christopher_Columbus&oldid=924806907
  2. Kontributor Wikipedia. (2018, November 9). Pesan dalam botol. Wikipedia, Ensiklopedia Bebas. Diakses pada 21:25, November 7, 2019, dari https://id.wikipedia.org/w/index.php?title=Pesan_dalam_botol&oldid=14404422
  3. Viridi, S., Nurhayati, N., Sabaryati, J., & Muliyati, D. (2018). Two-Dimensional Dynamics of Spherical Grain Floating on The Propagating Wave Fluid Surface. Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya, 3(3), 133–142. doi: 10.21009/SPEKTRA.033.01
  4. Kontributor Wikipedia. (2019, Oktober 31). Molecular dynamics. Wikipedia, The Free Encyclopedia. Diakses pada 23:40, November 7, 2019, dari https://en.wikipedia.org/w/index.php title=Molecular_dynamics&oldid=923822815
  5. Viridi, S., (2013, Februari 4). Molecular Dynamic
    [PowerPoint slides]. Diakses pada 21:25, November 6, 2019, dari https://www.slideshare.net/sparisoma/molecular-dynamics-16333978
  6. Boffey, Danniel.,(2019, Oktober 3). Ocean Cleanup Device Successfully Collects Plastic for First Time. Diakses pada 07:02, November 7, 2019, dari https://www.theguardian.com/environment/2019/oct/03/ocean-cleanup- device-successfully-collects-plastic-for-first-time
  7. Viridi, S., (2018, Agustus 2). Spherical Particle Floating on Waving Fluid Surface [Demo]. Diakses pada 07:14, November 8, 2019, dari https://raw.githack.com/dudung/butiran.js/master/app/spfwfs/spfwfs.html
  8. Viridi, S., (2018, Agustus 2). Spherical Particle Floating on Waving Fluid Surface [Code]. Diakses pada 07:14, November 8, 2019, dari https://github.com/dudung/butiran.js/blob/master/app/spfwfs/spfwfs.js

Septian Ulan Dini

Written by

I try to do physics

Viridi Lab

Exploring nature through many-body entities

Welcome to a place where words matter. On Medium, smart voices and original ideas take center stage - with no ads in sight. Watch
Follow all the topics you care about, and we’ll deliver the best stories for you to your homepage and inbox. Explore
Get unlimited access to the best stories on Medium — and support writers while you’re at it. Just $5/month. Upgrade