Di sini, di Bumi, mudah untuk mengetahui seberapa cepat Anda mengemudi. Anda bisa merasakannya hanya dengan melihat pepohonan dan sapi lewat. Dan tentu saja Anda juga mempunyai speedometer yang menghitung berapa kali ban Anda berputar per detik dan menghitung kecepatan berdasarkan kelilingnya. (Fakta menarik: Pasang ban yang lebih besar pada mobil Anda dan speedometer Anda akan salah.)
Jika Anda terbang di atas lautan tentunya tidak ada referensi visualnya sehingga dari dalam terlihat seperti tidak bergerak. Tapi pesawat bisa mengetahui kecepatan udaranya dengan menggunakan sensor untuk mengukur kecepatan udara melewati sayap. Jika ada angin, kecepatannya tidak akan sama dengan kecepatan Anda relatif terhadap tanah, namun Anda bisa mendapatkannya dengan menggunakan data lokasi GPS dari satelit yang mengorbit.
Sekarang bayangkan Anda terbang ke Mars. Mengunci kecepatan yang tepat sangat penting agar Anda tidak melewatkan pertemuan Anda dengan planet di orbit mataharinya. Namun tidak ada pohon atau sapi, tidak ada udara, bahkan tidak ada sinyal GPS untuk membantu Anda. Jadi bagaimana Anda mengetahui tingkat perjalanan Anda? Nah, Anda perlu menggunakan beberapa fisika. Kabar baiknya adalah ada lebih dari satu cara untuk melakukannya.
Kecepatan vs. Kecepatan
Pertama, sepatah kata tentang kata-kata: Kecepatan adalah seberapa jauh Anda melangkah dalam berapa lama—misalnya 50 mil per jam. Untuk pesawat terbang yang menggunakan koordinat GPS, cara menghitungnya mudah: Cukup ambil jarak antara dua lokasi dan bagi dengan waktu yang dibutuhkan untuk berpindah dari titik A ke titik B.
Tapi itu hanya berfungsi jika Anda berjalan dalam garis lurus. Ini sama sekali tidak berhasil untuk seekor lebah, yang jalannya lebih mirip dengan seorang pelaut yang mabuk. Pada gambar di bawah, Anda dapat melihat bahwa ia menempuh perjalanan lebih jauh dari yang diperlukan untuk berpindah dari satu tempat ke tempat lain.
Jadi, alih-alih kecepatan, dalam fisika kita menggunakan konsep kecepatanyang berarti kecepatan dalam arah tertentu. Sekalipun lebah terbang dengan kecepatan konstan, kecepatannya selalu berubah.
Untuk memetakan jalur lebah, saya menggambar bidang koordinat xy pada pemandangan di atas. (Untuk mempermudah, saya menjaganya tetap dua dimensi.) Seseorang melihat arlojinya dan mencatat waktu 1:00:05 (lima detik setelah jam 1); pada saat itu lebah berada pada posisi yang ditentukan oleh vektor R1. Pada 1:00:15, vektor posisinya adalah R2.
Kita masih dapat mengambil perubahan posisi vektor (Δr), atau perpindahan, dan dibagi dengan perubahan waktu (Δt = 10 detik). Namun yang dihasilkan adalah kecepatan rata-rata, yang mungkin tidak sesuai dengan gerakan sebenarnya lebah di mana pun dalam perjalanannya.
Untuk mendekati kecepatan sebenarnya, kita harus menggunakan interval waktu yang jauh lebih kecil. Faktanya, jika kita membuatnya Δt cukup kecil, jalur melengkung tersebut dapat diperkirakan dengan serangkaian segmen garis kecil, sehingga memberi kita kecepatan yang cukup akurat setiap saat.
Kecepatan Itu Relatif
Ada satu hal lagi yang perlu kita pikirkan. Bayangkan Anda sedang mengayuh sepeda dengan speedometer kecil terpasang di rodanya, dan di rodanya tertulis Anda melaju dengan kecepatan 4 mil per jam. Namun Anda tidak sedang berkendara di jalan raya; Anda berada di dek kapal pesiar, yang bergerak dengan kecepatan 10 mph. Jadi seberapa cepat kamu melaju?
Ya, tidak ada satu pun jawaban yang benar; itu tergantung pada kerangka acuan Anda. Sehubungan dengan kapal, Anda melaju dengan kecepatan 4 mph. Namun sehubungan dengan air, kecepatan Anda bergantung pada arah Anda. Jika kapal dan sepeda mengarah ke barat, kecepatan Anda akan mencapai 14 mph. Jika Anda memutar sepeda dan menuju ke timur, kecepatan Anda akan mencapai 6 mph. Terlebih lagi, seperti yang dilihat oleh pengamat di pantai, dalam kasus terakhir Anda akan mengayuh ke depan dan mundur dengan kecepatan tersebut.
Seringkali kerangka acuannya terlihat jelas, seperti permukaan bumi. Namun di luar angkasa, hal itu tidak selalu jelas. Untuk pesawat ruang angkasa seperti Orion yang baru-baru ini melakukan perjalanan mengelilingi bulan, terdapat dua kerangka acuan yang jelas. Yang pertama adalah Bumi. Kita dapat mengukur kecepatan saat ia bergerak mendekati atau menjauhi kita. Hal ini biasanya masuk akal karena di sanalah penerbangan dimulai dan di mana kendali misi berada.
Tapi untuk NASA Artemis IV misi, yang dijadwalkan mendarat di permukaan bulan pada tahun 2028, sangatlah konyol jika menggunakan Bumi sebagai kerangka acuan. Anda bisa saja mempunyai kecepatan Bumi yang positif namun tetap diam terhadap bulan—tidak terlalu membantu dalam manuver pendaratan. Sebaliknya, pendarat akan menggunakan bulan sebagai kerangka acuan. Atau jika Anda ingin berkeliling tata surya, masuk akal jika menggunakan matahari sebagai referensi Anda.
Faktanya adalah, tidak ada titik referensi yang stasioner dimanapun di alam semesta. Semua gerak adalah relatif terhadap gerak lainnya. Jadi sekarang, jika otak Anda cukup sibuk, mari kita bahas beberapa cara untuk mengukur kecepatan di luar angkasa.
Kecepatan Doppler
Mungkin metode yang paling umum menggunakan efek Doppler. Anda sudah tahu tentang ini. Jika Anda berdiri di dekat rel kereta api, Anda akan mendengar suara bernada tinggi saat kereta mendekat, dan suara tersebut berubah menjadi suara bernada rendah saat kereta lewat, bukan? NNEEEEEEEEE—rrrrrraaaaaaaa…
Apa yang terjadi adalah gelombang suara semakin berkumpul saat kereta bergerak ke arah Anda. Itu berarti lebih banyak puncak gelombang yang mencapai telinga Anda per detik, dan otak Anda menafsirkan frekuensi yang lebih tinggi tersebut sebagai nada yang lebih tinggi. Hal sebaliknya terjadi ketika ia menjauh—gelombang menyebar dan frekuensinya menurun. Ini gambarnya. Bola kuning adalah Anda dan bola biru adalah sumber suara:
Efek Doppler juga terjadi pada gelombang elektromagnetik, seperti cahaya tampak. Jika benda bercahaya di ruang angkasa bergerak ke arah kita, muka gelombang akan terkompresi, dan perubahan frekuensi ini mengubah warna cahaya yang kita rasakan, menggesernya ke arah ujung spektrum biru. Itu disebut pergeseran biru. Jika benda bergerak menjauh, terjadi pergeseran merah.
Gelombang radio adalah jenis lain dari gelombang elektromagnetik, dan gelombang tersebut memiliki keunggulan tertentu: Gelombang radio tidak terpengaruh saat melewati atmosfer. Jadi, katakanlah kita mengirimkan pancaran radio ke luar angkasa dan pantulan itu dipantulkan oleh pesawat luar angkasa yang bergerak; kemudian kita dapat mengukur frekuensi sinyal yang dipantulkan kembali kepada kita dan membandingkannya dengan aslinya.
Misalnya transmisi kita mempunyai frekuensi 100 MHz (1 x 108 hertz). Ketika gelombang yang dipantulkan kembali ke Bumi, frekuensinya mungkin 1,00001 x 108 Hz. Ya, perbedaannya kecil, tapi kita bisa mengukurnya dengan cukup akurat menggunakan beberapa trik tentang interferensi gelombang. Pergeseran Doppler kecil itu akan menunjukkan adanya benda yang bergerak ke arah kita dengan kecepatan 1.000 meter per detik.
Metode ini mempunyai dua keterbatasan: Pertama, metode ini hanya dapat memberikan kecepatan benda yang bergerak mendekati atau menjauhi kita. Jika pesawat ruang angkasa bergerak dari kiri ke kanan, tegak lurus dengan garis pandang kita, tidak akan ada pergeseran Doppler. Tapi itu bukan masalah besar—kita selalu bisa menggunakan lebih dari satu sumber radio untuk melacak pesawat ruang angkasa. Ia tidak dapat bergerak tegak lurus terhadap semua pengamat pada saat yang bersamaan.
Keterbatasan lainnya adalah memerlukan visibilitas garis pandang. Jadi ketika pesawat luar angkasa Orion melintas di belakang bulan pada tanggal 6 April, pesawat tersebut tidak terlihat oleh kendali darat dan tanpa pengawasan. Kebutuhan akan pengamat luar juga akan menjadi faktor penentu bagi penyelundup galaksi seperti Han Solo Perang Bintang.
Pengukuran Inersia
Untungnya, ada cara agar pesawat luar angkasa dapat memperoleh kecepatannya sendiri. Salah satu metodenya adalah pengukuran inersia. Pada dasarnya ini bekerja dengan mengukur percepatanyang merupakan perubahan kecepatan. Selama Anda mengetahui kecepatan awal, Anda dapat menjumlahkan semua perubahan untuk melacak kecepatan saat ini.
Untuk merasakan hal ini, bayangkan Anda sedang duduk di dalam mobil dengan penutup mata (sehingga Anda tidak dapat melihat sapi). Saat mobil lepas landas, Anda didorong kembali ke tempat duduk Anda. Semakin besar percepatannya, semakin besar tekanan yang Anda rasakan—itulah sistem pengukuran Anda. Setelah mobil mencapai kecepatan tetap, Anda dapat menggunakan besaran dan durasi percepatan untuk menentukan perubahan kecepatan—dan sejak Anda memulai pada kecepatan 0 mph, perubahan kecepatan adalah kecepatan Anda setelah satu percepatan.
Tentu saja, metode seat-of-the-pants ini cukup kasar—yang terbaik yang bisa Anda simpulkan adalah apakah Anda melaju dengan lambat, sedang, atau cepat. Tapi kenapa tidak mengukur kecepatan saja secara langsung? Karena kamu tidak bisa merasa kecepatan. Jika tidak melihat sapi yang lewat, sensasi berkendara dengan kecepatan konstan 100 mph sama dengan berkendara dengan kecepatan 40 mph. (Pelajaran: Jangan pernah mengemudi dengan mata tertutup.)
Hal yang sama juga berlaku jika Anda menggunakan instrumen sungguhan. Pesawat ruang angkasa memiliki giroskop dan akselerometer yang mengukur orientasi dan percepatan dengan tepat. Namun mereka tidak dapat mengukur kecepatan, karena ketika kecepatan konstan, tidak ada gaya total yang dapat “dirasakan” oleh instrumen. Itu sesuai dengan hukum kedua Newton.
Bagaimana dengan contoh sederhana? Ingat, percepatan adalah laju perubahan kecepatan, jadi sebuah = Δv/Δt. Dengan menata ulang, kita mendapatkan:
Mari kita gunakan mobil kita lagi, tapi kali ini kita akan mendapatkan bilangan real dari accelerometer di smartphone kita. Katakanlah kita mulai di lampu merah dan kemudian melaju dengan kecepatan 2 m/s2 (meter per detik kuadrat) selama lima detik. Dari persamaan di atas, Δv1 akan menjadi 2 x 5 = 10 m/s, jadi itulah kecepatan kita. Sekarang, setelah melaju beberapa saat, kita berakselerasi lagi dengan kecepatan 1 m/s2 selama lima detik lagi. Δv2 maka 1 x 5 = 5 m/s. Menambahkan dua perubahan ini, kecepatan kita sekarang menjadi 15 m/s. Dan sebagainya.
Satu-satunya masalah adalah pengukuran inersia tidak seakurat metode Doppler dalam jangka waktu lama karena kesalahan kecil akan terus terakumulasi. Itu berarti Anda perlu mengkalibrasi ulang sistem Anda secara berkala menggunakan beberapa metode lain.
Navigasi Optik
Di Bumi, manusia telah lama bernavigasi dengan bintang. Di belahan bumi utara, temukan saja Polaris. Disebut Bintang Utara karena sumbu rotasi bumi mengarah tepat ke arahnya. Itu sebabnya ia tampak diam, sedangkan bintang-bintang lain tampak berputar mengelilinginya. Jika Anda mengarahkan jari ke Polaris, Anda akan menunjuk ke utara, dan Anda dapat menggunakan orientasi itu untuk menuju ke arah mana pun yang Anda inginkan.
Sekarang, jika Anda dapat mengukur sudut Polaris di atas cakrawala, Anda juga akan mengetahui garis lintang Anda. Jika sudutnya 30 derajat, Anda berada pada garis lintang 30 derajat. Lihat, itu mudah. Dan setelah Anda dapat mengukur posisi, Anda hanya perlu melakukannya dua kali dan mencatat interval waktu untuk mengetahui kecepatan Anda.
Tapi navigasi angkasa berhasil karena kita tahu bagaimana bumi berputar, dan itu tidak membantu dalam pesawat ruang angkasa. Oh ya, bisakah kita menggunakan bintang saja seperti kamu menggunakan sapi di pinggir jalan? Tidak. Jarak bintang-bintang sangat jauh sehingga para astronot harus melakukan perjalanan selama beberapa generasi untuk mendeteksi perubahan posisi mereka. Seperti pesawat terbang yang terbang di atas laut, Anda akan tampak diam, bahkan saat melaju dengan kecepatan 45.000 mph.
Tapi kita masih bisa menggunakan ide dasarnya. Untuk navigasi optik di luar angkasa, pesawat ruang angkasa dapat menemukan lokasi objek lain di tata surya. Dengan mengetahui lokasi yang tepat dari objek-objek ini (yang berubah seiring waktu) dan di mana mereka muncul relatif terhadap pengamat, kita dapat melakukan triangulasi suatu posisi. Dan sekali lagi, dengan melakukan beberapa pengukuran posisi dari waktu ke waktu, Anda dapat menghitung kecepatan.
Pada akhirnya, meskipun pesawat luar angkasa tidak memiliki speedometer, kecepatannya dapat dilacak secara tidak langsung dengan sedikit ilmu fisika. Tapi itu hanyalah contoh lain bagaimana caranya terbang di luar angkasa benar-benar berbeda—dan jauh lebih rumit—daripada mengemudi atau terbang di Bumi.
