Dengan bakat di ketuk, Piala Dunia 2026 pasti akan memberikan banyak tendangan yang mencengangkan, seperti bola yang melengkung di udara untuk melewati pemain bertahan, atau tembakan tepat sasaran yang membelok dari tempat yang menurut penjaga itu tujuannya. Bagaimana ini mungkin? Sihir apa yang memungkinkan seorang striker mengubah lintasan bola setelah meninggalkan kakinya?
Ini bukan sihir, ini dinamika fluida, perilaku benda-benda dalam fluida—dan udara dianggap fluida karena mengalir. (Anak-anak, ingin menjadi pahlawan FIFA di kehidupan nyata? Ambil ilmu fisika.) Untuk benar-benar memahami apa yang terjadi, mari kita modelkan gerakan bola, dimulai dengan skenario paling sederhana dan paling konyol, lalu menambahkan kembali elemen realitas satu per satu.
Sepak Bola di Luar Angkasa
Mengapa Anda bermain sepak bola di luar angkasa? Nah, jika Anda pernah melihat harga tiket turnamen tahun ini, Anda mungkin berpikir lebih murah untuk pergi ke luar planet. Katakanlah kita berada jauh di sana, di mana tidak ada udara atau gravitasi. Bola dalam keadaan diam, dan kemudian seorang pemain yang mengenakan pakaian luar angkasa menendangnya.
Saat kaki bersentuhan dengan bola, ia memberikan gaya dorong. Bola menekan dan kemudian memantul, meluncur dari kaki; semua ini membutuhkan waktu sekitar seperseratus detik, dan seorang profesional dapat dengan mudah menembakkan bola dengan kecepatan 80 mil per jam.
Jadi gaya yang diterapkan mengubah kecepatan bola, namun hal yang perlu diketahui adalah ketika bola kehilangan kontak dengan kaki, maka tidak ada lagi gaya yang bekerja padanya. Artinya bola akan terus bergerak lurus dengan kecepatan konstan… eh, sampai akhir zaman. Anda mungkin mengenali ini sebagai hukum pertama Newton.
Tentu saja, Anda akan kehilangan banyak bola dengan cara ini di luar angkasa, jadi mungkin ini tidak terlalu praktis. Mari kita pindahkan aksinya kembali ke Bumi, tapi sederhananya kita asumsikan dulu tidak ada atmosfer. Kembali ke pakaian luar angkasa Anda!
Sepak Bola di Bumi Tanpa Udara
Kini ada interaksi baru yang terlibat—tarikan gravitasi planet. Kita dapat menghitung gaya ke bawah ini sebagai FG = m × gDi mana M adalah massa bola dan G adalah medan gravitasi bumi (9,8 newton per kilogram). Omong-omong, FG adalah apa yang orang normal sebut sebagai “berat” suatu benda.
Yang membedakan gaya ini adalah gaya tersebut masih tetap ada setelah bola ditendang. Bola bergerak dengan kecepatan tertentu, dan gaya gravitasi terus menerus mengubah gerakannya. Laju perubahan kecepatan disebut percepatan (A).
Atas perkenan Rhett Allain
Kita memerlukan satu hal lagi—bagaimana dengan Newton Kedua hukum? Dikatakan bahwa percepatan bergantung pada gaya total (Fbersih) dan massa (M) dari suatu objek. Biasanya ditulis sebagai Fbersih = m × atapi kita bisa mengatur ulang seperti ini: sebuah = Fbersih/M. Menggabungkan ini dengan gaya gravitasi kita, kita mendapatkan sesuatu yang cukup menarik:
Atas perkenan Rhett Allain
Karena gravitasi dan percepatan bergantung pada massa bola, massanya hilang. Kita menemukan bahwa benda apa pun di Bumi mempunyai percepatan ke bawah sebesar 9,8 meter per detik per detik (m/s2). Artinya, jika Anda menjatuhkan bola bowling dan kelereng secara bersamaan, keduanya akan menyentuh tanah pada saat yang bersamaan—walaupun gaya gravitasi pada bola bowling tersebut ribuan kali lebih tinggi. Aneh, bukan?
Sekarang, dengan adanya gravitasi, jika Anda menendang bola dengan sudut ke atas, kecepatan vertikalnya akan melambat, terhenti, dan mundur, dengan kecepatan yang meningkat seiring jatuhnya bola. Dengan kata lain, ia mulai berakselerasi ke arah bawah segera setelah ia ditendang, bahkan ketika ia bergerak ke atas.
Bagaimana dengan gerak horizontal? Ah, karena tidak ada gaya horizontal setelah tendangan awal, bola terus bergerak maju dengan kecepatan yang sama, seperti di luar angkasa. Orang cenderung mengira bola jatuh karena gerak majunya melambat, padahal kenyataannya justru sebaliknya. Tanpa hambatan udara, kecepatannya tidak melambat sama sekali. Itu hanya berhenti karena tanah menghalanginya.
Jadi yang kita dapatkan dari sebuah lintasan adalah parabola terbalik yang biasa kita kenal, yang sering disebut lintasan balistik karena merupakan lintasan proyektil tak berdaya, seperti bola meriam, peluru, atau bola basket. Benda terbang apa pun yang hanya menggunakan gaya gravitasi (signifikan) yang bekerja padanya akan bergerak dengan cara ini.
Sepak Bola Dengan Udara
Untungnya, Bumi memang memiliki udara. Tapi itu mengubah permainan secara drastis. Sekarang di sana adalah gaya kontinu yang bekerja secara horizontal, yang kita sebut hambatan udara, atau gaya hambat, dan gaya tersebut mendorong ke arah yang berlawanan dengan gerak bola.
Bayangkan molekul udara sebagai sekumpulan bola pingpong kecil. Saat bola sepak bergerak di udara, ia bertabrakan dengan trilyunan bola udara kecil ini, dan setiap tumbukan menghasilkan gaya dorong ke belakang; jika digabungkan, hal ini menciptakan kekuatan hambatan udara total. Semakin besar objeknya, semakin banyak pula tabrakan yang harus dilawannya.
Anda juga mengalami lebih banyak tabrakan dengan objek yang bergerak lebih cepat. Artinya jika Anda hanya melempar bola sepak dari pinggir lapangan, hambatan udara bukanlah faktornya, namun pada tendangan keras, Anda tidak bisa mengabaikannya. Faktanya, menggandakan kecepatan bola akan melipatgandakan hambatan udara. Tanpa hambatan udara, seorang kiper bisa menendang bola sepanjang lapangan dan melewati tribun penonton.
Sepak Bola Dengan Putaran
Namun ada cara lain yang mempengaruhi bola sepak oleh udara. Jika bola berputar, bola udara kecil tidak memantul begitu saja; mereka juga terseret ke arah rotasi. Inilah dinamika fluida Anda. Hal ini menyebabkan jalur bola sepak menjadi melengkung. Pada gambar di bawah, bola bergerak ke kanan namun berputar berlawanan arah jarum jam yang artinya mempunyai sumbu putar mendatar.
Atas perkenan Rhett Allain
Saat berputar, ia menarik sebagian udara dari atas bola dan mendorongnya ke belakang dan ke bawah. Namun jika bola mendorong udara ke bawah, maka udara tersebut harus mendorong bola ke atas. Ingat, gaya selalu dihasilkan dari interaksi antara dua benda—jadi bola yang mendorong di udara dan udara yang mendorong bola adalah gaya yang besarnya sama besar dan berlawanan arah. (Hattrick! Hukum ketiga Newton.)
Kita menyebutnya gaya Magnus, dan besarnya bergantung pada ukuran bola, jenis permukaan (kasar atau halus), laju putaran, dan kecepatan. Ya, itu rumit.
Dengan backspin, seperti pada diagram di atas, gaya Magnus mendorong benda ke atas, sebagian mengimbangi gravitasi. Artinya, bola terbawa lebih jauh. Inilah sebabnya mengapa pemain baseball mencoba menciptakan backspin untuk melakukan home run.
Ini sebuah eksperimen yang sangat menyenangkan kamu bisa melakukannya sendiri. Siapkan dua cangkir kertas dan rekatkan bagian bawahnya (dengan kata lain, dengan ujung terbuka mengarah ke luar). Selanjutnya, lingkarkan tiga dari empat karet gelang menjadi satu untuk membuat rantai, dan lilitkan di tengahnya. Gunakan ujung rantai sebagai ketapel untuk menembakkan benda cangkir ke depan. Dengan backspin, Anda dapat melihat bagaimana ia melengkung ke atas:
Atas perkenan Rhett Allain
Dan coba tebak? Kami baru saja menjawab pertanyaan yang kami mulai. Jika Anda ingin suatu benda melengkung saat terbang, yang perlu Anda lakukan adalah memutarnya, dan ini berhasil karena ia berinteraksi dengan udara. Untuk membengkokkan tembakan sepak bola ke sampingAnda hanya perlu memutar bola pada sumbu vertikal, bukan sumbu horizontal. Caranya dengan menendang bola agak melenceng dari tengah, ke satu sisi atau sisi lainnya.
Sekadar bersenang-senang, saya memprogram fisika untuk tiga skenario terakhir kita ke dalam model Python dan membuat animasi di bawah ini. Ini menunjukkan tiga bola ditendang dengan sudut ke atas dan kecepatan awal yang sama. Bola merah hanya mempunyai gaya gravitasi yang bekerja padanya, dan mengikuti lintasan parabola. Bola biru memiliki gravitasi dan hambatan udara, yang memperlambat kecepatan horizontalnya, menyebabkannya gagal mencapai bola merah.
Atas perkenan Rhett Allain
Terakhir, bola magenta memiliki kedua gaya tersebut, namun ia juga berputar, jadi ada gaya Magnus. Dan itulah kurva menyamping Anda. Begitulah caramu tekuk seperti Beckham-atau hancurkan seperti Messi. Ol, ol, ol!
