Seru-Seruan Ngebayangin Ilmu Fisika Kalau Dunia Ideal

Lintang Erlangga - October 18th, 2021

Dunia selalu identik dengan sifat ketidakidealannya. Di alam ini, semua serba tidak ada yang sempurna, ada saja batasan-batasannya.

Limitasi ini sifatnya cenderung menyulitkan. Maksudnya keberadaannya selalu saja memberikan efek yang tidak menguntungkan. Tetapi kondisi ini bisa juga menguntungkan, ada yang tahu gak kenapa? Kalau belum, tenang aja nanti kalian tahu jawabannya.

Jadi, batasan tersebut biasanya menjadi tantangan tersendiri dalam mendeskripsikan perilaku sebuah sistem. Alhasil, perlu dimodelkan dalam sebuah persamaan fisika sehingga perilaku alam mampu ditiru semirip mungkin.

Tapi pernah kepikir gak apa jadinya bila dunia ini serba ideal?

Benda Meluncur Terus

Gaya gesek merupakan salah satu wujud ketidakidealan. Bisa dibayangkan apabila sebuah benda sedang bergerak, maka energi kinetik hasil perubahan dari wujud lainnya tetap bertahan jika tidak ada intervensi lainnya.

Tidak ada gesekkan pada piston mesin hingga tidak hadirnya gaya gesek udara. Untuk memberhentikannya, diperlukan gaya yang sifatnya disengaja, sebut saja rem.

Gak usah jauh-jauh mikirin kendaraan bermotor, misalnya kardus, kalau disentil sedikit pun jika bener-bener permukaannya licin, dia bakal terus bergerak.

Salah satu keuntungannya yakni penggunaan energi dalam berkendara menjadi lebih efisien. Tinggal sekali gas, motor bakal terus bergerak sampai ada halangan, baru lah ngerem untuk mengurangi kecepatan ataupun berhenti.

Kemudian, konsep mengenai gerak jatuh bebas juga bisa terjadi. Bahayanya, pada gerak ini benda bakal mengalami kenaikan kecepatan terus-menerus sampai mencapai titik terendah. Sebab, apabila terdapat gaya gesek udara, objek pada akhirnya berada di kelajuan terminal.

TIdak Ada Rugi-Rugi

Konsekuensi dari fenomena sebelumnya bisa diartikan juga bahwa transfer energinya sempurna. Kita paham kalau energi sifatnya kekal, tidak bisa diciptakan maupun dimusnahkan, hanya bisa berubah wujud. Artinya, setiap energi yang berubah dari satu bentuk nilainya benar-benar sama persis.

Sebab kehadirannya gaya gesek, contohnya di dalam mesin hingga terhadap permukaan bakal menyebabkan munculnya energi panas. Energi panas tersebut tidak diperlukan, sebab tidak menyumbang apa-apa terhadap kemampuan beregrak suatu benda.

Dalam bidang kelistrikan, energi panas juga kerap dianggap sebagai rugi-rugi. Contoh paling umumnya adalah pada trafo (transformator). Trafo dibutuhkan untuk merubah level tegangan/arus, menaikkannya atau menurunkannya. Yakni pada proses transmisi hingga distribusi kebutuhan listrik.

Besarnya arus yang ditransmisikan sebanding dengan rugi-rugi pada kabel transmisinya. Sehingga level arusnya diturunkan, kemudian tegangannya dinaikkan menggunakan trafo. Nanti saat ingin didistribusikan disesuaikan lagi levelnya.

Nah, saat perubah level itulah muncul rugi-rugi berupa panas. Penyebab utamanya, karena belitan trafonya mempunyai resistansi.

Salah satu pendekatan guna meminimalisir rugi ini adalah menggunakan penghantar dengan nilai hambatan yang rendah. Contoh bahannya seperti silver dan emas, nilai hambatannya mencapai 10^-7, cuman harganya mahal boss.

Kalau situasi ini benar terjadi, bakal sangat menguntungkan banget untuk umat manusia. Faktor utamanya adalah efisiensi setiap mesin sempurna. Penggunaan bahan bakar minyak bisa diminimalisir, sehingga menyebabkan pencemaran udara berkurang.

Tidak Ada Dinamika Sistem

Seluruh perubahan memerlukan waktu untuk melakukan perubahan. Benda dari keadaan diam lalu menjadi bergerak, pasti mengalami perubahan kecepatan secara bertahap.

Tegangan yang dikenakan pada sebuah komponen listrik juga ada dinamikanya. Hanya saja, karena waktunya begitu singkat sehingga sering dianggap ideal (fungsi step).

Demikian, sangat masuk akal jika dunia tidak butuh waktu terhadap perubahan, bakal menyebabkan tidak lahirnya ilmu analisis transien.

Hal Aneh Muncul

Bayangin, sepeda motor dari kelajuan nol, kemudian bergerak langsung pada kelajuan tertentu. Apabila mengacu pada rumus mengenai relasi antara gaya dengan impuls, tentu hal ini bakal membahayakan. Karena perubahan momentum pada waktu yang sangat singkat bakal menghasilkan gaya begitu besar, bahkan mendekati tak hingga.

Bicara mengenai suatu tak berhingga, apakah ini bisa diwujudkan? Kalau tanpa rugi-rugi, masih masuk akal, terus tanpa gaya gesek masih bisa dicerna akibatnya. Nah kalau ini gimana?

Pasti bakal sangat anomali, sebab ketakberhinggaan nampaknya hanyalah sebuah konsep. Karena nilai-nilai yang ada di dunia pasti mempunyai batas. Angka paling besar yang sejauh ini diketahui merupakan perkiraan massa alam semesta, yaitu sekitar 1.5 × 10⁵³. Jangankan mencapai tak berhingga, mencapai satu googol pun belum!

Di sisi lain, gaya tak hingga berkaitan dengan akselerasi tak berhingga jika mengacu pada hukum kedua Newton. Satu-satunya cara supaya resultan gayanya nol adalah mengetahui objek bermassa nol. Tapi emangnya ada? Sebab untuk angka paling kecil pun masih mencapai 10^-31, yaitu elektron.

Simulasi Persis Seperti Aslinya

Tidak ideal pun bisa dilakukan simulasi, apalagi ideal?

Kalian gak perlu repot-repot lagi melakukan eksperimen secara langsung. Tanpa perlu mengeluarkan biaya mahal, tanpa memakan waktu yang banyak, sebab dunia ideal mampu diwujudkan simulasi.

Sebagai contoh, mau disimulasikan respon dari sistem berupa motor DC. Bayangin sistemnya diberi input berupa isyarat step, maka respon atau keluaran hasil perhitungan simulasinya merupakan nilai "sesungguhnya".

Kompleksitas dunia ini sangatlah rumit, bahkan kalau saya pribadi suka menggadangnya dengan kalimat "bahkan nonlinear pun tidak mampu mendeskripsikannya". Salah satu faktornya adalah banyaknya ketidakidealan sehingga sulit apabila ingin dilibatkan seluruhnya.

Batasan bisa saja tetap muncul, mengingat komputer berada ranah digital sedangkan alam ini bersifat kontinyu. Maksudnya tetap saja ada beberapa perbedaan dalam menyatakan angka-angka di alam ini. Tetapi dengan komputer sekarang yang rata-rata 64 bit, perbedaan tersebut bisa dibilang tidak terlalu signifikan.

Keuntungan Dunia Tidak Ideal?

Sempat disinggung di awal kalau ketidakidealan tidak melulu merugikan. Kalau saya lihat, ini merupakan sebuah anugerah.

Alasan utamanya, karena akan memacu manusia-manusia untuk terus berinovasi menghasilkan baik itu teorema, persamaan, hingga produk jadi sehingga layak dipakai. Manusia terus tertantang menciptakan sesuatu hal yang baru.

Contoh nyatanya ada pada pemaparan trafo sebelumnya. Bayangin kalau tidak ada rugi-rugi pada kabel, ada peluang sampai detik belum dikenal apa yang kita kenal sebagai listrik bolak-balik. Dari gaya gesek terhadap udara, muncul ilmu mengenai aerodinamika. Hadirnya dinamika, dapat dikenalkannya ilmu mengenai analisis transien. Ini baru beberapanya saja.

Intinya bakal aneh banget ya kalau mau dibayangin bagaimana jadinya dunia ideal itu. Kira-kira kalian siap gak kalau seandainya kondisi ini benar-benar terjadi?

Tentunya bakal ngeri-ngeri sedap juga ya, terutama soal ketidakhadiran kelajuan terminal dan juga munculnya gaya mendekati tak hingga.