Berjalanlah Bersama Fisika (Yohanes Surya)

Seperti apa rasanya berjalan di bulan? Mungkin orang yang paling tahu jawabannya yaitu Neil Armstrong dan Buzz Aldrin yang berhasil mendarat di permukaan bulan pada tahun 1969. Dari rekaman insiden bersejarah ini terlihat bahwa mereka tidak tampak ibarat melangkah di bulan, tetapi justru lebih menjurus pada bouncing (seakan memantul di permukaan bulan tanpa pernah bergerak maju). Hal ini bergotong-royong sudah diramalkan oleh Giovanni Cavagna, seorang fisiolog dari University of Milan, semenjak tahun 1964. Apakah ini berarti bahwa insan bergotong-royong tidak sanggup melangkah atau berjalan di bulan? Di lain waktu, Cavagna mengemukakan bahwa melangkah di bumi justru membutuhkan lebih banyak perjuangan (lebih susah) dibandingkan melangkah di tempat-tempat lain yang mempunyai gravitasi relatif lebih kecil dari gravitasi bumi. Walaupun terdengar saling bertolak belakang, kedua pernyataan Cavagna bergotong-royong sanggup dijelaskan memakai konsep-konsep Fisika Biomekanika. 

Dalam salah satu percobaannya, Cavagna memakai sebuah pesawat Airbus A-300 sebagai sebuah laboratorim fisika raksasa yang dipenuhi dengan banyak sekali peralatan ilmiah. Sebuah pendulum diayunkan pada kecepatan konstan dikala pesawat berada pada ketinggian 30.000 ft. Sementara itu, rekan Cavagna, Norman Heglund, berjalan bolak-balik sepanjang lintasan 10 ft dengan kecepatan tetap pula. Tiba-tiba pesawat mengubah arah terbangnya sehingga hampir vertikal ke atas. Selama kurang lebih 20 detik ruangan pesawat berada pada keadaan tanpa gravitasi (zero gravity) sehingga Cavagna dan Heglund terlihat ibarat melayang/mengapung di udara seakan tidak mempunyai massa (weightless). Pilot pesawat lalu mengatur posisi sehingga tingkat gravitasi dalam ruangan menjadi 40% dari gravitasi normal di bumi (0,4g). Keadaan ini sangat ibarat dengan kondisi gravitasi di planet Mars. Saat itu pendulum terlihat berayun dengan sangat lambat, seakan menciptakan lintasan melingkar yang sangat panjang, sementara Heglund masih berjalan melangkah bolak-balik dengan langkah-langkah panjang dan kecepatan sangat lambat. Ini merupakan simulasi melangkah di planet Mars. Heglund mencicipi bahwa perjuangan yang dikeluarkan untuk melangkah pada keadaan 0,4g jauh lebih kecil dari melangkah di permukaan bumi, seakan tanpa beban, tetapi dengan kecepatan yang jauh lebih kecil pula.

Untuk menghemat energi, insan melangkah dengan memakai prinsip gerakan pendulum. Pendulum mengubah energi gerak yang mengayunnya menjadi energi potensial gravitasi, dan sebaliknya (gerakan harmonik sederhana). Pada titik terendah (titik sentra kesetimbangan), pendulum mencapai kecepatan maksimum sehingga energi kinetiknya, EK = ½mv², mencapai nilai tertinggi, sementara energi potensialnya mencapai nilai terendah. Pada titik tertinggi kecepatannya menjadi 0 (berhenti sesaat), tetapi energi potensialnya, EP = mgh, mencapai maksimum. Di titik ini pendulum mengubah energi potensialnya menjadi energi kinetik sehingga pendulum kembali mempunyai kecepatan dan bergerak jatuh menuju titik kesetimbangannya. Di titik ini energi kinetik yang sudah mencapai maksimum dikonversikan kembali menjadi energi potensial sehingga pendulum bergerak terus menuju titik tertingginya, dan seterusnya. Konversi energi kinetik menjadi energi potensial, dan sebaliknya, tidak mencapai 100% (tetapi mendekati 100%) lantaran adanya ukiran dengan udara dan tali yang mengikatnya yang menimbulkan terjadinya hilang energi sehingga lama-kelamaan pendulum akan berhenti berayun dan membisu pada titik kesetimbangannya.

Manusia menjiplak konsep ini untuk berjalan dan melangkah, tetapi gerakan yang dilakukan insan merupakan sistem pendulum yang tidak tepat lantaran konversi energi hanya mencapai 65% (hilang energi mencapai 35%). Ini berarti bahwa insan membutuhkan pasokan energi (dari makanan) untuk menggantikan energi yang hilang tersebut. Inilah yang menimbulkan perjuangan yang diharapkan untuk berjalan di bumi menjadi lebih besar (lebih susah).

Hilang energi yang terjadi disebabkan kegiatan otot-otot kaki yang saling berkontraksi untuk mengadakan adaptasi terhadap perubahan kekuatan dan arah energi dikala melangkah. Pada dikala kaki menyentuh permukaan tanah, terjadi gerakan memutar ke dalam (pronate). Gerakan ini meregangkan otot kaki sehingga bersifat ibarat pegas yang berusaha menyesuaikan diri dengan permukaan tanah dan menghindari terjadinya patah tulang jawaban tumbukan antara kaki dengan tanah. Saat kaki terangkat kembali dari tanah, terjadi gerakan memutar keluar (supinate) yang menimbulkan tegangnya otot-otot kaki sehingga bersifat ibarat pengungkit kaku yang sanggup mendorong kaki lepas dari permukaan tanah.   Kontraksi pada otot-otot kaki ini membutuhkan energi panas yang diambil dari energi yang seharusnya dikonversikan dari energi kinetik ke energi potensial dan sebaliknya.

Pada dikala berjalan di bulan maupun di Mars, energi potensial insan menjadi sangat kecil lantaran gravitasi yang sangat kecil pula. Kecepatan optimum dicapai dikala energi kinetik sama besarnya dengan energi potensial gravitasi. Karena energi potensial menjadi 40% (di Mars) dari energi potensial insan di bumi, maka energi kinetiknya pun menjadi kecil sehingga kecepatan optimum menjadi semakin kecil. Di permukaan bulan, dengan gravitasi hanya 0,17g (energi potensial hanya 17% dari energi potensial di bumi), insan hanya sanggup berjalan dengan kecepatan yang sangat kecil sehingga pergerakan maju hampir tidak terlihat (seperti bouncing di tempat), tetapi perjuangan yang diharapkan menjadi sangat kecil lantaran hilang energinya sangat kecil (dapat diabaikan). Sebaliknya, jikalau insan melangkah di permukaan dengan gravitasi yang lebih besar dari gravitasi bumi (misalnya pada 1,5g), kecepatan optimum yang sanggup dicapai menjadi sangat besar sehingga insan sanggup berjalan sangat cepat tetapi langkah-langkahnya terasa sangat berat, bahkan terasa seakan jatuh ke depan. Keadaan ini dianalogikan dengan insan yang berjalan di bumi sambil membawa beban seberat setengah berat badannya sendiri.

Ternyata taktik untuk melangkahkan kaki sangat sederhana, sesederhana gerak ayunan sistem pendulum yang diaplikasikan dalam Fisika Biomekanika. (***)