GravitasiUniversal : Sistem Dua Benda Langit, Pengaruh Gravitasi Terhadap Bumi, Pasang surut, dan Orbit Planet

Sistem Dua Benda Langit

Gerak planet mengitari matahari,satelit yang mengelilingi bumi dan bintang-bintangyang mengitari pusat galaksi, diatur oleh gaya sentral yang bekerja sepanjang garis lurus yangmenghubungkan benda langit terhadap sumber gaya tersebut. Aturan untuk menerangkan gayasentral ini lazim disebut hukum gravitasi Newton, “ Gaya tarik menarik antara dua titik massaadalah berbanding lurus dengan hasil kali massa mereka serta berbanding terbalik denganjarak kuadratnya”. 

Momentum linier, momentum sudut, momen dan gaya

Berikut didefinisikan beberapa besaran vektor;

-          Momentum linier (vektor) : massa kali kecepatanp = mv

-          Momentum sudut (vektor) adalah jarak kali momentum linier

L = r xmv

-          Momen/Torque/torka(vektor): jarak kali gaya

N = r x F

Pengaruh Gravitasi Terhadap Bumi

Semua benda di lama semesta ini memiliki massa, sehingga juga memiliki gravitasi. Selain memiliki gravitasi, juga memiliki medan gravitasi yang saling mempengaruhi satu sama lainnya. Contohnya pengaruh gravitasi matahari dan gravitasi bumi mengakibatkan revolusi bumi agar bumi tidak tertarik ke dalam matahari, begitu juga pengaruh gravitasi bumi dan bulan, mengakibatkan bulan mengelilingi bumi.

Gravitasi adalah gaya tarik-menarik yang terjadi antara semua partikel yang mempunyai massa di alam semesta.Contoh : Sebuah apel jatuh ke tanah diakibatkan oleh gaya gravitasi bumi yang menarik apel tersebut ke pusat gravitasi bumi. Gaya gravitasi ini menarik benda-benda disekitarnya menuju pusat gravitasi.

Pengaruh Gaya Gravitasi Matahari dan Gravitasi Bumi

Nilai gravitasi matahari adalah 27.94 G (nilai G yang diakui sekarang = 6,67 x 10^-11 Nm²/kg² (kekuatan gravitasi bumi)), yaitu sekitar 28 kali kekuatan gravitasi bumi. Dengan percepatan gravitasi permukaan yaitu = 274.0 m/s2, dibanding kan bumi = 9.8 m/s2.
Pengaruh gaya gravitasi matahari dan gravitasi bumi mengakibatkan bumi berputar pada porosnya (berotasi) dan bumi mengelilingi matahari (berevolusi). Gravitasi matahari menarik bumi ke pusat matahari, sedang gaya gravitasi bumi tetap mempertahankan posisi bumi, sehingga menghasilkan gaya sentrifugal yang membuat bumi berputar pada porosnya dan mengelilingi matahari agar tidak tertarik ke pusat gravitasi matahari atau tetap berada pada orbitnya.

Pengaruh Gaya Gravitasi Bumi dan Gravitasi Bulan

Nilai gravitasi bulan adalah 17% G (1 G = kekuatan gravitasi bumi), yaitu sekitar 0,17 kali kekuatan gravitasi bumi. Dengan percepatan gravitasi permukaan yaitu = 1,6 m/s2, dibanding kan bumi = 9.8 m/s2.Gravitasi bumi menarik bulan ke pusat bumi, sedang gaya gravitasi bulan tetap mempertahankan posisi bulan, sehingga menghasilkan gaya sentrifugal yang membuat bulan berputar pada porosnya dan mengelilingi bumi agar tidak tertarik ke pusat gravitasi bumi atau tetap berada pada orbitnya.

Pengaruh gaya gravitasi bumi dan bulan adalah pasang-surut air laut. Gaya gravitasi bulan menarik air laut ke arah bulan sehingga memengaruhi ketinggian ombak dan permukaan laut. Karena bulan mengitari bumi, maka akan ada saat di mana satu sisi dari bumi lebih dekat dengan bulan. Bagian yang dekat dengan bulan inilah yang akan mengalami air laut pasang, sedangkan bagian lainnya yang tidak dekat dengan bulan mengalami air laut surut. Pasang-surut air laut juga berkaitan dengan fase bulan. Biasanya, air laut akan mengalami pasang tinggi pada saat bulan purnama.

Selain itu juga, pengaruh gaya gravitasi bumi dan bulan adalah menjauhnya bulan dari bumi sekitar 3,8 cm tiap tahun.

Pasang Surut

Pasang dan surut air taut dipengaruhi oleh gaya gravitasi atau gaya tarik bulan dan matahari. Bulan yang lebih dekat dengan bumi mempunyai pengaruh yang lebih besar pada pasang dan surutnya air laut dibandingkan dengan pengaruh gravitasi matahari.Pasang dan surut terbesar terjadi pada saat bulan baru dan bulan pumama karena pada saat itu, matahari, bulan, dan bumi berada dalam bidang segaris.Pasang terendah terjadi pada saat bulan perbani.Oleh karena itu, pasang terendah disebut juga pasang perbani.Ketika pasang perbani, pasang terjadi serendah-rendahnya karena kedudukan matahari dan bulan terhadap bumi membentuk sudut 90 derajat. Oleh karena itu, gravitasi bulan dan matahari akan sating memperlemah. Perbedaan tinggi air pada saat pasang dan surut di laut terbuka mencapai 3 m. Tetapi, di tempat-tempat sempit seperti di selat atau di muara sungai, perbedaan tinggi air ini dapat mencapai 16 m. Bumi yang diselubungi air laut akan sangat dipengaruhi oleh gaya gravitasi bulan. Akibatnya, daerah yang berhadapan dengan bulan akan mengalami pasang, sedangkan daerah yang tegak lurus terhadap kedudukan bulan akan mengalami surut.

Pasang surut laut merupakan hasil dari gaya tarik gravitasi dan efek sentrifugal. Efek sentrifugal adalah dorongan ke arah luar pusat rotasi. Gravitasi bervariasi secara langsung dengan massa tetapi berbanding terbalik terhadap jarak. Meskipun ukuran bulan lebih kecil dari matahari, gaya tarik gravitasi bulandua kali lebih besar daripada gaya tarik matahari dalam membangkitkan pasangsurut laut karena jarak bulan lebih dekat daripada jarak matahari ke bumi. Gayatarik gravitasi menarik air laut ke arah bulan dan matahari dan menghasilkan dua tonjolan (bulge)pasang surut gravitasional di laut.Lintang dari tonjolan pasangsurut ditentukan oleh deklinasi, sudut antara sumbu rotasi bumi dan bidang orbital bulan dan matahari.Faktor-faktor yang menyebabkan terjadinya pasang surut berdasarkan teorikesetimbangan adalah rotasi bumi pada sumbunya, revolusi bulan terhadapmatahari, revolusi bumi terhadap matahari. Sedangkan berdasarkan teori dinamisadalah kedalaman dan luas perairan, pengaruh rotasi bumi (gaya coriolis), dangesekan dasar. Selain itu juga terdapat beberapa faktor lokal yang dapatmempengaruhi pasang surut disuatu perairan seperti, topogafi dasar laut.

Terjadinya arus di lautan disebabkan oleh dua faktor utama, yaitu faktor internal dan faktor eksternal.  Faktor internal seperti perbedaan densitas air laut, gradien tekanan mendatar dan gesekan lapisan air. Sedangkan faktor eksternal seperti gaya tarik matahari dan bulan yang dipengaruhi oleh tahanan dasar laut dan gaya coriolis, perbedaan tekanan udara, gaya gravitasi, gaya tektonik dan angin ( Gross, 1990).

Menurut Bishop (1984), gaya-gaya utama  yang berperan dalam sirkulasi massa air adalah gaya gradien tekanan, gaya coriolis, gaya gravitasi, gaya gesekan, dan gaya sentrifugal.Faktor penyebab terjadinya arus yaitu dapat dibedakan menjadi tiga komponen yaitu gaya eksternal, gaya internal angin, gaya-gaya kedua yang hanya datang karena fluida dalam gerakan yang relatif terhadap permukaan bumi. Dari gaya-gaya yang bekerja dalam pembentukan arus antara lain tegangan angin, gaya Viskositas, gaya Coriolis, gaya gradien tekanan horizontal, gaya yang menghasilkan pasang surut.

Ketika angin berhembus di laut, energi yang ditransfer dari angin ke batas permukaan, sebagian energi ini digunakan dalam pembentukan gelombang gravitasi permukaan, yang memberikan pergerakan air dari yang kecil kearah perambatan gelombang sehingga terbentuklah arus dilaut. Semakin cepat kecepatan angin, semakin besar gaya gesekan yang bekerja pada permukaan laut, dan semakin besar aruspermukaan. Dalam proses gesekan antara angin  dengan permukaan laut dapat menghasilkan gerakan air yaitu pergerakan air laminar dan pergerakan air turbulen (Supangat,2003).

Gaya Viskositas pada permukaan laut ditimbulkan karena adanya pergerakan angin pada permukaan  laut sehingga menyebabkan pertukaran massa air yang berdekatan secara periodik, hal ini disebabkan karena perbedaan tekanan pada fluida. Gaya viskositas dapat dibedakan menjadi dua gaya yaitu viskositas molecular dan viskositas eddy. Gesekan dalam pergerakan fluida hasil dari transfer momentum diantara bagian-bagian yang berbeda dari fluida. Dalam pergerakan fluida dalam aliran laminer, transfer momentum terjadi hasil transfer antara batas yang berdekatan yang disebut viskositas molekular. Di permukaan laut, gerakan air tidak pernah laminer, tetapi turbulen sehingga kelompok-kelompok air, bukan molekul individu, ditukar antara satu bagian fluida ke yang lain. Gesekan internal yang dihasilkan lebih besar dari pada yang disebabkan oleh pertukaran molekul individu dan disebut viskositas eddy.

Gaya Coriolis mempengaruhi aliran massa air, dimana gaya ini akan membelokan arah angin dari arah yang lurus. Gaya ini timbul sebagai akibat dari perputaran bumi pada porosnya.Gaya Coriolis ini yang membelokan arus dibagian bumi utara kekanan dan dibagian bumi selatan kearah kiri. Pada saat kecepatan arus berkurang, maka tingkat perubahan arus yang disebabkan gaya Coriolis akan meningkat. Hasilnya akan dihasilkan sedikit pembelokan dari arah arus yang relaif cepat dilapisan permukaan dan arah pembelokanya menjadi lebih besar pada aliran arus yang kecepatanya makin lambat dan mempunyai kedalaman makin bertambah besar. Akibatnya akan timbul suatu aliran arus dimana makin dalam suatu perairan maka arus yang terjadi pada lapisan-lapisan perairan akan dibelokan arahnya. Hubungan ini dikenal sebagai Spiral Ekman, Arah arus menyimpang 450 dari arah angin dan sudut penyimpangan.bertambah dengan bertambahnya kedalaman (Supangat, 2003).

Orbit Planet

Orbit planet-planet di Tata Surya memang semuanya berada dalam satu bidang. Demikian juga dengan orbit satelit dari planet-planet tersebut. Semuanya berada dalam satu bidang yang sama.  Semua planet bisa memiliki orbit pada bidang yang sama ini terkait dengan pembentukannya di dalam Tata Surya.

Tata Surya terbentuk dari awan gas dan debu raksasa yang kita kenal sebagai nebula.Di dalam nebula inilah bintang dilahirkan.Atau kalau di dalam Tata Surya, Matahari lahir di dalam nebula ini.Awalnya partikel-partikel debu berkumpul membentuk awan sferis.Awan gas dan debu ini berputar dan kemudian menarik lebih banyak materi.Interaksi gravitasi partikel-partikel di awan menyebabkan awan berkondensasi.Pada saat itu radiusnya mengecil, tapi momentum sudutnya tidak mengecil sehingga rotasinya makin cepat.Awan pun mengalami keruntuhan.

Saat terjadi keruntuhan, rotasi awan semakin cepat.Tapi tidak semua bagian dari awan ini ditarik ke pusat. Partikel di sekitar bidang yang tegak lurus sumbu rotasi mengalami gaya sentrifugal yang membuat mereka tidak mendekati pusat melainkan melawan gravitasi.  Akibatnya awan memipih dan membentuk piringan yang berputar di sekeliling inti yang sangat rapat.

Semakin banyak massa yang dikumpulkan di pusat piringan, maka temperatur juga meningkat tajam sehingga memberi kemampuan yang cukup untuk terjadinya reaksi nuklir. Atom hidrogen kemudian mengalami pembakaran menjadi helium menandai kelahiran Bintang.Sementara itu gas dan debu di piringan pipih yang berputar disekeliling bintang pun saling berinteraksi di dalam piringan.Bertabrakan dan berakumulasi membentuk planet-planet yang kemudian mengitari Bintang. Inilah yang menyebabkan planet-planet memiliki orbit pada bidang yang sama dengan Bintang.

Periode orbit

Periode orbit adalah waktu yang diperlukan bagi suatu benda untuk melakukan satu orbit penuh mengitari benda lain.Jika disebutkan tanpa mendalami astronomi, maka rujukannya adalah periode sidereal suatu benda astronomis, yang dihitung terhadap bintangnya.

Ada beberapa jenis periode orbit untuk benda-benda yang mengitari Matahari (atau benda langit lainnya):

• Periode sidereal adalah siklus sementara yang dibutuhkan suatu benda untuk melakukansatu orbit penuh relatif terhadap bintangnya. Ini dianggap sebagai periode orbit sejatibenda tersebut.
• Periode sinodis adalah interval sementara yang dibutuhkan suatu benda untuk muncul kembali di titik yang sama relatif terhadap dua benda lain (node linier), contohnya ketika Bulan relatif terhadap Matahari dilihat dari Bumi kembali ke fase iluminasi yang sama. Periode sinodis adalah waktu yang berlangsung antara dua konjungsi berturut-turut dengan garis Matahari-Bumi dalam urutan linier yang sama. Periode sinodis berbeda dari periode sidereal karena Bumi mengorbit Matahari.
• Periode drakonitik atau periode drakonik adalah waktu yang berlangsung antara dua perlintasan benda melalui node menaiknya, titik orbitnya tempat benda tersebut melintasi ekliptika dari belahan selatan ke utara. Periode ini berbeda dari periode sidereal karena kedua bidang orbit benda dan bidang ekliptika berpresesi terhadap bintang tetap, sehingga persimpangan mereka, yaitu garis node, juga berpresesi terhadap bintang tetap. Meski bidang ekliptika sering bersifat tetap di posisi yang ia tempati pada epos tertentu, bidang orbit benda tersebut masih berpresesi dan mengakibatkan periode drakonitik berbeda dari periode sidereal.
• Periode anomalistik adalah waktu yang berlangsung antara dua perlintasan benda di periapsis-nya (pada planet di tata surya, disebut perihelion), titik pendekatan terdekatnya terhadap benda yang menariknya. Periode ini berbeda dari periode sidereal karena sumbu semimayor benda berjalan dengan sangat lambat.
• Periode tropis Bumi (atau disebut juga "tahun") adalah waktu yang berlangsung antara dua penjajaran sumbu rotasinya dengan Matahari, juga dilihat sebagai dua perlintasan benda di asensio rekta nol. Satu tahun Bumi memiliki interval yang sedikit lebih pendek daripada orbit Matahari (periode sidereal) karena sumbu inklinasi dan bidang khatulistiwanya secara perlahan berpresesi (berotasi dalam istilah sidereal), kembali sejajar sebelum orbit selesai dengan interval yang sama dengan kembalinya siklus presesi (sekitar 25.770 tahun).

Orbit Satelit

Dalam bidang geodesi satelit, ada dua peran dan fungsi utama dari satelit, yaitu satelit sebagai target, titik kontrol atau wahana pengukur, dan satelit sebagai sensor atau probe.Peran tersebut umumnya digunakan pada metode geodesi satelit geometrik, yaitu dalam penentuan posisi titik-titik di perlukaan Bumi. Karena orbit satelit yang relative cukup tinggi di atas permukaan Bumi, maka penggunaan satelit dalam moda ini akan dapat mencakup daerah yang relativeluas.Dalam konteks geodesi satelit, informasi tentang orbit satelit akan berperan dalam beberapahalyaitu:

·         Untuk menghitung koordinat satelit yang nantinya diperlukan sebagai koordinat titik tetap dalam perhitungan koordinat titik-titik lainnya di atau dekat permukaan bumi.

·         Untuk merencanakan pengamatan satelit, yaitu waktu dan lama pengamatan yang optimal.

·         Untuk membantu mempercepat alat pengamat (receiver) sinyal satelit untuk menemukan satelit yang bersangkutan.

·         Untuk memilih, kalau diperlukan, satelit-satelit yang secara geometrik “lebih baik” untuk digunakan.

Pergerakan Satelit Mengelilingi Bumi
Pergerakan satelit mengelilingi bumi secara umum mengikuti Hukum Kepler (pergerakanKeplerian) yang didasarkan pada beberapa asumsi, yaitu sebagai berikut ini :

·         Pergerakan satelit hanya dipengaruhi oleh medan gaya berat sentral bumi.

·         Satelit bergerak dalam bidang orbit yang tetap dalam ruang.

·         Massa satelit tidak berarti dibandingkan massa Bumi.

·         Satelit bergerak dalam ruang hampa, dengan kata lain tidak ada efek dari atsmospheric drag.

·         Satelit tidak terkena efek gaya berat dari benda-benda langit seperti matahari atau bulan dan tidak ada efek dari solar radiation pressure.

Secara singkat Hukum Kepler dapat dijelaskan sebagai berikut :

·         Hukum Kepler I : Orbit suatu planet adalah ellips dengan matahari berada pada salah satu fokusnya(1602).

·         Hukum Kepler II : Vektor dari matahari ke planet menyapu daerah yang sama dalam waktu yang sama (1605).

·         Hukum Kepler III : Rasio kuadrat perioda revolusi planet (T) terhadap kubik dari sumbu ellips (a) adalah sama untuk seluruh planet (T²/a³ = konstan).

Secara matematis, berdasrkan hokum Newton, untuk satelit yang mengelilingi Bumi, Hukum Kepler III dapat diformulasikan sebagai:
Dimana :T = periode orbit satelit,

a = sumbu panjang orbit,

G = konstanta gravitasi universal, dan

M = massa bumi.

Jenis-Jenis Orbit Satelit

Berdasarkan pada karakteristik geometri orbit dan pergerakan satelit di dalamnya, serta menurut jaraknya dari permukaan bumi, dikenal beberapa jenis orbit satelit. Berikut ini hanya akan dibahas jenis-jenis orbit satelit yang relevan dengan bidang geodesi satelit.

·         Orbit Prograde dan Retrograde

Orbit prograde adalah orbit yang sudut inklinasi orbitnya (i) memenuhi hubungan : 0° < i < 90°dan sudut inklinasi tersebut dihitung berlawanan arah jarum jam di titik nodal (ascending node), dari bidang ekuator ke bidang orbit. Pada orbit prograde pergerakan satelit dalam orbitnya searah dengan rotasi Bumi. Sedangkan orbit retrograde adalah orbit yang sudut iklinasinya memenuhi hubungan : 90° < i < 180° dan dihitung berlawanan arah jarum jam di titik nodal (ascending node), dari bidang ekuator ke bidang orbit, pergerakan satelit dalam orbitnya berlawanan arah dengan rotasi Bumi.

·         Orbit Polar

Satelit berorbit polar mempunyai inklinasi 90°. Satelit berorbit polar sangat bermanfaat untuk mengamati permukaan bumi. Karena satelit mengorbit dalam arah Utara-Selatan dan bumi berputar dalam arah Timur-Barat, maka satelit berorbit polar akhirnya akan dapat ‘menyapu’ seluruh permukaan bumi.

Karena alasan tersebut maka satelit pemantau lingkungan global seperti satelit inderaja dan satelit cuaca, umumnya mempunyai orbit polar atau memndekati polar, yaitu sudut inklinasinya sekitar90°.

·         Orbit Geostationer

Satelit berorbit geostationer adalah satelit yang mengelilingi Bumi dengan kecepatan dan arah yang sama dengan kecepatan dan arah rotasi Bumi. Periode orbit satelit geostationer dibuat sama dengan periode rotasi bumi yakni T = 23 jam 56 menit 4,09 detik. Berdasarkan Hukum Kepler III maka orbit satelit tersebut akan mempunyai sumbu panjang (a). Dengan jari-jari Bumi sekitar 63787 km, maka orbit geostationer berketinggian (h) sekitar 35787 km diatas permukaan Bumi. Perlu diingat bahwa hanya Orbit Ekuatorial (i = 0°) yang bisa menjadi orbit geostasioner. Disamping itu untuk mendapatkan kecepatan satelit yang seragam, orbit harus berbentuk lingkaran (e = 0). Karena orbitnya yang relatif tinggi, maka footprint dari satelit geostationer umumnya sangat luas. Satelit berorbit geostationer ini umumnya tidak dapat digunakn untuk memantau fenomena yang terjadi di kutub, hal ini dikarenakan karakteristik orbitsatelit geostationer umumnya tidak dapat mencakup kawasan kutub.

·         Orbit Sun-Synchronous

Orbit sun-synchronous adalah orbit satelit yang mensinkronkan pergerakan satelit dalam orbit, presisi bidang orbit, dan pergerakan bumi mengelilingi matahari, sedemikian rupa sehingga satelit tersebut akan melewati lokasi tertentu di permukaan bumi selalu pada waktu lokal yang sama setiap harinya. Untuk itu, karena Bumi berevolusi mengelilingi matahari, maka orbit satelit juga harus berpresesi terhadap sumbu rotasi bumi, sebesar 3600/tahun.Orbit sun-synchronous umum digunakan oleh sistem satelit inderaja dan satelit cuaca.

·         Medium Earth Orbit (MEO)

Medium Earth Orbit yaitu suatu orbit satelit di angkasa yang mengelilingi bumi dengan karakteristik antara lain :

-          Tinggi orbit : sekitar 6.000 – 12.000 km, diatas permukaan bumi

-          Periode Orbit : 5 – 12 jam

-          Kecepatan putar : 19.000 km/jam

-          Waktu Tampak : 2 – 4 jam per hari

-         Delay Time : 80 ms ( Waktu perambatan gelombang dari stasiun bumi ke satelit dan kembali lagi ke stasiun bumi)

-          Jumlah Satelit : 10 – 12 (Global Coverage)

-       Penggunaan : Satelit Citra, Cuaca, Mata-mata, sistem telekomunikasi bergerak (mobile) misalnya satelit Oddysey dan ICO.

·         Low Earth Orbit (LEO)

Low Earth Orbit yaitu suatu otbit satelit di angkasa yang mengelilingi bumi dengan karakteristik antara lain sebagai berikut :

-          Tinggi orbit : 200 – 3000 km, diatas permukaan bumi

-          Periode Orbit : 1.5 jam

-          Kecepatan putar : 27.000 km/jam

-          Delay Time : 10 ms ( Waktu perambatan gelombang dari stasiun bumi ke satelit dan kembali lagi ke stasiun bumi)

-          Jumlah Satelit : 50 (Global Coverage)

-          Penggunaan : Satelit Citra, Cuaca, Mata-mata, sistem telekomunikasi bergerak (mobile) contohnya satelit Iridium dan Global Star.