Berjalanlah bersama fisika

Seperti apa rasanya berjalan di bulan? Mungkin orang yang paling tahu jawabannya adalah Neil Armstrong dan Buzz Aldrin yang berhasil mendarat di permukaan bulan pada tahun 1969. Dari rekaman peristiwa bersejarah ini terlihat bahwa mereka tidak tampak seperti melangkah di bulan, tetapi justru lebih menjurus pada bouncing (seakan memantul di permukaan bulan tanpa pernah bergerak maju). Hal ini sebenarnya sudah diramalkan oleh Giovanni Cavagna, seorang fisiolog dari University of Milan, sejak tahun 1964. Apakah ini berarti bahwa manusia sebenarnya tidak dapat melangkah atau berjalan di bulan? Di lain waktu, Cavagna mengemukakan bahwa melangkah di bumi justru membutuhkan lebih banyak usaha (lebih susah) dibandingkan melangkah di tempat-tempat lain yang memiliki gravitasi relatif lebih kecil dari gravitasi bumi. Walaupun terdengar saling bertolak belakang, kedua pernyataan Cavagna sebenarnya dapat dijelaskan menggunakan konsep-konsep Fisika Biomekanika.  Dalam salah satu percobaannya, Cavagna menggunakan sebuah pesawat Airbus A-300 sebagai sebuah laboratorim fisika raksasa yang dipenuhi dengan berbagai peralatan ilmiah. Sebuah pendulum diayunkan pada kecepatan konstan saat 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 seperti melayang/mengapung di udara seakan tidak memiliki massa (weightless). Pilot pesawat kemudian mengatur posisi sehingga tingkat gravitasi dalam ruangan menjadi 40% dari gravitasi normal di bumi (0,4g). Keadaan ini sangat mirip dengan kondisi gravitasi di planet Mars. Saat itu pendulum terlihat berayun dengan sangat lambat, seakan membuat 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 merasakan bahwa usaha 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, manusia melangkah dengan menggunakan prinsip gerakan pendulum. Pendulum mengubah energi gerak yang mengayunnya menjadi energi potensial gravitasi, dan sebaliknya (gerakan harmonik sederhana). Pada titik terendah (titik pusat 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 memiliki 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%) karena adanya gesekan dengan udara dan tali yang mengikatnya yang menyebabkan terjadinya hilang energi sehingga lama-kelamaan pendulum akan berhenti berayun dan diam pada titik kesetimbangannya. Manusia meniru konsep ini untuk berjalan dan melangkah, tetapi gerakan yang dilakukan manusia merupakan sistem pendulum yang tidak sempurna karena konversi energi hanya mencapai 65% (hilang energi mencapai 35%). Ini berarti bahwa manusia membutuhkan pasokan energi (dari makanan) untuk menggantikan energi yang hilang tersebut. Inilah yang menyebabkan usaha yang dibutuhkan untuk berjalan di bumi menjadi lebih besar (lebih susah). Hilang energi yang terjadi disebabkan aktivitas otot-otot kaki yang saling berkontraksi untuk mengadakan penyesuaian terhadap perubahan kekuatan dan arah energi saat melangkah. Pada saat kaki menyentuh permukaan tanah, terjadi gerakan memutar ke dalam (pronate). Gerakan ini meregangkan otot kaki sehingga bersifat seperti pegas yang berusaha beradaptasi dengan permukaan tanah dan menghindari terjadinya patah tulang akibat tumbukan antara kaki dengan tanah. Saat kaki terangkat kembali dari tanah, terjadi gerakan memutar keluar (supinate) yang menyebabkan tegangnya otot-otot kaki sehingga bersifat seperti pengungkit kaku yang dapat 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 saat berjalan di bulan maupun di Mars, energi potensial manusia menjadi sangat kecil karena gravitasi yang sangat kecil pula. Kecepatan optimum dicapai saat energi kinetik sama besarnya dengan energi potensial gravitasi. Karena energi potensial menjadi 40% (di Mars) dari energi potensial manusia 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), manusia hanya bisa berjalan dengan kecepatan yang sangat kecil sehingga pergerakan maju hampir tidak terlihat (seperti bouncing di tempat), tetapi usaha yang dibutuhkan menjadi sangat kecil karena hilang energinya sangat kecil (dapat diabaikan). Sebaliknya, jika manusia melangkah di permukaan dengan gravitasi yang lebih besar dari gravitasi bumi (misalnya pada 1,5g), kecepatan optimum yang dapat dicapai menjadi sangat besar sehingga manusia bisa berjalan sangat cepat tetapi langkah-langkahnya terasa sangat berat, bahkan terasa seakan jatuh ke depan. Keadaan ini dianalogikan dengan manusia yang berjalan di bumi sambil membawa beban seberat setengah berat badannya sendiri. Ternyata strategi untuk melangkahkan kaki sangat sederhana, sesederhana gerak ayunan sistem pendulum yang diaplikasikan dalam Fisika Biomekanika. (***) (Yohanes Surya)