Penjelasan Tentang Gaya Coriolis

Penjelasan Tentang Gaya Coriolis

I. Pengertian Gaya Coriolis
Jaman sekarang ini, masih ada orang yang menganggap bahwa bumi ini diam. Atau lebih parah lagi: Bumi ini datar. Bagaimana membuktikan bahwa bumi ini berputar pada porosnya? Kenyataan bahwa matahari, bulan dan benda langit lainnya terbit dan terbenam setiap harin tampaknya tidak cukup membuktikan bahwa bumilah yang berputar (bukan sebaliknya: matahari mengelilingi bumi).
Bukti harusnya dapat diperoleh berdasarkan hasil pengamatan. Jika benar bumi berputar, pastilah ada efek atau fenomena alam sebagai hasil dari pergerakannya. Karena bumi yang berputar, bukti itu harus dicari di bumi, bukan di Matahari atau benda luar angkasa lain. Ada bukti seperti ini. salah satunya "Efek Coriolis".
Efek Coriolis melekat pada fenomena defleksi (pembelokan arah) gerak sebuah benda pada sebuah kerangka acuan yang berputar, khususnya di permukaan Bumi. Pada intinya, sebuah benda yang bergerak lurus dalam kerangka yang berputar, akan terlihat berbelok oleh pengamat yang diam di dalam kerangka tersebut.
Dari penjelasan tersebut, dapat diketahui bahwa bumi selalu berotasi. Dan dari rotasi tersebut selalu menimbulkan fenomena alam. Salah satunya adalah angin yang dikenal dengan angin utama (angin timur, barat, dan pasat). Angin-angin utama itu berhembus dalam suatu arah yang hampir tetap pada garis-garis lintang tertentu. Angin itu timbul karena peredaran atmosfer dan rotasi bumi.Seandainya bumi tidak berotasi, angin akan bergerak lurus ke utara atau ke selatan. Namun rotasi bumi menimbulkan gaya rotasi yang disebut gaya Coriolis, yaitu gaya yang membelokkan arah angin utama. Nama Coriolis sendiri diambil dari nama seorang ilmuwan Perancis Gaspard Gustave Coriolis (1792). Jadi pengertian dari gaya Coriolis adalah gaya semu yang timbul akibat efek dua gerakan yaitu gerak rotasi bumi dan gerak benda relatif terhadap bumi.

II. Efek-efek Gaya Coriolis
Jika benar bumi berputar, pastilah ada efek atau fenomena alam sebagai hasil dari pergerakannya. Karena bumi yang berputar bukti itu harus dicari di bumi, bukan di Matahari atau benda luar angkasa lain. Sebagai buktinya ada "Efek Coriolis". Efek Coriolis melekat pada fenomena defleksi (pembelokan arah) gerak sebuah benda pada sebuah kerangka acuan yang berputar, khususnya di permukaan Bumi. Diambil dari nama seorang ilmuwan prancis: Gaspard Gustave Coriolis (1792). Pada intinya, sebuah benda yang bergerak lurus dalam kerangka yang berputar, akan terlihat berbelok oleh pengamat yang diam di dalam kerangka tersebut. Hukum Boys Ballot yang mengatakan "Angin cyclon di belahan bumi utara akan berputar berlawanan arah jarum jam, namun sebaliknya berputar searah jarum jam di belahan bumi selatan". Mengapa? karena gerakan angin (relatif terhadap permukaan bumi) di belokkan oleh efek dari rotasi bumi. Inilah yang disebut dengan gaya Coriolis. Semakin ke arah khatulistiwa, gaya coriolis makin mengecil. Gaya Coriolis dipengaruhi oleh posisi lintang suatu wilayah. Semakin kecil letak lintang suatu wilayah, maka gaya Coriolis semakin kecil pengaruhnya Itulah sebabnya angin cyclon hampir tidak pernah terjadi di wilayah khatulistiwa.


Gambar Sistem K dan K'
Jika benda melakukan gerakan di sistem K' (permukaan bumi), percepatan Coriolis akan ikut berbicara karena adanya vektor kecepatan v'. Arah percepatan ini sudah kita ketahui selalu tegak lurus terhadap arah kecepatan benda di sistem K', sehingga arahnya tergantung pada arah kecepatan v'. Kita tinjau misalnya gerak benda jatuh bebas. Pada awal geraknya arah kecepatan v' adalah vertikal ke bawah. Jika kejadiannya itu di Surabaya yang terletak pada lintang 7° LS, arah percepatan Coriolis yang terjadi ditunjukkan oleh gambar di bawah. Percepatan ini akan menyebabkan lintasan benda menyimpang dari arah vertikal. Dapat diduga bahwa simpangan yang terjadi cukup kecil, kecuali kalau laju gerak bendanya besar sekali, sehingga arah kecepatannya setiap saat dapat didekati dengan arah vertikal. Untuknya mudahnya gesekan udara kita abaikan dan arah vertikal kita impitkan dengan arah radial, efek sentrifugalnya juga kita abaikan.

Gambar Percepatan Coriolis pada benda jatuh
Ternyata percepatan ini mengambil arah timur (sumbu Y'). Akibatnya benda yang jatuh bebas ini akan menyimpang dari lintasan vertikalnya ke arah timur. Kenyataan ini juga berlaku untuk benda jatuh bebas di belahan bumi sebelah utara. Mari kita hitung berapa kira-kira penyimpangan ke arah timur yang terjadi untuk benda yang dijatuhkan dari ketinggian 100 meter dari atas tanah. Oleh karena sumbu Y' sejajar dengan arah timur, maka persamaan skalar percepatannya sepanjang sumbu Y' :
d2y' /dt2 = 2W.g.t cosly' = 13W.g. t 3 cosl
Jika nilai-nilai g dan l di Surabaya 9,78 m/s2 dan 7° , penyimpangan ke arah timur yang terjadi setelah benda jatuh bebas 100 meter adalah sebesar y' = 2,18 cm. Penyimpangan ini terlalu kecil untuk diamati, tetapi akan cukup besar jika sudah menyangkut peluncuran rudal antar benua. Pesawat udara pun tidak lepas dari pengaruh efek Coriolis ini. Misalnya sebuah pesawat supersonik yang terbang dengan kecepatan 2,5 kali kecepatan suara ke arah timur di atas daerah khatulistiwa, gaya angkat aerodinamik yang diperlukannya tidak sebesar gaya angkatnya bila saja bumi tidak berotasi. Setelah dikalikan dengan massa pesawat (m), gabungan persamaan (9) menghasilkan persamaan gaya :
F = F' + 2m.rWW ´ v' + m.rWW ´ (rWW´ r) (12)
Gaya sentripetal yang diperlukan pesawat untuk memutari pusat bumi di K' adalah F', sedangkan gaya sentripetal di koordinat K adalah jumlahan gaya beratnya (m.g) dengan gaya angkat aerodinamik (f).

Gambar 7. Efek Coriolis pada pesawat udara

Jika $ ur adalah vektor radial di K, maka persamaan gaya itu menjadi :
(-m.g + f) $ ur = (-mv'2/r) $ ur -2m.W. v' $ ur -m. W2.r $ urf = m(ge - v'2 /r - 2W.v')
Jadi dengan laju pesawat 2,5 kali kecepatan suara (v' = 875 m/s), gaya angkat aerodinamiknya terhitung berkurang sebesar 1,3 % akibat efek Coriolis. Tiap kgf (kilogram gaya) berat pesawat membutuhkan gaya angkat sebesar 975 gf (gram gaya), separo pengurangan ini adalah akibat perjalanannya sendiri mengitari pusat bumi. Anda dapat memeriksanya sendiri, bahwa efek Coriolis ini akan menambah gaya angkat yang diperlukan jika pesawat itu terbang ke arah barat. Terbang ke arah barat ternyata memerlukan gaya angkat aerodinamik yang lebih besar daripada terbang ke arah timur. Salah satu cara untuk mendemonstrasikan adanya percepatan Coriolis adalah dengan ayunan bandul yang dapat berputar terhadap sumbu vertikalnya. Demonstrasi ini pertama kali dilakukan oleh fisikawan Perancis Jean Leon Foucault pada tahun 1851 di Paris. Ia mendapati bahwa bidang ayun bandul ternyata berpresesi terhadap sumbu vertikalnya dengan perioda sekitar 32 jam. Arah presesi bidang ayun itu searah dengan jarum jam. Kejadian ini dijelaskannya sebagai berikut. Di koordinat K' gaya yang bekerja dapat diperoleh dari persamaan (12) :
F' = (mg + T) - 2m.rWW ´ v' - mrWW ´ (rWW ´ r)
= mge + T - 2m.rWW ´ v' (13)
T adalah gaya tegangan tali bandul itu. Tampak bahwa suku terakhir di ruas kanan adalah gaya Coriolis yang tidak sebidang dengan dua gaya di depannya, gaya berat dan gaya tegangan tali berada pada bidang vertikal (sebagai bidang ayunnya). Dari eksperimen diketahui bahwa bidang ayun ternyata berpresesi dengan laju sudut w terhadap permukaan bumi, maka kita coba menganalisa gerak ayunan ini dari sebuah sistem koordinat baruyang ikut berpresesi bersama bidang ayun. Sebut saja koordinat baru ini K", di sini bandul akan mengayun pada sebuah bidang yang tak berputar, semua gaya yang bekerja pada bandul berada sebidang yakni pada bidang ayunannya.

Gambar 8. Bandul Foucault

Transformasi gaya antara koordinat K" dan K' bentuknya tentu saja sama dengan transformasi antara K' dan K, yaitu persamaan (12) :
F" = F' - 2m.wr ´ v"-m.wr ´ (wr ´ r' ) (14)
Hubungan kecepatan bandul di K" (v") dengan kecepatannya di K' (v') analog dengan persamaan (4) :
v" = v' -rw´ r¢
sehingga substitusinya bersama-sama dengan persamaan (13) ke dalam persamaan (14) menghasilkan :
F" = (m.ge + T) - 2m(rw+rWW) ´ v' + m.rw´ (rw´ r')
Di antara gaya-gaya di ruas kanan hanya suku Coriolis saja yang bisa tidak terletak pada bidang ayun, padahal di K" semua gaya harus berada di bidang ayunnya. Maka perlu diberikan syarat agar suku Coriolis itu juga terletak pada bidang ayun. Oleh karena ayunan dilakukan dengan amplitudo yang kecil, kecepatan bandul v' setiap saat hampir selalu horisontal, sehingga jika vektor (rw+rWW) kita buat horisontal juga maka hasil crossproductnya dengan v' pasti memiliki arah vertikal yang berarti selalu terletak pada bidang ayun. Mengingat rw arahnya vertikal, agar (rw+rWW ) horisontal syaratnya adalah :
(rw+rWW).rw= 0
w = -W cos q (15)
Pada gambar 8 tampak sudut q adalah sudut antara arah vertikal dengan sumbu putar bumi. Tampak pula bahwa sudut q ini lancip (q = 90° - l) di belahan bumi sebelah utara dan tumpul di belahan selatan (q = 90° + l). Artinya w positif (presesi berlawanan dengan arah jarum jam) di belahan selatan dan negatif (presesi searah dengan jarum jam) di belahan utara. Dengan mengambil posisi kota Paris 49° LU kita mendapatkan periode presesinya 31,8 jam. Selisih sedikit terhadap hasil eksperimen adalah akibat anggapan kita bahwa v' selalu mengambil arah horisontal. Jika bandul Foucault ini kita ayunkan di Surabaya, kita akan mendapatkan presesi bidang ayun berlawanan dengan arah jarum jam
dengan periode sekitar 197 jam. Efek Coriolis tampak paling jelas jika kita mengamati pola aliran arus laut dan arah angin pasat sepanjang tahun. Pada semester Maret-September matahari berada di belahan utara mengakibatkan atmosfir di belahan selatan mempunyaikelebihan tekanan. Udara dari belahan selatan akan bergerak menyeberangi khatulistiwa ke belahan utara. Gerakan massa udara ke utara ini akan dibelokkan arahnya oleh percepatan Coriolis. Kita lihat dulu di belahan selatan (gambar 9a), percepatan Coriolis yang diderita udara arahnya ke barat sehingga angin akan berbelok ke barat laut. Angin ini adalah angin tenggara pada musim kemarau di pulau Jawa. setelah menyeberangi khatulistiwa percepatan Coriolis berbalik ke arah timur, sehingga angin berbelok ke arah timur laut (gambar 9b).

Gambar 9. Angin pasat Maret-September

Pada semester September-Maret yang terjadi adalah sebaliknya. Angin ke selatan terkena percepatan Coriolis ke barat di belahan utara dan ke timur di belahan selatan. Anda periksa sendiri arah-arahnya. Angin ini adalah angin barat laut pada musim penghujan di pulau Jawa. Secara ringkas efek Coriolis menyebabkan gerakan angin akan menyimpang ke kiri di belahan selatan dan menyimpang ke kanan di belahan utara. Hal ini dapat mengakibatkan berputarnya gerakan udara searah jarum jam di belahan utara dan berlawanan dengan arah jarum jam di belahan selatan, angin yang berputar ini bisa disebut angin siklon.

Gambar 10. Angin siklon
Kesimpulan
Efek Coriolis melekat pada fenomena defleksi (pembelokan arah) gerak sebuah benda pada sebuah kerangka acuan yang berputar, khususnya di permukaan Bumi. Pada intinya, sebuah benda yang bergerak lurus dalam kerangka yang berputar, akan terlihat berbelok oleh pengamat yang diam di dalam kerangka tersebut. Hukum Boys Ballot yang mengatakan "Angin cyclon di belahan bumi utara akan berputar berlawanan arah jarum jam karena gerakan angin (relatif terhadap permukaan bumi) di belokkan oleh efek dari rotasi bumi. Inilah yang disebut dengan gaya Coriolis. Semakin ke arah khatulistiwa, gaya coriolis makin mengecil. Gaya Coriolis dipengaruhi oleh posisi lintang suatu wilayah