Gaya (Force) merupakan salah satu konsep yang dipelajari dalam ilmu fisika dan sudah diperkenalkan di tingkat sekolah dasar. Gaya menyebabkan suatu benda yang awalnya diam menjadi bergerak. Gaya juga bisa menyebabkan berubahnya arah gerak suatu benda. Dalam bahasa fisika, gaya merupakan penyebab suatu benda mengalami percepatan. Contoh gaya yang sudah tidak asing lagi bagi masyarakat adalah gaya gesek. Gaya gesek muncul ketika dua buah permukaan mengalami kontak fisik satu sama lain. Beberapa gaya lain yang juga dikenal secara umum adalah gaya gravitasi, gaya pegas, gaya magnet, dan gaya apung (gaya Archimedes).
Walaupun ada banyak macam gaya yang dibahas di fisika (beberapa diantaranya telah disebutkan di atas), namun sebenarnya hanya ada 4 macam gaya fundamental (yang ditemukan sampai saat ini). Berikut ini akan dibahas satu-persatu mengenai keempat gaya fundamental ini.
1. Gaya Gravitasi
Gaya gravitasi merupakan gaya yang muncul akibat adanya suatu massa riil. Memiliki massa riil di sini maksudnya memiliki massa diam yang lebih besar dari nol. Gaya gravitasi merupakan gaya yang paling lemah bila dibandingkan dengan ketiga gaya fundamental lainnya. Walau begitu, efek dari gaya gravitasi bisa dirasakan hingga jarak yang sangat jauh dari sumber gravitasi. Penelitian mengenai gravitasi sudah dilakukan sejak beberapa abad sebelum masehi di Yunani, dengan tokoh-tokohnya Aristoteles dan Vitruvius, walaupun masih berupa observasi belaka.
Suatu hasil eksperimen yang mengejutkan dilakukan oleh Galileo Galilei di akhir abad ke-16. Galileo melakukan percobaan menjatuhkan dua buah bola yang berbeda massanya dari puncak menara Pisa dan didapati kedua bola mencapai tanah pada waktu yang bersamaan. Hasil percobaan ini menunjukkan kalau percepatan gravitasi tidak dipengaruhi oleh massa benda dan sekaligus mematahkan keyakinan Aristoteles bahwa benda yang lebih berat akan jatuh lebih cepat dibandingkan dengan benda yang lebih ringan.
Seabad kemudian, seorang fisikawan yang juga merangkap sebagai matematikawan dan astronomer dari Inggris, Sir Isaac Newton, berhasil merampungkan suatu hukum mengenai gravitasi yang disebut "Hukum Gravitasi Universal Newton", yang dituangkan ke dalam sebuah buku yang berjudul Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica. Hukum ini sukses menjelaskan hukum ke-2 dan ke-3 Kepler mengenai gerak planet juga mengenai lintasan elips dari orbit planet-planet yang bergerak mengelilingi matahari.
Hukum gravitasi universal Newton menjelaskan bahwa setiap benda yang memiliki massa riil akan menghasilkan medan vektor gravitasi yang arahnya menuju ke pusat benda dan bersifat konservatif. Besarnya medan gravitasi yang diakibatkan suatu benda di suatu titik sebanding dengan massa benda yang menghasilkan medan gravitasi tersebut, namun berbanding terbalik dengan kuadrat besar vektor posisi titik tersebut dengan pusat benda penghasil medan gravitasi tadi. Artinya, semakin besar massa suatu benda maka semakin besar medan gravitasi yang dihasilkan, demikian juga semakin jauh posisi titik dari pusat benda maka semakin kecil medan gravitasi yang dirasakan. Gaya gravitasi menyebabkan setiap benda yang bermassa akan tarik-menarik satu sama lain, tidak terkecuali objek-objek langit seperti bintang, planet, komet, dan lainnya. Ambil contoh Bumi dengan Matahari, Bumi dan Matahari saling tarik-menarik akibat gaya gravitasi. Tetapi, mengapa Bumi dan Matahari tidak bertabrakan, melainkan saling mengelilingi satu sama lain?
Jawaban atas fenomena ini adalah, sejak awal partikel-partikel penyusun Bumi sudah memiliki momentum sudut relatif terhadap Matahari yang besarnya tidak sama dengan nol. Berdasarkan teori Nebula, tata surya awalnya merupakan himpunan gas dalam jumlah yang sangat besar dan berputar dengan kelajuan yang lambat. Lambat laun gas-gas tersebut mengumpul dan memadat membentuk planet dan matahari. Karena gaya gravitasi adalah gaya sentral, maka gaya gravitasi tidak akan mengubah besarnya momentum sudut pertikel-partikel gas ini. Sebagai akibatnya ketika planet sudah terbentuk, planet-planet tersebut tetap mempertahankan gerak rotasinya.
Gaya gravitasi memang sudah sejak lama diteliti, namun informasi tentang gravitasi itu sendiri masih sangat sedikit yang diketahui. Dulunya, gravitasi hanya diketahui sebagai gaya pengikat antarplanet, serta gaya yang menjaga benda-benda tetap berada di permukaan bumi. Namun, setelah Albert Einstein mengemukakan teori relativitas umum, banyak informasi baru mengenai gravitai yang terkuak.
Yang pertama, gravitasi adalah gelombang, yang tentu saja merambat dengan kelajuan tertentu, yaitu kelajuan cahaya. Karena itu, gravitasi tidak bekerja begitu saja pada benda. Sebagai contoh, misalnya matahari tiba-tiba dihilangkan dari posisinya saat ini, maka bumi tidak akan seketika itu juga bergerak lurus beraturan, melainkan tetap bergerak melingkar seakan-akan tidak terjadi apa-apa pada matahari untuk selang waktu tertentu. Setelah kira-kira 6 menit (waktu yang diperlukan gelombang gravitasi matahari untuk mencapai bumi), barulah bumi bergerak lurus beraturan.
Yang kedua, gravitasi memberikan percepatan pada benda yang besarnya tidak bergantung pada massa benda yang dipercepat. sebagai contoh, semua benda di permukaan bumi mengalami percepatan gravitasi yang sama, tidak peduli berapapun massa dari benda tersebut. Karena itu, gravitasi dapat memberikan percepatan tidak hanya pada partikel, melainkan juga pada gelombang elektromagnetik (salah satunya cahaya), bahkan terhadap ruang - waktu itu sendiri. Jika dalam fisika klasik dikatakan bahwa cahaya merambat lurus, maka hal itu tidak berlaku jika cahaya melalui medan gravitasi. Gravitasi dapat meyebabkan cahaya terbelokkan.
fenomena terbelokkannya cahaya ketika melalui medan gravitasi ini ternyata mempunyai peran penting bagi ilmu pengetahuan dan teknologi. sebagai contoh, dalam perancangan Global Positioning System (GPS), medan gavitasi bumi tidak boleh diabaikan karena kesalahan yang terjadi dapat mencapai orde beberapa kilometer.
selain itu yang tidak kalah penting, fenomena pembelokan cahaya ketika melalui medan gravitasi memegang peranan penting dalam usaha menguak misteri eksistensi Dark Matter. Dark Matter adalah partikel-partikel bermassa yang tidak berinteraksi dengan gelombang elektromagnetik, sehingga tidak diamati. Namun, karena Dark Matter memiliki massa, maka keberadaannya dapat dideteksi melalui pembelokan cahaya yang diakibatkan olehnya.
Walaupun ada banyak macam gaya yang dibahas di fisika (beberapa diantaranya telah disebutkan di atas), namun sebenarnya hanya ada 4 macam gaya fundamental (yang ditemukan sampai saat ini). Berikut ini akan dibahas satu-persatu mengenai keempat gaya fundamental ini.
1. Gaya Gravitasi
Gaya gravitasi merupakan gaya yang muncul akibat adanya suatu massa riil. Memiliki massa riil di sini maksudnya memiliki massa diam yang lebih besar dari nol. Gaya gravitasi merupakan gaya yang paling lemah bila dibandingkan dengan ketiga gaya fundamental lainnya. Walau begitu, efek dari gaya gravitasi bisa dirasakan hingga jarak yang sangat jauh dari sumber gravitasi. Penelitian mengenai gravitasi sudah dilakukan sejak beberapa abad sebelum masehi di Yunani, dengan tokoh-tokohnya Aristoteles dan Vitruvius, walaupun masih berupa observasi belaka.
Suatu hasil eksperimen yang mengejutkan dilakukan oleh Galileo Galilei di akhir abad ke-16. Galileo melakukan percobaan menjatuhkan dua buah bola yang berbeda massanya dari puncak menara Pisa dan didapati kedua bola mencapai tanah pada waktu yang bersamaan. Hasil percobaan ini menunjukkan kalau percepatan gravitasi tidak dipengaruhi oleh massa benda dan sekaligus mematahkan keyakinan Aristoteles bahwa benda yang lebih berat akan jatuh lebih cepat dibandingkan dengan benda yang lebih ringan.
Seabad kemudian, seorang fisikawan yang juga merangkap sebagai matematikawan dan astronomer dari Inggris, Sir Isaac Newton, berhasil merampungkan suatu hukum mengenai gravitasi yang disebut "Hukum Gravitasi Universal Newton", yang dituangkan ke dalam sebuah buku yang berjudul Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica. Hukum ini sukses menjelaskan hukum ke-2 dan ke-3 Kepler mengenai gerak planet juga mengenai lintasan elips dari orbit planet-planet yang bergerak mengelilingi matahari.
Hukum gravitasi universal Newton menjelaskan bahwa setiap benda yang memiliki massa riil akan menghasilkan medan vektor gravitasi yang arahnya menuju ke pusat benda dan bersifat konservatif. Besarnya medan gravitasi yang diakibatkan suatu benda di suatu titik sebanding dengan massa benda yang menghasilkan medan gravitasi tersebut, namun berbanding terbalik dengan kuadrat besar vektor posisi titik tersebut dengan pusat benda penghasil medan gravitasi tadi. Artinya, semakin besar massa suatu benda maka semakin besar medan gravitasi yang dihasilkan, demikian juga semakin jauh posisi titik dari pusat benda maka semakin kecil medan gravitasi yang dirasakan. Gaya gravitasi menyebabkan setiap benda yang bermassa akan tarik-menarik satu sama lain, tidak terkecuali objek-objek langit seperti bintang, planet, komet, dan lainnya. Ambil contoh Bumi dengan Matahari, Bumi dan Matahari saling tarik-menarik akibat gaya gravitasi. Tetapi, mengapa Bumi dan Matahari tidak bertabrakan, melainkan saling mengelilingi satu sama lain?
Jawaban atas fenomena ini adalah, sejak awal partikel-partikel penyusun Bumi sudah memiliki momentum sudut relatif terhadap Matahari yang besarnya tidak sama dengan nol. Berdasarkan teori Nebula, tata surya awalnya merupakan himpunan gas dalam jumlah yang sangat besar dan berputar dengan kelajuan yang lambat. Lambat laun gas-gas tersebut mengumpul dan memadat membentuk planet dan matahari. Karena gaya gravitasi adalah gaya sentral, maka gaya gravitasi tidak akan mengubah besarnya momentum sudut pertikel-partikel gas ini. Sebagai akibatnya ketika planet sudah terbentuk, planet-planet tersebut tetap mempertahankan gerak rotasinya.
Gaya gravitasi memang sudah sejak lama diteliti, namun informasi tentang gravitasi itu sendiri masih sangat sedikit yang diketahui. Dulunya, gravitasi hanya diketahui sebagai gaya pengikat antarplanet, serta gaya yang menjaga benda-benda tetap berada di permukaan bumi. Namun, setelah Albert Einstein mengemukakan teori relativitas umum, banyak informasi baru mengenai gravitai yang terkuak.
Yang pertama, gravitasi adalah gelombang, yang tentu saja merambat dengan kelajuan tertentu, yaitu kelajuan cahaya. Karena itu, gravitasi tidak bekerja begitu saja pada benda. Sebagai contoh, misalnya matahari tiba-tiba dihilangkan dari posisinya saat ini, maka bumi tidak akan seketika itu juga bergerak lurus beraturan, melainkan tetap bergerak melingkar seakan-akan tidak terjadi apa-apa pada matahari untuk selang waktu tertentu. Setelah kira-kira 6 menit (waktu yang diperlukan gelombang gravitasi matahari untuk mencapai bumi), barulah bumi bergerak lurus beraturan.
Yang kedua, gravitasi memberikan percepatan pada benda yang besarnya tidak bergantung pada massa benda yang dipercepat. sebagai contoh, semua benda di permukaan bumi mengalami percepatan gravitasi yang sama, tidak peduli berapapun massa dari benda tersebut. Karena itu, gravitasi dapat memberikan percepatan tidak hanya pada partikel, melainkan juga pada gelombang elektromagnetik (salah satunya cahaya), bahkan terhadap ruang - waktu itu sendiri. Jika dalam fisika klasik dikatakan bahwa cahaya merambat lurus, maka hal itu tidak berlaku jika cahaya melalui medan gravitasi. Gravitasi dapat meyebabkan cahaya terbelokkan.
fenomena terbelokkannya cahaya ketika melalui medan gravitasi ini ternyata mempunyai peran penting bagi ilmu pengetahuan dan teknologi. sebagai contoh, dalam perancangan Global Positioning System (GPS), medan gavitasi bumi tidak boleh diabaikan karena kesalahan yang terjadi dapat mencapai orde beberapa kilometer.
selain itu yang tidak kalah penting, fenomena pembelokan cahaya ketika melalui medan gravitasi memegang peranan penting dalam usaha menguak misteri eksistensi Dark Matter. Dark Matter adalah partikel-partikel bermassa yang tidak berinteraksi dengan gelombang elektromagnetik, sehingga tidak diamati. Namun, karena Dark Matter memiliki massa, maka keberadaannya dapat dideteksi melalui pembelokan cahaya yang diakibatkan olehnya.
