Gerak jatuh bebas adalah gerak jatuh tanpa adanya gesekan. Gaya yang bekerja pada benda yang jatuh hanyalah gaya gravitasi. Pada praktiknya, keadaan itu cuma terjadi bila benda jatuh dalam ruang hampa. Sementara di dekat permukaan Bumi tidaklah hampa, selalu ada udara. Karena itu gerak jatuh bebas sejatinya tidak benar-benar ada. Tapi memang dalam banyak kasus gaya gesek itu jauh lebih kecil dibandingkan dengan gaya gravitasi yang bekerja pada benda, sehingga gaya gesek bisa diabaikan, sehingga benda dianggap jatuh bebas saja.
Bagaimana bila gesekan dengan udara cukup besar sehingga tidak lagi bisa diabaikan? Dalam hal ini akan bekerja 2 gaya (ini pun sebenarnya penyederhanaan), yaitu gaya gravitasi ke bawah dan gaya gesek ke atas. Gaya gesek ditentukan oleh kerapatan udara dan luas penampang benda yang jatuh. Makin rapat udaranya, makin besar gaya gesek. Demikian pula, makin besar luas penampang benda, makin kuat pula gaya gesek benda dengan udara.
Apa yang terjadi saat benda jatuh sehingga ada gaya gesek? Udara terdiri dari partikel-partikel kecil, yaitu molekul-molekul gas penyusun udara, yaitu nitrogen, oksigen, hidrogen, karbon dioksida, dan sebagainya. Molekul-molekul itu bergerak bebas. Benda yang jatuh itu bertabrakan dengan molekul-molekul tadi. Kalau dihitung gaya yang dihasilkan dari tumbukan benda dengan molekul, tentu sangat kecil. Tapi jumlahnya sangat banyak sehingga gaya yang dihasilkan tumbukan pun tidak kecil.
Gaya tumbukan ditentukan oleh kecepatan benda yang bertumbukan. Makin cepat benda jatuh, makin besar gaya gesek yang dihasilkan. Ketika benda mulai jatuh, kecepatannya belum besar. Gaya gesek pun kecil saja. Sembari jatuh, benda mengalami percepatan. Karena kecepatannya bertambah, maka gaya gesek pun bertambah. Gaya gesek ini mengurangi kecepatan. Jadi, semakin cepat benda jatuh, makin besar perlambatan yang ditimbulkan oleh gaya gesek.
Apa akibatnya? Kalau luas penampang benda kecil, meskipun benda bergerak sangat cepat, gaya gesek akan kecil saja. Akibatnya, gaya (dan sekaligus percepatan) ke arah bawah tetap jauh lebih besar dibandingkan dengan gaya gesek (dan perlambatan) ke arah atas. Hasil akhirnya, benda tetap jatuh seakan tak ada gesekan dengan udara.
Tapi kalau luas penampang benda besar ceritanya akan lain. Gaya gesek akan terus meningkat seiring dengan kecepatan benda jatuh. Lalu suatu saat akan tercapai keseimbangan, yaitu gaya gesek menyamai gaya berat atau gaya tarik gravitasi. Akibatnya, tidak ada gaya resultan yang bekerja. Dalam keadaan ini berlakulah Hukum Newton I, yaitu benda akan bergerak lurus kalau tidak ada gaya resultan yang bekerja padanya. Akibatnya benda akan jatuh dengan kecepatan tetap, yaitu kecepatan saat keseimbangan tadi tercapai. Kecepatan tetap ini disebut terminal velocity.
Contoh nyata terminal velocity bisa kita saksikan pada orang yang terjun payung. Parasut penerjun punya luas penampang yang cukup besar untuk menghasilkan gaya gesek yang besar. Usai melompat dari pesawat parasut yang terkembang segera mengalami gaya gesek. Penerjun bergerak ke bawah, mengalami gerak dipercepat untuk beberapa saat, kemudian segera mencapai terminal velocity, jatuh dengan kecepatan tetap.
Gambaran di atas adalah kejadian dalam kasus terjun memakai parasut bulat yang merupakan standar militer. Dalam kasus terjun bebas (sky dive) ceritanya lain lagi. Penerjun mula-mula tidak mengembangkan parasut, hanya jatuh bebas. Di sini peran hambatan udara terlihat sangat jelas. Kalau hendak jatuh agak lambat, penerjun mendatarkan tubuh, membesarkan luas penampang tubuhnya. Kalau mau jatuh lebih cepat, ia menegakkan tubuhnya sehingga luas penampang menjadi lebih kecil. Ia akan meluncur jatuh lebih cepat.
Parasut sky dive berbeda dengan parasut bulat. Parasut ini bisa diatur sehingga luas penampang gesekan bisa diubah-ubah sesuai kebutuhan. Dengan cara itu penerjun bisa mengatur kecepatan jatuhnya. Ia bisa jatuh perlahan, bisa pula meluncur dengan cepat.
Gaya gesek udara, sekali lagi, tergantung pada kecepatan. Benda-benda berkecepatan sangat tinggi menghasilkan gaya gesek yang sangat besar. Demikian besar sehingga gesekan itu menghasilkan panas yang sangat tinggi. Benda-benda ruang angkasa yang jatuh, masuk ke atmosfer Bumi terbakar oleh gaya gesek yang ditimbulkan antara benda itu dengan udara dalam atmosfer Bumi. Banyak meteor yang musnah terbakar saat masuk ke atmosfer Bumi.
Pesawat ulang-alik terbang dengan kecepatan sangat tinggi. Gaya gesek udara dengan bagian luar tubuh pesawat juga sangat besar. Mirip dengan meteor tadi, gaya gesek itu membakar bagian luar pesawat. Karena itu bahan pesawat ulang alik itu dibuat sangat khusus agar mampu bertahan terhadap panas tinggi yang dihasilkan dari gesekan tadi.
BACA JUGA Gerak Jatuh Bebas dan esai sains Hasanudin Abdurakhman lainnya di kolom TEMAN SEKELAS.
