Mengenal Fisika Komputasi

dengan menggunakan komputer, kita bisa menghitung suatu sistem fisis yang mendekati kenyataan – Dr. Rizal Kurniadi

Fisika bukan hanya melulu berurusan dengan rumus. Bukan hanya dengan perhitungan yang rumit dan terkadang membuat anak-anak SMA merasa kesulitan mempelajari Fisika. Fisika semestinya dipandang sebagai suatu ide tentang suatu kejadian fisis sehari-hari yang kita alami setiap hari, dan bukan ribetnya rumus dan perhitungannya.

Fisika memiliki suatu cabang keilmuan (bisa dikatakan demikian) yang memanfaatkan suatu tools yang dapat dimanfaatkan untuk membuat perhitungan menjadi lebih mudah dan cepat. Tools itu adalah komputer dan cabang dari Fisika itu adalah Fisika Komputasi.

Komputer dapat dipandang kini bukan hanya untuk mengolah data praktikum atau membuat dokumen ilmiah, namun bisa digunakan untuk menghitung suatu perhitungan yang rumit, yang sulit (bahkan mustahil) diselesaikan dengan tangan (secara analitik).

Komputer dapat melakukan perhitungan dengan lebih cepat dibandingkan manusia. Secepat-cepatnya manusia menghitung, komputer akan selalu lebih cepat. Dengan demikian, para fisikawan dapat lebih berkonsentrasi pada konsep dan ide yang lebih besar dan menyerahkan perhitungan kepada komputer.

Contoh konkrit : Projectile Motion (Gerak Parabola) -
Model 1 : dengan Kinematika SMU

Salah satu contoh bagaimana Fisika Komputasi dapat memecahkan suatu permasalahan fisis yang mendekati kenyataan yang saya ambil di post adalah kasus gerak parabola. Contoh ini dimuat di blog post Wolfram oleh Jon McLonne (dengan beberapa perubahan pada konstanta gravitasi agar lebih mirip seperti diajarkan di sekolah).

Kasusnya adalah sebagai berikut

Senjata perang dunia kedua yang bernama Gustav Gun ditembakan dengan kecepatan awal 820 m/s dengan sudut sebesar 45 derajat terhadap bidang horizontal. Berapa jarak yang ditempuh oleh peluru senjata tersebut ?

Soal di atas merupakan soal yang amat sangat biasa yang dikerjakan oleh siswa SMA pada bab kinematika, yakni gerak parabola. Cara pengerjaannya sangat mudah, dapat dilihat di bawah ini

Pengerjaan dengan cara kinematika SMU

Terlihat pada pengerjaan di atas, kita memperoleh hasil sebesar 67,236.8 m. Lintasan dari hasil di atas dapat dilihat di bawah ini (dengan sumbu-x adalah sumbu horizontal dan sumbu y adalah sumbu vertikal):

lintasan peluru dengan kinematika SMU

Data Gustav Gun

Model di atas tidaklah menggambarkan suatu keadaan fisis yang nyata. Apabila kita lihat data Gustav Gun yang sebenarnya (dapat dilihat pada link wikipedia) bahwa jarak maksimum (maksimum range) dari senjata ini adalah 38,000 – 38,000 m. Artinya meleset hampir 29 Km dari hasil dengan kinematika SMU di atas.

data Gustav Gun, terlihat maksimum range dari senjata ini adalah sekitar 38,000 - 48,000 m

Maka, model dan perhitungan yang dikerjakan dengan kinematika SMU sangatlah oversimply(penyederhanaan yang terlalu sederhana) dan sangat tidak masuk akal.

Lalu, bagaimana kita meningkatkan model ini?

Model II : Efek gesekan udara 

Kita dapat membuat model di atas mendekati kenyataan dengan menambahkan efek/pengaruh darigesekan udara yang diformulasikan :

dimana rho adalah rapat massa udara, v kecepatan objek (dalam hal ini peluru) relatif terhadap udara, cd adalah koefisien gesek dan A adalah luas area objek yang terkena udara.

Apabila kita masukan gaya ini ke dalam persamaan differensial orde dua Newton lalu dihitung dengan menggunakan komputer (dengan program Mathematica), maka jarak terjauh yang mampu ditempuh oleh peluru Gustav Gun adalah sekitar 37,000 m.

Berikut lintasan dari model ini dibandingkan dengan model sebelumnya:

Perbandingan lintasan dengan hambatan udara dan kinematika biasa

Model ini sudah lumayan mendekati kenyataan, bukan ?

Model III : Efek ketinggian

Model di atas, masih mengenyampingkan efek dari perubahan rapat massa udara yang berubah terhadap ketinggian (pada model di atas, rapat massa udara dianggap bernilai konstan). Di mana rapat massa udara akan turun secara signifikan seiring dengan bertambah tingginya peluru tersebut.

Perhitungan efek ini melibatkan perhitungan yang sangat sulit apabila diselesaikan secara analitik, kembali kita gunakan komputer untuk menghitung.

Setelah dihitung (perhitungan detail dapat dilihat pada sumber), diperoleh hasil 48,000 Km. Sesuai dengan data Gustav Gun yang sebenarnya.

Gambar di bawah ini memperlihatkan perbedaan tiga buah model lintasan peluru:

Perbandingan tiga model : model kinematika biasa, model gesekan udara dan model gesekan udara disertai perubahan rapat massa udara

Sangat jauh berbeda, bukan? Perbedaanya hingga skala ribuan meter, dan tentunya lebih mendekati kenyataan.

Model IV : Efek angin bertiup dengan kecepatan 5 m/s

Model di atas masih bisa kita buat semakin mendekati kenyataan dengan menambahkan efek angin yang bertiup, misalkan sebesar 5 m/s (model nomor II masih berupa gesekan dengan udara yang tidak bertiup). Apakah perbedaannya cukup jauh? Lihat saja di perbedaan titik jatuhnya peluru dengan model sebelumnya (yang sebetulnya sudah cukup baik)

Perbedaan titik jatuh akibat efek angin bertiup sebesar 5 m/s

Perbedaannya cukup jauh, bukan ? sebesar kira-kira 300m.

Masih adakah efek yang lain?

Sebetulnya model di atas masih kurang banyak aspek nyata. Misalnya efek kelembapan udara, suhu udara, efek variasi nilai grafitasi dan kita masih menghitung dalam 2 dimensi, bukan ?

Aspek-aspek ini masih harus dipikirkan dalam hal yang lebih konseptual. Hal-hal konseptual tersebut akan lebih mendapat perhatian lebih karena perhitungan yang rumit dapat dikerjakan oleh komputer.

Itulah kerennya Fisika Komputasi, kita bisa mengalokasikan waktu dan tenaga untuk memikirkan ide dari fisika itu sendiri, ketimbang beribet ria dengan perhitungan matematikanya.

Semoga tulisan ini dapat memberi inspirasi mereka yang takut pada perhitungan rumus fisika, bagi mereka yang hobi menggunakan komputer atau yang ingin mengetahui lebih banyak mengenai fisika.

Fisika bukan hanya sekedar menghitung, fisika lebih dari sekedar menghitung

http://chrisphdlife.wordpress.com/2012/01/28/mengenal-fisika-komputasi/