Concorde, Mungkinkah Ada Penggantinya?

Pernahkah teman-teman mendengar cerita tentang Concorde, pesawat yang mampu terbang dua kali lebih cepat dari kecepatan suara? Kini pesawat tersebut hanya dapat dinikmati keindahannya di museum. Pesawat yang terkenal pada era 70-an hingga 90-an ini berhenti beroperasi sejak 24 Oktober 2003. Berbagai faktor menjadi alasan mengapa pesawat ini tidak lagi beroperasi. Di antaranya adalah penggunaan bahan bakar yang sangat boros, suara bising dari mesin ketika terbang rendah, hingga suara keras yang dihasilkan ketika pesawat ini terbang melebihi kecepatan suara.

Pembahasan kali ini akan menitikberatkan pada suara keras yang ditimbulkan, atau lebih dikenal dengan istilah sonic boom. Sonic boom ialah suara yang dihasilkan berkenaan adanya gelombang kejut ketika sebuah benda bergerak melebihi kecepatan suara. Kita kupas dulu sedikit tentang apa itu gelombang yang merambat pada sebuah medium. Perhatikan ilustrasi gambar tetesan air. Tetesan air pada permukaan yang tenang akan menyebabkan gelombang yang merambat menjauhi pusat tetesan air tersebut.

Dengan analogi yang sama, kita juga dapat menimbulkan gelombang di udara yang ada di sekitar kita. Sebagai contoh, dengan melakukan gaya dorong ke udara secara cepat, akan terbentuk suatu lapisan dengan partikel-partikel gas yang sedikit termampatkan. Lapisan ini akan merambat menjauhi sumber gangguan. Ketika lapisan ini merambat, ada perubahan besaran termodinamika seperti temperatur, tekanan, maupun massa jenis pada partikel gas yang dilewatinya. Besarnya kecepatan perambatan lapisan ini bergantung pada medium yang dilaluinya, yang dapat kita misalkan sebagai V_wave. Kita bisa memperluas kasus tersebut ketika gangguan yang dihasilkan merupakan gangguan periodik yang terbentuk dalam suatu waktu.

Apa hubungan antara penjelasan tentang gelombang dan suara? Pada dasarnya, suara merupakan gelombang longitudinal, yang arah getarannya searah dengan perambatan gangguan. Namun, karena keterbatasan telinga kita, tidak semua gelombang longitudinal dapat kita dengar. Ada beberapa hal yang menjadi penentu apakah telinga kita dapat mengartikan gelombang tersebut sebagai suara atau tidak. Di antaranya adalah amplitudo yang cukup untuk menggetarkan gendang telinga, serta frekuensi gelombang tersebut yang berada di dalam kisaran 20-20000 Hz.

Hal yang lebih menarik untuk diamati adalah ketika sumber gangguan ini juga turut bergerak, dengan kecepatan V_source. Fenomena ini dikenal sebagai efek Doppler. Dalam fenomena ini, frekuensi gelombang yang sampai kepada penerima akan berbeda dengan frekuensi yang sebenarnya dihasilkan oleh sumber.  Terdapat 3 kasus umum yang dapat diamati, yaitu ketika V_source < V_wave, V_source = V_wave, V_source > V_wave. Ketiga kasus tersebut diilustrasikan pada gambar (dalam gambar diilustrasikan dalam besaran M, dengan M = V_source/V_wave).

Dalam hal ini, kita menganggap bahwa sumber gangguan merupakan benda titik sehingga intensitas gangguan yang dihasilkan pun cukup kecil. Kasus ekstrem terjadi ketika  V_source = V_wave, yakni muka gelombang akan berkumpul di satu titik sehingga terbentuklah gelombang dengan intensitas sangat tinggi dan bisa dikatakan frekuensinya tak hingga. Inilah yang dikenal dengan gelombang kejut.

Secara umum, gelombang kejut dapat diartikan sebagai suatu lapisan tipis tempat adanya perbedaan besaran termodinamika yang cukup signifikan pada kedua sisi yang mengapit gelombang kejut tersebut.  Ketika V_source > V_wave, gelombang atau gangguan yang dihasilkan oleh sumber akan tertinggal di belakang sumber. Hal ini menyebabkan informasi tentang datangnya sumber tersebut tidak akan diketahui oleh objek di depannya, sampai sumber tersebut benar-benar melewati objek tersebut.

Lebih jauh lagi, muka gelombang yang terbentuk akan berkumpul pada suatu daerah yang disebut Mach front, dengan intensitas gelombang yang cukup besar. Ketika sumber gangguan datang dari benda yang cukup besar, intensitas awal gangguan pun akan menjadi cukup besar, sehingga kumpulan gelombang-gelombang tersebut dapat membentuk gelombang kejut pada kasus V_source > V_wave. Inilah yang terjadi pada Concorde dan berbagai pesawat supersonik lainnya.

Lantas, apakah gelombang kejut ini dapat diinterpretasikan sebagai suara oleh telinga kita? Bukankah gelombang kejut ini merupakan satu pulsa gelombang saja, sehingga ia tidak memiliki frekuensi? Pertanyaan ini dapat dijelaskan dengan menggunakan transformasi Fourier. Melalui transformasi ini, satu impuls sinyal dapat diuraikan menjadi kumpulan gelombang dengan berbagai frekuensi beserta amplitudonya sehingga gelombang tersebut saling menghilangkan di semua titik, kecuali pada posisi impuls tersebut. Itulah mengapa gelombang kejut dapat terdengar oleh telinga kita.

Selain dapat ditimbulkan oleh objek yang melaju melebihi kecepatan suara, gelombang kejut juga dapat dihasilkan melalui cara lain. Contohnya, ledakan tabung gas atau ketika balon meletus. Mulanya, udara di dalam balon memiliki tekanan yang lebih tinggi dibandingkan udara sekitarnya. Ketika suatu saat balon tersebut meletus, udara bertekanan tinggi di dalamnya akan bertemu dengan udara bertekanan rendah di sekitarnya. Karena perbedaan tekanan yang cukup signifikan ini, gelombang kejut dapat terjadi. Istilah “kejut” cukup masuk akal, bukan? Udara di sekitar balon terkejut akan hadirnya udara bertekanan tinggi yang datang secara tiba-tiba. Dari penjelasan ini, apakah teman-teman memiliki bayangan bagaimana bunyi concorde ketika melewati kita? Teman-teman dapat dengan mudah menemukannya di Youtube.

Apakah kita bisa melihat pesawat supersonik komersial seperti Concorde kembali mengudara? Jawabannya adalah sangat mungkin, tetapi tidak dalam waktu dekat. Berbagai usaha dilakukan untuk meminimalkan sonic boom, salah satunya dengan menggunakan konsep biplane (dua lapis sayap). Namun, hingga saat ini konfigurasi idealnya masih dalam tahap penelitian dikarenakan performa yang sangat buruk ketika terbang di bawah kecepatan suara.

Beberapa perusahaan juga sedang berlomba-lomba untuk segera kembali menerbangkan pesawat supersonik komersial, seperti Aerion dan Boom. Mari kita tunggu kelanjutan kisahnya. Semoga kita bisa menikmati rasanya terbang menggunakan pesawat supersonik, tentunya pesawat supersonik yang tidak berisik.

Bahan bacaan:

• https://en.m.wikipedia.org/wiki/Supersonic_aircraft
• https://en.m.wikipedia.org/wiki/Shock_wave
• https://en.m.wikipedia.org/wiki/Sonic_boom
• https://www.quora.com/Why-does-exploding-a-bomb-produce-sound

Penulis:

Muhammad Hilmi Al Fatih, Mahasiswa S-1 Jurusan Teknik Mesin, Tohoku University, Jepang.

Kontak: hilmialf(at)gmail(dot)com