Laboratorium Falak: Laboratorium Alternatif yang Murah dan Terpadu Agus Purwanto* Diterima 21 Juni 2011, direvisi 3 Juli 2011, diterbitkan 25 Juli 2011 Abstrak Sains sejak awal, ketika memisahkan diri dari filsafat yang merupakan ilmu pengetahuan rasional dan mendasarkan pada silogisme belaka, didefinisikan sebagai ilmu pengetahuan yang didasarkan pada eksperimen. Dengan demikian, pengajaran sains seharusnya dibarengi dengan aktivitas eksperimen subyek terkait. Sayangnya, laboratorium selalu identik dengan biaya tinggi sehingga secara umum pengajaran sains tidak didukung dengan aktivitas eksperimen di laboratorium, dan sains diberikan murni dalam bentuk konsep. Akibatnya, pengajaran sains selain tidak berhasil merangsang keingintahuan siswa pada fenomena alam juga gagal menanamkan sikap ilmiah. Laboratorium falak adalah laboratorium alam yang melibatkan Bumi dan dua benda langit yaitu Bulan dan Matahari serta menggunakan tongkat istiwak dan kalkulator yang terjangkau oleh semua sekolah termasuk sekolah yang selama ini kesulitan dana untuk pengadaan laboratorium. Beberapa hal yang dapat dilakukan oleh laboratorium falak adalah, pertama, penentuan arah timur-barat di muka Bumi yang berarti arah lintasan semu Matahari mengitari Bumi. Kedua, mengetahui dengan pasti pergeseran lintasan Matahari yang di Bumi ditandai dengan garis lintang Bumi. Ketiga, penentuan waktu posisi atau lintasan ekstrim utara dan selatan Matahari dan dengan demikian mengatahui jumlah hari dalam satu tahun secara astronomis. Keempat, menguji kebenaran hitungan waktu munculnya Bulan Purnama di atas ufuk timur dengan pengamatan. Kegiatan yang terakhir ini membuat laboratorium falak akan membedakannya dari semua laboratorium yang telah ada. Karena pengamatan kemunculan Bulan Purnama bersamaan dengan saat tenggelamnya Matahari di ufuk barat yakni ketika langit di barat maupun timur tampak berwarna yang memenuhi hati dengan rasa takjub maka timbul rasa ingin mengagungkan Sang Pencipta. Setelah beberapa lama menunggu dan kemudian Bulan muncul, hati dan bibir sang pengamat sulit untuk menahan ungkapan ketakjuban atas fenomena Bulan dan langit warna lembayung yang meliputinya. Laboratorium falak menghidupkan aspek spiritual dari pelakunya, bukan sekedar aspek rasional ilmiahnya. Kata Kunci : Laboratorium falak, terpadu, rasional-spiritual Pendahuluan Sains sebenarnya meliputi bidang sosial atau humaniora (sains social, social science) maupun bidang kealaman (sains alami, natural science). Tetapi berkembang persepsi khususnya di sekolah dasar sampai menengah bahwa sains hanya merujuk pada ilmu pengetahuan alam bukan ilmu pengetahuan sosial. Ilmu pengetahuan alam (IPA) telah diajarkan sejak tahun pertama sekolah dasar. Sesuai dengan namanya, IPA banyak memberi informasi dan pengetahuan tentang berbagai obyek dan fenomena alam kepada peserta didik. Tetapi sayangnya, hampir semua materi IPA disampaikan melalui pengajaran teoritis tanpa pengamatan langsung baik di alam maupun di laboratorium. Materi IPA yang sebenarnya sangat menarik menjadi sekumpulan informasi dan konsep yang harus dihafalkan. Akibatnya, alih-alih tumbuh rasa ingin tahu (curiosity) dan sikap ilmiah yang terjadi justru sebaliknya siswa mengalami kebosanan dan terbebani. Belajar yang seharusnya dibuat menyenangkan tetapi menjadi beban dan keterpaksaan. Penyebab utama keadaan tersebut adalah sekolah umumnya tidak mempunyai laboratorium memadai. Alasan umum dan klasik atas kondisi ini adalah keterbatasan dan minimnya anggaran bagi ketersediaan laboratorium dengan berbagai piranti dan fasilitas pendukungnya. Dengan demikian, laboratorium atau eksperimen alternatif yang murah dan terjangkau oleh semua sekolah tanpa kecuali tetapi tetap dapat menumbuhkan rasa ingin tahu dan sikap ilmiah menjadi keniscayaan. Artikel ini mengusulkan dan menguraikan laboratorium falak sebagai laboratorium alternatif tersebut. Laboratorium falak bukan sekedar murah dan mampu menumbuhkan sikap ilmiah tetapi juga membangkitkan spiritualitas yang tidak dimiliki oleh laboratorium yang telah ada. Artikel ini disusun sebagai berikut. Bagian kedua (ilmu falak) meninjau ulang ilmu falak secara singkat. Bagian ketiga (laboratorium falak) membahas peralatan dan eksperimen laboratorium falak, dan bagian keempat berisikan diskusi dan kesimpulan. ISBN xxx-x-xxxx-xxxx-x 1 http://portal.fi.itb.ac.id/cps/
Ilmu falak Falak berasal dari bahasa Arab yang berarti orbit, garis atau tempat perjalanan bintang. Ilmu falak adalah astronomi [1] atau ilmu perbintangan [2]. Tetapi di dalam pemakaian praktis yang banyak digunakan di lembaga pendidikan Islam, pesantren dan IAIN, ilmu falak mempunyai pengertian yang lebih sempit yakni ilmu yang spesifik membahas posisi dan orbit Bulan serta Matahari dengan gerak semunya untuk penentuan peribadatan seperti arah kiblat, awal waku shalat dan awal bulan qamariyah, kadang-kadang juga penentuan waktu gerhana baik gerhana Bulan maupun gerhana Matahari. Saat ini, konsep heliosentris telah diterima secara luas. Matahari sebagai pusat sistem tata surya dengan planet-planet bergerak mengitarinya dalam lintasan berbentuk elips. Planet Bumi mempunyai satelit yang disebut Bulan yang bergerak mengelilingi Bumi dan bersama Bumi mengelilingi Matahari. Tetapi karena manusia sebagai subyek bertempat tinggal di Bumi maka dalam penggambaran gerak dan penerapan hitungan digunakan Bumi sebagai acuan dan titik pusat bola langit. Bumi meskipun berbentuk sedikit pipih di kedua kutubnya tetapi dalam pemakaian praktis Bumi dapat dianggap berbentuk bundar penuh dengan radius rata-rata 6371 km [3]. Pada permukaan Bumi dibuat garis-garis imajiner setengah lingkaran yang menghubungkan kutub utara dan kutub selatan yang disebut garis bujur atau bujur saja. Pada garis bujur ini dibuat garisgaris tegak lurus yang membentuk lingkaranlingkaran sejajar dan disebut garis lintang atau lintang saja. Posisi di permukaan Bumi dinyatakan oleh dua koordinat yaitu bujur (longitude) dan lintang (latitude) dengan acuan bujur yang melewati kota Greenwich Inggris, dan ekuator. Tepatnya, bujur atau meridian Greenwich sebagai acuan bujur nol, garis ekuator merupakan acuan lintang nol. Secara praksis garis bujur merupakan garis arah utara-selatan, sedangkan lintang merupakan garis arah timur-barat pada suatu tempat di permukaan Bumi seperti Gambar 1. Sumbu kutub utara-selatan merupakan sumbu gerak rotasi Bumi. Akibat rotasi ini terjadi gerak semu harian Matahari mengelilingi Bumi dan terjadinya peristiwa siang dan malam. Di dalam ilmu falak, posisi harian Matahari ditentukan untuk mendapatkan pengetahuan bagi awal waktu lima shalat wajib. Di dalam menjelaskan gerak benda langit diperkenalkan bola langit dengan Bumi sebagai titik pusatnya. Posisi di bola langit merupakan perluasan dari posisi di Bumi. Sebagai contoh lingkaran ekuator Bumi dibentangkan dari pusat Bumi sampai langit dan menjadi ekuator langit. Artinya, pada tanggal ketika Matahari di ekuator langit maka pada sekitar jam 12.00 siang orang di ekuator tidak mempunyai bayangan karena bayangannya berimpit dengan dirinya. lintang Gambar 1. Bumi: bujur dan lintang. Selain berotasi, Bumi juga bergerak mengitari Matahari dengan lintasan berupa elips yang membentuk bidang ekliptika. Posisi relatif sumbu rotasi terhadap bidang ekliptika diberikan oleh Gambar 2 [4]. Pada bulan Desember Bumi berada di atas Matahari. Bumi sambil berotasi terus berevolusi sampai berada sejajar Matahari pada bulan Maret dan di bawah Matahari pada bulan Juni dan kembali sejajar pada bulan September, kemudian kembali di atas pada bulan Desember. 21 Jun 21 Mar A S ekuator U ekuator bidang ekliptika 23,5 21 Sep bujur 21 Des Gambar 2. Posisi relatif Matahari-Bumi dalam poros Bumi vertikal. Revolusi Bumi mengelilingi Matahari ini memberi gerak semu tahunan Matahari mengitari Bumi posisi Matahari yang berubah dari selatan ke utara dan ke selatan lagi secara terus menerus. Posisi Matahari setiap hari dalam satu tahun selalu berubah seperti Gambar 3 [3]. Matahari berada di sekitar 23,5 lintang selatan pada sekitar tanggal 21 Desember dan sekitar 23,5 lintang utara pada sekitar tanggal 21 Juni. Artinya, posisi Matahari sedemikian rupa sehingga orang yang berada di 23,5 LU pada sekitar tanggal 21 Juni pada jam 12 siang waktu ISBN xxx-x-xxxx-xxxx-x 2 http://portal.fi.itb.ac.id/cps/
setempat tidak akan mempunyai bayangan karena berimpit dengan dirinya. 23,5 LU ekuator 21 Mar 23,5 LS Gambar 3. Pola posisi Matahari dalam satu tahun. Materi utama ilmu falak adalah penentuan awal bulan qamariyah. Subyek ini melibatkan dua benda langit Matahari dan Bulan di dalam pembahasannya. Hal pertama yang harus ditentukan adalah waktu konjungsi inferior yaitu posisi ketika Bumi, Bulan dan Matahari berada dalam satu garis bujur astronomis, Gambar 4 sebagaimana dalam [3, 5]. Dalam keadaan ini semua bagian Bulan yang mendapat sinar Matahari membelakangi Bumi. Waktu konjungsi ini kemudian dibandingkan terhadap waktu Matahari tenggelam (maghrib) di horison barat mengingat pergantian hari dan tanggal di dalam sistem kalender Islam terjadi ketika maghrib. Hari dan tanggal menurut kalender masehi terjadi pada jam 24.00. Bumi 21 Jun Bulan 21 Sep konjungsi 29 1/2 hari Matahari 360 o 27 1/3 hari 21 Des 21 Mar Gambar 4. Posisi 2 Konjungsi Inferior. Konjungsi lainnya disebut konjungsi superior yaitu ketika Bulan, Bumi dan Matahari berada dalam keadaan satu garis bujur astronomis. Dalam keadaan ini semua permukaan Bulan yang terkena sinar Matahari menghadap Bumi sehingga Bulan tampak sebagai lingkaran penuh dan dikenal sebagai Bulan purnama. Terdapat tiga malam dengan Bulan purnama yang disebut ayyamu al-bidh (hari-hari putih) dan siang harinya umat Islam dianjurkan berpuasa sunnah tiga hari yaitu tanggal 13, 14 dan 15. Berdasarkan analisis purnama dan pengamatan satu tahun penulis pernah mengusulkan purnama menjadi parameter baru dalam penentuan awal bulan qamariyah [6]. Laboratorium falak Seperti disinggung di depan, terdapat tiga materi utama dalam ilmu falak praktis yaitu arah kiblat, awal waktu shalat wajib, dan awal bulan qamariyah. Dari langkah antara penentuan arah kiblat dan awal bulan di lapangan materi dapat dikembangkan secara mandiri sebagai bagian dari eksperimen materi ajar IPA. Timur-Barat Materi ilmu falak paling sederhana adalah penentuan arah kiblat. Arah kiblat suatu tempat dapat dihitung dengan menggunakan persamaan segitiga bola jika koordinat lokasi Ka bah dan tempat yang akan ditentukan. Sudut arah ini menggunakan acuan arah utara-selatan. Di dalam prakteknya, arah yang dapat ditentukan adalah timur-barat suatu tempat. Dalam menentukan arah-timur barat digunakan peralatan yang disebut tongkat istiwak yaitu batang yang tegak lurus permukaan datar. Tongkat runcing diletakkan berdiri di tengah piringan logam yang dilengkapi dengan tiga sekrup tembus untuk mengatur kedataran piringan. Tiga waterpass berfungsi untuk mengatahui kedataran permukaan dan diambil jika kedataran piringan telah didapatkan. Lengkapi dengan dua tusukan nota, bon atau kwitansi yang mirip seperti tongkat istiwak, dan hubungkan kedua batang logam dengan benang sekitar satu meter. Alat yang terakhir ini dapat diperoleh di toko-toko buku. (a) sekrup tongkat waterpass alas Gambar 5. Tongkat Istiwak (a) dari atas, lengkap; (b) dari samping tanpa waterpass. Eksperimen pertama adalah eksperimen penentuan arah timur-barat yang sejati. Pada alas tongkat istiwak ditempel kertas putih yang berfungsi untuk alas bayangan. Eksperimen dilakukan dengan mengamati ujung bayangan dan menandainya dengan titik kecil menggunakan ujung spidol. Lakukan hal yang sama 10 atau 15 menit kemudian, mengamati dan menandai ujung bayangan dengan titik kecil. Ulangi hal yang sama sampai diperoleh sedikitnya empat titik. Selanjutnya dua batang tusuk nota diatur sedemikian rupa sehingga benang yang diikatkan pada keduanya (b) ISBN xxx-x-xxxx-xxxx-x 3 http://portal.fi.itb.ac.id/cps/
bersentuhan dengan keempat titik dari ujung bayangan seperti Gambar 6 [7] B Gambar 6 Garis Arah Timur-Barat. Benang yang menghubungkan keempat titik tersebut merupakan arah timur-barat sejati. Sebagai catatan, percobaan dapat dilakukan sebelum atau setelah tengah hari. Bila pengamatan dilakukan sebelum tengah hari maka pada siang sampai sore hari para siswa dapat diminta untuk mengecek bahwa bayangan ujung tongkat akan selalu berada di benang atau garis timur-barat. Pergeseran Garis Timur-Barat Penentuan arah timur-barat ini dapat dilakukan pada hari yang berbeda dengan prosedur atau langkah yang sama. Hasilnya adalah garis yang berbeda tetapi garis ini akan sejajar dengan garis yang telah diperoleh sebelumnya [7]. Hari percobaan sebaiknya dilakukan tidak terlalu berdekatan dari hari sebelumnya agar jarak garis juga tidak terlalu dekat. bayangan batang Gambar 7 Garis Timur-Barat pada Hari Berbeda (Tampak Dari Atas). Percobaan ini dapat dilakukan pada sembarang hari dan sembarang waktu tanpa bergantung pada waktu percobaan sebelumnya. T 3 1 2 Waktu Posisi Ekstrim Matahari Percobaan yang sama tetapi dilakukan pada tanggal-tanggal tertentu selama sepekan atau sedikitnya lima hari berturut-turut. Percobaan pertama dilakukan dari tanggal 19 Juni s.d 25 Juni, kedua dari 19 Desember s.d 25 Desember. Jika tidak ada hujan atau mendung maka akan diperoleh garis sebanyak hari percobaan, setiap garis ditandai dengan tanggal pengamatan. Kemunculan Bulan Purnama Materi ketiga ilmu falak praktis adalah penentuan awal bulan qamariyah. Kita gunakan sistem ephemeris dengan data di Winhisab [8] yang secara standar digunakan oleh para ahli falak di lingkungan Kemenag. Pengamatan dilakukan sekitar waktu maghrib berdasarkan hitungan yang telah dilakukan sebelumnya. Pertama, mengamati ketinggian Bulan ketika maghrib. Kedua, mengamati kemunculan pertama Bulan di horison beberapa menit setelah maghrib. Diskusi dan simpulan Dalam pengertian seperti diberikan di Bagian kedua, ilmu falak dapat dikatakan sebagai bagian sangat terbatas dari astronomi. Pertimbangan ini pula yang mendasari pemilihan istilah laboratorium falak bukan laboratorium astronomi. Eksperimen atau percobaan yang dilakukan juga sangat spesifik, bukan masalah perbintangan secara umum sebagaimana dilakukan di observatorium bintang. Percobaan dan pengamatan hanya dilakukan terhadap efek dari pola gerak Matahari dan posisi Bulan. Percobaan pertama menentukan arah timurbarat sejati. Hasil percobaan ini menyatakan bahwa dalam rentang waktu yang relatif pendek, satu jam atau satu hari, diperoleh bahwa lintasan semu Matahari bergerak mengelilingi Bumi berupa garis lurus yang menunjuk pada garis timur-barat. Arah garis ini di Bumi membentuk lingkaran yang direpresentasikan oleh garis lintang dan merupakan akibat gerak rotasi Bumi pada porosnya. Percobaan kedua menguatkan arah timurbarat dari percobaan pertama tetapi dengan melibatkan adanya pergeseran seperti Gambar 3. Hasil dengan garis-garis sejajar memperlihatkan bahwa Matahari melakukan gerak semu dengan lintasan timur-barat tetapi sedikit bergeser ke utara atau ke selatan pada hari yang berbeda. Hasil ini memperlihatkan penggambaran Bumi dalam garis-garis lintang seperti Gambar 1. Percobaan ketiga sama dengan percobaan kedua hanya berbeda dari sisi waktu. Percobaan kedua tidak terikat waktu, sedangkan percobaan kedua dilakukan pada waktu tertentu di bulan ISBN xxx-x-xxxx-xxxx-x 4 http://portal.fi.itb.ac.id/cps/
Juni dan Desember. Percobaan sebaiknya dilakukan tiga kali, Juni-Desember-Juni atau Desember-Juni-Desember. Satu dari tujuh atau lima garis timur-barat dicatat tanggal dari garis terluar. Hasil-hasil percobaan ini memperlihatkan dua hal yaitu Matahari bergerak semu secara periodic, bolak balik dan mempunyai perioda 365 hari yang kemudian dijadikan satuan satu tahun. Pada percobaan atau pengamatan terakhir ditunjukkan sebaiknya dilakukan dua hari berturut-turut. Hari pertama dipilih ketika bulan masih di atas horizon ketika maghrib, sedangkan hari kedua bulan di bawah ufuk. Percobaan ini memperlihatkan kesesuaian prediksi teori dengan fenomena sesungguhnya. Unsur menarik dan penting dari semua percobaan di depan adalah fenomena terkait dengan obyek besar dan jauh yang tidak dapat dirancang atau disetting. Kita tidak dapat menyentuhnya apalagi merancang sebagaimana eksperimen di dalam ruang laboratorium. Kita hanya berupaya memahami sifat dan pola fenomena serta membuat model atau teorinya. Pola gerak Matahari dapat dikenali tanpa harus menyentuh atau memperhatikannya secara langsung melainkan mengamati bayangan oleh cahayanya. Lintasan Matahari dalam rentang waktu pendek akan tampak lurus menunjuk arah timur-barat, tetapi dalam rentang waktu yang lebih panjang Matahari bergeser ke utara-selatan. Lebih jauh, Matahari juga bergerak semu periodik dan periodanya adalah satu tahun. Artinya, satuan waktu tahun diambilkan dari gerak semu periodik Matahari. Percobaan ini membumikan abstraksi gerak Matahari yang sebelumnya hanya ada di imajinasi. Pengamatan kemunculan Bulan bertujuan untuk memperlihatkan kesesuaian antara konsep teoritis dan fenomena empiris. Kesesuaian yang diperlihatkan bukan bersifat kualitatif belaka melainkan kuantitatif yakni ketinggian serta waktu kemunculan Bulan di horison timur. Pengamatan ini sebaiknya dilakukan di pinggir pantai atau di ketinggian bukit atau gunung yang memungkinkan memandang horison timur. Hari pertama mengamati ketinggian Bulan ketika maghrib, yang juga berarti pengamatan kemunculan Bulan di horison beberapa menit sebelum maghrib. Karena pengamatan dilakukan sebelum dan sampai Matahari belum tenggelam langit masih relatif cerah. Hari kedua adalah pengamatan kemunculan Bulan di horison beberapa menit setelah maghrib. Karena Matahari telah tenggelam penampakan langit di kaki langit akan membuat jiwa kita larut dalam suasana khidmat. Dalam suasana seperti ini kemunculan Bulan selain menuntun pada ketakjuban kesesuaian prediksi teori dan pengamatan juga akan memicu jiwa untuk secara spontan dan alamiah mengakui kebesaran Sang Pencipta yang mengendalikan semua fenomena di alam semesta termasuk kemunculan Bulan purnama. Dari uraian di depan juga diketahui bahwa peralatan yang diperlukan, untuk 3 pengamatan pertama hanya terdiri dari tongkat istiwak, dua tusuk tempat nota, benang dan spidol. Pengamatan keempat tidak memerlukan apapun, kecuali software winhisab dan PC yang umumnya telah dimiliki oleh sekolah khususnya bagian administrasi. Karena itu, percobaan atau pengamatan tersebut dapat dilakukan oleh semua sekolah. Pengamatan dan analisis dapat dikembangkan jika pengamatan posisi Bulan dilengkapi dengan kamera digital atau kamera video. Jika dilengkapi dengan kamera digital gambar Bulan dapat dicetak dan hasilnya dianalisis lebih kuantitatif, misalnya diameter Bulan dan ketinggian Bulan dari horison. Analisis ini juga akan memicu siswa untuk mengukur dan membandingkan diameter Matahari dengan diameter Bulan, dan seterusnya Referensi [1] Munawwir, A.W., Kamus al-munawwir Arab-Indonesia Terlengkap, Pustaka Progresif, Surabaya, 1997. [2] Askar, S. Kamus Arab-Indonesia al-azhar, Senayan Publishing, Jakarta, 2002. [3] Roy, A.E., dan Clarke, D., Astronomy, Principle and Practice, Adam Hilger, Bristol, 1977. [4] Karttunen, H, dkk., Fundamental Astronomy, Springer-Verlag, Berlin, 1996. [5] Purwanto, A. Ayat-Ayat Semesta, Sisi-sisi al-quran yang Terlupakan, Mizan, Bandung 2008. [6] Purwanto, A., Purnama: Parameter Baru Penentuan Awal Bulam Qamariyah, Prosiding Seminar Nasional Hilal 2009, Lembang, 2009. [7] Purwanto, A. Nalar Ayat-Ayat Semesta, Mizan, Bandung (dalam proses) [8] Badan Hisab Rukyat Departemen Agama Republik Indonesia, Winhisab Versi 2.0, Jakarta, 1996. Agus Purwanto* Laboratorium Fisika Teori dan Filsafat Alam Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Teknologi Sepuluh Nopember Jl. Arif rahman Hakim 101, Surabaya, 60111 purwanto@physics.its.ac.id ISBN xxx-x-xxxx-xxxx-x 5 http://portal.fi.itb.ac.id/cps/
Sekolah Menengah Atas - Sekolah Alam Insan Mulia Surabaya (SAIMS) Jl Medokan Semampir Indah 99-101 Surabaya, 60199 purwanto_phys@yahoo.com *Corresponding author ISBN xxx-x-xxxx-xxxx-x 6 http://portal.fi.itb.ac.id/cps/