BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Masalah Fenomena konveksi dapat dijumpai dalam banyak hal, seperti perubahan cuaca akibat konveksi gas pada atmosfer planet, dan peristiwa konveksi lapisan fluida inti bumi yang menyebabkan adanya pergerakan lempeng tektonik. Tahun 1912, seorang ahli meteorologi dan fisika dari Jerman, Alfred Wegener, mengemukakan tentang konsep apungan benua. Konsep yang dikemukakannya yaitu bumi pada awalnya hanya terdiri dari satu benua yang disebut Pangea dan dikelilingi oleh lautan yang dinamakan Panthalassa. Kemudian Pangea ini pecah menjadi benua-benua yang kecil dan bergerak membentuk formasi seperti saat ini. Hal ini didukung oleh bukti kesamaan garis pantai, kesamaan fosil, dan kesamaan struktur dan batuan antar benua [Wegener, 2002]. Teori lempeng menerangkan proses dinamika pergerakan bumi tentang pembentukan jalur pegunungan, jalur gunung api, jalur gempa bumi, dan cekungan endapan di muka bumi yang diakibatkan oleh pergerakan lempeng. Menurut teori ini, permukaan bumi terpecah menjadi beberapa lempeng besar. Ukuran dan posisi dari tiap-tiap lempeng ini selalu berubah-ubah. Pertemuan antara lempeng-lempeng ini merupakan tempat-tempat yang memiliki kondisi tektonik yang aktif dan menyebabkan gempa bumi, gunung berapi, dan pembentukan dataran tinggi. Pendapat yang banyak diterima mengenai penyebab pergerakan lempeng tektonik saat ini adalah karena adanya arus konveksi yang bersumber dari inti bumi. Lapisan penyusun bumi dan planet lain pada umumnya dapat diasumsikan sebagai fluida karena tiap-tiap lapisan memiliki tingkat kerapatan dan temperatur yang berbeda-beda. Perbedaan temperatur antara inti bumi dan lapisan luarnya mengakibatkan adanya aliran konveksi termal. Sedangkan pada lapisan terluar bumi terdapat lempeng-lempeng benua yang relatif lebih padat dan dingin. Pernyataan inilah yang menguatkan pendapat mengenai pergerakan lempeng akibat arus konveksi yang bersumber dari inti bumi. Berdasarkan arah pergerakannya, perbatasan antara lempeng tektonik yang satu dengan yang lainnya dikenal adanya tipe divergen, konvergen, dan berpapasan. Batas divergen terjadi pada dua lempeng tektonik yang bergerak saling menjauh. 1
2 Ketika sebuah lempeng tektonik pecah, lapisan litosfer menipis dan terbelah membentuk batas divergen. Batas konvergen terjadi apabila dua lempeng tektonik menunjam ke arah kerak bumi yang mengakibatkan keduanya bergerak saling menumpu satu sama lain. Wilayah di mana suatu lempeng samudera terdorong ke bawah lempeng benua atau lempeng samudera lain disebut dengan zona penunjaman (subduction zones). Di zona tunjaman ini sering terjadi gempa [Schubert dkk, 2004]. Untuk menjelaskan pergerakan benua di atas permukaan planet, Whitehead [2011] mengajukan model konveksi termal dengan meletakkan sebuah rakit di atasnya. Tentu saja, model simulasi numerik tersebut tidak benar-benar mampu mendekati fenomena pergerakan benua seutuhnya. Model yang dibuat berupa simulasi sederhana dengan banyak batasan, seperti karakteristik fluida dan karakteristik rakit yang mengapung di atasnya. Keadaan yang sesungguhnya tentang karakter lapisan penyusun bumi adalah terdiri dari lapisan-lapisan dengan berbagai nilai densitas. Kondisi lapisan penyusun bumi yang dianggap seperti fluida tersebut memiliki nilai densitas yang lebih kompleks dibandingkan dengan kondisi fluida pada simulasi numerik yang dibuat oleh Whitehead. Namun, penelitian dengan model yang sederhana ini sangat diperlukan untuk mengawali pendekatan terhadap fenomena yang sesungguhnya. Selain itu, guna tercapainya pemahaman yang lebih mendalam terhadap dinamika partikel yang dipengaruhi oleh aliran konveksi termal, Martanti [2013] dan Pratama [2014] melakukan pengamatan secara eksperimental terhadap gerak rakit di atas konveksi Rayleigh-Bénard. Hasil eksperimen memperlihatkan bahwa ditemukan adanya gerak rakit berupa gerak lurus akibat aliran konveksi dan gerak osilasi pada saat rakit berada di antara dua sel konveksi. Dalam waktu yang relatif lama (long range), hasil pengamatan memperlihatkan bahwa rakit bergerak random terbawa arus konveksi. Distribusi kecepatan gerak rakit mengikuti fungsi Gaussian. Dalam dekade terakhir, telah dilakukan sejumlah penelitian baik teoritis ataupun eksperimen mengenai dinamika gerak kolektif dari sejumlah partikel, baik partikel aktif maupun partikel non-aktif. Terkumpul sejumlah penelitian mengenai gerak kolektif hewan, bakteri, sel-sel hidup, gerak molekul, dan juga objek-objek tergerak akibat dorongan dari luar seperti benda-benda berbentuk monolayer disk tak simetri yang digetarkan dengan frekuensi tertentu [Weber dkk, 2013]. Penelitian-penelitian terhadap dinamika partikel kolektif sebagian besar bertujuan untuk mempelajari perilaku partikel kolektif terhadap suatu parameter kontrol tertentu. Begitu juga dengan pengamatan dinamika gerak rakit ini. Untuk itu, peneliti melakukan eksperimen dengan meletakkan lebih dari satu rakit (banyak partikel) di atas fluida yang dipanasi dari
3 bawah. Akan diamati dan dianalisis perilaku kolektif dari rakit-rakit yang mengapung di atas fluida yang mengalami konveksi tersebut. Penelitian yang akan dilakukan ini bertujuan untuk mempelajari perilaku gerak sebuah rakit (rakit tunggal) dan banyak rakit di atas fluida yang mengalami konveksi termal. Perilaku tersebut diamati terhadap suatu parameter kontrol berupa selisih temperatur T. Peneliti memprediksi akan ada beberapa macam jenis gerakan rakit tunggal di atas konveksi Rayleigh- Bénard, sedangkan pada pengamatan banyak rakit akan terjadi berbagai model interaksi antar rakit. Rakit-rakit yang berkumpul membentuk sebuah koloni dinamakan sebagai rakit kolektif. Peneliti juga memprediksi bahwa akan menemukan fenomena laminasi dan delaminasi pada rakit kolektif. Laminasi adalah peristiwa bergabungnya minimal dua buah rakit, sedangkan delaminasi adalah peristiwa terpisahnya rakit yang mulanya berdekatan. Istilah laminasi dan delaminasi identik dengan istilah konvergen dan divergen pada teori pergerakan lempeng. Istilah laminasi dan delaminasi lebih sering digunakan dalam sistem nonlinear untuk menjelaskan dinamika gerak partikel terhadap suatu parameter kontrol tertentu. Pada penelitian ini, dicoba pula analisis autokorelasi pada fenomena gerak rakit tunggal maupun banyak rakit. Analisis tersebut adalah salah satu indikator untuk mengetahui chaos tidaknya suatu sistem [Schubert dkk, 2004]. 1.2 Perumusan Masalah Berdasarkan uraian di atas maka masalah dalam penelitian ini adalah : 1. Menguji secara eksperimental dinamika gerak banyak rakit di atas konveksi Rayleigh-Bénard. 2. Mencari tahu perilaku gerak rakit tunggal pada berbagai ukuran diameter dan perilaku banyak rakit pada selisih temperatur T tertentu. 3. Apakah akan ditemui peristiwa laminasi dan delaminasi dalam dinamika gerak rakit kolektif? 1.3 Tujuan Penelitian Berdasarkan masalah-masalah di atas maka cakupan tujuan penelitian ini secara rinci dapat dirumuskan sebagai berikut:
4 1. Terlaksananya eksperimen pengamatan dinamika gerak banyak rakit di atas konveksi Rayleigh-Bénard. 2. Mengetahui perilaku gerak rakit tunggal pada berbagai variasi ukuran diameter. 3. Mengetahui perilaku gerak rakit kolektif pada T tertentu melalui analisis posisi rakit dan autokorelasi. 4. Membuktikan adanya peristiwa laminasi dan delaminasi dalam dinamika gerak rakit kolektif. 1.4 Batasan Masalah Penelitian ini dibatasi pada pengamatan dinamika banyak rakit dengan metode Konveksi Rayleigh Bénard dalam suatu wadah silinder. Fluida yang digunakan berupa minyak silikon. Serbuk cat berwarna keemasan digunakan sebagai media representasi gerak partikel fluida. Dinamika gerak rakit berbahan kayu diamati pada permukaan fluida (pengamatan 2 dimensi). Diameter wadah fluida dan tinggi fluida dibuat tetap, sedangkan yang divariasi adalah diameter rakit dan jumlah rakit. 1.5 Manfaat Penelitian Manfaat yang diharapkan dari penelitian ini adalah diperoleh pengetahuan tentang perilaku gerak sebuah rakit dan banyak rakit di atas fenomena konveksi termal. Penelitian ini cukup dekat dengan fenomena pergerakan benua (continents formation) akibat adanya konveksi termal yang bersumber dari inti bumi. Selain itu, penelitian ini diharapkan mampu menjawab pertanyaan apakah ada suatu kecocokan atau kesamaan hasil analisis dengan penelitian-penelitian lain yang berhubungan dengan sistem kolektif terhadap pengaruh suatu parameter kontrol tertentu. 1.6 Sistematika Penulisan Usulan penelitian S2 ini ditulis dalam empat bab dengan penjelasan sebagai berikut : 1. Pada bab I dikemukakan mengenai latar belakang permasalahan dari penelitian, tujuan penelitian, batasan masalah, manfaat penelitian, serta sistematika penulisan penelitian.
5 2. Bab II berisi tinjauan pustaka, yakni reportase penelitian-penelitian yang berkaitan dan telah dilakukan sebelumnya. 3. Bab III berisi landasan teori yang mendasari penelitian ini, yaitu pemahaman mengenai Konveksi Rayleigh Bénard, kinematika gerak, gerak Brownian, fungsi distribusi kecepatan terdiri dari fungsi Gaussian dan Lorentzian, fungsi autokorelasi, serta koefisien difusi. Disajikan pula hubungan antara fungsi autokorelasi dengan koefisien difusi. 4. Bab IV mengemukakan tentang metode penelitian, yang berisi informasi mengenai lokasi penelitian, prosedur pengamatan dinamika rakit di atas fenomena RBC serta evaluasi. Dijelaskan pula terkait perangkat yang digunakan dalam penelitian, baik perangkat keras maupun perangkat lunak. Selain itu, dipaparkan pula metode analisis data hasil pengamatan untuk memperoleh data posisi rakit, kurva distribusi kecepatan, fungsi autokorelasi serta koefisien difusi.