PERGESEKAN PASANG-SURUT. KANT DAN THOMSON--TAIT oleh Friedrich Engels

Thomson dan Tait, Nat. Phil., I, hal.1921 (paragraf 276):

"Terdapat juga perlawanan-perlawanan tidak langsung,65) disebabkan oleh gesekan yang mengganggu gerak-gerak pasang-surut, atas semua benda yang, seperti bumi, ada bagian-bagian permukaan mereka yang bebas ditutupi cairan, yang, selama benda-benda ini secara relatif bergerak pada benda-benda yang bertetangga, mesti terus menyedot energi dari gerak-gerak relatif mereka. Maka, jika kita pertama-tama sekali membahas/mempertimbangkan tindak/aksi bulan saja, atas bumi dengan samudera-samudera, danau-danau, dan sungai-sungainya, kita memahami bahwa itu mesti bercenderung menyamakan periode-periode rotasi bumi pada porosnya, dan perputaran (revolusi) kedua benda itu pada pusat kelembaman (inertia) mereka; karena selama periode-periode ini berbeda, aksi pasang- surut dari permukaan bumi mesti terus mengurangi energi dari gerak-gerak mereka. Untuk melihat subjek ini secara lebih terperinci, dan, bersamaan dengan itu, menghindari komplikasi-komplikasi yang tidak perlu, mari kita mengandaikan bulan itu sebagai sebuah benda sferikal yang seragam. Saling aksi dan reaksi gravitasi antara massanya dan dari bumi akan setara pada satu daya tunggal di sesuatu garis yang melewati pusatnya; dan mesti sedemikian rupa hingga mengganggu rotasi bumi selama ini dilaksanakan dalam suatu periode yang lebih pendek daripada gerak bulan memutari bumi. Karena, ia mesti terletak pada sesuatu arah seperti garis MQ dalam diagram di bawah ini, yang mewakili, tidak bisa tidak dengan pelebih-lebihan yang besar sekali, penyimpangannya, OQ, dari pusat bumi. Kini daya aktual di atas bulan di garis MQ dapat dipandang sebagai terdiri atas suatu daya di garis MO ke arah pusat bumi, layak setara dalam jumlah dengan seluruh daya, dan sebuah daya yang dalam perbandingan sangat kecil di garis MT yang perpendikular dengan MO. Yang tersebut belakangan ini nyaris sekali bersentuhan (tangential) dengan lintasan bulan, dan searah dengan geraknya. Suatu daya seperti itu, jika tiba-tiba mulai beraksi, akan, pertama-tama, meningkatkan kecepatan bulan; tetapi setelah suatu waktu tertentu ia akan sudah bergerak lebih jauh lagi dari bumi, berkat percepatan ini, telah kehilangan, dengan bergerak terhadap tarikan bumi, sama banyaknya kecepatan yang telah diperoleh dengan daya percepatan yang bersentuhan itu. Akibat suatu daya bersentuhan yang berkelanjutan, yang beraksi dengan gerak itu, namun sedemikian kecil jumlahnya sehingga hanya membuat suatu penyimpangan kecil pada setiap saat dari bentuk sirkular orbit itu, secara berangsur-angsur meningkatkan jarak dari benda pusat, dan menyebabkan sebanyak jumlah kerjannya sendiri yang mesti dikerjakan terhadap tarikan massa pusat itu, dengan energi gerak kinetik yang hilang. Keadaan-keadaan itu akan mudah dimengerti dengan mempertimbangkan gerak memutari benda pusat itu dalam sebuah lintasan spiral secara sangat-berangsur-angsur, yang berkecenderungan ke arah luar. Dengan menentukan hukum daya adalah kuadrat terbalik dari jarak itu, maka komponen gravitas yang bersentuhan terhadap gerak itu akan dua kali lipat besarnya seperti gangguan daya bersentuhan yang searah dengan gerak; dan karenanya separoh jumlah kerja yang dilakukan terhadap yang tersebut duluan, dilaksanakan oleh yang tersebut belakangan, dan separoh lainnya oleh energi kinetik yang diambil dari gerak itu. Efek integral atas gerak bulan, dari sebab gangguan khusus yang kini dibahas, sangat mudah diketemukan dengan menggunakan azas momen-momen momenta. Dengan demikian kita melihat bahwa sebanyak momen momentum diperoleh pada setiap waktu oleh gerak-gerak pusat-pusat kelembaman, dari bulan dan bumi secara relatif dengan pusat kelembaman umum/bersama mereka, seperti yang dihilangkan oleh rotasi bumi di seputar porosnya. Jumlah momen-momen momentum pusat-pusat kelembaman bulan dan bumi yang bergerak pada saat ini, adalah kura ng-lebih 4.45 kali momen momentum rotasi bumi saat ini. Penarah rata-rata dari yang tersebut duluan adalah ekliptik; dan karenanya poros-poros kedua momen itu condong satu pada yang lainnya pada sudut rata-rata 23° 27.5', yang, karena kita mengabaikan pengaruh matahari atas penarah gerak bulan, dapat dianggap sebagai kecondongan aktual dari kedua poros itu pada saat ini. Hasilnya, atau seluruh momen momentum karenanya adalah 5.38 kali dari rotasi bumi saat ini, dan porosnya bercondong 19°13' pada poros bumi. Dari situlah kecenderungan akhir pasangsurut-pasangsurut itu yalah mereduksi bumi dan bulan pada satu rotasi seragam yang sederhana dengan momen resultan di seputar poros resultan ini, seakan-akan mereka merupakan dua bagian dari satu benda kaku: di mana kondisi jarak bulan akan meningkat (mendekati) dalam rasio 1 : 1.46, yaitu rasio dari kuadrat momen momentum saat ini dari pusat-pusat kelembaman dengan kuadrat seluruh momen momentum; dan periode revolusi (perputaran) dalam rasio 1 : 1.77, yang adalah dari kubus kuantitas-kuantitas yang sama. Jarak itu, karenanya, akan ditingkatkan menjadi 347.100 mil, dan periode diperpanjang menjadi 48.36 hari. Seandainya tidak ada benda lain dalam alam-jagat kecuali bumi dan bulan, maka kedua benda ini dapat bergerak terus seperti itu untuk selama-lamanya, dalam orbit-orbit sirkular seputar pusat kelembaman mereka bersama, dan bumi berotasi seputar porosnya dalam periode yang sama, sehingga selalu kembali pada muka yang sama menghadap bulan, dan, karenanya, mempu-nyai semua cairan pada permukaannya dalam keadaan diam dalam hubungannya dengan yang beku. Namun keberadaan matahari akan mencega sesuatu keadaan seperti itu menjadi permanen. Akan ada pasangsurut-pasangsurut solar--dua kali air pasang dan dua kali air surut--dalam periode revolusi bumi secara relatif dengan matahari (yaitu, dua kali dalam hari solar, atau, yang artinya sama, sebulan). Ini tidak berlangsung terus tanpa kehilangan energi oleh pergesekan cairan. Tidak mudah menjejaki seluruh proses gangguan dalam gerak-gerak bumi dan bulan yang ditimbulkannya, tetapi efek akhirnya yalah membuat bumi, bulan dan matahari berotasi seputar pusat kelembaman mereka bersama, seperti bagian-bagian dari sebuah benda kaku."

Kant, pada tahun 1754, adalah yang pertama mengajukan pandangan bahwa rotasi bumi dihambat oleh pergesekan pasang-surut dan bahwa efek ini hanya akan mencapai kesudahannya

"apabila permukaannya (permukaan bumi) relatif diam dalam hubungannya dengan bulan, yaitu, ketika ia akan berotasi pada porosnya dalam periode sama yang diperlukan bulan untuk memutari bumi, dan karenanya akan selalu membalikkan sisi yang sama menghadap pada yang tersebut belakangan.66)

Kant berpandangan bahwa penghambatan ini berasal dari pergesekan pasang-surut saja, yang timbul, karenanya, dari kehadiran massa-massa cair di atas bumi:

Seandainya bumi itu suatu massa yang beku sekali, tanpa cairan apapun, maka tarikan mataharki maupun tarikan bulan tidak akan melakukan apapun untuk mengubah rotasi-poros (axial)nya yang bebas; karena itu dengan daya setara menarik bagian timur maupun barat dari sfera bumi (terrestrial sphere) dan dengan begitu tidak menyebabkan kecondongan apapun pada sisi yang satu ataupun pada sisi lainnya; sebagai konsekuensinya ia memperkenankan kebebasan penuh bagi bumi untuk melanjutkan rotasi ini tanpa-rintangan seakan tiada pengaruh eksternal padanya.67)

Kant boleh merasa puas dengan hasil ini., Semua persyaratan ilmiah tidak terdapat pada waktu itu untuk meneliti lebih dalam mengenai efek bulan atas rotasi bumi. Sebenarnyalah, telah diperlukan hampir seratus tahun sebelum teori Kant memperoleh pengakuan umum, dan masih lebih lama lagi sebelum diketemukan bahwa pasang dan surutnya arus pasang hanyalah aspek yang dapat dilihat (kasat-mata) dari efek yang dibuahkan oleh tarikan matahari dan bulan atas rotasi bumi.
Konsepsi mengenai masalah ini yang lebih umum adalah justru yang telah dikembangkan oleh Thomson dan Tait. Tarikan bulan dan matahari tidak hanya mengenai cairan-cairan benda bumi pada umumnya dengan suatu gaya yang menghambat rotasi bumi. Selama periode rotasi bumi tidak berbarengan dengan periode revolusi bulan seputar bumi, selama itu (pula) tarikan bulan--terutama untuk menuntaskan hal ini dulu--berpengaruh dalam saling mendekatkan kedua periode itu satu sama lain. Jika periode rotasional benda pusat (relatif) itu lebih panjang daripada periode revolusi satelit itu, maka yang tersebut duluan akan secara berangsur-angsur dipersingkat. Jika ia lebih singkat, seperti dalam kasusnya bagi bumi, maka ia akan diperpanjang. Tetapi, baik dalam kasus yang satu tidak akan diciptakan energi kinetik dari ketiadaan, atapun dilenyapkan dalam kasus lainnya. Pada kasus yang pertama, satelit itu akan lebih mendekat pada benda pusat dan mempersingkat periode revolusinya, dalam kasus kedua ia akan meningkatkan/menambah jarak darinya dan memperoleh suatu periode revolusi yang lebih panjang. Dalam kasus yang pertama, satelit itu dengan mendekati benda pusat kehilangan tepatnya sebanyak energi potensial seperti banyaknya energi kinetik yang diperoleh benda pusat dari rotasi yang dipercepat itu; dalam kasus kedua, satelit itu, dengan meningkatkan jaraknya, memperoleh tepat jumlah energi potensial yang sama seperti banyaknya energi kinetik dari rotasi yang hilang dari benda pusat. Jumlah total energi dinamik, potensial dan kinetik, yang terdapat dalam sistem bumi-bulan tetap sama; sistem itu sepenuhnya konservatif.
Tampaklah bahwa teori ini sepenuhnya bebas dari susunan fisiko-kimiawi benda-benda bersangkutan. Ia diderivasi dari hukum-hukum umum gerak benda-benda langit yang bebas, keterkaitan di antara mereka dihasilkanm oleh tarikan yang proporsional dengan massa-massa mereka dan dalam proporsi terbalik dengan kuadrat jarak-jarak di antara mereka. Teori itu jelas lahir sebagai suatu penjabaran teori Kant mengenai pergesekan pasang-surat, dan di sini bahkan disajikan oleh Thomson dan Tait sebagai penggantinya berdasarkan garis-garis matematikal. Tetapi sebenarnya,--dan sungguh mencolok betapa para pengarang itu sama sekali tidak syak akan hal ini--sebenarnya ia mengeksklusikan kasus khusus mengenai pergesekan pasang-surut (tidal friction).
Pergesekan adalah halangan bagi gerak massa-massa, dan selama berabad-abad ia dipandang sebagai penghancuran gerak seperti itu, dan karenanya sebagai penghancuran energi kinetik. Kini kita mengetahui bahwa pergesekan dan impakt adalah dua bentuk yang dengannya energi kinetik diubah menjadi energi molekular, menjadi panas. Maka, dalam semua pergesekan, energi kinetik itu sendiri hilang untuk muncul kembali, tidak sebagai energi potensial dalam arti ilmu dinamika, melainkan sebagai gerak molekular dalam bentuk panas tertentu. Karenanya, energi kinetik yang hilang dengan pergesekan, pertama-tama memang benar-benar hilang bagi aspek-aspek dinamikal sistem bersangkutan. Ia hanya dapat menjadi efektif kembali secara dinamikal jika ia diubah kembali dari bentuk panas menjadi energi kinetik.
Jadi, bagaimanakah masalah ini sebenarnya dalam kasus pergesekan pasang-surut? Jelaslah bahwa juga di sini seluruh energi kinetik yang dikomunikasikan pada massa-massa air di atas permukaan bumi oleh tarikan bulan, telah diubah menjadi panas, baik itu karena/dengan pergesekan partikel-partikel air di antara partikel-partikel iu sendiri berdasarkan viskositas (kekentalan=viscosity) air, ataupun dengan pergesekan di permukaan bumi yang kaku/kejur dan kominusi (peremukan) batu-batu karang yang melawan gerak pasang-surut. Dari panas ini diubah kembali menjadi energi kinetik hanyalah suatu bagian yang tak-terhingga kecilnya, yang menyumbang pada penguapan pada permukaan air. Tetapi, bahkan jumlah energi kinetik yang kecil tak-terhingga ini, yang dilepaskan oleh seluruh sistem bumi-bulan pada sebagian permukaan bumi, betapapun tinggal di atas permukaan bumi dan tunduk pada kondisi-kondisi yang berlaku di situ, dan kondisi-kondisi ini membawa semua energi yang aktif di sana pada pencapaian nasib final yang satu dan yang sama: konversi final menjadi panas dan radiasi ke ruang angkasa.
Konsekuensinya, hingga batas bahwa pergesekan pasang-surut tidak dapat disangkal lagi mempunyai suatu efek gangguan pada rotas bumi, energi kinetik yang dipakai untuk tujuan ini secara mutlak hilang bagi sistem bumi-bulan yang dinamik Dengan kata-kata lain, dari energi kinetik yang dihabiskan dalam mengganggu rotasi bumi lewat tarikan bulan, hanyalah bagian yang bertindak atas massa beku benda/badan bumi yang sepenuhnya dapat muncul kembali sebagai energi potensial yang dinamikal, dan karenanya dikompensasikan dengan suatu poeningkatan jarak bulan secara bersesuaian. Di lain pihak, bagian yang bertindak atas massa-massa cair bumi hanya dapat melakukan itu sejauh ia tidak membuat massa-massa ini sendiri bergerak dalam arah berlawanan dengan rotasi bumi, karena suatu gerak seperti itu seluruhnya diubah menjadi panas dan akhirnya hilang bagi sistem itu lewat radiasi.
Yang berlaku bagi pergesekan pasang-surut pada permukaan bumi sama-sama sahihnya bagi yang acapkali secara hipotetikal dianggap pergesekan pasang-surut dari apa yang diduga menjadi inti-cair bumi.
Bagian permasalahan itu yang khas adalah, bahwa Thomson dan Tait sebelumnya tidak memperhatikan bahwa untuk menegakkan teori pergesekan pasang-surut itu, mereka mengajukan suatu teori yang berkembang dari pengiraan diam-diam bahwa bumi merupakan sebuah benda yang seluruhnya kaku/kejur, dan dengan begitu memustahilkan setiap kemungkinan arus-pasang dan karenanya juga memustahilkan kemungkinan pergesekan pasang-surut.

Alih bahasa: Ira Iramanto