Angkasawan yang menghabiskan masa di stesen atau kapal angkasa dalam jangka masa yang lama berhadapan dengan masalah kesihatan. Kerana ketiadaan graviti efektif (atau istilah yang sering digunakan – mikrograviti), mereka terapung-apung di dalam kapal angkasa dan tidak menggunakan otot serta tulang mereka. Otot dan tulang mereka bakal menghadapi risiko untuk menjadi lemah disebabkan keadaan kenirberatan (weightlessness) tersebut. Bagi mengatasi masalah ini, angkasawan diwajibkan menghabiskan sekurang-kurangnya 90 minit setiap hari untuk bersenam.
Menghabiskan masa selama kurang daripada sebulan di atas kapal angkasa, dalam keadaan terapung-apung mungkin masih boleh diterima akal; tetapi bagaimana jika pada zaman distopia yang akan datang, umat manusia perlu meninggalkan Bumi dan berhijrah ke habitat buatan seperti di dalam filem Elysium? Jawapannya: graviti buatan (artificial gravity)!
Untuk membina habitat yang dilengkapi graviti buatan, struktur seperti roda digunakan. Struktur ini perlu sentiasa berputar dalam kelajuan yang malar bagi mengekalkan tarikan graviti yang sekata. Bagi objek yang berputar, daya memusat (centripetal force) merupakan daya yang terlibat dalam mengekalkan putaran terus berlaku. Daya memusat adalah daya yang menghala ke paksi putaran (axis of rotation). Daya memusat datang dalam pelbagai bentuk. Sebagai contoh, bagi sebiji bola yang diikat pada seutas tali dan diputarkan, ketegangan (tension) tali bertanggungjawab untuk memastikan bola tersebut kekal dalam gerakan membulat. Maka, dalam situasi ini, daya ketegangan tali adalah daya memusat.
Begitu juga dengan permainan roller-coaster – daya graviti yang mengarah ke bawah bertindak sebagai daya memusat.
Menurut Hukum Newton Ketiga – setiap tindakan, akan ada tindakbalas yang setara dalam arah yang bertentangan. Maka, bagi setiap daya memusat menghala ke paksi putaran, wujud daya tindakbalas yang bertentangan arah. Daya ini sering digelar daya emparan (centrifugal force). Namun daya emparan bukanlah sesuatu yang benar. Apa yang berlaku adalah inersia objek yang berputar “mahu” memastikan objek terus bergerak ke hadapan dalam garisan lurus (rujuk gambar roller-coaster). Tetapi bagi pemerhati yang sedang berputar (sama ada bola atau penumpang yang menaiki roller-coaster), mereka sedang statik dan dunia di sekeliling mereka sedang berputar. Justeru, apabila kita merujuk pada rangka rujukan (frame of reference) yang berputar iaitu yang dialami oleh mereka – daya emparan adalah sesuatu yang benar!
Daya emparan ini ibarat graviti yang menghala ke luar paksi putaran. Seperti babak dalam filem 2001: A Space Odyssey, bilik yang berputar itu membekalkan graviti buatan yang menghala ke lantai bilik. Justeru, bagi mencari kondisi kapal angkasa atau bilik yang berputar seperti di dalam filem Elysium dan 2001: A Space Odyssey, sedikit kiraan perlu dilakukan. Daya memusat diberikan oleh rumus berikut:
F: daya memusat, m: jisim, v: halaju putaran, r: jejari putaran. Disebabkan F=ma, maka m di kiri dan kanan persamaan boleh dibatalkan. Maka, apa yang tinggal adalah a=v²/r. Justeru, pecutan, a yang terhasil adalah berkadar terus dengan halaju kuasa dua dan berkadar songsang dengan jejari. Bagi kita yang menghuni Bumi, a yang dialami adalah 9.81 m/s². Maka, bagi memperoleh pecutan graviti buatan yang sama seperti di Bumi, halaju dan jejari struktur perlu dikira dengan berhati-hati.
Mengapa berhati-hati?Jika halaju terlalu tinggi, penghuni akan mengalami disorientasi dan mual – sama seperti yang dirasai apabila anda menaiki permainan Merry Go Round yang berputar terlalu laju. Untuk menggunakan halaju yang lebih rendah, jejari putaran yang lebih panjang boleh digunakan. Jejari yang panjang bermaksud struktur yang lebih besar – serta kos yang lebih tinggi. Jika kos bukan suatu isu dan matlamat utama adalah untuk membina kapal angkasa yang ideal seperti Elysium, maka berapakah halaju putaran dan jejari yang digunakan di dalam filem itu?
Sebuah artikel oleh www.wired.com, menggunakan perisian komputer dan menganggarkan kapal angkasa Elysium berputar pada halaju 0.017 rad/saat. Menggunakan rumus yang sama, dan menganggap pecutan graviti yang dialami penghuninya adalah sama seperti di Bumi, maka:
Jejari kapal angkasa adalah 3.39 x 10⁴ m atau 33.9 km! Jika jejari 33.9 km, maka diameternya adalah 67.7 km dan berukur lilit 213 km. Memikirkan bahawa ia merupakan sebuah objek yang terapung di angkasa lepas, ia agak besar! Bukan agak besar, sangat besar! Saintis menganggarkan kos untuk membina Elysium adalah 5 trillion dolar Amerika – 5,000,000,000,000!
Salah seorang rakan Fiziklah! mengajukan satu persoalan: adakah graviti buatan seperti di dalam filem cereka sains adalah praktikal? Dari segi fizik, seperti yang telah ditunjukkan, ia adalah munasabah. Tetapi dari segi praktikaliti, atau kos, sejujurnya admin tiada jawapan :’)
Kita tidak akan tahu sejauh mana manusia sanggup untuk melaburkan jumlah wang yang begitu banyak untuk membina habitat baharu. Mungkin apabila Bumi di ambang kemusnahan, baharulah manusia akan berkira-kira berapa sen di dalam poket mereka untuk dilaburkan bagi membina Elysium.
Justeru, jagalah Bumi, kekal di Bumi – diharapkan kita tidak perlu berhijrah ke Elysium!
