ZENOSPHERE

science, philosophy, and cultural menagerie

Mesin Kalor dari Alexandria

Di dunia sehari-sehari, kita terbiasa melihat mesin. Mulai dari mobil, motor, hingga yang berskala besar seperti pabrik. Namanya mesin tentu bisa bergerak dengan sendirinya. Ada yang menggunakan tenaga bensin, tenaga solar, hingga yang agak lawas seperti tenaga uap.

Nah, dalam dunia fisika, berbagai mesin di atas termasuk dalam keluarga mesin kalor. Mesin kalor adalah mesin yang bekerja dengan prinsip pemanasan dan pembakaran. Apabila mesinnya menyala, suhunya akan meningkat, lalu suhu yang tinggi itu dikonversi menjadi energi gerak.

Sebagai contoh mesin motor dua tak. Mesin ini bergerak dengan tenaga bensin. Sebuah kompartemen akan dipenuhi uap bensin, lalu uap itu dipantik menggunakan busi. Dalam sekejap timbul letupan: uap bensinnya terbakar, suhunya jadi meningkat, kemudian udara dalam mesin memuai dengan cepat. Pemuaian-mendadak ini menghasilkan energi berupa tekanan; tekanan itu lalu dipakai untuk menggerakkan mesin.

[animasi mesin 2-tak]

Animasi mesin dua tak. Di bagian atas busi memantik uap, memicu pergerakan mesin.

(image credit: Wikimedia Commons)

Nah, kira-kira demikian contoh penerapan mesin kalor. Mesin kalor adalah mesin yang mengubah energi panas menjadi gerak. Tidak peduli bahan bakarnya uap, bensin, atau solar — asalkan memakai pemanasan dan pemuaian, maka termasuk mesin kalor.

Biasanya, kalau kita mendengar istilah “mesin”, yang terbayang adalah kesan modern. Seolah-olah cuma ada di abad perindustrian. Meskipun demikian mesin kalor sebenarnya sudah sangat tua. Prinsipnya sudah diketahui jauh sebelum Revolusi Industri. Seberapa jauhnya? Well…

Sebagian pembaca mungkin akan terkejut, akan tetapi mesin kalor sudah ada di Yunani abad pertama Masehi. Atau dalam istilah sejarahnya, Periode Hellenistik.

Mengenai mesinnya sendiri cukup banyak dan bervariasi. Salah satu di antaranya, yang cukup fenomenal, adalah mesin uap sederhana buatan Heron dari Alexandria. Dapat dibilang bahwa peradaban Yunani zaman itu telah memahami dasar-dasar keteknikan.

[Heron of Alexandria]

Heron dari Alexandria (c. 10-80 M)

(image credit: Wikimedia Commons)

Oleh karena itu, dalam kesempatan ini, ada baiknya kita “berkenalan” dengan mesin-mesin kalor warisan Yunani. Semuanya terdapat dalam buku berjudul Pneumatics karya Heron dari Alexandria. Bukunya sendiri cukup menarik — boleh dibilang semacam panduan teknik mesin zaman kuno.

    (versi terjemahan online Pneumatics dapat dibaca di: sini)

Seperti apa mesin-mesinnya, akan segera kita lihat.πŸ˜€ Meskipun begitu kita sempatkan dulu membahas insinyur pembuatnya.

 
Siapa itu Heron? Ulasan Singkat
 

Heron dari Alexandria diperkirakan lahir dan hidup pada abad pertama Masehi. Tidak banyak yang diketahui tentang dirinya, kecuali bahwa dia pernah mengajar teknik di Museum Alexandria. Adapun di samping teknik Heron juga banyak menulis tentang matematika dan optik. Salah satu penemuan besarnya, yang tidak terkait mesin, adalah rumus segitiga Heron. Rumus ini dipakai untuk menghitung luas segitiga jika diketahui tiga buah sisinya.

Adapun karya besar Heron adalah buku yang terdiri atas dua volume, Pneumatics. Dalam buku ini Heron menjelaskan tentang teknik mesin paling awal. Dengan menggunakan tuas, pipa, katrol, serta api dan air, seseorang dapat menciptakan mesin praktis.

Heron sendiri lebih banyak bermain dengan tuas dan hidraulik. Mesin kalor boleh dibilang sekadar sampingan. Meskipun begitu justru di bidang ini dia sangat kreatif dan inventif.

Seperti apa mesin-mesin kalor buatan Heron, akan segera kita lihat di bawah ini.

 
Contoh dan Analisis: Berbagai Mesin Kalor Heron

 
a) Sistem Pintu Otomatis
 

Salah satu karya Heron yang paling mencolok, yang memanfaatkan energi termal, adalah sistem pintu otomatis. Sebuah pintu yang berat dihubungkan dengan rangkaian pipa dan perapian. Apabila perapian dinyalakan maka pintu akan membuka; sebaliknya jika perapian mati maka pintu akan menutup.

Diagramnya kira-kira seperti di bawah ini.

[Pintu otomatis Heron]

Sistem pintu otomatis Heron

(image credit: Pneumatics, Section 37, trans. B. Woodcroft)

Dalam sistem di atas, perapian dibuat berbentuk altar, terhubung ke tangki bulat di bawahnya. Tangki bulat ini akan diisi penuh dengan air. Tangki bulat lalu dihubungkan dengan ember lewat selang KLM.

Pada saat api menyala, udara di bawah altar akan memanas, mengakibatkan terjadinya pemuaian. Udara yang memuai akan memasuki tangki bulat. Tangki bulat sudah penuh berisi air, dia tidak dapat menampung lebih — maka udara akan mendorong air masuk ke pipa KLM. Di titik ini air dari tangki bulat akan mengisi ember.

Selanjutnya gaya berat ember akan mendorong tuas yang terhubung pada pintu. Secara perlahan pintu akan bergerak terbuka! (o_O)

Lalu bagaimana jika kita mau menutup pintu? Di sinilah kejeniusan Heron menunjukkan diri. Cukup dengan mematikan api. Apabila api mati, udara di bawah altar akan mengerut kembali. Dalam prosesnya menimbulkan perbedaan tekanan antara tangki bulat dan ember.

Tangki bulat, karena udaranya menghilang, kini menjadi vakum. Oleh karena itu dia akan mengisi ulang dengan mengosongkan ember lewat selang KLM.

Hasilnya adalah situasi di mana ember kosong, tangki bulat penuh lagi, dan pintu tertutup!πŸ˜€

Dengan memanfaatkan sifat udara memuai-dan-menyusut, sebuah sistem buka-tutup dapat dibuat. Kalau tidak tahu prosesnya, barangkali terlihat ajaib. Akan tetapi sebenarnya itu dicapai menggunakan hukum fisika.

 
b) Boneka Penyiram Air
 

Yang ini skalanya lebih kecil, meskipun begitu, prinsip kerjanya sama: memanfaatkan sifat udara memuai dan menyusut. Dalam rancangan ini sebuah boneka akan menyiram air jika api dinyalakan. Tak beda dengan pintu otomatis, mesin ini juga menerapkan perapian berbentuk altar.

[Boneka Penyiram Air Heron]

Sistem boneka penyiram air

(image credit: Pneumatics, Section 11, trans. B. Woodcroft)

Dalam ilustrasi terlihat bahwa sebuah pipa (bertanda “L”) menghubungkan tangan boneka dengan bawah panggung. Area bawah itu lalu diisi air hingga penuh. Sementara di bawah perapian terdapat pipa yang menggembung di tengah.

Dalam sistem ini, apabila api menyala, udara di bawah altar akan memuai. Pemuaian itu menekan air di bawah boneka — sedemikian hingga air terdorong masuk pipa L.

Akan tetapi menaikkan air berarti melawan gravitasi. Tidak bisa hanya dengan dorongan kecil. Di sinilah pipa gembung, yang di bawah altar, berperan penting.

Berdasarkan Hukum Bernoulli, udara yang melewati penampang besar akan menambah kecepatan melewati penampang kecil. Oleh karena itu gaya dorong menjadi besar. Akibatnya air tertekan lebih kuat, naik melawan gravitasi bumi, dan keluar dari tangan boneka.πŸ˜€

Adapun karena tangan boneka diletakkan di atas altar, maka cucuran airnya akan mematikan api. Air yang tersisa akan diteruskan pipa kembali ke bawah panggung. Akhirnya situasi kembali seperti semula.

 
c) Mesin Uap Putar (Aeolipile)
 

Sistem terakhir, sekaligus yang paling signifikan secara teknik, adalah mesin uap putar. Menjadi signifikan karena dua hal: (1) geraknya menggunakan tenaga uap, dan (2) hasil geraknya berupa torsi.

Dalam bahasa umum, torsi dapat diibaratkan “gaya putar benda”. Misalnya roda gigi, jika diberi gaya maka akan berputar. Putaran itu lalu menyalurkan energi ke seluruh mesin. Oleh karena itu penemuan mesin uap yang menghasilkan torsi amat signifikan. Ibaratnya “separuh nyawa” mesin sudah ada.

[Mesin uap Heron (dual)]

Mesin uap putar (aeolipile); dilihat dari samping dan depan

(image credits: Wikimedia Commons | Pneumatics, Section 50, trans. B. Woodcroft)

Dalam rancangan di atas, sebuah cawan tertutup diisi dengan air. Di permukaan terdapat pipa yang bersambung dengan bola. Sambungan ini dibuat licin sehingga bola dapat berputar. Sebagai penutup, kulit bola mempunyai pipa bengkok yang melepaskan udara.

Heron membayangkan bahwa di bawah cawan terdapat api. Seiring jalannya waktu air dalam cawan akan mendidih. Uap air lalu mendorong ke atas, mengisi ke dalam bola. Akan tetapi uap air tidak lama di dalam bola: karena lubangnya terbuka, uap akan keluar melalui pipa bengkok.

Nah, di sinilah pergerakan dimulai. Melalui pipa bengkok uap air akan menyembur, menimbulkan gaya tolak. Kedua sisi pipa bengkok akan bersinergi saling mendorong. Akibatnya jelas: bola akan berputar di porosnya.πŸ˜€

Sayangnya mesin uap Heron punya kelemahan, geraknya cuma sebentar. Sebagaimana bisa dilihat dalam video di bawah: uap yang jadi sumber energi tidak ditampung, melainkan dibuang ke udara. Oleh karena itu dia cuma berfungsi selama airnya belum habis.😐

Amat disayangkan memang. Betul bahwa dia tenaga uap dan bisa berputar. Akan tetapi di luar itu, zero.

Video eksperimen Mesin Uap Heron

Desain di atas adalah mesin uap pertama yang tercatat sejarah. Di satu sisi dia tidak sempurna, akan tetapi di sisi lain, pembuatnya sudah menyadari potensi energi uap. Biarpun tidak efektif tapi prinsip kerjanya sudah benar.

Adapun mesin uap Heron akhirnya terlupakan hingga era Renaissance. Baru belakangan, sesudah beberapa generasi mesin uap yang tidak efisien, James Watt datang dan menyempurnakan. Penemuan Watt akhirnya mendorong terwujudnya Revolusi Industri.

Menarik dibayangkan, apa jadinya jika mesin uap Heron dikembangkan serius sejak awal. Bukan tak mungkin Revolusi Industri datang lebih cepat. Akan tetapi itu cerita lain untuk saat ini.πŸ™‚

 
Penutup: Menghargai Kepintaran Orang Dulu
 

Ada satu hal yang menarik yang saya temui setiap kali membaca tentang sejarah ilmu pengetahuan. Kalau membaca judul di atas tentu pembaca bisa menebak. Hal itu adalah kekaguman pada jalan pikiran orang-orang dulu.

Disadari atau tidak, sehari-hari kita sering membayangkan sejarah sebagai “Sebelum Pencerahan” dan “Sesudah Pencerahan”. Seolah terdapat era khusus di mana kemajuan besar-besaran terjadi, mengantarkan ke zaman modern. Sementara dunia sebelum itu digambarkan miskin, buruk, gelap-gulita, dan tertinggal.

Seolah-olah terdapat titik yang pasti di mana orang dibawa dari kegelapan menuju zaman yang terang-benderang dan penuh ilmu pengetahuan.

Masalahnya pendapat itu tidak akurat. Dalam sejarah sering ada penemuan hebat di masa lalu, tetapi karena satu dan lain hal, akhirnya terabaikan. Baru di masa depan orang menyadari bahwa mereka melewatkan “ide bagus”.

Contohnya tentu mesin-mesin Yunani di atas. Mendengar istilah “mesin kalor” dan “mesin uap”, seolah terasa modern, padahal sebenarnya… tidak juga.:mrgreen: Justru para ilmuwan Yunani sudah paham prinsipnya. Memang hanya secara intuitif, tidak ada landasan ilmu termodinamika, meskipun begitu mereka tetap mendapatkan ilmunya. Pengetahuan itu lalu diterapkan lewat mesin sederhana.

Begitu juga dengan ilmu alkimia. Biarpun pendekatannya ‘ajaib’ dan penuh mitos akan tetapi mampu bersumbangsih pada ilmu pengetahuan. Banyak metode eksperimen kimia modern yang berasal dari catatan para alkemis. Begitu juga terdapat senyawa-senyawa yang pertama kali ditemukan oleh mereka. (Selanjutnya bisa dibaca di tulisan yang di-link)

Di setiap zaman selalu ada orang-orang yang menelurkan hal baru. Baik itu pendapat baru, teknik baru, atau malah cara pandang baru. Adapun dalam beberapa kasus pembaruannya begitu drastis, sedemikian hingga mengubah arah sejarah.

Walhasil, dalam membaca sejarah ilmu, kita harus siap untuk “dikagetkan” masa lalu. Justru bagus jika kita — pembaca modern — jadi garuk-garuk kepala usai membacanya. Sebab itu berarti kita dapat pencerahan.

Bukan tak mungkin dalam prosesnya akan terlintas, “Ternyata orang dulu hebat juga ya?” Or something like that…πŸ˜†

 

——

Referensi
 

Heron of Alexandria. (1851). The Pneumatics (terj. Bennet Woodcroft). London: Taylor Walton & Maberly.

Papadopoulos, E. (2007). Heron of Alexandria (c. 10–85 AD). dalam Ceccarelli, M. (ed.). Distinguished Figures in Mechanism and Machine Science: Their Contributions and Legacies, Part 1 (hlm. 217-245). Dordrecht: Springer.

2 responses to “Mesin Kalor dari Alexandria

  1. made gelgel Juni 28, 2014 pukul 1:03 am

    mungkin sama seperti pada saat air dipanaskan dan menjadi uang sehingga tutup panci meletup, begitu?

    salam kenal

  2. sora9n Juni 28, 2014 pukul 1:12 am

    @ made gelgel

    Salam kenal juga. ^^

    mungkin sama seperti pada saat air dipanaskan dan menjadi [uap] sehingga tutup panci meletup, begitu?

    Yup, memang itu prinsipnya tenaga uap. Air berubah jadi gas, volumenya tambah besar, menekan ke segala arah. Jadi tutup pancinya terdorong.πŸ™‚

Posting komentar. Apabila tidak muncul, ada kemungkinan tersaring filter spam. Harap tunggu pemilik blog untuk mengecek dan melepaskan.

Isikan data di bawah atau klik salah satu ikon untuk log in:

Logo WordPress.com

You are commenting using your WordPress.com account. Logout / Ubah )

Gambar Twitter

You are commenting using your Twitter account. Logout / Ubah )

Foto Facebook

You are commenting using your Facebook account. Logout / Ubah )

Foto Google+

You are commenting using your Google+ account. Logout / Ubah )

Connecting to %s

%d blogger menyukai ini: