1. Pendulum
Pierre Bougeur menemukan bahwa gravitasi bisa diukur
dengan menggunakan pendulum berayun. Pada abad ke-19, pendulum digunakan secara
umum untuk mengukur variasi relatif pada gravitasi. Prinsip kerjanya sederhana.
Gravitasi berbanding terbalik dengan kuadrat periode osilasi (T) dan berbanding
lurus dengan panjang pendulum (L). Jika pendulum yang sama berayun pada kondisi
yang identik di dua lokasi dimana nilai percepatan gravitasinya adalah g1 dan
g2, maka rasio dari dua nilai g tersebut adalah sama dengan rasio dari dua
periode osilasi yang bersesuaian T1 dan T2.
Lebih lanjut, ukuran perbedaan percepatan gravitasi
(δg) antara dua lokasi tersebut sama dengan hasil perkalian gravitasi dan dua
kali perbedaan periode (T2-T1) dibagi dengan periode pertama.
Metode ini akurat sampai sekitar 1 mGal jika periode-periodenya diukur sampai sekurang-kurangnya setengah jam. Sistem portabel digunakan di bidang eksplorasi hidrokarbon pada tahun 1930-an.
2. Keseimbangan Torsi (Torsion Balance)
Metode lain untuk menentukan gravitasi relatif adalah
dengan keseimbangan torsi. Fisikawan Inggris Henry Cavendish menciptakan sistem
ini untuk mengukur konstanta gravitasi pada tahun 1791. Metode ini dikembangkan
untuk keperluan geodetik pada tahun 1880 oleh seorang fisikawan Hongaria, Baron
Roland von Eotvos. Setelah perubahan lebih lanjut, alat tersebut digunakan di
bidang eksplorasi sejak tahun 1915 sampai akhir tahun 1940-an. Metode ini hanya
mengukur variasi pada komponen gravitasi horizontal oleh karena bentuk
permukaan tanah, bukan gravitasi vertikal. Metode ini sanggup mencapai
sensitivitas yang sangat tinggi (sampai 0.001 mGal) namun metode ini sangat
kaku dan lambat untuk digunakan di lapangan.
Gambar 1 Skema alat kesetimbangan torsi
(Reynolds, 1997)
3. Gravimeter
Sejak awal tahun 1930-an, variasi gravitasi relatif sudah diukur menggunakan gravity meter (gravimeter), pertama-tama tipe stabil (statis) dan selanjutnya yang baru tipe tak stabil (astatik). Gravimeter adalah keseimbangan pegas canggih dimana sebuah massa konstan digantungkan.
Gambar 2 Pertambahan panjang (δl) karena tambahan tarikan gravitasi
(Reynolds, 1997)
Berat massa tersebut merupakan hasil dari massa itu
sendiri dan percepatan gravitasi. Semakin besar berat massa pada pegas, maka
semakin panjang pegas tersebut meregang. Besarnya pertambahan panjang (δl) dari
pegas sebanding dengan peningkatan gaya yang berkerja (pertambahan berat
massa). Konstanta kesebandingan ini disebut konstanta elastisitas pegas k.
Hubungan tersebut dikenal sebagai Hukum Hooke.
Ketika massa konstan, variasi berat disebabkan oleh perubahan percepatan gravitasi (δg). Dengan mengukur pertambahan panjang pegas (δl), perbedaan percepatan gravitasi selanjutnya bisa ditentukan. Ketika variasi g sangat kecil (1/108) pertambahan panjang pegas tersebut juga sangat kecil. Oleh karena itu, gravimeter menggunakan beberapa bentuk sistem untuk menguatkan gerakan sehingga bisa diukur secara akurat.
a) Gravimeter Tipe Stabil (Statik)
Gravimeter tipe stabil, yang dikembangkan pada tahun
1930-an, kurang sensitif dibanding dengan
saudaranya yang lebih modern, gravimeter tipe tak stabil, yang sebagian
besar sudah menggantikan gravimeter tipe stabil. Gravimeter tipe stabil terdiri
dari sebuah massa di ujung sebuah penyangga yang berputar pada titik tumpuan
dan diseimbangkan oleh pegas yang ditegangkan di ujung yang lain. Perubahan
percepatan gravitasi mempengaruhi berat massa yang diimbangi oleh gaya pemulih
pegas.
Gambar 3 Prinsip dasar dari sebuah
gravimeter stabil (Reynolds, 1997)
1) Askania
Sebuah penyangga dengan massa di salah satu ujungnya
berputar pada pegas utama S. Perubahan gravitasi menyebabkan penyangga tersebut
miring, sehingga menghasilkan penyimpangan arah berkas cahaya yang dipantulkan
dari sebuah cermin pada massa. Sebuah fotoelektrik sel, yang outputnya
ditampilkan pada sebuah galvanometer, mengukur perpindahan berkas cahaya
tersebut. Sebuah pegas tambahan (AS) meregang menggunakan mikrometer untuk
mengembalikan massa pada posisi semula, yang menuntut pembacaan galvanometer
kembali ke nol.
Gambar 4 Gravimeter Stabil Askania (Reynolds,
1997)
2) Boliden
Gravimeter Boliden menggunakan prinsip bahwa
kapasitansi dari sebuah kapasitor plat sejajar berubah sesuai dengan pemisahan
plat-plat tersebut. Massa yang berbentuk gelendong dengan sebuah plat di setiap
ujungnya dan tergantung pada dua pegas di antara dua kapasitor plat yang lain. Dengan
adanya perubahan gravitasi, massa tersebut bergerak relatif terhadap plat yang
tetap, menghasilkan perubahan kapasitansi antara plat-plat bagian atas,
pergerakan ini bisa dideteksi dengan mudah menggunakan rangkaian yang sudah
disetel. Plat-plat bagian bawah terhubung ke arus listrik searah (DC) yang
menopang gelendongan tersebut dengan tolakan elektrostatik. Dengan adanya perubahan gravitasi dan hasil
perpindahan relatif gelendongan tersebut terhadap plat-plat yang tetap, posisi
asli atau posisi acuan bisa diperoleh dari perubahan tegangan langsung antara
pasangan plat bagian bawah. Sensitivitas rata-ratanya adalah 1 g.u. (0,1 mGal).
Gambar 5 Gravimeter Stabil Boliden (Reynolds,
1997)
3) Scintrex CG-3
Sebuah versi yang lebih modern dari gravimeter Boliden
diproduksi oleh Scintrex ( Model CG-3) yang bekerja dengan prinsip yang sama.
Setiap perpindahan massa akibat perubahan gravitasi dideteksi oleh sebuah
kapasitor tranduser dan mengaktifkan sebuah rangkaian umpan balik. Massa
tersebut kembali ke posisi nolnya dengan penerapan tegangan umpan balik
langsung (yang sebanding dengan perubahan gravitasi) terhadap plat-plat pada
kapasitor yang mengubah gaya elektrostatik antara plat-plat tersebut dan massa.
Gambar 6 Gravimeter Stabil Scintrex CG-3 (Reynolds,
1997)
4) Gulf ( Hoyt)
Gravimeter Gulf terdiri dari sebuah pegas pita spiral
berpilin.yang berputar ketika ada perubahan panjang. Perputaran ujung yang
bebas pada pegas tersebut jauh lebih besar dibandingkan perubahan panjang
sehingga jauh lebih mudah untuk diukur. Rentang pengukurannya cukup kecil,
yaitu hanya 300 g.u. (30 mGal), meskipun bisa diatasi agar rentang pengukuran
lebih lebar dengan peregangan pegas, dan akurasi pengukurannya antara 0,2 - 0,5
g.u. (0,02 – 0,05 mGal).
Gambar 7 Gravimeter Stabil Boliden Gulf
(Hoyt). (Reynolds, 1997)
b) Gravimeter Tipe Tak Stabil (Astatik)
Sejak tahun 1930-an, gravimeter tipe tak stabil sudah
digunakan jauh lebih luas dibandingkan rekannya, gravimeter tipe stabil. Di
perangkat stabil, sekali sistem sudah diganggu, maka ia akan kembali ke posisi
semula, sedangkan sebuah perangkat tak stabil akan bergerak lebih jauh dari
posisi aslinya.
Topik utama dari ketidakstabilan adalah untuk memperbesar
setiap pergerakan, sehingga lebih mudah untuk diukur. Inilah prinsip dasar dari
gravimeter tipe tak stabil.
Bermacam-macam model gravimeter menggunakan perangkat
yang berbeda-beda untuk mencapai ketidakstabilan.
1) Gravimeter Astatik
Sebuah penyangga yang mendekati horizontal bergantung
pada salah satu ujungnya dan menopang massa pada ujung yang lain. Penyangga
tersebut melekat pada pegas utama yang terkait bagian ujung atasnya untuk
menopang engsel. Pegas tersebut berupaya untuk menarik penyangga ke arah yang
berlawanan dengan arah jarum jam dengan momen gayanya, yang sebanding dengan
gaya pemulih pada pegas dikali jarak tegak lurus dari engsel. Momen gaya
tersebut diimbangi oleh momen gaya gravitasi yang berupaya untuk memutar
penyangga sesuai dengan arah jarum jam terhadap engsel dan sebanding dengan
berat massa (mg) dikali panjang penyangga (l) dikali cosinus sudut penyangga
dari horizontal (φ) (i.e. mg l cos φ). Jika gravitasi berubah, penyangga akan
bergerak merespon namun ia akan tertahan di posisi barunya karena pegas utama
merupakan pegas dengan panjang nol. Salah satu keutamaan pegas jenis ini adalah
pegas tersebut diregangkan selama diproduksi sehingga regangan pegas tersebut
sebanding dengan panjangnya. Ini berarti bahwa jika semua gaya disingkirkan
dari pegas tersebut, maka pegas tersebut akan anjlok sampai panjangnya menjadi
nol, sesuatu yang mustahil dalam prakteknya. Keutamaan lain dari pegas dengan
panjang nol ini adalah menghasilkan alat yang linear dan sangat responsif terhadap
berbagai nilai gravitasi. Gravimeter Astatik tidak mengukur pergerakan massa
terhadap perubahan gravitasi, tapi memakai massa yang dipindahkan untuk
dikembalikan ke posisi semula dengan menggunakan mikrometer. Pembacaan
mikrometer tersebut dikali faktor kalibrasi alat untuk memberikan nilai
gravitasi, normalnya sampai akurasi 0.1 g.u. (0,01 mGal) dan pada perangkat
spesialis sampai 0,01 g.u. (0,001 mGal).
Gambar 8 Prinsip kerja gravimeter astatik
(Reynolds, 1997)
2) Gravimeter Thyssen
Meskipun sudah kuno, gravimeter ini menunjukkan konsep
ketidakstabilan dengan sangat baik. Sebuah massa tambahan diletakkan di
atas penyangga seimbang sehingga
menghasilkan kondisi ketidakstabilan. Jika gravitasi meningkat, penyangga
miring ke kanan dan pergerakan dari massa tambahan memperbesar putaran searah
jarum jam terhadap titik pusat, dan dan sebaliknya untuk penurunan gravitasi.
Ketika digunakan, gravimeter tipe ini mempunyai sensitivitas sekitar 2,5 g.u.
(0,25 mGal).
Gambar 9 Skema gravimeter Thyssen (Reynolds,
1997)
3) Gravimeter LaCoste-Romberg
Alat ini merupakan pengembangan dari seismograf
periode panjang LaCoste (LaCoste 1934). Pegasnya terbuat dari logam dengan
konduktivitas termal tinggi namun tidak terisolasi secara sempurna untuk
menghilangkan efek termal sehingga harus ditempatkan secara permanen di dalam
sebuah kontainer tertutup yang temperatur stabilnya dipertahankan sampai 0.002oC
dengan elemen termostat. Beberapa model gravimeter LaCoste-Romberg mengukur
sampai 3 μGal.
Gambar 10 Skema gravimeter LaCoste-Romberg
(Reynolds, 1997)
4) Gravimeter Worden
Tidak seperti gravimeter LaCoste-Romberg, gravimeter
Worden seluruhnya terbuat dari pegas kaca kuarsa, balok dan serat. Konstruksi
kuarsa membuatnya lebih mudah mengurangi efek termal. Tentunya seluruh
perakitan tersebut ditempatkan di dalam sebuah botol kaca hampa udara dan
beberapa model mempunyai termostat elektrik. Karena pegas tersebut tidak bisa
dijepit, gravimeter Worden peka terhadap getaran dan harus dipindahkan dengan
sangat hati-hati. Jangkauan alat ini adalah sekitar 20.000 g.u. (2000 mGal)
dengan akurasi sampai 0,1 - 0,2 g.u. (0,01 – 0,02 mGal).
Gambar 11 Penampang melintang dari sebuah
gravimeter Worden (Reynolds, 1997)
Referensi:
Reynolds, M. John. 1997. An Introduction to
Applied and Environmental Geophysics. New York : John Wiley & Sons
mantap bung
ReplyDelete