Kereta api merupakan angkutan yang efisien untuk jumlah
penumpang yang tinggi dan angkutan barang dalam jumlah yang besar. Karena
sifatnya sebagai angkutan massal efektif, beberapa Negara berusaha
memanfaatkannya secara maksimal sebagai alat transportasi utama angkutan darat
baik dalam kota, antarkota, maupun antarnegara.
Akhir-akhir ini kereta api seperti kehilangan “pamor”.
Dimulai dengan tinnginya intensitas keterlambatan perjalanan kereta api,
buruknya sistem perawatan kereta yang terlihat dari gerbong-gerbong kereta yang
sudah usang serta tingginya angka kecelakaan akibat adanya bantalan rel yang
hilang dicuri sehingga mengakibatkan kereta tergelincir keluar dari jalurnya.
Tidak hanya itu saja, keterlambatan kereta rel listrik juga sering terjadi,
bahkan sempat ada wacana mengenai kereta rel listrik yang kekurangan pasokan daya
listrik. Sungguh sangat disayangkan.
Seiring dengan perkembangan tekhnologi maka para ilmuwan
menciptakan berbagai macam inovasi untuk mengurangi berbagai macam problem yang
sering dialami, sehingga terciptalah kereta Maglev yang menggunakan aplikasi
magnet. Secara sederhana,
kereta maglev adalah kereta tanpa roda yang menggunakan tenaga magnet untuk
melayang, mengerakkaan dan mengontrol jalannya kereta. Kereta
api terbang yang dikenal sebagai Magnetically Levitated Train (Maglev
Train) ini hanya akan melayang setinggi beberapa sentimeter di atas rel
kereta. Hanya beberapa sentimeter, tetapi kereta itu benar-benar terbang karena
sama sekali tidak bersentuhan dengan rel kereta. Kereta ini juga tidak akan
memiliki sayap seperti pesawat terbang (dalam aerodinamika, sayap merupakan
bagian paling penting untuk terbang). Dan selain bisa terbang, kereta ini juga
bisa meluncur dengan kecepatan sangat tinggi.
MagLev adalah singkatan dari MAGnetically LEVitated
trains yang terjemahan bebasnya adalah kereta api yang mengambang secara
magnetis. Sering disebut kereta api magnet. Riset Maglev dimulai tahun 1962,
dan pada tahun 1970 studi tentang system letivasi elektrodinamis dengan
menggunakan superkonduksi telah menampakkan hasilnya.
Pengujian pertama dilakukan pada tahun 1979. Di bulan Desember 1986, sebuah
kereta dengan 3-mesin tercatat mencapai kecepatan 352.4 km/jam (220 mph). Di
bulan Desember 1997, sebuah kereta dengan jenis MLX01 yang berawak dapat
mencapai kecepatan 531 km/jam (331 mph), sedangkan yang tidak berawak dapat
mencapai 550 km/jam (344 mph). Tahun berikutnya, sebuah pengujian terhadap
sepasang kereta api yang saling berpapasan dengan kecepatan relatif 966 km/jam
berhasil. Di bulan Maret 1999, sebuah kereta tanpa awak MLX01 5-mesin dapat
mencapai kecepatan 548 km/jam (342 mph). Di bulan April, kereta berawak 5-mesin
MLX01 mencatat rekor yang menakjubkan dengan mencapai kecepatan 552 km/jam (345
mph).
a)
Magnet
Magnet atau magnit
adalah suatu obyek yang mempunyai suatu medan magnet. Kata magnet (magnit)
berasal dari bahasa Yunani magnítis líthos yang berarti
batu Magnesian. Magnesia adalah nama sebuah wilayah di Yunani pada masa lalu
yang kini bernama Manisa (sekarang berada di wilayah Turki) dimana terkandung
batu magnet yang ditemukan sejak zaman dulu di wilayah tersebut.
Pada saat ini,
suatu magnet adalah suatu materi yang mempunyai suatu medan magnet. Materi
tersebut bisa dalam berwujud magnet tetap atau magnet tak tetap. Magnet yang
sekarang ini hampir semuanya adalah magnet buatan. Magnet selalu memiliki dua
kutub yaitu kutub utara (nort/N) dan kutub selatan (south/S). Walaupun magnet
itu dipotong-potong, potongan magnet kecil tersebut akan tetap memiliki dua
kutub. Magnet dapat menarik benda lain. Beberapa benda bahkan tertarik lebih
kuat dari yang lain, yaitu bahan logam. Namun tidak semua logam mempunyai daya
tarik yang sama terhadap magnet. Besi dan baja adalah dua contoh materi yang
mempunyai daya tarik yang rendah oleh magnet.
Jika magnet batang
ditaburi serbuk besi atau paku- paku kecil, sebagian besar serbuk besi maupun
paku akan melekat pada kedua ujung magnet. Bagian kedua ujung magnet akan lebih
banyak serbuk besi atau paku yang menempel daripada di bagian tengahnya. Hal
itu menunjukkan bahwa gaya tarik magnet paling kuat terletak pada
ujung-ujungnya. Ujung magnet yang memiliki gaya tarik paling kuat itulah yang
disebut kutub magnet. Bagaimanakah menentukan jenis kutub magnet? Sebuah magnet
batang yang tergantung bebas dalam keadaan setimbang, ujung-ujungnya akan
menunjuk arah utara dan arah selatan bumi. Ujung magnet yang menunjuk arah
utara bumi disebut kutub utara magnet. Sebaliknya, ujung magnet yang menunjuk
arah selatan bumi disebut kutub selatan magnet. Alat yang digunakan untuk
menunjukkan arah utara bumi atau geografis disebut kompas. Kompas merupakan
magnet jarum yang dapat bergerak bebas pada sebuah poros. Pada keadaan
setimbang salah satu ujung magnet jarum menunjuk arah utara dan ujung lainnya
menunjuk arah selatan.
Jika kutubnya
senama akan saling menolak tetapi jika kutubnya berbeda akan saling menarik.
Pada saat dua magnet terpisah jarak yang jauh, belum terasa adanya gaya tarik
atau gaya tolak. Makin dekat kedua magnet, makin terasa kuat gaya tarik atau
gaya tolaknya.
Jika di sekitar
magnet batang diletakkan benda-benda magnetik, benda-benda itu akan ditarik
oleh magnet. Makin dekat dengan magnet, gaya tarik yang dialami benda makin
kuat. Makin jauh dari magnet makin kecil gaya tarik yang dialami benda. Ruang
di sekitar magnet yang masih terdapat pengaruh gaya tarik magnet disebut medan
magnet. Pada tempat tertentu benda tidak mendapat pengaruh gaya tarik magnet.
Benda yang demikian dikatakan berada di luar medan magnet. Medan magnet tidak
dapat dilihat dengan mata. Namun, keberadaan dan polanya dapat ditunjukkan.
Garis-garis yang menggambarkan pola medan magnet disebut garis-garis gaya
magnet. Garis-garis gaya magnet tidak pernah berpotongan satu sama lainnya.
Garis-garis gaya magnet keluar dari kutub utara, masuk (menuju) ke kutub
selatan. Makin banyak jumlah garis-garis gaya magnet makin besar kuat medan
magnet yang dihasilkan. Apapun bentuknya sebuah magnet memiliki medan magnet
yang digambar berupa garis lengkung.
Dua kutub magnet
yang tidak sejenis saling berdekatan pola medan magnetnya juga berupa garis
lengkung yang keluar dari kutub utara magnet menuju kutub selatan magnet.
Bagaimanakah kerapatan pola medan magnet dua kutub magnet yang makin
berdekatan?
Pada dua kutub magnet yang tak sejenis, garis-garis gaya magnetnya keluar dari kutub utara dan masuk ke kutub selatan magnet lain. Itulah sebabnya dua kutub magnet yang tidak sejenis saling tarik-menarik. Pada dua kutub magnet yang sejenis, garis-garis gaya magnet yang keluar dari kutub utara masing-masing cenderung saling menolak. Mengapa? Karena arah garis gaya berlawanan, terjadilah tolak-menolak antara garis-garis gaya yang keluar kedua kutub utara magnet. Hal itulah yang menyebabkan dua kutub yang sejenis saling menolak.
Pada dua kutub magnet yang tak sejenis, garis-garis gaya magnetnya keluar dari kutub utara dan masuk ke kutub selatan magnet lain. Itulah sebabnya dua kutub magnet yang tidak sejenis saling tarik-menarik. Pada dua kutub magnet yang sejenis, garis-garis gaya magnet yang keluar dari kutub utara masing-masing cenderung saling menolak. Mengapa? Karena arah garis gaya berlawanan, terjadilah tolak-menolak antara garis-garis gaya yang keluar kedua kutub utara magnet. Hal itulah yang menyebabkan dua kutub yang sejenis saling menolak.
b)
Superkonduktor
Superkonduktor
adalah material yang memiliki resistansi (tahanan) listrik nol. Superkonduktor dapat
menghantarkan arus listrik tanpa adanya penguraian energi. Dengan kata lain
arus listrik dapat mengalir selamanya tanpa adanya pengurangan energi dalam
penghantar yang memiliki sifat superkonduktor. Pada tahun 1933, Meissner dan
Ochsenfeil, dua ahli fisika Jerman, menemukan bahwa superkonduktor menolak
medan magnetik yang mengenainya. Gaya tolak yang ditimbulkan melalui proses
sebagai berikut:
Apabila pelet superkonduktor didekati
oleh medan magnet yang berbentuk tablet, magnet akan menginduksi arus super
(supercurrent) pada permukaan superkonduktor. Arus super ini akan menginduksi
medan magnetic pada superkonduktor. Arus ini terus mengalir meskipun magnet
berhenti bergerak. Medan magnetik yang timbul pada permukaaan superkonduktor
bertolakan dengan medan magnet dari magnet yang digunakan.
Hal ini analog dengan tolakan yang timbul
kutub-kutub utara atau kutub-kutub selatan dari dua magnet batang didekatkan.
Magnet yang berbentuk batang akan mengalami levitasi (levitation) Levitasi
superkonduktor dalam bahasa Inggris dikenal dengan Superconductor Levitation
adalah sifat material superkonduktor pada suhu rendah yang bisa melayang di
dalam jangkauan medan magnet karena adanya efek Meissner. Material
superkonduktor sendiri adalah material yang akan memiliki resistansi nol pada
suhu sangat rendah. Material konduktor lain seperti tembaga dan perak memiliki
sifat akan menurun resistansi elektriknya ketika berada dibawah suhu normal.
Namun superkonduktor adalah istimewa, material ini akan benar-benar memiliki
resistansi elektrik nol di suhu sangat rendah.
Sifat
tersebut akan menjadi superkonduktor memiliki efek Meissner seperti pada gambar
diatas. Pada suhu normal superkonduktor tidak akan terpengaruh dengan medan
magnet. Namun di suhu rendah melebihi suhu kritisnya material superkonduktor
akan terperangkap terpengaruh dalam medan magnet.
|
Magnet berbentuk tablet
|
|
Gaya gravitasi
|
|
Gaya tolak antara medan magnet dan
medan
magnetik superkonduktor
|
Penolakan medan magnetik eksternal secara
sempurna oleh superkonduktor disebut sebagai efek Meissner. Fenomena levitasi
berdasarkan efek Meissner sering digunakan sebagai demonstrasi untuk mengetahui
sifat superkonduktor suatu material. Gambar levitasi superkonduktor sebagai
berikut :
Efek Meissner menunjukkan bahwa medan
magnet di dalam sebuah logam superkonduktor seolah-olah sama dengan nol. Oleh
karena itu, kita dapat menuliskan persamaan untuk medan magnet dalam logam
superkonduktor sebagai berikut :
B
= Ba + 4 πM = 0 (dalam
system satuan CGS) atau
B
= Ba + π0M = 0
(dalam system satuan SI)
Dimana B = medan magnet di dalam
logam superkonduktor, Ba = medan magnet dari luar, dan M =
magnetisasi. Dari kedua persamaan diatas, kita dapat mengetahui bahwa medan
magnet dari luar (Ba) adalah sama dengan :
Ba
= - 4 πM (dalam satuan CGS) atau
Ba
= -π0 M = - M/ε0c2 (dalam system satuan SI).
Dimana π0 = permiabilitas
ruang hampa = 4π x 10-7 Wb/A.m dan ε0 = permiativitas
ruang hampa =8,854 x 10-12 F/m.
Ada tiga jenis tekhnologi maglev :
1.
Yang tergantung pada magnet superkonduktivitas
(suspensi elektrodinamik)
2.
Yang tergantung pada elektromagnetik terkontrol (suspensi
elektromagnetik)
3.
Yang terbaru, mungkin lebih ekonomis, menggunakan
magnet permnen (Inductrack)
Pengangkatan magnetik murni menggunakan elektromagnet atau magnet permanen
tidak stabil karena teori
Earnshaw; Diamagnetik dan magnet superkonduktivitas dapat menopang maglev dengan stabil.
Berat dari elektromagnet besar juga merupakan isu utama dalam desain.
Medan magnet yang sangat kuat dibutuhkan untuk mengangkat kereta yang berat.
Efek dari medan magnetik yang kuat tidak diketahui banyak. Oleh karena itu
untuk keamanan penumpang, pelindungan dibutuhkan, yang dapat menambah berat
kereta. Konsepnya mudah namun teknik dan desainnya kompleks.
Sistem yang lebih baru dan tidak terlalu mahal disebut Inductrack. Teknik ini memiliki kemampuan membawa beban
yang berhubungan dengan kecepatan kendaraan, karena ia tergantung kepada arus
yang diinduksi pada sekumpulan elektromagnetik pasif oleh magnet permanen.
Dalam contoh, magnet permanen berada di gerbong; secara horizontal untuk
menciptakan daya angkat, dan secara vertikal untuk memberikan kestabilan.
Sekumpulan kabel putar berada di rel. Magnet dan gerbong tidak membutuhkan
tenaga, kecuali untuk pergerakan gerbong. Inductrack pada awalnya dikembangkan
sebagai motor magnetik dan penopang untuk "flywheel" untuk menyimpan
tenaga. Dengan sedikit perubahan, penopang ini diluruskan menjadi jalur lurus.
Inductrack dikembangkan oleh fisikawan Wiliiam Post di Lawrence
Livermore National Laboratory.
Inductrack
menggunakan array Halbach untuk penstabilan. Array Halbach adalah
pengaturan dari magnet permanen yang menstabilisasikan putaran kabel yang
bergerak tanpa penstabilan elektronik. Array Halback mulanya dikembangkan untuk
pembimbing sinar dari percepatan
partikel. Mereka juga memiliki
medan magnet di pinggir rel, dan mengurangi efek potensial bagi penumpang.
Bagaimana kereta bergerak maju ??
Pada gambar jajaran
magnet di sepanjang dinding dan di sepanjang kereta (huruf-huruf U menunjukkan
kutub Utara, dan S menunjukkan kutub Selatan). Jajaran magnet di sep anjang
dinding ini dihasilkan oleh arus listrik bolak-balik dari stasiun-stasiun
terdekat. Kutub Utara (U) di gerbong kereta paling depan ditarik oleh kutub
Selatan dan ditolak oleh kutub Utara dinding lintasan. Hal yang sama terjadi
pada sisi kereta yang lain. Pada gambar, panah berwarna hijau menunjukkan gaya
tarik antara kutub Utara dan Gambar 2.A Selatan yang menarik maju kereta. Panah
kecil berwarna biru menunjukkan gaya tolak antar kutub sejenis (Utara dengan
Utara, Selatan dengan Selatan). Gaya tarik dan gaya tolak yang bekerja
bersamaan ini membuat kereta bergerak maju dengan mulus.
Kereta Maglev mengambang
kurang lebih 10 mm di atas rel magnetiknya. Dorongan ke depan dilakukan melalui
interaksi antara rel magnetik dengan mesin induksi yang juga menghasilkan medan
magnetik di dalam kereta.
Pada saat kereta api
dilevitasi, daya listrik diberikan ke kumparan di dalam dinding jalur pemandu
untuk membentuk suatu sistem unik medan magnet yang menarik dan mendorong
kereta sepanjang jalur pemandu.
Arus listrik yang
diberikan ke kumparan pada dinding jalur pemandu secara berganti-ganti mengubah
polaritas kumparan magnet. Perubahan polaritas ini menyebabkan medan magnetik
di depan kereta menarik kereta ke depan, sementara medan magnet di belakang
kereta menambahkan gaya dorong ke depan. Kereta maglev mengambang di atas suatu
lapisan udara sehingga menghilangkan gesekan. Tidak adanya gesekan serta
rancangan aerodinamis kereta membuat kereta ini dapat mencapai kecepatan lebih
dari 500 kilometer per jam.
Apa
prinsip yang digunakan untuk mengangkat kereta sehingga bisa “terbang” ?
1. Aplikasi
superkonduktor dalam teknologi kereta api supercepat adalah memanfaatkan salah
satu sifat dari superkonduktor yang paling menarik, yaitu sifat efek Meissner.
Seperti dijelaskan di atas bahwa sebuah logam superkonduktor dapat
membangkitkan medan magnet sedemikian rupa sehingga dapat menolak medan magnet
luar. Atau dengan kata lain, suseptibilitas magnetik superkonduktor adalah
negatif. Artinya, superkonduktor adalah logam diamagnetik. Dengan adanya sifat
ini, maka para ahli berusaha memanfaatkannya dalam tekonologi kereta api yang
berkecepatan tinggi.
Kecepatan
tinggi dapat dicapai dengan cara membuat seluruh rangkaian gerbong kereta api
itu dibuat melayang di atas rel. Hal ini dimungkinkan dengan cara menempatkan
medan elektromagnetik pada rel kereta api dan melekatkan logam superkonduktor
pada gerbong-gerbong kereta api sehingga akibat adanya efek Meissner itu maka
rangkaian gerbong kereta api dapat melayang. Dengan demikian, gesekan antara
rel dengan rangkaian gerbong menjadi praktis nol. Hasilnya, dengan memberi
sedikit saja gaya dorong pada rangkaian gerbong tersebut, maka rangkaian
gerbong tersebut dapat melaju dengan kecepatan yang sangat tinggi. Keadaan
seperti di atas tidak berarti tanpa kendala. Sebab medan magnet luar yang
sangat kuat dapat merusak sifat superkonduktivitas logam superkonduktor. Jadi,
setiap logam superkonduktor akan memiliki batas kekuatan untuk menolak medan
magnet luar. Jika batas ini sudah dilampaui, maka sifat superkonduktor itu akan
berubah menjadi konduktor biasa, meskipun secara fisik logam itu tidak
mengalami perubahan. Nilai terkecil medan magnet luar yang menyebabkan sifat
superkonduktivitas logam rusak disebut medan magnet kritis dan biasa diberi
simbol Bac(T). Bac(T) ini merupakan fungsi suhu T. Artinya, nilai minimum
medan magnet luar ini bervariasi terhadap suhu.
2. Prinsipnya
Gaya tarik dan gaya tolak kutub-kutub magnet! Pada Gambar 2-B kita melihat
adanya magnet pada dinding lintasan. Magnet ini dihasilkan oleh induksi
elektromagnet akibat gerakan kereta. Ketika posisi kereta beberapa sentimeter
dibawah pusat magnet dinding ini, maka kutub Selatan dinding akan menarik
kereta ke atas dan kutub Utaranya akan mendorong kereta juga ke atas. Gaya
tarik dan gaya dorong ini membuat kereta melayang , tidak menyentuh rel sama
sekali. Dinding yang memagari lintasan kereta ini tidak hanya berfungsi untuk
menarik dan mendorong kereta supaya bergerak maju dan mengangkat kereta
sehingga bisa melayang. Ada satu fungsi lainnya yang tidak kalah pentingnya,
yaitu sebagai pengendali arah laju kereta (guidance).
Maksudnya
adalah supaya kereta tidak pernah keluar jalur dan tetap berada di
tengah-tengah lintasan setiap saat. Prinsip magnet kembali digunakan sebagai
pengendali. Ketika kereta oleng ke kiri, gerakan kereta ini mengakibatkan kumparan
kawat dinding kiri dan kanan menjadi magnet. Magnet pada dinding kiri dan
dinding kanan diusahakan memiliki kutub yang sama, misalnya kutub Utara.
Misalnya gerbong kereta yang berhadapan dengan dinding di sisi kiri memiliki
kutub Utara juga, dan gerbong kereta yang berhadapan dengan dinding di sisi
kanan memiliki kutub Selatan. Pada sisi kiri akan terjadi tolak-menolak antara
kutub Utara dari dinding dan kutub Utara gerbong kereta. Pada sisi kanan
terjadi tarik-menarik antara kutub Utara dinding dan kutub Selatan kereta.
Gaya-gaya
ini akan mengembalikan kereta pada posisi sebelum oleng. Demikian juga jika
kereta oleng ke kanan, kereta akan dikembalikan ke posisi semula oleh gaya
magnet ini. Jadi gaya magnet ini akan mempertahankan kereta supaya tetap berada
di lintasannya (stabil di tengah-tengah lintasan), tidak akan keluar jalur.
Kalau
tidak ada gesekan berarti tidak ada hambatannya (hanya perlu mengatasi hambatan
udara) sehingga kereta bisa meluncur mulus dengan kecepatan sangat tinggi.
Untuk mengurangi hambatan udara rancangan kereta sengaja dibuat supaya bagian
depannya berbentuk seperti moncong lumba-lumba.
Bagaimana cara berhentinya ?
Cara penghentian kereta Maglev sama dengan
caranya maju, yaitu dengan sistem maknit superkonduksi. Diberi tolakan antara
kutub yang sama.
Bagian pemantau elektronik mesin
Roda dan remnya
Kereta jenis TGV (bahasa Prancis: train à grande vitesse, yang berarti kereta kecepatan
tinggi) memiliki sistem rem dinamis, dengan
bantalan rem untuk berhenti untuk kebutuhan darurat. Setiap gerbong dilengkapi
dengan empat cakram per as rodanya, dan bantalan rem cadangan. Rem dengan
sistem induksi maknit sedang direncanakan untuk model yang akan datang. Jalur
kereta api super cepat ini benar-benar dipagar ketat dan dirawat dengan sangat
teliti, walaupun pernah terjadi kasus tergelincir
Kelebihan
dan kekurangan
Kelebihan utama dari kereta ini
adalah kemampuannya yang bisa melayang di atas rel, sehingga tidak menimbulkan
gesekan. Konsekuensinya, secara teoritis tidak akan ada penggantian rel atau
roda kereta karena tidak akan ada yang aus (biaya perawatan dapat dihemat).
Keuntungan sampingan lainnya adalah tidak ada gaya resistansi akibat gesekan.
Gaya resistansi udara tentunya masih ada. Untuk itu dikembangkan lagi Kereta
Maglev yang lebih aerodinamis.
Dikarenakan bentuk dan kecepatan
kereta yang fantastis ini, kebisingan (suara) yang ditimbulkan disaat kereta
ini bergerak hampir sama dengan sebuah pesawat jet, dan di perhitungkan lebih
mengganggu daripada kereta konvensional. Sebuah studi membuktikan suara yang
ditimbulkan oleh kereta meglev dengan kereta konvensional biasa lebih bising
sekitar 5dB yaitu 78% nya. Kekurangan lain kereta ini adalah di mahalnya
investasi terutama pengadaan relnya.
·
Sifat superkonduktor yang bermanfaat bagi
pembuatan kereta api supercepat adalah efek Meissner, sehingga kereta dapat
melayang.
·
Selain efek Meissner, kereta juga dapat melayang
dikarenakan adanya gaya tarik menarik antar magnet yang ada di sepanjang rel
kereta yang juga mampu membuat kereta bergerak maju serta berhenti.
·
Kereta jenis TGV memiliki sistem rem dinamis,
dengan bantalan rem untuk berhenti untuk kebutuhan darurat.
·
Kelebihan kereta ini adalah tidak adanya gesekan
pada rel sehingga tidak ada pergantian rel atau roda (akan lebih hemat).
·
Kekurangan kereta ini adalah kebisingan (suara)
yang ditimbulkan disaat kereta ini bergerak hampir sama dengan sebuah pesawat
jet, dan di perhitungkan lebih mengganggu daripada kereta konvensional.
DAFTAR PUSTAKA
No comments:
Post a Comment