JATUHKAN BOLA KE KOLAM: JEPITAN UDARA KEDUA MENENTUKAN APAKAH IA KEMBALI

Ketika sebuah benda padat terjun ke dalam air, benda itu menyeret udara bersamanya, membuka rongga di belakangnya, dan mengalami gaya-gaya mendadak yang membelokkan lintasannya. “Masalah masuknya benda ke air” (water-entry problem) ini penting bagi pendaratan pesawat amfibi, proyektil, dan robot bawah air, dan memiliki padanan di alam. Kajiannya dimulai dengan foto-foto berkecepatan tinggi dari sebuah bola yang menghantam air oleh Worthington, pada 1883.

Banyak hal yang sudah diketahui tentang saat-saat pertama. Rongga udara di belakang bola yang tenggelam meregang, lalu terjepit putus (pinch-off) — jepitan primer — sehingga menyisakan sekantong udara yang menempel pada bola. Apa yang terjadi selanjutnya kurang dieksplorasi, terutama untuk bola yang ringan. Prasanna Kumar Billa dan Pallab Sinha Mahapatra, di Indian Institute of Technology Madras, serta Cameron Tropea, di IIT Madras dan Technical University of Darmstadt, menelusuri kelanjutannya.

Bola, lapisan, dan kamera cepat

Tim menjatuhkan bola berukuran 4, 6, dan 10 milimeter, dengan kerapatan 1,12 hingga 7,92 kali kerapatan air, ke dalam tangki sedalam 40 sentimeter. Sebuah pipet vakum melepaskannya dari ketinggian antara 49 dan 633 milimeter, sehingga bola-bola itu menghantam permukaan dengan kecepatan 0,89 hingga 3,52 meter per detik. Kamera berkecepatan tinggi merekam pada 1.000 dan 2.000 bingkai per detik, dan setiap kondisi diulang paling sedikit tiga kali.

Permukaannya terdiri atas dua jenis. Bola hidrofobik menolak air, dengan sudut kontak sekitar 100 derajat. Bola superhidrofobik, yang dilapisi semprotan penolak air komersial, mencapai sekitar 155 derajat; di atas 150 derajat, sebuah permukaan tergolong superhidrofobik.

Masuknya bola hidrofobik (atas) dan superhidrofobik (bawah) ke dalam air. (b) Sebuah bola hidrofobik 4 mm kehilangan udaranya dan terus tenggelam; (d) sebuah bola superhidrofobik 4 mm mempertahankan lapisan udara dan naik kembali. — Gambar 2, Billa, Tropea & Sinha Mahapatra (2026), arXiv:2610.41942.

Perbedaannya langsung terlihat. Di belakang bola hidrofobik, rongganya compang-camping, dan air membasahi bola hingga ke garis khatulistiwanya. Bola superhidrofobik terbungkus sepenuhnya dalam udara, dan rongganya berdinding mulus.

Pintu satu arah

Dari rekaman-rekaman itu, tim melacak posisi, kecepatan, dan percepatan setiap bola, dan mengukur volume bola beserta udara yang menempel. Setelah jepitan primer, percepatannya kecil dan kesetimbangannya sederhana: berat menarik ke bawah, gaya apung dari seluruh volume yang dipindahkan mendorong ke atas, hambatan melawan gerakan.

Jadi, aturan untuk kembali adalah gaya apung biasa: bola itu kembali ke permukaan hanya jika volume yang dipindahkannya, termasuk udaranya, melebihi volumenya sendiri dikali rasio kerapatannya. Sebuah bola 6 mm yang mempertahankan volume pindahan sebesar 1,42 kali volumenya sendiri, dengan rasio kerapatan 1,12, berbalik dan naik. Sebuah bola 10 mm yang udaranya terjepit untuk kedua kalinya hanya tersisa 1,02 — tidak cukup — dan terus tenggelam.

Pengamatan kuncinya adalah sebuah pintu satu arah: setiap kali rongga yang menempel terjepit untuk kedua kalinya, bola itu tidak pernah kembali. Tidak ada bola dengan kerapatan paling sedikit 3,26 kali kerapatan air yang naik kembali, dan tidak ada pula yang sudut kontaknya di bawah 97 derajat.

Ukuran, kecepatan, dan peluang

Keterbasahan membantu, tetapi tidak menentukan segalanya. Di antara bola-bola superhidrofobik yang paling ringan, setiap bola 4 mm naik, setiap bola 10 mm tenggelam, dan bola-bola 6 mm melakukan keduanya dari satu pengulangan ke pengulangan berikutnya. Tumbukan yang lebih cepat dapat memicu jepitan kedua dan membuat bola yang menolak air pun tenggelam. Dan pada dua kondisi, bola-bola hidrofobik naik dalam dua dari empat percobaan.

Kedalaman terhadap waktu untuk bola-bola superhidrofobik yang paling ringan, masing-masing tiga percobaan: bola 4 mm kembali (a, b), bola 10 mm terus tenggelam (e, f), dan bola 6 mm dapat melakukan salah satunya (c, d). — Gambar 6, Billa, Tropea & Sinha Mahapatra (2026), arXiv:2610.41942.

Mengamati leher

Apa yang menentukan jepitan kedua? Tim memperbesar pengamatan pada leher rongga yang menempel, titik tersempitnya. Pada bola-bola 4 mm, leher itu bermula lebar, pada 65 hingga 97% jari-jari bola, lalu menyempit, sementara garis tempat air, udara, dan bola bertemu bergeser di permukaan.

Membandingkan gaya apung udara yang terperangkap dan berat bola dengan tegangan permukaan yang menahan leher itu menghasilkan sebuah jari-jari acuan. Rongga yang bertahan dan rongga yang putus umumnya jatuh di sisi yang berlawanan dari jari-jari itu. Namun, para penulis berhati-hati: leher yang sedang menutup pada akhirnya akan melewati ambang apa pun, sehingga pemisahan ini ditarik setelah kejadian dan tidak memprediksi jepitan. Memprediksinya akan memerlukan tekanan udara dan bentuk leher, yang terkait dengan bola yang bergerak, dan hal itu tidak terurai dalam rekaman.

Hasil yang kokoh adalah sebuah rantai sebab-akibat: perkembangan leher menentukan berapa banyak udara yang tetap menempel, dan udara itulah yang menentukan, melalui gaya apung, ke arah mana bola itu akhirnya bergerak. Keterbasahan berpengaruh melalui udara itu — bukan dengan sendirinya.