Mengenal Tribologi (Ilmu Tentang Gesekan) dan Aplikasinya dalam Kehidupan

Bagi yang pernah kuliah di jurusan Teknik Mesin, istilah tribologi tentu sudah tidak asing lagi karena itu merupakan salah satu materi dasar yang harus dipelajari. Namun, kebanyakan orang tentu masih asing dengan istilah ini. Padahal, konsep dan penerapan tribologi ada di sekitar kita, bahkan di dalam tubuh kita. Mengapa kita sulit berjalan di lantai yang licin? Mengapa kendaraan kita perlu menjalani servis secara rutin? Apa yang menyebabkan pisau menjadi tumpul? Bahan apa yang bagus untuk membuat bulu-bulu sikat gigi? Bagaimana ikan dapat berenang dengan cepat? Zat apa yang membuat siput dan lintah dapat menempel di dinding? Benarkah mengonsumsi sayuran baik untuk memperlancar pencernaan dan BAB? Pertanyaan-pertanyaan tersebut adalah sedikit contoh permasalahan dalam tribologi.

Dari akar katanya, tribologi diambil dari bahasa Yunani, tribos (menggosok) dan logia (pengetahuan). Sederhananya, tribologi adalah ilmu dan teknologi yang mempelajari interaksi antarpermukaan benda yang bergerak relatif satu sama lain. Bidang kajiannya meliputi gesekan, keausan, dan pelumasan (lubrikasi).

Mengapa tribologi?

Mungkin langsung ada yang bergumam, “Gesekan aja kok dipelajari, kurang kerjaan banget?” Jangankan orang awam, di kalangan insinyur dan ilmuwan saja, masalah ini memang kurang mendapat perhatian yang serius hingga tahun 1966. Kala itu, seorang insinyur mesin asal Inggris yang bernama Peter Jost, menyampaikan laporannya yang terkenal dengan sebutan The Jost Report. Dalam laporan tersebut, terungkap bahwa pemborosan akibat gesekan, aus, dan korosi telah menimbulkan kerugian yang cukup besar bagi perekonomian di Inggris. Kerugian tersebut antara lain terakumulasi pada proses-proses mekanik, perawatan, perbaikan, penggantian suku cadang dan peralatan, hingga menyebabkan kecelakaan dan kerusakan lingkungan.

Laporan yang cukup mengejutkan tersebut lantas menyadarkan banyak pihak, termasuk negara-negara lain karena memang sebelumnya sedikit sekali usaha untuk mengatasi isu tersebut. Penyebabnya entah karena gesekan dan keausan merupakan fenomena yang tampak samar bagi banyak orang, kerugian yang timbul dianggap tidak signifikan, pandangan bahwa keausan adalah hal yang alami, atau karena kurangnya ilmu dan pengetahuan untuk mengatasi masalah tersebut. Akibatnya, desain mesin-mesin industri dan transportasi cenderung lambat berkembang dan kurang inovasi sehingga menyebabkan berbagai kerugian yang sebenarnya bisa ditekan.

Jost sendiri yang mengusulkan (setelah berkonsultasi dengan editor Kamus Oxford) istilah atau ilmu baru yang diberi nama tribologi agar lebih menarik para ilmuwan dan insinyur untuk mendalami fenomena gesekan dan mengatasi masalah-masalah yang ditimbulkannya dengan lebih serius. Seperti yang pernah kita pelajari di bangku sekolah, gesekan tidak selalu merugikan, tetapi ada juga pengaruhnya yang menguntungkan. Gesekan antara dua benda dapat menimbulkan berbagai fenomena, seperti kenaikan suhu, pijaran api, bunyi, aus, deformasi, dll. Oleh sebab itu, tribologi menjadi kajian yang sangat penting dan menarik untuk dikembangkan. Sebagai suatu multidisiplin ilmu, riset tentang tribologi tidak hanya dilakukan oleh insinyur mesin, melainkan juga melibatkan ahli dari banyak bidang seperti fisika, kimia, matematika, material, biologi, lingkungan, hingga ekonomi dan manajemen.

Sejarah gesekan

Konsep dan penerapan gesekan sebenarnya sudah lama dikenal manusia. Manusia prasejarah mulai mampu membuat api setelah menggosok-gosokkan batu dan ranting kering. Bangsa Mesir kuno menggunakan rol kayu dan alur (rel) untuk memindahkan batu-batu yang besar. Dari situlah roda pedati dan konsep pelumasan akhirnya diciptakan untuk mengurangi gesekan. Listrik yang kita nikmati saat ini pun, berawal dari penyelidikan tentang gejala listrik statis, yaitu suatu fenomena perpindahan muatan listrik yang terjadi saat dua benda digosok-gosokkan.

Studi kuantitatif tentang gesekan antara dua benda baru dilakukan oleh Leonardo da Vinci di akhir abad ke-15, dilanjutkan oleh Amontons, Newton, Coulomb, Cavendish, Stokes, Reynolds, dll. Pencapaian mereka menjadi dasar dalam mempelajari konsep gesekan antarbenda dan telah diaplikasikan dalam berbagai wujud di kehidupan sehari-hari seperti pengembangan zat pelumas, pembuatan sol sepatu, desain rem, tekstur ban, dsb. Meskipun demikian, masih banyak misteri tentang gesekan yang belum dipahami karena belum menjadi kajian tersendiri.

Pada awal perkembangannya, tribologi (klasik) fokus dalam menanggulangi beragam kerugian yang timbul akibat gesekan pada komponen-komponen mesin, khususnya pada proses-proses produksi dan transportasi (baut, piston, bantalan, gir, rantai, rem, kopling, rel, dll). Penerapannya mencakup desain mesin, metode pelumasan, keamanan, dan daya tahan (usia pakai). Upaya tersebut lalu membuahkan hasil yang cukup signifikan seiring meningkatnya efisiensi produksi dan berkurangnya polusi. Di samping sektor manufaktur dan transportasi, sektor pembangkit energi dan perumahan juga menunjukkaan adanya peningkatan efisiensi dalam penggunaan energi.

Aplikasi tribologi

Hingga kini, tribologi telah berkembang pesat dan banyak diaplikasikan di berbagai bidang sehingga lahir lagi cabang-cabang di luar tribologi klasik atau mekanik, di antaranya

Biotribologi

Di sini dipelajari bagaimana tribologi diterapkan pada makhluk hidup. Pada manusia, aplikasi utamanya adalah dalam membuat bahan-bahan biomaterial sebagai pengganti jaringan atau organ yang rusak. Biomaterial harus memenuhi beberapa kriteria, seperti biokompatibel, bioadhesi, biofungsional, sifat mekanik, nontoksik, tidak mudah aus dan berkarat, rendah gesekan, serta dapat berfungsi dalam jangka waktu yang lama.

Sebagai contoh, pada persendian di mana ada otot, tulang, dan cairan sinovial (pelumas) yang terlibat. Aspek tribologi berguna dalam membuat sambungan artifisial untuk memperbaiki patah tulang dan kerusakan sendi. Desain dan masa pakai behel, gigi palsu, dan sikat gigi kini lebih baik berkat penelitian tribologi pada gigi. Kita harus mengunyah saat makan karena selain untuk menghaluskan makanan, mengunyah juga bertujuan agar kelenjar saliva melumasi makanan sehingga lebih mudah untuk dicerna. Pembuatan obat luar seperti salep, minyak gosok, dan kosmetik juga memerlukan analisis tribologi pada kulit agar bahan yang digunakan aman, tidak menyebabkan iritasi, tidak mudah luntur, dapat berkilau, dsb. Begitu pula dalam pembuatan obat tetes mata dan lensa kontak yang harus memperhatikan karakter mata. Mata kita tidak boleh kering sehingga kita harus selalu berkedip. Bahan untuk alat pacu jantung dibuat dari material nano yang tidak mudah aus dan berkarat. Bahan dan desain kondom pun ternyata perlu memperhitungkan aspek tribologi agar tidak merusak alat kelamin, kuat, lentur, antibocor, serta nyaman digunakan.

Tidak hanya pada manusia, tribologi pada hewan juga memiliki potensi yang luas untuk diteliti. Berawal dari kostum yang dikenakan oleh Spiderman misalnya, menarik para ilmuwan untuk membuatnya di dunia nyata dalam bentuk sarung tangan dan sepatu. Sejumlah ilmuwan menginvestigasi gaya adhesi pada kaki cecak dan serangga untuk mendesain bahan yang dapat menempel kuat pada dinding atau bahan lain, namun juga mudah untuk dilepas. Jika berhasil diwujudkan suatu saat nanti, bahan tersebut dapat dipakai oleh astronot, tentara, atau para pekerja yang biasa beraktivitas di tempat-tempat yang tinggi.

Di dalam air, studi pada kulit dan gerakan ikan hiu telah membantu para ahli dalam merancang baju renang khusus yang mengurangi hambatan air saat berenang. Salah satunya adalah LZR Racer keluaran Speedo (bekerja sama dengan NASA) yang diperkenalkan tahun 2008 oleh beberapa atlet renang. Hasilnya, sebanyak ratusan rekor dunia berhasil dipecahkan hingga akhirnya penggunaan baju berbahan khusus tersebut dilarang pada tahun 2010 karena dianggap merusak fair play. Efek negatifnya dikatakan melebihi efek pemakaian obat-obatan untuk doping. Namun demikian, penelitian tersebut menunjukkan bahwa aplikasi tribologi sangat potensial untuk dikembangkan.

Riset tribologi pada tumbuhan ternyata tidak kalah menarik. Diketahui, tekstur daun pada sejumlah tanaman menunjukkan karakter dan fungsi yang beragam. Ada yang kedap air, licin, mudah menyerap air, dapat menyimpan udara, mereplikasi diri, dll. Sifat-sifat itu lalu dimanfaatkan untuk membuat berbagai bahan seperti polimer, tekstil, kosmetik, bahan bangunan, dan masih banyak lagi.

Geotribologi

Cabang ini merupakan aplikasi tribologi pada skala yang sangat besar dan luas, yaitu pada lapisan Bumi. Ahli geologi dan geofisika menerapkannya misalnya untuk meneliti pola pergerakan lempeng di dalam Bumi. Analisis tribologi juga digunakan untuk meneliti pergerakan gletser di daerah kutub. Informasi yang diperoleh diharapkan dapat membantu para ilmuwan dalam memprediksi efek dari perubahan iklim secara global di masa depan.

Nanotribologi

Hingga dekade 1980-an, riset tribologi terkonsentrasi pada fenomena gesekan di tingkat makroskopik. Dengan semakin berkembangnya teknologi, perhatian kemudian mulai beralih untuk menyelidiki interaksi antarbahan pada skala atom dan molekul. Cabang inilah yang disebut nanotribologi. Metode penelitiannya banyak menggunakan teknik mikroskopi untuk mengamati permukaan bahan dengan resolusi yang tinggi serta analisis komputer untuk membuat pemodelan dan simulasi adhesi, gesekan, keausan, dan pelumasan, ditinjau dari dinamika molekuler pada permukaan bahan sehingga didapatkan gambaran dan mekanisme yang lebih rinci. Data itu lalu diuji secara eksperimental dan digunakan untuk mengkarakterisasi dan memodifikasi permukaan bahan sesuai sifat yang diinginkan. Melalui teknologi lapisan tipis, dua permukaan dapat direkayasa menjadi sangat licin (superlubrikasi) atau sangat lengket (superadhesi). Dalam perkembangannya selama 30 tahun, riset nanotribologi telah berkembang pesat dan menjadi topik utama dalam tribologi.

Aplikasi nanotribologi antara lain pada pengembangan piranti penyimpanan data. Dari yang semula berupa pita rekaman, kaset, dan disket yang cepat aus, data dalam jumlah besar kini dapat disimpan dengan lebih awet dalam bentuk digital berupa CD dan hard disk drive. Pengembangan material nano (material berukuran 1-100 nm) berbasis karbon seperti intan, grafit, dan grafena menjadi bagian yang penting dalam studi nanotribologi karena bahan tersebut menunjukkan sifat kekasaran dan keausan yang rendah pada skala nano. Sifat yang keras dan tidak mudah tergores ini dimanfaatkan untuk melapisi berbagai bahan (coating) seperti pada busi, kaca, rem pesawat, serta komponen-komponen pada sistem mikro- dan nanoelektronik (MEMS/NEMS). Dengan teknologi AFM (atomic force microscope) dan FFM (friction force microscopes), tingkat kekasaran dan adhesi suatu bahan dapat diukur dengan akurasi yang tinggi.

Tribologi Hijau

Salah satu tujuan utama dikembangkannya tribologi adalah untuk mengurangi sampah akibat proses produksi yang tidak efisien di berbagai industri manufaktur dan kegiatan di sektor transportasi. Banyak komponen mesin yang cepat aus dan rusak menjadi barang rongsokan sehingga banyak memakan biaya. Selain itu, proses penggerusan pada komponen-komponen mesin yang bergesekan menghasilkan partikulat tak kasat mata dengan berbagai bentuk, ukuran, dan kandungan zat kimia. Partikulat tersebut masuk ke air dan tanah sebagai polutan dan tanpa disadari dapat masuk ke dalam tubuh hewan dan manusia. Penggunaan pelumas yang kurang ramah lingkungan, baik saat digunakan maupun setelah dibuang,  juga menyebabkan polusi yang berkepanjangan. Oleh sebab itu, diperlukan perhatian yang lebih serius untuk mengatasi isu lingkungan tersebut.

Konsep tribologi hijau lahir sebagai bagian usaha dalam menjaga keseimbangan dan kelestarian lingkungan, serta memastikan penggunaan energi yang berkelanjutan dengan menekankan sumber-sumber energi alternatif seperti kincir angin, sel surya, gelombang laut, dll. Untuk meminimalisasi dampak negatif yang ditimbulkan terhadap lingkungan dan kesehatan, terdapat tiga area utama dalam tribologi hijau: 1) biomimetik (meniru sistem dan model yang terdapat di alam untuk memecahkan masalah yang berkaitan dengan teknologi), 2) penggunaan bahan dan metode pelumasan yang ramah lingkungan, dan 3) penggunaan energi terbarukan.

Teknologi Luar Angkasa

Tidak seperti mesin-mesin yang umumnya beroperasi di permukaan Bumi, mesin roket dan wahana antariksa memerlukan desain yang lebih rumit. Di luar angkasa, kondisinya lebih ekstrim: gradien temperatur sangat besar (bisa di bawah –200°C hingga 250°C), hampa udara, gravitasi mikro, dan radiasi. Pelumas biasa tentu tidak bisa berfungsi karena dapat membeku, menguap, ataupun terurai. Ketiadaan oksigen dan air menyebabkan lapisan oksida yang berfungsi sebagai pelumas tidak dapat terbentuk di permukaan bahan. Karena gravitasi yang sangat lemah, elemen mesin yang aus dapat melepas partikulat terbang dan melayang-layang sehingga dapat merusak kinerja mesin. Oleh sebab itu, tribologi memainkan peran yang vital dalam pengembangan teknologi aeronautika dan astronautika.

Olahraga

Di bidang olahraga, tribologi telah menjadi bagian dari penerapan teknologi dalam rangka meningkatkan performa dan prestasi para atlet. Semua cabang olahraga mengharuskan setiap atletnya untuk bergerak dan banyak yang bersentuhan dengan alat-alat olahraga. Dengan analisis tribologi, para ahli berusaha mengatasi berbagai kendala yang sering dihadapi oleh para atlet sepert kondisi licin atau terlalu kasar, bagaimana meminimalkan risiko cedera, bagaimana meningkatkan kecepatan putaran bola, bagaimana mengatur pantulan bola, bagaimana mengurangi hambatan udara atau air, dsb.

Sebagai contoh, banyak atlet yang diharuskan memakai sepatu. Oleh karena itu, desain sepatu olahraga harus memperhatikan bahan, fungsi, dan tempat pemakaian agar dapat mencapai hasil yang maksimal. Olahraga dalam ruang (indoor) dan luar ruang (outdoor) tentu memiliki karakter yang berbeda. Di dalam ruangan, sepatu kontak dengan lantai yang dapat berupa keramik, semen, atau karpet sedangkan di luar ruangan, sepatu biasanya kontak dengan tanah, lumpur, pasir, batu, aspal, rumput, atau bahkan salju. Tiap cabang pun memiliki karakternya sendiri-sendiri. Sepatu untuk pemain bulu tangkis, bola basket, bola voli, dan tenis meja misalnya, desainnya tidaklah sama karena gerakan yang dilakukan berbeda-beda. Begitu pula sepatu pemain sepak bola yang banyak bersentuhan dengan bola dan terkadang harus bermain di rumput yang licin.

Agar nyaman dipakai dan memudahkan dalam bergerak, pakaian olahraga didesain dengan memperhatikan karakter kulit dan bahan tekstil yang digunakan, serta faktor lain seperti keringat, kelembapan, atau hambatan air bagi yang bergerak di air. Tenis dan bulu tangkis memerlukan raket yang didesain khusus karena bahan dan tegangan senar akan memengaruhi putaran dan pantulan yang dihasilkan. Demikian halnya pada desain bet dan bola pingpong. Karakter karet dan bahan kayu yang digunakan sangat berpengaruh bagi gaya bermain seorang pemain tenis meja. Desain permukaan meja pingpong, meja biliar, lintasan bowling, peralatan senam dan atletik, bahan dan tekstur bola, dan masih banyak lagi contoh yang lain, menunjukkan bahwa riset tribologi sangat luas untuk diterapkan.

Dari paparan di atas, dapat kita lihat bahwa permasalahan yang dikaji dalam tribologi sangatlah luas, ada di sekitar kita, membentang dari skala nano hingga makro. Berbagai tantangan yang dihadapi oleh perkembangan teknologi tidak akan dapat diatasi tanpa pencapaian riset di bidang tribologi. Oleh karena itu, bidang ini sangat menarik untuk diteliti lebih jauh dan memiliki potensi yang besar untuk dikembangkan.

REFERENSI

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Tribology (diakses 17 Oktober 2020)

[2] https://www.tribonet.org (diakses 17 Oktober 2020)

[3] H.P. Jost. 1990. “Tribology – Origin and Future”. Wear 137: 1-17

[4] G.W. Stachowiak. 2017. “How tribology has been helping us to advance and to survive”. Friction 5: 233–247

[5] https://www.popularmechanics.com/science/a31996381/what-is-tribology (diakses 18 Oktober 2020)

[6] Popov, Valentin L. 2018. “Is Tribology approaching its Golden Age? Grand Challenges in Engineering Education and Tribological Research”. Frontiers in Mechanical Engineering 4

[7] Ciulli, Enrico. 2019. ”Tribology and Industry: From the Origins to 4.0”. Frontiers in Mechanical Engineering 5

[8] https://www.bearing-news.com/tribology-study-interacting-surfaces-motion (diakses 19 Oktober 2020)

[9] M.A. Hussein, A.S. Mohammed, & N. Al-Aqeeli. 2015. “Wear Characteristics of Metallic Biomaterials: A Review”. Materials 8: 2749-2768

[10] www.sciencedaily.com/releases/2007/08/070829090146.htm (diakses 18 Oktober 2020)

[11] http://news.bbc.co.uk/sport2/hi/olympic_games/7944084.stm (diakses 1 November 2020)

[12] Bhushan, Bharat. 2008. “Nanotribology, Nanomechanics and Nanomaterials Characterization”. Philosophical Transactions. Series A, Mathematical, Physical, and Engineering Sciences. 366. 1351-81. 10.1098/rsta.2007.2163.