Dari Jam ke Jam

Walaupun kelihatannya sederhana, jam dianggap sebagai kunci dari masa industrialisasi modern.

Jam induk di Biro Standar Nasional di Boulder, Colorado, selalu menunjukkan waktu yang tepat. Tidak pernah berkurang atau bertambah sedetikpun dalam 370.000 tahun. Apakah ini sudah memenuhi keinginan manusia akan ketepatan waktu? Ternyata tidak. Untuk tujuan tertentu, jam yang paling baik saat ini belum memenuhi keinginan manusia!

Dalam buku “Technics and Civilization”, Lewis Mumford berpendapat bahwa bukan kereta api tetapi jam, yang merupakan kunci dari masa industrialisasi modern. Pembuatan jam lah yang pertama kali mempergunakan teori fisika dan mekanika. Pembuatan jam menggalakkan perkembangan metal, per, gerigi dan peralatan yang tepat. Dan juga menggiring kita dari dunia yang hanya dibatasi dengan terbit dan tenggelamnya matahari ke dunia industrialisasi dan sinkronisasi.

Jam mekanis yang pertama pada abad 13 sebenarnya hanya merupakan lonceng yang dibunyikan oleh mesin. Ketepatan waktu tidaklah penting bagi mereka pada abad itu. Memang benar para ilmuwan memerlukan waktu untuk menentukan perjalanan benda-benda angkasa, dan para rahib harus mengetahui waktu untuk berdoa. Tetapi bagi orang dahulu, tanda waktu hanya penting untuk mengetahui kapan memulai dan berhenti bekerja, membuka dan menutup pagar kota, dan juga untuk menentukan jam malam. Dahulu beberapa jam menara bahkan tidak memiliki muka; hanya dilengkapi dengan lonceng.

Seperti jam yang lain, jam dahulu juga memiliki dua bagian yang penting : sumber tenaga (suatu beban yang digantung dengan tali) dan sebuah osilator untuk menjaga agar gerakan jam tetap. Osilator yang pertama, yang dinamakan foliot, hanya merupakan kayu yang bergerak ke kiri dan ke kanan mengelilingi sebuah poros vertikal. Pada waktu beban yang digantung itu perlahan-lahan turun, sebuah roda yang berbentuk seperti makhota raja akan berputar. Foliot menahan gigi makhota itu agar jam tidak terlalu cepat.

Jam menara pada abad pertengahan, yang digerakkan dengan beban yang berat, sering lebih cepat atau ter-lambat 1/2 jam per hari. Buatannya kasar, tidak tepat dan harus sering distel. Walaupun demikian, jam itu bertahan selama empat abad.

Pada zaman Renaissance, jam lebih merupakan hiasan daripada alat penunjuk waktu. Jam-jam itu dihiasi dengan lempeng-lempeng yang indah. Mekanisme jam menara kemudian diperkecil bentuknya, dan pada abad ke 14 ia menjadi simbol status. Seperti jam menara, jam ini hanya mempergunakan satu jarum.

Selama beban masih merupakan sumber tenaga, maka jam rumah tidak praktis dan biasanya digantung tinggi di atas dinding. Sekitar tahun 1500, ditemukan jam yang digerakkan dengan per. Sebuah per menggantikan beban. Tidak lama kemudian, jam saku yang bulat mulai disukai oleh kalangan mewah yang suka akan sesuatu yang baru. Tetapi jam ini tetap memakai foliot sebagai osilatornya , dan amat peka terhadap goncangan. Ketika foliot digantikan dengan “roda pengimbang” (balance wheel), maka jam dapat lebih diandalkan.

Galileo, penemu teleskop, menemukan bahwa gerakan bandul lebih konstan. Dia oleh sebab itu mencoba membuat jam yang berbandul. Tetapi ia gagal. Pada tahun 1657, terjadi suatu perubahan ketika Salmon Coster berhasil membuat sebuah jam bandul yang dirancang oleh Christian Huygen, sarjana terkenal dari Belanda. Pada kebanyakan jam bandul, tiapkali bergerak ia akan melepas satu gigi dari roda makhota, sehingga roda berputar dalam gerakan-gerakan pendek. Sebagai osilator, bandul lebih stabil dari foliot dan dapat mengurangi kesalahan jam rumah dari 10 menit menjadi 10 detik per hari!

Karya Huygen ini memulai suatu era baru. Untuk pertama kali, jam telah menjadi alat yang tepat. Pekerjaan sehari-hari dapat diatur. Tidak semua orang menyukai perubahan ini. Pada abad 17, Madame Lovigny meninggalkan rumahnya yang berdekatan dengan menara lonceng Paris yang berdentang tiap seperempat jam. Dia berpendapat, dentangan-dentangan itu mengiris kehidupannya menjadi bagian-bagian yang kecil.

Namun jam-jam itu tetap berkembang . Pada zaman sesudah Huygen, bandul-bandul yang lebih panjang dipergunakan untuk mengurangi kesalahan jam.

Pada abad pertengahan dan Renaissance, penemuan-penemuan itu didorong terutama oleh keinginan manusia akan ketelitian. Tapi pada abad ke 18, bagi navigasi, jam kapal yang sangat tepat, atau kronometer, sangat dibutuhkan untuk menentukan posisi kapal terhadap matahari, bulan atau bintang-bintang.

Pada tahun 1714, pemerintah Inggris menawarkan £20.000 untuk sebuah kronometer yang tidak akan berbeda lebih dari tiga detik per hari. Sungguh suatu tantangan yang berat, karena gerakan kapal akan menggang gu pendulum (bandul). Maka sistem per harus dipakai dan diperbaiki terlebih dahulu.

Selain itu, perubahan suhu di kapal sangatlah menonjol; perubahan suhu itu akan mempengaruhi kecepatan jam. Dengan naiknya suhu maka logam berkembang, memperpanjang bandul dan memperlebar roda keseimbangan, sehingga memperlambat gerakan. Untuk membuat jam yang tepat, para pembuat jam harus mencari cara untuk menghindari perubahan-perubahan itu. Gesekan antara komponen-komponen jam juga merupakan problema yang dapat mempengaruhi gerakan pendulum atau perputaran roda.

Ternyata hadiah £20.000 itu memberi hasil. Pada tahun, 1728, John Harrison membuat jam yang digerakkan oleh per. Pada tahun 1735 terciptalah kronometernya yang pertama. Beratnya 36 kg. Untuk mengimbangi gerakan laut, alat itu mempergunakan dua roda yang berputar pada arah yang berlawanan. Untuk mengatasi perubahan suhu, Harrison menambahkan beberapa batang kuningan dan besi yang digabungkan sehingga bengkok sedikit jika dipanaskan, seperti sebuah termostat. Untuk mengurangi gesekan, dipakai “batu” ruby pada porosnya. Pada tahun 1761, kronometer yang keempat dibuat oleh Harrison, mirip jam tangan dengan garis tengah 12,5 cm, dan bekerja sangat baik. Sejak masa Harrison, kemajuan pembuatan jam sangat sedikit. Perbaikan hanya mencari cara yang tepat untuk menyesuaikan jam dengan perubahan suhu.

Jam mekanik terbaik ditemukan oleh Willian H. Shortt pada tahun 1921. Jamnya mempunyai dua bandul. Bandul induk untuk mengatur waktu dan bandul kecil untuk mengatur mekanisme jam. Posisi bandul induk dipergunakan untuk mengoreksi pendulum yang kecil. Setiap 30 detik, sebuah pengungkit kecil yang digerakkan dengan listrik, menggerakkan bandul besar supaya tetap berjalan. Ketepatan jam ini ialah satu per sekian ribu detik perhari (1 detik tiap beberapa tahun) Sulit untuk mengungguli jam ini, kecuali dengan teknologi baru.

Maka datanglah era jam yang dikontrol oleh kristal. Jika suatu v.bltase kecil dikenakan pada kristal quartz, maka kristalnya akan terentang atau tertekan. Fenomena ini dinamakan efek piezoelektrik. Kristal quartz merupakan garpu penala yang baik, bergetar pada suatu kecepatan tinggi yang sangat seragam. Maka prinsip dari jam kristal sangat sederhana. Berilah voltase pada suatu kristal quartz dan ini akan menyebabkannya bergetar; dan pergunakanlah getaran ini untuk mengatur sirkuit listrik osilator, Konsep ini diubah menjadi kenyataan oleh Dr. Warren A Morrison dari Bell Laboratories pada tahun 1929.

Jam kristal yang pertama lebih besar dari kulkas. Tapi sekarang kita memakainya pada pergelangan tangan kita. Karena diperkecil maka ketepatannya berkurang. Bahkan dalam jam quartz yang terbaik, kecepatan gerakan kristal tidak mutlak konstan. Untuk kemajuan pembuatan jam terus dicari osilator yang lebih stabil. Jam induk di Biro Standar Nasional di atas mempergunakan atom cesium. Suatu berkas atom cesium dibuat bermuatan magnit secara elektris, dan sebagian dari berkas ini dikenai gelombang radio frekuensi tinggi. Atom cesium akan memberi reaksi dengan getaran tepat 9.192.631.770 kali per detik.

Tapi siapakah yang memerlukan ketepatan yang begitu tinggi? Umpamanya anda adalah seorang ahli geologi yang ingin mengukur pergeseran benua (tahukah bahwa semua benua bergeser dan berubah bentuk?).

Mintalah ahli astronomi pada beberapa lokasi di 2 benua, untuk mencatat secara bersama sinyal-sinyal radio quasar (sejenis bintang) tertentu. Dengan membandingkan sinyal-sinyal yang diterima pada lokasi yang berbeda, anda dapat mengukur jarak antara kedua benua dengan ketepatan beberapa sentimeter. Tapi ini hanya dapat dilaku-kan bila jam dapat mencatat perbedaan waktu—tiba yang hanya sepersekian ratus billion detik. Benua-benua bergeser beberapa sentimeter per tahun. Maka setahun kemudian anda mengukur sekali lagi untuk melihat apakah benua itu benar-benar bergerak.

Adakah kegunaan lain dari pencatat waktu? Ada. Stasiun TV mempergunakan jam rubidium (mirip dengan jam cesium tetapi lebih murah dan kurang stabil) untuk menghasilkan frekuensi transmisi, selain untuk tanda-tanda waktu. Perusahaan pembangkit listrik mensinkronkan jam kristalnya dengan jam atomik Biro Standar Nasional untuk mengatur arus listrik agar frekuensinya tepat 60 per detik.
Perusahaan telepon mempergunakan jam quartz untuk membangkitkan frekuensi transmisi dan untuk “multiplexing”, yaitu mengirim beberapa percakapan dalam satu kawat dengan cara memotong-motong percakapan itu dan mengirimkannya dengan rangkaian yang cepat. Jika potongan itu akan disatukan, maka alat penerima harus disinkronkan dengan pemancar.

Bagaimana atom yang bergetar dapat menjalankan jam? Tidak secara langsung! Getaran atom cesium dapat digunakan untuk menstabilkan jam quartz kristal. Pada mulanya dibuat jam quartz yang getarannya hamper 9.192.631.77O per detik. Sebuah detektor yang memonitor getaran atom cesium akan menyesuaikan getaran jam quartz dengannya.

Jam cesium komersial sekarang sudah ada, berharga $ 25.000; secara teoritis bertambah atau berkurang tidak lebih dari satu detik setiap 30.000 tahun.

Pada abad ke 17, kebutuhan akan sistem navigasi yang tepat mendesak perkembangan teknologi waktu. Jam cesium yang sekarang ini sudah tepat, tapi ternyata belum memadai untuk Global Positioning System. Sistem ini merupakan sistem navigasi yang ketepatannya tergantung pada satelit dan jam atomik. Pemboran minyak lepas pantai misalnya membutuhkan sistem navigasi yang dapat memberitahu posisi mereka dalam ketepatan beberapa meter, suatu ketepatan yang tidak terdapat sekarang. Apa yang akan datang sesudah jam cesium? Jam yang menggunakan maser (mirip laser) hidrogen! Sayangnya, jam maser walaupun mula-mula 10 kali lebih stabil dari jam cesium, lama-lama menjadi tidak stabil, sehingga membatasi kegunaannya.

Dalam kondisi tertentu, inti atom dapat memancarkan sinar gamma yang frekuensinya luar biasa stabil.

Jika fenomena ini, yang dinamakan efek Mossbauer, dapat dipergunakan untuk menyetel jam, maka dapat dihasilkan ketepatan 1.000 kali dari jam cesium. Tapi sampai sekarang belum ada orang yang bisa memanfaatkannya.

Sumber: Majalah AKU TAHU/ April 1983.