Charles Coulomb

1.1. Masa Kecil dan Pendidikan

Charles-Augustin de Coulomb lahir pada 14 Juni 1736 di Angoulême, provinsi Angoumois, Kerajaan Prancis. Ayahnya, Henry Coulomb, adalah seorang inspektur tanah kerajaan yang berasal dari Montpellier, sementara ibunya, Catherine Bajet, berasal dari keluarga terpandang yang kaya raya dari perdagangan wol.

Pada masa kecilnya, keluarganya pindah ke Paris, tempat ia menempuh pendidikan di Collège Mazarin (juga dikenal sebagai Collège des Quatre-Nations). Di sana, ia mempelajari filsafat, bahasa, dan sastra, serta menerima pendidikan yang kuat dalam matematika, astronomi, kimia, dan botani. Kelas matematika yang diajarkan oleh Pierre Charles Monnier sangat mempengaruhinya, membuatnya memutuskan untuk mengejar karier di bidang matematika dan disiplin terkait.

Antara tahun 1757 dan 1759, ia tinggal bersama keluarga ayahnya di Montpellier dan terlibat dalam pekerjaan Akademi Ilmu Pengetahuan kota, di bawah bimbingan matematikawan Augustin Danyzy. Pada tahun 1759, dengan persetujuan ayahnya, Coulomb kembali ke Paris dan berhasil lulus ujian masuk ke École royale du génie de Mézières (Sekolah Teknik Militer Mézières) pada tahun 1760.

1.2. Karier Militer dan Rekayasa Awal

Setelah lulus dari École royale du génie de Mézières pada tahun 1761, Coulomb bergabung dengan Angkatan Darat Kerajaan Prancis sebagai insinyur dengan pangkat letnan. Selama dua puluh tahun berikutnya, ia ditempatkan di berbagai lokasi dan terlibat dalam berbagai proyek rekayasa, termasuk rekayasa struktur, benteng, dan mekanika tanah.

Penempatan pertamanya adalah di Brest, tetapi pada Februari 1764, ia dikirim ke Martinique, di Hindia Barat, di mana ia bertanggung jawab atas pembangunan Fort Desaix (yang dulunya dikenal sebagai Fort Bourbon). Tugas ini menyibukkannya hingga Juni 1772. Selama delapan tahun di Martinique, ia juga melakukan eksperimen tentang daya tahan pasangan bata dan perilaku struktur pendukung, terinspirasi oleh teori gesekan Pieter van Musschenbroek. Namun, kesehatannya memburuk karena penyakit endemik di Martinique, yang akan mempengaruhinya sepanjang sisa hidupnya.

Sekembalinya ke Prancis dengan pangkat kapten, Coulomb ditugaskan di Bouchain, lalu La Rochelle, Île-d'Aix, dan Cherbourg. Di sana, ia mulai menulis karya-karya penting tentang mekanika terapan. Pada tahun 1773, ia mempresentasikan karya pertamanya kepada Académie des Sciences di Paris, yang membahas tekanan yang dapat memecahkan suatu benda, menandai awal dari ilmu modern tentang kekuatan benda. Pada tahun 1779, Coulomb dikirim ke Rochefort untuk bekerja sama dengan Marc René, marquis de Montalembert dalam pembangunan benteng yang seluruhnya terbuat dari kayu di dekat Île-d'Aix. Selama di Rochefort, ia melanjutkan penelitiannya dalam mekanika, secara khusus menggunakan galangan kapal di Rochefort sebagai laboratorium untuk eksperimennya. Dalam periode ini pula, ia menerbitkan penyelidikan penting tentang hukum gesekan, yaitu Théorie des machines simples, en ayant regard au frottement de leurs parties et à la roideur des cordages^{Bahasa Prancis} (Teori Mesin Sederhana, dengan mempertimbangkan Gesekan Bagian-bagiannya dan Kekakuan Tali-temali). Karyanya ini kemudian diikuti dua puluh tahun kemudian oleh memoir tentang hambatan fluida. Ia juga menemukan hubungan invers kuadrat antara gaya di antara muatan listrik dan jaraknya, dan kemudian hubungan yang sama antara kutub magnet. Hubungan-hubungan ini kemudian dinamai Hukum Coulomb.

1.3. Aktivitas Akademi Sains dan Revolusi Prancis

Pada tahun 1774, Coulomb menjadi anggota koresponden Akademi Ilmu Pengetahuan Prancis. Pada tahun 1777, ia memenangkan hadiah pertama Akademi Ilmu Pengetahuan untuk penelitiannya tentang kompas magnetik. Pada tahun 1781, ia kembali memenangkan hadiah pertama Akademi Ilmu Pengetahuan atas penelitiannya tentang gesekan, dan pada tahun yang sama, ia terpilih sebagai anggota penuh Akademi Ilmu Pengetahuan.

Pada tahun 1781, ia ditempatkan di Paris sebagai penugasan terakhirnya. Pada tahun 1787, bersama Jacques-René Tenon, ia mengunjungi Royal Naval Hospital, Stonehouse dan terkesan dengan desain "pavilion" yang revolusioner, merekomendasikannya kepada pemerintah Prancis.

Saat Revolusi Prancis pecah pada tahun 1789, ia mengundurkan diri dari jabatannya sebagai intendant des eaux et fontaines (inspektur air dan air mancur) dan pensiun ke sebuah tanah miliknya di Blois, tinggal bersama temannya, ilmuwan Jean-Charles de Borda. Meskipun dalam pengasingan, ia terus melakukan berbagai eksperimen. Ia dipanggil kembali ke Paris untuk sementara waktu untuk berpartisipasi dalam penentuan ulang sistem berat dan ukuran baru yang telah ditetapkan oleh pemerintah Revolusi. Pada tahun 1801, ia menjadi presiden Académie des Sciences (Institut Nasional Prancis) dan pada tahun 1802, ia diangkat sebagai inspektur instruksi publik. Kesehatan Coulomb sudah sangat lemah pada saat itu, dan empat tahun kemudian, ia meninggal di Paris pada 23 Agustus 1806.

2.1. Neraca Torsi

Coulomb mengembangkan neraca torsi (atau timbangan puntir) sebagai alat eksperimen kunci. Ide ini muncul dari pengamatannya terhadap gesekan pada sumbu jarum kompas. Ia menyadari bahwa gesekan ini menyebabkan kesalahan dalam pengukuran dan kemudian menciptakan kompas dengan jarum yang digantung pada benang halus. Ia menyimpulkan bahwa besarnya puntiran pada benang harus setara dengan gaya yang bekerja pada jarum dari medan magnet bumi.

Pada tahun 1784, memoirnya yang berjudul Recherches théoriques et expérimentales sur la force de torsion et sur l'élasticité des fils de metal (Penelitian teoretis dan eksperimen tentang gaya torsi dan elastisitas kawat logam) diterbitkan. Memoir ini berisi hasil eksperimen Coulomb tentang gaya torsi untuk kawat logam, khususnya dalam neraca torsi. Hasil umumnya adalah: "momen torsi, untuk kawat dari logam yang sama, sebanding dengan sudut torsi, pangkat empat dari diameter, dan berbanding terbalik dengan panjang kawat."

Neraca torsi ini memungkinkan Coulomb untuk menimbang benda-benda yang sangat ringan dan menjadi alat krusial dalam penemuan terpentingnya. Dengan menggerakkan dua bola bermuatan listrik di dekat neraca torsi, ia dapat menunjukkan bahwa gaya antara kedua benda bervariasi seiring dengan perubahan jarak di antara keduanya. Penting untuk dicatat bahwa John Michell, seorang geolog Inggris, juga secara independen menemukan timbangan puntir pada tahun 1750-an, tetapi ia gagal menggunakannya untuk mengukur medan gravitasi bumi.

2.2. Penelitian Listrik dan Magnetisme: Hukum Coulomb

Pada tahun 1785, Coulomb mempresentasikan tiga laporan pertamanya tentang listrik dan magnetisme kepada Akademi Ilmu Pengetahuan Prancis, yang merintis jalan bagi Hukum Coulomb.

1. Premier Mémoire sur l'Électricité et le Magnétisme^{Bahasa Prancis} (Memoir Pertama tentang Listrik dan Magnetisme): Dalam publikasi ini, Coulomb menjelaskan "Bagaimana membangun dan menggunakan neraca listrik (neraca torsi) berdasarkan sifat kawat logam yang memiliki gaya torsi reaksi sebanding dengan sudut torsi." Ia secara eksperimental menentukan hukum yang menjelaskan bagaimana "dua benda yang dialiri listrik sejenis saling memengaruhi." Ia menyatakan bahwa gaya tolakan antara dua bola yang dialiri listrik sejenis mengikuti "perbandingan terbalik dari kuadrat jarak."
2. Second Mémoire sur l'Électricité et le Magnétisme^{Bahasa Prancis} (Memoir Kedua tentang Listrik dan Magnetisme): Dalam publikasi ini, Coulomb melakukan "penentuan menurut hukum mana fluida Magnetik dan Listrik bertindak, baik dengan tolakan maupun dengan tarikan." Ia menyatakan bahwa gaya tarik-menarik antara dua bola yang bermuatan berlawanan sebanding dengan hasil kali jumlah muatan pada bola dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara bola-bola tersebut.
3. Troisième Mémoire sur l'Électricité et le Magnétisme^{Bahasa Prancis} (Memoir Ketiga tentang Listrik dan Magnetisme): Memoir ini membahas "Jumlah Listrik yang hilang oleh benda terisolasi dalam jangka waktu tertentu, baik melalui kontak dengan udara yang kurang lembab atau dalam penopang yang lebih atau kurang idio-elektrik."

Empat laporan selanjutnya diterbitkan dalam tahun-tahun berikutnya:

• Quatrième Mémoire^{Bahasa Prancis} (Memoir Keempat) (1786): Menunjukkan dua sifat utama fluida listrik. Pertama, fluida ini tidak menyebar ke objek mana pun berdasarkan afinitas kimia atau tarikan selektif, tetapi terbagi di antara objek-objek berbeda yang bersentuhan. Kedua, pada objek konduktor, fluida, setelah mencapai keadaan stabil, menyebar di permukaan benda dan tidak menembus ke bagian dalam.
• Cinquième Mémoire^{Bahasa Prancis} (Memoir Kelima) (1787): Membahas cara fluida listrik terbagi di antara objek konduktor yang bersentuhan dan distribusi fluida ini pada berbagai bagian permukaan objek tersebut.
• Sixième Mémoire^{Bahasa Prancis} (Memoir Keenam) (1788): Kelanjutan penelitian tentang distribusi fluida listrik di antara beberapa konduktor dan penentuan kerapatan listrik pada titik-titik berbeda di permukaan benda-benda ini.
• Septième Mémoire^{Bahasa Prancis} (Memoir Ketujuh) (1789): Berfokus pada magnetisme.

Meskipun Coulomb menjelaskan hukum tarik-menarik dan tolakan antara muatan listrik dan kutub magnet, ia tidak menemukan hubungan antara kedua fenomena tersebut, karena ia mengira bahwa tarik-menarik dan tolakan disebabkan oleh jenis "fluida" yang berbeda.

Penting untuk dicatat bahwa Henry Cavendish (1731-1810) dari Inggris juga secara independen menemukan Hukum Coulomb, tetapi temuannya tidak dipublikasikan selama hidupnya, sehingga kehormatan penemuan diberikan kepada Coulomb.

2.3. Penelitian Gesekan dan Pelumasan

Coulomb juga memberikan kontribusi signifikan dalam bidang tribologi, yang merupakan studi tentang gesekan, keausan, dan pelumasan. Ia menyelesaikan studi gesekan paling komprehensif yang dilakukan pada abad ke-18 dan diakui oleh Duncan Dowson sebagai salah satu dari 23 "Tokoh Tribologi".

Temuan-temuan Guillaume Amontons dan Coulomb dikenal sebagai hukum gesekan Amontons-Coulomb. Karyanya Théorie des machines simples, en ayant égard au frottement de leurs parties et à la roideur des cordages^{Bahasa Prancis}, yang diterbitkan pada tahun 1779, menjadi landasan penting dalam pemahaman gesekan dan pelumasan.

Karya ini secara komprehensif mengulas tentang gesekan dan pelumasan pada mesin sederhana, memberikan kontribusi signifikan dalam bidang tribologi. Coulomb diakui sebagai salah satu tokoh utama dalam studi gesekan pada abad ke-18.

2.4. Teori Tekanan Tanah

Coulomb membuat kontribusi kontribusi yang inovatif terhadap pemahaman tekanan tanah, yang telah menjadi dasar dalam rekayasa geoteknik. Pada tahun 1776, ia mempresentasikan Essai sur une application des règles de Maximis et Minimis à quelques Problèmes de Statique, relatifs à l'Architecture^{Bahasa Prancis} (Esai tentang Aplikasi Aturan Maksima dan Minima untuk Beberapa Masalah Statika, Terkait Arsitektur) kepada Akademi Ilmu Pengetahuan Prancis.

Karya ini memperkenalkan apa yang sekarang dikenal sebagai teori baji tekanan tanah dan menetapkan beberapa prinsip kunci untuk menganalisis stabilitas massa tanah, termasuk:

• Hukum ketahanan geser: Coulomb merumuskan ketahanan geser tanah sebagai `s = c + σ tan φ`, di mana `c` mewakili kohesi, `σ` adalah tegangan normal, dan `φ` adalah sudut geser internal.
• Tekanan tanah aktif dan pasif: Ia memperkenalkan konsep batas tekanan tanah aktif dan pasif, yang menjelaskan kondisi di mana tanah memberikan tekanan pada struktur penahan atau menahan pergerakan.
• Bidang kegagalan: Coulomb menentukan bahwa bidang kegagalan dalam tanah terjadi pada sudut 45 °C + φ/2 terhadap horizontal.
• Gesekan dinding: Ia adalah salah satu yang pertama mempertimbangkan efek gesekan dinding-tanah dalam mengurangi tekanan tanah lateral.
• Tinggi kritis: Coulomb memberikan metode untuk menghitung tinggi kritis lereng tanah vertikal yang dapat tetap stabil karena kohesi.
• Drainase: Ia menekankan peran drainase yang tepat dalam mencegah gaya tambahan bekerja pada struktur penahan akibat akumulasi air.
• Validasi empiris: Coulomb memvalidasi teorinya menggunakan praktik konstruksi kontemporer, seperti yang digunakan dalam dinding penahan Marshal Vauban.

Analisis Coulomb melampaui solusi rekayasa praktis pada masanya dengan secara sistematis menerapkan prinsip-prinsip statika dan mekanika pada masalah stabilitas tanah. Metode-metodenya, meskipun disempurnakan oleh para peneliti selanjutnya, meletakkan dasar bagi mekanika tanah modern dan desain dinding penahan, serta tetap relevan dalam rekayasa geoteknik hingga saat ini. Kontribusinya tidak hanya memajukan teori mekanika tanah tetapi juga memengaruhi karya-karya selanjutnya, termasuk karya Rankine, yang selanjutnya menyempurnakan teori-teori untuk tanah kohesif dan granular. Kolofon yang digunakan dalam makalah Coulomb tahun 1776 direproduksi di sampul setiap edisi jurnal rekayasa geoteknik yang ditinjau sejawat, Géotechnique.

3.1. Dampak pada Bidang Sains

Penemuan-penemuan Coulomb memberikan dampak fundamental pada perkembangan ilmiah berikutnya. Kontribusinya yang paling terkenal, Hukum Coulomb, menjelaskan interaksi gaya antara muatan listrik dan kutub magnet, yang menjadi pilar utama dalam bidang elektrostatika dan magnetostatika. Meskipun ia sendiri tidak menemukan hubungan langsung antara listrik dan magnetisme, karyanya membuka jalan bagi penelitian selanjutnya oleh ilmuwan seperti Hans Christian Ørsted dan Siméon Poisson, yang pada gilirannya meletakkan dasar bagi elektrodinamika yang dikembangkan oleh Andre-Marie Ampere.

Untuk menghargai penelitian pentingnya dalam bidang kelistrikan, satuan SI untuk muatan listrik diberi nama coulomb pada tahun 1880, dan kemudian secara resmi diadopsi ke dalam Sistem Satuan Internasional pada tahun 1948. Ini menggarisbawahi posisi sentralnya dalam sejarah fisika.

Selain itu, kontribusi Coulomb dalam mekanika tanah juga menjadikannya pelopor dalam rekayasa geoteknik. Teori tekanan tanahnya, termasuk konsep-konsep seperti gesekan dinding dan bidang kegagalan, terus digunakan dan diajarkan dalam teknik sipil modern, memastikan bahwa pemikirannya tetap relevan dan berpengaruh.

3.2. Kritik dan Keterbatasan

Meskipun kontribusinya sangat signifikan, ada beberapa aspek dari karya Coulomb yang telah menjadi subjek kritik atau memiliki keterbatasan. Salah satu poin utamanya adalah pandangannya mengenai listrik dan magnetisme sebagai fenomena yang disebabkan oleh jenis "fluida" yang berbeda dan tidak saling berhubungan. Meskipun ia menjelaskan hukum tarik-menarik dan tolakan untuk kedua fenomena tersebut, ia tidak mampu melihat hubungan elektromagnetik yang kemudian dibuktikan oleh ilmuwan lain.

Keterbatasan lain yang sering dibahas adalah fakta bahwa Hukum Coulomb juga ditemukan secara independen oleh Henry Cavendish di Inggris pada tahun 1771. Namun, Cavendish tidak mempublikasikan temuannya selama hidupnya, sehingga penemuan tersebut diakui secara luas atas nama Coulomb ketika ia mempublikasikannya pada tahun 1785. Karya Cavendish baru terbit pada tahun 1879, jauh setelah Coulomb mempublikasikan hasil penelitiannya.

3.3. Peringatan dan Penghargaan

Pengakuan terhadap Charles-Augustin de Coulomb tidak hanya terbatas pada dunia ilmiah. Namanya termasuk di antara 72 nama yang terukir di Menara Eiffel di Paris, yang didedikasikan untuk para ilmuwan, insinyur, dan tokoh Prancis terkemuka lainnya yang berkontribusi pada kemajuan negara.

Peringatan dan penghargaan ini mencerminkan warisan abadi Charles-Augustin de Coulomb sebagai seorang ilmuwan revolusioner yang karyanya terus membentuk dasar pemahaman kita tentang dunia fisik.