Kenapa Ledakan Bisa Bikin Kaca Pecah dari Jauh?

tirto.id - Ledakan besar bisa turut memecahkan kaca jendela yang berada jauh dari pusat ledakan. Hal ini lantaran kaca terkena hantaman gelombang tekanan yang bergerak melalui udara. Dorongan mendadak tersebut membuat kaca melengkung, retak, hingga akhirnya pecah menjadi serpihan.

Dampak pecahan kaca terhadap keselamatan tercatat dalam sejumlah peristiwa besar. Wang dan rekan dalam Jurnal Sustainability (2023) menyebut serpihan kaca menyebabkan hampir 75 persen cedera dalam ledakan gedung federal di Oklahoma, Amerika Serikat pada 1995. Pecahan kaca juga jadi penyebab utama cedera dalam peristiwa ledakan di Pelabuhan Tianjin, Tiongkok, pada 2015.

Lantas, bagaimana tekanan yang muncul dari sebuah ledakan bisa merambat begitu jauh sampai memecahkan kaca di sepanjang jalurnya?

Proses Munculnya Gelombang Kejut pada Ledakan

Sebuah ledakan sejatinya turut melepas energi dalam jumlah besar dalam hitungan detik. Energi tersebut menekan udara di sekitar sumber ledakan secara mendadak. Akibatnya, tekanan udara melonjak di atas kondisi normal.

Menurut Blast Injury Research Coordinating Office (BIRCO) Departemen Pertahanan AS, lonjakan tekanan udara akibat ledakan juga disebut overpressure. Tekanan kemudian menyebar ke segala arah dalam bentuk gelombang kejut.

Bayangkan ketika seseorang menjatuhkan batu ke permukaan air. Benturan batu menghasilkan riak yang bergerak menjauhi titik jatuh. Gelombang kejut dari ledakan punya prinsip sebaran serupa, namun bedanya bergerak melalui udara dengan kecepatan jauh lebih tinggi sembari membawa perubahan tekanan udara.

Gelombang kejut pada ledakan bergerak dengan kecepatan supersonik alias melebihi kecepatan suara. Bagian depan gelombang membawa udara bertekanan tinggi.

Setelah gelombang melewati suatu titik, maka tekanan udara turun. Terkadang bahkan bisa berada di bawah tekanan normal untuk sementara waktu. Kondisi ini disebut fase tekanan negatif.

Seiring bertambah jarak dari sumber ledakan, maka kekuatan gelombang umumnya bakal makin berkurang. Akan tetapi besaran tekanan awal serta kondisi lingkungan di sekitarnya, juga menentukan seberapa jauh gelombang kejut bisa menimbulkan kerusakan.

BIRCO mencatat setidaknya ada 5 faktor utama yang memengaruhi kerusakan akibat ledakan, yaitu jarak dari sumber ledakan, tekanan puncak, lamanya tekanan bekerja, medium yang dilalui gelombang, serta pantulan gelombang dari dinding atau ruang tertutup.

Tekanan Udara Bisa Memecahkan Kaca

Ketika gelombang kejut menerpa bangunan, maka udara bertekanan tinggi menghantam permukaan termasuk jendela kaca. Kaca yang terdorong secara mendadak kemudian mengalami perubahan bentuk. Jika tekanan yang diterima melampaui kekuatan material, kaca bakal retak dan pecah.

Proses ini pernah diamati melalui eksperimen H. Moore, direktur riset Pilkington Brothers. Laporan Nature (1940) merangkum percobaan Moore menggunakan muatan bubuk mesiu sekitar 2 pon di dekat jendela kaca setebal seperempat inci.

Moore mendapati bahwa kaca mengalami kerusakan dalam 2 tahap. Pertama, tekanan ledakan mendorong bagian tengah kaca ke dalam seperti diafragma. Retakan berbentuk lingkaran muncul di sekitar bagian tengah, kemudian menyebar menjadi garis-garis yang lebih panjang.

Kedua, setelah tekanan tinggi berlalu, muncul fase isapan yang menarik kaca ke arah sumber ledakan. Gaya ini membuat serpihan kaca bergerak ke arah ledakan sebelum seluruh pecahan terpisah.

Berdasar eksperimen itu, Moore menyimpulkan bahwa untuk menahan dampak ledakan, kaca butuh pelindung seperti susunan bata, kayu tebal, atau baja.

Sifat kaca turut menjelaskan kerentanan. Wang dan rekan menyebut kaca jendela sebagai material getas, yaitu cenderung retak dan pecah ketika menerima tekanan berlebih. Ketika pecah, kaca berisiko berubah menjadi serpihan kecil yang melesat dengan kecepatan tinggi.

Penelitian Samieian dan rekan dalam Experimental Mechanics (2023), menjelaskan proses bagaimana gelombang tekanan berinteraksi dengan bangunan hingga memicu kerusakan kaca. Serpihan yang terlontar bisa membahayakan penghuni di dalam maupun di sekitar bangunan.

Seberapa besar tekanan yang dibutuhkan untuk memecahkan kaca? Dalam validasi simulasi terhadap uji lapangan Monk dan Clubley, Wang dan rekan menemukan bahwa kaca float setebal 4 milimeter bisa pecah ketika menerima tekanan pantul puncak sekitar 12 hingga 14 kilopascal.

Faktor yang Memengaruhi Dampak Gelombang Kejut terhadap Kaca

Kekuatan ledakan memang menentukan besarnya tekanan yang dihasilkan. Akan tetapi tingkat kerusakan pada tiap jendela kaca juga tergantung kepada jarak, kondisi lingkungan, serta karakteristik kaca dan bingkainya.

1. Energi ledakan

Semakin besar energi ledakan yang dilepaskan, maka semakin kuat tekanan udara yang dihasilkan. Dalam simulasi Wang dan rekan, kaca setebal 8 milimeter yang berada 100 meter dari ledakan setara 1.000 kilogram TNT, pecah pada semua variasi bentuk.

Tapi ketika energi ledakan turun menjadi 300 kilogram TNT, hanya kaca berbentuk panjang dan sempit yang pecah. Kemudian pada ledakan setara 125 kilogram TNT, seluruh variasi kaca tetap utuh.

2. Jarak dan lingkungan sekitar

Kekuatan gelombang umumnya berkurang ketika bergerak semakin jauh dari pusat ledakan. Kendati demikian, pantulan dari bangunan juga bisa memperkuat tekanan yang diterima. BIRCO menyebut gelombang yang memantul dari permukaan keras justru bisa mengalami penguatan 2 hingga 9 kali lipat.

Di kawasan perkotaan, gelombang yang memantul dari beberapa permukaan juga bisa bertemu dan membentuk gelombang gabungan yang lebih kuat. Fenomena ini disebut Mach stem.

"Orang yang berada di antara ledakan dan bangunan seringkali menderita cedera yang lebih parah daripada ketika ledakan terjadi di ruang terbuka," terang BIRCO.

3. Durasi dan impuls tekanan

Lamanya tekanan yang bekerja, turut menentukan apakah kaca bakal pecah. Dalam simulasi Wang dan rekan terhadap kaca seluas 1 meter persegi, tekanan yang berlangsung selama 2 milidetik butuh kekuatan sekitar 70 kilopascal untuk memecahkan kaca. Sementara tekanan yang berlangsung selama 200 milidetik sudah mampu memecahkan kaca pada kekuatan sekitar 17 kilopascal.

4. Ukuran, bentuk, dan ketebalan kaca

Dimensi jendela turut memengaruhi ketahanannya. Dalam simulasi yang sama, ketika perbandingan panjang dan lebar kaca meningkat dari 1 menjadi 2,56, tekanan yang dibutuhkan untuk memecahkannya turun dari 17 menjadi 10 kilopascal. Artinya, kaca dengan bentuk lebih panjang dan sempit dalam simulasi tersebut lebih mudah pecah.

Luas permukaan memberi pengaruh berbeda. Ketika luas kaca diperkecil dari 1 menjadi 0,36 meter persegi, tekanan yang dibutuhkan untuk memecahkan naik dari 17 menjadi 33 kilopascal. Ketebalan kaca juga berpengaruh. Kaca setebal 6, 8, dan 10 milimeter masing-masing memiliki ambang tekanan pecah sekitar 12, 17, dan 20 kilopascal.

5. Sistem pemasangan dan bingkai jendela

Cara memasang kaca turut menentukan kemampuan menghadapi benturan. Samieian dan rekan menguji kaca laminasi memakai penjepit aluminium setebal 5 dan 2 milimeter.

Dalam pengujian dengan kecepatan benturan 10 meter per detik, seluruh objek penelitian dengan penjepit tipis berhasil bertahan. Penjepit tersebut melengkung saat menerima benturan, sehingga menyerap sebagian energi.

Berbagai faktor tersebut menjelaskan mengapa 2 jendela yang bersebelahan bisa mengalami kerusakan berbeda setelah terdampak gelombang kejut ledakan. Ketahanan tiap jendela tergantung pada kombinasi kekuatan material, ukuran, bentuk, dan sistem pemasangannya.