Charles-Augustin de Coulomb

2.1. Zaman Kanak-kanak dan Pendidikan Awal

Charles-Augustin de Coulomb dilahirkan pada 14 Jun 1736 di Angoulême, sebuah kota di wilayah Angoumois, Kerajaan Perancis. Bapanya, Henri Coulomb, adalah seorang pemeriksa hartanah diraja yang berasal dari Montpellier, manakala ibunya, Catherine Bajet, berasal dari keluarga berada yang terlibat dalam perniagaan bulu. Sejak usia muda, keluarganya berpindah ke Paris, di mana Coulomb memulakan pendidikannya di Collège Mazarin (juga dikenali sebagai Collège des Quatre-Nations), sebuah institusi berprestij. Di sana, beliau mempelajari pelbagai subjek termasuk falsafah, bahasa, kesusasteraan, serta mendapat pendidikan yang kukuh dalam matematik, astronomi, kimia, dan botani.

Semasa di Collège Mazarin, beliau terpengaruh dengan pelajaran matematik oleh Pierre Charles Monnier, yang mendorongnya untuk mengejar kerjaya dalam bidang matematik dan sains berkaitan. Apabila bapanya menghadapi masalah kewangan, Coulomb terpaksa meninggalkan Paris buat sementara waktu dan berpindah ke Montpellier, di mana beliau tinggal bersama keluarga bapanya dari 1757 hingga 1759. Semasa di sana, beliau menerbitkan karya pertamanya kepada Persatuan Sains tempatan dan menerima bimbingan matematik daripada ahli matematik Augustin Danyzy. Pada tahun 1759, dengan persetujuan bapanya, beliau kembali ke Paris untuk mengambil peperiksaan kemasukan ke École royale du génie de Mézières (Sekolah Kejuruteraan Diraja di Mézières), yang berjaya beliau masuki pada tahun 1760.

2.2. Kerjaya Ketenteraan dan Kejuruteraan Awal

Setelah menamatkan pengajiannya dari École royale du génie de Mézières pada tahun 1761, Charles-Augustin de Coulomb menyertai Tentera Diraja Perancis sebagai seorang leftenan jurutera. Selama dua puluh tahun berikutnya, beliau ditempatkan di pelbagai lokasi, di mana beliau terlibat dalam pelbagai projek kejuruteraan, termasuk pembinaan struktur, perkubuan, dan kerja-kerja mekanik tanah.

Tugas pertamanya adalah di Brest, sebelum dihantar ke Martinique, di Hindus Barat, pada Februari 1764. Di Martinique, beliau bertanggungjawab dalam pembinaan Fort Bourbon, sebuah projek yang mengambil masa sehingga Jun 1772. Tempoh tiga tahun yang dihabiskan di Martinique memberi kesan buruk kepada kesihatannya, yang akan menjejaskannya sepanjang hayat. Selama tempoh ini, beliau turut melakukan eksperimen mengenai ketahanan bahan binaan batu dan tingkah laku struktur sokongan, diilhamkan oleh teori geseran ahli sains Belanda Petrus van Musschenbroek.

Sekembalinya ke Perancis, Coulomb ditempatkan di Bouchain. Pada tahun 1773, beliau mula menulis karya-karya penting mengenai mekanik terapan dan mempersembahkan karya pertamanya kepada Académie des Sciences (Akademi Sains) di Paris. Pada tahun 1779, beliau dihantar ke Rochefort untuk bekerjasama dengan Marc René, marquis de Montalembert dalam pembinaan sebuah kubu kayu sepenuhnya berhampiran Île-d'Aix. Semasa di Rochefort, Coulomb meneruskan penyelidikannya dalam mekanik, terutamanya menggunakan limbungan kapal sebagai makmal untuk eksperimennya. Pada tahun yang sama, beliau menerbitkan kajian penting mengenai hukum geseran berjudul Théorie des machines simples, en ayant regard au frottement de leurs parties et à la roideur des cordages^{Bahasa Perancis}, diikuti dua puluh tahun kemudian dengan memoar mengenai rintangan bendalir. Selepas itu, beliau dengan pangkat kapten, ditempatkan di La Rochelle, Isle of Aix, dan Cherbourg. Dalam tempoh ini, beliau membuat penemuan penting mengenai hubungan songsang antara daya antara cas elektrik dengan kuasa dua jarak, dan kemudian hubungan yang sama antara kutub magnet, yang kemudiannya dinamakan Hukum Coulomb.

2.3. Kegiatan Akademi Sains dan Revolusi Perancis

Pada tahun 1774, Charles-Augustin de Coulomb menjadi ahli koresponden Académie des Sciences dan kemudian dipilih sebagai ahli penuh pada tahun 1781. Beliau memenangi hadiah pertama dalam pertandingan Akademi pada tahun 1777 untuk kajiannya mengenai kompas magnetik, dan sekali lagi pada tahun 1781 untuk penyelidikannya mengenai geseran.

Pada tahun 1781, beliau ditempatkan di Paris. Pada tahun 1787, bersama Jacques-René Tenon, beliau melawat Royal Naval Hospital, Stonehouse dan sangat kagum dengan reka bentuk "pavilion" yang revolusioner, lalu mengesyorkannya kepada kerajaan Perancis. Dengan meletusnya Revolusi Perancis pada tahun 1789, beliau meletakkan jawatan sebagai intendant des eaux et fontaines (penguasa air dan air pancut) dan bersara ke estet kecilnya di Blois.

Namun, beliau kemudian dipanggil semula ke Paris oleh Kerajaan Revolusi Perancis untuk mengambil bahagian dalam penentuan semula sistem metrik baharu bagi berat dan ukuran. Tugas ini adalah penting untuk perpaduan dan standardisasi di Perancis. Beliau menjadi salah seorang ahli pertama Institut Kebangsaan Perancis yang baharu ditubuhkan, dan pada tahun 1802, beliau dilantik sebagai inspektor pengajaran awam. Walaupun kesihatannya sudah sangat lemah, beliau terus berkhidmat sehingga akhir hayatnya. Coulomb meninggal dunia di Paris empat tahun kemudian pada 23 Ogos 1806, meninggalkan legasi yang kukuh sebagai seorang saintis dan jurutera.

3.1. Neraca Torsion

Coulomb menghadapi masalah praktikal dalam eksperimennya dengan kompas magnetik, di mana geseran pada paksi jarum menyebabkan ralat yang tidak dapat dielakkan. Ini mendorongnya untuk mencari kaedah yang lebih tepat untuk mengukur daya yang sangat kecil. Penyelesaian beliau adalah dengan mencipta sebuah alat yang dikenali sebagai neraca torsion.

Prinsip kerja neraca torsion adalah dengan menggantungkan jarum magnet pada benang halus yang lembut. Coulomb menyedari bahawa magnitud puntiran pada benang mestilah berkadar terus dengan daya yang bertindak ke atas jarum daripada medan magnet Bumi. Ini membolehkan beliau menimbang objek yang sangat ringan dan mengukur daya yang halus dengan ketepatan yang tinggi.

Pada tahun 1784, beliau menerbitkan memoarnya yang berjudul Recherches théoriques et expérimentales sur la force de torsion et sur l'élasticité des fils de metal^{Bahasa Perancis} (Penyelidikan Teori dan Eksperimen mengenai Daya Torsion dan Keanjalan Kawat Logam). Karya ini mengandungi hasil eksperimen Coulomb mengenai daya torsion untuk kawat logam, terutamanya dalam neraca torsion. Penemuan umum beliau adalah bahawa momen tork adalah, bagi kawat dari logam yang sama, berkadar terus dengan sudut torsion, kuasa keempat diameter, dan berkadar songsang dengan panjang kawat. Walaupun ahli geologi Inggeris, John Michell, juga secara bebas mencipta neraca torsion pada tahun 1750, beliau gagal menggunakannya untuk mengukur medan daya tarikan Bumi; hanya Coulomb yang berjaya menggunakan alat ini untuk tujuan eksperimen kuantitatif.

3.2. Kajian Elektrik dan Magnetisme: Hukum Coulomb

Kajian Charles-Augustin de Coulomb dalam bidang elektrostatik dan magnetisme adalah salah satu pencapaiannya yang paling terkenal. Dengan menggunakan neraca torsion yang diciptanya, beliau dapat mengukur daya tarikan dan tolakan antara cas elektrik dan kutub magnet dengan ketepatan yang tinggi.

Pada tahun 1785, beliau membentangkan tiga laporan pertamanya mengenai elektrik dan magnetisme:

• Premier Mémoire sur l'Électricité et le Magnétisme^{Bahasa Perancis}: Dalam penerbitan ini, Coulomb menerangkan cara membina dan menggunakan neraca elektrik (neraca torsion) berdasarkan sifat kawat logam yang mempunyai daya torsion tindak balas berkadar terus dengan sudut torsion. Beliau juga menentukan secara eksperimen hukum yang menjelaskan bagaimana "dua jasad yang dicas dengan jenis elektrik yang sama mengenakan daya antara satu sama lain." Beliau menyatakan bahawa daya tolakan yang dikenakan oleh dua bebola yang dicas dengan jenis elektrik yang sama adalah berkadar songsang dengan kuasa dua jarak antara keduanya.
• Second Mémoire sur l'Électricité et le Magnétisme^{Bahasa Perancis}: Dalam penerbitan ini, Coulomb menjalankan "penentuan mengikut hukum bagaimana bendalir Magnetik dan Elektrik bertindak, sama ada dengan tolakan atau tarikan." Beliau menyatakan bahawa daya tarikan antara dua sfera yang bercas berlawanan adalah berkadar terus dengan hasil darab kuantiti cas pada sfera dan berkadar songsang dengan kuasa dua jarak antara sfera.
• Troisième Mémoire sur l'Électricité et le Magnétisme^{Bahasa Perancis}: Ini membincangkan "kuantiti Elektrik yang hilang oleh jasad terasing dalam tempoh masa tertentu, sama ada melalui sentuhan dengan udara yang kurang lembap atau dalam penyokong yang lebih kurang ide-elektrik."

Empat laporan berikutnya diterbitkan dalam tahun-tahun berikutnya, membincangkan sifat-sifat bendalir elektrik dan taburannya:

• Quatrième Mémoire^{Bahasa Perancis} (1786): Menunjukkan dua sifat utama bendalir elektrik: pertama, bendalir ini tidak merebak ke dalam mana-mana objek mengikut afiniti kimia atau tarikan terpilih, tetapi ia membahagikan dirinya antara objek yang berbeza yang bersentuhan; kedua, dalam objek pengalir, bendalir, setelah mencapai keadaan stabil, merebak di permukaan jasad dan tidak menembusi ke dalam.
• Cinquième Mémoire^{Bahasa Perancis} (1787): Mengenai cara bendalir elektrik membahagikan dirinya antara objek pengalir yang bersentuhan dan taburan bendalir ini pada bahagian-bahagian permukaan objek tersebut.
• Sixième Mémoire^{Bahasa Perancis} (1788): Sambungan penyelidikan ke dalam taburan bendalir elektrik antara beberapa pengalir. Penentuan ketumpatan elektrik pada titik-titik berbeza di permukaan jasad-jasad ini.
• Septième Mémoire^{Bahasa Perancis} (1789): Mengenai magnetisme.

Hasil kajian ini, yang kini dikenali sebagai Hukum Coulomb, menyatakan bahawa daya tarikan atau tolakan antara dua cas elektrik adalah berkadar terus dengan hasil darab magnitud cas-cas tersebut dan berkadar songsang dengan kuasa dua jarak antara pusat-pusat cas tersebut. Walaupun beliau menjelaskan hukum daya tarikan dan tolakan antara cas elektrik dan kutub magnet, Coulomb berpandangan bahawa tarikan dan tolakan ini disebabkan oleh jenis bendalir yang berbeza dan beliau tidak menemui hubungan antara kedua-dua fenomena tersebut. Penemuan Coulomb ini amat mirip dengan hukum kegravitian Newton, dan menjadi asas kepada elektrodinamik yang kemudiannya dikembangkan oleh saintis seperti Hans Christian Ørsted, Siméon Poisson, dan Andre-Marie Ampere.

3.3. Kajian Geseran dan Pelinciran

Charles-Augustin de Coulomb juga membuat sumbangan penting dalam bidang tribologi, iaitu kajian tentang geseran, kehausan, dan pelinciran. Penemuannya telah membentuk asas bagi pemahaman moden tentang bagaimana objek bergerak berinteraksi antara satu sama lain.

Kajian beliau mengenai geseran adalah yang paling komprehensif yang dijalankan pada abad ke-18. Hasil penyelidikannya kini dikenali sebagai Hukum geseran Amontons-Coulomb, yang menerangkan hubungan antara daya geseran, daya normal, dan luas permukaan sentuhan. Penyelidikan ini termasuk juga teorinya mengenai pelinciran, yang penting untuk memahami bagaimana minyak atau bahan lain mengurangkan geseran dalam mesin. Beliau menerbitkan penemuannya dalam karyanya pada tahun 1779, Théorie des machines simples, en ayant regard au frottement de leurs parties et à la roideur des cordages^{Bahasa Perancis} (Teori Mesin Mudah, dengan Mengambil Kira Geseran Bahagiannya dan Kekukuhan Tali).

Atas sumbangan perintisnya, beliau diiktiraf oleh Duncan Dowson sebagai salah seorang daripada 23 "Lelaki Tribologi".

3.4. Teori Tekanan Tanah

Sumbangan Charles-Augustin de Coulomb kepada bidang kejuruteraan geoteknik adalah asas, terutamanya dalam memahami tekanan tanah. Karya beliau telah menjadi tulang belakang dalam reka bentuk dinding penahan dan kestabilan cerun.

Pada tahun 1776, beliau mempersembahkan karyanya Essai sur une application des règles de Maximis et Minimis à quelques Problèmes de Statique, relatifs à l'Architecture^{Bahasa Perancis} (Esei tentang Aplikasi Peraturan Maksima dan Minima kepada Beberapa Masalah Statik, Berkaitan dengan Senibina) kepada Académie des Sciences. Dalam karya ini, beliau memperkenalkan apa yang kini dikenali sebagai teori baji tekanan tanah dan menetapkan beberapa prinsip utama untuk menganalisis kestabilan jisim tanah. Prinsip-prinsip ini termasuk:

• Hukum rintangan ricih: Coulomb merumuskan rintangan ricih tanah sebagai s = c + σ tan φ, di mana c mewakili kekukuhan, σ ialah tegasan normal, dan φ ialah sudut geseran dalaman.
• Tekanan tanah aktif dan pasif: Beliau memperkenalkan konsep had tekanan tanah aktif dan pasif, yang menerangkan keadaan di mana tanah mengenakan tekanan pada struktur penahan atau menahan pergerakan.
• Satah kegagalan: Coulomb menentukan bahawa satah kegagalan dalam tanah berlaku pada sudut 45° + φ/2 kepada mendatar.
• Geseran dinding: Beliau adalah antara yang pertama mempertimbangkan kesan geseran dinding-tanah dalam mengurangkan tekanan tanah lateral.
• Ketinggian kritikal: Coulomb menyediakan kaedah untuk mengira ketinggian kritikal tebing tanah menegak yang boleh kekal stabil disebabkan oleh kekukuhan.
• Saliran: Beliau menekankan peranan saliran yang betul dalam mencegah daya tambahan daripada bertindak ke atas struktur penahan akibat pengumpulan air.
• Pengesahan empirikal: Coulomb mengesahkan teorinya menggunakan amalan pembinaan kontemporari, seperti yang digunakan dalam dinding penahan oleh Sébastien Le Prestre de Vauban.

Analisis Coulomb melangkaui penyelesaian kejuruteraan praktikal pada zamannya dengan secara sistematik menggunakan prinsip statik dan mekanik untuk masalah kestabilan tanah. Kaedah beliau, walaupun diperhalusi oleh penyelidik kemudian seperti William John Macquorn Rankine, meletakkan asas bagi mekanik tanah moden dan reka bentuk dinding penahan, dan kekal relevan dalam kejuruteraan geoteknik. Pengiktirafan terhadap sumbangannya begitu besar sehinggakan kolofon yang digunakan dalam kertas kerja Coulomb 1776 diterbitkan semula pada muka depan setiap edisi jurnal kejuruteraan geoteknik yang diulas sejawat, Géotechnique.

4.1. Kesan ke atas Komuniti Saintifik

Impak paling ketara Charles-Augustin de Coulomb ke atas komuniti saintifik adalah dalam bidang elektromagnetisme. Unit SI bagi cas elektrik, coulomb (C), dinamakan sempena nama beliau pada tahun 1880, sebagai penghormatan kepada penyelidikan perintisnya dalam mengukur daya antara cas elektrik. Ini merupakan pengiktirafan antarabangsa yang berkekalan terhadap sumbangan asasnya.

Selain itu, beliau diiktiraf sebagai perintis dalam beberapa bidang lain:

• Kejuruteraan Geoteknik: Teorinya mengenai tekanan tanah menjadi asas kepada reka bentuk dinding penahan dan analisis kestabilan tanah, yang masih digunakan secara meluas dalam kejuruteraan awam.
• Tribologi: Kajian komprehensifnya mengenai geseran dan pelinciran membentuk hukum geseran Amontons-Coulomb, yang penting dalam mekanik terapan dan reka bentuk mesin.
• Mekanik Terapan: Karyanya mengenai kekuatan bahan dan elastik membuktikan keupayaan analitikalnya yang luar biasa dalam mekanik.

4.2. Kritikan dan Batasan

Walaupun sumbangan Charles-Augustin de Coulomb adalah revolusioner, terdapat beberapa batasan dalam pemahaman teorinya pada zamannya. Salah satu batasan utama adalah pandangannya mengenai teori bendalir elektrik dan magnet. Coulomb berpendapat bahawa daya tarikan dan tolakan dalam elektrik dan magnetisme disebabkan oleh jenis bendalir yang berbeza dan tidak menyedari adanya hubungan intrinsik antara kedua-dua fenomena tersebut. Hubungan ini hanya akan didedahkan kemudian oleh saintis seperti Hans Christian Ørsted dan Andre-Marie Ampere, yang meletakkan asas bagi elektrodinamik moden.

Satu lagi aspek penting untuk diperhatikan adalah penemuan undang-undang yang serupa secara bebas oleh saintis lain. Sebagai contoh, Henry Cavendish dari England juga menemui hukum yang sama dengan Hukum Coulomb secara bebas pada tahun 1770-an. Walau bagaimanapun, Cavendish tidak menerbitkan penemuannya dalam hidupnya, dan hasil kerjanya hanya muncul pada tahun 1879, hampir seabad selepas penerbitan Coulomb. Ini mengukuhkan status Coulomb sebagai orang pertama yang menerbitkan dan mengesahkan secara eksperimen hukum asas interaksi cas elektrik.

4.3. Peringatan dan Penghargaan

Legasi Charles-Augustin de Coulomb diabadikan dalam pelbagai bentuk. Sebagai penghormatan terhadap sumbangannya yang luar biasa kepada sains dan kejuruteraan, namanya merupakan salah satu daripada 72 nama yang terukir di Menara Eiffel di Paris, yang mengiktiraf saintis, jurutera, dan tokoh penting Perancis yang lain. Selain itu, pembinaan Fort Bourbon di Martinique, yang diawasi oleh Coulomb, masih berdiri teguh sehingga kini, menjadi bukti kekukuhan dan ketepatan kejuruteraan yang beliau sumbangkan.