186 Prosiding Pertemuan Ilmiah XXV HFI Jateng & DIY

ISSN 0853-0823

Rancang Bangun Alat Eksperimen Roket Air dari Barang Bekas sebagai Media Pembelajaran Mekanika

Nizar Nuril Barjah, Aceng Sambas, Mada Sanjaya WS*

Jurusan Fisika, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Islam Negeri Sunan Gunung Djati, Bandung, INDONESIA *email: madasws@gmail.com

Abstrak Gerak roket merupakan salah satu aplikasi konsep mekanika yang menerapkan banyak hukum fisika. Dalam makalah ini, telah dibangun dan dilakukan eksperimen menggunakan alat eksperimen roket air sederhana yang dapat dibuat dari barang bekas. Tujuan dari eksperimen ini adalah untuk mempelajari prinsip kerja roket berdasarkan hukum Newton serta menganalisis gerak roket tersebut dengan pendekatan gerak proyektil berupa parabola. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa jarak terjauh lintasan tempuh roket terjadi ketika alat peluncur membentuk sudut 450 terhadap horizontal, sesuai dengan konsep teori gerak parabola. Selain itu, dalam eksperimen ini juga dapat diukur besar percepatan gravitasi yaitu 10.37 m/s2 dan 13.22 m/s2 yang nilainya memiliki sedikit perbedaan dengan literatur, terjadinya kesalahan ini disebabkan adanya faktor gesekan udara yang merupakan keterbatasan namun tidak disertakan dalam eksperimen. Kata kunci : gerak roket, gterak proyektil, gerak parabola,

I. PENDAHULUAN

Mekanika merupakan salah satu materi pokok dalam fisika yang menjadi awal sejarah berkembangnya hukum-hukum fisika. Sedangkan gerak roket merupakan salah satu aplikasi konsep mekanika yang menerapkan banyak hukum fisika seperti hukum Newton tentang gerak, konsep momentum dan kekekalan momentum, serta konsep tentang gerak proyektil [1-4].

Dalam makalah ini, telah dipelajari prinsip kerja propulsi roket serta analisis sederhana gerak proyektil menggunakan media alat eksperimen roket air yang dapat dibuat dari barang bekas seperti botol bekas, nozzle bekas, kayu penyangga atau besi peluncur, serta alat pompa sepeda yang mudah untuk diperoleh [5-7].

Dalam eksperimen roket ini, prinsip propulsi roket akan dianalogikan dengan menggunakan roket air sederhana. Pada dasarnya, prinsip kerja roket air sederhana adalah botol akan meluncur bila botol diberi tekanan udara yang tinggi (dari pompa) dan di dalamnya diberi sedikit air untuk menghasilkan tenaga semburan yang lebih besar. Percobaan ini mengacu pada hukum ketiga Newton (hukum aksi reaksi) [1-4].

Prinsip kerja propulsi roket merupakan penerapan dari hukum ketiga Newton dan kekalan momentum. Prinsip kerja pada roket ini sama dengan yang dipakai cumi-cumi atau gurita untuk mendorong diri mereka. Mereka mengeluarkan air dari tubuh mereka dengan gaya yang sangat besar, dan air yang dikeluarkan mengerjakan gaya yang sama dan berlawanan pada cumi-cumi atau gurita, mendorongnya ke depan. Sebuah roket mendapatkan sebuah dorongan dengan membakar bahan bakar dan membuang gas yang terbentuk lewat belakang. Roket mengerjakan gaya pada gas buang, dan dari hukum Newton III, gas mengerjakan gaya yang sama dan berlawanan pada roket[1-4].

II. DASAR TEORI A. Prinsip Kerja Propulsi Roket

Dengan menggunakan analisis perubahan momentum sistem maka diperoleh persamaan propulsi roket, secara matematis dapat dirumuskan sebagai

ekskeluar Fdtdmu

dtdvm += . (1)

dengan keluaru kecepatan semburan gas, m massa roket dan air di dalamnya, dan Feks gaya eksternal dari berat roket [1-4].

Gaya dorong roket merupakan gaya yang bekerja pada roket akibat gas yang dikeluarkannya. Sesuai persamaan diatas, maka diperoleh

dtdmuF keluardorong = . (2)

Gaya eksternal (Feks = -mg) bernilai negatif, agar roket dapat dipercepat keatas maka gaya dorong harus lebih besar dari gaya eksternal tersebut. Setelah kita mensubstitusi Feks dan membagi dengan m diperoleh

gdtdm

mu

dtdv keluar += . (3)

Gambar 1. (a) momentum roket sebelum bergerak, (b) momentum roket setelah bergerak

Prosiding Pertemuan Ilmiah XXV HFI Jateng & DIY 187

ISSN 0853-0823

Dengan mengintegralkan persamaan (3), maka diperoleh kelajuan gerak roket yang dapat ditulis sebagai

gtmmuvv

f

ikeluarif += ln . (4)

Untuk kelajuan roket yang bergerak dalam ruang bebas tanpa gaya eksternal, persamaan (1.4) menjadi

f

ikeluarif m

muvv ln+= (5) dengan vf dan vi kelajuan akhir dan awal roket, mf dan mi massa akhir dan massa awal roket. B. Analisis Gerak Proyektil

Besaran-besaran gerak yang berupa besaran vektor dapat diuraikan menjadi komponen-komponennya dalam setiap arah vektor-vektor basisnya, sehingga gerak dalam dua dimensi dapat diuraikan menjadi kombinasi dua gerak satu dimensi dalam dua arah yang saling tegak lurus (misalnya dalam arah x dan y). Demikian juga gerak dalam tiga dimensi dapat diuraikan menjadi kombinasi tiga gerak satu dimensi dalam tiga arah yang saling tegak lurus (dalam arah x, y, dan z). Semua persamaan-persamaan kinematika gerak lurus, dapat digunakan untuk mendeskripsikan gerak dalam masing-masing arah. Sebagai contoh akan diberikan gerak partikel dalam dua dimensi (bidang) yang mengalami percepatan konstan dalam arah vertikal dan tidak mengalami percepatan dalam arah horizontal. Aplikasi dari gerak ini adalah gerak peluru, yang lintasannya berupa lintasan parabolik(Gambar 2).

Gambar 2. Vektor gerak parabola.

Misalkan di titik asal koordinat (0,0) sebuah partikel

bergerak dengan kecepatan awal 0vr

yang membentuk sudut

terhadap sumbu x. Partikel ini mengalami percepatan gravitasi sebesar g (ke arah sumbu y negatif). Kecepatan awal partikel dapat diuraikan menjadi komponen x dan y, yaitu cos00 vv x = dan sin00 vv y = . Gerak partikel sekarang dapat dianalisa sebagai gerak dengan kecepatan konstan pada arah x dan gerak dengan percepatan konstan pada arah y. Posisi partikel pada arah x dan y diberikan oleh

tvtx x0)( = ,

20 2

1)( gttvty y = . (7)

Kecepatan partikel pada arah x tetap, yaitu xx vtv 0)( = ,

sedangkan kecepatan partikel pada arah y berubah sebagai gtvtv yy = 0)( . Besar kecepatan partikel diberikan oleh

22 )()()( tvtvtv yx += .

Dengan mensubstitusikan variabel waktu t pada pers. (6)

ke dalam pers. (7) diperoleh

2202

tan)( xvgxxy

x

= . (8)

Persamaan (8) menghubungkan y dengan x dan menyatakan persamaan lintasan proyektil, Karena xv0 , 0 dan g konstan, maka persamaan tersebut dapat dituliskan dalam bentuk

2)( CxBxxy = ,

yaitu persamaan parabola, sehingga lintasan proyektil bentuknya adalah parabola.

Dengan sedikit analisis diperoleh ketinggian maksimum sebesar

gvy

2sin220 = . (9)

Posisi terjauh partikel, yaitu posisi ketika partikel kembali memiliki posisi y = 0, terjadi pada

gv

gvv

x xy 2sin22000 == . (10)

Waktu tempuh partikel sampai kembali ke posisi y = 0, dapat ditulis sebagai [1-4]

gvt sin2 0= . (11)

III. RANCANGAN ALAT

Dalam pembuatan roket air sederhana, komponen penting yang diperlukan dalam pembuatannya adalah botol bekas air mineral, nozzle (pentil) dari ban bekas dalam sepeda, alat peluncur yang dapat dibuat menggunakan penyangga dari besi ataupun dari kayu, serta mesin pompa sepeda untuk membeerikan tekanan pada roket. Set-up eksperimen roket air yang telah siap ditunjukkan pada Gambar 3. [5-7]

Untuk melakukan eksperimen kuantitatif dari roket air diperlukan alat dan bahan sebagai berikut:

1. Set peralatan roket air 2. Air 3. Kayu penyangga atau tempat peluncuran 4. Pompa sepeda ( kompresor ) 5. Pengukur tekanan 6. Penggaris busur derajat 7. Stop watch 8. Mistar/jangka sorong 9. Meteran 10. Neraca ohaus

188 Prosiding Pertemuan Ilmiah XXV HFI Jateng & DIY

ISSN 0853-0823

IV. METODE EKSPERIMEN Teknik pengambilan data eksperimen [1] roket air dapat

digambarkan melalui diagram alir pada Gambar 3.

Gambar 3. Diagram alir teknik pengambilan data eksperimen

roket air.

Dalam eksperimen roket air sederhana dan analisis gerak proyektil, dilakukan analisis dengan dua cara yaitu berdasarkan hasil pengamatan langsung dan berdasarkan perhitungan dalam teori dasar. Set-up eksperimen seperti ditunjukkan pada Gambar 4.

Gambar 4. Set up peralatan roket air.

V. HASIL DAN PEMBAHASAN Dengan luas lubang roket sebesar 1,9610-5 m2, diperoleh

hasil eksperimen yang disajikan pada Tabel 1.

TABEL 1. DATA HASIL PENGAMATAN Sudut

(00.50) ttotal

(t0.05) s

Xtotal (x0.5)

m

P (105 Pa)

Mawal (m5 10-5)

kg

Makhir (m510-5)

kg 15 0,60 3,6 3,5 0,3884 0,1722 30 0,80 8,7 3,0 0,3884 0,1626 45 1,40 11,6 2,5 0,3884 0,1588 60 1,50 6,5 2,1 0,3884 0,1588 75 1,60 4,59 2,0 0,3884 0,1588 90 1,70 0,68 2,0 0,3884 0,1588 Perhitungan semburan air pada roket Ukeluar dapat

diperoleh dengan memasukkan data perubahan massa roket dan besar gaya dorong dari pembacaan tekanan sesuai persamaan (2), kecepatan awal roket V0 dapat didekati dengan kecepatan peluncuran vf dari persamaan (4). Dari nilai Ukeluar dan V0 dapat diperoleh jarak dan waktu tempuh roket air secara teoritik sesuai persamaan (10) dan (11). Hasil teori ini disajikan dalam Tabel 2.

TABEL 2. DATA HASIL PERHITUNGAN TEORI

Sudut (0) Ukeluar (m/s) V0(m/s) ttotal(s) Xtotal(m) 15 19,15567 9,700822 0,510778 4,801324 30 20,86448 10,32759 1,053836 9,425187 45 29,92378 13,04354 1,881996 17,36059 60 26,93140 9,387182 1,659041 7,786859 75 27,35889 8,789518 1,732791 3,941614 90 29,06882 9,338863 1,905890 0

Terjadinya perbedaan kuantitatif antara hasil pengamatan

dan teoretik pada pengukuran jarak dan waktu tempuh roket lebih disebabkan karena tidak dimasukkannya faktor gesekan atau hambatan udara pada pendekatan teoritik serta ketidaktelitian dalam pengukuran. Tapi secara kualitatif hasil pengmatan dan teoritik memiliki pola dan kesimpulan yang sama, yaitu jarak terjauh diperoleh pada sudut peluncuran 45.

Dari Tabel 1 diperoleh kurva perbandingan jarak maksimum yang ditempuh pada sudut-sudut tertentu seperti terlihat pada Gambar 5, yang menunjukkan kurva jarak tempuh terhadap sudut peluncuran. Terlihat bahwa jarak tempuh terjauh diperoleh saat sudut peluncuran sebesar 45. Hasil ini menunjukkan kesesuaian pengamatan langsung dengan teori dasar.

Gambar 5. Kurva jarak tempuh terhadap sudut peluncur. Dari eksperimen roket air dan analisis gerak proyektil ini

juga dapat ditentukan besarnya percepatan gravitasi. Terdapat dua metode dalam menentukan percepatan gravitasi, yaitu menggunakan regresi linear kurva jarak maksimum (xmax) terhadap 2sin sesuai persamaan (7) dan menggunakan regresi linear kurva waktu tempuh (ttotal)

Mulai

Menyusun peralatan

Megukur lubang roket air

Mengisi roket dengan air dan mengukur massa awal roket

Melakukan percobaan dengan variasi sudut penyangga roket 150 sampai 900 dengan interval 150 serta mencatat besarnya

tekanan pada pompa, jarak dan waktu tempuh roket

Apakah gerak roket telah sempurna

membentuk parabola

Belum

Ya

Selesai

Menghubungkan roket dengan mesin pompa

Mengukur massa akhir roket

Prosiding Pertemuan Ilmiah XXV HFI Jateng & DIY 189

ISSN 0853-0823

terhadap sin sesuai persamaan (8). Berikut analisis kurva hasil eksperimen untuk menentukan besarnya percepatan gravitasi g.

Dengan pendekatan regresi linear, sesuai persamaan (7) dengan data gradient dari kurva pada Gambar 6, maka diperoleh percepatan gravitasi sebesar 10,37 m/s2 dengan ketepatan 94,18% jika dibandingkan dengan literatur rata-rata percepatan gravitasi sebesar 9,8 m/s2. Berdasarkan persamaan (8) dengan data gradient dari kurva pada Gambar 7, maka diperoleh percepatan gravitasi sebesar 13,22 m/s2 dengan ketepatan 65,10% jika dibandingkan dengan literatur rata-rata percepatan gravitasi sebesar 9,8 m/s2. Terjadinya perbedaan antara kedua metode ini ketidaktepatan dalam pengukuran ketika eksperimen serta karena tidak dimasukkannya faktor gesekan udara yang sebenarnya sangat mempengaruhi proses eksperimen ini. Pada Gambar 8, terlihat lintasan parabola yang dihasilkan pada gerak roket air. Kurva parabola dihasilkan dengan mensubstitusikan parameter hasil eksperimen pada persamaan (6) dan (7).

Gambar 6. Kurva jarak tempuh terhadap 2sin .

Gambar 7. Kurva waktu tempuh terhadap sin .

(a) 15 (b) 30

(c) 45 (d) 60

(e) 75 (f) 90

Gambar 8. Lintasan parabola gerak roket air.

IV. KESIMPULAN Dalam makalah ini, telah dibangun dan dilakukan

eksperimen menggunakan alat eksperimen roket air sederhana yang dapat dibuat dari barang bekas. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa jarak terjauh lintasan tempuh roket terjadi ketika alat peluncur membentuk sudut 45 terhadap horizontal, sesuai dengan konsep teori gerak parabola. Selain itu, dalam eksperimen ini juga dapat diukur besar percepatan gravitasi yaitu 10,37 m/s2 dan 13,22 m/s2 yang memiliki sedikit perbedaan dengan literatur, terjadinya sedikit kesalahan ini disebabkan karena adanya faktor gesekan udara yang tidak disertakan dalam eksperimen serta ketidaktelitian dalam eksperimen. PUSTAKA [1] M. Sanjaya, Modul eksperimen Fisika II: roket dan analisis gerak

proyektil, Bandung: UIN SGD, 2010. [2] R. Serway, Physics for scientist & Engineers With Modern

Physics, Virginia: James Madison University Harrison burg, 1989. [3] Sutrisno Fisika Dasar : Mekanika Bandung: Penerbit ITB, 1979. [4] P. Tipler,Fisika Untuk Sains dan Teknik Jilid II Jakarta: Erlangga,

1991 (Terjemahan) [5] A.A. Baskoro, Panduan Lengkap Membuat Roket Air. Jakarta:

Komunitas langit selatan, 2009. [6] J.V. Cleaves, Guide to The Best Science Fair Project, New York:

John Willey & Sons, Inc., 1997. [7] J. Shariff, 50 green project for the evil genius, USA : The

McGraw-Hill Companies, Inc., 20.