ayunan bandul yang tergantung pada pegas

5
Ayunan Bandul yang Tergantung pada Pegas, Komputasi Numerik dan Percobaan Chandra Prasetyo (192008018) dan Dr. Suryasatriya Trihandaru Pendidikan Fisika, Fakultas Sains dan Matematika Universitas Kristen Satya Wacana Email [email protected] [email protected] Abstrak Gerak dari ayunan bandul yang tergantung pada pegas (pendulum pegas) adalah memenuhi hukum kekekalan energi dan persamaan lagrangian. Solusi dari persamaan gerak dapat didekati dengan metode runge kutta orde-4 dan perhitungan secara numerik. Sehingga didapatkan grafik dengan ralat secara munerik dan eksak. Paper ini juga membahas bagaimana mencari paramater-paramater fisika yang sesungguhnya dari gerak pendulum berdasarkan hasil pengamatan yang dilakukan dengan rekaman kamera digital, tentu saja metode penggunaan kamera digital dalam penelitian fisika sangat mungkin dikembangkan dalam dunia pendidikan fisika. Kata kunci : Teori Runge Kutta, lagrange, analitik, numerik, kamera digital I. Pendahuluan Dalam buku fisika dasar banyak dijelaskan solusi dari persamaan gerak ayunan bandul sedarhana, seperti dalam buku Fisika jilid 1 karangan Halliday Redsnick (1998), dan beberapa buku literatur lainnya. Akan tetapi paper ini akan lebih memfokuskan solusi dari persamaan gerak sebuah ayunan bandul yang tergantung pada pegas. Dengan menggunakan teori lagrange dalam buku Mechanic oleh Morin (2004) dan juga penyelesaian secara numerik dengan metode runge kutta seperti tertulis dalam buku Introduction Computional Physics oleh A. Klein dan A. Gudonov (2006). Percobaan di lakukan untuk mendapatkan parameter-paremeter fisika yang sebenarnya. Percobaan direkam dengan kamera digital kemudian di ekstrak menjadi 30 fps. Sehingga dapat di analisis dan dibandingkan bentuk gerak antara percobaan dan perhitungan. Jika teori dan pergitungan numerik dianggap benar, maka kita bisa mendapatkan parameter-parameter fisika yang sesungguhnyadari

Upload: chandra-prasetyo

Post on 01-Jul-2015

505 views

Category:

Documents


13 download

TRANSCRIPT

Page 1: ayunan bandul yang tergantung pada pegas

Ayunan Bandul yang Tergantung pada Pegas,

Komputasi Numerik dan Percobaan

Chandra Prasetyo (192008018)

dan

Dr. Suryasatriya Trihandaru

Pendidikan Fisika, Fakultas Sains dan Matematika

Universitas Kristen Satya Wacana

Email

[email protected]

[email protected]

Abstrak

Gerak dari ayunan bandul yang tergantung pada pegas (pendulum pegas) adalah memenuhi hukum

kekekalan energi dan persamaan lagrangian. Solusi dari persamaan gerak dapat didekati dengan

metode runge kutta orde-4 dan perhitungan secara numerik. Sehingga didapatkan grafik dengan

ralat secara munerik dan eksak. Paper ini juga membahas bagaimana mencari paramater-paramater

fisika yang sesungguhnya dari gerak pendulum berdasarkan hasil pengamatan yang dilakukan

dengan rekaman kamera digital, tentu saja metode penggunaan kamera digital dalam penelitian

fisika sangat mungkin dikembangkan dalam dunia pendidikan fisika.

Kata kunci : Teori Runge Kutta, lagrange, analitik, numerik, kamera digital

I. Pendahuluan

Dalam buku fisika dasar banyak dijelaskan solusi dari persamaan gerak ayunan bandul

sedarhana, seperti dalam buku Fisika jilid 1 karangan Halliday Redsnick (1998), dan beberapa buku

literatur lainnya. Akan tetapi paper ini akan lebih memfokuskan solusi dari persamaan gerak sebuah

ayunan bandul yang tergantung pada pegas. Dengan menggunakan teori lagrange dalam buku

Mechanic oleh Morin (2004) dan juga penyelesaian secara numerik dengan metode runge kutta

seperti tertulis dalam buku Introduction Computional Physics oleh A. Klein dan A. Gudonov (2006).

Percobaan di lakukan untuk mendapatkan parameter-paremeter fisika yang sebenarnya. Percobaan

direkam dengan kamera digital kemudian di ekstrak menjadi 30 fps. Sehingga dapat di analisis dan

dibandingkan bentuk gerak antara percobaan dan perhitungan. Jika teori dan pergitungan numerik

dianggap benar, maka kita bisa mendapatkan parameter-parameter fisika yang sesungguhnyadari

Page 2: ayunan bandul yang tergantung pada pegas

hasil pengukuran yang telah dilakukan sebelumnya. Aplikasi ini dapat dimanfaatkan dalam dunia

pendidikan, salah satunya untuk menjelaskan tentang ketelitian pengukuran paramater-paramater

fisika (dalam hal ini bandul yang tergantung pada pegas). Dan juga memberi pemahaman pada siswa

bagaimana cara menemukan ralat (error) pada suatu percobaan. Semua itu merupakan syarat

melakukan suatu penelitian yang selama ini kurang diperhitungkan, terutama di sekolah tingkat

menengah.

II. Dasar Teori

Solusi dari persamaan gerak pendulum pegas dapat dilihat di buku karangan David Morin

[Introductory Clasiccal Mechanics, with problems and solutions]

Figure 1

(1)

(2)

Metode analisis yang diggunakan adalah Runge Kutta orde 4. Diambil dari buku A. Klein dan A.

Godunov [Introductory Computational Physics] dengan persamaan sebagai berikut :

Page 3: ayunan bandul yang tergantung pada pegas

(3)

III. Implementasi

Tulis persamaan (1) dan (2) menggunakan persamaan deferensial biasa, menjadi :

(4)

(5)

sin2

gxl

v

dt

d

(6)

xm

kgxl

dt

dv cos)( 2

(7)

Kemudian tulis solusi dalam runge kutta menggunakan matlab:

n=1:N-1 k1x=v(n)*h; k1th=om(n)*h; k1v=((l+x(n))*om(n)^2+g*cos(th(n))-k/m*x(n))*h; k1om=-(2*v(n)*om(n)+g*sin(th(n)))/(l+x(n))*h; k2x=(v(n)+k1v/2)*h; k2th=(om(n)+k1om/2)*h; k2v=((l+(x(n)+k1x/2))*(om(n)+k1om/2)^2+g*cos(th(n)+k1th/2)-k/m*(x(n)+k1x/2))*h; k2om=-(2*(v(n)+k1v/2)*(om(n)+k1om/2)+g*sin(th(n)+k1th/2))/(l+(x(n)+k1x/2))*h; k3x=(v(n)+k2v/2)*h; k3th=(om(n)+k2om/2)*h; k3v=((l+(x(n)+k2x/2))*(om(n)+k2om/2)^2+g*cos(th(n)+k2th/2)-k/m*(x(n)+k2x/2))*h; k3om=-(2*(v(n)+k2v/2)*(om(n)+k2om/2)+g*sin(th(n)+k2th/2))/(l+(x(n)+k2x/2))*h; k4x=(v(n)+k3v)*h; k4th=(om(n)+k3om)*h; k4v=((l+(x(n)+k3x))*(om(n)+k3om)^2+g*cos(th(n)+k3th)-k/m*(x(n)+k3x))*h; k4om=-(2*(v(n)+k3v)*(om(n)+k3om)+g*sin(th(n)+k3th))/(l+(x(n)+k3x))*h; x(n+1)=x(n)+(k1x+2*(k2x+k3x)+k4x)/6; th(n+1)=th(n)+(k1th+2*(k2th+k3th)+k4th)/6; v(n+1)=v(n)+(k1v+2*(k2v+k3v)+k4v)/6; om(n+1)=om(n)+(k1om+2*(k2om+k3om)+k4om)/6; (8)

Page 4: ayunan bandul yang tergantung pada pegas

IV. Metode Percobaan

1. Rangkai alat seperti pada gambar

2. Ayunkan pegas dengan sudut tertentu

3. Rekam dengan kamera digital selama 1 menit.

Figure 2

4. ekstrak video menjadi gambar menggunakan DVDsoftvideo video to jpeg converter

5. analisa menggunakan matlab 6.5

V. Analisa Data

Data ukur (analisa awal)

parameter-parameter yang dapat diukur adalah sebagai berikut :

parameter nilai

r 0,505 m

m 0,06 kg

g 9,8 m/s2

Table 1

parameter dianggap dianggap fix tanpa ada ralat fisika untuk memudahkan pencocokan data. Dari

parameter-parameter tersebut akan dicari parameter lain yang sulit diukur tanpa alat bantu

perekam. Parameter tersebut antara lain adalah k, x0, θ0, v0, ω0, dan l (yang cenderung berupah-

ubah –energi pegas-)

pencocokan data Data (numerik)

Hasil dari input (grafik biru) data kemudian di dekati dengan solusi analitik yang ditulis dalam bentuk

runge kutta (grafik hijau).

Page 5: ayunan bandul yang tergantung pada pegas

Setelah itu dilakukan pencocokan data dengan pendekatan nelder-mead simplex, maka didapat

pendekatan grafik dengan parameter yang baru.

hasil pencocokan data

parameter nilai

k 3,2977

X0 0,1284

Θ0 0,3211

V0 -0.211

ω0 -1,6353

l 0,3309

Table 2

VI. Kesimpulan

Dengan menggunakan kamera digital dan perhitungan secara Numerik (komputasi) kita dapat

mencari paramater-parameter fisika tanpa mengukur secara langsung benda fisika tersebut.

Pendekatan grafik dengan metode runge kutta orde 4 dapat memberikan parameter-parameter

fisika yang kita rekam tersebut dengan lebih teliti.