APLIKASI SENSOR CAHAYA DAN BUNYI UNTUK MENENTUKAN

KOEFISIEN GESEK UDARA PADA BENDA JATUH BEBAS

Sabar Waspandi[1,3]

, Alamta Singarimbun [2].

[1]Program Studi Pengajaran Fisika FMIPA ITB

[2]. KK Fisika Kompleks FMIPA Institut Teknologi Bandung

[3]. MTs Muhammadiyah 1 Sukarame Bandar Lampung

e-mail: sabarwaspandi@students.itb.ac.id

Abstrak.

Instrumen sensor cahaya dan bunyi pada penelitian ini terdiri dari dua bagian. Bagian

mekanik berupa statif dengan tinggi 2 meter yang dilengkapi dengan dudukan tempat

penerima sensor on/off. Bagian elektronik terdiri LED infra merah sebagai pemancar

dan photo transistor sebagai penerima, Otaknya terletak pada IC 1455 diletakkan

pada trigger yang mampu memicu frekuensi 1000 Hz. Hasil pencacahan

besaran waktu ditampilkan melaui segment seven. Karakteristik instrumen sensor,

mampu mengukur waktu secara otomatis dengan skala terkecil 0,001 sekon dan

terbesar 9,999 sekon sehingga tepat mengukur waktu tanggap yang sangat

pendek.

Hasil penelitian menunjukkan bahwa, besarnya koefisien gesek udara (c)

bergantung pada bentuk benda uji, yakni; Silinder pendek (1,157), Silinder panjang

(0,795), Setengah bola (0,429), Bola (0,469) dan Limas (0,505). Besarnya

kesalahan relatif terhadap koefisien gesek udara pada literatur (εr) untuk masing-

masing benda uji: Silinder pendek (0,609%), Silinder panjang (3,119%), Setengah

bola (2,109%), Bola (0,2179%) dan Limas (0,990%). Kesimpulannya sensor

cahaya dapat diaplikasikan untuk menentukan besarnya koefisien gesek udara pada

jatuh bebas dengan akurasi yang baik.

Kata Kunci: Sensor cahaya dan bunyi, gesekan udara, gerak jatuh bebas

I Pendahuluan

Hal yang melatarbelakangi penelitian ini antara lain: selama ini pelaksanaan

percobaan tentang gerak benda jatuh bebas di SMA/MA hanya terbatas pada

kondisi ideal, artinya tidak memperhitungkan faktor gaya gesek udara.

Kenyataannya benda jatuh selalu mengalami gesekan udara, namun

memperhitungkan besarnya gaya gesek udara tidak cukup menggunakan peralatan

seperti stop watch yang dioperasikan secara manual dan tingkat ketelitian hanya

0,1 detik. Karena gerak jatuh bebas untuk ketinggian sekitar 2 meter (skala

laboratorium) memiliki rentang waktu yang pendek, akibatnya melakukan

percobaan gerak benda jatuh bebas yang riel dengan memperhitungkan koefisien

gesekan udara mengalami kendala, karena memerlukan peralatan yang otomatis

dan lebih teliti dari stop watch. Hingga saat ini peralatan tersebut belum tersedia

di laboratorium - laboratorium sekolah.

Oleh karena itu peneliti merasa perlu untuk merakit dan mengaplikasikan sensor

cahaya dan bunyi untuk menentukan koefisien gesekan udara pada benda jatuh

bebas, sehingga kendala pengajaran fisika topik gerak jatuh bebas dapat teratasi.

II. Teori Dasar

II.1 Gerak Jatuh Bebas

Benda jatuh bebas disekitar bumi dipengaruhi oleh dua gaya berlawanan arah

yaitu gaya tarik ke bawah oleh gravitasi bumi (W) dan gaya angkat ke atas oleh

tahanan udara (Fg). Resultan gaya pada benda ( F) diekspresikan dalam gambar

II. 1 sehingga diperoleh:

F = W – Fg (II. 1)

Gambar II. 1 Gaya yang bekerja pada benda jatuh bebas

Gesekan udara dapat diformulasikan melalui berbagai macam cara. Untuk benda

ringan dengan kecepatan terminal yang besar pendekatan yang lebih baik,

digunakan rumus II.2

2.vbFg (II. 2)

dengan b = tetapan dan v kecepatan benda jatuh

Resultan gaya adalah selisih antara gaya ke atas dan gaya ke bawah. Persamaan

(II.1) – (II.2) dapat dikombinasikan sebagai berikut:

2.. vbgmF (II. 3)

Sesuai hukum II Newton untuk benda yang bergerak bahwa F = m.a maka

rumus di atas dapat dituliskan menjadi:

2... vbgmam (II. 4)

2vm

bg

dt

dv

(II. 5)

Persamaan (II.5) adalah sebuah model yang menghubungkan percepatan benda

jatuh bebas dengan gaya yang bekerja padanya. Dengan menggunakan solusi

eksak untuk gerak jatuh bebas, jika yo= 0, vo = 0 saat t = 0, persamaan (II.6) dapat

diselesaikan menjadi persamaan berikut.

tm

bg

b

gmv tanh (II. 6)

Untuk bg

mt persamaan (II.6) menjadi :

b

gmv

(II. 7)

Sedangkan untuk hubungan antara ketinggian dan waktu diperoleh dengan

mengintegrasikan lebih lanjut persamaan (II.8) syaratnya yo = 0 saat t = 0 dan y

saat t maka,

tm

bg

b

my coshln (II. 8)

pada bg

mt persamaan posisi benda jatuh bebas menjadi :

2lnb

mt

b

mgy (II. 9)

Dengan membuat grafik hubungan y dengan t, dapat ditentukan besar tetapan

gesekan udara (b) pada benda jatuh bebas tersebut.

cAb2

1

(Symon, 1980) (II. 10)

Rumus tersebut dapat disusun kembali menjadi:

A

bc

.

2

(II. 10)

Dengan ρ = kerapatan udara dan A = Luas area yang dilalui benda (m2) maka

koefisien gesek udara (c) setiap benda jatuh bebas dapat ditentukan. Selanjutnya

hasil tersebut dapat digunakan untuk menghitung besarnya gaya gesek udara ke

persamaan (II. 3)

II.2 Komponen Elektronik

II.2.1 Resistor

Resistor (R) adalah suatu komponen elektronika yang memberikan hambatan

terhadap perpindahan elektron. Kemampuan resistor menghambat muatan

disebut resistensi, besarnya diekspresikan dalam satuan Ohm. Hubungan antara

hambatan, tegangan dan arus listrik dapat ditulis dalam persamaan matematika

sebagai berikut:

i

VR

(II. 12)

Dimana V adalah beda potensial antara kedua ujung benda penghambat; i adalah

besar arus yang melewati benda penghambat dan R adalah besarnya hambatan

benda penghambat tersebut. Berikut ini adalah gambar dan lambang resistor.

Gambar II. 2 Bentuk resistor dan Lambangnya

II.2.2 Kapasitor

Kapasitor adalah komponen elektronika yang dapat menyimpan muatan listrik

sementara, struktur dasar kapasitor terbuat dari 2 plat logam yang dipisahkan oleh

bahan dielektrik, bahan-bahan dielektrik umum yang telah dikenal misalnya;

udara, keramik, gelas dan lain-lain. Berikut ini disajikan berbagai macam

kapasitor dan salah satu lambangnya.

Gambar II. 3 Foto berbagai Kapasitor dan Lambang Kapasitor

II.2.3 Dioda

Dioda sebagai salah satu komponen aktif sangat popular digunakan dalam

rangkaian elektronika sebagai penyearah gelombang (Half Wave Rectifier),

penyearah gelombang penuh (Full Wafe Rectifier), rangkaian pemotong (Clipper),

rangkaian penjepit (Clamper) maupun pengganda tegangan (voltage Multiplier).

Di bawah ini merupakan gambar ilustrasi dioda positif negatif.

Displetion layer P N

Struktur Dioda Anoda Katoda

Gambar II. 4 Struktur Dioda dan Lambangnya

Gambar ilustrasi di atas menunjukkan sambungan PN dengan sedikit porsi kecil

yang disebut lapisan deplesi (depletion layer) dimana terdapat keseimbangan hole

dan elektron. Pada sisi P banyak terdapat hole-hole yan siap menerima elektron

sedangkan si sisi N banyak terdapat elektron-elektron yang siap untuk bebas.

II.2.4 LED

LED singkatan dari Light Emitting Dioda,merupakan komponen elektronika yang

dapat mengeluarkan cahaya. Berikut ini merupakan gambar dan lambang LED.

Gambar II. 5 Foto LED dan Simbol LED

Aplikasi LED pada penelitian ini sebagai indikator, pemancar inframerah dan

pembentuk susunan display yang besar, juga dikenal dengan segment seven yang

umum digunakan untuk menampilkan hasil pencatatan waktu otomatis.

II.2.6 Seven Segment

Seven segment merupakan peraga angka dari 0 sampai 9. Seven Segment ini

dibentuk oleh 7 buah segmen yang tersusun sedemikian rupa sehingga jika ada

beberapa segmen tertentu yang aktif maka akan membentuk sebuah angka. Jika

segment A, B, dan C hidup, maka angka yang akan ditampilkan adalah 7.

demikian seretusnya.

Gambar II. 6 Foto Seven Segment dan Struktur Segmen

II.2.5 Transistor

Transistor merupakan komponen elektronika aktif yang menggunakan aliran

elektron sebagai prinsip kerjanya di dalam bahan, sebuah transistor memiliki tiga

kaki yaitu; basis, emiter dan kolektor. Transistor terdiri atas dua jenis, yakni;

NPN dan PNP. Transistor memiliki dua sambungan; satu antara emitter dan basis,

dan yang lain kolektor dan basis.

Gambar II. 7 Foto Berbagai Transistor dan Lambang tansistor PNP PNP

III. Metode Penelitian

III.1 Studi Pustaka

Studi pustaka dilakukan di Perpustakaan FMIPA dan Perpustakan Umum Institut

Teknologi Bandung serta penulusaran berbagai jurnal ilmiah pada internet.

III. 2 Metode Eksperimen

Tahap pertama untuk metode eksperimen dilakukan pengujian instrumen sensor

hasil rakitan, selanjutnya dilakukan penyempurnaan alat sehingga dapat berfungsi

dengan baik.

Tahapan inti yaitu dengan pengambilan data yang meliputi pengukuran waktu

jatuhnya benda dari ketinggian maksimum dan variasi percobaan lainnya.

Setelah data lengkap tahap berikutnya mengolah data dan melakukan analisis,

hasilnya dibandingkan dengan percobaan sejenis yang telah baku dari referensi.

Langkah terakhir menarik kesimpulan. Gambar III. 1 berikut menampilkan

urutan metodologi penelitian.

Metodologi Penelitian

Studi Pustaka

Perpus ITB searching

DESAIn

Ujicoba Alat

Experimen

Pengambilan

Data

Kesimpulan

Gambar III. 1 Metodologi Penelitian Proyek Akhir

III.3 Desain Alat Sensor Cahaya pada Percobaan benda Jatuh Bebas

Secara garis besar terdiri dari dua, yakni: desian bagian elektronik dan mekanik.

Berikut ini adalah diagram blok dari rancangan alat tersebut.

Mekanik Elektronik

Penjatuh Benda

Trigger

Acuan 1 Sensor On

Rangkaian Timer Display

Relay Pemancar/

Penerima Counter

Acuan 2 Sensor Off Catu Daya

Gambar III. 2 Diagram Blok Alat Sensor Cahaya dan Bunyi

IV. Hasil dan Pembahasan

IV. 1 Data Dimensi Benda Uji

Bahan Benda Uji terbuat dari Stereoform dibuat dengan berbagai bentuk dan

diukur dimensinya, hasilnya disajikan dalam tabel IV4.1 berikut:

Tabel IV. 1. Pengukuran Dimensi Benda Uji

No Bentuk Pengukuran ( mm)

Massa

(gr)

Dimensi 1 2 3 4 5 Rerata

1

Silinder pendek

Tinggi 8.8 8.8 8.8 8.8 8.8 8.8 0.2

Diameter 4.320 4.305 4.465 4.330 4.405 4.365

2 Silinder panjang Tinggi 45.75 45.75 45.30 44.75 46.10 45.53

0.2 Diameter 47.25 47.75 48.00 48.00 47.35 47.67

3 Setengah bola Diameter 45.50 45.50 46.30 46.00 45.50 45.76 0.2

4 Bola Diameter 46.25 45.60 46.50 46.60 46.45 46.28 0.2

5

Limas

Sisi 48.80 49.25 48.95 48.60 49.05 48.93 0.2

Tinggi 50.30 52.00 52.00 50.75 50.25 51.06

IV. 1.1 Hasil Penentuan Koefisien Gesek Udara Berbagai Benda Uji

Hasil penentuan koefisien gesek udara (c) dengan persamaan II.10 berbagai benda

uji yang dijatuhkan mulai dari 0,5 meter sampai 2 meter dan suhu ruangan saat

itu kurang lebih 20oC diperlihatkan pada tabel IV.2

Tabel IV. 2. Koefisien gesek udara berbagai benda uji

No Nama Benda c

1 Silender pendek 1.15

2 Silinder panjang 0.795196

3 Setengah bola 0.429048

4 Bola 0.468982

5 Limas 0.505001

Pembahasan

Dari tabel tersebut diperoleh informasi bahwa bentuk benda yang terbuat dari

bahan sama dan massanya sama memiliki koefisien gesek berbeda, koefisien

gesek udara terkecil 0,429048 yaitu pada benda uji setengah bola, selanjutnya

untuk bola memiliki koefisien gesek udara 0,46893. Limas koefisien geseknya

berada pada urutan ke tiga (0,505001). Peringkat ke empat koefisien gesek udara

pada percobaan ini adalah silinder panjang (0,795196), sedangkan koefisien gesek

terbesar 1,15 dimiliki oleh benda uji silinder pendek. Jadi bentuk benda

berpengaruh terhadap koefisien gesek udara.

Selanjutnya hasil penentuan koeifisien gesek udara berbagai benda uji dari

percobaan tersebut akan dibandingkan dengan koefisien gesek udara dari

referensi. Hasilnya ditampilkan dalam tabel berikut:

Tabel IV. 2. Perbandingan koefisien gesek udara antara praktek dan literatur

No Nama Benda Praktek Literatur Error relatif

1 silender pendek 1.1570 1.15 0.60917

2 Silinder panjang 0.795196 0.82 3.119231

3 Setengah bola 0.429048 0.42 2.108923

4 Bola 0.468982 0.47 0.217149

5 limas 0.505001 0.5 0.990236

Dari tabel IV.4 Koefisien gesek udara berbagai benda uji hasil praktikum dan

koefisien gesekan udara dengan literatur (lampiran 1) ternyata memperlihatkan

perbedaan, perbedaan hasil koefisien gesek udara dari praktek dan dari literatur

dikenal dengan error atau kesalahan, besarnya kesalahan relatif dapat ditentukan

sebagai berikut :

%1000

10 xc

cc

Keterangan :

ε= Kesalahan relatif

c0= Koefisien gesek udara dari literatur

c1= Koefisien gesek udara dari percobaan

Sebagai sampel diambil pada benda uji silinder pendek dihitung dengan rumus

tersebut dan diperoleh kesalahan relatif sebesar:

%60917,0

%10015,1

1570,115,1x

Hasil Perhitungan kesalahan relatif selengkapnya untuk masing-masing benda uji

disajikan dalam tabel kolom 5.

Untuk melihat perbandingan error antara penentuan koefisien udara dari

percobaan dan literatur lebih jelas lagi hasilnya disajikan dalam diagram batang

berikut ini:

PERBANDINGAN HASIL

PerbandinganHasil praktek dan Literatur

Gambar IV. 1 Grafik Perbandingan Error Koefisien udara berbagai bentuk benda

uji antara praktikum dan literatur

Dari grafik tersebut tampak bahwa besarnya koefisien gesekan benda uji dengan

massa yang sama, terbuat dari bahan yang sama dan dijatuhkan dari ketinggian

yang sama hasilnya berbeda-beda bergantung bentuk benda ujinya. Hal ini

menunjukkan koefisien gesek udara bergantung bentuk benda uji.

IV.4 Diskusi

Mengapa terdapat perbedaan hasil koefisien gesek udara antara antara Eksperimen

dan koefisien gesek udara dari referensi. Dalam kasus benda jatuh bebas di atas

penyebab perbedaan hasil atau error adalah karena bentuk benda uji yang tidak

sempurna, ketidak sempurnaan itu dapat dimaklumi karena pembuatan benda uji

menggunakan tangan sehingga besaran-besaran fisis yang terukur tidak begitu

presisi, baik panjang, lebar maupun massanya.

Kekurangsempurnaan pembuatan bentuk benda uji tersebut menyebabkan selang

waktu yang lebih besar dibanding referensi yang ada, sehingga diperoleh beda

waktu yang kecil dengan referensi.

Selain itu pembuatan benda uji dengan tangan menyebabkan juga titik massa yang

tidak begeser dari yang semestinya, sehingga jatuhnya benda kadang-kadang tidak

lurus vertikal, ini berakibat jarak tempuh benda uji menjadi tidak selalu sama.

Jika benda uji dibuat oleh pabrik atau orang ahli, kesalahan mutlak dapat

diminimalkan.

Kelemahan yang ada dalam percobaan ini :

- Beban benda/obyek uji masih kurang ringan

- Bentuk benda kurang seimbang baik ukuran maupun konstruksi

- Sensor bunyi tidak mampu mendeteksi bunyi yang terlalu lemah

- Lintasan yang ditempuh benda jatuh kadang tidak tepat lurus

- Benda uji kadang oleng ketika ketinggian 2 meter

- Bentuk benda uji buatan sendiri permukaannya masih kasar

Bab V Kesimpulan dan Saran

V.1 Kesimpulan

Berdasarkan hasil penelitian dan analisis data yang telah diuraikan pada Bab IV,

maka dapat disimpulkan sebagai berikut:

1. Besarnya koefisien gesek praktek (c) dan koefisien gesek udara literatur

cl untuk masing-masing benda uji adalah sebagai berikut: silinder

pendek (1,157) literatur 1,15 , silinder panjang (0,795), literatur 0,85 ,

setengah bola (0,429), literatur 0,42l bola (0,469), literatur 0,47 dan

limas (0,99), literatur 0,5l

2. Kesalahan relatif masing-masing benda: Silinder pendek (0,609%),

Silinder panjang (3,119%), Setengah bola (2,109%), Bola (0,217%), dan

Limas (0,990%)

V.2 Saran-saran

1. Agar diperoleh kesalahan yang sekecil-kecilnya pembuatan benda uji

sebaiknya dikerjakan lebih cermat dan teliti, sehingga lintasan jatuhnya

benda uji tidak melenceng dari garis lurus

2. Untuk hasil yang terbaik suhu ruangan di set pada kisaran 20 derajat,

sehingga koefisien geseknya mendekati hasil dari referensi.

3. Bagi sekolah-sekolah yang ingin meningkatkan kualitas pengajaran topik

gerak jatuh bebas yang melibatkan gesekan udara dapat mereproduksi

sensor sejenis.

4. Bagi para peneliti lanjutan dari topik ini dapat menggunakan benda uji lain

yang belum berhasil dengan baik (tingkat kesalahan diatas 57%) seperti

bentuk benda uji setengah streamline, streamline, kubus dan limas

bersudut.

DAFTAR PUSTAKA

Emhadelima. (2008). Penggunaan Skala Counter untuk Menentukan kecepatan

Awal Peluru Pada Gerak Parabola. (Proyek Akhir). ITB. Bandung

Giancoli, Douglas C. ( 1998 ). Physics. 5th

Edition. Prentice-Hall,Inc.

Kirkup,L.(1994). Eksperimental Methods : an Introduction to the

Analysisis Presentation of Data. Jhon Wiley & Sons.

Masiran, P., Basuki dan B. Purwadi. (1992). Sistem Pencatat Suhu Dengan

Komputer. Jurnal Jurusan Fisika. Vol. 3 No. 9 UGM. Jogjakarta.

http://alldatasheets/mc1455timer, (diakses 11 Februari 2009)

http://en.wikipedia.org/wiki/Drag_coefficient, (diakses 18 Februari 2009)

http://en.wikipedia.org/wiki/sensor, (diakses 2 Mei 2009)

Sears and Zemansky. (1990). University Physcis. 7th

Edition. Addison-

Wesley Publishing Company, Inc.

Pramono Hadiyono., Rohedi Yunus Ali dan Yudoyona Gatut. (2008). Fabrikasi

Directional Coupler Serat Optik Multimode. Jurnal Fisika dan Aplikasinya.

Jurusan Fisika FMIPA ITS. Vol. 4 no. 2 Surabaya

Riyanto Yatim. (2001). Metodologi Penelitian Pendidikan. Penerbit SIC

Surabaya

Sulcoski, John W. (1966). Experiments in Physics. Minneapolis. Burgess

Publishing Company.

Symon, Keith R. (1980). Mechanics 3th

Edition. Addison-Wesley

Publising Company

Soloman Sabrie. (1998). Sensors Handbook. Printed and bound by R.r

Donnelly & Sons Company.

Sutrisno. (1987). Elektronika Teori dan Penerapannya. Jilid 2. Penerbit

Institut Teknologi Bandung. Bandung.

Waspandi sabar. (2009). Aplikasi Sensor Cahaya dan Bunyi untuk Menentukan

Koefisien Gesek Udara pada Benda Jatuh bebas. (Proyek Akhir). ITB

Lampiran. Koefisien Benda Jatuh Bebas Berbagai Bentuk Benda Uji

Sumber: http://en.wikipedia.org/wiki/Drag_coefficient

DAFTAR ISI

Halaman Judul ..............................................................................................................1

Abstrak. .....................................................................................................................1

I Pendahuluan ..........................................................................................................1

II. Teori Dasar ........................................................................................................2

II.1 Gerak Jatuh Bebas ....................................................................................... 2

II.2 Komponen Elektronik ................................................................................. 4

III. Metode Penelitian........................................................................................ 6

III.3 Desain Alat Sensor Cahaya pada Percobaan benda Jatuh Bebas ............... 7

IV. Hasil dan Pembahasan ......................................................................................8

IV.4 Diskusi ..................................................................................................... 11

Bab V Kesimpulan dan Saran ...............................................................................11

V.1 Kesimpulan................................................................................................ 11

V.2 Saran-saran ................................................................................................ 12

DAFTAR PUSTAKA ............................................................................................12

Lampiran Ukuran Koefisien Benda Jatuh Bebas Berbagai Bentuk Benda Uji ..14