LAPORAN EKSPERIMEN ROKET AIR

PRINSIP KERJA ROKET DAN ANALISIS GERAK PROYEKTIL

Oleh: Mahasiswa Jurusan Fisika

Abstrak

Telah dilakukan eksperimen pada roket air yang dilaksanakan pada hari Minggu, tanggal 3 Oktober 2010 pukul 08.00 sampai dengan 10.00 WIB di Laboratorium Fisika Dasar Fakultas Sains dan Teknologi Kampus Bandung. Tujuan dari percobaan ini adalah untuk membuktikan Hukum II dan III Newton dan menganalisis gerakan proyektil/ parabola. Dari hasil eksperimen diperoleh bahwa jarak tempuh roket terjauh diperoleh pada sudut 45^o. Namun terdapat perbedaan yang cukup jauh antara besar jarak tempuh roket hasil eksperimen dengan hasil perhitungan teoritis

Kata kunci : roket air, gerakan proyektil/ parabola..

Abstract

Have been conducted the experiment for the water rocket executed on Sunday, date of 3 October 2010 beating 08.00 up to 10.00 WIB in laboratory of Basic Physics, Faculty Of Science and Technology, University of Bandung. Intention of this attempt is to the fact II and III Newton's Law and to analize the parabolic motion/ projectile  . The distance maximum water rocket of pursuant of the launch angle  result experiment is 45^o. Have a different result between  calculation result teory and experiment for the distance maximum water rocket.

Keywords : Water rocket, parabolic motion/ projectile.

 

I.   PENDAHULUAN.

1.1  Tujuan

1. Membuktikan Hukum Newton II dan III.
2. Memahami prinsip kerja gaya dorong roket air sederhana.
3. Menganalisa gerak proyektil/ parabola.

                                          

1.2 Dasar Teori

Prinsip propulsi roket

Dalam percobaan 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 didalamnya diberi sedikit air untuk menghasilkan tenaga semburan yang lebih besar. Percobaan ini mengacu kepada hukum ketiga Newton (Hukum aksi Reaksi).

Prinsip kerja propulsi roket merupakan penerapan dari hukum ketiga Newton dan kekekalan 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, dari hukum Newton III, gas mengerjakan gaya yang sama dan berlawanan pada roket.

Dengan menggunakan analisis perubahan momentum system maka diperoleh persamaan propulsi roket, secara matematis dapat ditulis sebagai :

dimana  U_keluar adaalah kecepatan semburan gas, m adalah massa roket dan air di dalamnya, dan F_eks adalah gaya eksternal dari berat roket. Gaya dorong roket merupakan gaya yang bekerja pada roket akibat gas yang dikeluarkannya. Sesuai persamaan di atas, maka diperoleh :

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

Kelajuan gerak roket dapat ditulis :

Sedangkan untuk kelajuan roket yang bergerak dalam ruang bebas tanpa gaya eksternal, persamaannya adalah :

Dimana v_f dan v_i adalah kelajuan akhir dan awal roket, m_f dan m_i adalah massa akhir dan awal roket.

Analisis gerak proyektil

Besaran – besaran gerak yang berupa besaran vektor dapat diuraikan menjadi komponen komponennya  dalam setiap arah vektor-vektor basisnya. Sehinggga gerak dalam dua dimensi dapat duraikan 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 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.

Misalkan dititik asal koordinat (0,0) sebuah partikel bergerak dengan kecepata awal Vo yang membentuk sudut θ terhadap sumbu x. Partikel ini mengalai percepatan gravitasi sebesar –g (ke arah sumbu y negatif). Kecepatan awal partikel dapat diuraikan menjadi komponen x dan y, yaitu Vox = Vo cos θ dan Voy = Vo sin θ. Gerak partikel sekarang dapat dianalisa sebagai gerak dengan kecepatan konstan pada arah x dan gerak percepatan konstan pada arah y. Posisi partikel pada arah x dan y diberikan oleh :

 

Kecepatan partikel pada arah x tetap, yaitu Vx(t) = Vox , sedangkan kecepatan partikel pada arah y berubah sebagai Vy(t) = Vo(y) - gt . besar kecepatan partikel menjadi :

 

Jadi lintasan proyektil adalah parabola. Dengan sedikit analisisi diperoleh ketinggian maksimum sebesar :

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

 

Sedangkan waktu tempuh partikel sampai kembali ke posisi y=0 , dapat ditulis sebagai :

II.   METODE

2.1.Waktu & Tempat

Hari/ tanggal  : Minggu, 3 Oktober 2010

Waktu             : 07.00 – 10.00  WIB

Tempat           : Laboratorium Fisika Dasar Fakultas Sains dan Teknologi Kampus Bandung

2.2.Alat & Bahan

1.      1 set peralatan roket air

2.      Air

3.      Kayu penyangga atau tempat peluncuran

4.      Pompa sepeda (kompresor)

5.      Pengukur tekanan

6.      Busur derajat

7.      Stop Watch

8.      Mistar/ Jangka sorong

9.      Meteran

10.  Neraca Ohause

2.3.Cara Kerja

1. Menyusun peralatan roket air.
2. Mengukur diameter dari nezzel/ pentil roket.
3. Mengisi roket denga air sebanyak 1/2 volume air, kemudian menimbang dengan neraca dan mencatat sebagai massa awal roket m_i.
4. Menghubungkan roket dengan mesin pompa dan meletakan roket pada penyangga pada sudut tertentu.
5. Memompa roket hingga udara di dalam roket penuh dan saat roket meluncur mencatat besar tekanan pada alat pengukur tekanan.
6. Mencatat jarak dan waktu tempuh roket sampai kembali ke permukaan bumi.
7. Mengukur kembali massa roket dengan neraca.
8. Mengulangi langkah 1-6 untuk sudut bervariasi : 15^o ,30^o , 45^o , 60^o , 75^o dan 90^o.

III.       HASIL DAN PEMBAHASAN

3.1  Hasil Percobaan

Tabel I 

No.	Θ	t (sekon)	Xmak (m)	P (pascal)	mi (kg)	mf (kg)	A (x 10-4m2)
1	15o	0,05	3,60	500.000	0,539	0,270	4,98
2	30o	0,85	8,25	500.000	0,539	0,209	4,98
3	45o	1,07	13,90	600.000	0,539	0,199	4,98
4	60o	1,29	10,94	500.000	0,539	0,199	4,98
5	75o	2,63	4,86	600.000	0,539	0,199	4,98
6	90o	2,74	0,72	450.000	0,539	0,199	4,98

Tabel II

No.	Θ	F (Newton)	Ukeluar (m/s2)	t (sekon)	Xmak (m)
1	15o	249,3	46,3	1,2	54,4
2	30o	249,3	642,5	32,8	18270,5
3	45o	298,8	783,9	56,7	63096,6
4	60o	249,3	944,3	83,8	77221,4
5	75o	298,8	1932,6	190,5	186747,1
6	90o	224,1	2010,5	205,5	0

          Secara teoritis, percepatan gravitasi bumi  adalah : 9,83 m/s².

3.2  Pembahasan

Dorongan roket air adalah penerapan menarik hukum ketiga Newton dan kekekalan momentum. Roket air mengeluarkan air dari dalam tubuhnya dengan gaya yang besar setelah sebelumnya dipompa menggunakan pompa sepeda/ kompresor, sehingga air yang dikeluarkan mengerjakan gaya yang sama dan berlawanan pada roket, mendorongnya ke depan. Momentum yang hilang karena air yang dikeluarkan sama dengan momentum yang diperoleh roket.

Dari hasil eksperimen menunjukan bahwa pada sudut 45^o roket air mencapai jarak maksimal terjauh, yaitu sekitar 10,94 meter. Sesuai dengan perkiraan awal yang telah dibuktikan secara matematis. Hasil perhitungan jarak tempuh terjauh dan waktu tempuh roket yang sangat berbeda dengan hasil eksperimen menunjukan bahwa kurangnya analisa dalam perhitungan percobaan ini, perlu adanya referensi yang lebih banyak untuk mempelajari prinsip kerja roket yang rumit ini. Begitu pula dengan hasil percepatan gravitasi yang berbeda jauh dengan kenyataan. Perlu ada kajian ulang secara matematis dalam perhitungan eksperimen roket air ini.

IV. KESIMPULAN

Dari hasil eksperimen yang telah dilakukan,  terbukti bahwa Hukum II dan III Newton tejadi pada roket air. Pada saat kita memberikan gaya sebesar F pada roket air dengan cara mengisinya dengan udara melalui kompresor, roket mengerjakan gaya yang sama dan berlawanan sehingga mendorongnya ke depan. Hasil analisa gerak proyektil/ parabola pada eksperimen ini terdapat perbedaan yang jauh antara hasil eksperimen dengan perhitungan secara teori. Perlu ada analisa matematis yang lebih dalam untuk persamaan matematis yang digunakannya.

DAFTAR PUSTAKA

Serway, R. “Physic for scientist & Engineerings With Modern Physic”, James Madison University Harisson Burg, Viriginia, 1989.

Resnick & Haliday, “Fisika Jilid 1” Bab 20 Erlangga (Terjemahan).

Tipler, Paul. “Fisika Untuk Sains dan Tekhnik Jilid 1” Erlangga (Terjemahan).