APLIKASI SENSOR CAHAYA DAN BUNYI UNTUK MENENTUKAN KOEFISIEN GESEK UDARA PADA BENDA JATUH BEBAS
PROYEK AKHIR Karya tulis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Pengajaran Fisika dari Institut Teknologi Bandung
Oleh
SABAR WASPANDI NIM : 20207022 (Program Studi Pengajaran Fisika)
INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2009 i
APLIKASI SENSOR CAHAYA DAN BUNYI UNTUK MENENTUKAN KOEFISIEN GESEK UDARA PADA BENDA JATUH BEBAS
Oleh
Sabar Waspandi NIM : 20207022 (Program Studi Pengajaran Fisika) Institut Teknologi Bandung
Menyetujui Pembimbing Tanggal, ……………………..
Dr. Alamta Singarimbun NIP. NIP 131 875 445
ii
ABSTRAK
APLIKASI SENSOR CAHAYA DAN BUNYI UNTUK MENENTUKAN KOEFISIEN GESEK UDARA PADA BENDA JATUH BEBAS
Oleh Sabar Waspandi NIM : 20207022 (Program Studi Pengajaran Fisika)
Gerak jatuh bebas adalah salah satu topik ilmu fisika yang fundamental di SMA/MA. Sayangnya, karena terbatasnya instrumen, pengajarannya terbatas pada gesekan udara yang diabaikan. Masalah yang diteliti penulis adalah "Bagaimana mengaplikasikan sensor cahaya dan bunyi untuk menentukan koefisien gesek udara pada benda jatuh bebas? " Instrumen sensor cahaya 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 skala 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 masingmasing benda uji: Silinder pendek (0,609%), Silinder panjang (3,119%), Setengah bola (2,109%), Bola (0,2179%) dan Limas (0,990%). Dengan demikian dapat disimpulkan bahwa, sensor cahaya dapat diaplikasikan untuk mengukur besarnya koefisien gesek udara pada jatuh bebas dengan akurasi yang baik.
Kata Kunci: Sensor cahaya dan bunyi, gesekan udara, gerak jatuh bebas
iii
ABSTRACT APPLICATION OF LIGHT AND SOUND CENSOR TO DETERMINE AIR DRAG COEFFICIENT OF FREE FALL OBJECT
by Sabar Waspandi NIM: 20207022
Free fall object is one of the fundamental physics topics at SMA/MA. Unfortunately, because of the lack of instruments make this concept limited only to an air drag problem. And, the problem that writer tries to attempt in this research is “How to apply light and sound censor to determine the air drag coefficient in a free fall object?” Light censor in this study consists of two parts; a mechanical part and an electronic one. The mechanical part consists of a 2-meter statif with an on/off censor. Whilst the electronic part consists of an Infrared LED and a transistorphoto, they work as the transmitter and the receiver. The vital part is an IC 1455 that has a 1000 Hz frequency. The time is displayed in the segment seven. The censors can measure the time automatically, from the shortest range of 0,001 second to the longest range of 9,999 second. Thus, it can measure through the shortest range of the response time. The result in the research shows us that the coefficient of the air drag (c ) depends upon various of the test objects. They are short cylinder (1,157), long cylinder (0,795), half-sphere (0,429), sphere (0,469), and cone (0,505). Whilst the relative errors to the literature (εr) for each object are short cylinder (0,609%), long cylinder (3,119%), half-sphere (2,109%), sphere (0, 2179%), and cone (0,990%). In conclusion, this research shows that light and sound censor can be applied accurately to measure the air drag coefficient of free fall object. Keyword: Light and sound censor, air drag, free fall.
iv
PE DOMAN PEN GGUNAAN TE SIS
Tesis S2 yang tidak dipublikasikan terdaftar dan tersedia di Perpustakaan Institut Teknologi Bandung, dan terbuka untuk umum dengan ketentuan bahwa hak cipta ada pada pengarang dengan mengikuti aturan HaKI vang berlaku di Institut Teknologi Bandung. Referensi kepustakaan diperkenankan dicatat, tetapi pengutipan atau peringkasan hanya dapat dilakukan seizin pengarang dan harus disertai dengan kebiasaan ilmiah untuk menyebutkan sumbernya.
Memperbanyak atau menerbitkan sebagian atau seluruh tugas akhir haruslah seizin Direktur program Pascasarjana, Institut Teknologi Bandung.
v
Dipersembahkan kepada Ambarwati, Andi Rahman Arafat, Arina Sabrina dan Diva Virgo Aulia
vi
KATA PENGANTAR Bismillahirahmanirrahimi . Assalamu alaikum Wr. Wb. Puji syukur pada Allah SWT tanpa jemu-jemu penulis panjatkan sepanjang waktu, karena cinta kasih serta ilham-NYA yang senantiasa tercurah, sehingga penulis dapat menyelesaikan Tesis ini. Tesis ini berjudul "Aplikasi Sensor Cahaya dan Bunyi untuk Menentukan Koefisien Gesekan Udara pada Benda Jatuh Bebas." Penyusunan Tesis ini sebagai salah satu syarat dalam memperoleh Gelar Magister Pengajaran Fisika di Program Studi Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam lnstitut Teknologi Bandung. Untuk menyatakan terima kasih kepada semua orang yang telah membantu menyelesaikan Tesis ini tidaklah mungkin, diantara mereka yang surnbangannya langsung telah memungkinkan selesainya Tesis ini pertama-tama haruslah disebut Dr. Eng, Alamta Singarimbun, selaku Dosen Pembimbing Tesis yang telah membagikan ilmu pengetahuan dan membimbing, terutama masalah kajian teori yang mendasari fenomena gerak jatuh bebas yang memperhitungkan koefisien gesekan udara. Ucapan terima kasih juga dengan tulus saya sampaikan kepada: 1.
Dirjen Mapenda Departemen Agama RI yang memberikan Beasiswa penuh pada penulis untuk dapat menempuh pendidikan di Program Pasca Sarjana ITB.
2.
Dr. Ahmaloka, selaku Dekan Fakultas MIPA ITB.
3.
Dr. Widayani, Selaku KaProdi Fisika bidang S2
4.
Dr. Umar Fauzi, Selaku Pembimbing Akademis.
5.
Seluruh dosen Prodi Fisika yang tidak dapat ditulis satu persatu.
6.
Istriku tercinta Ambarwati yang setia, lembut, senantiasa memberi spirit dan mendoaakan keberhasilanku.
7.
Anak-anakku tersayang; Afat, Arin dan Diva yang menyejukkan mataku
vii
8.
Rekan-rekan Mahasiswa seangkatan yang mewarnai hidupku, memaknai ilmu dengan cinta dan air mata.
9.
Semua pihak yang secara tak langsung membantu penulis dari awal sampai akhir.
Terimakasih yang sebesar-besarnya penulis tujukan kepada mereka yang namanya tertera di bawah ini, atas kemurahan hati mereka memberikan sumbangan berupa saran-saran, Emhadelima M.Pfis (Riau). Guntoro (Jakarta). Said Wajidi (Kal Sel). Amin Widodo (Kebumen). Wahdian (NTB). Agustina (Jabar). Murni (Padang). Juga tak Lupa Pak Novitrian dan Pak Sparisoma (ITB) yang baik atas ide yang diberikan pada penulis. Semoga kebaikkan yang diberikan pada penulis mendapat balasan yang lebih balk dari Allah SWT, Akhir kata penulis menyadari bahwa pada tesis ini masih banyak kekurangannya, kritik dan saran konstruktif penulis senantiasa nantikan, teriring harapan semoga Tesis ini memberi manfaat adanya, terutama dalam meningkatkan mutu pengajaran. Wassalamualaikum Wr. Wb. Bandung,
Juni 2009
Penulis
viii
DAFTAR ISI HALAMAN PENGESAHAN ....................................................................................... i ABSTRAK ............................................................................................................. iii ABSTRACT ........................................................................................................... iv P E D O M AN PE N GGU N A AN T E S IS ...........................................................v KATA PENGANTAR .......................................................................................... vii DAFTAR ISI .......................................................................................................... ix DAFTAR LAMPIRAN ............................................................................................x DAFTAR GAMBAR DAN ILUSTRASI .............................................................. xi DAFTAR TABEL ................................................................................................. xii Bab I I.1 I.2 I.3 I.4 I.5 I.6
Pendahuluan ..................................................................................................1 Topik dan Latar Belakang Masalah .............................................................. 1 Rumusan Masalah ......................................................................................... 1 Tujuan Penelitian .......................................................................................... 2 Ruang Lingkup Penelitian ............................................................................ 2 Hipotesis Penelitian ...................................................................................... 2 Metode Penelitian ........................................................................................ 2
Bab II Teori Dasar...................................................................................................4 II.1 Gerak Jatuh Bebas ....................................................................................... 4 II.2 Komponen Elektronik ................................................................................. 6 Bab III III.1 III.2 III.3 III.4 III.5 III.6
Pelaksanaan Penelitian .............................................................................13 Alur Pelaksanaan Penelitian ..................................................................... 13 Waktu dan Tempat ................................................................................... 14 Desain Alat Sensor Cahaya pada Percobaan benda Jatuh Bebas ............. 14 Desain Alat Sensor Bunyi pada Percobaan benda Jatuh Bebas ............... 20 Desain Bagian Mekanik ........................................................................... 27 Desain Modul Gerak Jatuh Bebas ............................................................ 27
Bab IV Data dan Analisa .....................................................................................28 IV.1 Data Alat Ukur Dan Dimensi Benda Uji ................................................. 28 IV.2 Pengolahan Data ...................................................................................... 31 IV.3 Analisa Data ............................................................................................. 36 IV.4 Diskusi ..................................................................................................... 38 Bab V Kesimpulan dan Saran ...............................................................................39 V.1 Kesimpulan................................................................................................ 39 V.2 Saran-saran ................................................................................................ 39 DAFTAR PUSTAKA ............................................................................................41 LAMPIRAN ...........................................................................................................43
ix
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran A. Koefisien Benda Jatuh Bebas Berbagai Bentuk Benda Uji .............42 Lampiran B. Modul Praktikum Benda Jatuh Bebas MA/SMA.............................43 Lampiran C. Foto-foto Bentuk Rangkaian Sensor ................................................48 Lampiran D. Foto-foto Bentuk Benda Uji ............................................................49 Lampiran F. Foto-foto Bentuk Benda Uji yang Belum Berhasil dicoba ..............50 Lampiran G. Foto Kalibrasi timer Counter Dengan Stop watch dari HP ...........51
x
DAFTAR GAMBAR DAN ILUSTRASI Gambar II. 1. Gaya yang bekerja pada benda jatuh bebas ................................... 4 Gambar II. 2. Bentuk fisik resistor dan Lambang Resistor ............................... 7 Gambar II. 3. Foto berbagai Kapasitor dan Lambang Kapasitor ......................... 9 Gambar II. 4. Struktur Dioda dan Lambangnya ................................................... 9 Gambar II. 5. Dioda dengan bias maju dan Dioda dengan bias mundur ......... 10 Gambar II. 6. Foto LED dan Simbol LED ....................................................... 11 Gambar II. 7. Foto Seven Segment dan Struktur Segmen ............................. 11 Gambar II. 8. Foto Berbagai Transistor dan Lambang tansistor PNP ............ 12 Gambar III. 1. Diagram Alir Pelaksanaan Penelitian ........................................ 13 Gambar III. 2. Diagram Blok Alat Sensor Cahaya dan Bunyi ............................ 14 Gambar III. 3. LED sebagai Pemancar (Transmiter) dan Phototransistor ......... 15 Gambar III. 4. Gambar Bagian dalam IC 1455 .................................................. 16 Gambar III. 5. Bagan bagian Pemancar dan Penerima Sensor Cahaya. ............ 17 Gambar III. 6. Foto infra red control switch (transmiter) .................................. 17 Gambar III. 7. Transistor SPT sebagai Receiver................................................ 18 Gambar III. 8. Transistor sebagai Receiver ....................................................... 18 Gambar III. 9. Grafik Hubungan VCC terhadap Icc .......................................... 19 Gambar III. 10. Diagram Rangkaian Penerima (Receiver) .................................. 20 Gambar III. 11. Bagan bagian penerima (receiver).............................................. 20 Gambar III. 13. Sensor bunyi pada papan PCB ................................................... 22 Gambar III. 14. Skematik rangkaian trigger ........................................................ 23 Gambar III. 15. Foto Rangkaian Trigger pada PCB ............................................ 24 Gambar III. 16. Pencacah 4 bit............................................................................. 24 Gambar III. 17. Rangkaian counter 4 digit .......................................................... 26 Gambar III. 18. Bentuk Rangkaian counter 4 digit Pada PCB............................. 27 Gambar III. 19. Desain Statif ............................................................................... 27 Gambar IV. 1 Luas area referensi ...................................................................... 31 Gambar IV. 2 Grafik Hub. Ketinggian dan waktu benda uji Silinder Pendek. .. 33 Gambar IV. 3 Grafik Hub. Ketinggian dan waktu benda uji Silinder Panjang .. 33 Gambar IV. 4 Grafik Hub. Ketinggian dan waktu benda uji Setengah Bola ..... 34 Gambar IV. 5 Grafik Hub. Ketinggian dan waktu benda uji Bola..................... 34 Gambar IV. 6 Grafik Hub. Ketinggian dan waktu benda uji Limas .................. 34 Gambar IV. 7 Grafik hubungan Koefisien udara berbagai bentuk benda uji..... 37
xi
DAFTAR TABEL Tabel II. 1. Tabel II. 2. Tabel IV.1. Tabel IV.3. Tabel IV.4. Tabel IV.5. Tabel IV.6. Tabel IV.7. Tabel IV.8. Tabel IV.9.
Kode warna dan toleransi resistor ........................................................5 Tabel kebenaran pembuka 4 bit ke 7 LED .........................................19 Pengukuran Dimensi Benda Uji ........................................................21 Data Ketinggian dan Waktu Jatuh Bebas Silinder Panjang ...............29 Data Ketinggian dan Waktu Jatuh Bebas Setengah Bola ..................30 Data Ketinggian dan Waktu Jatuh Bebas Bola ..................................30 Data Ketinggian dan Waktu Jatuh Bebas Benda Uji Limas ..............30 Luas Area Benda Uji .........................................................................31 Gradien, konstanta dan koefisien berbagai benda uji ........................31 Perbandingan koefisien gesek udara praktek dan literatur ................36
xii
