RANCANG BANGUN SENSOR GERAK PADA PERCOBAAN AYUNAN SEDERHANA UNTUK MENGUKUR PERIODE AYUN 1
Wawan Kurniawan, 2Diana Endah Handayani 1 Staff pengajar Pendidikan Fisika IKIP PGRI Semarang /
[email protected] 2 Staff pengajar PGSD IKIP PGRI Semarang /
[email protected] Abstrak Penelitian ini telah berhasil membuat alat peraga ayunan sederhana dengan menggunakan sensor gerak berbasis cahaya. Data penelitian ini dapat ditampilkan pada komputer sistem operasi Window Xp dengan bahasa pemrograman Delphi 7 disisipi bahasa asembly. Dalam penelitian ini peneliti menggunakan bandul bermassa 56,5 gram dengan fariasi panjang tali dan simpangan. Penelitian ini menghasilkan data yang membentuk pendekatan persamaan dari periode (T) tiap ayun dengan persamaan dasar T = a − e 0,0027 x , dengan a adalah konstanta dan x adalah banyaknya ayun. Pada panjang tali 133 Cm dengan simpangan 10 Cm menghasilkan pendekatan persamaan T = 3,5 − e 0,0027 x dan ketika simpangannya dibuat 11 Cm maka menghasilkan pendekatan persamaan T = 3,45 − e 0,0027 x . Peralatan yang dibuat dalam penelitian ini dapat memvisualisasikan redaman dari ayunan sederhana walaupun hanya berhambatan udara. Pendekatan persamaan yang dihasilkan dari penelitian ini menggunakan excel dengan melakukan pendekatan kemiripan bentuk grafik. Kata Kunci : sensor gerak, ayunan sederhana, periode This research has managed to create simple props swing using motion sensor light based. The research data can be displayed on a computer operating system Window Xp with Delphi 7 programming language inserted asembly language. In this study the researchers used a pendulum mass of 56.5 grams with a length of rope and a deviation of variation. The study produced data that form the equation approach of the period (T) of each swing with the basic equation T = a − e 0,0027 x , with a is a constant and x is the number of swing. At 133 cm long rope with a deviation of 10 cm produced when the deviation equation approach T = 3,5 − e 0,0027 x and made 11 Cm then generate equations approach T = 3,45 − e 0,0027 x . The equipment is made in this study can visualize the attenuation of simple pendulum though only air friction. The resulting equation approach of this study using the similarity approach excel with graphs. Keywords: motion sensors, simple pendulum, periode
Pendahuluan Percobaan ayunan sederhana adalah salah satu percobaan yang harus dilakukan oleh mahasiswa pendidikan Fisika semester 1 pada saat menempuh matakuliah praktikum Fisaka dasar 1. Percobaan ini dilakukan untuk mencari besarnya percepatan gravitasi ditempat percobaan dilakukan. Data yang diambil dari percobaan ini adalah waktu dari 20 ayun (periode) bandul bermassa yang divariasi pada massa bandul dan panjang tali. Pengambilan data dilakukan dengan menggunakan stopwatch yang dikendalikan oleh praktikan, jadi akurasi data bergantung pada praktikan dalam melakukan uji coba. Percobaan ayunan sederhana dengan bandul bermassa menggunakan persamaan 1 (Tipler, 1991) untuk menghitung percepatan gravitasi dengan menganggap ayunan sederhana mendekati gerak harmonik dengan sudut simpangan yang kecil dan panjang tali (L) yang sangat panjang. T=
2π
ω
= 2π
L g
1.1
Persamaan 1.1 menggambarkan gerak osilasi yang ideal tanpa redaman sama sekali sehingga praktikan hanya mengambil data periode (T). Hal inilah yang menarik bagi peneliti karena ayunan sederhana sebenarnya adalah ayunan dengan redaman, ini dapat dibuktikan dari data penelitian yang ditampilkan pada Gambar 1.1 berikut ini.
Gambar 1.1. Grafik redaman pada ayunan sederhana (P. Glawtanong, dkk, 2011).
Data penelitian yang ditampilkan pada Gambar 1.1 membuktikan bahwa periode tiap ayun dari percobaan ayunan sederhana berubah terhadap waktu. Persamaan 1.1
sebagai pendekatan gerak harmonik yang dilakukan praktikan tanpa memperhatikan redaman oleh karena itu peneliti tertarik untuk membuat sensor gerak yang dapat mengukur redaman pada percobaan ayunan sederhana tersebut. Penelitian yang dilakukan P. Glawtanong mengambil data ayun dengan menggunakan kamera berkecepatan tinggi dengan hasil penelitian juga menyerupai data penelitian yang diambil dengan menggunakan data logging berbasis komputer dengan data ditampilkan pada Gambar 1.2 berikut ini.
Gambar 1. 2. Grafik redaman pada ayunan sederhana dengan pengambilan data Menggunakan data logging berbasis komputer (Vadas Gintautas dan Alfred Hubler, 2009).
Penelitian lain yang juga mengindikasikan data yang menyerupai redaman walaupun bandul ayun didalam fluida diperlihatkan pada Gambar 1.3
Gambar 1.3. Grafik redaman ayunan sederhana pada fluida dengan viscositas 0.005 (L.H. Juarez dan R. Glowinski, 2003).
Pertanyaan sederhana yang muncul pada peneliti adalah apakah berkurangnya lintasan terhadap waktu ini akan menyebabkan waktu ayun (periode) juga akan teredam ? pertanyaan inilah yang akan dipecahkan dalam penelitian ini untuk membuktikan redaman yang terjadi juga mempengaruhi periode ayun tiap waktunya. Metode Penelitian Penelitian ini akan membuat sensor gerak dengan menggunakan sumber cahaya dari IR LED dan sensor cahaya dari fotodioda. Tahap berikutnya adalah
pembuatan perangkat lunak untuk mengkaitkan data dengan perangkat keras dari sistem sensor. Gambar 3.1 adalah tahapan yang akan dilakukan dalam penelitian ini.
1. Persiapan
2. Pembuatan Sistem Sensor
3. Pembuatan Perangkat Lunak
4. Uji Coba
5. Analisa Data dan Simpulan
Gambar 3.1. Diagram alir penelitian. Gambar 3.1 adalah diagram alir atau tahapan yang akan dilakukan dalam penelitian ini, uraian tahap demi tahap sebagai berikut, pertama Penelitian ini membutuhkan dua perangkat utama yaitu perangkat keras berupa sensor gerak dan perangkat lunak yang ditanam pada komputer Pentium 4. Pembuatan sensor gerak dibangun dalam penelitian ini menggunakan menggunakan sumber cahaya IR LED yang tak tampak oleh mata manusia dengan sensor Fotodioda, perhatikan desain sirkuit pada Gamabar 3.2 berikut ini.
Gambar 3.2. Desain sensor cahaya Gambar 3.2 memperlihatkan arus yang mengalir pada IR LED dibatasi hambatan R1 dengan sumber tegangan sebesar 5 V ±1% yang dikendalikan dari IC
regulator 7805. Cahaya yang diproduksi dari sumber cahaya akan ditangkap oleh fototransistor jika bandul pada pendulum pada posisi menyimpang tetapi jika cahaya tertutup oleh bandul maka fototransistor tidak dapat menangkap cahaya IR LED sehingga transistor pada bagian basis tidak dialiri arus yang artinya input IC mendapat data 0 yang mengakibatkan keluaran menjadi berlogika 1. Perangkat lunak bertugas mencatat waktu ketika bandul melewati sensor cahaya. Proses berfikirnya adalah ketika bandul menutupi sensor maka dicatat sebagai waktu 1 dan ketika mengenai yang kedua maka mencatat waktu 2 dan selisih keduanya adalah waktu setengah periode yang ditempuh seluruh ayunanan. Hasil dan Pembahasan Penelitian ini telah berhasil membangun sebuah sensor gerak yang digunakan pada percobaan ayunan sederhana. Peralatan ini terrdiri dari perangkat keras yang dilengkapi dengan perangkat lunak berbasis komputer dengan sistem operasi Window Xp, Gambar 4.1 adalah foto dari sensor gerak berbasis fotodioda.
Gambar 4.1. Foto sensor gerak dengan bandul ayun. Gambar 4.1. memperlihatkan sebuah bandul yang berada pada posisi ditengah sensor. Sensor gerak dipasang tepat diujung statip dengan bahan dasar Akrilik transparan dengan bentuk U dengan sensor fotodioda dan IR Led ada di ujung pangkal U. Data pertama dari penelitian ini diambil menggunakan bandul bermassa 56,5gram panjang tali 133 Cm dengan simpangan ayun 10 Cm, perhatikan Gambar 4.3 yang memperlihatkan tampilan perangkat lunak antara banyaknya ayunan terhadap periode T dalam second.
Gambar 4.3. Tampilan perangkat lunak data 4. Analisa data kami lakukan dengan cara click Excel untuk memindah data dari delphi ke excel, setelah data berpindah buat grafik dari data tersebut. Persamaan grafik kami buat dengan melakukan pendekatan dengan persamaan pendekatan kami tampilakan pada persamaan 4.1 berikut ini. y = a − e cx
4.1
Dari persamaan 4.1 tersebut kami membuat pendekatan grafik dan Gambar 4.4 adalah tampilan pendekatan persamaan dari data diatas. 3
T = 3,5 − e 0,0027 x
Periode T (s)
2,5 2 1,5 1 0,5 0 0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
Ayun ke (x)
Gambar 4.4. Pendekatan persamaan dari data 1. Gambar 4.4 adalah pendekatan persamaan dari data 1 dengan konstanta a = 3,5 dan c = 0,0027, pendekatan persamaan terus – menerus kami lakukan hingga menghasilkan persamaan 4.2 berikut ini. T = 3,5 − e 0,0027 x
4.2
Data kedua kami ambil dengan menggunakan bandul dan panjang tali yang sama dengan simpangan ayun 11 Cm. Gambar grafik 4.5 memperlihatkan analisa
pendekatan persamaan yang kami dapatkan yang ternyata mempunyai bentuk yang sama dengan persamaan 4.2 denggan perbedaan konstanta a = 3,45. 3
T = 3,45 − e 0,0027 x
Periode T (s)
2,5 2 1,5 1 0,5 0 50
0
100
150
200
250
350
300
400
450
500
Ayun ke (x)
Gambar 4.5. Pendekatan persamaan dari data 2. Penelitian ini juga melakukan fariasi panjang tali, dengan massa bandul 56,6 gram simpangan ayun 10o dan panjang tali 30 Cm maka kami dapat pendekatan persamaan yang kami tampilkan pada Gambar 4.6. 1,4
T = 2,2 − e 0,0027 x
Periode T (s)
1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0
50
100
150
200
250
300
Ayun ke
Gambar 4.6. Persamaan pendekatan pada data 3 Simpulan dan Saran a. Simpulan Penelitian ini telah menghasilkan sebuah set sensor gerak berbasis cahaya yang digunakan pada percobaan ayunan sederhana untuk mengukur periode pada tiap ayunnya. Pada percobaaan menggunakan cara lama biasanya praktikan mengukur waktu
yang
dibutuhkan
bandul
bermassa
berayun
sebanyak
20
ayunan.
Mengggunakan alat ini praktikan dapat mengukur waktu ayun atau periode tiap ayunnya sampai bandul berhenti dan data tercatat dengan rapi didalam excel.
Data penelitian yang didapat kami analisa menggunakan pendekatan persamaan redaman non gaya yang kami buat dengan bantuan excel dengan hasil pendekatan T = a − e 0,0027 x dengan a adalah sebuah konstanta yang berhubungan dengan panjang tali dan simpangan bandul terhadap titik setimbang. Dari beberapa data yang peneliti dapatkan kami dapat menyimpulkan bahwa sistem sensor gerak berbasis cahaya. Pengembangan dari alat ini dibutuhkan pada perangkat lunak terutama bagian timer. b. Saran Penelitian ini telah mengembangkan perangakat lunak dan perangkat keras untuk membaca data periode ayun, oleh karena itu saran pertama dari peneliti adalah pengujian alat ke lingkungan sekolah untuk melihat respon dari siswa agar perangkat lunak lebih bersahabat. Saran kedua adalah penelitian ini baru menggunakan komputer pentium IV dengan sistem operasi Window Xp, pengembangan lebih jauh dapat dilakukan dengan mengubah sistem operasi yang lebih umum. c. Rekomendasi : Sensor gerak yang dibuat dalam penelitin ini dapat digunakan pada percobaan ayunansederhana pada matakuliah praktikum fisika dasar 1
DAFTAR PUSTAKA D. Halliday, R. Resnick, 1999, Fisika Modern, terjemahan P.Silaban, Erlangga, Jakarta Josh Bevivino, 2009, The path from simple pendulum to chaos, Dynamics at the horsetooth Volume 1 P.Glawtanong, dkk, 2011, Studies of free falling Object and simple pendulum using video analysis, Walailak J sci & Tech Volume 8 No. 1, pp. 63-69 Tipler, 2000, Fisika, Erlangga, Jakarta Vadas. G, Alfred. H, 2009, Simple, low cost, data-logging pendulum built from a computer mouse, IOP journal Physics education Volume 44 No. 5
