ALAT PERAGA FISIKA
ROKET AIR
SMA NEGERI 21 MAKASSAR
I.
PENDAHULUAN
1. Latar Belakang Terkadang di waktu senggang seorang siswa tatkala kebanyakan mereka menggunakannya untuk bermalas-malasan, melakukan hal yang tak berguna atau bahkan tidak melakukan apapun. Padahal waktu adalah uang jika mereka menyianyiakan hala seperti itu, sma saja mereka menghabiskan uang mereka hanya untuk bermalas-malasan saja. Tetapi akan ada banyak hal yang menarik yang dapat mereka lakukan bila mereka mau berusaha bahakan merekapun bisa belajar sambil bermain hingga bisa menghilangkan rasa kejenuhan mereka. Salah satunya adalah membuat sebuah alat yang berhubungan dengan fisika namun sangat menarik untuk dimainkan contohnya Roket Air.
2. Tujuan Tujuan membuat roket air ini adalah untuk memenuhi tugas Mata Pelajaran Fisika serta mengembangkan daya kreatifitas dan motivasi seorang siswa untuk membuat sebuah alat peraga dengan memanfaatkan konsep-konsep pada Bidang Studi Fisika hingga menjadi hal yang menarik untuk di gunakan.
3. Manfaat Manfaat membuat roket air ini adalah dapat mengembangkan daya kreatifitas sehingga seorang siswa dapat memanfaatkan konsep-konsep ilmu dalam pelajaran Fisika hingga menjadi sebuah alat yang menarik untuk di gunakan.
II.
PEMBAHASAN
1. SEKILAS MENGENAI ROKET AIR
Dalam merancang roket air kita akan dihadapkan pada empat subjek yaitu gaya berat, gaya dorong, sistem aerodinamis dan daya angkat.
Roket air bekerja dengan bantuan air dan tekanan udara sehingga ia bisa terlontar keudara. Pertama - tama roket air yang terbuat dari botol ini di isi air kira - kira 40% dari volumenya.
Kemudian botol di pasang pada peluncur roket air, Udara kemudian di pompakan ke botol roket sehingga tekanan naik. Gaya dorong akan didapat saat air mulai keluar dari botol roket air dengan cara menarik tutup nozzel.
Persis seperti roket sungguhan, roket air ini juga di pengaruhi oleh faktor -faktor external seperti pengaruh angin dan berat dari roket air itu sendiri. Untuk mendapatkan jarak lontar yang jauh perhitungan sistem aerodinamisnya perlu di perhatikan.
2. ALAT DAN BAHAN
Kepala + Pemberat roket Berfungsi agar roket bergetak lurus dan tidak melayang saat meluncur di udara.
Tutup botol di launcher Berfungsi untuk mengunci roket agar roket tidak meluncur sebelum udara yang di pompa ke roket cukup.
Pentil launcher Berfungsi untuk memompa udara ke dalam roket dan mengunci udara agar udara yg sudah di pompa tidak keluar lagi.
Seal/Klep Berfungsi untuk membuat seal agar air tidak cepat merembes ke luar roket.
Sayap/Fin Berfungsi untuk membuat roket tetap stabil saat meluncur di udara.
3. CARA MENGGUNAKAN
Buka pipa peluncur, dan masukkan air sampai kira-kira 20-40% bagian botol. masukkan kembali pipa peluncur dan arahkan roket ke atas sampai cable ties benarbenar mencengkram mulut botol. pasang kunci pengamannya. Bila air merembes keluar, maka seal tidak berfungsi dengan baik. ganti kembali seal karet. Pompa udara kedalam botol melalui pentil di bagian bawah peluncur. jangan terlalu tinggi tekanannya (awas botol pecah). Bila sudah mencukupi tarik kunci pengaman ke bawah. dan roketpun meluncur.
4. GAYA-GAYA YANG BEKERJA PADA ROKET AIR
Roket air dapat meluncur karena terjadi beberapa gaya yang bekerja, antara lain:
Gambar 1. Gaya yang terjadi pada roket
1.
Gaya Dorong (Thrust) Thrust (gaya dorong) adalah gaya yang mendorong roket yang disebabkan oleh
keluarnya air dan udara dari dalam botol yang bertekanan tinggi ke luar botol yang bertekanan lebih rendah.Gaya dorong dapat dirumuskan: =2
Gaya Dorong dalam satuan newton (N), tekanan dalam pascal (Pa) dan diameter dalam meter (m). Dari rumus tersebut dapat diambil kesimpulan bahwa gaya dorong dipengaruhi oleh besarnya tekanan dan diameter nozzle. Semakin besar tekanan makin besar gaya dorong, demikian juga makin besar diameter nozzle makin besar pula gaya dorong yang dihasilkan. Tetapi rumus tersebut hanya berlaku tepat pada saat roket mulai meluncur, saat roket sudah meluncur, tekanan dalam botol juga berkurang sampai tekanannya sama dengan tekanan udara di luar botol. Jadi rumus yang berlaku menjadi:
F m e ve m o vo ( p e p o ) Ae dimana F adalah gaya dorong, p adalah tekanan, v adalah kecepatan, A adalah luas penampang, m adalah massa. Untuk p e p o : F m e ve m o vo m e (1 f )m o Untuk p e p o : F m e ve m o vo ( p e p o ) Ae
F adalah perbandingan campuran air dan udara. Jadi secara spesifik dapat disimpulkan bahwa:
Fs
F (1 f )v e v o m o
karena gaya dorong berubah nilainya setiap waktu maka:
F
mv 2 mv 1 t 2 t1
Dalam roket air, ada dua fluida yang digunakan sebagai bahan pendorong roket yaitu fluida yang dapat dikompresi yaitu udara dan fluida yang tidak dapat dikompresi yaitu air. Mengapa digunakan dua fluida? Sebenarnya jika hanya menggunakan udara saja roket tetap bisa meluncur, tetapi lamanya waktu gaya dorong sangat cepat sehingga perlu fluida lain yang tidak dapat dikompresi sehingga lamanya waktu gaya dorong bisa lebih lama. Pada dasarnya semua fluida yang tidak dapat dikompresi dapat digunakan sebagai bahan pendorong, akan tetapi yang paling ekonomis adalah air. Kembali pada inti masalahnya karena berat jenis air lebih berat daripada berat jenis udara, maka di dalam roket, air akan berada di bawah udara, tekanan udara mendorong air dan sebagian udara untuk keluar dari nozzle, setelah air habis maka sisa udara yang masih bertekanan akan keluar membentuk air-pulse yang memberikan gaya dorongan terakhir yang cukup besar. Perbandingan air dan udara mempengaruhi lamanya waktu gaya dorong roket. Selain itu ukuran diameter dan tekanan udara juga sangat mempengaruhi. lamanya waktu gaya dorong yang lama dapat diperoleh dari diameter dengan lubang sempit, lebih banyak air dan tekanan udara yang rendah.
2.
Gaya Berat (Weight) Weight (gaya berat) adalah gaya yang disebabkan oleh gaya gravitasi bumi.
Weight adalah gaya yang melawan gaya yang dialami roket waktu meluncur meninggalkan permukaan tanah. W m.g
pada saat roket akan meluncur beratnya mencapai berat yang maksimal karena masih menyimpan air dan udara didalamnya. Saat roket meluncur air dan udara juga keluar menimbulkan gaya dorong, gaya dorong berkurang bersamaan dengan turunnya tekanan udara didalamnya, sebagai kompensasi dari berkurangnya gaya dorong, massa roket juga berkurang karena roket membawa air yang lebih sedikit, jadi percepatan yang dialami roket lebih besar karena gaya dorong bekerja pada massa yang lebih ringan. Beban roket yang berat mempengaruhi kestabilan roket saat meluncur. 3. Hambatan Udara (Drag)
Drag (hambatan udara) adalah gaya yang menahan laju roket di udara, yang disebabkan oleh bentuk roket, kepadatan udara, luas permukaan roket, kecepatan. Hambatan udara dapat dirumuskan sebagai berikut: Drag
1 Cd A air .density v 2 2
dimana drag diukur dalam satuan newton (N), Cd (coefficient of drag) suatu konstanta yang diberikan pada bentuk suatu benda, A adalah luas penampang melintang suatu roket (m2). Air density adalah kepadatan udara (kg/m3) biasanya sekitar 1.2kg/m3
dan kecepatan diukur dalam (m/s). Dengan rumus diatas
menunjukkan, jika kita menambah kecepatan dua kali, maka drag akan bertambah pula sebanyak empat kali, jika mempercepat tiga kali maka hambatan udara akan sembilan kali lebih besar. Itulah sebabnya roket akan sangat sulit untuk melaju dengan kecepatan tinggi di udara. Hambatan udara dapat diminimalkan dengan cara mengurangi kecepatan roket, mengurangi kepadatan udara, memperkecil luas permukaan roket dan memperkecil Cd. Dari semua cara untuk memperkecil hambatan udara yang paling sederhana untuk dilakukan adalah memperkecil Cd, luas permukaan roket dan mengurangi kecepatan. Memperkecil Cd dapat dilakukan dengan cara membuat bentuk roket lebih streamline, memperhalus permukaan roket, membentuk roket seperti bentuk tetesan air dengan demikian bentuk roket akan lebih aerodinamis. Mengurangi luas permukaan roket juga memperkecil hambatan udara, yaitu dengan memilih botol dengan diameter yang lebih kecil. Mengurangi kecepatan juga dapat dijadikan salah satu pilihan untuk mengurangi hambatan udara. Diameter dengan lubang kecil akan mengurangi thrust, tapi lamanya waktu gaya dorong lebih lama, percepatan lebih terkontrol, kecepatan berkurang dan hasilnya hambatan udara berkurang, tapi roket akan membawa beban lebih lama dan lebih tinggi sehingga kestabilan roket juga berkurang.
4. Gaya Angkata (Lift) Lift (gaya angkat) pada roket memang terjadi tetapi tidak terlalu kelihatan seperti pada pesawat terbang. Jadi lift
hanya akan dibahas sedikit saja mengenai
perbandingannya terhadap Hambatan Udara sebagai berikut:
L lift Cl D drag Cd
harga L/D yang tinggi menyebabkan pemakaian bahan bakar ekonomis sehingga efisiensi tinggi, efisiensi tinggi dan ekonomis dalam pemakaian bahan bakar membuat jarak tempuh semakin jauh. Begitu pula sebaliknya.
5. Titik Pusat Tekanan (Center of Pressure) Center of pressure (CP) adalah titik pusat tekanan yang ditentukan oleh penjumlahan luas bagian-bagian roket dikalikan dengan jaraknya dari garis referensinya. Untuk lebih jelasnya perhatikan gambar dibawah ini
Gambar 2. Center of pressure setiap komponen roket mempunyai luasan aj dan terletak pada jarak tertentu dj dari garis referensinya. Dapat dirumuskan sebagai berikut: cpA d n a n d b a b d f a f
setiap roket memiliki cp, semakin jauh cp dengan garis referensi kestabilan roket semakin berkurang.
6. Titik Pusat Gravitasi (Center of Gravity) Center of gravity (CG) adalah titik pusat gravitasi atau lebih dikenal dengan titik berat roket. CG ditentukan oleh penjumlahan jarak komponen roket dari titik referensi dikalikan dengan berat masing-masing komponen.
Gambar 3. Center of gravity Rumusnya adalah: cgW d n wn d r wr d b wb d e we d f w f
kestabilan roket ditentukan oleh CP dan CG, semakin jauh CG dari CP maka roket akan semakin stabil.
