KATA PENGANTAR
Puji syukur kami panjatkan kehadirat Allah SWT yang telah
memberikan rahmat serta karunia-Nya kepada kami sehingga kami dapat
menyelesaikan makalah ini yang berjudul “Prinsip Kerja Roket” tepat pada
waktunya.
Makalah ini berisi informasi
tentang teknologi roket yang
saat ini terus berkembang. Roket
adalah sejenis sistem propulsi yang membawa bahan bakar dan oksigennya sendiri.
Dorongan pada roket
merupakan penerapan yang menarik dari hukum III Newton dan
Hukum kekekalan momentum yaitu dengan
memancarkan aliran massa hasil pembakaran propelan.
Kami menyadari bahwa makalah ini masih jauh dari sempurna, oleh
karena itu kritik dan saran dari semua pihak yang bersifat membangun selalu
kami harapkan demi kesempurnaan makalah ini.
Akhir kata, kami sampaikan terima kasih kepada semua pihak yang
telah berperan dalam penyusunan makalah
ini dari awal hingga akhir. Semoga Allah SWT senantiasa meridhai segala usaha
kita. Amin.
Bandung,
17 Desember 2013
BAB I
PENDAHULUAN
A. Latar
Belakang
Perkembangan
teknologi sekarang ini semakin berkembang sangat pesat, salah satunya
teknologi roket yang saat ini terus berkembang. Roket adalah sejenis sistem propulsi yang membawa bahan bakar
dan oksigennya sendiri. Dorongan pada roket merupakan penerapan
yang menarik dari hukum III Newton dan Hukum kekekalan
momentum yaitu dengan memancarkan
aliran massa hasil pembakaran propelan. Roket memiliki tangki yang berisi bahan
bakar hodrogen cair dan oksigen cair. Bahan bakar tersebut dibakar dalam
ruang pembakaran sehingga menghasilkan gas lalu dibuang melalui mulut pipa
yang terletak dibelakang roket. Akibatnya terjadi perubahan momentum pada gas
selama selang waktu tertentu. Jika ditinjau dari hukum ketiga Newton tersebut ketika suatu benda mengerjakan gaya pada
benda lain, maka benda yang dikerjakan gaya akan mengerjakan gaya pada benda
yang mengerjakan gaya padanya, gaya ini disebut gaya aksi-reaksi yang
besarnya sama, namun arahnya berlawanan, dan juga impuls dan momentum,
dikatakan bahwa gaya eksternal yang bekerja pada suatu benda atau sistem akan
mengakibatkan laju perubahan momentum benda tersebut. Menurut Kanginan (2007 : 171), "Dalam peristiwa
tumbukan (tabrakan), momentum total suatu sistem sesaat sebelum tumbukan sama
dengan momentum total sistem sesudah tumbukan, asalkan tidak ada gaya luar
yang bekerja pada sistem.
Roket adalah
sebuah contoh dari sekian banyak peralatan yang dipergunakan penerapan hukum
kekekalan momentum, bagaimana gerak roket dapat menggunakan hukum kekekalan
momentum dalam geraknya. Gerak roket dapat membantu memahami konsep hukum
kekekalan momentum. Untuk mengetahui hal ini lebih jauh, maka perlu dilakukan
suatu kajian tentang gerak roket ini yang sering dijumpai pada materi
pembahasan bidang studi Fisika khususnya dalam bidang Mekanika.
Dalam membahas
tentang gerak roket ini yang menggunakan prinsip hukum kekekalan momentum,
maka penulis tertarik untuk mengangkat penulisan makalah Fisika Dasar yang
berjudul : Prinsip Kerja Roket.
B. Rumusan Masalah
Adapun yang
menjadi masalah didalam makalah ini adalah:
1.
Bagaimana prinsip kerja
Roket ?
C. Batasan Masalah
Yang menjadi
batasan masalah yang dimaksud didalam makalah ini hanya membahas prinsip
kerja roket dan Hukum Kekalan Momentum.
D. Tujuan
Untuk membahas
prinsip kerja roket dan hukum kekekalan momentum.
E. Manfaat
Adapun
manfaat dari penulisan makalah ini adalah
:
a.
Bagi Peneliti, sebagai bahan pelengkap mata kuliah fisika dasar
1.
b. Bagi
Mahasiswa atau Pembaca dapat menjadi salah satu bahan bacaan tentang prinsip
kerja roket.
BAB II
LANDASAN
TEORI
A. Momentum
Momentum adalah hasil kali besaran skalar massa dengan besaran vektor
kecepatan. Menurut Serway (2009:284) "Momentum linear sebuah partikel atau
benda yang dapat dimodelkan sebagai partikel dengan massa m dan bergerak
dengan kecepatan v didefinisikan sebagai hasil kali masa dan
kecepatan". Menurut
Supiyanto(2005:110) "momentum adalah besaran vektor yang searah dengan
kecepatan benda. Energi kinetik juga merupakan besaran yang bergantung pada
massa dan kecepatan, namun energi kinetik merupakan besaran skalar yang tidak
dapat memberikan gambaran arah dari suatu benda". Secara sistematis dapat ditulis
p = mv
dimana
p = momentum (kg.m/s)
m = massa (kg)
v = Kecepatan(m/s)
B. Impuls
Untuk membuat benda yang
diam menjadi bergerak, maka perlu dikerjakan gaya pada benda tersebut selama
selang waktu tertentu. Hasil kali gaya dengan selang waktu singkat bekerjanya
gaya terhadap benda yang menyebabkan perubahan momentum disebut impuls yang
secara sistematis dapat ditulis
I = F. Δt
Hubungan Impuls dan
Momentum secara matematis dapat ditulis
I=Δp
Keterangan:
I = Impuls
(Kg.m/s)
F = Gaya
Impuls (Newton)
Δt= Selang
Waktu (Sekon)
Δp= Perubahan
Meomentum
C. Hukum Newton III
Pergerakan Roket sesuai
dengan hukum III Newton yaitu: "Apabila sebuah benda memberikan gaya
kepada benda lain, maka benda kedua memberikan gaya kepada benda yang
pertama. Kedua gaya tersebut memiliki besar yang sama tetapi berlawanan arah".
Secara matematis Hukum III Newton dapat ditulis sebagai berikut
:
F A ke B
= – F B ke A
F A ke B
adalah gaya yang diberikan oleh benda A kepada benda B, sedangkan F B ke
A adalah gaya yang yang diberikan benda B kepada benda A. Tanda
negatif menunjukkan bahwa arah gaya reaksi tersebut berlawanan dengan gaya
aksi yang anda berikan.
Persamaan Hukum III Newton di atas juga bisa kita tulis sebagai
berikut :
Faksi = -Freaksi
Gaya aksi dan reaksi
adalah gaya kontak yang terjadi ketika kedua benda bersentuhan. Walaupun
demikian, Hukum III Newton juga
berlaku untuk gaya tak sentuh.
D. Hukum
Kekekalan Momentum
Hukum
kekekalan momentum dapat ditinjau dari sistem dua partikel yang bergerak pada
suatu garis lurus dengan arah berlawanan. Kedua partikel ini pada suatu saat
akan bertumbukan. Menurut Sutrisno (1986 : 148), "Pada saat kedua benda
bertumbukan, kedua benda ini saling menolak. Pada partikel pertama bekerja
gaya oleh partikel pertama. Kedua gaya ini adalah pasangan aksi-reaksi".
Hukum ini dikenal dengan hukum Newton III.
Berdasarkan
pendapat tentang hukum Newton III dapat diartikan bahwa gaya terhadap
partikel yang selalu sama besarnya dan berlawanan arah dengan gaya pada
partikel yang satu lagi, maka impuls gaya-gaya itu sama besarnya dan
berlawanan arahnya. Karena itu perubahan vektor momentum salah satu partikel
dalam sembarang selang waktu sama besarnya dan berlawanan arahnya dengan
percobaan vektor momentum partikel lainnya. Sehingga dapat ditulis persamaan
:
d = xd
Karena perubahan waktu yang mengakibatkan terjadinya perubahan
momentum, yaitu :
= Fx
Pada peristiwa tumbukan antara dua benda yang tidak melibatkan
gaya luar berlaku hukum kekekalan momentum yang berbunyi, "jumlah momentum
benda-benda sebelum dan sesudah tumbukan sama dengan jumlah momentum
benda-benda setelah tumbukan" (Kanginan, 1999 : 140).
Berdasarkan pendapat
diatas maka dapat diartikan bahwa bila tidak ada gaya luar yang bekerja pada
suatu sistem, maka besar dan arah momentum total sistem itu akan tetap
konstan sehingga dapat ditulis :
P1 + P2 = P1' + P2'
M1V1
+ M2V2 = M1V1'
+ M1V2'
E. Roket
Sering kali definisi
roket digunakan untuk merujuk kepada mesin roket. Pada awal perkembangannya,
roket digerakan dari hasil pembakaran bahan bakar minyak, gas dan oksigen
cair. Setelah bahan bakar roket dinyalakan, pancaran gas yang keluar dari
roket akan menimbulkan ledakan beruntun kebawah sehingga mendorong roket ke
atas dan roket dapat melaju ke udara. Roket terbang dengan kecepatan
supersonik, yaitu sekitar 300 m/s.
Bahan bakar roket ada dua
jenis yaitu bahan bakar cair dan bahan bakar padat. Prinsip kerja dari roket
berbahan bakar cair dan padat sama saja, di mana hasil pembakaran
menghasilkan gaya dorong ke atas. Tetapi roket yang berbahan bakar padat
mempunyai kelebihan yaitu mampu menyimpan bahan bakar dengan jumlah besar
untuk ruang penyimpanan yang sama, karena bahan bakarnya telah dipadatkan.
F. Bagian
Bagian Pada Roket
Komponen utama roket
terdiri dari empat bagian yaitu; rangka (structure sistem), Beban (payload
system), sistem pemandu (guidance system) dan sistem propulsi (propultion
system). (lihat Gambar 2.1)
Gambar 2.1. Bagian Roket
Keterangan gambar :
Solid-full mesin roket memiliki keunggulan penting :
kesederhanaan, biaya rendah dan keamanan. Kelemahan : dorong tidak dapat
dikontrol dan begitu dinyalakan mesin tidak bisa dihentikan atau restart
Combustion chumber, berfungsi sebagai tempat terjadinya
pencampuran antara udara yang telah dikompresi dengan bahan bakar yang masuk.
Combustion liners; terdapat didalam combustionn chamber yang
berfungsi sebagai tempat berlangsungnya pembakaran.
Fuel nozzle, berfungsi sebagai tempat masuknya bahan bakar
kedalam combustion liner
Lynitors (spark plug), berfungsi untuk memercikkan bunga api kedalam
combustions chamber sehingga campuran bahan bakar dan udara dapat terbakar.
Transitions fieces, berfungsi untuk mengarahkan dan membentuk
aliran gas panas agar sesuai dengan ukuran nozzle.
Cross Fice Tubes, berfungsi untuk meratakan nyala api pada semua
combustion chamber.
Prinsip kerja dari roket berbahan bakar cair dan padat sama,
dimana hasil pembakaran menghasilkan gaya dorong keatas. Kelebihan dari roket
berbahan bakar padat mampu menyimpan bahan bakar dengan jumlah besar untuk
ruang penyimpanan yang sama, karena telah dipadatkan, sedangkan bahan bakar
cair tidak bisa dimampatkan.
BAB III
PEMBAHASAN
A. Prinsip Kerja Roket
Menurut
Sutrisno (1986 : 158), "Gerak roket merupakan pemakaian yang menarik
dari hukum-hukum Newton. Roket
mengeluarkan pancaran gas panas dari ekornya, ini adalah gaya aksi pada gas
oleh roket. Pancaran gas panas melakukan gaya pada roket dan menggerakkannya,
ini adalah reaksi. Kedua gaya ini adalah gaya dalam untuk sistem yang terdiri
atas roket dan gas. Dari segi momentum, gas panas mendapat momentum ke arah
belakang dan roket mendapat momentum dalam jumlah yang sama ke arah depan.
Cara kerja sebuah
roket adalah berdasarkan kekekalan momentum. Momentum sebuah roket di tanah
adalah sama dengan nol. Ketika bahan bakar dibakar, gas panas ditembakkan ke
bawah dan badan roket naik untuk menyeimbangkan momentum totalnya sehingga
tetap bernilai nol. Yang membuat roket meluncur tanah semburan sebagian
masssanya ke arah belakang. Gaya ke depan pada roket itu tidak lain ialah
reaksi terhadap gaya mundur pada bahan yang menyembur itu, dan makin banyak
bahan yang menyembur maka makin banyak berkurangnya massa roket.
.
B. Massa Berubah dan Dorongan Roket
Kekekalan momentum
adalah; pada prinsip dorongan roket. Sebuah roket didorong oleh bahan bakar
yang dipancarkan kearah belakang. Massa roket berkurang secara kontinu
sebagai akibat pembakaran bahan. Gaya kedepan pada roket adalah reaksi dari
gaya pada bahan yang dipancarkan.
Dalam hal ini roket bergerak vertikal keatas dan gesekan udara
serta perubahan percepatan gaya gravitasi (g) diabaikan :
Gambar 3.1.
Roket Meluncur
Pada gambar diatas (a) menyatakan roket pada saat t ketika
massanya m dan kecepatannya v ke atas. Sedangkan pada gambar (b), menyatakan
roket pada waktu t + dt, dimana kecepatan roket bertambah menjadi v + dv.
Misalkan μ menyatakan massa
yang dipancarkan persatuan waktu, maka massa bahan yang dipancarkan μ dt, sehingga massa m dan dalam waktu dt menjadi m- μ dt.
Jika Vr kecepatan roket relatif terhadap bahan bakar
yang dipancarkan dan kecepatan bahan bakar yang dipancarkan adalah V' (relatif
terhadap bumi),
maka: v'=v-vr................................(1)
Satu-satunya gaya yang bekerja pada roket adalah berat m.g dengan memilih arah keatas positif,
impuls gaya ini dalam waktu dt adalah –mg dt yang sama dengan perubahan
momentum.
Karena momentum mula-mula m.v
momentum akhir adalah (m- μ dt)
(v + dv) dan momentum bahan yang dipancarkan v' μ dt, maka:
-mg dt=[(m- μ
dt) (v+dv) + v' μ dt]- mv .............................(2)
Dengan mensubsitusi v' dari persamaan (1) dan mengabaikan
besaran yang relatif kecil μ dt dv, maka didapatkan :
m dv = vr μ dt – mg dt
karena dm= - μ dt , maka
dv = - vr - g dt
setelah diintegralkan diperoleh:
v= -vr ln m – gt + C
dengan c adalah konstanta
yang dicari dari syarat batas. Misalnya m0 dan v0 adalah massa dan kecepatan pada waktu t=0,
maka
v0= -vr ln m0 +
C atau C= v0 + vr
ln m0
dengan demikian
v = v0-gt + vr ln ....................................(3)
dari persamaan 3 dapat
disimpulkan untuk memperoleh kecepatan v yang tinggi, kecepatan relatif vr
dan perbandingan massa harus besar.
BAB IV
KESIMPULAN
A. Kesimpulan
Prinsip kerja propulsi roket merupakan penerapan dari hukum ketiga Newton
dan kekekalan momentum. Sebuah roket mendapatkan sebuah dorongan dengan
membakar bahan bakar dan membuang gas yang lewat belakang sehingga
gaya dorong dari gas ersebut menyebabkan roket terdorong dan meluncur ke
atas. Besarnya gaya dorong yang dikerjakan gas terhadap tempat peluncuran
sama besar dengan gaya dorong gas terhadap roket namun arahnya yang
berlawanan hal ini sesuai dengan hukum Newton III.
B. Saran
Semoga dengan adanya koloqium ini menjadi kajian awal dalam
menganalogikan suatu teknologi dengan alat dan bahan sederhana dan dapat
menjadi salah satu media ajar dalam konsep momentum dan impuls
|
DAFTAR PUSTAKA
Giancoli, Douglas
C.2001. Fisika Jilid I (terjemahan).
Jakarta : Penerbit Erlangga.
Halliday dan Resnick.
1991. Fisika Jilid I (Terjemahan).
Jakarta : Penerbit Erlangga.
Tipler, P.A.1998. Fisika untuk Sains dan Teknik–Jilid I
(terjemahan), Jakarta : Penebit Erlangga.
Supiyanto. 2005. Fisika SMA XI . Jakarta : Penebit
Erlangga.
http://www.sman1ptk.sch.id/pembelajaran_interaktif/fisika/implus_dan_momentum/materi
diakses pada 28 Desember 2011 pukul 23.11
http://ms.wikipedia.org/wiki/Momentum.
diakses pada 29 Desember 2011 pukul 09.49
|
0 komentar:
Posting Komentar