BAB I
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Perkembangan teknologi sekarang ini 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.
1.2. Rumusan Masalah
Rumusan masalah yang dibahas pada makalah ini yaitu :
1. Konsep dasar perkembangan roket
2. Prinsip kerja roket
1.3.Batasan Masalah
Yang menjadi batasan masalah yang dimaksud didalam makalah ini hanya membahas prinsip kerja roket dan Hukum Kekalan Momentum
1.4. Tujuan
Untuk membahas konsep dasar perkembangan roket, prinsip kerja roket dan hukum kekekalan momentum.
1.5. Manfaat
Adapun manfaat dari penulisan makalah ini adalah
a. Memenuhi tugas fisika sekolah
b. Bagi siswa, dapat mengembangkan konsep pembelajaran tentang impuls dan momentum untuk proses belajar di sekolah
c. Bagi pembaca, dapat meningkatkan wawasan tentang prinsip kerja roket
BAB II
LANDASAN TEORI
2.1 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 = m.v
Dimana :
p = momentum (kg.m/s)
m = massa (kg)
v = Kecepatan(m/s)
2.2 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
2.3 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 Aadalah 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.
2.4 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’
2.5 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.
2.6 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). Gambar 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
3.1.Prinsip Kerja Roket
Prinsip kerja roket mirip dengan prinsip terdorongnya balon mainan. Sebuah roket mengandung tangki yang berisi bahan hidrogen cair dan oksigen cair. Kedua bahan bakar ini dicampur dalam ruang pembakaran sehinga terjadi pembakaran yang menghasilkan gas panas yang akan menyembur keluar melalui mulut pipa yang terletak pada ekor roket. Terjadi perubahan momentum gas dari nol (0) menjadi mvselama selang waktu tertentu (∆t). Ini menghasilkan gaya yang dikerjakan roket pada gas (sesuai dengan persamaan F=∆p/∆t,gaya yang bekerja pada suatu benda sama dengan perubahan momentum benda per satuan waktu ) dengan arah kebawah. sesuai hukum III Newton, timbul reaksi gaya yang dikerjakan gas pada roket, yang besarnya sama tetapi arahnya berlawanan yaitu ke atas. Jadi, gas akan mengerjakan gaya ke atas pada roket sehingga roket akan terdorong ke atas.
Jika gaya berat kita abaikan sehingga tidak ada gaya luar yang bekerja pada sistem roket, maka prinsip terdorongnya roket memenuhi hukum Kekekalan Momentum. Oleh karena mula-mula sistem (roket dan bahan bakar) diam, maka momentumnya sama dengan nol. sesudah gas menyembur keluar dari roket, momentum sistem tetap, atau dengan kata lain momentum sebelum dan sesudah keluar adalah sama.
m1 v1+m2 v2 = 0
m1 v1 = -m2 v2
Berdasarkan kekekalan momentum, kelajuan akhir yang dapat dicapai sebuah roket bergantung pada banyaknya bahan bakar yang dapat dibawa oleh roket dan kelajuan pancaran gas. Oleh karena kedua besaran ini terbatas maka digunakanlah roket-roket bertahap (multistage rokets). yakni beberapa roket yang digabung bersama.
Ketika bahan bakar tahap pertama telah terbakar habis, roket ini dilepaskan. begitu sterusnya,, sehingga pesawat-pesawat antariksa yang pergi ke luar angkasa dapat terbang tinggi meninggalkan bumi. banyaknya stage atau tahapan tergantung kebutuhan kelajuan pada misi roket itu sendiri.
.
3.2.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 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 vrdan perbandingan massa harus besar.
BAB IV
KESIMPULAN
5.1. Kesimpulan
Prinsip kerja 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.
5.2. Saran
Semoga dengan adanya makalah ini menjadi kajian pembelajaran yang baik, dan dapat mengembangkan wawasan dan proses pembelajaran.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar