Inspirasi Lks Roket Air [PDF]

Citation preview

Seminar fisika Roket Air 1. 1. TINJAUAN FISIKA MENGENAI ROKET AIR Oleh: Yulianto Agung R Distributed by : Pakgurufisika www.pakgurufisika.blogspot.com FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 2015 www.pakgurufisika.blogspot.com 2. 2. 1 BAB I PENDAHULUAN A. Latar Belakang Masalah Fisika merupakan mata pelajaran yang sulit untuk dipahami siswa. Bukan hal yang mudah bagi siswa untuk memahami percobaan, rumus beserta penyelesaiannya, grafik, dan penjelasan teori pada waktu yang bersamaan. (Ornek, Robinson, Haugen, 2008: 30). Sebenarnya, banyak peristiwa dalam kehidupan sehari-hari yang dapat diamati, sehingga mempermudah siswa dalam belajar Fisika. Pada kondisi ini, siswa menjadi mengerti bahwa Fisika tidak hanya sebatas belajar teori saja. Momentum sebuah benda merupakan contoh paling mudah yang dapat dipelajari dengan cara melihat mobil yang bergerak. Mobil dan truk tersebut memiliki massa dan kecepatan yang berarti bahwa keduanya memiliki momentum. Selain peristiwa-peristiwa dalam kehidupan sehari-hari, banyak permainan yang prinsip kerjanya menggunakan hukum-hukum Fisika, salah satunya adalah roket air. Roket air merupakan permainan sederhana yang dapat dibuat dengan bahan-bahan bekas yang mudah diperoleh seperti botol minuman soda dan kardus. Prinsip kerja roket air ini sama dengan prinsip kerja roket dalam Fisika, hanya saja roket air menggunakan air sebagai bahan bakar yang dibuang. Udara dipompakan ke dalam botol (roket) yang berisi air sehingga tekanan udara di dalam botol lebih tinggi daripada di luar botol. Pada saat diluncurkan (dibuka katupnya), udara di dalam botol menekan air keluar dari dalam botol. Semburan air tersebut memberikan gaya dorong pada roket sehingga roket dapat meluncur. Hal tersebut mengacu pada Hukum III Newton (aksi reaksi). Di beberapa daerah, roket air sering dijadikan sebagai perlombaan. Perlombaan roket air ini sangat diminati peserta yang nota bene adalah siswa SD sampai dengan SMA, karena pembuatannya yang mudah. Namun, peserta hanya membuat roket air sebisanya, tanpa memperhatikan keseimbangan roket, bentuk sirip roket, tekanan yang diberikan pada roket, dan beberapa hal lain yang perlu diperhatikan sehingga roket yang dibuat tidak dapat stabil meluncur di udara bahkan banyak juga yang tidak dapat meluncur, hanya berputar-putar di tempat. www.pakgurufisika.blogspot.com 3. 3. 2 Dalam perlombaan roket air ada beberapa kategori, salah satunya adalah kategori jarak terjauh. Roket air yang mencapai jarak terjauh akan menjuarai perlombaan. Oleh karena itu, dalam peluncuran roket perlu diperhatikan beberapa hal, antara lain: sudut elevasi roket, tekanan yang diberikan pada roket, volume air yang dimasukkan ke dalam roket, dan arah angin di tempat peluncuran roket. Roket air juga dapat dimanfaatkan untuk eksperimen/ percobaan dalam Fisika yaitu untuk menghitung percepatan gravitasi di suatu tempat. Analisis percobaan yang dilakukan menggunakan persamaan dalam gerak parabola karena roket air yang meluncur membentuk lintasan berupa parabola. Oleh karena itu, dalam Makalah ini akan dibahas mengenai pengertian roket air, prinsip kerja roket air menggunakan hukum-hukum Fisika, beberapa hal yang perlu diperhatikan dalam membuat roket air yang meluncur stabil dan mencapai jarak yang terjauh, dan aplikasi roket air dalam pembelajaran Fisika. Makalah ini diberi judul “Tinjauan Fisika Mengenai Roket Air”. B. Identifikasi Masalah Dari uraian latar belakang masalah dapat diidentifikasi masalah sebagai berikut: 1. Pelajaran Fisika identik dengan rumus dan angka, tidak mengarah ke penerapan dalam kehidupan sehari-hari. 2. Penjelasan mengenai roket air yang belum mendalam. 3. Pemahaman mengenai prinsip kerja roket air yang masih kurang. 4. Masih sedikitnya referensi yang membahas mengenai hal-hal yang mempengaruhi kestabilan dan jarak terjauh roket air. 5. Belum adanya penjelasan mengenai pemanfaatan roket air dalam eskperimen/ percobaan Fisika. C. Pembatasan Masalah Dari identifikasi masalah di atas, agar permasalahan yang dikaji tidak terlalu luas dan lebih terarah, maka penulisan Makalah ini dibatasi pada: 1. Penjelasan mengenai pengertian dan bagian-bagian dari roket air. 2. Penjelasan prinsip kerja roket air berdasarkan Hukum III Newton dengan mengabaikan gaya gesekan yang dialami oleh roket saat berada di udara. www.pakgurufisika.blogspot.com



4. 4. 3 3. Beberapa hal yang perlu dipertimbangkan untuk mencapai kestabilan roket air pada saat meluncur di udara. 4. Beberapa hal yang perlu dipertimbangkan untuk mencapai jarak terjauh roket air berdasarkan pada analisis gerak parabola terbatas pada sudut elevasi pemasangan roket air dan analisis gaya dorong yang dialami roket air. 5. Penerapan roket air dalam eksperimen/ percobaan Fisika untuk menentukan jarak terjauh roket air dan besar percepatan gravitasi di suatu tempat. D. Perumusan Masalah Dari pembatasan masalah yang telah diuraikan di atas, dapat dirumuskan masalah sebagai berikut: 1. Apakah yang dimaksud dengan roket air? 2. Bagaimanakah prinsip kerja roket air? 3. Hal-hal apa saja yang perlu dipertimbangkan untuk mencapai kestabilan roket air pada saat meluncur di udara? 4. Hal-hal apa saja yang perlu dipertimbangkan agar roket air dapat mencapai jarak terjauh? 5. Apakah kegunaan roket air dalam eksperimen/ percobaan Fisika? E. Tujuan Penulisan Tujuan penulisan Makalah Seminar Fisika ini adalah sebagai berikut: 1. Menjelaskan pengertian roket air dan bagian-bagian roket air. 2. Menjelaskan prinsip kerja roket air. 3. Menjelaskan hal-hal yang perlu dipertimbangkan untuk mencapai kestabilan roket air pada saat meluncur di udara 4. Menjelaskan hal-hal yang perlu dipertimbangkan agar roket air dapat mencapai jarak terjauh. 5. Menjelaskan kegunaan roket air dalam eksperimen/ percobaan Fisika. F. Manfaat Penulisan Makalah Seminar Fisika ini dapat dimanfaatkan untuk: 1. Menambah pengetahuan bagi penulis pada khususnya dan pembaca pada umumnya mengenai tinjauan Fisika mengenai roket air 2. Menjadi referensi dalam pembuatan roket air. www.pakgurufisika.blogspot.com 5. 5. 4 BAB II PEMBAHASAN A. Roket Air Roket air atau aquajet adalah salah satu jenis roket yang menggunakan air sebagai bahan bakarnya dengan memanfaatkan udara bertekanan. Roket air merupakan bentuk praktis dari teori Fisika yang dipelajari di sekolah. Tidak hanya digunakan untuk wahana praktikum, roket air juga sudah dikenal di kalangan komunitas pecinta ilmu pengetahuan dan digunakan dalam beberapa kompetisi atau lomba dengan berbagai kriteria perlombaan. Gambar 2.1 Roket Air (Aldino, 2011: 14) Gambar 2.1 adalah salah satu contoh roket air yang pernah dibuat dan digunakan dalam pembelajaran. Roket air didesain untuk memenuhi kriteria tertentu, misalnya: desain roket untuk mencapai ketinggian maksimum, desain roket untuk ketepatan target, dan desain roket untuk mencapai jarak maksimum. Oleh karena itu, bentuk dan ukuran serta jumlah komponen tiap desain roket air berbeda-beda, tergantung dari tujuan pembuatan roket. Pada pembahasan ini akan dibahas mengenai roket air yang digunakan untuk mencapai jarak yang terjauh. Gambar 2.2 Desain Roket Air untuk Mencapai Jarak Terjauh Gambar 2.2 merupakan contoh desain roket untuk mencapai jarak terjauh. www.pakgurufisika.blogspot.com 6. 6. 5 Pada umumnya bagian-bagian dari roket air adalah nose cone, body, fin, nozzle, dan bagian-bagian lain untuk menambah kestabilan dan nilai estetika. 1. Nose Cone Nose cone adalah bagian yang paling ujung dari sebuah roket. Bentuk nose cone mempengaruhi kestabilan roket saat meluncur. Selain itu, bentuk nose cone juga menentukan kecepatan roket. Nose cone dibuat lancip agar mempunyai kecepatan yang maksimal karena ujung yang lancip dapat lebih mudah membelah udara. 2. Body Roket Body roket adalah bagian yang sangat penting dari roket air. Body roket berisi air yang digunakan sebagai bahan bakar roket. Biasanya untuk membuat roket air yang tahan oleh tekanan, body roket dibuat dengan menggunakan botol air soda yang nota bene tahan terhadap tekanan. Pemilihan penggunaan bahan botol roket mempengaruhi seberapa besar tekanan yang dapat diberikan ke dalam roket. 3. Fin atau Sayap Roket Sayap roket atau bisa disebut fin adalah bagian yang sangat penting dari sebuah roket. Fin berfungsi sebagai pengarah aliran udara dari ujung roket menuju belakang. Dengan kata lain, fin berfungsi membuat gerakan roket lebih stabil. Seperti halnya nose cone, bentuk fin juga berpengaruh pada kestabilan dan kecepatan roket air. Fin yang ideal berjumlah tiga buah dan dipasang seimbang pada body roket Selain bentuk fin, lebar fin juga mempengaruhi kecepatan roket air. Semakin lebar fin, semakin luas pula penampang roketnya, sehingga semakin luas penampang roket, maka semakin mudah roket mengalirkan udara. Akan tetapi dengan membuat lebar ukuran fin, hambatan udara yang diterima oleh roket dan gaya berat roket juga semakin besar. Gambar 2.3 Macam-



7.



8.



9.



10.



11.



Macam Bentuk Fin Gambar 2.3 merupakan macam-macam bentuk fin pada roket air. www.pakgurufisika.blogspot.com 7. 6 4. Nozzle Nozzle adalah salah satu bagian penting dari sebuah roket karena ukuran nozzle yang dipakai menentukan besarnya gaya dorong roket. Selain sebagai lubang keluarnya campuran air dan udara, nozzle juga berfungsi sebagai penghubung antara roket dengan launcher atau peluncur. Karena menghubungkan antara roket dengan peluncur, maka desain peluncur, nozzle, dan roket harus sesuai. Sehingga bentuk nozzle menjadi sangat beragam disesuaikan dengan peluncur yang digunakan. (a) (b) Gambar 2.4 (a) Salah Satu Contoh Bentuk Nozzle (b) Nozzle yang Dipasangkan pada Body Rocket Gambar 2.4 merupakan salah satu bentuk nozzle yang digunakan dalam pembuatan roket air. Dalam peluncuran roket air dibutuhkan sebuah alat yang dinamakan launcher. Sesuai dengan namanya, launcher dalam Bahasa Inggris berarti peluncur, yaitu alat yang berfungsi untuk meluncurkan roket air. Pada dasarnya launcher adalah satu unit gabungan uang terdiri dari guide rail, manometer, kompresor atau pompa, quick release, dan trigger. 1. Guide Rail Bagian dari launcher ini berfungsi sebagai medan luncur roket sekaligus untuk menentukan arah roket air sesaat sebelum meluncur. Guide rail dilengkapi dengan busur derajat yang berfungsi untuk mengatur sudut www.pakgurufisika.blogspot.com 8. 7 peluncuran roket. Selain itu, guide rail juga berfungsi sebagai penopang massa roket air. Guide rail dapat dilihat pada Gambar 2.5. Gambar 2.5 Guide Rail 2. Manometer Alat ini berfungsi untuk penunjuk besarnya tekanan udara yang dipompakan ke dalam badan roket air. Dalam peluncuran roket, tekanan udara yang diberikan kepada body harus disesuaikan dengan ketahanan body. Manometer dapat dilihat pada Gambar 2.6. Gambar 2.6 Manometer 3. Quick Release Quick release berfungsi sebagai penahan atau penjepit nozzle yang terpasang pada roket air pada saat sebelum meluncur. Bagian ini berhubungan dengan trigger. Quick release dapat dilihat pada Gambar 2.7. www.pakgurufisika.blogspot.com 9. 8 Gambar 2.7 Quick Release 4. Trigger Trigger berfungsi sebagai pemantik atau pelatuk untuk melepaskan penahan roket atau quick release pada nozzle sehingga pada saat trigger ditarik roket air dapat meluncur. Trigger dapat dilihat pada Gambar 2.8. Gambar 2.8 Trigger 5. Pompa atau Kompresor Pompa atau kompresor berfungsi untuk memompakan udara ke dalam badan roket air. Gambar 2.9 Pompa (Kemenristek, 2000: 10-13) www.pakgurufisika.blogspot.com 10. 9 B. Prinsip Kerja Roket Air Prinsip kerja roket air merupakan penerapan dari Hukum III Newton, sama halnya dengan prinsip kerja roket atau jet. Begitu pula dengan cumicumi atau gurita, mereka juga menggunakan prinsip yang sama untuk menggerakkan atau mendorong tubuh mereka ke depan. Air atau tinta dikeluarkan dari dalam tubuh dengan gaya yang besar dan mengerjakan gaya yang sama dan berlawanan pada tubuh mereka, sehingga mendorong tubuh mereka ke depan. Pada roket air, botol akan meluncur apabila diberikan tekanan udara yang tinggi dari pompa ke dalam botol yang berisi air. Tekanan udara di dalam botol lebih tinggi dari pada tekanan di luar botol sehingga pada saat diluncurkan, udara dalam botol menekan air keluar dari dalam botol. Semburan air keluar dari botol memberikan gaya dorong pada botol sesuai dengan Hukum III Newton. Hal tersebut dapat dilihat pada Gambar 2.10. (a) (b) (c) Gambar 2.10 (a) Udara Dipompakan ke Dalam Roket (b) Roket Tepat pada Saat Katup Terbuka (c) Air Tersembur Keluar dari Roket Massa roket air berubah terus menerus ketika air keluar dari dalam roket. Pendekatan yang paling mudah adalah dengan cara menghitung perubahan momentum total sistem untuk selang waktu tertentu dan menyamakan perubahan momentum ini dengan impuls yang dikerjakan pada sistem oleh gaya eksternal yang bekerja kepadanya. Feks adalah gaya eksternal yang bekerja pada roket, m www.pakgurufisika.blogspot.com 11. 10 adalah massa roket (ditambah dengan air yang belum tersembur ke luar), dan v adalah kelajuan roket relatif terhadap tanah pada selang waktu t. Pada saat t + ∆t, air telah tersembur dari dalam botol roket dan digunakan tanda nilai absolut pada perubahan massa roket ∆m karena massa air yang disemburkan sama dengan ∆m dan bernilai negatif. Roket mempunyai massa m – |∆m| dan kelajuan v + ∆v pada saat t + ∆t. Jika air disemburkan keluar dengan kelajuan vkeluar relatif terhadap roket, kelajuan pada



saat t + ∆t relatif terhadap bumi menjadi v – vkeluar. Ilustrasi kejadian tersebut dapat dilihat pada Gambar 2.11. (a) (b) Gambar 2.11 (a) Gerak Roket dengan Kelajuan Awal v (b) Gerak Roket Setelah Selang Waktu ∆t Momentum awal sistem pi pada saat t adalah m vpi  … (2.1) Momentum sistem pada saat t + ∆t adalah )v(vmv)) (vm(mp keluarf  ΔΔΔ mvmvΔvmmvvmm vp keluarf ΔΔΔΔ  mvvmvmm vp keluarf ΔΔ  … (2.2) Pada persamaan (2.2), |∆m| ∆v dapat diabaikan karena merupakan hasil kali dua besaran yang sangat kecil dibandingkan dengan suku-suku yang lain pada selang waktu ∆t yang sangat kecil sehingga persamaan (2.2) menjadi mvvmm vp keluarf Δ … (2.3) Dengan menghitung perubahan momentum dan menyamakannya dengan impuls, didapatkan v m v+∆v m – |∆m| v – vkeluar |∆m| www.pakgurufisika.blogspot.com 12. 12. 11 IΔp  tFpp eksif  tFm vmvvmm v ekskeluar ΔΔ  tFmvvm ekskeluar  Δ … (2.4) Kemudian persamaan (2.4) dibagi dengan selang waktu ∆t menjadi ekskeluar F t m v t v m  Δ Δ Δ Δ ekskeluar F t m v t v m  Δ Δ Δ Δ … (2.5) Dengan mengambil limit bila ∆t mendekati 0, pada persamaan (2.5) suku ∆v/∆t mendekati dv/dt yang merupakan besaran percepatan dan suku |∆m|/∆t mendekati |dm/dt| yang merupakan nilai absolut laju perubahan roket. Hal ini memberikan persamaan roket sebagai berikut ekskeluar F dt dm v dt dv m  … (2.6) Besaran vkeluar|dm/dt| dinamakan gaya dorong roket Fdorong dt dm vF keluardorong  atau mengacu pada persamaan (2.5) t m vF keluardorong Δ Δ  … (2.7) … (2.8) Gaya eksternal Feks adalah berat roket, yang bernilai –mg karena gaya ini berlawanan arah dengan kecepatan roket. Agar roket dapat dipercepat ke atas, Fdorong harus lebih besar dibandingkan dengan Feks. Nilai Feks disubstitusikan ke dalam persamaan (2.6) dan dibagi dengan m sehingga menjadi g dt dm m v dt dv keluar  … (2.9) Kecepatan v diperoleh dari penyelesaian persamaan (2.9) dengan terlebih dahulu diketahui kelajuan pembuangan relatif terhadap roket uex dan laju semburan air dari alam roket |dm/dt|. Pemecahan persamaan ini sangat rumit, karena m tidak konstan, tetapi berubah berdasarkan fungsi waktu. Sebagai contoh, www.pakgurufisika.blogspot.com 13. 13. 12 jika roket mengeluarkan semburan air dengan laju konstan R, massa roket tiap saat adalah m = mi – R t dengan mi adalah massa mula-mula. Karena dm/dt negatif, |dm/dt| akan sama dengan –dm/dt. Dengan demikian, persamaan (2.9) menjadi g dt dm m v dt dv keluar  g dt m dm vdv keluar  … (2.10) Dengan menganggap bahwa g adalah konstan dan mengintegrasi persamaan (2.10) dari t = 0 sampai t = tf sehingga diperoleh    f i f i m m t keluar v v g dt m dm vdv 0 g t m m vvv i f keluarif  ln … (2.11) Pada saat t = 0, roket air dalam keadaaan diam, sehingga vi = 0. Persamaan (2.11) menjadi g t m m vv i f keluarf  ln dengan f i i f m m m m lnln  persamaan (2.12) menjadi g t m m vv f i keluarf  ln … (2.12) … (2.13) di mana vf dan vi adalah kelajuan akhir dan awal roket, vkeluar adalah kelajuan semburan air, mi dan mf adalah massa awal dan akhir roket, g adalah percepatan gravitasi di tempat peluncuran roket, dan t adalah selang waktu air menyembur dari body roket secara keseluruhan. (Tipler, 1998: 245-247) C. Kestabilan Roket Air Roket air yang stabil secara aerodinamis akan meluncur dengan bagian nose cone terlebih dahulu membentuk lintasan peluru dan kemudian mendarat dengan mulus. Peluncuran roket air yang stabil secara sederhana ditunjukkan oleh Gambar 2.12. www.pakgurufisika.blogspot.com 14. 14. 13 Gambar 2.12 Lintasan Gerak Roket Air yang Stabil Pada Gambar 2.12, lintasan parabola tidak simetris atau asimetris dikarenakan adanya gesekan udara sehingga roket jatuh agak curam. Akan tetapi pada pembahasan makalah ini gesekan udara yang dialami roket diabaikan sehingga lintasan yang membentuk lintasan yang berupa parabola secara utuh. Pada roket air yang tidak stabil secara aerodinamis, roket akan terpontang panting di udara dan kemudian jatuh, walaupun awal peluncuran juga dengan bagian nose cone terlebih dahulu. Roket air yang meluncur dengan tidak stabil tidak akan membentuk lintasan berupa parabola. Hal tersebut ditunjukkan oleh Gambar 2.13. Gambar 2.13 Lintasan Gerak Roket Air yang Tidak Stabil Untuk membuat roket air yang dapat meluncur dengan stabil di udara, perlu diperhatikan hal-hal seperti berikut ini: 1. Mendesain Roket dengan Baik Ketika air tersembur keluar dari dalam body roket, roket akan terdorong ke depan atau meluncur. Percepatan roket akan berkurang karena roket



15.



16.



17.



18.



mendorong terpaan angin agar dalam peluncurannya. Gaya roket ini dinamakan aerodynamic drag. Drag akan sangat berpengaruh ketika benda bergerak di udara dengan cepat, sehingga perlu mendesain roket air dengan drag yang rendah. www.pakgurufisika.blogspot.com 15. 14 Pada dasarnya roket air terdiri dari nose cone, body, dan fins. Dalam pembuatannya, perlu diperhatikan hal-hal sebagai berikut: a. Pada nose cone 1) Berbentuk kerucut, karena ujung kerucut dapat lebih mudah membelah udara. 2) Diberi pemberat misalnya bola tenis atau plastisin agar roket dapat meluncur dan mendarat dengan baik. b. Pada body 1) Struktur body dibuat sehalus mungkin karena body yang halus akan memperkecil gesekan udara pada roket. 2) Berdasarkan volume roket, roket yang ramping dan panjang cenderung memiliki hambatan yang rendah daripada roket yang besar dan pendek. c. Pada fin 1) Dibuat tipis dan ringan. 2) Tidak memasang fins seperti pada Gambar 2.14. Gambar 2.14 Pemasangan Fin yang Salah 2. Menaksir Titik Pusat Massa dan Titik Pusat Tekanan Roket air menghabiskan sebagian besar peluncurannya di udara tanpa air di dalamnya. Untuk menemukan titik pusat massa roket air, sebelum dilakukan peluncuran (pada saat roket air masih kosong), seutas tali diikatkan pada body roket dan kemudian memindahkan titik suspensi sepanjang roket sampai ditemukan titik keseimbangan. Semakin titik keseimbangan tersebut mendekati nose cone, semakin besar kemungkinan roket air stabil dalam peluncuran. Penaksiran pusat massa dapat ditunjukkan pada Gambar 2.15. www.pakgurufisika.blogspot.com 16. 15 Gambar 2.15 Penaksiran Pusat Massa Selain pusat massa, juga terdapat titik keseimbangan gaya aerodinamis. Titik tersebut dinamakan pusat tekanan. Untuk menentukan letak titik pusat tekanan tidak mudah seperti menentukan titik pusat massa karena tidak ada eksperimen untuk menentukan pusat tekanan. Akan tetapi, ada dua metode matematika untuk menaksir titik pusat tekanan secara akurat, yaitu metode penampang atau cross-section dan persamaan Barrowman. Pada makalah ini hanya dibahas mengenai metode penampang. Gambar 2.16 Metode Penampang Metode penampang dilakukan dengan cara membuat ‘siluet’ atau bayangan dari roket yang siap diluncurkan dari nose cone sampai dengan nozzle pada kertas seperti Gambar 2.16. Pusat dari luas penampang yang dibuat menjadi pusat tekanan dari roket air. Setelah menemukan pusat tekanan, kemudian pada kertas diberikan tanda di mana titik pusat massa berada. Setelah mendapatkan hasilnya, dapat dianalisis kestabilan roket air di udara dengan memperhatikan posisi titik pusat massa dan titik pusat tekanan. www.pakgurufisika.blogspot.com 17. 16 Roket air yang stabil memiliki titik pusat massa yang letaknya jauh lebih dekat dari nose cone dari pada titik pusat tekanan. Hal tersebut disebabkan gaya aerodinamis berpusat pada pusat tekanan searah dengan arah angin. Ketika roket meluncur, gaya aerodinamis mendorong ke bawah body roket. Pada awal mula peluncuran, roket meluncur ke arah relative wind. Akan tetapi, pada saat di udara roket mendapat pengaruh yang tidak terduga (misalnya drag yang tidak merata pada roket, hembusan angin, dan lain lain) menyebabkan roket menyimpang dari jalurnya. (Singleton, 2001: 143) Jika pusat tekanan terletak di belakang pusat massa, gaya aerodinamis akan bekerja pada bagian belakang roket agar kembali searah dengan relative wind. Hal ini yang menyebabkan roket meluncur dengan stabil. Jika pusat tekanan terletak di depan pusat massa, maka akan berlaku sebaliknya. Gaya aerodinamis akan menarik nose cone berlawanan arah dengan arah gerak yang seharusnya, menyebabkan roket kehilangan kendali atau roket meluncur dengan tidak stabil. Penjelasan tersebut dapat diilustrasikan oleh Gambar 2.17. (a) (b) Gambar 2.17 (a) Roket Stabil (b) Roket Tidak Stabil Kestabilan peluncuran roket air dapat diprediksikan setelah titik pusat massa dan titik pusat tekanan ditaksir. Jika hasil penaksiran www.pakgurufisika.blogspot.com 18. 17 menandakan bahwa letak titik pusat tekanan terhadap pusat massa tidak sesuai, maka yang harus dilakukan adalah memodifikasi bentuk dan ukuran roket sampai sesuai dengan yang diharapkan. Hal tersebut merupakan kekurangan dari metode penampang. Kekurangan yang lainnya adalah metode tersebut tidak dapat menjelaskan perbedaan tingkat kestabilan antara roket yang menggunakan tiga fin dengan empat fin, selama fin mempunyai bentuk dan ukuran yang sama. Namun, yang perlu diingat adalah metode penampang ini hanya merupakan penaksiran. 3. Memodifikasi atau Fairing Roket Air Jika



dalam penaksiran letak pusat massa dan pusat tekanan tidak sesuai dengan harapan, perlu diadakan modifikasi atau fairing terhadap roket air yang dibuat. Ada dua teknik fairing, yaitu (a) menggunakan dua buah botol sebagai body roket dengan cara menyambungkan keduanya dengan potongan bagian tengah botol lain dan (b) menambahkan botol lain untuk menambah panjang roket sehingga memindahkan letak pusat massa lebih ke depan untuk mencapai kestabilan. Kedua teknik fairing diilustrasikan pada Gambar 2.18. (a) (b) 2.18 (a) Teknik Fairing yang Pertama (b) Teknik Fairing yang Kedua www.pakgurufisika.blogspot.com 19. 19. 18 D. Jarak Terjauh Roket Air Dalam mendesain sebuah roket air untuk mencapai jarak terjauh pada perlombaan perlu mempertimbangkan beberapa faktor. Adapun faktor-faktor yang perlu dipertimbangkan adalah sebagai berikut. 1. Sudut Elevasi Roket Air Untuk mencapai jarak terjauh, roket air dipasang dengan sudut elevasi tertentu. Dengan sudut elevasi misalnya θ, roket akan bergerak dua dimensi terhadap sumbu vertikal dan sumbu horizontal yang saling tegak lurus. Gerak pada sumbu vertikal dipengaruhi oleh percepatan gravitasi bumi sehingga merupakan Gerak Lurus Berubah Beraturan (GLBB), sedangkan gerak pada sumbu horizontal tidak dipengaruhi sehingga merupakan Gerak Lurus Beraturan (GLB). Lintasan yang dibentuk oleh roket air pada saat meluncur berupa parabola, sehingga gerak pada peluncuran roket air tersebut dinamakan gerak parabola. Disajikan Gambar 2.19 untuk memahami vektor pada gerak parabola. Gambar 2.19 Vektor pada Gerak Parabola Misalkan di titik awal koordinat (0,0) sebuah partikel bergerak dengan kecepatan awal v0 membentuk sudut θ terhadap sumbu x. uraian kecepatan awal partikel pada komponen x dan y dapat ditunjukkan dalam persamaan (2.14) dan (2.15). www.pakgurufisika.blogspot.com 20. 20. 19 θvv x cos00  θvv y sin00  … (2.14) … (2.15) Seperti pada penjelasan sebelumnya, partikel ini mengalami percepatan gravitasi yang konstan sebesar –g searah dengan sumbu y negatif dan kecepatan konstan pada arah x, sehingga posisi partikel pada arah x dan y ditunjukkan oleh persamaan (2.16) dan (2.17). tvx(t) x0 2 0 2 1 g ttvy(t) y  … (2.16) … (2.17) Partikel yang bergerak pada arah vertikal akan mencapai ketinggian maksimum di titik C pada gambar 2.19. Kecepatan partikel pada arah vertikal saat partikel berada pada ketinggian maksimum adalah sama dengan 0, sehingga waktu yang dibutuhkan partikel untuk mencapai ketinggian maksimumnya adalah 00  maksy g tv atau g v t y maks 0  … (2.18) Jarak terjauh yang dapat dijangkau partikel ditempuh dalam dua kali waktu dapat dicari dengan persamaan gerak pada arah sumbu horizontal berikut. Jarak terjauh xterjauh dapat dicari dengan persamaan gerak pada arah sumbu horizontal sebagai berikut tvx xterjauh 0 maksxterjauh tvx 20 … (2.19) Dengan mensubstitusikan persamaan (2.18) ke dalam persamaan (2.19) diperoleh g vv g v vx yxy xterjauh 000 0 2 2        … (2.20) Kemudian dengan mensubstitusikan persamaan (2.14) dan (2.15) ke dalam www.pakgurufisika.blogspot.com 21. 21. 20 persamaan (2.20) diperoleh jarak terjauh partikel adalah g θθθv xterjauh cossin2 2 0  g θv xterjauh 2sin 2 0  h … (2.21) Agar mencapai jarak terjauh, maka nilai sin 2θ pada persamaan (2.21) harus sama dengan 1, sehingga nilai 2θ sama dengan 90o yang berarti bahwa besarnya θ sama dengan 45o . Jadi, jika ingin didapatkan jarak terjauh, roket air harus diatur dengan sudut elevasi sebesar 45o . 2. Massa Jenis Zat Cair Penggunaan jenis zat cair yang dimasukkan ke dalam body roket juga perlu diperhatikan. Semakin besar massa jenis zat cair yang dipakai, semakin besar pula tekanan hidrostatis yang dihasilkan. Hal tersebut sesuai dengan persamaan (2.22). ρ g hP shidrostati  … (2.22) di mana ρ adalah massa jenis zat cair, g adalah percepatan gravitasi bumi, dan h adalah panjang kolom zat cair pada botol. Tekanan total yang dipompakan keluar body roket adalah tekanan udara yang diberikan oleh pompa atau kompresor ke dalam body roket dijumlahkan dengan tekanan hidrostatis zat cair. pompashidrostatitotal PPP  … (2.23) dengan mensubstitusikan persamaan (2.22) ke dalam persamaan (2.23) didapatkan pompatotal Pρ g hP  … (2.24) di mana Ptotal adalah tekanan total yang dipompakan keluar body roket, ρ adalah massa jenis zat cair, g adalah percepatan gravitasi bumi, h adalah panjang kolom zat cair pada botol, dan Ppompa adalah tekanan udara yang dipompakan ke dalam body roket oleh pompa atau kompresor Berdasarkan



Hukum Pascal, tekanan P berbanding lurus dengan gaya F. Hal tersebut dapat dilihat pada persamaan (2.25) www.pakgurufisika.blogspot.com 22. 22. 21 A F P  P AF  … (2.25) Persamaan (2.25) berlaku pada saat roket meluncur, di mana tekanan yang dimaksud adalah tekanan total Ptotal dan gaya yang dimaksud merupakan gaya dorong Fdorong pada roket, sehingga persamaan (2.25) berubah menjadi APF totaldorong  ) AP(ρρ g hF pompadorong  … (2.26) … (2.27) Dengan meninjau kembali persamaan (2.5) kemudian mensubstitusikan nilai dari persamaan (2.8) ke dalam persamaan (2.5) diperoleh eksdorong FF Δt v m  Δ … (2.28) Besaran ∆v merupakan perubahan kecepatan roket dari posisi diam v0 = 0 sampai dengan kecepatan akhir vf, sehingga persamaan (2.28) menjadi   eksdorong f FF t vv m   Δ 0 eksdorong f FF t v m  Δ          m t FFv eksdorongf Δ … (2.29) Persamaan (2.27) disubstitusikan ke dalam persamaan (2.29), sehingga          m t F) APg h(v ekspompaf Δ  … (2.30) Kemudian persamaan (2.30) disubstitusikan ke dalam persamaan (2.21) dengan vf pada persamaan (2.30) merupakan v0 pada persamaan (2.21), sehingga diperoleh   g θ m t F) APg h( x ekspompa terjauh 2sin Δ 2                … (2.31) Berdasarkan persamaan (2.31), jika massa jenis ρ semakin besar dan besaran yang lain bernilai konstan, maka jarak terjauh xterjauh juga semakin besar. www.pakgurufisika.blogspot.com 23. 23. 22 3. Ukuran atau Volume Roket Air Pertimbangan pertama dalam membuat roket air untuk mencapai jarak terjauh adalah ukuran atau volume body roket air. Body roket air disarankan terbuat dari botol minuman bersoda karena ketahanannya terhadap tekanan udara. Di pasaran tersedia bermacam-macam ukuran botol minuman soda, misalnya ukuran 500 ml, 1 liter, 2 liter, dan 3 liter. Botol yang memiliki ukuran atau volume lebih besar cenderung membuat peluncuran yang lebih spektakuler karena volume roket menentukan jumlah maksimum air / bahan bakar dan udara yang dapat disimpan. Nilai gaya dorong Fdorong pada persamaan (2.8) disubstitusikan ke dalam persamaan (2.26), diperoleh persamaan (2.32) t m vAP keluartotal Δ Δ  … (2.32) Di samping itu, perhitungan debit air Q pada peluncuran roket adalah t V Q Δ  atau v AQ  … (2.33) … (2.34) di mana Q adalah debit air, V adalah volume air, v adalah kecepatan semburan air atau vkeluar, dan A adalah luas penampang lubang nozzle. Dengan mensubstitusikan persamaan (2.33) ke dalam persamaan (2.34) diperoleh persamaan (2.35) Av t V keluar Δ … (2.35) Kemudian nilai ∆t pada persamaan (2.35) disubstitusikan ke dalam persamaan (2.32) dihasilkan persamaan untuk mencari vkeluar yaitu m VP v total keluar Δ  … (2.36) di mana vkeluar adalah kecepatan semburan air, Ptotal adalah tekanan total di dalam botol, V adalah volume air di dalam botol dan |∆m| adalah perubahan massa yang dialami oleh botol. www.pakgurufisika.blogspot.com 24. 24. 23 Dalam perhitungan teoritik untuk mencari jarak terjauh yang dapat ditempuh roket, dibutuhkan nilai v0. Untuk mencari v0 digunakan persamaan (2.13) di mana vf pada persamaan (2.13) merupakan v0. Akan tetapi, karena roket air dipasang dengan sudut θ terhadap horizontal, maka persamaan (2.13) menjadi seperti berikut θg t m m vv f i keluar sinln0  … (2.37) Persamaan (2.32) disubstitusikan ke dalam persamaan (2.37) diperoleh θg t m m m VP v f itotal sinln Δ 0           … (2.38) Selanjutnya persamaan (2.38) disubstitusikan ke dalam persamaan (2.21) diperoleh g θθg t m m m VP x f itotal terjauh 2sinsinln Δ 2                   … (2.38) Berdasarkan persamaan (2.38), jika volume air V semakin besar dan besaran yang lain bernilai konstan, maka jarak terjauh xterjauh juga semakin besar. Volume roket air yang lebih besar tentu dapat menyimpan air dan udara lebih banyak daripada volume roket air yang lebih kecil. Akan tetapi, menurut De Podesta (2007: 15) ada batas tekanan yang dapat disimpan di dalam body roket, yaitu 5 atmosfer atau 75 psi yang merupakan batas kerja yang aman dan ketika ingin menggunakan botol dengan ukuran lebih dari 3 liter, diperlukan lebih dari satu botol untuk digabungkan menjadi body roket air, mengingat kestabilan roket air yang dibuat. 4. Berat Roket Air Berat roket juga berpengaruh terhadap peluncuran roket air untuk mencapai jarak terjauhnya. Semakin ringan roket air yang dibuat, akan semakin baik meluncurnya. Hal tersebut dikarenakan semakin ringan roket air, semakin kecil gaya berat atau gaya eksternalnya, sehingga menurut



25.



26.



27.



28.



persamaan (2.31) jika gaya eksternal Feks semakin kecil dan besaran yang lain www.pakgurufisika.blogspot.com 25. 24 bernilai konstan, maka jarak terjauh xterjauh akan semakin besar juga. Pemberian aksesoris pada roket air diharapkan dilakukan dengan sewajarnya karena semakin banyak aksesoris yang dipasang akan menambah berat roket yang tentunya akan mempengaruhi peluncuran roket. Sebenarnya tidak hanya faktor-faktor di atas saja yang perlu dipertimbangkan dalam pembuatan dan peluncuran roket air agar mencapai jarak terjauh. Faktor-faktor eksternal seperti arah angin dan tekanan yang diberikan pada body roket oleh pompa atau kompresor juga perlu dipertimbangkan. Akan tetapi, dalam beberapa perlombaan sudah ditentukan tekanan maksimal yang dapat diberikan. Lebihlebih mengenai arah angin, karena situasi dan kondisi angin pada saat perlombaan pun tidak menentu. E. Kegunaan Roket Air dalam Percobaan Fisika Roket air tidak hanya digunakan dalam permainan dan perlombaan, tetapi juga dapat digunakan dalam eksperimen atau percobaan Fisika. Adapun analisis percobaan menggunakan analisis gerak proyektil atau parabola. Roket air dapat digunakan untuk menentukan jarak terjauh roket pada beberapa sudut elevasi dan menentukan percepatan gravitasi tempat di mana roket diluncurkan. Agar memperoleh lintasan roket air yang berbentuk parabola, peralatan percobaan roket air di-setting seperti pada Gambar 2.20. Gambar 2.20 Setting Peralatan Percobaan Roket Air www.pakgurufisika.blogspot.com 26. 25 Percobaan dilakukan oleh Barjah (2012: 188-189) dengan variasi sudut pemasangan roket air terhadap horizontal misalnya 15o , 30o , 45o , 60o . dan 90o . Data yang diperoleh dalam percobaan adalah jarak tempuh maksimum roket air saat mendarat pada tanah atau xterjauh pada setiap variasi sudut. Data yang diperoleh kemudian dibandingkan secara teoritik melalui perhitungan teori. Langkah pertama adalah mengukur luas penampang lubang keluar air pada botol roket air dan menentukan volume air yang dipakai pada percobaan. Volume air yang dipakai harus sama pada setiap variasi sudut. Kemudian menghitung tekanan total Ptotal menggunakan persamaan (2.24). setelah tekanan total diperoleh, langkah selanjutnya adalah menghitung kecepatan semburan air vkeluar melalui persamaan (2.36). Adapun nilai vkeluar yang dihasilkan disubstitusikan ke dalam persamaan (2.37) untuk memperoleh nilai v0. Setelah diperoleh nilai v0, langkah terakhir adalah mensubstitusikan nilai tersebut ke dalam persamaan (2.21) sehingga dihasilkan besar xterjauh secara teori. Dari eksperimen atau percobaan dan analisis gerak proyektil ini juga dapat ditentukan besarnya percepatan gravitasi di tempat peluncuran roket. Metode yang digunakan dalam penentuan besarnya percepatan gravitasi adalah menggunakan pendekatan regresi linier kurva jarak maksmimum (xterjauh) terhadap sin 2θ sesuai dengan persamaan (2.21). Sebagai contoh, diperoleh data hasil percobaan seperti Tabel 2.1. Tabel 2.1 Data Hasil Pengamatan Percobaan Roket Air No θ (o ) sin 2θ xterjauh (m) 1 15 0,258819 3,6 2 30 0,5 8,7 3 45 0,707107 11,6 4 60 0,866025 6,5 5 75 0,965926 4,59 6 90 1 0,68 (Sumber: Barjah, NN. Prosiding Pertemuan Ilmiah XXV HFI, 2012: 88) Data di atas kemudian diinput ke dalam Microsoft Excel dan dibuat grafik dengan xterjauh sebagai sumbu y dan sin 2θ sebagai sumbu x sehingga diperoleh grafik seperti pada Gambar 2.21. www.pakgurufisika.blogspot.com 27. 26 Gambar 2.21 Grafik Hubungan antara xterjauh dengan sin 2θ Dari grafik pada Gambar 2.21 diperoleh gradien garis sebesar 9,829 yang mewakili nilai gv 2 0 sesuai dengan persamaan (2.21) sehingga diperoleh percepatan gravitasi sebesar 10,37 m/s2 . y = 9.829x - 0.167 R² = 0.875 -5 0 5 10 15 0 0.5 1 1.5 xtotal sin2θ Grafik Hubungan antara xtotal dengan sin2θ www.pakgurufisika.blogspot.com 28. 27 BAB III KESIMPULAN DAN SARAN A. Kesimpulan Dari pembahasan yang telah dipaparkan, maka dapat diambil kesimpulan sebagai berikut: 1. Roket air atau aquajet adalah salah satu jenis roket yang menggunakan air sebagai bahan bakarnya dengan memanfaatkan udara bertekanan. Roket air merupakan bentuk praktik dari teori Fisika yang dipelajari di sekolah. Roket air terdiri dari nose cone, body roket, fin, nozzle, dan launcher sebagai alat peluncurnya. 2. Prinsip kerja roket air menggunakan Hukum III Newton, sama seperti roket atau jet pada umumnya. Botol akan meluncur apabila diberikan tekanan udara yang tinggi dari pompa ke dalam botol yang berisi air. Tekanan udara di dalam botol lebih tinggi dari pada tekanan di luar botol sehingga pada saat



diluncurkan, udara dalam botol menekan air keluar dari dalam botol. Semburan air keluar dari botol memberikan gaya dorong pada botol. Sehingga, melalui beberapa persamaan diperoleh kelajuan akhir roket adalah g t m m vv f i keluarf  ln 3. Untuk membuat roket air dapat stabil dalam peluncurannya perlu diperhatikan beberapa hal, yaitu a) mendesain roket air (nose cone, body, dan fin) sehingga drag yang dihasilkan rendah, b) menaksir titik pusat massa dan titik pusat tekanan roket air untuk memperkirakan kestabilan roket air di udara melalui eksperimen dan perhitungan, dan c) memodifikasi atau fairing roket. 4. Untuk mencapai jarak terjauh perlu dipertimbangkan hal-hal berikut: a) sudut elevasi roket; roket akan mencapai jarak terjauh pada sudut elevasi 45o , b) massa jenis zat cair; semakin besar massa jenis zat cair, jarak yang dapat ditempuh roket semakin jauh, c) ukuran atau volume roket; semakin besar ukuran roket, volume zat cair yang dapat masuk juga semakin besar sehingga jarak yang dapat ditempuh roket semakin jauh, dan d) berat roket; semakin ringan roket, jarak yang dapat ditempuh roket semakin jauh www.pakgurufisika.blogspot.com 29. 29. 28 5. Dalam eksperimen atau percobaan Fisika, roket air dapat digunakan untuk menentukan jarak terjauh yang dapat ditempuh roket dan menentukan percepatan gravitasi di tempat peluncuran roket dengan menggunakan analisis gerak proyektil atau parabola. B. Saran Dari pembahasan masalah yang dipaparkan, penulis menyarankan agar pembaca dapat memberikan informasi kepada khalayak ramai untuk dapat dijadikan sebagai referensi dalam pembuatan roket air. Apabila masih ada keraguan dalam memahami Makalah Seminar Fisika ini, diharapkan pembaca dapat memperbanyak buku literatur baik cetak maupun elektronik. www.pakgurufisika.blogspot.com 30. 30. 29 DAFTAR PUSTAKA Barjah, NN, dkk. 2012. Rancang Bangun Alat Eksperimen Roket Air dari Barang Bekas sebagai Media Pembelajaran Mekanika. Prosiding Pertemuan Ilmiah XXV HFI, Jawa Tengah dan DIY. Aldino Adry Baskoro. 2011. Roket Air sebagai alat Peraga Sains Atraktif Untuk Mengenalkan Konsep Gerak, Gaya, dan Perubahan Energi pada Siswa Kelas 5 dan 6 di Sekolah Alam Bandung. LKIG Ke-19 Tahun 2011 LIPI. De Podesta, Michael. 2007. A Guide to Building and Understanding The Physics of Water Rockets. Serco and NPL Management Limited. Diperoleh pada 9 Oktober 2014 pukul 07:11 WIB dari http://www.npl.co.uk/upload/pdf/wr_booklet_print.pdf Kemenristek. 2000. Panduan Membuat Roket Air. Jakarta: Kementerian Ristek dan Teknologi. Ornek, Robinson, Haugen. 2008. What Makes Physics Difficult? Internatonal Journal of Environmental & Science Education 2008. ISSN 1306-3065. Diperoleh pada 9 Oktober 2014 pukul 07: 45 WIB dari http://www.ijese.com/V3_N1_Ornek.pdf Singleton, Leo C. 2001. Bottle Rocket Handbook. Columbus High School Science Olympiad Team. Diperoleh pada 9 Oktober 2014 pukul 07:11 WIB dari http://www.acema.com.ar/biblioteca/databases/download/Bottle_rocket_ handbook.pdf Tipler, Paul A. 1998. Fisika Untuk Sains dan Teknik Jilid 1 (diterjemahkan oleh Lea Prasetio dan Rahmad W. Adi). Jakarta: Erlangga. www.pakgurufisika.blogspot.com



13 Hukum Pertama Newton: Objek yang diam akan tetap diam, atau benda bergerak akan tetap bergerak kecuali jika ditindaklanjuti oleh kekuatan yang tidak seimbang. Ketika roket duduk di peluncur, kekuatannya seimbang karena permukaan peluncur mendorong roket ke atas sementara gravitasi menariknya ke bawah. Hukum Ketiga Newton: Untuk setiap tindakan selalu ada reaksi yang berlawanan dan sama (jika Anda mendorong sesuatu itu mendorong balik). Ketika kita menekan cairan di dalam roket dan melepaskan klem pengunci, gaya menjadi tidak seimbang. Sebuah lubang kecil di bagian bawah roket akan memungkinkan cairan untuk melarikan diri ke satu arah dan dengan demikian memberikan dorongan (kekuatan) ke arah yang berlawanan memungkinkan roket untuk mendorong ke langit. Gaya ini berlanjut sampai tekanan memaksa cairan terakhir meninggalkan roket. Naik Botol dan Massa Air yang Tersisa Turun Muncul Massa Air



15 Hukum Kedua Newton: Percepatan suatu objek secara langsung berkaitan dengan gaya yang diberikan pada objek dan berbanding terbalik dengan massa objek itu. Jika dorong berlanjut sampai semua air dikeluarkan maka lebih banyak air (massa) harus lebih baik kan ?? Belum tentu!!! Akselerasi = Gaya / Massa



Misalnya: Jika Anda menggunakan jumlah kekuatan yang sama, Anda dapat melempar bola bisbol lebih cepat dari bola basket karena enggak memiliki massa yang lebih sedikit. Massa yang Lebih Kecil (air) Massa yang Lebih Besar (air) Akselerasi Lebih Besar Akselerasi Lebih Kecil Durasi Lebih Pendek dari Dorong Durasinya Lebih Lama dari Dorong Catatan: Dorongan roket adalah karena tekanan cairan dan percepatan cairan saat meninggalkan botol.



Saat roket bergerak di udara, gesekan antara permukaan roket dan udara (hambatan udara) akan memperlambatnya. Pada kecepatan tinggi roket-roket ini, drag udara menjadi kekuatan yang sangat signifikan. Untuk mengurangi hambatan udara, roket harus dirancang agar udara yang melewati permukaan roket mengalir dalam garis halus (pelurusan) sehingga mengurangi arus eddy dan dengan demikian menyeretnya. Eddy Aktual Aliran udara 18 Aerodinamika: Seret (Lanjutan) Ternyata drag lebih dipengaruhi oleh bentuk ekor daripada bentuk nosecone. Untuk botol soda tertentu sulit untuk mengubah bentuk ekornya. Bentuk botol 2L cukup standar, tetapi untuk botol yang lebih kecil ada lebih banyak pilihan. Sebuah perjalanan singkat ke toko kelontong menunjukkan ada beberapa yang disebut "desainer" botol air dengan bentuk yang cukup aerodinamis (Dean Wheeler).



19 Stabilitas Penerbangan Roket: Pusat Massa dan Pusat Tekanan Klip dari Sky Oktober:? Jika Anda meluncurkan botol 2 liter biasa, maka akan cepat kehilangan stabilitas dan berbelok dari ujung ke ujung segera setelah air dikeluarkan, yang menyebabkan sangat meningkatnya hambatan udara. Agar roket Anda mencapai ketinggian kaki, roket harus stabil secara aerodinamis selama penerbangan. Untuk meningkatkan stabilitas roket, Anda perlu memahami prinsip Pusat Massa dan Pusat Tekanan 30 Isi Rasio Air dalam Roket Roket dengan air akan terbang jauh lebih tinggi daripada roket yang hanya diisi udara. Ketika air ditambahkan ke roket, efek massa ditunjukkan. Saat udara bertekanan meninggalkan roket, air akan keluar yang menyebabkan dorong. Karena air memiliki massa yang jauh lebih besar daripada udara, ia berkontribusi terhadap dorongan yang jauh lebih besar (Hukum ke-2 Newton). Dorongan roket tergantung pada massa yang dikeluarkan dan kecepatan pengusiran. Cara terbaik untuk menentukan rasio pengisian adalah dengan meluncurkan 4-5 penerbangan uji menggunakan jumlah cairan yang berbeda dan grafik ketinggian penerbangan roket untuk masing-masing. 400 ml 800 ml



1200 ml



31 Tekanan Cairan Pompa sepeda tekanan tinggi atau kompresor udara dapat digunakan untuk menekan udara di dalam roket dan dengan demikian meningkatkan daya dorong yang tersedia untuk roket untuk lepas landas. Peluncur roket yang akan Anda gunakan untuk aktivitas ini telah diatur ke tekanan peluncuran maksimum 100 psi (batasan). Pengorbanan: Semakin tinggi tekanan, semakin besar dorongan awal. Namun, dorong tinggi juga berarti peningkatan gaya seret. Apakah roket Anda memiliki aerodinamika yang cukup untuk meminimalkan peningkatan gaya seret ini ??? Roket dengan aerodinamika yang buruk telah dirobek saat peluncuran karena gaya drag yang tinggi



32 Agar roket botol air Anda terbang ke ketinggian yang tinggi, Anda perlu mengevaluasi trade-off Minimalkan massa roket sambil memaksimalkan jumlah kekuatannya. Berhati-hatilah saat meminimalkan massa roket. Jika roket itu terlalu ringan maka akan kehilangan stabilitas segera setelah air dikeluarkan dan berakhir di ujung. Semakin besar massa cairan yang dikeluarkan dari roket, dan semakin cepat cairan itu dapat dikeluarkan dari roket, semakin besar dorongan (kekuatan) roket.



Meningkatkan tekanan di dalam roket botol menghasilkan dorongan yang lebih besar. Ini karena lebih banyak massa udara di dalam botol lolos dengan akselerasi yang lebih tinggi. Energi disimpan di udara bertekanan. Jadi meskipun Anda perlu memiliki air (massa) untuk mengeluarkan dorongan jika Anda memiliki terlalu banyak air dan tidak cukup energi (udara bertekanan) Anda tidak akan mendapatkan dorongan yang baik 33 Menghitung Tinggi Peluncuran Roket



34 Perhitungan Tinggi Ada banyak cara untuk menghitung ketinggian roket botol air di kelas ini. Metode pertama adalah menggunakan trigonometri sudut kanan. Namun, untuk menggunakan metode ini, roket harus selalu berjalan lurus di udara (90 ° ke bumi) dan karena Anda akan segera belajar, ini tidak selalu terjadi. Cara lain adalah dengan menggunakan metode trigonometri yang dikenal sebagai Hukum Sines. Metode ketiga yang mudah digunakan dan memberikan perkiraan dekat dengan ketinggian penerbangan roket dikenal sebagai metode sudut rata-rata. Karena metode sudut rata-rata adalah yang paling mudah dan paling umum digunakan, itu akan menjadi metode pertama yang akan kita gunakan untuk kegiatan ini.



35 Metode Sudut Rata-Rata Catatan: Metode ini membuat perkiraan tinggi roket daripada perhitungan yang tepat. Namun, mengingat kesalahan manusia dan



alat ukur kasar yang digunakan dalam kegiatan ini, metode ini cukup akurat dalam menghitung tinggi roket. Langkah # 1: Ukur dua lokasi 150 kaki di kedua sisi dan di garis langsung dengan landasan peluncuran. Tempatkan seseorang di masing-masing lokasi ini dengan pistol ketinggian (lihat gambar). Langkah # 2: Asumsikan bahwa tim Anda telah meluncurkan roket dan Orang A mengukur 45 ° dan Orang B mengukur 30 ° (Lihat gambar). Langkah # 3: Gunakan rumus sudut rata-rata untuk menghitung ketinggian roket. Rumus Sudut Rata-rata: a = b (tan A) a = ketinggian penerbangan roket b = jarak dari landasan peluncuran (150 kaki) A = rata-rata dari dua sudut 36 Contoh Praktik: (Diberikan Sudut 1 = 45 °, dan Sudut 2 = 30 °, A = 37,5 °) Dengan menggunakan rumus a = 150 (tan 37.5), ketinggian penerbangan roket ini akan menjadi 115 kaki (a = 115 kaki). Perhitungan Membantu: Pastikan kalkulator Anda dalam mode derajat dan tidak dalam mode radian !!!!!!! Di sebagian besar kalkulator, Anda harus melakukannya 1) Masukkan dalam sudut rata-rata (dalam hal ini 37,5), 2) Tekan tombol singgung, dan kemudian 3) Gandakan nilai ini dengan 150.



37 Hukum Littlewood: Menghitung Tinggi Roket J.E. Littlewood, seorang ahli matematika Inggris yang melakukan perhitungan untuk militer Inggris selama Perang Dunia I mengembangkan formula untuk penerbangan balistik. Catatan: Agar penerbangan dianggap balistik roket tidak dapat menggunakan parasut atau memiliki kemampuan untuk mengubah koefisien drag selama penerbangan. Karena air dan udara bertekanan digunakan untuk meluncurkan roket kami biasanya dikeluarkan sekitar 0,15 detik ke dalam penerbangan peluncuran roket kami dapat dianggap sangat balistik. Menggunakan rumus berikut, Littlewood menghitung ketinggian peluncuran balistik: hap = g / 8 (cenderung) 2 where: hap = height at apogee g = gravitasi = 9,8 m / detik2 cenderung = total waktu penerbangan Catatan: Informasi ini telah diadaptasi dari situs web Dr. Dean Wheeler:



38 Hukum Littlewoods: Masalah Contoh Asumsikan bahwa waktu untuk penerbangan roket adalah 7,96 detik (cenderung = 7,96 detik). Menggunakan rumus Littlewood kami menghitung tinggi: hap = 9.8 / 8 (7.96) 2 = 77.6 meter



39 Lembar Kerja untuk Unit Roket Botol-Air



40 Pertanyaan: 1. (Hukum ke-1 Newton) Berapa lama daya dorong bertahan ketika roket diluncurkan? 2. (Hukum ke-2 Newton) Jika Anda ingin meningkatkan percepatan roket Anda, Anda perlu: (Pilih salah satu dari pernyataan berikut) (A) Menurunkan gaya dorong dan meningkatkan massa roket. (B) Turunkan kekuatan dorong dan kurangi massa roket. (C) Tingkatkan gaya dorong dan kurangi massa roket. (D) Meningkatkan gaya dorong dan meningkatkan massa roket.



41 3. Jelaskan bagaimana Anda bisa menentukan di mana. pusat massa (CM) adalah 3. Jelaskan bagaimana Anda dapat menentukan di mana pusat massa (CM) berada di roket Anda? 4. Jelaskan bagaimana Anda menentukan pusat tekanan (CP) untuk roket Anda?



42 Jika Anda ingin roket Anda memiliki penerbangan stabil, mana dari yang berikut ini yang benar? (Pilih satu) (A) Pusat massa (CM) dan pusat tekanan (CP) harus berada pada titik yang sama pada roket.



(B) Pusat massa (CM) harus menuju ekor roket dan pusat tekanan (CP) harus menuju hidung roket. (C) Pusat massa (CM) harus menuju hidung roket dan pusat tekanan (CP) harus menuju ekor roket. 6. Modifikasi apa yang dapat Anda buat pada roket Anda untuk mengubah posisi pusat massa (CM)? 7. Modifikasi apa yang dapat Anda buat pada roket Anda untuk mengubah posisi pusat tekanan (CP)



43 8. Benar atau Salah: Roket yang lebih panjang biasanya 8. Benar atau Salah: Roket yang lebih panjang biasanya lebih stabil dalam penerbangan daripada roket pendek? 9. Mengapa roket dengan air terbang lebih tinggi dari roket tanpa air? (Jadilah Spesifik!) 10. Apa itu drag udara?



44 12. Apa tujuan sirip pada roket? 11. Tuliskan tiga hal yang dapat Anda lakukan untuk roket Anda untuk mengurangi hambatan udara. 1. 2. 3. 12. Apa tujuan sirip pada roket? 13. Daftar dua tujuan kerucut hidung pada roket? 1) 2)



45 14. Ketika Anda meluncurkan roket Anda, dua orang dari kelompok Anda akan menggunakan senjata altimeter untuk mengukur sudut penerbangan roket dan dengan demikian menentukan ketinggian penerbangan. Jika orang-orang ini mengukur sudut 55 ° dan 49 ° masing-masing, gunakan rumus sudut rata-rata untuk menentukan ketinggian penerbangan roket. Asumsikan bahwa masing-masing orang adalah 150 meter dari lokasi peluncuran. Rumus: Tinggi = 150 (Tan A) Catatan: A = ratarata dari dua sudut Ketinggian penerbangan roket = Ft



46 15. Jika Anda meluncurkan roket kedua dan orang-orang ini mengukur sudut 55 ° dan 61 °, berapa ketinggian penerbangan roket? Tinggi = 16. Tinggi Roket Masalah menggunakan Hukum Littlewood Jika Anda meluncurkan roket dan total waktu penerbangan (cenderung) = 9,23 detik, seberapa tinggi (hap) terbang roket Anda? hap = ___________ meter hap = ___________ kaki 17. Dengan menggunakan Hukum Littlewood, berapa detik waktu terbang total (kecenderungan) roket Anda harus memiliki ketinggian penerbangan (hap) sebesar 300 kaki? (Jangan lupa konversi ft ke m!) Waktu: ____________



1 1-1 Principles of Rocketry 2 1-2 Water Rockets BASIC CONCEPTS 3 1-3 What is a Rocket?  A chamber enclosing a gas under pressure.  A balloon is a simple example of a rocket. Rubber walls compress the air inside. Air escapes from the small opening at one end and the balloon flies. 4 1-4 Newton’s Three Laws  1. Objects at rest will remain at rest and objects in motion will remain in motion in a straight line unless acted upon by an unbalanced force.  2. Force equals mass times acceleration.  3. Every action has an equal and opposite reaction. 5 1-5 1. Objects at Rest, in Motion  At Rest: Forces are balanced. The force of gravity on the rocket balances with that of the launch pad holding it up.  In Motion: Thrust from the rocket unbalances the forces. As a result, the rocket travels upward (until it runs out of fuel). REACTION from Thrust Force of GRAVITY Note: Thrust from the rocket’s engines acts downward producing an upward reaction on the rocket 6 1-6 2. F=mA  Force equals mass times acceleration. The pressure created inside the rocket acts across the area of the bottle’s throat and produces force (thrust). Mass represents the total mass of the rocket, including its fuel.  The mass of the rocket changes during flight. As fuel is rapidly used and expelled, the rocket weighs less and accelerates.  Thrust continues until the engine stops firing. Acceleration ForceForce Mass Thrust Force produced as fuel rapidly exits, accelerates rocket. 7 1-7 3. Action and Reaction  A rocket takes off only when it expels gas. Action: The rocket pushes the gas out of the engine. Reaction: The gas pushes up on the rocket.  The Action (Thrust) has to be greater than the weight of the rocket for the reaction (liftoff) to happen. (Bottle & Water Mass) X (Bottle Velocity) EQUALS (Ejected Water Mass) X (Ejected Water Velocity) Essentially, the faster the fluid is ejected, and the more mass that is ejected, the greater the reaction force on the bottle. UP DOWN 8 1-8 Water Rockets DESIGN CONSIDERATIONS 9 1-9 Inertia Inertia is the tendency of an object to resist any change in motion. It is associated with the mass of an object. A bottle rocket that is HEAVIER has MORE Inertia, because it has MORE mass. MORE Inertia will offer GREATER resistance to a change in direction. Therefore the wind will have LESS effect on a bottle with MORE INERTIA. A LIGHTER bottle rocket has LESS inertia,because it has LESS mass. LESS inertia means the rocket will have LESS resistance to change in



direction. Consequently, the wind has a GREATER effect on the rocket’s path of motion. Wind Direction  Desired Path of Motion   (Trajectory) 10 1-10 Center of Mass The Center of Mass is the exact point about which all of the mass of an object is perfectly balanced.  All matter, regardless of size, mass, or shape has a center of mass.  Around this point is where an unstable rocket tumbles.  Spinning and tumbling takes place around one or more of three axes: roll, pitch, and yaw  Any movement in the pitch and yaw axes directions can cause the rocket to go off course 11 1-11 Center of Pressure  Flowing air pushing against the rocket, can cause it to roll and sway around the most stable point (CM).  It is important that the CP of the rocket is located toward the tail and the CM is located toward the nose.. The Center of Pressure (CP) is the location where the ‘pressure forces’ acting on a rocket are balanced. The CP exists only when air is flowing past the moving rocket. (Based on surface area) 12 1-12 DRAG DRAG = Air Resistance Air Resistance causes friction which slows down the Rocket. Friction always works in the opposite direction of the Rocket’s motion. (Even when a rocket is descending, drag counteracts the rocket’s motion!) UP DOWN Air Resistance (DRAG) MOTION (Reaction) MASS EXITING (Action) 13 1-13 TIPS: REDUCING DRAG C More AERODYNAMIC or pointed nose cone: This causes the air to “part” around the bottle. C More Aerodynamic fins: Thinner, more streamlined fins reduce drag. Position fins toward the tail of the rocket (moves CP!). A Round or Contoured Nose Cone allows Air to easily separate, thus reducing the effects of Drag Drag has a significant effect on blunted bodies, such as the Nose Cone below. 14 1-14 BALLAST BALLAST: any mass added to a vehicle to improve STABILITY and increase INERTIA.  Stability: Ballast towards the nose cone will shift the center of mass forward.  Inertia: More weight (ballast) increases inertia and will prevent a bottle’s path of motion (or Trajectory) from being prematurely overcome by DRAG & WIND FORCES........CAREFUL! Too much Ballast will make the vehicle too heavy ( Newton’s 3rd Law). Wind Direction  Air Resistance (DRAG) Ballast Center of Mass 15 1-15 Rocket Fin Shapes  Square/Trapezoidal Fins yield MORE stability, but create MORE drag.  Triangular/ Epsilon Fins introduce LESS drag, but yield LESS stability. 16 1-16 Stability How can you increase Rocket Stability?  Lengthen the rocket (This moves the center of mass further forward than the center of pressure)  Add



mass to the nose cone or nose piece  Bend the fins to cause it to spin, Caution! (Spinning the rocket will consume energy. This energy will not be used to gain any more altitude)  Extend fins towards the end of the rocket.  Heavy rockets have more inertia and therefore more stability  Watch Out! Too much weight will not allow the rocket to travel fast enough and it will prematurely run out of thrust, therefore, preventing it from reaching its intended destination. 17 1-17 TRAJECTORY Trajectory is the curved path of an object traveling through space. NOTE: Even objects thrown or launched vertically have a trajectory. Factors that Affect Bottle Trajectory: Newton’s 3 Laws of Motion Flow Rate of Fuel Existing - Bottle Internal Pressure - Air/Fuel Volumes - Air/ Fuel Densities Mass of Bottle Air Resistance/Drag Affects - Atmosphere Pressure/Temp - Bottle Aerodynamics Gravity Trajectory Path Apogee (Highest Point of Trajectory) X (Distance Traveled) (Launch Angle) 18 1-18 TRAJECTORY PHASES BOOST PHASE The Boost Phase of a rocket refers to the initial period in which the rocket produces THRUST to power itself forward. Water Rockets are considered to be under Boost Phase up until the last drop of water is expelled. COAST PHASE The Coast Phase of a rocket refers to any period during flight that the rocket is not being actively powered. Water Rockets enter into Coast Phase immediately after Boost Phase ends; the rocket will remain in Coast Phase until it impacts the ground. BOOST COAST



A simple and reliable release mechanism for water rockets can be built from PVC plumbing supplies and cable ties, as in the diagram. This will cope with pressures in excess of 100 p.s.i with safety. Mekanisme pelepasan yang dikontrol dengan mudah diperlihatkan, di mana gaya yang mencoba mendorong botol ke atas diarahkan ke bawah sepanjang sambungan kabel, dengan hanya komponen yang sangat kecil, milik bevel pada pengakhiran dasi, yang diarahkan ke arah luar terhadap lengan penahan. . Koefisien gesekan untuk plastik pada plastik rendah dan area kontak aktual berkurang, karena kurva internal pada lengan, sehingga sangat sedikit upaya yang diperlukan untuk menariknya ke bawah, baik dalam jumlah kekuatan yang dapat dipasok oleh sebuah servo kontrol radio, misalnya. Lengan luar ditampilkan dalam posisi terkunci dan dilepas.



Anda perlu mengumpulkan beberapa data penerbangan dan melakukan beberapa perhitungan untuk proyek ini. Anda juga perlu menyajikan data dan perhitungan Anda dengan rapi dan rapi. Tabel bekerja dengan baik untuk ini. Area yang akan diterapkan gaya adalah area pembukaan botol. Semua botol memiliki pembukaan botol standar yaitu 1,45 x10‐4 m2



Gunakan ini ke area dan tekanan di dalam botol untuk menghitung gaya botol akan diterapkan ke tanah. Hitung kecepatan awal menggunakan vi = vf - gt



Percepatan roket juga dapat dihitung menggunakan F = ma. Gaya yang dihitung sebelumnya dan massa akan menjadi massa roket + massa air dalam kilogram. Ini adalah percepatan yang akan digunakan untuk menghitung kecepatan awal (vi) daripada g. vi = vf - at Jarak vertikal dihitung menggunakan d = vt + 1/2 at2 lakukan dua kali sekali dengan "a" dan sekali dengan "g", jangan lupa t t t t up.



Pertanyaan-pertanyaan ini tidak dijawab secara langsung tetapi harus digunakan untuk memandu Anda dalam menulis paragraf yang dipikirkan dengan baik yang menjelaskan hasil Anda dan membandingkannya dengan • Mengapa Anda harus menghitung vi dua cara berbeda? • Mengapa menurut Anda g berbeda dari? • Apa saja hal-hal yang tidak dapat kami hitung berdasarkan data yang Anda kumpulkan? • Mengetahui bahwa F = ma o Apakah konstanta akselerasi di seluruh penerbangan? o Apakah konstanta massa di seluruh penerbangan?