BAB I PENDAHULUAN A. Latar Belakang
Roket merupakan wahana luar angkasa, peluru kendali, atau kendaraan terbang yang menghasilkan dorongan melalui reaksi pembakaran dari mesin roket. Dorongan ini terjadi karena reaksi cepat pembakaran atau ledakan dari satu atau at au lebih bahan bakar yang dibawa dalam roket. Seringkali definisi roket digunakan untuk merujuk kepada mesin roket. Roket pertama kali dibuat di China pada abad 13. Sedangkan penggunaan roket secara intensif untuk militer, industri dan ilmu pengetahuan dimulai pada awal abad ke-20. Awalnya roket hanya digunakan di gunakan untuk meluncurkan kembang api ke udara pada perayaan-perayaan hari besar. Namun dalam perkembangannya, roket digunakan manusia sebagai senjata perang untuk membawa bahan-bahan peledak dan diarahkan ke arah musuh. Selain untuk perang, roket juga digunakan untuk kursi penyelamat, kendaraan peluncur untuk Satelit buatan, kendaraan luar angkasa, dan untuk melakukan penelitian ruang angkasa. Roket air adalah salah satu jenis roket yang menggunakan air sebagai bahan bakarnya. Roket air dikenal dalam berbagai istilah, isti lah, di benua Eropa roket air lebih dikenal dengan istilah aquajet namun di beberapa tempat dikenal juga dengan istilah r oket botol. B. Rumusan Masalah
1. Hukum fisika apa saja yang digunakan saat peluncuran roket air? 2. Faktor apa sajakah yang dapat mempengaruhi laju dan jarak roket air? C. Tujuan
1. Untuk membuktikan hukum-hukum fisika yang berlaku pada saat peluncuran roket air. 2. Untuk mengetahui jarak yang dapat ditempuh oleh roket dalam berbagai sudut.
1
BAB II KAJIAN TEORI A. Mengenal Roket
Roket merupakan wahana luar angkasa, kendaraan terbang yang menghasilkan dorongan melalui reaksi pembakaran dari mesin roket. Pada awalnya ketika baru dikembangkan, roket digerakkan berkat hasil pembakaran bahan bakar minyak gas dan oksigen cair. Campuran itu menghasilkan gas panas yang meledak ke bawah dan mendorong roket ke atas. Saat ini, roket sudah dikembangkan menjadi lebih canggih yaitu dapat menggunakan bahan bakar padat maupun bahan bakar cair. Untuk penjelajahan angkasa luar yang tidak terdapat udara maka roket harus membawa sendiri bahan bakar dan oksigen untuk menghasilkan daya dorong yang diperlukan. Ukuran Roket berbeda dari model kecil yang biasa dibeli sebagai kembang api, atau roket hobi, sampai yang berukuran besar seperti Saturn V yang digunakan untuk program Apollo. Kebanyakan roket saat ini adalah roket kimia. Mesin roket ini memerlukan bahan bakar padat atau cair, seperti bahan bakar cair. Mesin utamanya digunakan untuk melepaskan diri dari gravitasi bumi. Reaksi kimia ditempatkan di ruang bakar dengan bahan bakar berupa udara atau oksigen bila di ruang angkasa. Gas panas yang dihasilkan mengalir dengan tekanan tinggi keluar melalui saluran yang menuju ke arah belakang roket. Tekanan gas yang menyembur keluar inilah yang menghasilkan gaya dorong bagi roket sehingga roket dapat bergerak maju ke atas. B. Pengertian Roket Air
Roket air adalah roket yang berbahan bakar pendorong air dan udara bertekanan. Roket ini menggunakan bahan bakar air untuk bergerak atau meluncur sehingga boleh dibilang roket air ini adalah roket yang ramah lingkungan. Karena roket ini menggunakan bahan bakar air untuk bergerak atau meluncur maka boleh dibilang roket air ini adalah roket yang ramah lingkungan. Seperti kita ketahui bersama bahwa udara dalam suatu ruangan akan menekan ke segala arah dan akan mengalir menuju tekanan yang lebih rendah. Dengan dasar tersebut jika suatu botol diisi dengan udara dengan tekanan tertentu maka udara dalam botol akan menekan ke segala arah dan jika dilubangi pada suatu titik maka udara akan keluar dari lubang tersebut dan akan menyebabkan gaya yang berlawanan arah dari keluarnya udara. Air yang terdorong keluar akan mendorong udara bebas sehingga roket bisa meluncur. Komposisi air dan udara juga mempunyai perbandingan tertentu agar menghasilkan dorongan yang maksimal. Karena besarnya tekanan udara yang dimanfaatkan harus sesuai dengan air yang diisi, sehingga pada akhirnya udara yang dimanfaatkan cukup untuk mendorong air yang diisikan ke dalam badan roket. Roket air mulai populer di Indonesia sekitar tahun 2005/2006. Roket air adalah sebuah pesawat sederhana yang dapat kita buat hanya dengan modal kemauan dan keterampilan. 2
3
Roket air dibuat untuk banyak proses yaitu; untuk menentukan tekanan udara didalam roket, untuk mengukur ketinggian dan kecepatan udara. Tetapi yang sangat di tonjolkan pada prinsip kerja roket air adalah hukum tekanan udara. Prinsip dasar roket merupakan implemantasi dari perubahan momentum serta Hukum III Newton mengenai aksi-reaksi. Dalam dunia pendidikan, berbagai percobaan bisa dilakukan untuk memberikan pemahaman kepada peserta didik mengenai prinsip dasar roket mulai dari percobaan yang sederhana menggunakan botol-botol bekas minuman soda. C. Teori Roket Air
Roket air merupakan bentuk praktik dari pelajaran atau teori fisika yang biasa dipelajari di sekolah. Khususnya mengenai tekanan dan gaya dorong yang disebabkan udara. Tak hanya menjadi wahana praktik, roket air ternyata sudah dikenal di kalangan komunitas pecinta ilmu pengetahuan. Prinsip propulsi roket akan dianalogkan dengan menggunakan roket air sederhana. prinsipnya yaitu, botol akan meluncur bila botol diberi tekanan udara yang tinggi (dari pompa), dan didalamnya diberi sedikit air untuk menghasilkan tenaga semburan yang lebih besar. Botol kemudian bertekanan dengan gas, biasanya udara dikompresi dari sebuah Pompa sepeda,Kompresor udara, tapi kadang-kadang CO 2 atau nitrogen dari sebuah silinder. Prinsip kerja roket ini merupakan penerapan dari hukum III Newton dan hukum kekekalan momentum. Gaya dorong yang bekerja pada roket merupakan gaya yang bekerja pada roket akibat gas yang dikeluarkan. Agar roket dapat dipercepat keatas maka gaya dorong harus lebih besar dari gaya eksternal. dan diperoleh kelajuan gerak roket untuk kelajuan roket yang bergerak tanpa gaya eksternal. Air dan gas yang digunakan dalam kombinasi, menyediakan sarana untuk menyimpan energi potensial yang mampat, dan air meningkatkan fraksi massa dan memberikan momentum yang lebih besar ketika dikeluarkan dari nozzle roket. Kadang-kadang aditif digabungkan dengan air untuk meningkatkan kinerja dalam berbagai cara. Sebagai contoh: garam dapat ditambahkan untuk meningkatkan densitas massa mengakibatkan reaksi yang lebih tinggi yang disebut dorongan spesifik. Sabun juga kadang-kadang digunakan untuk membuat busa padat di roket yang menurunkan kepadatan massa reaksi tetapi meningkatkan durasi dorong. Dasar hukum roket air adalah hukum III Newton /aksi- reaksi yang berisi : “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.” Teori dasar peluncuran roket air, sama dengan percobaan balon yang meluncur ke atas. Roket air memberikan gaya aksi yang sangat besar kepada gas, dengan mendorong gas keluar, dan gas tersebut memberikan gaya reaksi yang sama besar, dengan mendorong roket air ke atas. Gaya dorong yang diberikan gas kepada roket air sama besar dengan gaya yang diberikan roket air kepada gas, hanya arahnya berlawanan. Roket air mendorong gas ke
4
bawah, gas mendorong roket air ke atas. Inilah yang disebut hukum aksi-reaksi / hukum III Newton . D. Komponen Roket Air
Roket air didesain untuk memenuhi kriteria tertentu, misalnya desain roket untuk mencapai ketinggian maksimum berbeda dengan desain roket untuk ketepatan target, oleh karena itu bentuk, ukuran dan jumlah komponen tiap desain roket air berbeda-beda. Pada umumnya bagian-bagian roket 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 juga menentukan kecepatan roket. Nose cone dibuat lancip agar mempunyai kecepatan yang maksimal karena ujung yang lancip dapat lebih mudah membelah udara.
2.
Body Dalam pembuatan roket air sering kali ruang kompresi roket dibuat sebagai body roket pula. kontur botol bekas air mineral kebanyakan mempunyai alur-alur yang dapat berpengaruh pada hambatan angin yang di terima roket. Selain itu, karena terpengaruh oleh tekanan udara di dalam ruang kompresi, kekuatan body menjadi berkurang setelah diluncurkan, sehingga tidak bisa dipakai berulang-ulang, jika dipaksakan berpotensi menimbulkan kecelakaan/ roket meledak.
3.
Fin (Sayap roket) Fin adalah bagian yang sangat penting dari sebuah roket. Fin berfungsi sebagai pengarah aliran udara dari ujung roket menuju belakang. Oleh karena itu fin berfungsi membuat gerakan roket lebih stabil. Seperti halnya nose cone, bentuk fin juga berpengaruh pada kestabilan. Kecepatan roket juga berpengaruh pada pemilihan bentuk fin. Lebar fin juga mempengaruhi luas penampang roket, makin lebar fin, makin lebar pula luas penampang roket. Makin lebar luas penampang roket makin mudah roket mengalirkan udara, tetapi juga makin besar hambatan udara yang diterima roket.
4.
Nozzle Nozzle adalah salah satu bagian penting dari sebuah roket karena nozzle juga menentukan besarnya thrust. Ukuran nozzle juga mempengaruhi kecepatan dan thrust duration. selain sebagai lubang keluarnya c ampuran air dan udara, nozzle juga berfungsi sebagai penghubung antara roket dengan Peluncur. Karena menghubungkan antara roket dengan Peluncur maka desain Peluncur, nozzle dan roket harus sesuai, karena itu bentuk nozzle menjadi beragam.
5
5.
Wings (sayap) Ukuran wings yang bagus adalah yang tidak terlalu lebar atau tidak terlalu sempit, karena dapat berpengaruh pada kestabilan roket saat meluncur. Fungsi dari wings adalah sebagai pengarah aliran udara dari ujung roket menuju belakang. Selain itu juga, sebagai penyeimbang ketika roket meluncur di udara agar tetap stabil.
6
BAB III PEMBAHASAN A. Prinsip kerja roket air
1. Dimasukkan air (fluida cair) secukupnya ke dalam badan roket air mela lui mulut botol (Untuk gaya dorong maksimum, volume air sepertiga volume botol). Air digunakan sebagai medium pendorong roket air (massa jenis air lebih besar dari pada massa jenis udara). 2. Setelah itu tutup nozzle roket. 3. Masukkan launch tube (pipa yang lurus pada launcher) kedalam roket lewat nozzle Launch tube roket air memiliki luas penampang yang jauh lebih kecil dibandingkan mulut botol. 4. Jepit nozzle dengan kable ties dan pipa paralon ½ inchi menutupi cable ties ( ini dilakukan agar mencegah roket meluncur terlalu cepat / belum pada waktunya). 5. Sambung pompa sepeda dengan pentil yang berada di launcher. 6. Sudut peluncuran roket diatur sedemikian rupa untuk menempuh jarak terjauh. 7. Dilakukan pemompaan yang bertujuan untuk memampatkan volume. Sifat fluida adalah menekan ke segala arah. maka ketika udara dipompakan ke dalam roket, air akan terdorong oleh tekanan udara didalam roket yang menekan ke se gala arah.
Gambar 1. Sketsa Roket Air
7
Sesuai dengan Hukum Tekanan (Pascal) : "bahwa Tekanan yang diberikan zat cair dalam ruang tertutup diteruskan ke segala arah dengan sama besar " Volume berbanding terbalik dengan tekanan. Semakin kecil volum semakin besar tekanan. (Semakin besar frekuensi pemompaan atau semakin banyak dipompa, semakin jauh jarak yang ditempuh roket, namun pemompaan yang berlebihan dapat merusak pompa itu sendiri dan juga merusak roket). P≈F
(1-1)
(P berbanding lurus dengan F) 8. Pada saat pemompaan dirasa cukup, tarik pipa ½ inchi ke bawah. Ini dilakukan agar cengkraman dari pipa ½ inchi terlepas dan cable ties melepas jepitan dan roket air pun dapat mengangkasa ke udara.
B. Hukum Fisika pada Roket Air
Saat peluncuran roket air, hukum-hukum fisika yang bekerja adalah sebagai berikut : 1. Hukum Tekanan Hidrostatis Untuk memperbesar gaya dorong pada roket air, maka dibutuhkan volume air yang cukup. Sehingga menyebabkan roket air melaju dengan dorongan yang kuat dari air. Sesuai dengan hukum Tekanan Hidrostatis : "Semakin besar massa jenisnya (ρ) maka semakin besar gaya dorong roket (FA)". FA = ρ . g . h
(1-2)
2. Hukum Pascal Sifat fluida adalah menekan kesegala arah. Maka ketikaudara dipompakan kedalam roket, air akan terdorong olehtekanan udara di dalam roket yang menekan ke segala. Sesuai dengan Hukum Pascal : "Semakin kecil luas penampang (A1), semakin besar gaya dorong yang dihasilkannya (F2)". P1 = P2
F1 = F2 A1
(1-3)
A2
3. Gerak Parabola Roket air akan meluncur dengan lintasan parabola. Hal ini disebabkan karena roket air diberikan sudut yang menentukan seberapa jauh jarak yang akan ditempuh roket air. Sehingga terjadinya pergerakan vertikal disertai pergerakan horizontal. Gerak parabola merupakan resultan perpindahan suatu benda yang serentak melakukan gerak lurus beraturan pada arah horizontal dan gerak lurus berubah beraturan pada arah vertikal.
8
Gambar 2. Grafik Gerak Parabola
Adapun persamaan gerak parabola adalah sebagai berikut : Tabel 1. Rumus Gerak parabola Komponen Gerak
Sumbu X (GLB)
Sumbu Y (GLBB)
Kecepatan awal
Vox = Vo cos θ
Voy = Vo sin θ
Kecepatan akhir
Vtx = Vox = Vo cos θ
Vty = Voy – gt Vty = Vo sin θ - gt
Ketinggian terhadap waktu
-
yt = Voy.t – 1/2gt2
Ketinggian maksimum
-
ymax = 1/2 (Voy/g)2
Waktu maksimum
-
tmax = Voy/g
Waktu total
-
ttotal = 2 Vo y/g
Jarak dalam waktu
Xt = Vo cos θ . t
-
Jarak maksimum
Xmax = Voy2/g . sin 2 θ
-
4. Momentum dan Impuls Hukum kekekalan momentum berlaku dimana semburan air menyebabkan roket bisa bergerak ke atas dengan kelajuan yang sangat tinggi. I = Δp
(1-4)
I = F. Δt
(1-5)
5. Hukum Newton III Hukum Newton III ini, terjadi saat peluncuran roket air, yang mana adanya gaya aksi dan reaksi disana. Saat roket mendapatkan sebuah dorongan dengan membakar bahan bakar dan membuang gas yang terbentuk lewat belakang, roket memberikan gaya pada gas buang, dam gas memberikan gaya yang sama dan berlawanan pada roket. Hal tersebut memberikan dorongan pada roket untuk meluncur. Faksi = - Freaksi
(1-6)
9
BAB IV PENUTUP A. Kesimpulan
Dari karya tulis ilmiah ini, dapat disimpulkan bahwa hukum-hukum fisika yang terdapat pada saat peluncuran roket air yaitu: 1. 2. 3. 4. 5.
Hukum tekanan hidrostatis Hukum pascal Gerak parabola Momentum dan impuls Hukum Newton III
Selain itu, jarak yang ditempuh saat peluncuran roket air tergantung pada sudut yang dibentuk saat peluncuran. Semakin besar sudut yang dibentuk maka semakin kecil jarak yang ditempuh dan semakin semakin besar nilai ketinggian yang dapat dicapai. Sebaliknya, semakin kecil sudut yang dibentuk maka semakin jauh jarak yang dapat ditempuh dan semakin kecil nilai ketinggian yang dapat dicapai. B. Saran
Penulis berharap setelah dibuatnya karya tulis ilmiah ini lebih meningkatkan kretivitas para siswa. Dengan dibuatnya karya tulis ilmiah ini semoga dapat memotivasi para guru untuk menerapkan alat peraga roket air dalam metode pembelajaran khususnya dalam mata pelajaran fisika yang akan diberikan. Hal ini bertujuan agar siswa dapat lebih memahami mengenai materi fisika. Selain itu dengan adanya karya tulis ilmiah ini menjadi kajian awal dalam menganalogikan suatu teknologi dengan alat dan bahan sederhana dan dapat menjadi salah satu media ajar dalam konsep hukum-hukum fisika.
10
DAFTAR PUSTAKA Kanginan, Marthen. 2006 Fisika XI-A. Jakarta: Penerbit Erlangga Kanginan, Marthen. 2006 Fisika XI-B. Jakarta: Penerbit Erlangga Yuki, Vanila. 2015. Makalah Pembuatan Roket Air. [online]. http://vanilayuki3.blogspot.co.id/2015/04/makalah-pembuatan-roket-air.html. Diakses pada tanggal 8 September 2016. Dentum. 2013. Makalah Roket Air. [online]. http://devitiyas.blogspot.co.id/2013/03/makalahroket-air.html. Diakses pada tanggal 8 September 2016. Amin, Muh. 2014. Laporan Praktikum Fisika Roket Air. [online]. http://aminmuh22.blogspot.co.id/2014/02/laporan-praktikum-fisika-roket-air.html. Diakses pada tanggal 8 September 2016. Ningsih, Yulia. 2012. Karya Tulis Ilmiah Roket Air. [online]. http://yulianingsih95.blogspot.co.id/2012/03/karya-tulis-ilmiah-roket-air.html. Diakses pada tanggal 8 September 2016. Muawanah, Khoirotul. 2014. Roket Air. http://muawanahfisikakuust.blogspot.co.id/2014/06/roket-air.html. Diakses pada tanggal 8 September 2016. Prasetyo, Chandra. 2012. Kajian Teori Fisika Untuk Roket Air 1. [online]. https://id.scribd.com/doc/98152189/Kajian-Teori-Fisika-Untuk-Roket-Air1. Diakses pada tanggal 8 September 2016 Wibowo, Sulistiyo. 2016. Prinsip Kerja Roket Air. [online]. http://pakgurufisika.blogspot.co.id/2016/01/prinsip-kerja-roket-air.html. Diakses pada tanggal 8 September 2016
4
5
