RESEARCH BASED LEARNING PELONTAR MOBIL MAINAN
LAPORAN PENELITIAN
Diajukan sebagai salah satu syarat kelulusan mata kuliah Fisika Dasar pada semester I tahun akademik 2009-2010
Oleh Zagalo Nanda M Husna Effida Z Tri Wahyu N Iis Rodiah Walidul Husain Bhima Alldila K R
16009021 16009081 16009126 16009151 16009341 16009366
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG BANDUNG 2009
BAB I PENDAHULUAN
1.1
Latar Belakang dan Rumusan Masalah
1.1.1 Latar belakang
Suatu pelontar yang disusun sedemikian rupa sehingga akan menumbuk mobil agar bisa melewati lintasan lingkaran dan berhenti di tempat yang telah ditentukan.
1.1.2 Rumusan masalah
Berdasarkan latar belakang di atas, rumusan masalah yang penulis ajukan adalah bagaimana membuat suatu sistem pelontar mobil yang akan melontarkannya melewati lintasan lingkaran dan berhenti pada tempat yang ditentukan dengan menggunakan konsep mekanika.
1.2
Tujuan Penulisan
Tujuan yang hendak dicapai melalui penulisan laporan dan penelitian yang dilakukan penulis adalah untuk dapat membuat sistem pelontar atau meriam yang dapat melontarkan mobil dengan konsep mekanika dan untuk memahami konsep usaha dan energi.
BAB II TEORI DASAR KERJA DAN USAHA
2.1
Gerak Melingkar
Sebuah benda yang bergerak dengan lintasan lingkaran dengan laju konstan
υ,
dikatakan mengalami gerak melingkari beraturan. Besar kecepatannya adalah konstan, namun arah kecepatan harus tetap berubah ketika bergerak dalam lintasan lingkaran tersebut. Bila benda tersebut bergerak dengan laju konstan
υ
dan radius
lintasannya , maka benda itu mengalami percepatan yang arahnya menuju pusat lingkaran (percepatan sentripetal) dan besarnya adalah Menurut hukum Newton kedua (
.
), sebuah benda yang mengalami
percepatan pasti memiliki gaya total yang bekerja padanya. Untuk memberikan percepatan sentripetal pada gerak melingkari, pasti dibutuhkan sebuah gaya total. Besar gaya yang dimaksud dapat dihitung dengan persamaan
Karena arah
menuju pusat lingkaran, maka arah gaya total juga menuju pusat
lingkaran.
2.2
Energi Kinetik
Setiap benda yang sedang bergerak memiliki kemampuan untuk melakukan kerja da n tentu saja dapat dikatakan memiliki energi. Energi gerak ini disebut energi kinetik. Dengan besar energi kinetik dinyatakan oleh
Sedangkan besar kerja yang dilakukan benda adalah
Persamaan di atas dapat dinyatakan dalam kata-kata
“Kerja total yang dilakukan pada sebuah benda sama dengan perubahan energi kinetiknya.”
2.3
Energi Potensial
Sebuah benda tidak hanya memiliki energi yang kita anggap sebagai sifat dari geraknya. Tetapi benda juga mempunyai energi potensial, yaitu energi yang berhubungan dengan posisi atau konfigurasi benda tersebut terhadap lingkungannya. Di sini akan diuraikan dua jenis energi potensial, energi potensial gravitasi dan energi potensial pegas.
2.3.1 Energi Potensial Gravitasi
Pada saat sebuah benda jatuh ke tanah, maka bumi akan mengerjakan gaya pada benda tersebut sebesar
. Tentu saja gerak tersebut juga menciptakan energi
kinetik. Namun, ketika benda itu masih berada di atas tanah, dan ditahan untuk tidak jatuh, maka benda itu mempunyai ‘potensial’ untuk melakukan kerja berupa perubahan energi kinetik. Ketika penahan itu dilepas, maka energi potensial itu akan berubah menjadi energi kinetik. Energi potensial oleh gaya gravitasi dinamakan energi potensial gravitasi. Besar energi tersebut bergantung pada gaya gravitasi yang
bekerja dan jaraknya dari permukaan bumi. Maka besar energi potensial gravitasi
dapat dituliskan sebagai
Sedangkan kerja yang dilakukan oleh gravitasi itu sendiri dapat dirumuskan sebagai )
2.3.2 Energi Potensial Pegas
Sebagaimana gravitasi, pegas juga mempunyai energi potensial. Ketika pegas ditarik atau ditekan sepanjang
, maka ketika dilepaskan, energi potensial pegas akan
menjadi kerja. Bila kita letakkan bola di depan pegas ketika sedang ditekan, maka ketika pegas dilepaskan, energi potensial pegas diubah menjadi energi kinetik pada bola. Energi pegas sendiri tergantung pada gaya yang kita berikan agar pegas berubah
panjangnya ( konstan
) dan pada perubahan panjang pegas
(tergantung pada
Karena gaya
tidak
), maka kita ambil rata-rata nilainya yakni
. Jadi kerja yang dilakukan pegas adalah
energi potensial pegas dirumuskan
2.4
. Tentu saja
.
Energi Mekanik dan Kekekalannya
Gaya dapat dibedakan menjadi 2, gaya konservatif dan nonkonservatif. Kerja yang dilakukan gaya konservatif tidak bergantung pada lintasannya, tetapi pada posisi awal dan posisi akhir. Contohnya energi potensial gravitasi, dibutuhkan kerja yang
sama (
) untuk mengangkat benda secara vertikal langsung atau melalui bidang
miring tertentu. Sedangkan kerja yang dilakukan gaya nonkonservatif bergantung pada lintasannya. Contohnya gaya gesekan. Bila pada suatu sistem hanya bekerja gaya-gaya konservatif, maka energi mekanik sistem tersebut konstan. Energi mekanik didefinisikan jumlah dari energi kinetik dan energi potensial yang bekerja pada suatu sistem. Dapat ditulis
atau
BAB III ANALISIS RANGKAIAN PELONTAR MOBIL MAINAN
3.1 Deskripsi sistem
Nama dari pelontar ini adalah pelontar “ITB” (Indonesia Tetap Berkarya). Sistem yang penulis gunakan berupa bandul berupa palu dan diberi karet sebagai ‘ketapel’. Alasan penulis menggunakan bandul dan ketapel, selain alasan butuh energi yang besar untuk melontarkan mobil, juga untuk mempertahankan kestabilan sistem saat menumbuk. Sistem terdiri dari : a. Palu besi b. Karet pentil c. Pipa d. Kawat ILUSTRASI DARI SISTEM PELONTAR MOBIL
Tampak depan
ILUSTRASI LINTASAN YANG HARUS DITEMPUH MOBIL
Massa mobil = 36.65 g Massa palu = 203 g Konstanta karet = 20 Nm
-2
3.2 Tinjauan Teori 3.2.1 Kerja yang Dikerjakan pada Mobil
Untuk menghitung berapa kerja yang harus dikerjakan pelontar ke mobil, kita hitung dulu kecepatan awal yang dibutuhkan mobil. Untuk lintasan lingkaran, maka kita cari kecepatan minimal di titik tertinggi lintasan. Untuk lintasan lingkaran, persamaan yang memenuhi hukum kedua Newton adalah
Gaya yang bekerja pada sumbu-y sistem adalah gaya normal ( ) dan gaya berat
(
), sedangkan gaya gesekan diabaikan. Maka dapat ditulis
Syarat
minimal
agar
mobil
dapat
berputar
adalah
,
sehingga
Sedangkan kecepatan di titik terbawah lintasan lingkaran dihitung dengan menggunakan hukum kekekalan energi mekanik.
Untuk kecepatan awal di titik mulai, maka kita hitung dengan memperhitungkan energi akibat gaya gesek. Diperkirakan lintasan tersebut mempunyai koefisien gesek
kinetik
.
Maka energi kinetik aw l yang dibutuhkan mobil adalah
3.2.2 Kerja oleh Pelon ar
Sekarang kita tinjau bawa pelontar memberikan kerja ke mobil. Pada saat palu ditarik, maka diagramnya seperti ini Tinjau segitiga sama kaki ABC dengan AB = AC dan
. Kita
peroleh
Bila dilihat dari atas, ternyata BC adalah tinggi segitiga BDE yang di bentuk akibat karet yang ditarik. Mak , pertambahan panjang karet dihitung dari
Kerja oleh energi potensial pegas ialah
1 2
Bila CD diganti ½ dari panjang karet mula-mula dan AB jarak antara karet dan titik
pusat rotasi
. Maka total
adalah jumlah dari tiga
masing karet. Untuk masing-masing karet,
,
masingdan
.
Untuk energi potensial gravitasi, tinjau diagram berikut
Ketinggian yang dicapai setelah palu ditarik, adalah selisih antara ketinggian awal dari permukaan dan ketinggian akhir a khir dari permukaan.
Dengan R adalah jarak ujung palu dengan titik pusat rotasi. Sehingga kerja oleh energi potensial gravitasi dihitung dengan
Maka total kerja yang dilakukan pelontar >>Kerja oleh Pegas
Pegas 1
-----------------------------------------------------------------------------------------
Pegas 2
-----------------------------------------------------------------------------------------
Pegas 3
>> Kerja oleh gravitasi
3.2.3 Transfer Energi Pelontar-Mobil Dengan mengabaikan energi yang hilang akibat tumbukan mobil-palu, kita gunakan hukum kekekalan energi untuk menghitung sudut tarik minimal agar mobil bisa melalui lintasan lingkaran.
Dengan bantuan komputer, kita dapatkan besar
minimal adalah 0.2366 rad atau
o
13,56
3.3 Hasil Percobaan
Percobaan ke-
Sudut ( )
Hasil
1
16.6
Masuk zona 2
2
17.2
Masuk zona 3
3
17.8
Masuk zona 3
4
18.4
Masuk zona 3
5
19.1
Masuk zona 3
3.4 Analisis dan Pembahasan
Sistem yang penulis buat ini mengandung beberapa isu kelemahan antara lain
a) Isu kestabilan. Alat ini akan menumbuk tepat lurus ke ara h mobil, bila tarikan ke belakang juga lurus dari mobilnya. Dalam beberapa percobaan penulis terkendali masalah ini, sehingga mobil meloncat keluar lintasan atau lintasan ikut terdorong bersama mobil. b) Isu posisi tertumbuknya mobil. Dalam beberapa percobaan, penulis melihat adanya perbedaan bila posisi mulai mobil tepat berada di bawah tiang penyangga dan bila mobil diletakkan beberapa centimeter di depannya. Terlihat kerja yang lebih besar dilakukan bila mobil diletakkan di depan tiang. Hal ini terjadi karena palu penumbuk itu sendiri agak maju ke depan. Jadi pada saat mobil diletakkan tepat di bawah tiang, vektor gaya yang diberikan palu mempunyai dua arah, ke depan dan ke bawah. Hal inilah yang mengurangi gaya ke depan oleh palu. c) Isu karet pentil. Semakin banyak digunakan, sifat pegas karet akan melemah. Dan pada suatu saat karet akan putus. Hal ini dialami oleh karet yang terbawah karena karet tersebut mengalami perubahan panjang paling besar. Agar mobil berhenti mencapai zona yang ditentukan yakni lebih dari 50 cm di depan lintasan lingkaran, diperlukan perhitungan yang cermat. Karena alat ini sensitif dengan perubahan sudut yang kecil sekalipun. Bila terlampau besar akan mendorong mobil lebih jauh dari sasaran, dan bila terlampau kecil, mobil tidak akan berhasil melintasi lintasan lingkaran. Dari percobaan yang penulis lakukan, mobil akan mencapai batas akhir zona 2 apabila sudutnya
dan lebih besar dari itu akan
masuk zona 3. Hal ini sesuai dengan perhitungan sudut minimal agar mobil bisa melewati lintasan lingkaran yakni
.
BAB IV SIMPULAN Dapat dibuat suatu sistem rangkaian pelontar mobil yang berasal dari gaya pegas yang dikonversi menjadi gaya pendorong mobil mainan Sesuai dengan hukum kekekalan energi dan analisis dinamika gerak melingkari beraturan, maka kita akan mendapatkan energi yang besar bila, sudut tarikan pegas juga besar. Namun, hal ini perlu diatur agar mobil tidak keluar dari sasaran. Berdasarkan teori, penulis menemukan sudut tarik minimal agar mobil melewati lintasan lingkaran adalah
. Sedangkan dari percobaan, sudut agar mobil sampai pada zona 2 adalah .
DAFTAR PUSTAKA
1. Halliday, David dan Resnick, Robert dan Walker, Jearl. 2005. th
Fundamental of Physics 7 ed . California: John Wiley & Sons, Inc.
2. Giancoli, Douglas C., 2001, Fisika Jilid I (terjemahan), Jakarta: Penerbit Erlangga
LAMPIRAN I
DAFTAR HARGA BAHAN Kawat 3 Meter
Rp
9000
Pipa 1 Meter
Rp
6000
Palu
Rp 15000
Papan Kayu
Rp 10000
Penggaris Besi 2 Buah
Rp
5000
Karet
Rp
4000
Paku
Rp
1000
Total
Rp 50000
LAMPIRAN II
KONTRIBUSI ANGG TA KELOMPOK Pembuatan Sistem
Penyediaan Logistik
Tri Wahyu Nugro o
Walidul Husain
Zagalo Nanda M
Husna Effida Zanat
Bhima Alldila K
Pembuatan Laporan
Husna Effida Zan th
Zagalo Nanda M
Iis Rodiah
Iis Rodiah
Walidul Husain Pengambilan Sample Percobaan
Bhima Alldila K Walidul Husain
Finishing Alat ata
Iis Rodiah Tri Wahyu Nugroho
