CARA KERJA ROKET
BAB I
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Perkembangan teknologi sekarang ini semakin
berkembang sangat pesat, salah satunya teknologi roket yang saat ini terus
berkembang. Roket adalah sejenis sistem propulsi yang
membawa bahan bakar dan oksigennya sendiri. Dorongan
pada roket merupakan penerapan yang menarik dari hukum III Newton dan
Hukum kekekalan
momentum yaitu dengan memancarkan aliran massa hasil pembakaran propelan. Roket
memiliki tangki yang berisi bahan bakar hodrogen cair dan oksigen cair. Bahan
bakar tersebut dibakar dalam ruang pembakaran sehingga menghasilkan gas lalu
dibuang melalui mulut pipa yang terletak dibelakang roket. Akibatnya terjadi
perubahan momentum pada gas selama selang waktu tertentu. Jika ditinjau dari hukum ketiga Newton tersebut ketika suatu
benda mengerjakan gaya pada benda lain, maka benda yang dikerjakan gaya akan
mengerjakan gaya pada benda yang mengerjakan gaya padanya, gaya ini disebut gaya
aksi-reaksi yang besarnya sama, namun arahnya berlawanan, dan juga impuls dan
momentum, dikatakan bahwa gaya eksternal yang bekerja pada suatu benda atau
sistem akan mengakibatkan laju perubahan momentum benda tersebut. Menurut Kanginan (2007 : 171), “Dalam peristiwa
tumbukan (tabrakan), momentum total suatu sistem sesaat sebelum tumbukan sama
dengan momentum total sistem sesudah tumbukan, asalkan tidak ada gaya luar yang
bekerja pada sistem.
Roket adalah sebuah contoh dari sekian banyak
peralatan yang dipergunakan penerapan hukum kekekalan momentum, bagaimana gerak
roket dapat menggunakan hukum kekekalan momentum dalam geraknya. Gerak roket
dapat membantu memahami konsep hukum kekekalan momentum. Untuk mengetahui hal
ini lebih jauh, maka perlu dilakukan suatu kajian tentang gerak roket ini yang
sering dijumpai pada materi pembahasan bidang studi Fisika khususnya dalam
bidang Mekanika.
Dalam membahas tentang gerak roket ini yang menggunakan
prinsip hukum kekekalan momentum, maka penulis tertarik untuk mengangkat
penulisan makalah Fisika yang berjudul : Prinsip Kerja Roket.
1.2. Rumusan Masalah
Adapun yang menjadi masalah didalam makalah ini
adalah bagaimana 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 prinsip kerja roket dan hukum
kekekalan momentum
1.5. Manfaat
Adapun manfaat dari penulisan makalah ini adalah
a. Bagi Peneliti, sebagai bahan pelengkap mata
kuliah seminar fisika
b. Bagi Mahasiswa atau Pembaca dapat menjadi salah
satu bahan bacaan 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 = mv
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 A
adalah gaya yang yang diberikan benda B kepada benda A. Tanda
negatif menunjukkan bahwa arah gaya reaksi tersebut berlawanan dengan gaya aksi
yang anda berikan.
Persamaan Hukum III
Newton di atas juga bisa kita tulis sebagai berikut :
Faksi = -Freaksi
Gaya aksi dan reaksi
adalah gaya kontak yang terjadi ketika kedua benda bersentuhan. Walaupun
demikian, Hukum III Newton juga berlaku
untuk gaya tak sentuh.
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). (lihat Gambar 2.1)
Gambar
2.1. Bagian Roket
Keterangan gambar :
Ø 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
Ø Combustion chumber, berfungsi sebagai tempat
terjadinya pencampuran antara udara yang telah dikompresi dengan bahan bakar
yang masuk.
Ø Combustion liners; terdapat didalam combustionn
chamber yang berfungsi sebagai tempat berlangsungnya pembakaran.
Ø Fuel nozzle, berfungsi sebagai tempat masuknya
bahan bakar kedalam combustion liner
Ø Lynitors (spark plug), berfungsi untuk
memercikkan bunga api kedalam combustions chamber sehingga campuran bahan bakar
dan udara dapat terbakar.
Ø Transitions fieces, berfungsi untuk mengarahkan
dan membentuk aliran gas panas agar sesuai dengan ukuran nozzle.
Ø 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
Menurut Sutrisno (1986 : 158), “Gerak roket
merupakan pemakaian yang menarik dari hukum-hukum Newton. Roket mengeluarkan pancaran gas panas dari
ekornya, ini adalah gaya aksi pada gas oleh roket. Pancaran gas panas melakukan
gaya pada roket dan menggerakkannya, ini adalah reaksi. Kedua gaya ini adalah
gaya dalam untuk sistem yang terdiri atas roket dan gas. Dari segi momentum,
gas panas mendapat momentum ke arah belakang dan roket mendapat momentum dalam
jumlah yang sama ke arah depan.
Cara kerja sebuah roket adalah berdasarkan kekekalan
momentum. Momentum sebuah roket di tanah adalah sama dengan nol. Ketika bahan
bakar dibakar, gas panas ditembakkan ke bawah dan badan roket naik untuk
menyeimbangkan momentum totalnya sehingga tetap bernilai nol. Yang membuat roket meluncur tanah semburan
sebagian masssanya ke arah belakang. Gaya ke depan pada roket itu tidak lain
ialah reaksi terhadap gaya mundur pada bahan yang menyembur itu, dan makin
banyak bahan yang menyembur maka makin banyak berkurangnya massa roket.
.
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 :
V’
|
Gambar
3.1. Roket Meluncur
Pada gambar diatas (a)
menyatakan roket pada saat t ketika massanya m dan kecepatannya v ke atas.
Sedangkan pada gambar (b), menyatakan roket pada waktu t + dt, dimana kecepatan
roket bertambah menjadi v + dv.
Misalkan μ menyatakan massa yang
dipancarkan persatuan waktu, maka massa bahan yang dipancarkan μ dt, sehingga massa m dan
dalam waktu dt menjadi m- μ dt.
Jika Vr
kecepatan roket relatif terhadap bahan bakar yang dipancarkan dan kecepatan
bahan bakar yang dipancarkan adalah V’ (relatif terhadap bumi),
maka: v’=v-vr................................(1)
Satu-satunya gaya yang
bekerja pada roket adalah berat m.g
dengan memilih arah keatas positif, impuls gaya ini dalam waktu dt adalah –mg
dt yang sama dengan perubahan momentum.
Karena momentum
mula-mula m.v momentum akhir adalah
(m- μ
dt) (v + dv) dan momentum
bahan yang dipancarkan v’ μ dt, maka:
-mg dt=[(m- μ dt) (v+dv) + v’ μ
dt]- mv
.............................(2)
Dengan
mensubsitusi v’ dari persamaan (1) dan mengabaikan besaran yang relatif kecil μ dt dv, maka didapatkan :
m
dv = vr μ dt – mg dt
karena
dm= - μ dt , maka
dv
= - vr - g dt
setelah
diintegralkan diperoleh:
v=
-vr ln m – gt +
C
dengan c adalah konstanta yang dicari dari
syarat batas. Misalnya m0 dan v0 adalah massa dan kecepatan pada waktu t=0,
maka
v0= -vr ln m0 + C atau C= v0 + vr ln m0
dengan demikian
v = v0-gt + vr ln ....................................(3)
dari persamaan 3 dapat disimpulkan untuk
memperoleh kecepatan v yang tinggi, kecepatan relatif vr dan perbandingan massa
harus besar.
BAB IV
KESIMPULAN
5.1. Kesimpulan
Prinsip kerja propulsi roket merupakan penerapan dari
hukum ketiga Newton dan kekekalan momentum. Sebuah roket mendapatkan sebuah
dorongan dengan membakar bahan bakar dan membuang gas yang lewat belakang
sehingga gaya dorong dari gas ersebut menyebabkan roket terdorong dan meluncur
ke atas. Besarnya gaya dorong yang dikerjakan gas terhadap tempat peluncuran
sama besar dengan gaya dorong gas terhadap roket namun arahnya yang berlawanan
hal ini sesuai dengan hukum Newton III.
5.2. Saran
Semoga dengan adanya koloqium ini menjadi kajian awal
dalam menganalogikan suatu teknologi dengan alat dan bahan sederhana dan dapat
menjadi salah satu media ajar dalam konsep momentum dan impuls
DAFTAR PUSTAKA
Halliday dan Resnick. 1991. Fisika Jilid I (Terjemahan). Jakarta : Penerbit Erlangga.
Tipler, P.A.1998. Fisika untuk Sains dan Teknik–Jilid I (terjemahan), Jakarta :
Penebit Erlangga.
Supiyanto. 2005. Fisika SMA XI . Jakarta : Penebit Erlangga.
http://www.sman1ptk.sch.id/pembelajaran_interaktif/fisika/implus_dan_momentum/materi
diakses pada 28 Desember 2011 pukul 23.11
http://ms.wikipedia.org/wiki/Momentum.
diakses pada 29 Desember 2011 pukul 09.49
Tidak ada komentar:
Posting Komentar