View
351
Download
3
Category
Preview:
Citation preview
APLIKASI SENSOR CAHAYA DAN BUNYI UNTUK MENENTUKAN
KOEFISIEN GESEK UDARA PADA BENDA JATUH BEBAS
Sabar Waspandi[1,3]
, Alamta Singarimbun [2].
[1]Program Studi Pengajaran Fisika FMIPA ITB
[2]. KK Fisika Kompleks FMIPA Institut Teknologi Bandung
[3]. MTs Muhammadiyah 1 Sukarame Bandar Lampung
e-mail: sabarwaspandi@students.itb.ac.id
Abstrak.
Instrumen sensor cahaya dan bunyi pada penelitian ini terdiri dari dua bagian. Bagian
mekanik berupa statif dengan tinggi 2 meter yang dilengkapi dengan dudukan tempat
penerima sensor on/off. Bagian elektronik terdiri LED infra merah sebagai pemancar
dan photo transistor sebagai penerima, Otaknya terletak pada IC 1455 diletakkan
pada trigger yang mampu memicu frekuensi 1000 Hz. Hasil pencacahan
besaran waktu ditampilkan melaui segment seven. Karakteristik instrumen sensor,
mampu mengukur waktu secara otomatis dengan skala terkecil 0,001 sekon dan
terbesar 9,999 sekon sehingga tepat mengukur waktu tanggap yang sangat
pendek.
Hasil penelitian menunjukkan bahwa, besarnya koefisien gesek udara (c)
bergantung pada bentuk benda uji, yakni; Silinder pendek (1,157), Silinder panjang
(0,795), Setengah bola (0,429), Bola (0,469) dan Limas (0,505). Besarnya
kesalahan relatif terhadap koefisien gesek udara pada literatur (εr) untuk masing-
masing benda uji: Silinder pendek (0,609%), Silinder panjang (3,119%), Setengah
bola (2,109%), Bola (0,2179%) dan Limas (0,990%). Kesimpulannya sensor
cahaya dapat diaplikasikan untuk menentukan besarnya koefisien gesek udara pada
jatuh bebas dengan akurasi yang baik.
Kata Kunci: Sensor cahaya dan bunyi, gesekan udara, gerak jatuh bebas
I Pendahuluan
Hal yang melatarbelakangi penelitian ini antara lain: selama ini pelaksanaan
percobaan tentang gerak benda jatuh bebas di SMA/MA hanya terbatas pada
kondisi ideal, artinya tidak memperhitungkan faktor gaya gesek udara.
Kenyataannya benda jatuh selalu mengalami gesekan udara, namun
memperhitungkan besarnya gaya gesek udara tidak cukup menggunakan peralatan
seperti stop watch yang dioperasikan secara manual dan tingkat ketelitian hanya
0,1 detik. Karena gerak jatuh bebas untuk ketinggian sekitar 2 meter (skala
laboratorium) memiliki rentang waktu yang pendek, akibatnya melakukan
percobaan gerak benda jatuh bebas yang riel dengan memperhitungkan koefisien
gesekan udara mengalami kendala, karena memerlukan peralatan yang otomatis
dan lebih teliti dari stop watch. Hingga saat ini peralatan tersebut belum tersedia
di laboratorium - laboratorium sekolah.
Oleh karena itu peneliti merasa perlu untuk merakit dan mengaplikasikan sensor
cahaya dan bunyi untuk menentukan koefisien gesekan udara pada benda jatuh
bebas, sehingga kendala pengajaran fisika topik gerak jatuh bebas dapat teratasi.
II. Teori Dasar
II.1 Gerak Jatuh Bebas
Benda jatuh bebas disekitar bumi dipengaruhi oleh dua gaya berlawanan arah
yaitu gaya tarik ke bawah oleh gravitasi bumi (W) dan gaya angkat ke atas oleh
tahanan udara (Fg). Resultan gaya pada benda ( F) diekspresikan dalam gambar
II. 1 sehingga diperoleh:
F = W – Fg (II. 1)
Gambar II. 1 Gaya yang bekerja pada benda jatuh bebas
Gesekan udara dapat diformulasikan melalui berbagai macam cara. Untuk benda
ringan dengan kecepatan terminal yang besar pendekatan yang lebih baik,
digunakan rumus II.2
2.vbFg (II. 2)
dengan b = tetapan dan v kecepatan benda jatuh
Resultan gaya adalah selisih antara gaya ke atas dan gaya ke bawah. Persamaan
(II.1) – (II.2) dapat dikombinasikan sebagai berikut:
2.. vbgmF (II. 3)
Sesuai hukum II Newton untuk benda yang bergerak bahwa F = m.a maka
rumus di atas dapat dituliskan menjadi:
2... vbgmam (II. 4)
2vm
bg
dt
dv
(II. 5)
Persamaan (II.5) adalah sebuah model yang menghubungkan percepatan benda
jatuh bebas dengan gaya yang bekerja padanya. Dengan menggunakan solusi
eksak untuk gerak jatuh bebas, jika yo= 0, vo = 0 saat t = 0, persamaan (II.6) dapat
diselesaikan menjadi persamaan berikut.
tm
bg
b
gmv tanh (II. 6)
Untuk bg
mt persamaan (II.6) menjadi :
b
gmv
(II. 7)
Sedangkan untuk hubungan antara ketinggian dan waktu diperoleh dengan
mengintegrasikan lebih lanjut persamaan (II.8) syaratnya yo = 0 saat t = 0 dan y
saat t maka,
tm
bg
b
my coshln (II. 8)
pada bg
mt persamaan posisi benda jatuh bebas menjadi :
2lnb
mt
b
mgy (II. 9)
Dengan membuat grafik hubungan y dengan t, dapat ditentukan besar tetapan
gesekan udara (b) pada benda jatuh bebas tersebut.
cAb2
1
(Symon, 1980) (II. 10)
Rumus tersebut dapat disusun kembali menjadi:
A
bc
.
2
(II. 10)
Dengan ρ = kerapatan udara dan A = Luas area yang dilalui benda (m2) maka
koefisien gesek udara (c) setiap benda jatuh bebas dapat ditentukan. Selanjutnya
hasil tersebut dapat digunakan untuk menghitung besarnya gaya gesek udara ke
persamaan (II. 3)
II.2 Komponen Elektronik
II.2.1 Resistor
Resistor (R) adalah suatu komponen elektronika yang memberikan hambatan
terhadap perpindahan elektron. Kemampuan resistor menghambat muatan
disebut resistensi, besarnya diekspresikan dalam satuan Ohm. Hubungan antara
hambatan, tegangan dan arus listrik dapat ditulis dalam persamaan matematika
sebagai berikut:
i
VR
(II. 12)
Dimana V adalah beda potensial antara kedua ujung benda penghambat; i adalah
besar arus yang melewati benda penghambat dan R adalah besarnya hambatan
benda penghambat tersebut. Berikut ini adalah gambar dan lambang resistor.
Gambar II. 2 Bentuk resistor dan Lambangnya
II.2.2 Kapasitor
Kapasitor adalah komponen elektronika yang dapat menyimpan muatan listrik
sementara, struktur dasar kapasitor terbuat dari 2 plat logam yang dipisahkan oleh
bahan dielektrik, bahan-bahan dielektrik umum yang telah dikenal misalnya;
udara, keramik, gelas dan lain-lain. Berikut ini disajikan berbagai macam
kapasitor dan salah satu lambangnya.
Gambar II. 3 Foto berbagai Kapasitor dan Lambang Kapasitor
II.2.3 Dioda
Dioda sebagai salah satu komponen aktif sangat popular digunakan dalam
rangkaian elektronika sebagai penyearah gelombang (Half Wave Rectifier),
penyearah gelombang penuh (Full Wafe Rectifier), rangkaian pemotong (Clipper),
rangkaian penjepit (Clamper) maupun pengganda tegangan (voltage Multiplier).
Di bawah ini merupakan gambar ilustrasi dioda positif negatif.
Displetion layer P N
Struktur Dioda Anoda Katoda
Gambar II. 4 Struktur Dioda dan Lambangnya
Gambar ilustrasi di atas menunjukkan sambungan PN dengan sedikit porsi kecil
yang disebut lapisan deplesi (depletion layer) dimana terdapat keseimbangan hole
dan elektron. Pada sisi P banyak terdapat hole-hole yan siap menerima elektron
sedangkan si sisi N banyak terdapat elektron-elektron yang siap untuk bebas.
II.2.4 LED
LED singkatan dari Light Emitting Dioda,merupakan komponen elektronika yang
dapat mengeluarkan cahaya. Berikut ini merupakan gambar dan lambang LED.
Gambar II. 5 Foto LED dan Simbol LED
Aplikasi LED pada penelitian ini sebagai indikator, pemancar inframerah dan
pembentuk susunan display yang besar, juga dikenal dengan segment seven yang
umum digunakan untuk menampilkan hasil pencatatan waktu otomatis.
II.2.6 Seven Segment
Seven segment merupakan peraga angka dari 0 sampai 9. Seven Segment ini
dibentuk oleh 7 buah segmen yang tersusun sedemikian rupa sehingga jika ada
beberapa segmen tertentu yang aktif maka akan membentuk sebuah angka. Jika
segment A, B, dan C hidup, maka angka yang akan ditampilkan adalah 7.
demikian seretusnya.
Gambar II. 6 Foto Seven Segment dan Struktur Segmen
II.2.5 Transistor
Transistor merupakan komponen elektronika aktif yang menggunakan aliran
elektron sebagai prinsip kerjanya di dalam bahan, sebuah transistor memiliki tiga
kaki yaitu; basis, emiter dan kolektor. Transistor terdiri atas dua jenis, yakni;
NPN dan PNP. Transistor memiliki dua sambungan; satu antara emitter dan basis,
dan yang lain kolektor dan basis.
Gambar II. 7 Foto Berbagai Transistor dan Lambang tansistor PNP PNP
III. Metode Penelitian
III.1 Studi Pustaka
Studi pustaka dilakukan di Perpustakaan FMIPA dan Perpustakan Umum Institut
Teknologi Bandung serta penulusaran berbagai jurnal ilmiah pada internet.
III. 2 Metode Eksperimen
Tahap pertama untuk metode eksperimen dilakukan pengujian instrumen sensor
hasil rakitan, selanjutnya dilakukan penyempurnaan alat sehingga dapat berfungsi
dengan baik.
Tahapan inti yaitu dengan pengambilan data yang meliputi pengukuran waktu
jatuhnya benda dari ketinggian maksimum dan variasi percobaan lainnya.
Setelah data lengkap tahap berikutnya mengolah data dan melakukan analisis,
hasilnya dibandingkan dengan percobaan sejenis yang telah baku dari referensi.
Langkah terakhir menarik kesimpulan. Gambar III. 1 berikut menampilkan
urutan metodologi penelitian.
Metodologi Penelitian
Studi Pustaka
Perpus ITB searching
DESAIn
Ujicoba Alat
Experimen
Pengambilan
Data
Kesimpulan
Gambar III. 1 Metodologi Penelitian Proyek Akhir
III.3 Desain Alat Sensor Cahaya pada Percobaan benda Jatuh Bebas
Secara garis besar terdiri dari dua, yakni: desian bagian elektronik dan mekanik.
Berikut ini adalah diagram blok dari rancangan alat tersebut.
Mekanik Elektronik
Penjatuh Benda
Trigger
Acuan 1 Sensor On
Rangkaian Timer Display
Relay Pemancar/
Penerima Counter
Acuan 2 Sensor Off Catu Daya
Gambar III. 2 Diagram Blok Alat Sensor Cahaya dan Bunyi
IV. Hasil dan Pembahasan
IV. 1 Data Dimensi Benda Uji
Bahan Benda Uji terbuat dari Stereoform dibuat dengan berbagai bentuk dan
diukur dimensinya, hasilnya disajikan dalam tabel IV4.1 berikut:
Tabel IV. 1. Pengukuran Dimensi Benda Uji
No Bentuk Pengukuran ( mm)
Massa
(gr)
Dimensi 1 2 3 4 5 Rerata
1
Silinder pendek
Tinggi 8.8 8.8 8.8 8.8 8.8 8.8 0.2
Diameter 4.320 4.305 4.465 4.330 4.405 4.365
2 Silinder panjang Tinggi 45.75 45.75 45.30 44.75 46.10 45.53
0.2 Diameter 47.25 47.75 48.00 48.00 47.35 47.67
3 Setengah bola Diameter 45.50 45.50 46.30 46.00 45.50 45.76 0.2
4 Bola Diameter 46.25 45.60 46.50 46.60 46.45 46.28 0.2
5
Limas
Sisi 48.80 49.25 48.95 48.60 49.05 48.93 0.2
Tinggi 50.30 52.00 52.00 50.75 50.25 51.06
IV. 1.1 Hasil Penentuan Koefisien Gesek Udara Berbagai Benda Uji
Hasil penentuan koefisien gesek udara (c) dengan persamaan II.10 berbagai benda
uji yang dijatuhkan mulai dari 0,5 meter sampai 2 meter dan suhu ruangan saat
itu kurang lebih 20oC diperlihatkan pada tabel IV.2
Tabel IV. 2. Koefisien gesek udara berbagai benda uji
No Nama Benda c
1 Silender pendek 1.15
2 Silinder panjang 0.795196
3 Setengah bola 0.429048
4 Bola 0.468982
5 Limas 0.505001
Pembahasan
Dari tabel tersebut diperoleh informasi bahwa bentuk benda yang terbuat dari
bahan sama dan massanya sama memiliki koefisien gesek berbeda, koefisien
gesek udara terkecil 0,429048 yaitu pada benda uji setengah bola, selanjutnya
untuk bola memiliki koefisien gesek udara 0,46893. Limas koefisien geseknya
berada pada urutan ke tiga (0,505001). Peringkat ke empat koefisien gesek udara
pada percobaan ini adalah silinder panjang (0,795196), sedangkan koefisien gesek
terbesar 1,15 dimiliki oleh benda uji silinder pendek. Jadi bentuk benda
berpengaruh terhadap koefisien gesek udara.
Selanjutnya hasil penentuan koeifisien gesek udara berbagai benda uji dari
percobaan tersebut akan dibandingkan dengan koefisien gesek udara dari
referensi. Hasilnya ditampilkan dalam tabel berikut:
Tabel IV. 2. Perbandingan koefisien gesek udara antara praktek dan literatur
No Nama Benda Praktek Literatur Error relatif
1 silender pendek 1.1570 1.15 0.60917
2 Silinder panjang 0.795196 0.82 3.119231
3 Setengah bola 0.429048 0.42 2.108923
4 Bola 0.468982 0.47 0.217149
5 limas 0.505001 0.5 0.990236
Dari tabel IV.4 Koefisien gesek udara berbagai benda uji hasil praktikum dan
koefisien gesekan udara dengan literatur (lampiran 1) ternyata memperlihatkan
perbedaan, perbedaan hasil koefisien gesek udara dari praktek dan dari literatur
dikenal dengan error atau kesalahan, besarnya kesalahan relatif dapat ditentukan
sebagai berikut :
%1000
10 xc
cc
Keterangan :
ε= Kesalahan relatif
c0= Koefisien gesek udara dari literatur
c1= Koefisien gesek udara dari percobaan
Sebagai sampel diambil pada benda uji silinder pendek dihitung dengan rumus
tersebut dan diperoleh kesalahan relatif sebesar:
%60917,0
%10015,1
1570,115,1x
Hasil Perhitungan kesalahan relatif selengkapnya untuk masing-masing benda uji
disajikan dalam tabel kolom 5.
Untuk melihat perbandingan error antara penentuan koefisien udara dari
percobaan dan literatur lebih jelas lagi hasilnya disajikan dalam diagram batang
berikut ini:
PERBANDINGAN HASIL
PerbandinganHasil praktek dan Literatur
Gambar IV. 1 Grafik Perbandingan Error Koefisien udara berbagai bentuk benda
uji antara praktikum dan literatur
Dari grafik tersebut tampak bahwa besarnya koefisien gesekan benda uji dengan
massa yang sama, terbuat dari bahan yang sama dan dijatuhkan dari ketinggian
yang sama hasilnya berbeda-beda bergantung bentuk benda ujinya. Hal ini
menunjukkan koefisien gesek udara bergantung bentuk benda uji.
IV.4 Diskusi
Mengapa terdapat perbedaan hasil koefisien gesek udara antara antara Eksperimen
dan koefisien gesek udara dari referensi. Dalam kasus benda jatuh bebas di atas
penyebab perbedaan hasil atau error adalah karena bentuk benda uji yang tidak
sempurna, ketidak sempurnaan itu dapat dimaklumi karena pembuatan benda uji
menggunakan tangan sehingga besaran-besaran fisis yang terukur tidak begitu
presisi, baik panjang, lebar maupun massanya.
Kekurangsempurnaan pembuatan bentuk benda uji tersebut menyebabkan selang
waktu yang lebih besar dibanding referensi yang ada, sehingga diperoleh beda
waktu yang kecil dengan referensi.
Selain itu pembuatan benda uji dengan tangan menyebabkan juga titik massa yang
tidak begeser dari yang semestinya, sehingga jatuhnya benda kadang-kadang tidak
lurus vertikal, ini berakibat jarak tempuh benda uji menjadi tidak selalu sama.
Jika benda uji dibuat oleh pabrik atau orang ahli, kesalahan mutlak dapat
diminimalkan.
Kelemahan yang ada dalam percobaan ini :
- Beban benda/obyek uji masih kurang ringan
- Bentuk benda kurang seimbang baik ukuran maupun konstruksi
- Sensor bunyi tidak mampu mendeteksi bunyi yang terlalu lemah
- Lintasan yang ditempuh benda jatuh kadang tidak tepat lurus
- Benda uji kadang oleng ketika ketinggian 2 meter
- Bentuk benda uji buatan sendiri permukaannya masih kasar
Bab V Kesimpulan dan Saran
V.1 Kesimpulan
Berdasarkan hasil penelitian dan analisis data yang telah diuraikan pada Bab IV,
maka dapat disimpulkan sebagai berikut:
1. Besarnya koefisien gesek praktek (c) dan koefisien gesek udara literatur
cl untuk masing-masing benda uji adalah sebagai berikut: silinder
pendek (1,157) literatur 1,15 , silinder panjang (0,795), literatur 0,85 ,
setengah bola (0,429), literatur 0,42l bola (0,469), literatur 0,47 dan
limas (0,99), literatur 0,5l
2. Kesalahan relatif masing-masing benda: Silinder pendek (0,609%),
Silinder panjang (3,119%), Setengah bola (2,109%), Bola (0,217%), dan
Limas (0,990%)
V.2 Saran-saran
1. Agar diperoleh kesalahan yang sekecil-kecilnya pembuatan benda uji
sebaiknya dikerjakan lebih cermat dan teliti, sehingga lintasan jatuhnya
benda uji tidak melenceng dari garis lurus
2. Untuk hasil yang terbaik suhu ruangan di set pada kisaran 20 derajat,
sehingga koefisien geseknya mendekati hasil dari referensi.
3. Bagi sekolah-sekolah yang ingin meningkatkan kualitas pengajaran topik
gerak jatuh bebas yang melibatkan gesekan udara dapat mereproduksi
sensor sejenis.
4. Bagi para peneliti lanjutan dari topik ini dapat menggunakan benda uji lain
yang belum berhasil dengan baik (tingkat kesalahan diatas 57%) seperti
bentuk benda uji setengah streamline, streamline, kubus dan limas
bersudut.
DAFTAR PUSTAKA
Emhadelima. (2008). Penggunaan Skala Counter untuk Menentukan kecepatan
Awal Peluru Pada Gerak Parabola. (Proyek Akhir). ITB. Bandung
Giancoli, Douglas C. ( 1998 ). Physics. 5th
Edition. Prentice-Hall,Inc.
Kirkup,L.(1994). Eksperimental Methods : an Introduction to the
Analysisis Presentation of Data. Jhon Wiley & Sons.
Masiran, P., Basuki dan B. Purwadi. (1992). Sistem Pencatat Suhu Dengan
Komputer. Jurnal Jurusan Fisika. Vol. 3 No. 9 UGM. Jogjakarta.
http://alldatasheets/mc1455timer, (diakses 11 Februari 2009)
http://en.wikipedia.org/wiki/Drag_coefficient, (diakses 18 Februari 2009)
http://en.wikipedia.org/wiki/sensor, (diakses 2 Mei 2009)
Sears and Zemansky. (1990). University Physcis. 7th
Edition. Addison-
Wesley Publishing Company, Inc.
Pramono Hadiyono., Rohedi Yunus Ali dan Yudoyona Gatut. (2008). Fabrikasi
Directional Coupler Serat Optik Multimode. Jurnal Fisika dan Aplikasinya.
Jurusan Fisika FMIPA ITS. Vol. 4 no. 2 Surabaya
Riyanto Yatim. (2001). Metodologi Penelitian Pendidikan. Penerbit SIC
Surabaya
Sulcoski, John W. (1966). Experiments in Physics. Minneapolis. Burgess
Publishing Company.
Symon, Keith R. (1980). Mechanics 3th
Edition. Addison-Wesley
Publising Company
Soloman Sabrie. (1998). Sensors Handbook. Printed and bound by R.r
Donnelly & Sons Company.
Sutrisno. (1987). Elektronika Teori dan Penerapannya. Jilid 2. Penerbit
Institut Teknologi Bandung. Bandung.
Waspandi sabar. (2009). Aplikasi Sensor Cahaya dan Bunyi untuk Menentukan
Koefisien Gesek Udara pada Benda Jatuh bebas. (Proyek Akhir). ITB
Lampiran. Koefisien Benda Jatuh Bebas Berbagai Bentuk Benda Uji
Sumber: http://en.wikipedia.org/wiki/Drag_coefficient
DAFTAR ISI
Halaman Judul ..............................................................................................................1
Abstrak. .....................................................................................................................1
I Pendahuluan ..........................................................................................................1
II. Teori Dasar ........................................................................................................2
II.1 Gerak Jatuh Bebas ....................................................................................... 2
II.2 Komponen Elektronik ................................................................................. 4
III. Metode Penelitian........................................................................................ 6
III.3 Desain Alat Sensor Cahaya pada Percobaan benda Jatuh Bebas ............... 7
IV. Hasil dan Pembahasan ......................................................................................8
IV.4 Diskusi ..................................................................................................... 11
Bab V Kesimpulan dan Saran ...............................................................................11
V.1 Kesimpulan................................................................................................ 11
V.2 Saran-saran ................................................................................................ 12
DAFTAR PUSTAKA ............................................................................................12
Lampiran Ukuran Koefisien Benda Jatuh Bebas Berbagai Bentuk Benda Uji ..14
Recommended