Fisika

  • 1,887 views
Uploaded on

 

More in: Education
  • Full Name Full Name Comment goes here.
    Are you sure you want to
    Your message goes here
    Be the first to comment
    Be the first to like this
No Downloads

Views

Total Views
1,887
On Slideshare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
0

Actions

Shares
Downloads
62
Comments
0
Likes
0

Embeds 0

No embeds

Report content

Flagged as inappropriate Flag as inappropriate
Flag as inappropriate

Select your reason for flagging this presentation as inappropriate.

Cancel
    No notes for slide

Transcript

  • 1. FISIKA PRINSIP KERJA ROKET D I S U S U N OLEH : CINDY PICAULY PRAMESWARY XI IPA 1SMA MUHAMMADIYAH 1 PALEMBANG 2012/2013
  • 2. Menurut Sutrisno (1986 : 158), “Gerak roket merupakan pemakaian yangmenarik dari hukum-hukum Newton. Roket mengeluarkan pancaran gaspanas dari ekornya, ini adalah gaya aksi pada gas oleh roket. Pancaran gaspanas melakukan gaya pada roket dan menggerakkannya, ini adalah reaksi.Kedua gaya ini adalah gaya dalam untuk sistem yang terdiri atas roket dangas. Dari segi momentum, gas panas mendapat momentum ke arah belakangdan roket mendapat momentum dalam jumlah yang sama ke arah depan. Cara kerja sebuah roket adalah berdasarkan kekekalan momentum. Momentumsebuah roket di tanah adalah sama dengan nol. Ketika bahan bakar dibakar, gaspanas ditembakkan ke bawah dan badan roket naik untuk menyeimbangkanmomentum totalnya sehingga tetap bernilai nol. Yang membuat roket meluncurtanah semburan sebagian masssanya ke arah belakang. Gaya ke depan pada roket itutidak lain ialah reaksi terhadap gaya mundur pada bahan yang menyembur itu, danmakin banyak bahan yang menyembur maka makin banyak berkurangnya massa roket. Latar Belakang Momentum adalah hasil kali sebuah benda dengan kecepatan benda itu padasuatu saat. Impuls merupakan hasil kali gaya dengan waktu yang ditempuhnya.Untuk mengetahui dan lebih memahami mengenai impuls dan momentum, kita dapatmelihat bagaimana cara kerja prinsip roket. Roket merupakan wahana luar angkasa, peluru kendali, atau kendaraanterbang yang mendapatkan dorongan melalui reaksi roket terhadap keluarnya secaracepat bahan fluida dari keluaran mesin roket. Aksi dari keluaran dalam ruang bakardan nozle pengembang, mampu membuat gas mengalir dengan kecepatan hipersoniksehingga menimbulkan dorongan reaktif yang besar untuk roket. Dorongan roket dan jet merupakan penerapan yang menarik dari hukum IIINewton dan Kekekalan momentum. Roket memiliki tangki yang berisi bahan bakarhodrogen cair dan oksigen cair. Bahan bakar tersebut dibakar dalam ruangpembakaran sehingga menghasilkan gas lalu dibuang melalui mulut pipa yang terletakdibelakang roket. Akibatnya terjadi perubahan momentum pada gas selama selangwaktu tertentu. Roket Roket merupakan wahana luar angkasa, peluru kendali, atau kendaraanterbang yang mendapatkan dorongan melalui reaksi roket terhadap keluarnya secaracepat bahan fluida dari keluaran mesin roket. Aksi dari keluaran dalam ruang bakar
  • 3. dan nozle pengembang, mampu membuat gas mengalir dengan kecepatan hipersoniksehingga menimbulkan dorongan reaktif yang besar untuk roket. Pada awal perkembangannya, roket digerakan dari hasil pembakaran bahanbakar minyak, gas dan oksigen cair. Setelah bahan bakar roket dinyalakan, pancarangas yang keluar dari roket akan menimbulkan ledakan beruntun kebawah sehinggamendorong roket ke atas dan roket dapat melaju ke udara. Roket terbang dengankecepatan supersonik, yaitu sekitar 300 m/s. Bahan bakar roket ada dua jenis yaitu bahan bakar cair dan bahan bakarpadat. Prinsip kerja dari roket berbahan bakar cair dan padat sama saja, di manahasil pembakaran menghasilkan gaya dorong ke atas. Tetapi roket yang berbahanbakar padat mempunyai kelebihan yaitu mampu menyimpan bahan bakar denganjumlah besar untuk ruang penyimpanan yang sama, karena bahan bakarnya telahdipadatkan. Sedangkan bahan bakar cair tidak bisa dimampatkan. Hukum Newton III Pergerakan Roket sesuai dengan hukum Newton ke 3, yang berisi;Apabila sebuah benda memberikan gaya kepada benda lain, maka benda keduamemberikan gaya kepada benda yang pertama. Kedua gaya tersebut memiliki besaryang 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 FB ke A adalah gaya yang yang diberikan benda B kepada benda A. Misalnya ketika andamenendang sebuah batu, maka gaya yang anda berikan adalah F A ke B, dan gaya inibekerja pada batu. Gaya yang diberikan oleh batu kepada kaki anda adalah – F B ke A.Tanda negatif menunjukkan bahwa arah gaya reaksi tersebut berlawanan dengangaya aksi yang anda berikan. Jika anda menggambar tanda panah yang melambangkaninteraksi kedua gaya ini, maka gaya F A ke B digambar pada batu, sedangkan gaya yangdiberikan batu kepada kaki anda, – F B ke A, digambarkan pada kaki anda.Persamaan Hukum III Newton di atas juga bisa kita tulis sebagai berikut :Faksi = -Freaksi Hukum warisan Newton ini dikenal dengan julukan hukum aksi-reaksi. Adaaksi maka ada reaksi, yang besarnya sama dan berlawanan arah. Kadang-kadangkedua gaya tersebut disebut pasangan aksi-reaksi. Ingat bahwa kedua gaya tersebut(gaya aksi-gaya reaksi) bekerja pada benda yang berbeda. Berbeda dengan Hukum INewton dan Hukum II Newton yang menjelaskan gaya yang bekerja pada benda yangsama.
  • 4. Gaya aksi dan reaksi adalah gaya kontak yang terjadi ketika kedua bendabersentuhan. Walaupun demikian, Hukum III Newton juga berlaku untuk gaya taksentuh, seperti gaya gravitasi yang menarik buah mangga kesayangan anda. Ketikakita menjatuhkan batu, misalnya, antara bumi dan batu saling dipercepat satudengan lain. batu bergerak menuju ke permukaan bumi, bumi juga bergerak menujubatu. Gaya total yang bekerja pada bumi dan batu besarnya sama. Bumi bergerak kearah batu yang jatuh karena massa bumi sangat besar maka percepatan yang dialamibumi sangat kecil (Ingat hubungan antara massa dan percepatan pada persamaanhukum II Newton). Walaupun secara makroskopis tidak tampak, tetapi bumi jugabergerak menuju batu atau benda yang jatuh akibat gravitasi. Bumi menarik batu,batu juga membalas gaya tarik bumi, di mana besar gaya tersebut sama namunarahnya berlawanan. Bagian-Bagian Roket Komponen utama roket terdiri dari empat bagian yaitu; rangka (structuresistem), Beban (payload system), sistem pemandu (guidance system) dan sistempropulsi (propultion system).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.
  • 5. 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 semuacombustion chamber. Kita tentu sering mendengar kiprah tentang penluncuran roket untukberbagai kepentingan. Baik untuk meluncurkan satelit untuk tujuan damai maupununtuk tujuan perang. Sekarang ini kita akan mempelajari bagian-bagian roket yang mampumenghantarkan satelit ke ruang angkasa ini. Komponen utama roket terdiri dari empat bagian yaitu; rangka (structuresistem), Beban (payload system), sistem pemandu (guidance system) dan sistempropulsi (propultion system). Rangka Rangka atau badan roket (rocket frame) terbuat dari bahan yang ringan dankuat seperti titanium dan aluanium, karena rangka berfungsi sebagai pelindung .Badan roket ini juga dilapisi dengan lapisan kusus untuk melindungi nya dari panasyang berlebihan saat menembus atmosfir bumi dan juga untuk melindungi dari dinginyang berlebihan. Sirip di pasang pada bagian bawah roket untuk menjaga stabilitasselama peluncuran. Sistem Beban Sistem beban merupakan tempat untuk membawa wahana. Jadi sistem initergantung pada misi yang di emban roket. Jika untuk mengorbitkan satelit, makarancangannya pun harus disesuaikan. Sistem Pemandu Sistem pemandu (guidance system) merupakan alat yang akan menuntun roketke orbit yang di tuju. Sistem pemandu roket ini dilengkapi dengan sensor, komputer,radar, dan alat komonikasi.
  • 6. Sistem Populasi Sistem propulsi (propultion system) adalah mesin yang digunakan sebagaitenaga pendorong rodet. Sistem propulsi roket secara garis besar menggunakanroket berbahan bakar padat dan roket berbahan bakar cair. sistem propulsi roketV2 terdiri dari tangki oksidasi, pompa, bilik pembakaran dan nozel. Cara Kerja Roket Dorongan roket dan jet merupakan penerapan yang menarik dari hukum IIINewton dan Kekekalan momentum. Roket memiliki tangki yang berisi bahan bakarhodrogen cair dan oksigen cair. Bahan bakar tersebut dibakar dalam ruangpembakaran sehingga menghasilkan gas lalu dibuang melalui mulut pipa yang terletakdibelakang roket. Akibatnya terjadi perubahan momentum pada gas selama selangwaktu tertentu. Berdasarkan hukum II Newton, perubahan momentum selamasuatu selang waktu tertentu = gaya total. Jadi bisa dikatakan bahwa terdapat gayatotal pada gas yang disemburkan roket ke belakang. Gaya total tersebut merupakangaya aksi yang diberikan oleh roket kepada gas, di mana arahnya ke bawah. Sebagaitanggapan, gas memberikan gaya reaksi kepada roket, di mana besar gaya reaksi =gaya aksi, hanya arahnya berlawanan. Gaya reaksi yang diberikan oleh gas tersebutyang mendorong roket ke atas. Roket bergerak bukan karena tekanan semburan gasnya mendorong udara,karena di luar angkasa tidak ada udara. Prinsip yang digunakan hukum kekekalanmomentum. Dengan massa gas yang disemburkan dengan kecepatan tertentu,menyebabkan roket mendapatkan gerak majunya. Percobaan sederhananyadilakukan dengan oleh astronot dengan sarung tangan karet (bersfungsi samadengan balon) yang dipasangi sedotan minuman berperang seperti roket. Tekananudara yang keluar dari sarung tangan karet yang semula ditiup memberi efekdorongan. Roket bergerak karena adanya semburan propelan. Pada roket air,semburan propelan digantikan dengan campuran air dan udara bertekanan tertentu. Prinsip Dorongan Roket Suatu penerapan hukum fisika yang begitu hebat, adalah roket, yang didasariatas hukum ketiga Newton, dan penerapan impuls dan momentum. Dengan semuahal diatas roket dapat bergerak melawan gravitasi bumi. Dari hukum ketiga Newton, bahwa ketika suatu benda mengerjakan gaya padabenda lain, maka benda yang dikerjakan gaya akan mengerjakan gaya pada bendayang mengerjakan gaya padanya, gaya ini disebut gaya aksi-reaksi yang besarnya sama,namun arahnya berkebalikan, dan juga impuls dan momentum, dikatakan bahwa gayaeksterna yang bekerja pada suatu benda atau sistem akan mengakibatkan lajuperubahan momentum benda tersebut. Dari hal tersebut kita akan menurunkanpersamaan untuk gaya dorong yang mengakibatkan roket dapat melawan gravitasi.
  • 7. Asumsikan ketika t=0, roket diam sehingga massa roket ditambah massa bahanbakar adalah m, setelah ∆t, roket telah membakar sebesar ∆m bahan bakar sehinggakecepatan roket bertambah sebesar ∆v dan ∆v akan terus bertambah besarterhadap t dan gas hasil pembakaran memiliki kecepatan keluar sebesar -u konstan.sehingga untuk roket (momentum roket)P1=0P2= (m-∆m)∆vmakaF-(m-∆m)g=(m-∆m)∆v/∆t........(1)untuk gas yang keluar dari roket dengan massa ∆m (momentum gas)P1=0P2=-(∆m)umaka-(F+(∆m)g)=-(∆m)u/∆tF=((∆m)u/∆t)-((∆m)g)untuk lim ∆t →0, maka ∆m→0 juga, maka suku (∆m)g bisa kita abaikan terhadapsuku lainnya, sehingga persamaan diatas menjadiF=(u)(dm/dt)........(2)dengan dm/dt adalah laju pembakaran bahan bakar dan persamaan diatasmerupakan persamaan gaya dorong roketsekarang lihat persamaan 1F-(m-∆m)g=(m-∆m)∆v/∆tF-(m-∆m)g=(m∆v/∆t)-(∆m∆v/∆t)untuk lim ∆t →0, maka ∆m→0 juga dan ∆v→0 juga, maka suku (∆m∆v/∆t) dan(∆m)g bisa kita abaikan terhadap suku lainnya, sehingga persamaan diatas menjadiF-mg=(m.dv/dt)(u)(dm/dt)-mg=(m.dv/dt)(u)(dm/dt(m))-g=(dv/dt)sehingga untuk mendapatkan kecepatan roket ketika t maka kita integralkanpersamaan diatas dari t=o sampai t dan dari m sampai m saat t∫(u)(dm/(m))-∫g.dt= ∫ (dv)(u)ln(mawal/makhir)-gt=vt.....(3)
  • 8. Persamaan 3 merupakan persamaan untuk kecepatan roket ketika waktu tdengan syarat V0=0 dan tawal=0 Jika kita mengasumsikan V0≠0 dan tawal≠0, maka persamaan 3 akan menjadi(u)ln(mawal/makhir)-(gt2-gt1)=vt-v0.....(4) Inilah persamaan umum untuk kecepatan roket dengan syarat u haruslahharga mutlak, karena saat awal kita sudah memasukkan u negatif, maka pada rumusumum, u harus harga mutlak. Sebuah roket mendapatkan dorongan dengan membakar bahan bakar danmembuang gas yang terbentuk lewat belakang. Roket mengerjakan gaya pada gasbuang, dan dari hukum ketiga Newton, gas mengerjakan gaya yang sama danberlawanan pada roket, mendorongnya ke depan. Momentum yang hilang karena gasyang dikeluarkan sama dengan momentum yang yang diperoleh roket. Roketmendorong melawan gas buangannya sendiri, yang mendorong kembali melawan rokettersebut.Persamaan Roket : m.dv/dt = ukeluar |dm/dt| + Feksbesaran ukeluar |dm/dt| dinamakan dorongan roket : Fdorongan = ukeluar |dm/dt| Ketika roket bergerak didekat permukaan bumi, gaya eksternal Feks adalahberat roket. Dalam persamaan Roket, gaya ini negative karena gaya ini langsungberlawanan dengan arah kecepatan, seandainya roket bergerak ke atas. Jadi,dorongan harus lebih besar dibandingkan berat roket jika roket harus dipercepat keatas. Setelah kita mensubstitusi Fkeluar = -mg dan membagi dengan m, makapersamaannya menjadi : dv/dt = -g + ukeluar/ m |dm/dt| Untuk memecah persamaan diatas guna memperoleh kecepatan v, maka harusmengetahui kelajuan pembuangan relatif terhadap roket uex dan laju pembakaranbahan bakar roket |dm/dt|. Pemecahan persamaan ini rumit karena m tidakkonstan, tetapi merupakan fungsi waktu. Dengan demikian persamaan di atasmenjadi : dv = -gdt - ukeluar dm/m dengan menganggap bahwa g konstan dan mengintegrasi dari t=0 sampai t=tbketika bahan bakar terbakar sempurna, kita dapatkan : vf – vi = -gtb - ukeluar In mi/mf
  • 9. Dalam persamaan di atas kita telah menggunakan ∫(dm/m) = In m. Denganmenggunakan –In mf/mi = In (mi/mf), kita mendapatkan : vf – vi = + ukeluar In mi/mf -gtb persamaan di atas menyatakan perubahan kecepatan roket yang bergerakdalam medan gravitasi yang konstan yang dinyatakan dalam kelajuan pembuangan,waktu untuk membakar bahan bakar tb, dan rasio massa awal terhadap massa akhir.Untuk roket yang bergerak dalam ruang bebas tanpa gaya eksternal, perubahankecepatan diberikan oleh : vf – vi = + ukeluar In mi/mf (tanpa gaya eksternal) massa roket tanpa bahan bakar sama sekali dinamakan berat roketkosong(payload). Jika berat kosong hanya 10 persen dari massa awal total, artinya, 90persen massa awal adalah bahan bakar, rasio mi/mf ketika bahan bakar habis adalah10. Untuk roket yang bergerak dengan vi = 0 dan tanpa gaya eksternal, kelajuan akhirakan sama dengan : vf = ukeluar In 10 = 2,3 ukeluarKesimpulan Prinsip kerja propulsi roket merupakan penerapan dari hukum ketigaNewton dan kekekalan momentum. Sebuah roket mendapatkan sebuah dorongandengan membakar bahan bakar dan membuang gas yang lewat belakang sehingga gayadorong dari gas ersebut menyebabkan roket terdorong dan meluncur ke atas.Besarnya gaya dorong yang dikerjakan gas terhadap tempat peluncuran sama besardengan gaya dorong gas terhadap roket namun arahnya yang berlawanan hal inisesuai dengan hukum Newton III.