1. FISIKA
PRINSIP KERJA ROKET
D
I
S
U
S
U
N
OLEH :
CINDY PICAULY PRAMESWARY
XI IPA 1
SMA MUHAMMADIYAH 1 PALEMBANG
2012/2013

2. 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.
Latar Belakang
Momentum adalah hasil kali sebuah benda dengan kecepatan benda itu pada
suatu saat. Impuls merupakan hasil kali gaya dengan waktu yang ditempuhnya.
Untuk mengetahui dan lebih memahami mengenai impuls dan momentum, kita dapat
melihat bagaimana cara kerja prinsip roket.
Roket merupakan wahana luar angkasa, peluru kendali, atau kendaraan
terbang yang mendapatkan dorongan melalui reaksi roket terhadap keluarnya secara
cepat bahan fluida dari keluaran mesin roket. Aksi dari keluaran dalam ruang bakar
dan nozle pengembang, mampu membuat gas mengalir dengan kecepatan hipersonik
sehingga menimbulkan dorongan reaktif yang besar untuk roket.
Dorongan roket dan jet merupakan penerapan yang menarik dari hukum III
Newton dan Kekekalan momentum. 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.
Roket
Roket merupakan wahana luar angkasa, peluru kendali, atau kendaraan
terbang yang mendapatkan dorongan melalui reaksi roket terhadap keluarnya secara
cepat bahan fluida dari keluaran mesin roket. Aksi dari keluaran dalam ruang bakar

3. dan nozle pengembang, mampu membuat gas mengalir dengan kecepatan hipersonik
sehingga menimbulkan dorongan reaktif yang besar untuk 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. 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 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. Misalnya ketika anda
menendang sebuah batu, maka gaya yang anda berikan adalah F A ke B, dan gaya ini
bekerja pada batu. Gaya yang diberikan oleh batu kepada kaki anda adalah – F B ke A.
Tanda negatif menunjukkan bahwa arah gaya reaksi tersebut berlawanan dengan
gaya aksi yang anda berikan. Jika anda menggambar tanda panah yang melambangkan
interaksi kedua gaya ini, maka gaya F A ke B digambar pada batu, sedangkan gaya yang
diberikan 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. Ada
aksi maka ada reaksi, yang besarnya sama dan berlawanan arah. Kadang-kadang
kedua gaya tersebut disebut pasangan aksi-reaksi. Ingat bahwa kedua gaya tersebut
(gaya aksi-gaya reaksi) bekerja pada benda yang berbeda. Berbeda dengan Hukum I
Newton dan Hukum II Newton yang menjelaskan gaya yang bekerja pada benda yang
sama.

4. Gaya aksi dan reaksi adalah gaya kontak yang terjadi ketika kedua benda
bersentuhan. Walaupun demikian, Hukum III Newton juga berlaku untuk gaya tak
sentuh, seperti gaya gravitasi yang menarik buah mangga kesayangan anda. Ketika
kita menjatuhkan batu, misalnya, antara bumi dan batu saling dipercepat satu
dengan lain. batu bergerak menuju ke permukaan bumi, bumi juga bergerak menuju
batu. Gaya total yang bekerja pada bumi dan batu besarnya sama. Bumi bergerak ke
arah batu yang jatuh karena massa bumi sangat besar maka percepatan yang dialami
bumi sangat kecil (Ingat hubungan antara massa dan percepatan pada persamaan
hukum II Newton). Walaupun secara makroskopis tidak tampak, tetapi bumi juga
bergerak menuju batu atau benda yang jatuh akibat gravitasi. Bumi menarik batu,
batu juga membalas gaya tarik bumi, di mana besar gaya tersebut sama namun
arahnya berlawanan.
Bagian-Bagian Roket
Komponen utama roket terdiri dari empat bagian yaitu; rangka (structure
sistem), Beban (payload system), sistem pemandu (guidance system) dan sistem
propulsi (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 semua
combustion chamber.
Kita tentu sering mendengar kiprah tentang penluncuran roket untuk
berbagai kepentingan. Baik untuk meluncurkan satelit untuk tujuan damai maupun
untuk tujuan perang.
Sekarang ini kita akan mempelajari bagian-bagian roket yang mampu
menghantarkan satelit ke ruang angkasa ini.
Komponen utama roket terdiri dari empat bagian yaitu; rangka (structure
sistem), Beban (payload system), sistem pemandu (guidance system) dan sistem
propulsi (propultion system).
Rangka
Rangka atau badan roket (rocket frame) terbuat dari bahan yang ringan dan
kuat seperti titanium dan aluanium, karena rangka berfungsi sebagai pelindung .
Badan roket ini juga dilapisi dengan lapisan kusus untuk melindungi nya dari panas
yang berlebihan saat menembus atmosfir bumi dan juga untuk melindungi dari dingin
yang berlebihan. Sirip di pasang pada bagian bawah roket untuk menjaga stabilitas
selama peluncuran.
Sistem Beban
Sistem beban merupakan tempat untuk membawa wahana. Jadi sistem ini
tergantung pada misi yang di emban roket. Jika untuk mengorbitkan satelit, maka
rancangannya pun harus disesuaikan.
Sistem Pemandu
Sistem pemandu (guidance system) merupakan alat yang akan menuntun roket
ke 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 sebagai
tenaga pendorong rodet. Sistem propulsi roket secara garis besar menggunakan
roket berbahan bakar padat dan roket berbahan bakar cair. sistem propulsi roket
V2 terdiri dari tangki oksidasi, pompa, bilik pembakaran dan nozel.
Cara Kerja Roket
Dorongan roket dan jet merupakan penerapan yang menarik dari hukum III
Newton dan Kekekalan momentum. 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. Berdasarkan hukum II Newton, perubahan momentum selama
suatu selang waktu tertentu = gaya total. Jadi bisa dikatakan bahwa terdapat gaya
total pada gas yang disemburkan roket ke belakang. Gaya total tersebut merupakan
gaya aksi yang diberikan oleh roket kepada gas, di mana arahnya ke bawah. Sebagai
tanggapan, gas memberikan gaya reaksi kepada roket, di mana besar gaya reaksi =
gaya aksi, hanya arahnya berlawanan. Gaya reaksi yang diberikan oleh gas tersebut
yang mendorong roket ke atas.
Roket bergerak bukan karena tekanan semburan gasnya mendorong udara,
karena di luar angkasa tidak ada udara. Prinsip yang digunakan hukum kekekalan
momentum. Dengan massa gas yang disemburkan dengan kecepatan tertentu,
menyebabkan roket mendapatkan gerak majunya. Percobaan sederhananya
dilakukan dengan oleh astronot dengan sarung tangan karet (bersfungsi sama
dengan balon) yang dipasangi sedotan minuman berperang seperti roket. Tekanan
udara yang keluar dari sarung tangan karet yang semula ditiup memberi efek
dorongan. 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 didasari
atas hukum ketiga Newton, dan penerapan impuls dan momentum. Dengan semua
hal diatas roket dapat bergerak melawan gravitasi bumi.
Dari hukum ketiga Newton, bahwa 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 berkebalikan, dan juga impuls dan momentum, dikatakan bahwa gaya
eksterna yang bekerja pada suatu benda atau sistem akan mengakibatkan laju
perubahan momentum benda tersebut. Dari hal tersebut kita akan menurunkan
persamaan untuk gaya dorong yang mengakibatkan roket dapat melawan gravitasi.

7. Asumsikan ketika t=0, roket diam sehingga massa roket ditambah massa bahan
bakar adalah m, setelah ∆t, roket telah membakar sebesar ∆m bahan bakar sehingga
kecepatan roket bertambah sebesar ∆v dan ∆v akan terus bertambah besar
terhadap t dan gas hasil pembakaran memiliki kecepatan keluar sebesar -u konstan.
sehingga untuk roket (momentum roket)
P1=0
P2= (m-∆m)∆v
maka
F-(m-∆m)g=(m-∆m)∆v/∆t........(1)
untuk gas yang keluar dari roket dengan massa ∆m (momentum gas)
P1=0
P2=-(∆m)u
maka
-(F+(∆m)g)=-(∆m)u/∆t
F=((∆m)u/∆t)-((∆m)g)
untuk lim ∆t →0, maka ∆m→0 juga, maka suku (∆m)g bisa kita abaikan terhadap
suku lainnya, sehingga persamaan diatas menjadi
F=(u)(dm/dt)........(2)
dengan dm/dt adalah laju pembakaran bahan bakar dan persamaan diatas
merupakan persamaan gaya dorong roket
sekarang lihat persamaan 1
F-(m-∆m)g=(m-∆m)∆v/∆t
F-(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 menjadi
F-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 integralkan
persamaan 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 t
dengan 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 haruslah
harga mutlak, karena saat awal kita sudah memasukkan u negatif, maka pada rumus
umum, u harus harga mutlak.
Sebuah roket mendapatkan dorongan dengan membakar bahan bakar dan
membuang gas yang terbentuk lewat belakang. Roket mengerjakan gaya pada gas
buang, dan dari hukum ketiga Newton, gas mengerjakan gaya yang sama dan
berlawanan pada roket, mendorongnya ke depan. Momentum yang hilang karena gas
yang dikeluarkan sama dengan momentum yang yang diperoleh roket. Roket
mendorong melawan gas buangannya sendiri, yang mendorong kembali melawan roket
tersebut.
Persamaan Roket :
m.dv/dt = ukeluar |dm/dt| + Feks
besaran ukeluar |dm/dt| dinamakan dorongan roket :
Fdorongan = ukeluar |dm/dt|
Ketika roket bergerak didekat permukaan bumi, gaya eksternal Feks adalah
berat roket. Dalam persamaan Roket, gaya ini negative karena gaya ini langsung
berlawanan dengan arah kecepatan, seandainya roket bergerak ke atas. Jadi,
dorongan harus lebih besar dibandingkan berat roket jika roket harus dipercepat ke
atas. Setelah kita mensubstitusi Fkeluar = -mg dan membagi dengan m, maka
persamaannya menjadi :
dv/dt = -g + ukeluar/ m |dm/dt|
Untuk memecah persamaan diatas guna memperoleh kecepatan v, maka harus
mengetahui kelajuan pembuangan relatif terhadap roket uex dan laju pembakaran
bahan bakar roket |dm/dt|. Pemecahan persamaan ini rumit karena m tidak
konstan, tetapi merupakan fungsi waktu. Dengan demikian persamaan di atas
menjadi :
dv = -gdt - ukeluar dm/m
dengan menganggap bahwa g konstan dan mengintegrasi dari t=0 sampai t=tb
ketika 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. Dengan
menggunakan –In mf/mi = In (mi/mf), kita mendapatkan :
vf – vi = + ukeluar In mi/mf -gtb
persamaan di atas menyatakan perubahan kecepatan roket yang bergerak
dalam 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, perubahan
kecepatan diberikan oleh :
vf – vi = + ukeluar In mi/mf (tanpa gaya eksternal)
massa roket tanpa bahan bakar sama sekali dinamakan berat roket
kosong(payload). Jika berat kosong hanya 10 persen dari massa awal total, artinya, 90
persen massa awal adalah bahan bakar, rasio mi/mf ketika bahan bakar habis adalah
10. Untuk roket yang bergerak dengan vi = 0 dan tanpa gaya eksternal, kelajuan akhir
akan sama dengan :
vf = ukeluar In 10 = 2,3 ukeluar
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.