PRINSIP 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 :

F_aksi = -F_reaksi

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 V_r kecepatan roket relatif terhadap bahan bakar yang dipancarkan dan kecepatan bahan bakar yang dipancarkan adalah V^’ (relatif terhadap bumi),                                                                    

maka: v’=v-v_r................................(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 = v_r μ dt – mg dt

karena dm= - μ dt , maka

dv = - v_r   -  g dt

setelah diintegralkan diperoleh:

v= -v_r  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= -v_r ln m₀ + C atau  C= v₀ + v_r ln m₀

dengan demikian

v = v₀-gt + v_r ln   ....................................(3)

dari persamaan 3 dapat disimpulkan untuk memperoleh kecepatan v yang tinggi, kecepatan relatif v_r 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

Giancoli, Douglas C.2001. Fisika Jilid I (terjemahan). Jakarta : Penerbit Erlangga.

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