Kestabilan Roket Air

Roket air yang stabil secara aerodinamis akan meluncur dengan bagian nose cone terlebih dahulu membentuk lintasan peluru dan kemudian mendarat dengan mulus. Peluncuran roket air yang stabil secara sederhana ditunjukkan oleh Gambar berikut

Gambar Lintasan Roket yang Stabil

Pada Gambar lintasan di atas, lintasan parabola tidak simetris atau asimetris dikarenakan adanya gesekan udara sehingga roket jatuh agak curam. Akan tetapi, jika gesekan udara yang dialami roket diabaikan (Sangat kecil), maka lintasan yang terbentuk berupa lintasan parabola secara utuh. 

Pada roket air yang tidak stabil secara aerodinamis, roket akan terpontang-panting di udara dan kemudian jatuh, walaupun awal peluncuran juga dengan bagian nose cone terlebih dahulu. Roket air yang meluncur dengan tidak stabil tidak akan membentuk lintasan berupa parabola. Hal tersebut ditunjukkan gambar berikut.

Gambar Lintasan Roket Air yang Tidak Stabil

Untuk membuat roket air yang dapat meluncur dengan stabil di udara, perlu diperhatikan hal-hal seperti berikut ini:

1. Mendesain Roket dengan Baik

Ketika air tersembur keluar dari dalam body roket, roket akan terdorong ke depan atau meluncur. Percepatan roket (a) akan berkurang karena roket mendorong terpaan angin dalam peluncurannya. Gaya roket ini dinamakan Aerodynamic drag. Drag akan sangat berpengaruh ketika benda bergerak di udara dengan cepat, sehingga perlu mendesain roket air dengan drag yang rendah. 

Pada dasarnya roket air terdiri dari nose cone, body, dan fins. Dalam pembuatannya, perlu diperhatikan hal-hal sebagai berikut: 

A. Pada bagian nose cone 

1. Berbentuk kerucut, karena ujung kerucut dapat lebih mudah membelah udara.
2. Diberi pemberat misalnya bola tenis atau plastisin agar roket dapat meluncur dan mendarat dengan baik. 

B. Pada bagian body 

1. Struktur body dibuat sehalus mungkin karena body yang halus akan memperkecil gesekan udara pada roket. 
2. Berdasarkan volume roket, roket yang ramping dan panjang cenderung memiliki hambatan yang rendah daripada roket yang besar dan pendek. 

C. Pada fins 

1. Dibuat tipis dan ringan. 
2. Tidak memasang fins seperti pada berikut:

Gambar Pemasangan Fins yang Salah

2.Menaksir Titik Pusat Massa dan Titik Pusat Tekanan 

Roket air menghabiskan sebagian besar peluncurannya di udara tanpa air di dalamnya. Untuk menemukan titik pusat massa roket air, sebelum dilakukan peluncuran (pada saat roket air masih kosong), seutas tali ikatkan pada body roket kemudian pindahkan titik suspensi sepanjang roket sampai ditemukan titik keseimbangan. Semakin titik keseimbangan tersebut mendekati nose cone, semakin besar kemungkinan roket air stabil dalam peluncuran. Penaksiran pusat massa dapat ditunjukkan pada gambar berikut.

Gambar Penaksiran Pusat Massa

Selain pusat massa, juga terdapat titik keseimbangan gaya aerodinamis. Titik tersebut dinamakan Pusat tekanan. Untuk menentukan letak titik pusat tekanan ternyata tidak mudah seperti menentukan titik pusat massa karena tidak ada eksperimen untuk menentukan pusat tekanan. Akan tetapi, ada dua metode matematika untuk menaksir titik pusat tekanan secara akurat, yaitu metode penampang atau cross-section dan persamaan Barrowman. Nah, di dalam tulisan ini akan menggunakan metode penampang.

Gambar Metode Penampang

Metode penampang dilakukan dengan cara membuat ‘siluet’ atau bayangan dari roket yang siap diluncurkan dari nose cone sampai dengan nozzle pada kertas seperti Gambar di atas. Pusat dari luas penampanglah yang dibuat menjadi pusat tekanan dari roket air.

Setelah menemukan pusat tekanan, kemudian pada kertas diberikan tanda di mana titik pusat massa berada. Setelah mendapatkan hasilnya, dapat dianalisis kestabilan roket air di udara dengan memerhatikan posisi titik pusat massa dan titik pusat tekanan.

Roket air yang stabil memiliki titik pusat massa yang letaknya lebih dekat dari bagian nose cone dari pada titik pusat tekanan. Hal tersebut disebabkan karena gaya aerodinamis berpusat pada pusat tekanan yang searah dengan arah angin. 

Ketika roket meluncur, gaya aerodinamis mendorong ke bawah body roket. Pada awal mula peluncuran, roket meluncur ke arah relative wind. Akan tetapi, pada saat di udara, roket mendapat pengaruh yang tidak terduga (misalnya drag yang tidak merata pada roket, hembusan angin, dan lain lain) menyebabkan roket menyimpang dari jalurnya. (Singleton, 2001: 143) 

Jika pusat tekanan terletak di belakang pusat massa, maka gaya aerodinamis akan bekerja pada bagian belakang roket agar kembali searah dengan relative wind. Hal inilah yang menyebabkan roket meluncur dengan stabil. 

Jika pusat tekanan terletak di depan pusat massa, maka akan berlaku sebaliknya. Gaya aerodinamis akan menarik nose cone berlawanan arah dengan arah gerak yang seharusnya, yang akan menyebabkan roket kehilangan kendali atau roket meluncur dengan tidak stabil. 

Penjelasan tersebut dapat diilustrasikan pada gambar berikut

(Kiri) Roket Stabil (kanan) Roket Tidak Stabil

Kestabilan peluncuran roket air dapat diprediksikan setelah titik pusat massa dan titik pusat tekanan ditaksir. Jika hasil penaksiran menandakan bahwa letak titik pusat tekanan terhadap pusat massa tidak sesuai, maka yang harus dilakukan adalah memodifikasi bentuk dan ukuran roket sampai sesuai dengan yang diharapkan. 

Hal tersebut merupakan kekurangan dari metode penampang. Kekurangan yang lainnya adalah metode tersebut tidak dapat menjelaskan perbedaan tingkat kestabilan antara roket yang menggunakan tiga fin dengan empat fin, selama fin mempunyai bentuk dan ukuran yang sama. Namun, yang perlu diingat adalah metode penampang ini hanya merupakan penaksiran.

3. Memodifikasi atau Fairing Roket Air 

Jika dalam penaksiran letak pusat massa dan pusat tekanan tidak sesuai dengan harapan, maka perlu diadakan modifikasi atau fairing terhadap roket air yang dibuat. Ada dua teknik fairing, yaitu 

• Menggunakan dua buah botol sebagai body roket dengan cara menyambungkan keduanya dengan potongan bagian tengah botol lain dan 
• Menambahkan botol lain untuk menambah panjang roket sehingga memindahkan letak pusat massa lebih ke depan untuk mencapai kestabilan.

Kedua teknik fairing diilustrasikan pada gambar berikut.

(a) Teknik Fairing pertama (b) Teknik Fairing yang kedua

Sekian, Semoga Bermanfaat
Baca Juga :

Roket Air dan Bagian-bagiannya

Prinsip Kerja Roket Air

Makalah Seminar Fisika "Tinjauan Fisika Mengenai Roket Air"

Referensi:

Barjah, NN, dkk. 2012. Rancang Bangun Alat Eksperimen Roket Air dari Barang Bekas sebagai Media Pembelajaran Mekanika. Prosiding Pertemuan Ilmiah XXV HFI, Jawa Tengah dan DIY.

Tipler, Paul A. 1998. Fisika Untuk Sains dan Teknik Jilid 1 (diterjemahkan oleh Lea Prasetio dan Rahmad W. Adi). Jakarta: Erlangga.

Prinsip Kerja Roket Air

Selamat pagi para Ilmuwan :D

Jika sebelumnya Pakgurufisika sudah membahas tentang  Roket Air dan Bagian-bagiannya, di pagi yang cerah ini kami akan berbagi informasi tentang Prinsip kerja Roket Air.

Prinsip kerja Roket Air merupakan penerapan dari Hukum III Newton, sama halnya dengan Prinsip kerja Roket atau Jet. Begitu pula dengan Cumi-cumi atau Gurita, mereka juga menggunakan prinsip yang sama untuk menggerakkan atau mendorong tubuh mereka ke depan. Air atau tinta dikeluarkan dari dalam tubuh dengan gaya yang besar dan mengerjakan gaya yang sama dan berlawanan pada tubuh mereka, sehingga mendorong tubuh mereka ke depan.

Pada roket air, botol akan meluncur apabila diberikan tekanan udara yang tinggi dari pompa ke dalam botol yang berisi air. Tekanan udara di dalam botol lebih tinggi dari pada tekanan di luar botol sehingga pada saat diluncurkan, udara dalam botol menekan air keluar dari dalam botol. 

Semburan air keluar dari botol memberikan gaya dorong pada botol sesuai dengan Hukum III Newton. Hal tersebut dapat kalian amati pada gambar di bawah ini!

(a) Udara Dipompakan ke Dalam Roket

          (b) Roket Bergerak Tepat Saat Katup Terbuka

                                                 (c) Air Tersembur Keluar Dari Dalam Roket

Massa roket air berubah terus menerus ketika air keluar dari dalam roket. Pendekatan yang paling mudah adalah dengan cara menghitung perubahan momentum total sistem untuk selang waktu tertentu dan menyamakan perubahan momentum ini dengan impuls yang dikerjakan pada sistem oleh gaya eksternal yang bekerja kepadanya. Feks adalah gaya eksternal yang bekerja pada roket, m adalah massa roket (ditambah dengan air yang belum tersembur ke luar), dan v adalah kelajuan roket relatif terhadap tanah pada selang waktu t. 

Pada saat t + ∆t, air telah tersembur dari dalam botol roket dan digunakan tanda nilai absolut pada perubahan massa roket ∆m karena massa air yang disemburkan sama dengan ∆m dan bernilai negatif. Roket mempunyai massa m – |∆m| dan kelajuan v + ∆v padasaat t + ∆t. 

Jika air disemburkan keluar dengan kelajuan vkeluar relatif terhadap roket, kelajuan pada saat t + ∆t relatif terhadap bumi menjadi v – vkeluar.

Ilustrasi kejadian tersebut bisa kalian lihat pada gambar berikut:

(a) Gerak Roket Dengan Kelajuan Awal v

(b) Gerak Roket Setelah Selang Waktu ∆t

Momentum awal sistem pi pada saat t adalah

Momentum sistem pada saat t + ∆t adalah

Pada persamaan di atas, |∆m| ∆v dapat diabaikan karena merupakan hasil kali dua besaran yang sangat kecil dibandingkan dengan suku-suku yang lain pada selang waktu ∆t yang sangat kecil, sehingga persamaan diatas menjadi

Dengan menghitung perubahan momentum dan menyamakannya dengan impuls, didapatkan

Kemudian persamaan diatas dibagi dengan selang waktu ∆t menjadi,
 

Dengan mengambil limit bila ∆t mendekati 0,pada persamaan diatas suku ∆v/∆t mendekati dv/dt yang merupakan besaran percepatan dan suku |∆m|/∆t mendekati |dm/dt| yang merupakan nilai absolut laju perubahan roket. Hal ini memberikan persamaan roket sebagai berikut;

 Besaran vkeluar|dm/dt| dinamakan gaya dorong roket Fdorong

Atau bisa dituliskan dengan persamaan

Gaya eksternal Feks adalah berat roket, yang bernilai –mg karena gaya ini berlawanan arah dengan kecepatan roket. Agar roket dapat dipercepat ke atas, maka Fdorong harus lebih besar dibandingkan dengan Feks. Nilai Feks disubstitusikan ke dalam persamaan sebelumnya dan dibagi dengan m sehingga menjadi

Kecepatan v diperoleh dari penyelesaian persamaan diatas dengan terlebih dahulu diketahui kelajuan pembuangan relatif terhadap roket uex dan lajusemburan air dari alam roket |dm/dt|. 

Pemecahan persamaan ini sangat rumit, karena m tidak konstan, tetapi berubah berdasarkan fungsi waktu. Sebagai contoh jika roket mengeluarkan semburan air dengan laju konstan R, massa roket tiap saat adalah m = mi – R t dengan mi adalah massa mula-mula. Karena dm/dt negatif,

|dm/dt| akan sama dengan –dm/dt. Dengan demikian, persamaan di atas akan menjadi:

Dengan menganggap bahwa g adalah konstan dan mengintegrasi persamaan di atas dari t = 0 sampai

 t = tf  , maka diperoleh

Pada saat t = 0, roket air dalam keadaaan diam, sehingga vi = 0. maka persamaannya menjadi

Dengan

Maka diperoleh

Dimana vf  dan vi adalah kelajuan akhir dan awal roket, vkeluar adalah kelajuan semburan air, mi dan mf adalah massa awal dan akhir roket, g adalah percepatan gravitasi di tempat peluncuran roket, dan t adalah selang waktu air menyembur dari body roket secara keseluruhan (Tipler, 1998: 245-247).

Sekian, Semoga bermanfaat

Referensi : 

Makalah Seminar Roket Air_Yulianto AR

Tipler, 1998:245-2)

Mengenal Baterai Lithium Ion dan Prinsip Kerjanya

Di Era Perkembangan Teknologi yang begitu pesat seperti saat ini, Kebutuhan akan Listrik, terutama Listrik portabel semakin meningkat. Untuk memenuhi kebutuhan akan listrik portabel dimasa yang akan datang yang terus meningkat, dibutuhkan material baterai yang bisa memberikan energi dan daya listrik besar, ringan, murah dan aman. 

Dikesempatan kali ini, Pakgurufisika akan membahas sekilas tentang Baterai Lithium Ion, yang sekarang sering kita temukan sebagai Baterai pemasok listrik portabel pada Alat - alat elektronik (Hp, Laptop, Senter dll).

Baterai lithium adalah salah satu teknologi baterai yang cukup sukses selama 20 tahun belakangan ini. 

Lithium adalah jenis metal reaktif yang dapat menghasilkan panas berlebihan jika bereaksi dengan air atau uap air. Oleh karena itu, dalam membuat baterai lithium pasti dilakukan dalam ruangan kering (dry room) dimana kelembapannya dijaga tidak kurang dari 5%. 

Sejak diproduksi tahun 1991, lithium-ion baterai tidak mengalami perubahan signifikan pada sifat kerja baterai. Ada 3 elemen yang berperan dalam proses discharge dan recharge yaitu: 

1. Elektroda positif yang mengandung  LiCoO2 
2. Elektroda negatif yang terbuat dari karbon grafit ( C6), dan 
3. Separator yang terbuat dari lapisan tipis plastik yang dapat dilalui oleh ion-ion. 

Pada proses discharge atau saat memakai baterai, Li+ ion bergerak dari negatif ke positif melalui separator, sehingga elektron bergerak dengan arah yang sama. Aliran elektron ini yang menghasilkan energi listrik.

Sifat logam lithium yang sangat reaktif membuat aliran ion lithium bereaksi spontan karena sifat logam lithium yang sangat oksidatif. Lithium adalah yang pertama dari alkalis dalam tabel periodik. Di alam ditemukan seperti campuran isotop Li dan Li 6 7. Ini adalah logam padat ringan, lembut, berwarna putih keperakan, dengan titik lebur rendah dan reaktif. Banyak dari sifat fisik dan kimia lebih mirip dengan logam alkali tanah dari pada orang-orang dari kelompok sendiri.

Lithium mengambil bagian dalam sejumlah besar reaksi, dengan reaktan organik serta dengan reaktan anorganik. Bereaksi dengan oksigen membentuk monoksida dan peroksida. Logam hanya basa yang bereaksi dengan nitrogen pada suhu lingkungan untuk menghasilkan nitrure hitam, mudah bereaksi dengan hidrogen pada suhu 500ºC (930ºF) untuk membentuk hidrida lithium. 

Reaksi logam lithium dengan air sangat kuat. Lithium bereaksi secara langsung dengan karbon untuk menghasilkan carbure tersebut. Mengikat mudah dengan halogen dan halogenures bentuk dengan emisi cahaya. Meskipun tidak bereaksi dengan hidrokarbon parafinik, percobaan reaksi adisi dengan alquenes digantikan oleh arile dan kelompok diena, juga bereaksi dengan senyawa acetylenic, membentuk acetylures lithium, yang penting dalam vitamin A sintesis.

Baterai Li-ion dapat dikembangkan dari besi oksida lithium yang dianggap memiliki biaya rendah dan non toksisitas, bahan seperti besi oksida lithium lebih diperhatikan sebagai katoda baterai lithium sekunder. Besi oksida lithium pada katoda baterai Li-ion telah membuat kemajuan besar pada preparasi karena menggunakan metode preparasi baru seperti reaksi solid state suhu tinggi.

Prinsip Kerja Baterai Lithium Ion

Pada Tabel (Gambar) dibawah ini, memperlihatkan perbandingan dari 3 jenis baterai yang menjadi perhatian saat ini. Yaitu, Fuel cells, Baterai Nikel-metal hydride dan Baterai Lithium- 6 ion.

Terlihat pada tabel tersebut, jika ketiga jenis baterai sama-sama memanfaatkan reaksi redoks (reduksi dan oksidasi) pada kedua elektroda untuk menghasilkan listrik.

Fuel cells memanfaatkan reaksi antara hydrogen dan oksigen untuk menghasilkan listrik. Voltase yang dihasilkan, secara teoritis 1.23 V, namun pada kenyataannya hanya menghasilkan dibawah 1.0 V. Sedangkan baterai nikel-metal hydride, menggunakan material penyimpan hydrogen sebagai anoda, dan nikel hidroksida sebagai katoda. Baterai ini mampu menghasilkan 1.32 V.

Coba Kalian bandingakan antara ketiga tabel dibawah ini !

Fuel Cells

Baterai Nikel-Metal Hydride

Baterai Lithium Ion

Diantara ketiga jenis baterai, baterai lithium-ion lah yang menghasilkan voltase tertinggi, 2 kali lipat dari yang dihasilkan baterai nickel-metal hydride. Baterai lithium menggunakan komposit berstruktur layer, Litium Cobalt Oxide (LiCoO2), sebagai katoda, dan material karbon (dimana lithium disisipkan diantara lapisan karbon) sebagai anoda.

Baterai litium ion sendiri terdiri atas Anoda, separator, elektrolit, dan katoda. Pada katoda dan anoda umumnya terdiri atas 2 bagian, yaitu bagian material aktif (tempat masuk-keluarnya ion litium) dan bagian pengumpul elektron (collector current).

Proses penghasilan listrik pada baterai litium-ion sebagai berikut: Jika anoda dan katoda dihubungkan, maka elektron mengalir dari anoda menuju katoda, bersamaan dengan itu listrik pun mengalir. Pada bagian dalam baterai, terjadi proses pelepasan ion litium pada anoda, untuk kemudian ion tersebut berpindah menuju katoda melalui elektrolit. Dan di katoda, bilangan oksidasi kobalt berubah dari 4 menjadi 3, karena masuknya elektron dan ion litium dari anoda. Sedangkan proses recharging/pengisian ulang, berkebalikan dengan proses ini.

Litium memiliki nilai potensial standar paling negatif (-3.0 V), paling ringan (berat atom: 6.94 g), sehingga bila dipakai untuk anoda dapat menghasilkan kapasitas energi yang tinggi.

Berikut cara menghitung nilai teori dari kepadatan energi yang dihasilkan oleh baterai litium ion. Jika menggunakan logam litium pada anoda, maka dari 1 kg logam litium dapat menghasil kapasitas energi per 1 kg massa sebesar (Coulumb/second = Ampere) :

Bila dikalikan dengan potensial standar litium (3 V), menjadi 11583 W h/kg (W=Watt, h=hours). Sedangkan bila menggunakan senyawa karbon sebagai anoda, dan dianggap satu unit grafit ( 6 atom karbon) mampu menampung 1 atom litium, maka setiap 1 kg anoda secara teori memiliki kepadatan energi 339 Ah/kg.

Sama dengan anoda, kapasitas energi pada katoda bisa dihitung dengan cara yang sama. Untuk LiCoO2, secara teori memiliki kepadatan energy 137 Ah/kg. Dengan mengetahui berat molekul dari material elektroda (disebut juga material aktif) dan setiap molekulnya berapa banyak elektron yang keluar masuk, nilai teori dari kepadatan energi dapat dihitung.

Sekian dulu ya untuk postingan Pakgurufisika kali ini, Untuk Pembahasan Tentang Karateristik bagian-bagian Baterai Lithium Ion, Kelebihan dan kekurangan serta Aplikasinya, akan kami bahas segera dalam postingan selanjutnya,

Update:
Baca juga: Kelebihan dan Kekurangan Baterai Lithium Ion

Sekian, Terimakasih :)