STUDI PEMANFAATAN GAYA PEMBALIK PEGAS SEBAGAI ALAT UKUR PERCEPATAN SENTRIFUGAL (A STUDY OF USING RESTORING FORCE OF SPRING FOR MEASURING CENTRIFUGE ACCELERATION) Bambang Mudaka Eka Jati ), dan Evi Yuliana**) *Laboatoium Fisika Dasa, FMIPA UGM, Yogyakata ** Juusan Fisika, FMIPA, Univesitas Andalas, Padang b_mudaka@ugm.ac.id ABSTRAK Telah dibuat sebuah pototipe alat uku pecepatan sentifugal yang memanfaatkan gaya pembalik pegas. Penelitian ini dilatabelakangi oleh kenyataan bahwa kebea-daan alat uku pecepatan masih langka. Alat itu pelu dibuat, dengan biaya muah, sehingga digunakanlah egangan pegas sebagai sensonya. Penelitian dimulai dengan menempatkan bola besi di ujung pegas, yang diletakkan di pelat puta. Peiode putaan pelat diatu, dan egangan pegas (oleh adanya gaya sentifugal yang dideita bola besi) diuku dengan mista. Nilai egangan pegas dialihagamkan menjadi tegangan listik, setelah aus listik dai bateei dilewatkan pada tahanan gese. Akhinya dipeoleh sebuah pototipe alat uku pecepatan sentifugal. Kawasan uku alat itu adalah dai 0 sampai dengan 9,6 m/s 2, dan beketelitian 90%. Kata kunci: Gaya pembalik pegas, pecepatan sentifugal ABSTRACT The centifuge acceleomete using the estoing foce of the sping has been made. The backgound of this eseach is the eality that acceleomete could not be found somewhee. This equipment must be built as cheap as possible, that it uses a sping displacement as a senso. The eseach is statted by placing of an ion ball at the end of the sping, which is placed on the otation plate. The peiod of otation plate is adjusted, then displacement of sping (by centifuge acceleation of an ion ball) is measued by the ule. The sping displacement is tansfomed to an electic voltage via a esistance vaiable. Finally, it could be found as a centifuge acceleation pototipe. Which the domein of this equipment is fom 0,0 to 9,6 m/s 2, at 90% in pecision. Keywods: Restoing foce of sping, centifuge acceleation Makalah diteima 05 Septembe 2005. 5
Bekala MIPA, 15(3), Septembe 2005 1. PENDAHULUAN Kualitas pembangunan manusia ditopang oleh 3 unsu, yaitu: kesehatan, pendidikan, dan tingkat kesejahteaan. Ketiga unsu itu, bila sistem oganisasi pada setiap manusia sudah efektif hauslah saling besinegi. Atinya, oang yang sehat (jasmani dan okhani) haus bekaya, kaya itu sesuai dengan ilmu dai pendidikan yang diteimanya, dan akhinya menjadilah oang sejahtea. Pada penelitian ini tejadi sinegi antaa pendidikan dengan kesejahteaan. Hal ini disebabkan, penelitian yang dilandasi ilmu fisika sebagai ilmu dasa, dan keluaannya beupa baang, bisa dimanfaatkan oleh masyaakat. Pada akhinya mensejahteakan pembuat dan pengguna baang itu, kaena baang hasil kaya tesebut mempunyai nilai tambah. Alat uku pecepatan sentifugal (bisa digunakan pula sebagai alat uku pecepatan tanslasi) masih jaang ditemui. Pada hal, alat uku itu digunakan standaisasi pada lift atau mesin kendaaan bemoto. Nilai pecepatan yang biasa dipelukan oang beada pada kawasan nilai antaa 0 sampai dengan nilai pecepatan gavitasi bumi (9,8 m/s 2 ). Untuk itulah dipelukan alat uku pecepatan sentifugal yang betaget kawasan uku di atas. Selanjutnya, penelitian ini betujuan untuk membuat alat uku pecepatan sentifugal bepenampil digital yang memanfaatkan gaya pembalik pada pegas, dan dilandasi oleh hukum Hooke. Tentu saja, melalui penelitian ini dimaksudkan pula untuk dapat memanfaatkan pengetahuan fisika pada peistiwa teapan. Selain itu, juga dapat dibuat tansduse pecepatan sentifugal dengan biaya muah. Penelitian ini dihaapkan membeikan 3 faedah. Faedah petama, tedapat sinegi langsung antaa pendidikan dengan kesejahteaan, yang pada akhinya dapat meningkatkan kualitas pembangunan manusia. Kedua, dipeoleh keluaan beupa pototipe alat uku pecepatan (acceleomete) sentifugal bepenampil digital yang pada akhinya dapat dimanfaatkan oleh dunia industi. Ketiga, penelitian ini meupakan hal bau di laboatoium penulis, dan selama ini penulis belum menjumpai poduk di pasaan dengan metode yang sama dengan hasil penelitian ini. 2. TINJAUAN PUSTAKA Penelitian mengenai sejumlah jenis senso dan tansduse yang bekeluaan alat uku besaan fisika bepenampil digital, telah dilakukan sejumlah kolega dan penulis. Penelitian ini dimulai dengan kebehasilan membuat alat uku suhu digital bebahan tembaga besi komesial (Puwadi dan Mudaka, 1999) yang dilandasi caa keja temokopel. Penelitian dilanjutkan dengan pembuatan alat uku egangan yang memanfaatkan stain gauge (Mudaka dan Puwadi, 2001), pemanfaatan potensiomete untuk menentukan koefisien muai panjang logam (Mudaka dkk, 2004), dan pemanfaatan stain gauge untuk membuat acceleomete (Mudaka dan Puwadi, 2004). Semua alat uku itu dibuat bepenampil digital. Ushe (1989) menyatakan, bahwa pemanfa-atan senso besaan fisika dapat digunakan untuk menghasilkan beagam tansduse. Tansduse itu bekeluaan besaan listik. Besaan listik yang dimaksud bisa bebentuk: aus listik, tahanan, atau tegangan. Hanya saja, untuk dapat dibaca hauslah dapat dinyatakan ke unit penampil, dan besaan listik itu haus beupa tegangan. Jika keluaan non tegangan, hauslah diubah menjadi tegangan. Ini bisa dilakukan dengan pembeian tahanan (untuk keluaan aus listik), atau jembatan wheatstone (untuk tahanan). Dinyatakan oleh Coope (1978), bahwa keluaan tegangan dai tansduse, mudah digunakan untuk beagam kepeluan. Jika ingin hasil ukunya dapat langsung dilihat, dapat digunakan unit penampil digital (display). Untuk dapat dicetak, maka keluaan itu dihubungkan dengan unit pencetak. Untuk dapat diekam, cukup dihubungkan dengan inteface sebuah kompute. Hanya saja, nilai tegangan keluaan tansduse tidak selalu sama dengan kawasan baca ADC (Analog to Digital Convete). Jika tegangan itu telalu kecil, maka haus dipekuat dengan unit penguat linea (OpAmp), sehingga dipeoleh nilai tegangan pada kawasan baca ADC. 6
Penelitian bekeluaan pototipe acceleo-mete, penah dikejakan oleh penulis (Mudaka dan Puwadi, 2004). Namun acceleomete itu menggu-nakan senso egangan beupa stain gauge, sehingga selain bebiaya mahal juga bentuk egangan itu tidak makoskopis. Pada penelitian ini, pembuatan acceleomete sentifugal dilandasi oleh senso egangan pegas, biaya pembuatannya lebih muah seta bentuk egangannya dapat dilihat mata (makoskopis). 3. TEORI bunda yang licin (Gamba 1.a). Ujung pegas yang lain diklem di pusat pelat (o). Kemudian pelat diputa, sehingga m belintasan lingkaan pada kelajuan v, dan beada pada jaak dai o, dan peiode putaan m senilai dengan peiode putaan pelat. Sebelum diputa, m bejaak R dai o, dan setelah pelat beputa m bekelajuan v maka jaaknya dai o menjadi = R + x. Peubah x adalah egangan pegas oleh adanya gaya sentifugal yang dideita m (Gamba 1b). Selanjutnya pesamaan (2) dapat ditulis menjadi, Sebuah pegas ingan memiliki tetapan pegas k, dalam keadaan ditaik sehingga pegas meegang sejauh x atau x dai posisi setimbangnya, dalam hal ini x masih beada di daeah elastisitas pegas. Pada peistiwa itu, pegas melakukan gaya pembalik (F ) yang selalu beaah menuju ke titik setimbangnya. Hal itu dikuasai oleh hukum Hooke: F = kx (1) atau ma cf = kx (4) k a cf = ( ) x (5) m Ditinjau benda massa m melakukan geak puta pada lintasan lingkaan, pada kelajuan v, kelajuan sudut ω, peioda T, dan bejaak dai pusat lingkaan. Akibat adanya geak puta, mengakibatkan benda mendeita gaya sentifugal F, dan hal ini cf akan menyebabkan adanya pecepatan sentifugal a yang beaah menjauhi pusat cf lingkaan. Hal itu memenuhi kaitan, F = m (2) cf a cf Adapun besa gaya sentifugal dan pelajuannya (Mudaka, 2005) dinyatakan: a cf 2 mv F cf = (3a) 2 2 4π = ω = (3b) 2 T Peistiwa di atas dapat diteapkan pada bola besi massa m yang teikat eat di ujung pegas ingan, dan pegas itu memiliki tetapan pegas k, dan kemudian diletakkan di atas pelat Gamba 1 Geak m dan pelat puta, dilihat dai atas (a), Bagan gaya yang bekeja pada m, dilihat dai samping (b). Mengacu pesamaan (5), beati a cf memiliki hubungan linea dengan x. Sementaa itu a cf bisa ditentukan bila (= R + x) dan T dapat diuku. Pada ekspeimen ini T diuku dengan stoboskop, sedangkan dan x diuku dengan mista. Pesamaan (5) dapat digunakan sebagai dasa menyatakan a cf ke dalam besaan tegangan listik. Itu dilakukan dengan menghubungkan penunjuk egangan pegas x pada tahanan gese. Ini dilandasai teoi di elektonika (Coope, 1978), bahwa ketika bateei betegangan E, dihubungkan dengan 2 buah tahanan sei yaitu b dan R (Gamba 2), maka tegangan jepit di b adalah V o. Selanjutnya V o disebut tegangan keluaan, dan dipenuhi kaitan, 7
Bekala MIPA, 15(3), Septembe 2005 V b = ( E (6) R + o ) b Pada penelitian ini, besa tahanan oleh tahanan gese ( b ) sebanding dengan egangan pegas x. Dai pesamaan (5) dan (6), acf dapat dinyatakan dalam x, x dinyatakan dalam b, dan b dinyatakan dalam V o. Pada akhinya a cf dapat dinyatakan dalam V o. Hubungan linea a cf tehadap V o, dapat digunakan sebagai dasa membuat alat uku pecepatan (acceleomete) sentifugal yang bepenampil digital (display). Gamba 2 Bagan tegangan jepit pada tahanan gese. Gamba 3 Pengukuan egangan pegas, sebagai fungsi pecepatan sentifugal. (a) Menentukan hubungan antaa a cf tehadap x, yang menggunakan Gamba 3. (b) Mencai hubungan antaa simpangan pegas (x) dengan tegangan keluaan dai tahanan gese (V o ). Hal itu dipejelas oleh Gamba 4. Untai dihubungkan dengan sebuah bateei E, tahanan tetap R, dan tahanan beubah b oleh adanya egangan pegas. Nilai b betambah ketika m ditaik, sehingga x juga betambah. (c) Mengacu langkah (a) dan (b), sehingga dipeoleh hubungan antaa V o dengan a cf, sehingga nilai a cf dapat dinyatakan pada unit penampil digital. 4. METODE EKSPERIMEN Penelitian ini dilakukan dalam 3 tahap, yaitu: penelitian pendahuluan, kaakteisasi acceleomete sentifugal, dan pembuatannya. Ekspeimen pendahuluan dilakukan dengan menentukan nilai tetapan pegas bahan senso pecepatan sentifugal (lihat lampian, Gamba L.1), penentuan x fungsi a cf (Gamba 3) yang menggunakan peangkat electonic tuntable (Gamba L.2). Selanjutnya dilakukan pengukuan a cf melalui pengukuan T menggunakan sebuah stoboskop (Gamba L.3), dan (temasuk juga x) yang diuku dengan mista ketika pelat beputa. Beikutnya, kaakteisasi pegas bahan acceleomete sentifugal dilakukan dalam 3 langkah, yang diuaikan sebagai beikut ini; Gamba 4 Bagan hubungan antaa egangan (dinyatakan oleh besanya tahanan pada tahanan gese) tehadap tegangan keluaan. Tahap ke 3, adalah pembuatan acceleomete sentifugal bepenampil digital. Pegas yang sudah dikaakteisasi diletakkan ke dalam cashing yang telah dilengkapi dengan bateei, tahanan tetap dan gese, bola besi dan unit penampil digital. 8
5. HASIL DAN PEMBAHASAN Bedasa kaakteisasi pegas sebagai bahan senso acceleomete sentifugal yang telah dipapakan pada Metode Penelitian, sehingga dipeoleh hasil yang dinyatakan pada 3 buah gafik. Ketiga gafik itu adalah: (a) pecepatan sentifugal (a cf ) sebagai fungsi egangan (x) pegas (Gamba 5); (b) Tegangan pada tahanan gese (V o ) sebagai fungsi x (Gamba 6); dan (c) a cf sebagai fungsi V o (Gamba 7). linea tehadap Vo pada kawasan acf kuang dai sama dengan 9,6 m/s2. Atas dasa kelineaan acf tehadap Vo, sehingga acf dapat dinyatakan ke dalam unit penampil digital (display). Hanya saja, mengacu Gamba 7, Vo benilai antaa 0 sampai dengan 1,5 mv, sehingga aga bisa dibaca oleh ADC maka Vo haus dipekuat 2000 kali oleh sebuah penguat linea (OpAmp). Gamba 5 Pecepatan sentifugal sebagai fungsi egangan pegas, (alat a cf = ± 0,1 m/s 2 ). Gamba 6 Nilai tegangan pada tahanan gese sebagai fungsi simpangan pegas (alat Tegangan ± 0,02 mv). Ketiga gafik tesebut (Gamba 5, 6, dan 7) mempelihatkan bahwa acf vs x, dan Vo vs x meupakan fungsi linea. Beikutnya, atas dasa acf fungsi x, dan x fungsi Vo sehingga dipeoleh acf yang juga meupakan fungsi Gamba 7 Pecepatan sentifugal sebagai fungsi tegangan pada tahanan gese (alat pecepatan sentifugal dan Tegangan betuuttuut: ± 0,1 m/s2, ± 0,02 mv). Mengacu Gamba 7 dan hasil peakitan unit penguat linea, selanjutnya sistem itu dihubungkan dengan ADC dan sebuah display 3 digit. Beikutnya diset pada sebuah cashing seta penampilan luanya dipelihatkan pada Gamba 8. Akhinya, pototipe itu diuji lagi dengan caa diletakkan pada pelat puta electonic tunta ble. Alat uku pecepatan (acceleomete) sentifugal itu dapat digunakan pada kawasan uku 0 sampai dengan 9,6 m/s 2. Alat ini bekemampuan untuk menguku besa pecepatan sentifugal pada ketelitian 90%. Besanya alat atau ketakpastian (sekita 10%) disebabkan oleh ketakpastian yang meambat pada setiap titik data pada pengukuan x, V o, dan a cf. Ketakpastian dai a cf sendii meupakan hasil kombinasi pengukuan panjang egangan (dengan mista) dan pengukuan peiode (dengan stoboskop). 9
Bekala MIPA, 15(3), Septembe 2005 6. KESIMPULAN DAN SARAN Telah behasil dibuat dan dikaakteisasi sebuah acceleomete sentifugal besenso pegas, dan bepenampil digital. Alat ini dapat digunakan untuk menguku besa pecepatan sentifugal pada kawasan uku 0 sampai dengan 9,6 m/s 2, dan beketelitian 90%. Disaankan penelitian ini dilanjutkan, dengan memanfaatkan pegas yang lebih elastis (k benilai lebih kecil) sehingga lebih peka tehadap peubahan nilai pecepatan sentifugal, yang akhinya dipeoleh ketelitian lebih dai 90% sehingga lebih layak untuk dipoduksi dan dipasakan. Disaankan juga aga alat ini juga diuji pada geak tanslasi, sehingga juga dapat digunakan sebagai alat uku pecepatan tanslasi. Selanjutnya, dihaapkan juga aga jejai pelat bunda electonics tuntable diganti yang lebih besa, sehingga kawasan ukunya bisa mencapai nilai pecepatan gavitasi bumi (9,8 m/s 2 ). Gunadi dan Saudaa Suyanto (Lab. Fisika Dasa FMIPA UGM) yang telah membantu dalam pengambilan data ketika uji kaakteisasi pegas sebagai senso pecepatan sentifugal. Dafta Pustaka Coope, 1978: Electonic Instumentation and Measuement Techniques, Pentice Hall Inc. Englewood Clifts, New Jesey. Mudaka, B., 2005: Fisika Dasa I untuk Mahasiswa Non MIPA, Buku Aja, Yogyakata. Mudaka, B. dan Puwadi, B., 2001: Pembuatan Alat Uku Regangan Logam Betampilan Digital, JFI, No. 37, tahun XII, Yogyakata. Mudaka, B., Iwan, Puwadi, B., 2004: Pemanfaatan Potensiomete sebagai Tansduse untuk Menentu -kan Koefisien Muai Panjang Batang Logam, JFI, Apil 2004, Yogyakata. Mudaka, B. dan Puwadi, B., 2004: Pemanfaatan Stain Gauge untuk Alat Uku Pecepatan Sentifugal, Majalah Bekala MIPA, Edisi Septembe 2004, Yogyakata. Puwadi, B. dan Mudaka, B., 1999: Pembuatan Tans-duse Suhu Cepat Tanggap Betampilan Digital, JFI, No. 31, tahun X, Jogjakata. Ushe, M.J., 1989: Sensos and Tansduces, Macmillan Education Ltd., London. Gamba 8 Potet acceleomete buatan sendii, yang menggunakan senso pegas. Ucapan Teimakasih Diucapkan teimakasih kepada Saudaa Payitno (Lab. ELINS FMIPA UGM) yang telah membantu pembuatan unit penguat linea sehingga alat bisa dipasang di dalam cashing dan bepenampil digital. Diucapkan teimakasih pula kepada Saudaa 10
Lampian : Gamba L.1 Ekspeimen penentuan tetapan pegas yang dinyatakan dalam angka tetapan pegas pe satuan massa bola besi. Gamba L. 2 Sebuah Electonic tuntable untuk menentu-kan pecepatan sentifugal. Gamba L.3 Penentuan peiode putaan pelat pada electonic tuntable, menggunakan sebuah stoboskop. 11