MENENTUKAN PERCEPATAN BENDA
PADA SUDUT YANG BERBEDA
Arif Rahman
E-mail : ar_rachmman@yahoo.co.id
Program S-1 Pendidikan Fisika Fakultas Keguruan dan Ilmu Pendidikan
Universitas Ahmad Dahlan Yogyakarta
INTISARI
Eksperimen alat untuk mengetahui pengaruh sudut terhadap percepatan benda pada bidang miring telah dilakukan dengan meluncurkan benda (mobil-mobilan) dengan massa 25 gram pada lintasan berupa bidang miring dengan panjang 81,5 cm. Lintasan terbuat dari bahan acrylic yang koefisien geseknya sangat kecil sehingga gaya geseknya diabaikan. Percobaan ini dirancang agar kemiringan lintasan terhadap bidang datar dapat diatur.
Dengan mengatur sudut kemiringan bidang sebesar, 5˚, 10˚, 15˚, 20˚ dan 25˚, secara eksperimen diperoleh percepatan benda s, untuk sudut 5˚ didapatkan sebesar 0,840011770 m/s2, sudut 10˚ diperoleh 1,985780351 m/s2, sudut 15˚ diperoleh 2,272065168 m/s2, untuk sudut 20˚ diperoleh 3,251779501 m/s2, dan untuk sudut 25˚ diperoleh 4,004481082 m/s2. Sedangkan percepatan yang dihitung secara teoritis diperoleh 0,871557427 m/s2 untuk sudut 5˚, 1,736481777
m/s2 untuk sudut 10˚, 2,588190451 m/s2 untuk sudut 15˚, 3,420201433 m/s2 untuk sudut 20˚, dan 4,226182617 m/s2 untuk sudut 25˚.
Berdasarkan hasil pengujian alat untuk mengetahui pengaruh sudut terhadap percepatan benda pada bidang miring yang dilakukan, nilai eksperimental memiliki tingkat kesesuaian yang baik dengan nilai prediksi teoritisnya, dengan ralat relatif sebesar 3,619458206 % pada pengukuran dengan sudut elevasi 5˚, 14,35653271 % pada pengukuran dengan sudut elevasi 10˚, 12,21414301 % pada pengukuran dengan sudut elevasi 15˚, 6,386230059 % pada pengukuran dengan sudut elevasi 20˚, dan 5,245900678 % pada pengukuran dengan sudut elevasi 25˚.
Berdasarkan percobaan bisa diketahui bahwa percepatan benda pada bidang miring dipengaruhi sudut kemiringan bidang. Semakin besar sudut elevasi bidang miring terhadap bidang datar, maka waktu yang dibutuhkan benda untuk mencapai titik akhir semakin singkat, sehingga bisa dikatakan percepatan benda semakin besar.
ABSTRACT
Experimental tool to determine the effect of acceleration of the object at an angle to the inclined plane has been done with the launching of objects (cars) with a mass of 25 grams on the track in the form of an inclined plane with a length of 81.5 cm. Tracks made of acrylic material that is so small that friction coefficient friction force is negligible. This experiment is designed so that the slope of the trajectory of the plane can be arranged.
By adjusting the tilt angle of the field, 5˚, 10˚, 15˚, 20˚ and 25˚, experimentally derived object's acceleration, for a 5˚ angle obtained by 0.840011770 m/s2, 10˚ angle obtained 1.985780351 m/s2, angle of 15˚ obtained 2.272065168 m/s2, obtained for an angle of 20˚ 3.251779501 m/s2, and for an angle of 25˚ obtained 4.004481082 m/s2. While acceleration is calculated theoretically obtained 0.871557427 m/s2 for 5˚ angle, 1.736481777 m/s2 for 10˚ angle, 2.588190451 m/s2 for 15˚ angle, 3.420201433 m/s2 for 20˚ angle , and 4.226182617 m/s2 for 25˚ angle.
Based on the results of the testing tool to determine the effect of acceleration of the object at an angle to the inclined plane is done, the experimental values have a good level of compliance with the theoretical prediction value, with a relative error of 3.619458206 % in the measurement of the elevation angle of 5˚, 14.35653271 % on measurement of the elevation angle 10˚, 12.21414301 % in the measurement of elevation angle 15˚, 6.386230059 % in the measurement of elevation angle 20˚, and 5.245900678 % on measuring the elevation angle of 25˚.
Based on the experiments can be known that the acceleration of the object on an inclined plane tilt angle affected areas. The greater the elevation angle of the incline to the plane, then the time required to reach the endpoint object is getting shorter, so that it can be said the acceleration of the larger object.
1. Pendahuluan
Prinsip bidang miring banyak dimanfaatkan dalam kehidupan sehari hari. Hal yang menarik untuk diamati berkaitan dengan bidang miring adalah gerak luncuran benda, misalnya luncuran pada perosotan. Kemiringan perosotan harus disesuaikan agar aman untuk digunakan, karena jika kemiringannya tidak disesuaikan dan tidak ada hambatan dalam hal ini adalah koefisien gesek antara benda dengan permukaan bidang, maka kecepatan luncur tidak akan terkendali dan dapat membahayakan(Giancoli, D).
Beberapa percobaan mengenai pengaruh sudut terhadap percepatan telah dilakukan, seperti percobaan yang dilakukan oleh M Raza Primadi bertujuan utnuk menentukan percepatan benda pada bidang miring. Percobaan ini dilakukan dengan meluncurkan benda (mobil-mobilan) pada bidang miring yang lintasannya sudah diketahui jaraknya.
Kemudian waktu yang diperlukan benda untuk menempuh bagian lintasan tersebut diukur dengan menggunakan stop watch dengan luncuran dimulai dari ujung bidang yang paling tinggi. Dengan mengatur sudut kemiringan bidang sebesar 5˚,10˚, 15˚, 20˚ dan 25˚ diperoleh percepatan benda secara eksperimen, yaitu sebesar 0.88999644 m/s2untuk sudut 5˚, 1.64365549 m/s2 untuk sudut 10˚, 2.100399076 m/s2 untuk sudut 15˚, 2.872737719 m/s2 untuk sudut 20˚, dan 3.698224852 m/s2untuk sudut 25˚. Sedangkan percepatan
yang dihitung secara teoritis diperoleh 0.854126279 untuk sudut 5˚, 1.701752141 untuk sudut 10˚, 2.536426642 untuk sudut 15˚, 3.351797405 untuk sudut 20˚, dan 4.141658965 untuk sudut 25˚.
Besar sudut kemiringan bidang berpengaruh terhadap percepatan benda. Sehingga alat ini dibuat untuk menentukan percepatan benda pada sudut yang berbeda.
2. Dasar Teori
Benda yang diletakkan pada bidang miring akan bergerak dengan percepatan tertentu, karena adanya interaksi gaya yang bekerja pada benda.
Percepatan gerak benda pada bidang miring dapat dianalisa dengan memanfaatkan hukum Newton tentang gerak, seperti pada Gambar 1
Gambar 1. Interaksi gaya-gaya yang bekerja pada benda yang bergerak pada bidang miring
Gambar 1 merupakan gambar interaksi gaya yang bekerja pada benda yang bergerak pada bidang miring, diantaranya gaya berat dan gaya normal(Young,dkk). Dari interaksi gaya-gaya tersebut, persamaan dapat diperoleh dengan menggunakan analisis vektor dengan acuan koordinat sumbu x merupakan permukaan bidang dan sumbu y pada tegak lurus bidang.
Sehingga gaya berat dapat diuraikan menjadi komponen arah sumbu x dengan persamaan
𝑤𝑤𝑥𝑥 = 𝒘𝒘 sin𝛼𝛼 (1)
dan komponen berat arah sumbu y
𝑤𝑤𝑦𝑦 = 𝒘𝒘 cos𝛼𝛼 (2)
dengan w merupakan berat benda (N) dan α merupakan sudut permukaan bidang miring terhadap bidang datar (˚).
Pada arah sumbu y terdapat gaya normal (N) yang berlawanan arah dengan komponen gaya berat pada arah sumbu y (wy). Resultan gaya pada arah sumbu y adalah nol karena tidak ada gerak pada arah sumbu y, sehingga berlaku hukum I Newton dengan persamaan
Ʃ𝑭𝑭
= 0 (3)sehingga diperoleh persamaan
𝑵𝑵 – 𝒘𝒘 cos𝛼𝛼 = 0 (4)
𝑵𝑵 = 𝒘𝒘 cos𝛼𝛼 (5)
dengan N merupkan gaya normal (N) dan w merupakan berat benda (N). Dari persamaan (3) terlihat bahwa gaya normal pada kotak yang diberikan oleh meja mempunyai besar yang sama dengan kompon berat kotak arah sumbu y. Namun, karena dalam percobaan ini gaya gesek antara benda dengan permukaan bidang diabaikan, maka gaya normal tidak akan berpengaruh terhadap percepatan benda (Giancoli, D).
Benda bergerak pada arah sumbu x dengan percepatan tertentu dan berlaku hukum II Newton dengan persamaan
Ʃ
𝑭𝑭= 𝑚𝑚𝒂𝒂 (6) gaya-gaya yang bekerja pada arah sumbu x adalah komponen berat arah sumbu x dan gaya gesek kinetik yang arahnya saling berlawanan, sehingga diperoleh persamaan :𝒘𝒘sin𝛼𝛼= 𝑚𝑚𝒂𝒂 (7)
sehingga, diperoleh persamaan untuk menentukan percepatan benda secara teoritik yaitu
𝒂𝒂
=
𝒘𝒘sinm 𝑎𝑎 (8)dengan a merupakan percepatan benda (m/s2), w merupakan gaya berat benda (N), α merupakan sudut permukaan bidang miring terhadap bidang datar (˚),dan m merupakan massa benda (kg).
Untuk mengulur percepatan benda secara eksperimen, digunakan persamaan
𝒂𝒂= 2𝑠𝑠/𝑡𝑡2 (9)
dengan s merupakan panjang lintasan (m), dan t adalah waktu tempuh dari titik awal samapai titk akhir (s).
Pengukuran keberhasilan sistem dilakukan dengan perhitungan ralat relatif antara nilai percepatan yang diperoleh berdasar eksperimen dengan nilai percepatan yang dihitung secara teori dengan persamaan..
𝒂𝒂𝑒𝑒𝑒𝑒𝑠𝑠𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑚𝑚𝑒𝑒𝑒𝑒 −𝒂𝒂𝑡𝑡𝑒𝑒𝑡𝑡𝑒𝑒𝑒𝑒
𝒂𝒂𝑡𝑡𝑒𝑒𝑡𝑡𝑒𝑒𝑒𝑒 𝑥𝑥 100% (10)
dengan xeksperimen adalah jarak maksimum yang diperoleh dari hasil ekperimen dan xteori adalah jarak maksimum hasil dari prediksi teoritik.
3. Tata Kerja 3.1. Bahan dan Alat
Permukaan lintasan yang digunakan dalam percobaan ini menggunakan bahan acrylic dengan koefisien gesek sangat kecil, sehingga gaya geseknya diabaikan. Lintasan berupa bidang miring dengan panjang 81,5 cm yang dirancang agar kemiringan lintasan terhadap bidang datar dapat diatur.
Untuk mengukur waktu yang dibutuhkan benda dari titik awal hingga titik akhir digunakan sensor LED dan LDR yang dirangkai diposisi awal dan posisi akhir lintasan, kemudian sensor tersebut disambungke software audacity yang membaca waktu lintas benda. Benda yang digunakan dalam percobaan ini adalah mobil-mobilan dengan massa 25 gram. Desain alat pada Gambar 2 :
Gambar 2. Rancangan Alat untuk Mengetahui Pengaruh sudut terhadap Percepatan Benda.
3.2. Pengujian pengaruh sudut terhadap percepatan gerak benda pada bidang miring.
Pecobaan ini dilakukan dengan memvariasi sudut antara permukaan lintasan dengan bidang datar, sehingga diperoleh waktu tempuh yang berbeda pada setiap sudut. Waktu yang diperoleh dari pecobaan akan dikonfersi ke persamaan (9) sebagai nilai percepatan secara ekperimen. Percepatan akan dianalisis pada sudut elevasi sebesar 5˚,10˚, 15˚, 20˚ dan 25˚. Sebagai perbandingan, pecepatan juga akan dihitung secara teoritis menggunakan persamaan (8). Ralat relatif antara percepatan yang diukur secara eksperimen dengan perhitungan secara teori akan dihitung dengan persamaan (10).
4. Hasil dan Pembahasan
Metode analisis akan dilakukan dengan dua cara yaitu dengan analisis data hasil ekperimen dan perhitungan secara teoritik. Hasil analisis dari kedua metode akan korelasi sebagai ralat relatif untuk gambaran dari keberhasilan sistem.
4.1.1. Pengaruh Sudut terhadap Percepatan Benda pada Bidang Miring secara Eksperimen
Berdasarkan percobaan pengaruh sudut terhadap percepatan benda pada bidang miring, diperoleh data sebagai berikut :
Tabel 1. Data Pengaruh Sudut terhadap percepatan benda pada bidang miring Hasil Eksperimen
No α (˚) t (s) a (m/s2) 1 5 1,393 0,840011770 2 10 0,906 1,985780351 3 15 0,847 2,272065168 4 20 0,708 3,251779501 5 25 0,638 4,004481082
Berdasarkan data dari tabel 1 dapat diketahui bahwa semakin besar sudut elevasi antara bidang miring terhadap bidang datar, maka waktu yang dibutuhkan benda dari titik awal hingga titik akhir semakin singkat, sehingga bisa diketahui bahwa percepatannya juga semakin besar.
4.1.2. Pengaruh Sudut terhadap Percepatan Benda pada Bidang Miring secara Teori
Besar percepatan untuk setiap sudut pada bidang miring dihitung dengan persamaan (10), sehingga diperoleh :
Tabel 2. Data Pengaruh Sudut terhadap Percepatan Benda pada Bidang Miring Hasil Perhitungan Teoritik
No α (˚) a (m/s2) 1 5 0,871557427 2 10 1,736481777 3 15 2,588190451 4 20 3,420201433 5 25 4,226182617
Perbandingan antara jarak maksimum yang diperoleh secara ekperimen dengan jarak maksimum hasil perhitungan teoritik adalah :
Tabel 3. Jarak Maksimum dari Hasil Eksperimen dan Perhitungan Teoritik
No α (˚)
Percepatan (m/s2) ralat relatif
(%) Eksperimen Teori 1 5 0,840011770 0,871557427 3,619458206 2 10 1,985780351 1,736481777 14,35653271 3 15 2,272065168 2,588190451 12,21414301 4 20 3,251779501 3,420201433 6,386230059 5 25 4,004481082 4,226182617 5,245900678
Berdasarkan tabel 3 dapat diketahui bahwa nilai eksperimental memiliki tingkat kesesuaian yang baik dengan nilai prediksi teoritisnya,
dengan ralat relatif sebesar 3,619458206 % untuk sudut 5˚, 14,35653271 % untuk sudut 10˚, 12,21414301% untuk sudut 15˚, 6,386230059 % untuk sudut 20˚ dan 5,245900678 % untuk sudut 25˚.
4. Pengembangan Lebih Lanjut
Seiring kemajuan teknologi, alat ini masih perlu pengembangan untuk mendapatkan hasil eksperimen yang sangat valid. Sebelumnya alat ini dirancang hanya dengan dua lokasi sensor LDR dan LED yang disambungkan ke komputer yakni pada awal benda bergerak dan di akhir benda bergerak. Sensor tersebut sejatinya tidak hanya pada awal ataupun diakhir lintasan, melainkan disetiap lintasan diberi sensor 3 atau lebih sesuai dengan kebutuhan praktikan.
5. Kesimpulan
Berdasarkan percobaan pengaruh sudut terhadap percepatan benda pada bidang miring dapat disimpulkan bahwa percepatan benda pada bidang miring dipengaruhi sudut elevasi antara bidang miring terhadap bidang datar. Semakin besar sudut elevasi bidang miring terhadap bidang datar, maka waktu yang dibutuhkan benda untuk mecapai titik akhir semakin singkat, sehingga bisa dikatakan percepatan benda semakin besar . Hasil eksperimental memiliki tingkat kesesuaian yang baik dengan nilai prediksi teoritisnya, dengan ralat relatif sebesar 3,619458206 % untuk sudut 5˚, 14,35653271 % untuk sudut 10˚, 12,21414301 % untuk sudut 15˚, 6,386230059 % untuk sudut 20˚ dan 5,245900678 % untuk sudut 25˚.
DAFTAR PUSTAKA
Foster B,2004. Fisika SMA Untuk Kelas X, Jakarta: Erlangga.
Giancoli, Douglas C..2001. Fisika Edisi Kelima Jilid 1. Jakarta: Erlangga. Vernier Software & Technology, 13979 S.W. Millikan Way, Beaverton, OR
97005-2886; http://www.vernier.com.
Young, H. D. dan Freedman, R. A. 2000. Fisika Universitas. Addison Wesley Longman : New York
