Roket Air

GAYA-GAYA YANG TERJADI PADA ROKET AIR

Roket air dapat meluncur karena terjadi beberapa gaya yang terjadi, antara lain:

Gambar 1. Gaya yang terjadi pada roket

1.     Thrust (gaya dorong)

Thrust  (gaya dorong) adalah gaya yang mendorong roket yang disebabkan oleh keluarnya air dan udara dari dalam botol yang bertekanan tinggi ke luar botol yang bertekanan lebih rendah.Thrust dapat dirumuskan:  

thrust = 2 * pressure * nozzle diameter

Thrust dalam satuan newton (N), tekanan dalam pascal (Pa) dan diameter nozzle dalam meter (m). Dari rumus tersebut dapat diambil kesimpulan bahwa gaya dorong dipengaruhi oleh besarnya tekanan dan diameter nozzle. Semakin besar tekanan makin besar gaya dorong, demikian juga makin besar diameter nozzle makin besar pula gaya dorong yang dihasilkan. Tetapi rumus tersebut hanya berlaku tepat pada saat roket mulai meluncur, saat roket sudah meluncur, tekanan dalam botol juga berkurang sampai tekanannya sama dengan tekanan udara di luar botol. Jadi rumus yang berlaku menjadi:

dimana F adalah thrust (gaya dorong), p adalah tekanan, v adalah kecepatan, A adalah luas penampang nozzle, m adalah massa/waktu.

f adalah perbandingan campuran air dan udara. Jadi secara spesifik dapat disimpulkan bahwa:

karena thrust berubah nilainya setiap waktu maka:

Dalam roket air, ada dua fluida yang digunakan sebagai bahan pendorong roket yaitu fluida yang dapat dikompresi yaitu udara dan fluida yang tidak dapat dikompresi yaitu air. Mengapa digunakan dua fluida? Sebenarnya jika hanya menggunakan udara saja roket tetap bisa meluncur, tetapi thrust duration (lamanya waktu gaya dorong) sangat cepat sehingga perlu fluida lain yang tidak dapat dikompresi sehingga thrust duration bisa lebih lama. Pada dasarnya semua fluida yang tidak dapat dikompresi dapat digunakan sebagai bahan pendorong, akan tetapi yang paling ekonomis adalah air.

Kembali pada inti masalahnya karena berat jenis air lebih berat daripada berat jenis udara, maka di dalam roket, air akan berada di bawah udara, tekanan udara mendorong air dan sebagian udara untuk keluar dari nozzle, setelah air habis maka sisa udara yang masih bertekanan akan keluar membentuk air-pulse yang memberikan thrust terakhir yang cukup besar. Perbandingan air dan udara mempengaruhi thrust duration roket. Selain itu ukuran nozzle dan tekanan udara juga sangat mempengaruhi. Thrust duration yang lama dapat diperoleh dari nozzle dengan lubang sempit, lebih banyak air dan tekanan udara yang rendah.

2.     Weight (gaya berat)

Weight (gaya berat) adalah gaya yang disebabkan oleh gaya gravitasi bumi.  Weight adalah gaya yang melawan gaya yang dialami roket waktu meluncur meninggalkan permukaan tanah.

pada saat roket akan meluncur beratnya mencapai berat yang maksimal karena masih menyimpan air dan udara didalamnya. Saat roket meluncur air dan udara juga keluar menimbulkan thrust, thrust berkurang bersamaan dengan turunnya tekanan udara didalamnya, sebagai kompensasi dari berkurangnya thrust, massa roket juga berkurang karena roket membawa air yang lebih sedikit, jadi percepatan yang dialami roket lebih besar karena thrust bekerja pada massa yang lebih ringan. Beban roket yang berat mempengaruhi kestabilan roket saat meluncur.

3.     Drag (hambatan udara)

Drag (hambatan udara) adalah gaya yang menahan laju roket di udara, yang disebabkan oleh bentuk roket, kepadatan udara, luas permukaan roket, kecepatan. Drag dapat dirumuskan sebagai berikut:

dimana drag diukur dalam satuan newton (N), Cd (coefficient of drag) suatu konstanta yang diberikan pada bentuk suatu benda, A adalah luas penampang melintang suatu roket (m²). Air density adalah kepadatan udara (kg/m³) biasanya sekitar 1.2kg/m³  dan kecepatan diukur dalam (m/s). Dengan rumus diatas menunjukkan, jika kita menambah kecepatan dua kali, maka drag akan bertambah pula sebanyak empat kali, jika mempercepat tiga kali maka hambatan udara akan sembilan kali lebih besar. Itulah sebabnya roket akan sangat sulit untuk melaju dengan kecepatan tinggi di udara.

Hambatan udara dapat diminimalkan  dengan cara mengurangi kecepatan roket, mengurangi kepadatan udara, memperkecil luas permukaan roket dan memperkecil Cd. Dari semua cara untuk memperkecil hambatan udara yang paling sederhana untuk dilakukan adalah memperkecil Cd, luas permukaan roket dan mengurangi kecepatan.

Memperkecil Cd dapat dilakukan dengan cara membuat bentuk roket lebih streamline, memperhalus permukaan roket, membentuk roket seperti bentuk tetesan air dengan demikian bentuk roket akan lebih aerodinamis. Mengurangi luas permukaan roket juga memperkecil hambatan udara, yaitu dengan memilih botol dengan diameter yang lebih kecil. Mengurangi kecepatan juga dapat dijadikan salah satu pilihan untuk mengurangi hambatan udara. Nozzle dengan lubang kecil akan mengurangi thrust, tapi thrust duration lebih lama, percepatan lebih terkontrol, kecepatan berkurang dan hasilnya hambatan udara berkurang, tapi roket akan membawa beban lebih lama dan lebih tinggi sehingga kestabilan roket juga berkurang.

4.     Lift (gaya angkat)

Lift (gaya angkat) pada roket memang terjadi tetapi tidak terlalu kelihatan seperti pada pesawat terbang. Jadi lift  hanya akan dibahas sedikit saja mengenai perbandingannya terhadap drag sebagai berikut:

harga L/D yang tinggi menyebabkan pemakaian bahan bakar ekonomis sehingga efisiensi tinggi, efisiensi tinggi dan ekonomis dalam pemakaian bahan bakar membuat jarak tempuh semakin jauh. Begitu pula sebaliknya.

5.     Center of Pressure (CP)

Center of pressure (CP) adalah titik pusat tekanan yang ditentukan oleh penjumlahan luas bagian-bagian roket dikalikan dengan jaraknya dari garis referensinya. Untuk lebih jelasnya perhatikan gambar dibawah ini

setiap komponen roket mempunyai luasan a_j dan terletak pada jarak tertentu d_j dari garis referensinya. Dapat dirumuskan sebagai berikut:

setiap roket memiliki cp, semakin jauh cp dengan garis referensi kestabilan roket semakin berkurang.

6.     Center of Gravity (CG)

Center of gravity (CG) adalah titik pusat gravitasi atau lebih dikenal dengan titik berat roket. CG ditentukan oleh penjumlahan jarak komponen roket dari titik referensi dikalikan dengan berat masing-masing komponen.

Rumusnya adalah:

kestabilan roket ditentukan oleh CP dan CG, semakin jauh CG dari CP maka roket akan semakin stabil.