Studi Awal Penentuan Frekuensi dan Koefisien Redaman Pegas...
Transcript of Studi Awal Penentuan Frekuensi dan Koefisien Redaman Pegas...
30 November2017
PROSIDINGSKF2017
Studi Awal Penentuan Frekuensi dan Koefisien
Redaman Pegas Menggunakan Sensor Magnetik pada
Smartphone
Nur Afifah Zen1, Ila Lailatun Sholihah1, Dadang Suhendra1 dan Ferry
Iskandar1,a)
1Laboratorium Listrik dan Magnet,
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Teknologi Bandung,
Jl. Ganesha no. 10 Bandung, Indonesia, 40132
a)[email protected] (corresponding author)
Abstrak
Osilasi sederhana seperti gerak pendulum dan osilasi pegas telah sangat umum dilakukan pada pratikum
fisika dasar. Kami telah berhasil mengembangkan praktikum osilasi teredam pada pegas dengan
memanfaatkan sensor magnet yang terdapat pada smartphone. Praktikum ini bertujuan untuk mengamati
gerak osilasi secara langsung yang ditampilkan melalui grafik dan menentukan frekuensi disertai konstanta
redaman. Perhitungan teori dilakukan menggunakan persamaan Lagrange kemudian dibandingkan dengan
hasil praktikum. Pegas yang digunakan memiliki konstanta pegas sebesar 3 N/m2. Hasil percobaan
menunjukkan bahwa nilai frekuensi pada grafik osilasi memiliki tingkat kesalahan relatif dibawah 10%
terhadap perhitungan teori. Sedangkan frekuensi pada osilasi pegas menghasilkan tingkat kesalahan relatif
sebesar 17,84 %. Hal tersebut dikarenakan gerakan pegas dipengaruhi oleh elastisitas pegas yang
menghasilkan konstanta redaman sebesar 0,1723.
Kata-kata kunci: Smartphone,osilasi pegas, frekuensi, konstanta redaman
PENDAHULUAN
Perkembangan teknologi Handphone atau telepon selular telah menjadi fenomenal sejak tahun 1990 [1].
Hampir 80% dari seluruh penduduk dunia sudah memiliki telepon seluler. Sistem operasi dari telepon seluler
sendiri semakin berkembang pesat dan dilengkapi oleh berbagai macam aplikasi yang dilengkapi sensor.
Telepon seluler yang dilengkapi sistem operasi modern lebih dikenal dengan istilah Smartphone. Android
merupakan salah satu sistem operasi smartphone yang paling banyak digunakan karena harganya relatif
terjangkau. Smartphone jenis ini telah memiliki spesifikasi sensor yang jarang diketahui kegunaannya oleh
masyarakat. Sensor-sensor yang terpasang didalamnya dapat digunakan untuk berbagai macam eksperimen
fisika sehingga dapat membantu media pembelajaran. Smartphone berbasis android merupakan salah satu
media pembelajaran fisika yang sedang berkembang. Penggunaan smartphone yang mayoritas dimiliki oleh
pelajar atau mahasiswa dapat dimanfaatkan dengan melakukan eksperimen fisika agar menjadi lebih mudah
dan murah baik di laboratorium maupun diluar laboratorium. Kemudahan untuk melakukan eksperimen akan
menumbuhkan minat bagi para pelajar dan pengajar untuk melakukan eksperimen dengan alat yang
sesederhana mungkin [2].
Beberapa aplikasi pada Android telah digunakan untuk eksperimen fisika diantaranya kamera digital,
webcam, optical computer mice, sensor Xbox Kinect dan video lain untuk pengendali konsol game. Akan
tetapi aplikasi ini membutuhkan perangkat khusus yang harus digunakan dan tidak banyak tersedia di
ISBN: 978-602-61045-3-3 285
30 November2017
PROSIDINGSKF2017
beberapa laboratorium fisika dasar. Sebelumnya, telah dilakukan eksperimen mekanik menggunakan sensor
accelerator [3] dan sensor cahaya[2]. Namun kelemahannya yaitu smartphone harus terpasang sebagai objek
peralatannya sehingga eksperimen kurang fleksibel. Dari peneltian tersebut, kami ingin melakukan penelitian
pemanfaatan aplikasi pada Android agar dapat digunakan secara fleksibel, akurat, mudah dan murah.
Dalam penelitian ini, kami memilih tema osilasi mekanik karena osilasi mekanik merupakan salah satu
topik penting dalam eksperimen fisika dasar dan telah ada penulis lain yang membahas tentang osilasi
mekanik [3] namun dengan menggunakan sensor yang berbeda. Osilasi sederhana seperti gerak pendulum
dan osilasi pegas sudah sangat umum dilakukan pada eksperimen fisika dasar. Namun untuk osilasi pegas
dengan simpangan beban dan sudut tertentu belum dilakukan menggunakan aplikasi Phyphox. Aplikasi
Phyphox dapat diunduh di PlayStore Android. Sehingga kami telah melakukan studi awal untuk menentukan
besar frekuensi dan faktor redaman pada osilasi pegas dengan memanfaatkan sensor magnet yang ada pada
smartphone berbasis android.
METODE
Percobaan dilakukan menggunakan smartphone Android RedMi A4, aplikasi Phyphox, pegas dengan
konstanta 3 N/m, beban magnet permanen berbentuk cincin 28,7 gram, tali dengan variasi panjang 12 cm, 15
cm, 20 cm, 25 cm dan 30 cm. Rangkaian percobaan dapat dilihat pada gambar 1.
Gambar 1.Rangkaian alat percobaan untuk (a) osilasi sederhana dan
(b) osilasi pegas.
Perhitungan secara teori juga dilakukan untuk mendukung hasil eksperimen. Gerak osilasi merupakan
gerak periodik benda yang diganggu dari titik keseimbangannya [4]. Gerak osilasi yang umum dan mudah
untuk dilakukan eksperimen yaitu gerak osilasi sederhana yang terjadi pada bandul sederhana dan pegas.
Periode dari gerak harmonik sederhana untuk pendulum dan pegas masing-masing dituliskan sebagai berikut
g
lT 2 , (1)
k
mT 2
. (2)
Persamaan (1) dan (2) merupakan persamaan periode dengan mengabaikan gaya gesek. Pada dasarnya,
setiap gerak osilasi pasti mengalami peredaman, sehingga gesekan pasti sangat berpengaruh terhadap faktor
redaman
(a) (b)
ISBN: 978-602-61045-3-3 286
30 November2017
PROSIDINGSKF2017
0
rrr q
F
q
L
q
L
dt
d
, (3)
Fungsi disipasi bandul sederhana dapat dituliskan
2
2
1rcF (4)
dengan
222
22222 cossin
lr
lr
, (5)
dan persamaan (4) menjadi
22
2
1clF , (6)
Dengan c merupakan konstanta redaman.
Dan persamaan lagrange didapatkan dari persamaan energi kinetik dan potensial
cos2
1 2 lmgmlVTL , (7)
Karena sudut θ kecil maka sin θ ~ θ, sehingga
0m
c
l
g
. (8)
Misalkan A2 =�̈�dan A = �̇� sehingga persamaannya menjadi
02 l
gA
m
cA . (9)
Koefisien redaman yaitu m
c
2 , frekuensi mula-mula tanpa redaman
l
g0 sehingga dapat
disimpulkan bahwa 0 underdamped,
0 overdamped dan 0 critically damped. Karena pada
kasus ini, frekuensi mengalami penurunan sehingga terjadi kasus underdamped. Konstanta redaman dapat
dituliskan
22
0 (10)
HASIL DAN DISKUSI
Perhitungan frekuensi dan periode untuk percobaan yang dilakukan dilakukan untuk variasi panjang tali
10 cm, 15 cm, 20 cm, 25 cm dan 30 cm.
Gambar 2. Nilai frekuensi pada osilasi sederhana.
ISBN: 978-602-61045-3-3 287
30 November2017
PROSIDINGSKF2017
Gambar 2 menunjukkan bahwa hasil eksperimen dan teori tidak jauh berbeda dengan tingkat kesalahan
relatif dibawah 10%. Akurasi eksperimen dapat dilakukan dengan menggunakan beban dan tali yang cukup
seimbang saat berosilasi. Semakin panjang tali yang digunakan dalam eksperimen menunjukkan semakin
menurun nilai dari frekuensi. Grafik yang diperoleh dari aplikasi Phyphox berupa medan magnet terhadap
waktu.
Selanjutnya dilakukan konversi grafik medan magnet terhadap waktu menjadi posisi terhadap waktu.
Percobaan dilakukan dalam 2 osilasi yaitu osilasi bandul sederhana dan osilasi bandul menggunakan pegas
yang disimpangkan. Kedua percobaan menggunakan panjang tali dan pegas yang sama yaitu 12 cm dan
beban magnet permanen 28,7 gram.
Gambar 3. Gerak osilasi teredam medan magnet terhadap waktu pada (a) bandul sederhana dan (b) pegas.
Gambar 3 menunjukkan bahwa keduanya mengalami redaman dan memiliki pola yang berbeda. Data
perhitungan dapat dilihat pada tabel 2.
Tabel 1. Data besar frekuensi dari grafik osilasi
Osilasi Frekuensi (Hz) Kesalahan relatif (%) Koefisien redaman
Eksperimen Teori
Bandul Sederhana 1,32 1,43 7,68 0,604
Pegas 1,18 1,43 17,83 0,172
Percobaan yang dilakukan mempunyai frekuensi yang berbeda dengan teori. Hasil frekuensi pada bandul
sederhana mempunyai kesalahan relatif terhadap teori kurang dari 10% sehingga dapat dikatakan akurat.
Sedangkan hasil frekuensi untuk osilasi pada pegas memiliki kesalahan relatif cukup jauh dari perhitungan
teori yaitu 17,83%. Hal ini disebabkan karena adanya faktor redaman dari pegas yaitu sebesar 0,172.
KESIMPULAN
Penggunaan Smartphone berbasis Android dapat mempermudah metode perhitungan frekuensi untuk
osilasi pegas yang disimpangkan pada sudut 10º. Aplikasi Phyphox memiliki menu magnetometer dimana
dapat merekam data gerakan osilasi beban magnet yang dipasangkan pada pegas. Hasil perhitungan frekuensi
pada osilasi bandul sederhana mempunyai tingat kesalahan relatif dibawah 10 %. Sedangkan frekuensi pada
osilasi pegas menghasilkang tingkat kesalahan relatif sebesar 17,84 %. Hal tersebut dikarenakan gerakan
pegas yang dipengaruhi keelastisitasan pegas. Faktor redaman pegas memiliki nilai sebesar 0,172.
REFERENSI
1. Jacqui L. Delaney, Egan H. Doeven, Anthony J. Harsant dan Conor F. Hogan Reprint of: Use of a
mobile phone for potentiostatic control with lowcost paper-based microfluidic sensors. Analytica
Chimica Acta 803 (2013) 123– 127
(a) (b)
ISBN: 978-602-61045-3-3 288
30 November2017
PROSIDINGSKF2017
2. J A Sans, F J Manj´on1, A L J Pereira1, J A Gomez-Tejedor and J A MonsoriuOscillations.Studied with
thesmartphone ambient light sensor.Eur. J. Phys. 34 (2013) 1349–1354
3. Juan Carlos Castro-Palacio, Luisberis Velázquez-Abad, Marcos H. Giménez, and Juan A. Monsoriu,
Using a mobile phone acceleration sensor in physics experiments on free and damped harmonic
oscillations. American Association of Physics Teachers. 2013.
4. Goldstein Poole dan Safko. “Classical Mechanics Third Edition”.Addison wesley2000 San Fransisko
Newoek
ISBN: 978-602-61045-3-3 289