Cara Kerja Roket & Analisis Persamaannya dalam Fisika ǀ Jenis Roket, Kekekalan Momentum, & Gaya Dorong

Roket adalah pesawat luar angkasa yang diluncur dengan misi tertentu. Variasi muatan roket juga bergantung pada misi tersebut. Muatan roket dapat berisi kargo, peluru kendali, satelit, atau manusia (astronot).

Roket yang meluncur untuk membawa satelit biasanya dikendalikan secara otomatis tanpa awak. Kali ini, kita akan membahas cara kerja roket dan analisis persamaannya dalam fisika.

Berikut gambar roket yang membawa astronot ke luar angkasa. Bagian roket yang diberi nomor satu adalah tempat kendali astronot. Sedangkan, bagian roket yang diberi nomor dua dan tiga adalah bahan bakar roket. Apakah roket bagian satu tidak membawa bahan bakar? Tentu, ia juga membawa bahan bakar.

Gambar 1.1. Bagian Roket dan Persamaan Hukum Kekekalan Momentum Roket
- klik gambar untuk melihat lebih baik -

Roket bagian dua adalah pendorong roket (rocket boosters). Ia akan jatuh terlebih dahulu ketika bahan bakar di dalamnya telah habis. Posisi jatuhnya akan diperkirakan berada dilaut sehingga tidak membahayakan.

Kemudian, roket bagian tiga adalah tangki eksternal (external tank) . Ia akan jatuh kemudian ketika bahan bakar di dalamnya telah habis juga. Bagian dua dan tiga akan jatuh sebelum roket benar-benar keluar atmosfer.

Lihat Video : Jenis Roket dan Cara Kerja Roket Sederhana

PROPULSI ROKET

Pada kehidupan sehari-hari, kita membutuhkan gaya gesek untuk bergerak (merubah posisi). Bayangkan kita berjalan maju di atas lantai yang licin. Kita hanya akan diam ditempat, bukan? Hal ini terjadi karena gaya gesek memberikan gaya reaksi yang sama besar dengan arah yang berlawanan sehingga kita dapat bergerak maju.

Sekarang, kita akan variasi sedikit gaya aksi-reaksi ini. Bayangkan seseorang berdiri di atas perahu yang mengapung di atas danau. Ia membawa pistol ditangannya. Saat pistol ditembakkan ke depan, perahu dan penembak terdorong ke belakang. Perahu bergerak mundur dan berpindah posisi.

Hal ini terjadi karena gaya aksi pistol yang diberikan pada peluru mengakibatkan gaya rekasi. Gaya reaksi peluru diberikan pada pistol yang terhubungan dengan penembak dan perahu.

Jika kita hubungkan gaya aksi reasi ini dengan momentum maka momentum awal harus sama dengan momentum akhir. Peluru yang diam dipistol diberi momentum sehingga ia bergerak dengan kecepatan tertentu.

Nilai momentum ini kekal sehingga momentum akan keluar dengan arah yang berlawanan dengan peluru. Hal ini mengakibatkan penembak dan perahu terdorong ke belakang.

Dengan konsep yang sama, roket bergerak di udara, baik di atmosfer atau luar angkasa yang hampa. Gas bahan bakar diberi momentum sehingga ia keluar dengan kecepatan tertentu. Hal ini mengakibatkan momentum keluar dengan arah yang berlawanan sehingga mendorong badan roket.

ANALISIS PERSAMAAN ROKET

Mula-mula, massa roket masih cukup besar walau bahan bakarnya sudah keluar sedikit untuk membuatnya bergerak dari keadaan diam. Massa roket besar karena terdiri dari kerangka roket dan bahan bakar yang cukup banyak. Gas bahan bakar keluar terus seiring kecepatan roket (v) yang terus meningkat hingga konstan.

Saat kecepatan roket semakin bertambah (Δv), massa roket-pun berkurang karena gas bahan bakar keluar dan digantikan dengan perubahan kecepatan (bertambah) yang diperoleh roket.

Gas bahan bakar yang semula merupakan bagian massa roket berpisah dengannya karena dikeluarkan untuk menggerakkan roket. Massa bahan bakar (Δm) yang keluar ini juga bergerak dengan kecepatan tertentu (ve). Arah kecepatan massa bahan bakar yang keluar sendiri berlawanan dengan kecepatan roket (v-ve).

Kecepatan keluarnya bahan bakar ini disebut dengan laju keluaran (exhaust). Semakin besar laju keluaran (kecepatan keluar bahan bakar) maka akan semakin laju roketnya (kecepatan roket) v=ve.

Gambar 1.2 Persamaan Propulsi Roket dalam Fisika
- klik gambar untuk melihat lebih biak -

Kita dapat memperhatikan beberapa hal dalam analisis roket di atas bahwa perhitungan dilakukan dengan kerangka acuan relatif terhadap bumi yang stasioner.

Momentum sistem adalah kekal tetapi energi kinetiknya tidak. Energi kinetik roket meningkat, sehingga nilai e bisa lebih dari satu atau kebalikan dari lenting tidak sempurna.

KETERANGAN PERSAMAAN

Persamaan satu menunjukkan bahwa hukum kekekalan momentum roket sebelum dan sesudah bahan bakarnya banyak berkurang karena merubah kecepatan roket.

Persamaan dua menunjukkan bahwa semakin besar laju keluaran bahan bakar, semakin laju pula kecepatan roketnya.

Persamaan tiga menunjukkan bahwa pengamat relatif terhadap bumi hendak mengukur besaran roket sesaat pada waktu tertentu. Dalam mengukur sesaat, selang waktu akan tetap muncul walaupun sangat kecil atau mendekati nol.

Persamaan empat menunjukkan bahwa persamaan integral sebelumnya dapat menghasilkan persamaan baru seperti yang ditunjukkan pada persamaan empat.

Persamaan lima menunjukkan bahwa gaya dorong atau daya dorong akan bertambah ketika laju keluaran (bahan bakar) bertambah dan laju perubahan massa bahan bakar yang keluar juga bertambah. Daya dorong yang dimaksud sendiri adalah gaya yang bekerja pada roket akibat gas yang keluar atau sederhananya adalah gaya reaksi.

Baca juga : Pusat Massa Beberapa Partikel (Benda) & Satu Partikel (Benda) ǀ Pengertian, Penurunan Persamaan, & Contoh Kasus

Cara kerja roket dapat dijelaskan dengan konsep tumbukan dengan koefisien restitusi lebih dari satu karena ia menggunakan bahan bakar, dimana kelajuan roket akan berbanding lurus dengan kelajuan keluarnya bahan bakar. Jenis roket sendiri bermacam-macam teragantung misi dari roket tersebut