Fisika untuk Hiburan 3 (Mekanika Dasar): Mengapa Roket Naik ke Atas?

Dalam artikel ini kita kembali mengupas tentang topik mekanika dasar dengan pertanyaan mengapa roket naik ke atas? yang merupakan sebuah lagi contoh yang menarik yang bisa dijelaskan dengan fisika untuk hiburan, yang semakin dibaca semakin menghibur.

Atas pertanyaan mengapa roket naik ke atas? (tentang penerbangan roket), bahkan dari para mahasiswa fisika mungkin sering terdengar penjelasan yang sama sekali salah. Mereka mengklaim bahwa roket naik dengan mendorong dirinya menjauh dari udara dengan bantuan gas yang terbentuk dari pembakaran bubuk mesiu.

Kebetulan itulah yang dipikirkan orang zaman dahulu, roket telah ditemukan sejak lama, dan banyak orang masih berpegang pada pandangan itu. Tetapi jika kita menembakkan roket di ruang hampa udara, roket itu akan terbang, dan bahkan lebih cepat daripada di udara. Penyebab sebenarnya dari penerbangan roket benar-benar berbeda.

Nikolai Ivanovich Kibalchich (19 Oktober 1853-3 April 1881), ahli bahan peledak utama Rusia keturunan Serbia-Ukraina yang juga pelopor roket, memberikan paparan yang sangat jelas dan sederhana tentang gerakan roket dalam catatan yang dia tulis, yang menggambarkan kendaraan terbang yang dia temukan.

Dalam penjelasan tentang desain roket yang akan digunakan sebagai senjata militer itu,  Kibalchich menulis: "Ke dalam sebuah silinder timah yang tertutup pada satu ujung dan terbuka pada ujung lainnya, dimasukkan sebuah silinder berukuran sama yang terdiri dari bubuk mesiu yang dikemas rapat dengan sebuah saluran di tengahnya.

Pembakaran dimulai pada permukaan saluran ini dan menyebar dalam jangka waktu tertentu ke permukaan luar bubuk mesiu yang dikemas. Gas pembakaran menekan ke setiap sisi, tetapi walaupun tekanan yang diberikan gas ke samping diimbangi, tekanan yang diberikan ke bagian bawah silinder timah tidak diimbangi oleh tekanan yang berlawanan, karena di sini gas memiliki outlet bebas. Dengan demikian tekanan ini mampu mendorong roket ke depan, ke arah di mana roket itu dipasang sebelum dinyalakan."

Hal yang sama terjadi ketika sebuah peluru ditembakkan dari pistol, peluru terbang ke depan, sedangkan pistol terdorong ke belakang. Jika pistol tertangguhkan di tengah udara dan tidak ada tempat untuk bersandar, setelah peluru ditembakkan, pistol itu akan bergerak mundur dengan kecepatan yang berkali-kali lebih kecil dari kecepatan peluru karena peluru lebih ringan daripada pistol itu sendiri.

Dalam novel fiksi ilmiah Jules Verne Upside Down (Terbalik), para pahlawannya bahkan berpikir untuk menggunakan mundurnya sebuah meriam yang sangat besar untuk melaksanakan proyek luar biasa "meluruskan poros bumi."

Roket juga merupakan sebuah pistol, tetapi alih-alih menembakkan peluru, roket  menghasilkan ledakan gas pembakaran.

Inilah yang menjelaskan tentang putaran yang disebut roda Catherine yang mungkin Anda lihat selama pertunjukan kembang api.

Ketika bubuk petasan yang menempel pada roda mulai terbakar, gas pembakaran mengalir keluar pada salah satu ujungnya, sedangkan petasan itu sendiri dan roda tempat petasan melekat berputar ke arah yang berlawanan. Sebenarnya, ini hanyalah modifikasi dari perangkat fisika terkenal yang disebut roda Segner.

Anehnya, sebelum kapal uap ditemukan, ada sebuah proyek untuk kapal yang digerakkan secara mekanis berdasarkan prinsip yang sama. Idenya adalah untuk mengeluarkan semburan air melalui pompa kuat yang dipasang di buritan, sehingga mendorong kapal ke depan.

Proyek ini tidak direalisasikan pada saat itu, tetapi membantu Fulton untuk menemukan kapal uapnya. Namun, saat ini, kapal dengan jet air seperti itu telah dibuat.

Mesin atau turbin uap tertua di dunia, yang menurut legenda ditemukan oleh Heron dari   Aleksandria (sekitar 200 SM). Sumber: buku Physics for Entertainment, Book 2, hlm. 24.

Kita juga tahu bahwa mesin uap tertua, yang ditemukan oleh Heron dari Aleksandria pada abad ke-2 SM, didasarkan pada prinsip yang sama. Uap dari ketel (lihat gambar di atas) bergerak sepanjang pipa ke dalam bola yang dipasang pada bidang horizontal. Tersembur keluar dari pipa siku, uap mendorong pipa-pipa ini ke arah yang berlawanan dan bola mulai berputar.

Sayangnya turbin uap Heron tetap menjadi mainan yang aneh, karena tenaga kerja budak sangat murah di masa lalu, sehingga tidak ada yang pernah memikirkan untuk mendapatkan manfaat praktis darinya. Namun prinsipnya tidak dilupakan dan saat ini diterapkan dalam pembuatan turbin jet.

Mobil penemuan Newton yang digerakkan oleh uap. Sumber: buku Physics for Entertainment, Book 2, hlm. 24.

Salah satu desain paling awal untuk mobil yang digerakkan uap berdasarkan prinsip yang sama berasal dari Isaac Newton, penulis hukum aksi dan reaksi.

Menurut Newton, uap yang berasal dari ketel yang dipasang pada roda, menyembur ke satu arah dan membuat ketel itu sendiri mundur ke arah yang berlawanan (lihat gambar di atas).

Kapal uap kertas mainan dengan ketel kulit telur. Sumber: buku Physics for Entertainment, Book 2, hlm. 25.

Panas disediakan oleh alkohol dalam kap. Uap yang dikeluarkan ketel kulit telur memaksa kapal bergerak ke arah yang berlawanan.

Mobil roket merupakan modifikasi modern dari kereta Newton.  Bagi Anda yang suka membuat sesuatu, gambar di atas menunjukkan kapal kertas yang menyerupai kereta Newton, memiliki ketel uap yang terbuat dari kulit telur kosong, yang dipanaskan dengan sepotong kapas yang dinyalakan yang direndam dalam alkohol dan ditempatkan dalam kap di bawah cangkang telur. Semburan uap dari cangkang mendorong "kapal" ke arah yang berlawanan. Ini adalah sebuah mainan yang sangat menarik.

Kepustakaan:
1. Perelman, Y., Physics for Entertainment, Book 2, Shkarovsky, A. (Transl.), Foreign Language Publishing House, Moscow, 1936.
2. Diary Johan Japardi
3. Berbagai sumber daring.

Jonggol, 25 Juli 2021

Johan Japardi