Laporan Praktikum Fisika Eksperimen - Penentuan Massa Jenis Benda Menggunakan Sensor Jarak
Sunday 23 December 2018
Laporan Praktikum Fisika Eksperimen – Hukum Archimedes adalah hukum yang dapat menentukan massa jenis suatu benda dengan memanfaatkan fluida. Bunyi hukum ini adalah “Suatu benda yang tenggelam seluruhnya ataupun sebagian dalam suatu fluida (zat cair) akan diangkat ke atas oleh sebuah gaya (gaya angkat) yang besarnya sama dengan berat fluida yang dipindahkan. Dengan konsep ini maka saya merancang sebuah alat yang dapat menentukan massa jenis suatu benda menggunakan sensor Ultrasonik berbasis Arduino. Metode yang digunakan yaitu mengukur beda ketinggian air dalam tabung sebelum dan setelah dimasukkan benda. Kemudian salah satu variabel yang telah diketahui sebelumnya adalah diameter tabung (yang diukur menggunakan jangka sorong) dan massa benda. Dari variabel yang diperoleh saat eksperimen berupa beda ketinggian air maka kita bisa memperoleh Volume Fluida (air) yang dipindahkan. Dan terakhir dari hubungan volume dan massa maka diperolehlah massa jenis benda. Baik untuk lebih jelasnya simak Laporan Praktikum Fisika Eksperimen - Penentuan Massa Jenis Benda Menggunakan Sensor Jarak berikut ini.
FISIKA EKSPERIMEN
PENENTUAN MASSA JENIS BENDA MENGUNAKAN SENSOR JARAK
A. PELAKSANAAN PRAKTIKUM
1. Tujuan Praktikum
Menentukan massa jenis benda mengunakan sensor jarak.
2. Waktu Praktikum
(Hari, tanggal Bulan Tahun)
3. Tempat Praktikum
Lantai II, Laboratorium Fisika Dasar, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Alam.
B. ALAT DAN BAHAN PRAKTIKUM
1. Alat-alat Praktikum
a. Satu Set Arduino (1 buah)
b. Satu Set Disain Alat Penentu Massa Jenis (1 buah)
c. Sensor jarak (HC-SR04) (1 buah)
d. Software LabView 8.5 (1 buah)
e. Tabung Iwaki Pyrex 2000 ml (1 buah)
2. Bahan-bahan Praktikum
a. Besi 450 grm (1 buah)
b. Besi 950 grm (1 buah)
c. Kuningan 500 grm (1 buah)
C. LANDASAN TEORI
Hukum Archimedes mengatakan bahwa ketika sebuah benda yang tenggelam seluruhnya atau sebagian dalam suatu fluida akan diangkat ke atas oleh sebuah gaya yang sama dengan berat fluida yang dipindahkan. Pada hukum archimedes, ada tiga keadaan sebuah benda dalam zat cair atau fluida, yaitu tenggelam, melayang, dan terapung. Ketika massa jenis zat cair atau fluida lebih kecil dari massa jenis benda (ρ benda > ρ fluida dan Fa < w), maka benda tengelam. Ketika massa jenis zat cair atau fluida sana dengan massa jenis benda (ρ benda = ρ fluida dan Fa = w), maka benda melayang. Ketika massa jenis zat cair atau fluida lebih besar dari massa jenis benda (ρ benda < ρ fluida dan Fa > w ), maka benda terapung. Massa jenis benda menyatakn kerapatan benda tersebut dimana besarnya massa jenis benda adalah massa benda dibagi volume benda (serway : 2004).
Dimana m adalah massa benda dan V adalah volume benda. Volume benda pada percobaan ini dicari mengunakan persamaan:
Dimana R adalah jari-jari tabung dan ∆h adalah beda ketinggian.
Tabel 1. Tabel massa jenis zat.
Sensor HC-SR04 adalah sensor pengukur jarak berbasis gelombang ultrasonik. Prinsip kerja sesnsor ini mirip dengan radar ultrasonik. Gelombang ultrasonik di pancarkan kemudian di terima balik oleh receiver ultrasonik. Jarak antara waktu pancar dan waktu terima adalah representasi dari jarak objek. Karakteristik Sensor HC-SR04 adalah batas ukur 2cm - 400cm, keakuratan 3 mm, sudut simpangan < 15 drajat dan input Tegangan 5 V.
Gambar 1. Sensor Ultrasonik HC-SR04
LabVIEW (singkatan dari Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench) adalah perangkat lunak komputer untuk pemrosesan dan visualisasi data dalam bidang akuisisi data, dan kendali instrumentasi. Pada percobaan ini LabVIEW digunakan untuk pemrosesan dan visualisasi data.
D. PROSEDUR PERCOBAAN
Pada prosedur pengambilan data digunakan aplikasi LabView yang terkoneksi dengan PORT arduino untuk pemrosesan dan visualisasi data. Selanjurnya diatur directory file tempat penyimpanan data pada labView, pada percobaan ini file disimpan di D:\data Fismen. Berikut adalah prosedur pengamblan data percobaan.
- Disipakan alat dan bahan yang telah di kalibrasi.
- Dimasukkan air kedalam tabung sebanyak 1600 mL (Perhatikan Gambar 2).
- Dibuka software LabView yang telah terkoneksi dengan PORT arduino.
- Dijalankan program LabView dengan mengklik Run.
- Disimpan file dengan nama data1-besi-450grm.txt sebagai data ditnggi awal sensor terhadap permukaan air (h0). Kemudian setelah 100 data klik stop.
- Dimasukkan besi bermassa 450 grm kedalam tabung dan klik Run ((Perhatikan Gambar 3).
- Disimpan file dengan nama data2-besi-450grm.txt sebagai data ditnggi akhir sensor terhadap 8. permukaan air (h1). Kemudian setelah 100 data klik stop.
- Diulangi langkah 4 sampai 7 untuk besi bermassa 950 gram dan kuningan bermassa 500 gram.
G. PEMBAHASAN
Berdasarkan teori nilai massa jenis besi adalah 7.87 grm/cm3 dan massa jenis kuningan adalah 8.4 grm/cm3. Sedangkan berdasarkan hasil eksperimen, diperoleh nilai massa jenis massa jenis besi bermassa 450 grm adalah 8.27 grm/cm3 dengan nilai error relatif 5.03 %, massa jenis besi bermassa 950 grm adalah 7.76 grm/cm3 dengan nilai error 1.38 % dan massa jenis kuningan bermassa 500 grm adalah 8.32 grm/cm3 dengan nilai error relatif 0.96 %. Perbedaan ini diakibatkan oleh resolusi sensor HCSR04 kurang tinggi dan dari hasil analisis data dapat dilihat bahwa nilai error terbesar terdapat pada besi bermassa 450 grm. Karena massa besi yang kecil mengakibatkan volume besi kecil, sehingga error pembacaan sensor tidak dapat dihindari. Sedangkan pada besi bermassa 950 grm volume besi besar sehingga nilai error sensor dapat diminimalisir.
Pada percobaan ini sensor HCSR04 dapat berkerja secara optimal pada jarak 11 cm – 20 cm dengan error rata-rata 0.25%, sedangka pada jarank yang lebih besar dari 20 cm dan lebih kecil dari 11 cm ( 11>h>20 ) error yang diperoleh cukup besar dengan error rata-rata 1.48%. Sehingga pada percobaan ini dipilih volume air pada tabung sebanyak 1600 mL agar jarak antara sensor dan permukaan air berada pada daerah kerja sensor. Diperoleh jarak rata-rata sensor dan permukaan air pada volume 1600 mL adalah 17.44 cm.
Benda yang digunkan dalam percobaan ini adalah logam (besi dan kuningan) dengan massa jenis yang lebih besar dari massa jenis air atau benda yang tengelam dalam air. Untuk massa jenis benda yang sama dengan massa jenis air atau melayang pada percobaan ini dapat digunakan, karena sensor hanya membaca beda ketinggian air dan benda tidak menghalangi pembacaan sensor. Sedangkan untuk benda yang massa jenisnya lebih kecil dari massa jenis air atau melayang pada percobaan ini tidak dapat digunkan, karena pada percobaan ini definisi ketinggian adalah jarak antara sensor dan permukaan air, sehingga pada kasus benda melayang sensor tidak dapat membaca ketinggian air karena terhalang oleh bagian benda yang tidak tercelup atau tengelam. Secara keseluruhan dapat dilihat bahwa praktikum ini berhasil dan sensor HCSR04 dapat digunakan sepagai alat penentuan massa jenis benda.
H. PENUTUP
1. Kesimpulan
Berdasarkan tujuan, hasil pengamatan dan alalisis data dapat disimpulkan bahwa:
- Sensor jarak dapat digunakan untuk menentukan nilai massa jenis benda, dimana massa jenis massa jenis besi bermassa 450 grm yang diperoleh adalah 8.27 grm/cm3 dengan nilai error relatif 5.03 % dan massa jenis besi bermassa 950 grm yang diperoleh adalah 7.76 grm/cm3 dengan nilai error 1.38 %, serta massa jenis kuningan bermassa 500 grm adalah 8.32 grm/cm3 dengan nilai error relatif 0.96 %. Disain alat percobaan ini sensor HCSR04 dapat berkerja secara optimal pada jarak 11 cm – 20 cm dengan error rata-rata 0.25%. Massa jenis benda yang dapat digunakan adalah massa jenis yang lebih besar dan sama dengan massa jenis air dan untuk massa jenis benda yang lebih kecil dari massa jenis air tidak dapat digunakan.
2. Saran
Untuk eksperimen kedepan sebaiknya mengunakan sensor ultrasonik jenis ping parallax dengan nilai keakuratan yang tinggi dan sebaiknya mengunakan massa logam yang sesar minimal 500 grm untuk meminimalisis error pembacaan sensor.
DAFTAR PUSTAKA
- Serway, R.A dan Jewett, Jhon W. 2004. Fisika untuk Sains dan Teknik. Jakarta: Salemba Teknika.
- Wikipedia. Massa Jenis. Diakses dari https://id.wikipedia.org/wiki/Massa_jenis , pukul 10:24 WITA, 9 Juli 2017.
LAMPIRAN
Lampiran 1 : Prosedur Kalibrasi Sensor HCSR04
Lampiran 2 : Prosedur Penggunaan Program LabView
Lampiran 3 : Kode Program Arduino
int trigPin=9; //Sensor Trig pin pada Arduino pin 9
int echoPin=7; //Sensor Echo pin pada Arduino pin 7
int myCounter=0;
double pingTime; //waktu tempuh sinyal
double jarak; //Djarak yang akan diukur
double js, js1;
double speedOfSound=340; //kecepatan suara
void setup() {
Serial.begin(9600);
pinMode(trigPin, OUTPUT);
pinMode(echoPin, INPUT);
}
void loop() {
digitalWrite(trigPin, LOW);
delayMicroseconds(2000);
digitalWrite(trigPin, HIGH);
delayMicroseconds(15);
digitalWrite(trigPin, LOW);
delayMicroseconds(10);
pingTime = pulseIn(echoPin, HIGH); //waktu tempuh dalam microceconds
pingTime=pingTime/1000000.0; // konversi microsecond ke second
jarak= speedOfSound * pingTime; //menghitung jarak
//membagi dua karena jrak sebnarnya adalah setengah waktu tempuh sinyal
jarak=jarak/2.0;
jarak= jarak*100.0; //konversi meter ke centimeter
if(jarak > 11.5){
js1 = (jarak + 0.9304)/0.977; // Hasil Kalibrasi Sensor
Serial.println(js1);
}
else{
js1 = (jarak + 0.9304)/0.977; // Hasil Kalibrasi Sensor
js = (js1 - 0.198)/0.98;
Serial.println(js);
}
delay(200);
}