Implementasi Instrumentasi untuk Penentuan Gravitasi (g)


IMPLEMENTASI INSTRUMENTASI DALAM PENENTUAN BESARAN GRAVITASI DI LABORATORIUM FISIKA FST UNDANA BERDASARKAN PRINSIP JATUH BEBAS

Ali Warsito, Desember 2005

ABSTRAK – Telah diimplementasikan instrumentasi berbasis teknologi komputer memanfaatkan peripheral interface PPI8255 dan piranti ADDA untuk menentukan besaran gravitasi di Laboratorium Fisika FST Undana berdasarkan prinsip jatuh bebas. Akurasi waktu dideklarasikan dengan Format DateTime(“hh:mm:ss.zzz) yang memiliki ketelitian sampai milliseconds. Untuk menguji tingkat akurasi digunakan dua metode pembanding yaitu perangkat free falls elektronik yang ada di laboratorium fisika dan komputasi numerik dari variasi normal gravitasi berdasarkan World Geodetic System 1984, yang memberikan harga gI terbaru berdasarkan kedudukan latitude laboratorium Fisika FST Undana. Penelitian ini memberikan nilai gravitasi 948,425163 cm/dt2 pada prosedur set piranti, dan lebih baik dibandingkan dengan prosedur set modul free falls elektronik, yaitu 920,9527949 cm/dt2. Sebagai referensi, akurasi komputasi numerik dari formulasi normal gravitasi 1984 menggunakan TPW1.5 adalah 978,09142647 cm/dt2.



1. PENDAHULUAN

Pemikiran tentang fenomena gravitasi telah ada sejak pertengahan 1960 yang dirintis oleh pemikiran Kepler dalam observasi tentang pergerakan planet, dan sampai saat ini tetap menjadi kajian yang aktual dengan formulasi normal gravity yang terbarukan. Yang kita kenal, besar percepatan akibat gravitasi bumi didalam literatur-literatur fisika dasar adalah 9,8 m/s2 atau 32,2 ft/s2, dengan satu digit angka dibelakang koma. Konversi lain adalah gal, singkatan dari galileo yaitu satuan gravitasi dalam sistem CGS yaitu 1 cm/s2, atau satuan gravitasi (gravity unit, gu) = 1×10-4 cm/s2 = 1×10-6 m/s2 yang digunakan di literatur geofisika.
Beberapa metode eksperimen berdasarkan prinsip dasar mekanika dapat digunakan untuk menentukan besaran gravitasi, diantaranya metode ayunan pendulum, peregangan pegas dan gerak jatuh bebas. Pada tataran aplikasi, prinsip mekanika tersebut banyak dipakai baik di laboratorium maupun di lapangan. Kelemahan dari pelaksanaan eksperimen yang telah berlangsung adalah tingkat akurasi data, yang dominan disebabkan human error dan teknis operasional peralatan manual.
Dunia modern mengakui dukungan teknologi perangkat lunak dan perangkat keras sebagai bagian integral revitalisasi sistem telah menciptakan proses yang lebih efisien dan efektif. Dengan telah berkembangnya terapan instrumentasi dan komputer tidak dapat dipungkiri bahwa pemanfaatan teknologi ini di dalam pengelolaan laboratorium menjadi kebutuhan, disamping untuk mendapatkan hasil eksperimen yang memiliki validitas tinggi.
Berdasarkan latar belakang tersebut diatas, maka dilakukan penelitian dengan tujuan untuk mendesain dan membuat set piranti pengukur besaran percepatan gravitasi bumi berbasis komputer memanfaatkan peripheral interface PPI8255 dan piranti ADDA untuk mengetahui besaran percepatan gravitasi bumi di titik laboratorium Fisika FST Undana Kupang.

2. MATERI DAN METODE

Lokasi dan Waktu Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Fisika FST Undana, Kampus Penfui, Kupang dari bulan Juni – Oktober 2005. Laboratorium Fisika terletak pada ketinggian ± 88m diatas permukaan air laut dengan koordinat geografis : 10o 09’ 23,6” atau 10,15655556o LS dan 123o 39’ 58,5” atau 123,66625o BT.

Peralatan Penelitian
Konfigurasi piranti penelitian seperti pada gambar 1. Konfigurasi pembanding adalah set modul free falls elektronik menggunakan counter timer, serta metode komputasi numerik dengan pemrograman TPW1.5.

Pelaksanaan Penelitian
Prosedur Pemrograman Antarmuka dan Perilaku Sinyal
Penanganan pemrograman antarmuka antara kartu PPI, DT-51 I2C ADDA dengan sensor optikal set, meliputi proses inisialisasi port, sinkronisasi clock, dan format transfer data. Untuk itu dibuat program memanfaatkan uses ASM pada bahasa pemrograman DELPHI 5. Penggalan program untuk proses baca tulis port untuk PPI8255, terlihat pada listing berikut:
Var Tmp : byte;
Begin
Tmp := Baca8255(PA);
If CheckBox1.Checked then
Tulis8255(PA,Tmp OR $1)
Else Tulis8255(PA, Tmp AND $FE);
Fungsi Baca8255(PA) dan Tulis8255(PA,Tmp OR $FE) adalah perintah untuk membaca atau menuliskan pada port A. Sedangkan untuk inisialisasi DT-51 I2C ADDA pada program DELPHI, terlihat pada listing sebagai berikut:
;—————————————
;Init ADDA Mode Routine
;Input : Mode,Channel,AutoInc,OutputEnb
; A <- Slave Address (0-7)
;Output : ADDACB,InitDone Flag
;—————————————
InitADDA: PUSH ACC
PUSH B
PUSH ACC
LCALL ChkMC
JNB MCOk,InitADDAbort
MOV B,#00H
XCH A,B
….
ChkAutoInc: JNB AutoInc,ChkOutputEnb
Data pewaktuan yang direcord oleh komputer pengendali pada dasarnya terimplementasi dari penggalan program berikut ini:
Date now2 = new Date();
long wDua = now2.getTime();
int msDua = (int) (wDua % 1000);
int sDua = (int) ((wDua/1000) % 60);
int mDua = (int) ((wDua/60000) % 60);
String millisecSatu =(msSatu<10 ? "00" : (msSatu<100 ? "0" : ""))+msSatu;
String secSatu = (sSatu<10 ? "0" : "")+sSatu;
….
Ketika sensor menerima sinyal gerak dari peluru yang dilepaskan maka sinyal akan konversi oleh DT-51 I2C ADDA dari sinyal analog menjadi sinyal digital, dan dikirimkan ke PPI8255, selanjutnya sinyal akan diterima oleh komputer pengendali. Pada jarak tertentu antar sensor yang merupakan representasi dari ketinggian (y), komputer pengendali akan menghitung nilai gravitasi begitu 2 sinyal input waktu t2 dan t1 terkirim dengan rumusan:

Prosedur Set Modul Free Falls Elektronik Laboratorium
Menggunakan set modul free falls yang dimiliki oleh Laboratorium Fisika. Berbeda dengan prosedur 1, pada prosedur 2 ini data diambil secara manual dengan percobaan secara langsung. Pencatatan waktu dilakukan oleh Counter Timer yang memiliki ketelitian millidetik

Referensi Komputasi Numerik Normal Gravitasi Bumi 1984
IAG mengadopsi Geodetic Reference System 1980 mengenai bentuk terbaru elips bumi yang menghasilkan World Geodetic System 1984, yang memberikan harga gI terbaru, yaitu:

Persamaan di atas disebut gravitasi teoritis (theoretical gravity) atau gravitasi normal (normal gravity).
Untuk membangkitkan data referensi yang diambil dari formulasi normal gravitasi 1984, ditulis program komputasi memanfaatkan TPW1.5 dengan pendekatan deret McLaurin untuk nilai sin latitude, yaitu:

3. HASIL DAN BAHASAN

Pada jarak terdekat antar sensor 31,5 cm dan yang terjauh sebesar 51,5 cm, komputer pengendali pada prosedur set instrumentasi memberikan waktu tempuh antara 0,126 detik s/d 0,196 detik, dan dengan 10 variasi jarak didapatkan nilai gravitasi dalam interval antara 907.2229644 cm/dt2 s/d 990.3378521 cm/dt2.
Set modul free falls elektronik laboratorium dengan parameter yang sama dengan prosedur pertama, didapatkan nilai gravitasi terendah adalah 812,1184277 cm/dt2 dan tertinggi 989,3090187 cm/dt2.
Data referensi berdasarkan formulasi normal gravitasi 1984 didapatkan dengan me-running program Ngrav198.pas dengan default 17 iterasi yang memberikan nilai normal gravitasi 9.7809142647E+00 m/dt2 atau 978,09142647 cm/dt2.

Prosedur pertama dengan set instrumentasi memberikan hasil g=948,425163 cm/dt2. Nilai gravitasi ini representatif jika dikaitkan dengan penggunaan set instrumentasi yang memiliki resiko akurasi dengan adanya drift dan error kontrol. Walaupun disisi lain penggunaan otomatisasi komputer telah diterapkan, tetapi sisi sinyal elektronik yang bersifat analog tetap memegang potensi kesalahan. Ada beberapa hal yang menjadi penyebab selain faktor diatas, diantaranya adalah tingkat akurasi pewaktuan dalam skala millidetik yang seharusnya bisa ditingkatkan sampai microdetik.
Prosedur kedua dengan set modul free falls elektronik laboratorium, memberikan hasil g=920,9527949 cm/dt2. Hasil ini bisa difahami untuk proses operasi set piranti yang seutuhnya manual dan elektronik. Hal ini tercermin dari hasil nilai gravitasi yang lebih rendah dari prosedur pertama.
Pada pelaksanan prosedur pertama dan kedua lebih dimungkinkan faktor koreksi gravitasi menjadi penyebab ketidakakuratan proses pengambilan data. Hal yang harus lebih diantisipasi untuk tindakan penelitian gravitasi kedepan.
Prosedur ketiga dengan komputasi numerik berdasarkan formulasi normal gravitasi 1984, memberikan paling baik, baik dari aspek akurasi, maupun kemudahan didalam membangkitkan data gravitasi, dan memberikan nilai g=978,09142647 cm/dt2. Hal yang sebenarnya sangat berpotensi untuk dijadikan referensi acuan sistem piranti gravitimeter. Faktor koreksi gravitasi berdasarkan latitude secara maksimal akan bisa direduksi dengan penggunaan formulasi ini.

4. SIMPULAN
Berdasarkan hasil penelitian, dapat disimpulkan, bahwa:
1. Nilai gravitasi dari ketiga prosedur penelitian yang telah dilaksanakan memberikan pendekatan yang cukup baik, yaitu set instrumentasi memberikan hasil g=948,425163 cm/dt2, set modul free falls elektronik laboratorium, memberikan hasil g=920,9527949 cm/dt2, dan komputasi numerik berdasarkan formulasi normal gravitasi 1984, memberikan nilai g=978,09142647 cm/dt2.
2. Kelemahan pada prosedur pertama dan kedua, lebih disebabkan oleh aspek drift instrument dan koreksi gravitasi yaitu kondisi spesifik saat pengambilan data.

DAFTAR PUSTAKA
Alonso and Finn, Fundamental University Physics. Volume 1 Mechanics and Thermodynamics. Addison Wesley, 1980.
Curtis, D.J., 1997. Process Control Instrumentation Technology. Fifth Edition, Prentice Hall International Inc.
Jeffreys, Introduction To geophysics. John Wiley & Sons, 1988
Kadir, A., 2002. Dasar Pemrograman Delphi 5.0. Jilid 2, Andi Offset, Yogyakarta.
Snell, R., 1999. Web Based Device Monitoring and Control. Intelligent Instrumentation Inc.,Tucson,Az USA.
Symon, Keith R,. Mechanics. 3rd ed. Reading,Mass , Addison Wesley, 1971
Zajac, Alfred, Basic Principles and Laws of Mechanics. Boston, D.C. Heath, 1966

Tentang alifis

penyuka ilmu, baik yang remah2 atau terkuantisasi. penikmat hidup dalam aliran harmoni dan ketenangan.... penikmat tantangan dalam dinamisasi dan idealisasi....
Pos ini dipublikasikan di Artikel Fisika Q dan tag , , , . Tandai permalink.

Tinggalkan Balasan

Isikan data di bawah atau klik salah satu ikon untuk log in:

Logo WordPress.com

You are commenting using your WordPress.com account. Logout / Ubah )

Gambar Twitter

You are commenting using your Twitter account. Logout / Ubah )

Foto Facebook

You are commenting using your Facebook account. Logout / Ubah )

Foto Google+

You are commenting using your Google+ account. Logout / Ubah )

Connecting to %s