Aplikasi Ilmu Fisika dalam Sepeda Motor
Mempelajari sepeda motor juga memerlukan perhitungan fisika, beberapa besaran ukuran dipakai di bidang ini. Perhitungan fisika diperlukan untuk mengetahui; kapasitas mesin, volume silinder, perbandingan kompresi, kecepatan piston, torsi, tenaga, korelasi antara mesin dan kecepatan motor pada tiap posisi gigi dan daya dorong roda belakang dari sepeda motor, dll.
Kapasitas Mesin
Kapasitas mesin ditunjukkan oleh volume yang terbentuk pada saat piston bergerak keatas dari TMB ke TMA, disebut juga sebagai volume langkah. Volume
Aplikasilangkah dihitung dalam satuan cc (cm3). Rumus untuk menghitungnya adalah:
Keterangan
Contoh soal:
Brosur motor Suzuki Smash memuat data diameter silindernya 53,5 mm dengan langkah piston 48,8 mm, tentukan volume langkahnya.
Penyelesaian:
Diketahui : D = 53,5 mm
S = 48,8 mm
p = 3,14
Ditanya Volume langkah adalah...?
Jawab:
Jadi volume langkah dari motor Suzuki Smash tersebut adalah 109, 7 cc dibulatkan menjadi 110 cc.
Volume Ruang Bakar
Volume ruang bakar adalah volume dari ruangan yang terbentuk antara kepala silinder dan kepala piston yang mencapai TMA. Dilambangkan dengan Vc (Volume compressi)
Volume Silinder
Volume silinder adalah jumlah total dari pertambahan antara volume langkah dengan volume ruang bakar.
Rumusnya:
VS = Vl + VC
Keterangan:
VS= Volume silinder (cc)
Vl = Volume langkah (cc)
VC= Volume ruang bakar (cc)
Perbandingan Kompresi
Perbandingan kompresi adalah perbandingan volume silinder dengan volume kompresinya. Perbandingan kompresi berkaitan dengan volume langkah.
Bila dinyatakan dalam suatu rumus maka:
Besarnya perbandingan kompresi untuk sepeda motor jenis touring berkisar antara 8 : 1 dan 9 : 1. ini artinya selama lankgah kompresi muatan yang ada di atas piston dimampatkan 8 kali lipat dari volume terakhirnya. Makin tinggi perbandingan kompresi, maka makin tinggi tekanan dan temperatur akhir kompresi.
Efisiensi Bahan Bakar dan Efisiensi Panas
Nilai kalor (panas) bahan bakar perlu kita ketahui, agar neraca kalor dari motor dapat dibuat. Efisiensi atau tidak kerjanya suatu motor, ditinjau atas dasar nilai kalor bahan bakarnya. Nilai kalor mempunyai hubungan dengan berat jenis. Pada umumnya makin tinggi berat jenis maka makin rendah nilai kalornya. Pembakaran dapat berlangsung dengan sempurna, tetapi juga dapat tidak sempurna.
Pembakaran yang kurang sempurna dapat berakibat:
1.
Kerugian panas dalam motor menjadi besar, sehingga efisiensi motor menjadi turun, usaha dari motor menjadi turun pula pada penggunaan bahan bakar yang tetap.
2.
Sisa pembakaran dapat menyebabkan pegas-pegas piston melekat pada alurnya, sehingga ia tidak berfungsi lagi sebagai pegas torak.
3.
Sisa pembakaran dapat pula melekat pada lubang pembuangan antara katup dan dudukannya, terutama pada katup buang, sehingga katup tidak dapat menutup dengan rapat.
4.
Sisa pembakaran yang telah menjadi keras yang melekat antara piston dan dinding silinder, menghalangi pelumasan, sehingga piston dan silinder mudah aus.
Efisiensi bahan bakar dan efisiensi panas sangat menentukan bagi efisiensi motor itu sendiri. Masing-masing motor mempunyai efisiensi yang berbeda.
Kecepatan Piston
Sewaktu mesin berputar, kecepatan Piston di TMA dan TMB adalah nol dan pada bagian tengah lebih cepat, oleh karenanya kecepatan piston diambil rata - rata. Dengan rumus sbb :
V = Kecepatan Piston rata-rata
L = Langkah (m).
N = Putaran mesin (rpm).
Dari TMB, piston akan bergerak kembali keatas karena putaran poros engkol, dengan demikian pada 2x gerakan piston, akan menghasilkan 1 putaran poros engkol, jika poros engkol membuat N putaran, maka piston bergerak 2LN. Karena dinyatakan dalam detik maka dibagi 60.
Gaya tekan putar pada bagian yang berputar disebut Torsi, sepeda motor digerakan oleh torsi dari crankshaft
Torsi = gaya x jarak
Makin banyak jumlah gigi pada roda gigi, makin besar torsi yang terjadi. Sehingga kecepatan direduksi menjadi separuhnya.
|
Panjang dari pemutaran (r) adalah disamakan dengan jarak dari crakkshaft ke
crank pin, ini berarti separuh dari langkah piston.
Gaya (F) yang dikerjakan pada pemutar disamakan dengan tekanan kompresi yang
dihasilkan oleh gas hasil pembakaran yang akan mendorong piston kebawah, oleh
karena itu torsi (T) berubah sesuai dengan besarnya gaya (F) selama r tetap.
Besarnya gaya F, berubah sesuai dengan perubahan kecepatan mesin ini berarti
dipengaruhi oleh efisiensi pembakaran, demikian juga T juga ikut berubah. Pada
kecepatan specifik torsi menjadi maximum. Ini disebut torsi maximum. Tapi
kenaikan kecepatan mesin selanjutnya tidak akan menaikan torsi.
|
Besarnya Torsi maksimum setiap sepeda motor berbeda-beda. Ketika sepeda motor bekerja dengan torsi maximum, gaya gerak roda belakang juga maximum. Semakin besar torsinya, semakin besar tenaga sepeda motor tersebut. Besarnya torsi biasanya dicantumkan dalam data spesifikasi teknik, buku pedoman servis atau dalam brosur pemasaran suatu produk motor.
Kerja rata-rata diukur berdasarkan tenaga akhir (Torsi dari crank saft menggerakan sepda motor, tapi ini hanya gaya untuk menggerakan sepeda motor dan kecepatan yang menggerakan sepeda motor tidak diperhitungkan. Tenaga adalah kecepatan yang menimbulkan kerja).
- Satuan tenaga
PS (Prerd strarke in Jerman) 1 PS - 75 Kg m/sec adalah tenaga untuk menggerakan obyek seberat 75 Kg sejauh 1 m dalam 1 secon (makin besar tenaga makin besar jurnlah kerja persatuan waktu).
- Perhitungan tenaga crankshaft
Untuk menghitung berapa kali pena engkol berputar bergerak oleh gaya specifik persatuan waktu (detik)
Kerja (Q)= Gaya (F) x jarak (r)
Torsi (T)= Gaya (F) x jarak (r)
Gaya (F)= Torsi (T) : jarak (r)
Jarak (r) yang ditempuh oleh perputaran crank pin permenit =2prN
-
Hubungan antara putaran mesin dan horsepower (Tenaga)
Tenaga mesin berubah-ubah tergantung dari torsi dan kecepatan putar mesin. Mesin dengan putaran tinggi, biasanya tenaga yang dihasilkan juga besar tapi jika putaran terlalu tinggi tenaga yang dihasilkan akan menurun. Jika pada putaran tertentu tenaga maksimum di hasilkan, maka hal itu disebut "Maksimum power".
|
Keterangan
|
SI (satuan)
|
|---|---|
|
Isi atau kapasitas mesin
|
1 L (1,000 cm3)
|
|
Tekanan
|
1 kPa (0,01Kg/cm2)
|
|
Tenaga
|
1 kW (1.360 PS)
|
|
Torsi
|
1 Nm (0,1 Kg.m)
|
Diagram Kemampuan mesin terdiri dari Engine performa diagram dan ring performa. Engine performa diagram, merupakan indikasi tenaga mesin, torsi, dan pemakaian bahan bakar yang dilihat dari putaran mesin. Dengan kata lain pada “Run ring performance curva diagram" diperlihatkan hubungan antara posisi Gear putaran mesin, Tenaga roda belakang dan hambatan pada saat berjalan dari saat sepeda motor berjalan. Dengan membaca performance curva, dapat dilihat kemampuan dan kelebihan suatu sepeda motor.
Gambar 1.2 Diagram
kemampuan mesin
Tenaga mesin dan kurva torsinya menggambarkan
karakteristik mesin. Ketika putaran mesin berada dalam range yang powernya
maksimum dan kurva torsinya lebar, dan terjadi pada putaran mesin yang rendah,
mesin ini bertipe mesin-mesin putaran rendah. dan sangat bertenaga pada putaran
menengah, singkatnya mesin ini cocok untuk kendaraan jalan raya. Dan jika puncak
kurva torsinya lebih sempit dan terjadi saat putaran yang lebih tinggi, mesin
ini bertipe mesin putaran tinggi dan sangat cocok untuk mesin motor sport/balap.
Secara umum, jika mesin dengan kurva torsi
yang lebih tinggi dan yang lebih rendahnya terjadi pada putaran normal/midle
mudah dalam penggunaannya. Sebaliknya, jika ada perbedaan yang cukup besar
torsinya dalam putaran mesinnya atau jika torsi max-nya terjadi pada putaran
tinggi, akan lebih sulit dalam penggunaannya/pengoperas iannya.
Gambar 1.3 Diagram
karakter mesin
Contoh :
dalam kurva torsi diatas, saat YB 50 dan RZ 50 dibandingkan, YB 50 menunjukkanperforma yang lebih baik saat putaran dibawah 6500 rpm dan kurva itu bagus untuk penggunaan umum.
dalam kurva torsi diatas, saat YB 50 dan RZ 50 dibandingkan, YB 50 menunjukkanperforma yang lebih baik saat putaran dibawah 6500 rpm dan kurva itu bagus untuk penggunaan umum.
Konsumsi bahan bakar spesifik dan konsumsi bahan-bakar yang menunjukan berapa banyak kilometer yang dapat ditempuh oleh motor dengan 1 liter bensin. Dalam konsumsi bahan-bakar spesifik yang ditunjukkan adalah berapa gram dari bahan-bakar yang digunakan HP /jam secara umum efisiensi mesin tertinggi (konsumsi bahan-bakar spesifik terendah) terjadi dimana kurva power dan kurva torsinya samasama paling tinggi.
|
Garis vertikal menunjukan tenaga putaran pada roda belakang, hambatan, beban putaran, putaran mesin (rpm) dan garis horisontal kecepatan motor (km/jam) bersuian juga dengan posisi gigi transmisinya.
Dari diagram disebelah ini, dapat dilihat hubungan antara putaran mesin dan kecepatan motor untuk tiap-tiap posisi gigi transmisi, antara putaran mesin dengan daya putaran roda belakang. Daya putaran roda belakang adalah daya yang dibutuhkan untuk menaiki tanjakan/daya tanjakan maksimum dan kecepatan maksimum pada tiap-tiap posisi gigi.
|
Gambar 1.4 Diagram performa mesin saat berjalan
Korelasi Antara Mesin dan Kecepatan Motor Pada Tiap Posisi Gigi
Korelasi ini bisa dikualifikasikan dengan menyetahui reduksi ratio tiap giginya dan diameter roda belakang (diameter efektif ban/tire effective diameter)
Jika putaran mesin motor sekitar 400 rpm, kecepatan motor akan berkisar 10 km/h pada gigi 1, pada gigi 2 sekitar 17 km/h, pada gigi 3 sekitar 25 km/h dan pada gigi 4 sekitar 30 km/h. Jika putaran mesin ditambahkan 1000 rpm lagi menjadi 5000 rpm, tenaga dan torsi mesin juga meningkat, yang rnemungkinkan motor dapat menanjak/mendaki dan menghasilkan tenaga yang diperlukan.
Kecepatan maksimum praktis mesin adalah kecepatan yang dihasilkan ditiap posisi gigi. Pada motor YB 50 putaran mesin maksimum 7000 rpm. Kecepatan motor akan berkurang secara perlahan setelah melewati putaran 7000 rpm yang mengindikasikan putaran maksimumnya. Tetapi, ketika putaran mesin dinaikkan menjadi 8000 hingga 9000 rpm, kecepatan motor juga menunjukkan peningkatan, tetapi daya dorohg roda belakang berkurang bertahap dan sebenarnya kecepatannya tidak meningkat pada keadaan tersebut. Karena itu, pada pengetesan performa akselerasi mesin, putaran mesin dinaikkan pada nilai maksimumnya 7000 rpm pada gigi 4. Menaikkan putaran mesin sampai daya dorong roda belakang berkurang bertahap disebut "over revolution" dan dapat memperpendek umur mesin. Pada tachometer terdapat daerah peringatan untuk overreving ini.
Daya Dorong Roda Belakang Dan Tahanan Pada Saat Berjalan
Daya dorong roda belakang sama dengan gaya tarik-menarik roda belakang. Motor dapat maju kedepan, dengan adanya gaya tarik ini yang melawan gaya tahanan pada saat berjalan.
Tahanan adalah total dari
hambatan perputaran
(hambatan geseknya pada saat
ban berputar pada permukaan
jalan), hambatan udara
(hambatan angin pada saat
motor berjalan) dan hambatan
menanjak (pada saat mendaki).
Hambatan perputaran dihitung
dari hambatan gesekan ban,
berat motor. Hambatan angin
adalah hambatan dari bagian
depan motor, kecepatan motor.
Hambatan menanjak adalah
jumlah dari perhitungan sudut
kemiringan jalan dan berat kotor
dari motor.
Gambar 1.5 Diagram tahanan mesin pada saat berjalan
Daya dorong roda belakang adalah dari torsi mesin yang ditingkatkan dengan reduksi giginya, gearbox dan gigi sproket. Yang menyebabkan motor maju kedepan dan melawan gaya tahanan saat berjalan.
Gambar 1.6 Diagram dari daya dorong roda belakang
Hubungan antara daya dorong roda belakang dan gaya torsi adalah:
Dari kurva diagram kurva tenaga, nilai T dihitung "u" (efficiency transmission) tergantung pada posisi gigi, jenis kopling dan faktor lainnya. Contohnya, pada motor YB 50, besarnya "u" adalah 93 % pada gigi 2, 87% pada gigi 3 dan 85% pada gigi 4. Dari rumus diatas diketahui bahwa daya dorong roda belakang paling besar ketika torsi mesin juga maksimal. Karena itu motor YB 50 mencapai tenaga maksimum daya dorong.
Seperti yang ditunjukkan gambar diatas, daya dorong roda belakang dihitung dari torsi putaran crankshaft ditiap giginya dan seluruh ratio deselerasinya. Pada gambar, batas antara garis miring ditiap perubahan giginya (hubungan antara putaran mesin dan kecepatan motor) sehingga pu taran mesinnya pada saat tersebut membentuk garis vertikal pada kurva daya dorong roda belakang ditiap putarannya. Pada kurva berbentuk puncak seperti pada gambar, terlihat garis hambatan jalannya. Kecepatan yang mungkin pada posisi giginya. Dan yang dibawah kurvanya menunjukkan pengendaranya kurang enak, untuk posisi giginya.
Contoh, motor dapat menanjak pada gradien 15% pada gigi 3 tetapi tidak dapat menanjak pada gradien lebih dari 25%. Jika diturunkan pada gigi 2, dapat menanjak dengan mudah karena gradien lebih dari 20% pada gigi 2 untuk garis hambatan jalannya. Daya dorong maksimumnya adalah 70 kg saat putaran mesin 6000 rpm (dimana dihasilkan torsi maksimum) dan kecepatannya 15km/h. Pada saat ini dapat menanjak pada gradien 50% (tan 0,5=26,5) atau disebut juga daya tanjak maksimum tetapi dalam penggunaannya, daya tanjaknya ditentukan juga oleh jaraknya terhadap tanjakkan motor dapat menanjak pada kemiringan yang lebih curam, secara umum nilai gradien digunakan jika motor sudah berada pada kemiringannya. Seperti yang terlihat pada katalog , dimana ditentukan juga dari berat motor, koefisien friksi ban dan koefisien friksi jalan. Pada kasus YB50 nilainya =0,32, yaitu 18°. Ketika berjalan pada gigi 4, 30 km/H, daya dorong roda belakangnya 17,4 kg, dengan hambatan jalannya pada jalan rata 3,1 kg, selisih excess marginnya mempunyai daya dorong 14,3 kg. Semakin besar excess marginnya semakin besar kemampuan akselerasi dan kemampuan tanjaknya dan akselerasi sangat dipengaruhi oleh sudut pembukaan gasnya.
Perbatasan/pertemuan antara kurva hambatan jalan pada jalan datar dengan kurva daya dorong pada top gear (gigi 4th pada YB50) adalah kecepatan maksimum dari motor, pada YB50 sekitar 74km/h.
Semakin curam bentuk kurva daya dorongnya, karakteristik motor lebih
sporty/garang dan jika bentuk kurva daya dorongnya semakin rata/flat,
karakteristik motornya lebih mudah digunakan
Tidak ada komentar:
Posting Komentar