## RANCANG BANGUN ALAT KONTROL ALIRAN FLUIDA UNTUK MENSIMULASIKAN HUKUM KONTINUITAS SEBAGAI MEDIA PEMBELAJARAN FISIKA
Jesi Pebralia 1
1 Program Studi Pendidikan Fisika, UIN Raden Fatah Palembang
jesi.pebralia_uin@radenfatah.ac.id

## Abstrak
Penelitian  ini  bertujuan  untuk  membuat  alat  kontrol  aliran  fluida  untuk  mensimulasikan  hukum  kontinuitas  sebagai media  pembelajaran  fisika.  Alat  kontrol  aliran  fluida  dirancang  menggunakan  perangkat  digital  berupa  mikrokontroller arduino  uno  dan water  flow  sensor yang  dirancang  secara  sistematis.  Penelitian  ini  menghasilkan  alat  kontrol  aliran fluida yang valid untuk mensimulasikan Hukum Kontinuitas yang dapat digunakan sebagai media pembelajaran fisika.
Kata kunci: aliran fluida, Arduino Uno, water flow sensor , Hukum kontinuitas.

## Abstract
This study aims to create a fluid flow control to simulate continuity law as a media for physics learning. Fluid flow control is  designed  using  a  digital  devices,  consist  of  two  main  components:  Arduino  Uno  microcontroller   and  a  water  flow sensor,  that  is  systematically  designed.  This  study  produces  a  valid  fluid  flow  control  to  simulate  the  Continuity  Law which can be used as a media for physics learning.
Key words: Fluid flow, Arduino Uno, water flow sensor, Continuity Law.

## صخل م
فده ت  هذه  ةس ارد لا  ى لإ  ءاش نإ  ةادأ  مك حت ل ل  ي ف  ق فد ت  ل ئاوس لا  ةا كاحم ل  نو نا ق  ة يرارمت س لاا  ةل ي س و ك  مل ع ت ل  ءا يزي ف لا.  م ت  مي مص ت  ةادأ مك حت لا  ي ف  ق فد ت  ل ئاس لا  مادخت س ا ب  زاهج  يم قر  ي ف  لك ش   مك حت م  ون يودرا  و نوا  رع ش ت س مو  ق فد ت  هاي م لا  يذ لا  م ت  همي مص ت  لك ش ب يجهن م.  جت ن تو  هذه  سارد لاة  ةادأ  مك حت ل ل  ي ف  ق فد ت  ل ئاوس لا  ةح لاص   ةا كاحم ل  نو نا ق  ة يرارمت س لاا  يذ لا  نك م ي  همادخت س ا  ةل ي س و ك  مل ع ت ل ءا يزي ف لا.
تامل ك ثحب لا: ق فد ت ل ئاوس لا ، ون يودرا و نوأ ، راع ش ت س ا ق فد ت هاي م لا ، نو نا ق ة يرارمت س لاا.

## PENDAHULUAN
Ilmu  fisika  merupakan  salah  satu bidang  keilmuwan  yang  wajib  diajarkan  pada pendidikan  dasar  dan  menengah.  Pada pendidikan  dasar  ilmu  fisika  diajarkan  secara terintegrasi  dengan  ilmu  biologi  dan  kimia melalui  mata  pelajaran  ilmu  pengetahuan alam (IPA). Sejalan dengan pendidikan dasar, pada  jenjang  pendidikan  menengah  pertama ilmu  fisika  juga  terintegrasi  dengan  bidang keilmuwan  biologi  dan  kimia  yang  diajarkan melalui  mata  pelajaran  ilmu  pengetahuan alam.  Pada  jenjang  pendidikan  menengah atas  ilmu  fisika  diajarkan  secara  khusus
melalui  mata  pelajaran  fisika  untuk  setiap siswa yang mengambil konsentrasi IPA.
Bidang  keilmuwan  fisika  mengandung ruang lingkup materi yang sangat luas. Ruang lingkup  ilmu  fisika  melingkupi  materi-materi skala  terkecil  yang  tergabung  dalam  kajian fisika  kuantum  sampai  materi-materi  pada skala  yang  sangat  besar  (kosmos)  yang tergabung  dalam  kajian  kosmologi.  Pada jenjang  pendidikan  dasar  dan  menengah ruang  lingkup  materi  yang  diajarkan  dalam ilmu  fisika  sebagian  besar  berkisar  pada hukum-hukum fisika yang ada dalam kehidupan sehari-hari seperti materi pengukuran, besaran dan satuan,  gerak lurus
beraturan (GLB), gerak lurus berubah beraturan  (GLBB),  gerak  melingkar,  hukum  I Newton, hukum II Newton, hukum III Newton, fluida statis dan fluida dinamis, kalor, getaran dan  gelombang,  kelistrikan  dan  kemagnetan, dan  lain  sebagainya.  Kemudian  terdapat sebagian  kecil  berkisar  pada  kajian  fisika kuantum  seperti  atom  dan  kajian  fisika  skala besar seperti planet dan lain sebagainya.
Mata pelajaran fisika seringkali menjadi mata  pelajaran  yang  dianggap  sulit.  Hal  ini disebabkan  adanya  kompleksitas  pada  setiap ruang  lingkup  materinya.  Sebagai  contoh untuk  memahami  materi  hukum  I  Newton, guru  sebagai  fasilitator  dapat  menjelaskan gambaran  umum  hukum  I  Newton  dengan cara  membuat  gambar  di  papan  tulis  dan kemudian  merumuskan  formula  matematis
terhadap materi tersebut. Dalam pembelajaran  konvensional,  rata-rata  guru menjelaskan  ruang  lingkup  materi  fisika
secara langsung menggunakan bahasa matematis  yang  rumit  tanpa  terlebih  dahulu menggambarkan konsep secara jelas terhadap  materi  yang  diajarkan.  Untuk mempermudah  dalam  menyampaikan  materi fisika  guru  dapat  menggunakan  berbagai macam  media  pembelajaran  seperti  gambar, simulasi  komputer,  simulasi  langsung,  dan lain sebagainya.
Studi analisis aliran air banyak dilakukan,  misalnya  dengan  menggunakan pipa  venturi  [1],  menggunakan  pendekatan sistem  dinamik  [2],  dan  lain  sebagainya. Beberapa penelitian sebelumnya telah mengembangkan  suatu  sistem  kontrol  untuk mendapatkan  debit  aliran  fluida  yang  stabil akan tetapi masih memilki kekurangan, seperti perhitungan  debit  masih  dilakukan  secara
manual.  Oleh  karena  itu  pada  penelitian  ini, dirancang sebuah alat yang dapat mensimulasikan  aliran  fluida  secara  digital menggunakan  sensor  aliran  air  ( water  flow sensor ) yang dikombinasikan dengan submersible pump .

## DESAIN PENELITIAN

## A.  Desain Kontrol Aliran Fluida
Tujuan  utama  dari  penelitian  ini  adalah mengembangkan  alat  peraga  aliran  fluida yang mana debit aliran tersebut dapat terbaca dan  di  atur.  Pengembangan  alat  peraga  ini terdiri  dari  2  tahapan,  yang  pertama  adalah perancangan  alat  pengatur  debit  aliran  fluida dan  tahapan  uji  coba.  Komponen  utama  dari perancangan debit aliran fluida terdiri dari 1.  Pompa air submersible
2.  Rangakaian pengatur Motor DC
3.  Mikrokontroler Atmega328p
4.  USB TTL
5.  Komputer PC
Pompa  air submersible berfungsi  untuk memompa  air  dari  tangki  silinder,  rangkaian pengatur motor DC  berfungsi untuk mengatur tegangan  masukan  pada  pompa  sehingga debit  aliran  fluida  dapat  disesuaikan  dengan keinginan, sedangkan mikrokontroler
Atmega328p yang digunakan untuk mengatur semuar proses pada sistem. Untuk menghubungkan  antara  mikrokontroler  dan komputer  PC  dapat  menggunakan  USB  TTL sebagai  alat  komunikasi  serial  antar  sistem dan  PC,  serta  PC  digunakan  sebagai  antar muka  sistem.  Blok  diagram  rancangan  debit aliran fluida ditunjukkan pada Gambar 1.
Gambar 1. Blok diagam rancangan pengatur debit aliran fluida.
Debit aliran fluida yang diinginkan diatur berdasarkan  bedasarkan  pulsa  PWM  yang diberikan  oleh  Atmega  328p  ke  pompa submersible . Sebelum dikirm ke pompa, pulsa yang diberikan diberikan tersebut akan diubah menjadi  tegangan  oleh  mikrokontroler.  Besar kecilnya  tegangan  yang  diberikan  ke  pompa akan  mempengaruhi  putaran  motor  pada pompa, akibatnya akan mempengaruhi banyaknya  air  yang  keluar  dari  pompa submersible .
B.  Proses Kalibrasi
Setelah  rangakaian  pengatur  tegangan berhasil  dilakukan,  maka  tahap  selanjutnya adalah proses kalibrasi. Desain kalibrasi yang akan dilakukan ditunjukkan pada Gambar 3.2. Proses kalibrasi ini bertujuan untuk mendapatkan  karakteristik  tegangan  dari Modul XL-4005  dan debit air yang keluar dari pompa.  Ketika  sistem  dihidupkan,  sinyal digital yang berasal dari PWM akan digunakan  sebagai  inputan  bagi  modul  XL- 4005.  Selanjuntya,  sinyal  ini  akan  diubah menjadi tegangan analog yang akan diteruskan menuju mikrokontroler Atmega328p.
Tegangan  yang  keluar  dari  modul  ini akan  diukur  setiap  tingkatan  sehingga  akan diperoleh  setiap  PWM  yang  dihasilkan terhadap  tegangan  output  dari  modul  XL- 4005.  Setelah  kalibrasi  tegangan  telah selesai, selanjutnya ialah kalibrasi debit aliran fluida.  Pada  tahap  kedua  ini,  tegangan  dari ouput  dari  rangkaian  modul  XL-4005  akan diterukan  menuju  pompa submersible .  pada pompa tersebut telah terpasang  sensor aliran fluida  yang  digunakan  untuk  membaca kecepatan  aliran  fluida  di  daam  pipa selanjutnya  akan  dihitung  banyaknya  volume air yang yang dihasilkan setiap waktu.
Gambar 2. Rancangan kalibrasi tegangan dan pompa
C.  Desain Eksperimen
Setelah perancagan pengatur tegangan berhasil  dilakukan,  maka  tahap  selanjutnya adalah  tahap  uji  coba.  Secara  umum rancangan  eksperimen  ditunjukkan  pada Gambar 3.3. Besarnya debit aliran fluida yang mengarir  pada  pompa  akan  dibaca  oleh sensor flow. Sensor flow ini bekerja berdasarkan banyaknya cacahan yang terjadi. Cacahan ini berasal dari medan magnet yang timbul  akibat  adanya  fluida  yang  mengalir melewati sensor. Banyaknya cacahan ini akan diterjemahkan  oleh  mikrokontroler  sebagai besarnya  debit  air  yang  berasal  dari  pompa
yang  mengalir  pada  pipa.  Selanjutnya, sebagai  penampung  air  digunakan  tabung silinder  sebagai  alat  untuk  mengukur  banyak volume yang air yang dihasilkan setiap waktu. Kemudian,  untuk  mengukur  waktu  selama proses  eksperimen  digunakan  stopwatch. Pada proses akhir, dibandingkan antara debit air yang berasal
dari pembacaan mikrokontroler dan perhitungan secara manual yang berasal dari tabung silinder.
Gambar 3. Rancangan eksperimen alat kontrol aliran fluida

## HASIL DAN PEMBAHASAN
A.  Rangkaian  Pengatur  Tegangan  untuk
Pompa Submersible
Pada  penelitian  ini,  peneliti  telah berhasil  membangun  sebuah  alat  kontrol aliran  fluida  dengan  menggunakan  sistem digital.  Rancang  bangun  alat  kontrol  aliran fluida untuk mensimulasikan hukum kontinuitas sebagai media pembelajaran fisika telah  berhasil  dilakukan.  Perancangan  ini meliputi  beberapa  tahapan.  Pertama-tama adalah  perancangan  kontrol  motor  DC. Kontrol  motor  adalah  komponen  sangat penting  karena  sabagai  komponen  utama dalam  alat  dan  bertugas  untuk  mengatur putaran  motor  pada  pompa submersible sehingga  keluar  aliran  air  menjadi  stabil. Kontrol  motor  DC  tersebut  terdiri  dari  modul XL4005 buck converter sebagai pengkonversi tegangan  yang  berasa  dari  catu  daya  ke tegangan  kerja  dari  pompa submersible .
Kemudian, agar rangkaian pengatur tegangan dapat  diatur  dengan  PWM,  maka  modul XL4005 dimodifikasi sedemikan rupa sehingga  dihasilkan  rangakaian  seperti  pada Gambar 4 di bawah ini.
Gambar 4. Rangkaian pengatur tegangan untuk pompa submersible
B.  Proses Kalibrasi Alat
Setelah  rangakaian  pengatur  tegangan telah  selesai  dibuat,  alat  kontrol  aliran  fluida ini  selanjutnya  diuji  validitasnya  dengan melakukan kalibrasi.
Gambar 5. Program  cvAVR
Pada mikrokontroler Atmega328p, diprogram  dengan  menggunakan  software cvAVR dengan tampilan seperi pada Gambar 5. Hasil kalirbasi tegangan terhadap duty cyle yang diberikan ditunjukan pada gambar 6.
Gambar 6. Data hasil kalibrasi tegangan (volt) terhadap duty cyle (%)
Berdasarkan  data  pada  Gambar  6, semakin  besar  nilai  pulsa  yang  diberikan semakin bersar pula tengangan yang dihasilkan  dengan  kenaikan  tegangan  secara liner  dari  0 –  12  volt  dengan  mengikuti persamaan  1  dengan  V  adalah  tegangan  (V) dan x adalah  ducy  cycle  (%)  dengan  R 2 = 0,999.  Berdasarkan  data  pada  Gambar  3, dapat  disimpulkan  bahwa  modifikasi  modul XL4005  buck  converter  sebagai  rangkaian pengatur  tegangan  telah  berhasil  dilakukan dan dapat dilanjutkan ke tahap selanjutnya.
Setelah  proses  kalibrasi  telah  selesai, selanjutnya  rangkaian  penagatur  tegangan dipasang  ke  pompa submersible untuk mengkarakterisasi  debit  aliran  fluida  yang dihasilkan  berdsasarkan  dutybcycle  0 –100%. Karakterisasi dilakukan dengan menyambungkan  keluaran  dari  rangkaian pengatur  tegangan  ke  tegangan  input  dari pompa submersible .  Hasil  karakterisasi  debit aliran fluida dari pompa submersible ditunjukkan pada Gambar 7.
Gambar 7. Karakterisasi debit aliran fluida dari pompa submersible
Pada  gambar  7  menunjukan  hasil karakterisasi  debit  aliran  fluida  yang  berasal dari  pompa  submesible.  Berdasarkan  pada gambar 4.4, duty cyle yang diberikan dari 0 – 30%,  pompa  tidak  memberikan  respon apapun.  Hal  ini  dapat  dilihat  dari  nilai  debit yang  dihasilkan  sebesar  0  L/menit.  Akan tetapi,  setelah  duty  cyle  telah mencapai lebih dari 30% mulai terdeteksi adanya aliran fluida. Hal  ini  berarti  pompa  submesible  memiliki tegangan  minimal  (treshold)  sebesra  3,49  V untuk  memompa  air.  Selanjutnya,  pada  duty cyclle  93 –  100%,  debit  aliran  fluida  tidak menunjukan adanya perubahan. Hal ini dapat dinayatakan  bahwa  pompa  submesible  telah mencapai  batas  maksimum  dari  tegangan kinerjanya  akibatnya  aliran  fluida  menjadi konstan  walaupu  tegangan  terus  ditingkatkan melalui  duty  cycle.  Berdasarkan  hasil  pada gambar  4.4  dapat  disimpulkan  bahwa  pompa submesible  yang  digunakan  dapat  digunakan untuk menghasilkan debit aliran fluida maskimum sebesar 12, 9 L/menit.
Proses  kalibrasi  dan  karakterisasi  telah dilakukan  maka,  pengujian  debit  aliran  fluida dapat  dilakukan.  Pengujian  dilakukan  dengan cara mengukur waktu pengisian fluida terhdapa  sebuah  selinder.  Kemudian,  hasil
0 20 40 60 80 100 0 2 4 6 8 10 12 14 D e b it (L /me n it) Duty Cycle (%) Debit 0 20 40 60 80 100 0 2 4 6 8 10 12 T e g a n g a n (Vol t) Duty Cycle (%) Tegangan Fit linier
pengkuran dibandingkan dengan berdasarkan hasil  perhitungan  secara  teori.  Pengujian dilakukan  dengan  variasi  volume  yang berbeda. C.  Percobaan Hukum Kontinuitas Menggunakan Alat Kontrol Aliran Fluida Hasil  percobaan  Hukum  Kontinuitas
menggunakan  alat  kontrol  aliran  fluida ditunjukkan ke dalam Gambar 8 di bawah ini. Pada gambar tersebut tampak bahwa besarnya  PWM  yang  diberikan  bersesuian dengan debit fluida yang dihasilkan.
Gambar 8. Hasil uji coba alat kontrol aliran fluida.
Pada  penelitian  ini,  uji  coba  kontrol aliran fluida  telah  berhasil  dikembangkan  dan dapat  dijadikan  sebagai  bahan  pembelajaran untuk  memperagakan  aliran  fluida  dalam sebuah  pipa.  Pengujian  telah  dilakukan dengan melakukan beberapa indikator volume air dengan cara memberikan debit aliran fluida tertentu  dan  dihitung  waktu  yang  diperlukan untuk mencapai volume air tersebut. Hasilnya ditunjukkan seperti pada Gambar  4.5. respon yang ditunjukkan oleh pompa air sangat baik. Hal  ini  dapat  dilihat  bahwa  garis  interpolasi data yang terbentuk berbentuk linier.
Simpangan hanya terjadi pada beberapta titik yaitu  pada  detik  20,  30  dan  40.  Akan  tetapi,
simpangan yang terjadi sangat kecil sehingga data yang diperoleh masih dapat diterima.

## KESIMPULAN
Berdasarkan  hasil  dan  pembahasan  di atas, maka dapat disimpulkan bahwa:
1.  Rancang  bangun  alat  kontrol  aliran  fluida untuk  mensimulasikan  hukum  kontinuitas sebagai  media  pembelajaran  fisika  telah berhasil dilaksanakan.
2.  Alat  kontrol  aliran  fluida  berasal  dari modul  XL-4005  buck  converter  yang dimodifikasi.  Alat  kontrol  ini  digunakan untuk  mengontrol  tegangan  pada  pompa submersible  sehingga  aliran  fluidanya dapat  disesuaikan  dengan  keinginan.
Sedangkan
pompa submersible digunakan  untuk  mengalirkan  fluida  ke pipa.
3.  Hasil uji coba menunjukkan bahwa respon pompa  sangat  baik  karena  data  yang dihasilkan berbentuk linier.

## DAFTAR PUSTKA
[1] Abidin, K., dan Wagiani, S. 2013. Studi Analisis Perbandingan Kecepatan Aliran Air melalui Pipa Venturi dengan Perbedaan Diameter Pipa. Jurnal Dinamika hal: 62-78, Vol.04, No.1.
[2] Sutoyo, Edi. 2016. Simulasi Aliran Fluida melalui Pendekatan Sistem Dinamik. Jurnal Ilmiah Teknik Mesin, Vol.02, No.02.
[3] Hadi, Sutrisno. Analisis Regresi. Yogyakarta: Andi.
[4]Mukhaiyar,  Utriwenni.  2011.  Regresi  Linier
Sederhana dan Korelasi.
0 10 20 30 40 50 60 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Volume Pengukuran Fit Linier Vol ume Pen gu ku ra n Waktu
https://personal.fmipa.itb.ac.id/utri weni/files/2011/08/11.-Regresi- Linear-Andat-Nov-11.pdf,  diakses pada 8 Oktober 2018.