Prinsip Kerja Speedometer

PRINSIP KERJA SPEEDOMETER

Berawal dari tugas mata kuliah Alat Ukur dan Pengukuran yang kebetulan ane dapat topik tentang alat ukur kelajuan kendaraan yaitu speedometer. Awalnya terfikir kalau topik ini tergolong mudah karena speedometer merupakan komponen yang tak asing dalam kehidupan sekarang bahkan sangat familiar karena di setiap kendaraan bermotor pasti ditemukan alat ini. Namun ternyata prinsip speedometer tak semudah untuk menemukannya. Setelah ane cari di referensi buku dan internet pun sangat sulit, walaupun ada tidak menjelaskan secara keseluruhan. Nah inilah dia kira-kira prinsip kerja speedometer yang bisa ane himpun sedetail

 Alat – alat ukur fisika biasanya antara tipe analog dengan digital memilki prinsip kerja yang sama, hanya saja pada alat digital terdapat alat converter dari analog ke digital. Namun berbeda dengan speedometer, prinsip kerja antara speedometer analog dengan speedometer digital  sangatlah berbeda. Pada speedometer analog menggunakan prinsip induksi elektromagnetik dan pada speedometer digital dengan menggunakan perhitungan sensor magnetik atau sensor optik. Untuk itu penjelasan mengenai prinsip kerja dari speedometer analog dan digital akan saya pisahkan. Selain itu juga akan dibahas sedikit mengenai alat pengukur kecepatan modern yang menggunakan bantuan satelit yaitu GPS.

Prinsip kerja dari speedometer analog tidaklah berubah dari awal penemuannya sampai sekarang, yaitu dengan menggunakan prinsip induksi elektromagnetik. Perbedaannya dari speedometer pertama yang dibuat oleh Otto Schulze adalah pada penghubungannya dengan poros putar. Speedometer yang dibuat oleh Otto Schulze terhubung pada putaran mesin sedangkan speedometer sekarang umumnya dihubungkan dengan poros roda depan kendaraan. Komponen dan struktur alat serta kinerjanya akan dijelaskan di bawah ini.

Pada poros roda depan suatu kendaraan bermotor dipasang sebuah gear (roda bergigi) yang ikut berputar bersama putaran roda kendaraan. Gear ini terhubung dengan gear kedua yang memutar sebuah kabel baja fleksibel berbentuk persegi yang menghubungkan putaran poros roda ke bagian belakan dari speedometer. Karena kabel ini fleksibel kedudukannya dalam sebuah pembungkus membuat kabel ini mampu berputar dengan kecepatan ekivalen dengan kecepatan putaran roda kendaraan.

Kabel yang berputar tersebut terhubung dengan bagian belakang speedometer. Di sini terdapat sebuah magnet permanen yang dipasang di ujung kabel baja yang berputar. Sehingga ketika kabel berputar, magnet permanen tersebut ikut berputar dengan kecepatan putar yang sama dengan putaran roda kendaraan.

Diluar magnet ini terbungkus oleh sebuah tabung/ mangkuk  terbuat dari bahan alumunium yang dinamakan dengan speed cup. Mangkuk ini tidak terhubung dengan magnet dan dapat bergerak. Pada mangkuk ini dihubungkan jarum penunjuk skala (pointer) yang akan menunjukkan hasil pengukuran pada papan skala. Namun putaran dari mangkuk dan pointer ini tidak terlalu bebas karena terikat pada  sebuah pegas  lentur. Pegas inilah yang menahan putaran mangkuk maupun pointer sehingga dapat menunjukkan nilai tertentu pada skala.

Dan selanjutnya di bagian muka dari speedometer terdapat skala nilai. Satuan skala yang dipergunakan biasanya dalam kilometer per jam atau mil per jam. Angka – angka penunjuk biasanya dimulai dari nol sampai dengan 180 atau 200 km/jam. Dari penunjukan skala inilah pengemudi dapat langsung membaca hasil pengukuran speedometer. Jika pada speedometer yang ditunjuk adalah skala 20 km/jam maka nilai kelajuan kendaraan tersebut adalah 20 km/jam, sehingga pengemudi tidak lagi harus mengkalibrasikan atau menghitungnya lagi.

Putaran kabel speedometer yang terhubung ke roda depan kendaraan memutar sebuah magnet permanen di dalam speed cup. Dengan berputarnya magnet ini mengakibatkan terjadinya perubahan medan magnet pada speed cup yang terbuat dari bahan konduktor, yaitu alumunium. Perubahan medan magnet ini yang kita kenal sebagai fluks magnetik yang terjadi pada sebuah konduktor berdasarkan hukum elektromagnetik akan menimbulkan GGL (Gaya Gerak Listrik) induksi pada konduktor tersebut.

Karena adanya perubahan fluks magnet pada speed cup maka electron valensi pada alumunium akan bergerak karena timbulnya ggl induksi sebesar ε = -∆ϕ_m/∆t. Namun gerakan arus ini hanya berupa pusaran karena tidak adanya rangkaian listrik, arus ini dikenal sebagai Eddy Current (Arus Eddy) atau arus pusar. Arus ini memiliki arah yang tegak lurus dengan arah datangnya medan magnet namun hanya berupa pusaran – pusaran kecil pada titik – titik di bagian speed cup.

Berdasarkan Hukum Lenz, GGL induksi dan arus induksi memiliki arah sedemikian rupa sehingga melawan muatan yang menghasilkan GGL dan arus induksi tersebut. Dalam arti lain bahwa arus pusar yang terjadi pada speed cup akan memberikan medan listrik yang melawan medan magnet yang diberikan, sehingga timbullah gaya dorong dari medan listrik speed cup yang mendorong medan magnet permanen.

Hukum Lenz sendiri merupakan penjelasan tentang konsep kekekalan energi pada induksi elektromagnetik. Ketika suatu bahan konduktor menerima sejumlah fluks magnetik ϕ maka akan timbullah GGL induksi dan arus induksi. Dengan adanya arus induksi ini mengakibatkan timbulnya medan dan fluks induksi ϕ_ind. Jika arah fluks induksi ini searah dengan arah fluks utama dari medan magnet permanen, maka penambahan perubahan fluks ini akan menambah besarnya usaha atau energi pada GGL itu sendiri. Dengan seperti itu maka ketika magnet berhenti bergerak sekalipun, perubahan fluks pada konduktor akan tetap ada dan semakin besar akibat dari adanya fluks induksi tadi. Tentunya hal ini akan menyalahi hukum kekekalan energi, bahwa energi itu tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan namun hanya dapat berubah bentuk.

Pernyataan hukum Lenz di atas menjelaskan jalannya arus sedemikian rupa sehingga akan timbul fluks listrik induksi yang berusaha meniadakan fluks magnet yang masuk. Dengan demikian setiap berubahan fluks baik bertambah atau berkurang akan terus disetimbangkan oleh fluks induksi yang terbentuk. Ketika fluks magnet bertambah maka fluks induksi (fluks listrik) akan berusaha menghilangkan pengaruh fluks magnet dengan arah yang berlawanan. Dan ketika fluks magnet dikurangi maka fluks induksi akan memiliki  arah yang sama dengan arah fluks magnetnya.

Selain itu hukum Lenz juga memberikan gambaran arah arus yang terbentuk. Menurut aturan tangan kanan jika arah ibu jari merupakan arah dari medan listrik, maka keempat jari yang dilipat akan menunjukkan arah arus listrik yang terbentuk. Gambar di atas memperlihatkan bagaimana hubungan antara medan magnet, arus  listrik dan juga medan induksi atau medan listrik. Gambar ini juga memperlihatkan arah dari medan listrik yang berlawanan dengan medan magnetiknya.

Dengan timbulnya medan magnet yang saling tolak – menolak tersebut mengakibatkan speed cup berputar seolah – olah mengejar ketertinggalannya dari putaran magnet. Namun speed cup tidak dapat berputar sepenuhnya karena tertahan oleh pegas yang melekat pada speed cup. Dengan demikian jarum penunjuk yang juga melekat pada speed cup dapat menunjukkan angka tertentu pada dial atau papan skala.

Semakin cepat kendaraan bergerak maka semakin besar kecepatan putaran magnet, dengan demikian akan menimbulkan perubahan fluks magnetik yang juga semakin besar. Dengan demikian akan timbul fluks – fluks induksi yang semakin besar juga untuk mengimbangi besarnya fluks magnetik yang diberikan. Maka daya yang terjadi antara interaksi ini juga akan besar sehingga menyebabkkan putaran dari speed cup semakinn besar yang menyebabkan puntiran pegas semakin bertambah. Dengan demikian maka jarum penunjuk skala akan menunjukkkan nilai yang semakin besar juga.

Bagian yang paling penting dalam suatu alat ukur adalah kalibrasi antara data masukan dan output nilainya. Pada speedometer hal yang harus diperhatikan dalam menjaga tetap optimalnya kerja alat dan pemberian nilai yang tepat bagi pengendara ada pada beberapa factor. Yang pertama adalah kekuatan medan magnet yang digunakan. Biasanya speedometer dari pabrikan telah disesuaikan kuat medan magnet pada magnet permanen yang dipasang pada alat. Mengapa medan magnet sangat menentukan keoptimalan perolehan nilai pegukuran dikarenakan medan magnetlah yang memberikan torsi pada jarum skala untuk berputar dengan sudut tertentu. Kedua adalah jari – jari lingkar roda kendaraan. Speedometer sekarang umumnya dihubungkan dengan roda depan kendaraan, oleh karena itu hal penting dalam kalibrasi speedometer adalah penyesuaian putaran magnet dengan keliling roda tersebut. Jadi setiap kendaraan haruslah menggunakan roda dengan jari – jari atau keliling tertentu demi menjaga keakuratan nilai dari pembacaan speedometer. Ketiga adalah tetapan elastisitas pegas yang harus sesuai dengan kuat medan dan skala yang ada, sehingga perputaran jarum penunjuk skala tepat pada nilai yang diinginkan.

Referensi:

Bueche dan Hecht. 2006. Schaum’s Outlines Teori dan Soal – soal FISIKA UNIVERSITAS. Jakarta: Penerbit Erlangga.

Kanginan, Marthen. 2006. FISIKA 3 Untuk SMA Kelas XII. Jakarta: Penerbit Erlangga.

Tipler, Paul A. 1996. FISIKA Untuk Sains dan Teknik Edisi Ketiga Jilid 2. Jakarta: Penerbit Erlangga.

http://en.wikipedia.org/wiki/Speedometer