Mendesain Eksperimen Virtual Sistem Pegas TeredamMenggunakan Software OpenSource Easy Java Simulations (Ejs) Oleh:Madlazim Fisika FMIPA Universitas Negeri SurabayaEmail: madlazimm@yahoo.com

Abstrak Banyak sistem fisis yang membutuhkan metode komputasi dan visualisasi yang tepat dan cepat serta menarik. Tidak saja tepat dan cepat serta menarik outputnya, tetapi juga prosesnya pembuatannya juga mudah dan tidak mebutuhkan kemampuan bahasa pemrograman yang sempurna. Software Easy Java Simulation (Ejs) merupakan software yang didesain khusus untuk guru/dosen fisika, karena biasanya guru/dosem fisika umumnya memiliki kemampuan yang kurang dalam hal bahasa pemrograman.
Sistem pegas teredam dipresentasikan oleh persamaan deferensial terhadap waktu orde dua terhadap waktu seperti berikut: d2/dt2 = -k/m(x-l)-b/m(dx/dt)+f(t)/m. Persamaan ini akan dikomputasi dan visualisasi menggunakan software Ejs. Untuk mengkomputasi dan memvisualisasi sistem pegas tersebut cukup mudah, hanya memfungsikan dua panel utama, yaitu Model dan View. Model digunakan untuk menuliskan jenis variabel dan persamaan deferensialnya dan View untuk mendesain visualisasinya. Outpunya tidak saja numerik, tetapi bisa dalam bentuk visualisasi dan simulasi yang menarik dan bisa juga dalam bentuk grafik (plot grafik). Semua besaran yang terkait dengan sistem pegas teredam dapat ditampilkan outputnya, misalnya perpindahan, kecepatan, percepatan, ruang fase, energi kinetik, energi potensial dan energi kinetik vs waktu.

Kata Kunci: Software Easy Java Simulation, simulasi interaktif dan Sistem pegas interaktif.

1. Pendahuluan. Banyak gejala sains yang membutuhkan simulasi untuk mempelajarinya secara detail. Simulasi komputer untuk menyajikan fenomena alam memegang peranan penting di dalam proses pembelajaran sains. Apalagi jika dalam proses pembelajaran menggunakan media komputer untuk membantu mencapai suatu pemahaman lebih dalam pada pokok bahasan yang sedang disajikan. Sistem pegas adalah sistem fisis yang cukup kompleks. Pengukuran untuk mengetahui pengaruh redaman, massa dan konstanta pegas terhadap perpindahan dan kecepatan sistem pegas setiap saat adalah hal sulit dilakukan di laboratorium nyata. Dengan menggunakan Software Easy Java Simulation kesulitan-kesulitan tersebut dengan mudah dapat diatasi. Karena dengan menggunakan softaware Ejs tidak saja mudah dan menarik cara pengoperasiannya, tetapi juga mudah dalam membuat simulasinya.Tidak bisa dipungkiri bahwa simulasi komputer belum banyak digunakan oleh kebanyakan dari para guru dan instruktur sains di Indonesia. Hal ini terkait dengan fakta bahwa para guru sains masih segan untuk menggunakan suatu teknologi yang mereka tidak secara penuh memahaminya. Untuk itu diperlukan software yang dapat membantu para guru sains dalam mengembangkan simulasi komputer sebagai media pembelajaran sesuai dengan pokok bahasan yang mereka sampaikan. Software ini adalah suatu solusi yang baik dalam membantu para guru sains untuk menciptakan simulasi sistem sains. Beberapa kajian sudah menemukan bahwa dengan menciptakan suatu simulasi, banyak para guru mendapatkan suatu perspektif yang baru menyangkut peristiwa alam yang mereka berusaha untuk menjelaskan, yang mana hampir selalu meningkatkan kompetensi sains dan gairah mereka tentang penggunaan teknologi ini bersama-sama dengan para mahasiswa mereka. [3]Suatu pendekatan alternatif, jika para mahasiswa dilibatkan dalam menciptakan simulasi komputer sesuai dengan pokok bahasan yang mereka pelajari. Ini mempunyai keuntungan di mana proses pembelajaran dapat menghasilkan lulusan yang memiliki kompetensi tidak saja kompetensi isi (sains), tetapi juga kompetensi bidang komputer untuk membuat model yang terkait langsung dengan isi yang mereka pelajari. Tentu ini merupakan keberhasilan yang direkomendasikan best-practices dalam proses pembelajaran.[5]Penggunaan software Ejs dengan bahasa pemrograman Java lebih menguntungkan karena bahasa pemrograman Java ini bisa dioperasikan untuk semua platform, baik Windows, Linux, Solaris, MacOS atau yang lain. Selain itu bahasa pemrograman Java secara luas telah digunakan dalam dunia internet. Kelebihan ini tidak dimiliki oleh bahasa pemrograman tradisional. Ini menyiratkan Ejs, dan simulasi Fisika (Sains) yang diciptakan , dapat berupa program mandiri yang digunakan di bawah sistem operasi berbeda,atau dibagi-bagikan via Internet dan yang dijalankan di dalam halaman html oleh kebanyakan web browsers populer.[2] Permasalahannya adalah bagaimana cara mendesain simulasi interaktif sistem pegas teredam dan bagaimana hasil simulasinya?

2. Kajian Teori
2.1. Easy Java Simulations (Ejs).

Easy Java Simulations (Ejs) adalah suatu Software (perangkat lunak) sebagai alat desain untuk menciptakan simulasi peristiwa alam (Sains) melalui komputer dengan mudah, cepat dan tepat.Easy Java simulations , sekarang adalah versi 3.4, ini merupakan pengembangan dari Easy Java simulations versi 3.0 dan versi 3.1. Easy Java simulations , sekarang adalah versi 3.4 merupakan hasil suatu proyek yang dilaksanakan untuk beberapa tahun (berakhir pada tahun 2006) dan di bawah konsepsi dan implementasi yang berbeda. Banyak pihak yang terlibat dalam proyek tersebut, baik secara pribadi maupun secara institusional. Beberpa yang biasa disebutkan di sini adalah Francisco Esquembre dari Universitas de Murcia, Spanyol, Wolfgang Christian, Profesor Ernesto Martín dan Jose Miguel Zamarro dari Universitas Murcia, Spanyol, ( http://colos3.fcu.um.es). Juga Kelompok orang yang kedua adalah masyarakat yang tergabung dalam komunitas Colos ( http://www.colos.org), suatu kelompok yang memulai di (dalam) tahun1989 di (dalam) suatu proyek ini. Sampai sekarang memiliki anggota sekitar tujuhbelas universitas dan institusi sekolah atau institusi lain dari seluruh penjuru dunia.Software Ejs berbeda dari hampir semua software produk lain. Ejs tidak dirancang untuk para programmer profesional, tetapi Ejs dirancang khusus untuk memudahkan tugas para guru sains dalam membuat simulasi Fisika (Sains) dengan memanfaatkan komputer sesuai dengan bidang ilmunya, tidak saja untuk media proses pembelajaran, tetapi juga dapat membantu dalam memahami pokok bahasan yang lebih dalam.[5]Karenanya, Ejs menyediakan suatu struktur konseptual dan menyederhanakan perkakas yang memungkinkan pembaca berkonsentrasi pada materi dalam menciptakan model peristiwa yang pembaca simulasikan. Sehingga tidak perlu membuang-buang waktu untuk memikirkan programnya.[1] Hal ini sangat sesuai dengan kondisi hampir semua guru sains di Indonesia, yaitu kurang memahami bahasa pemrograman komputer, karena memang mereka bukan programmer.Oleh karena itu, ada suatu aspek proses pembelajaran selama dalam proses menciptakan suatu simulasi menggunakan Ejs. Ejs dapat juga digunakan sebagai suatu alat bersifat pendidikan bagi dirinya sendiri. Dengan itu, para guru sains dapat minta para siswanya untuk menciptakan suatu simulasi komputer sendiri, tentu dengan beberapa petunjuk yang disajikan oleh gurunya. Lewat dari sini, Ejs dapat membantu para siswa membuat konsepsi yang tegas/eksplisit yang digunakan dalam) kelompok,hal itu dapat juga meningkatkan kompetensi para siswa, suatu kemampuan untuk memahami, mendiskusikan dan mengkomunikasikan sekitar ilmu pengetahuan (sains).Untuk memulai bekerja dengan Ejs, pembaca perlu dengan pasti melengkapi Instruksi bagaimana cara menginstal dan menjalankan Ejs di dalam komputer anda dan akan memandu anda melalui beberapa langkah step-by-step dari contoh ciptaan suatu simulasi sistem pegas teredam. Setelah itu, pembaca akan mempunyai suatu perasaan umum tentang bagaimana cara menggunakan Ejs dan, tergantung pada derajat tingkat keahlian anda dengan komputer secara umum, sehingga anda mampu menghasilkan suatu simulasi sistem pegas teredam melalui komputer. Sebaiknya pembaca mempunyai suatu salinan (copy) software Ejs untuk menjalankan di komputer anda ketika anda membaca artikel ini, sedemikian sehingga anda dapat mencoba memakai contoh milik anda sendiri dan terlihat bahwa anda benar-benar bekerja. Selanjutnya akan ditampilkan window Interface dari Ejs sebagai berikut: Gambar.1 Easy Java Simulations user interface Terdapat beberapa ikon dalam Workpanel selector dan Taskbar di atas, masing-masing Introduction, Model, View, New, Open, Save, Save As, Run, Font, Option, dan Information. Adapun fungsi dan penggunaan panel utama Introduction, Model dan View akan sekaligus dijelaskan pada sub pokok bahasan 3 (pembuatan simulasi).

2.2. Sistem Pegas Teredam.
Model matematis sistem pegas teredam memiliki variable-variabel sebagai berikut:m, massa dari bola pada ujung pegas,b, konstanta redaman.f(t), fungsi waktu k, tetapan elastik dari pegas,l, panjang pegas pada posisi keseimbangan,x, koordinat horisontal ujung dari pegas,y, koordinat vertikal ( yang mana harus tetap),vx, kecepatan dari gerakan horisontal, t, variabel yang mempresentasikan waktu simulasi,dt, kenaikan waktu untuk masing-masing tahap dari simulasi.Kita tahu bahwa semua variabel tersebut memiliki type double (real) dan beberapa variabel terkait dengan parameter sistem pegas( b, m, k dan l), yang lain menggambarkan keadaan tentang pegas ( x, y dan vx), dan yang lain adalah variabel yang diperlukan untuk mensimulasikan pegas itu sendiri ( t dan dt) serta f(t) adalah variabel aljabar fungsi waktu.Model matematis tersebut ditulis sebagai berikut: (1) Model matematika persamaan (1) inilah yang akan dipecahkan dengan menggunakan software Ejs untuk mengetahui karakteristik variasi kecepatan dan perpindahan terhadap waktu, karakteristik ruang fase terhadap waktu dan karakteristik energi kineti, enerigi potensial dan energi mekanik (total) terhadap waktu.Hasil simulasi menggunakan software Ejs ini tidak hanya berupa numerik (angka), tetapi juga berupa visualisasi system pegas teredam yang interaktif, mudah pengoperasiannya dan menarik.

3. Mendesaian simulasi system pegas teredam.
Langkah-langkah pembuatan simulasi menggunakan software Ejs secara umum ada tiga tahap, mengisi informasi pada halaman Introduction, membangun Model dan membangun View. Mengisi informasi pada halaman Introduction sebenarnya tidak terkait langsung dengan program yang dibuat pada Model dan View.

3.1. Mengisi Informasi pada Halaman Introduction. Gambar 2. Membuat Pendahuluan pada halaman Introduction.

3.2. Membuat Model
3.2.1. Mendeklarasikan variabel
Pendeklarasian variabel system pegas teredam dibagi menjadi 2, yaitu variabel dasar dan variabel tambahan/pendukung. Masing-masing diletakkan pada halaman yang berbeda. Variabel dasar diletakkan pada halaman Pegas Sederhana dan variabel tambahan diletakkan pada Pegas Teredam. Tabel variabel pada gambar 3. adalah tabel variabel dasar, Gambar 3. Tabel variable dasar pada halaman PegasSederhana Tabel variabel dengan nama halaman Pegas Teredam berada pada halaman kedua dari sub panel Variable. Ini adalah variabel model tambahan yang diperlukan untuk membuat simulasi system pegas teredam.Gambar 4. Tabel variable tambahan pada halaman PegasTeredam
3.2.2. Menulis persamaan deferensial pada sub panel Evolution.
Penulisan persamaan deferensial persamaan (1) pada sub panel Evolution pada gambar 5, tentu disesuaikan dengan model matematis system pegas teredam yang telah dituliskan pada halaman Introduction.Gambar 5. Menulis persamaan deferensia pada sub panel evolution
3.2.3. Menulis persamaan Constraints
Simulasi system pegas teredam ini perlu menampilkan energi potensial, energi kinetk dan energi total system. Maka persaman ini harus dituliskan pada halaman sub panel Constraints, seperti yang dituliskan pada gambar 4.6.Gambar 6. Menulis persamaan pada sub panel Constraints
3.2.4. Menulis program pada sub panel Custom

Pada gambar 7 yang dituliskan pada halaman Custom adalah ekspresi dari gaya eksternal, f(t) yang telah dituliskan pada halaman Evolution, memerlukan persamaan f(t) = A*sin(ωt), dimana f(t) ditulis di halaman Evolution dan A*sin(ωt) ditulis dihalaman Custom. Hal ini dilakukan agar penulisan persamaan di halaman Evolution lebih sederhana. Tetapi jika halaman Custom dikosongi dan ruas kanan, ekspresi A*sin(ωt) dituliskan pada halaman Evolution, juga bisa jalan simulasinya. Gambar 7. Menulis persamaan pada sub panel Custom 3. Membuat View Halaman View ini merupakan tools yang digunakan untuk membuat visualisasi system pegas teredam, sehingga outputnya tidak hanya berupa angka-angka yang menjemukan, tetapi juga berupa visualisasi yang interaktif dan menarik serta mudah cara pengoperasiannya. Pada halaman View ini terdapat 2 bagian, bagian sebelah kanan adalah Tree of Elements (pohon elemen) dan bagian kanan Elements for View (tools yang mewakili obyek system fisis untuk membangun visualisasi.sistem). 3.1. Membuat pohon elemen Untuk membuat pohon elemen, maka obyek apa saja yang divisualisasikan. Dalam kasus ini adalah obyek tembok (sebagai tempat ujung pegas yang tetap), pegas, permukaan (sebagai tempat dimana system pegas berisolasi) dan bola (sebagai massa yang diletakkan di ujung pegas yang berisolasi). Caranya klik obyek di bagian Elements for View yang dibutuhkan, lalu geser (drag) ke bagian Tree of Elements dan lepaskan dan seterusnya sampai terbentuk pohon elemen seperti gambar 8.Gambar 8. Pohon elemen yang dibutuhkan Pada pohon elemen (Gb.8), elemen Dialog memiliki tiga elemen cabang, yaitu (1) PanelPlotting yang memiliki elemen ranting Perpindahan dan Kecepatan (telah dibahas di depan), (2) PanelRuangFase yang memiliki elemen ranting Ruangfase, dan (3) PaneEnergi yang memiliki elemen ranting Potensial, Kinetik dan Total. Pohon elemen inilah yang memberi ruang plot data hasil simulasi akan ditampilkan dalam tiga plot data. Selanjutnya tinggal mengisi properties dari masing-masing elemen seperti pada gambar 9, 10, 11, 12, 13, 14 dan 15. Gambar 9. Properties dari elemen dialog Gambar 10. Properties panel ruang fase Gambar 11. Properties elemen ruang fase Plot data ruang fase, sumbu X diisi dengan data perpindahan (x-l) dan sumbu Y diisi data kecepatan (vx). Gambar 12. Properties elemen panel energi Gambar 13. Properties elemen potensial Gambar 14. Propeties elemen kinetic Gambar 15. Properties elemen Total Sumbu X, untuk plot data Potensial, Kinetik dan Total semuanya diisi dengan data variabel t, sedangkan untuk sumbu Y masing-masing diisi dengan data variabel EnegiPotensial, EnergiKinetik dan EnergiTotal. Gambar 16. Hasil simulasi Hasil simulasi ini, sangat interaktif, karena user bisa secara langsung memberi input ( massa, konstanta pegas, koefisien redaman, amplitude dan frekuensi) simulasi. Visualisasi system pegas langsung bisa diamati dan plot datanya juga bisa dipelajari untuk mengetahui karakteristik dari system pegas tersebut.

4. Simpulan.
4.1.Ada dua tahap utama untuk mendesain simulasi sistem pegas teredam ini, pertama membangun Model dan yang kedua membangun View. Membangun Model berguna untuk mendeklarasikan variabel, menulis persamaan Evolution, menulis persamaan Constraints dan memberi persamaan/keterangan yang dibutuhkan oleh persamaan pada Evolution dan Constraints. Sedangkan membangun View berguna untuk menampilkan visualisasi sistem pegas teredam dan plot datanya dengan memberikan properties masing-masing elemen..4.2.Hasil simulasin sangat interaktif, karena user bisa secara langsung memberi input ( massa, konstanta pegas, koefisien redaman, amplitude dan frekuensi) simulasi. Visualisasi system pegas langsung bisa diamati dan plot datanya juga bisa dipelajari dengan jelas dan menarik untuk mengetahui karakteristik dari system pegas teredam tersebut.

sumber www.dikti.org

Daftar Pustaka [1] Brandsford et al. “How People Learn”. National Academy Press (2000)[2] Francisco, Esquembre “Easy Java Simulations versi 3.4”, Universidad de Murcia. Spain (2006) [3] Jimoyiannis, Komis. “Computer simulations in physics teaching and learning”. Comp. Educ. 36 (2001) [4] Lederman. “American Renaissance in Science Education”. FERMILAB-TM-2051 (1998) [5] http://fem.um.es/Ejs [6] http://madlazim.tripod.com