Elastisitas Zat Padat

ELASTISITAS ZAT PADAT

A. ELATISITAS ZAT PADAT

Pengertian elastisitas atau kemampuan benda untuk kembali ke bentuknya semula. Di alam semesta ini semua benda yang diberi gaya akan mengalami suatu perubahan. Apabila gaya hilang maka benda mungkin akan dapat kembali ke bentuk semula. Perubahan benda sangat dipengaruhi oleh elastisitas benda tersebut.

Banyak sekali kejadian di alam yang berkaitan dengan elastisitas. Kita dapat melihat contoh-contoh elastisitas yang banyak terjadi pada kehidupan sehari-hari. Dengan adanya sifat elastisitas, maka dapat dijelaskan ada benda-benda yang tidak mudah patah dan benda yang mudah patah.

PENGERTIAN ELASTISITAS

Semua benda, baik yang berwujud padat, cair, ataupun gas akan mengalami perubahan bentuk dan ukurannya apabila benda tersebut diberi suatu gaya. Benda padat yang keras sekalipun jika dipengaruhi oleh gaya yang cukup besar akan berubah bentuknya. Ada beberapa benda yang akan kembali ke bentuk semula setelah gaya dihilangkan, tetapi ada juga yang berubah menjadi bentuk yang baru. Hal itu berkaitan dengan sifat elastisitas benda.

CONTOH PERCOBAAN ELASTISITAS

Salah satu benda yang memiliki sifat elastis adalah penggaris plastik.Penggaris dari plastik yang dipegang ujungnya kemudian diayunkan ke bawah dan dilepaskan. Penggaris akan terayun ke bawah kemudian ke atas dan ke bawah lagi berulang-ulang. Penggaris selalu berusaha ke keadaan semula.Gejala-gejala tadi menunjukan elastisitas.Elastisitas sangat penting dalam kehidupan sehari-hari.Perhatikan gambar penggaris di atas, penggaris mampu melengkung tanpa patah karena penggaris memiliki elastisitas. Gaya yang kita keluarkan cukup besar maka penggaris akan patah.

ELASTISITAS ZAT PADAT

Elastisitas adalah sifat benda yang cenderung mengembalikan keadaan ke bentuk semula setelah mengalami perubahan bentuk karena pengaruh gaya (tekanan atau tarikan) dari luar. Benda-benda yang memiliki elastisitas atau bersifat elastis, seperti karet gelang, pegas, dan pelat logam disebut benda elastis seperti pada gambar berikut.

SIFAT ELASTISITAS PADA PEGAS

Adapun benda-benda yang tidak memiliki elastisitas (tidak kembali ke bentuk awalnya) disebut benda plastis.Contoh benda plastis adalah tanah liat dan plastisin (lilin mainan).

Ketika diberi gaya, suatu benda akan mengalami deformasi, yaitu perubahan ukuran atau bentuk. Karena mendapat gaya, molekul-molekul benda akan bereaksi dan memberikan gaya untuk menghambat deformasi. Gaya yang diberikan kepada benda dinamakan gaya luar, sedangkan gaya reaksi oleh molekul-molekul dinamakan gaya dalam. Ketika gaya luar dihilangkan, gaya dalam cenderung untuk mengembalikan bentuk dan ukuran benda ke keadaan semula.

1. TEGANGAN Besaran-besaran yang berkaitan dengan sifat elastisitas benda, antara lain tegangan (stress) dan regangan (strain). Perhatikan gambar dibawah ini yang menunjukkan sebuah benda elastis dengan panjang L0 dan luas penampang A diberikan gaya F sehingga bertambah panjang ΔL. Dalam keadaan ini, dikatakan benda mengalami tegangan.
Tegangan adalah “ Perbandingan antara gaya tarik yang bekerja terhadap luas penampang benda”. Tegangan menunjukkan kekuatan gaya yang menyebabkan perubahan bentuk benda. Tegangan (stress) didefinisikan sebagai perbandingan antara gaya yang bekerja pada benda dengan luas penampang benda. Secara matematis dituliskan:

dengan:
σ = tegangan (Pa)
F = gaya (N)
A = luas penampang (m2)
Satuan SI untuk tegangan adalah pascal (Pa), dengan konversi: 1 Pa = 1 N/m2

2. REGANGAN

Regangan adalah bagian dari deformasi, yang dideskripsikan sebagai perubahan relatif dari partikel-partikel di dalam benda yang bukan merupakan benda kaku. Definisi lain dari regangan bisa berbeda-beda tergantung pada bidang apa istilah tersebut digunakan atau dari dan ke titik mana regangan terjadi.

Dalam benda kontinu, bidang yang terdeformasi dihasilkan dari tegangan yang diaplikasikan akibat adanya gaya atau pemuaian di dalam benda. Hubungan antara tegangan dan regangan diekspresikan sebagai persamaan konstitutif, seperti hukum Hooke mengenai elastisitas lienar. Benda yang terdeformasi dapat kembali ke kondisi semula setelah gaya yang diaplikasikan dilepas, dan itu disebut sebagai deformasi elastis. Namun ada juga deformasi tidak dapat dikembalikan meski gaya telah dilepas, yang disebut dengan deformasi plastis, yang terjadi ketika benda telah melewati batas elastis atau yield dan merupakan hasil dari slip atau mekanisme dislokasi pada tingkat atom. Tipe lainnya dari deformasi yang tidak dapat kembali yaitu deformasi viscous atau deformasi viskoelastisitas.

3. GRAFIK TEGANGAN TERHADAP REGANGAN

Untuk mengetahui sifat-sifat suatu bahan, tentu kita harus mengadakan pengujian terhadap bahan tersebut.Ada empat jenis uji coba yang biasa dilakukan, yaitu uji tarik (tensile test), uji tekan (compression test), uji torsi (torsion test), dan uji geser (shear test). Dalam tulisan ini kita akan membahas tentang uji tarik dan sifat-sifat mekanik logam yang didapatkan dari interpretasi hasil uji tarik.

Uji tarik mungkin adalah cara pengujian bahan yang paling mendasar. Pengujian ini sangat sederhana, tidak mahal dan sudah mengalami standarisasi di seluruh dunia, misalnya di Amerika dengan ASTM E8 dan Jepang dengan JIS 2241. Dengan menarik suatu bahan kita akan segera mengetahui bagaimana bahan tersebut bereaksi terhadap tenaga tarikan dan mengetahui sejauh mana material itu bertambah panjang. Alat eksperimen untuk uji tarik ini harus memiliki cengkeraman (grip) yang kuat dan kekakuan yang tinggi (highly stiff).Brand terkenal untuk alat uji tarik antara lain adalah antara lain adalah Shimadzu, Instron dan Dartec.

a) Mengapa melakukan uji tarik?

Banyak hal yang dapat kita pelajari dari hasil uji tarik. Bila kita terus menarik suatu bahan (dalam hal ini suatu logam) sampai putus, kita akan mendapatkan profil tarikan yang lengkap yang berupa kurva seperti digambarkan pada Gbr.1. Kurva ini menunjukkan hubungan antara gaya tarikan dengan perubahan panjang. Profil ini sangat diperlukan dalam desain yang memakai bahan tersebut.

Biasanya yang menjadi fokus perhatian adalah kemampuan maksimum bahan tersebut dalam menahan beban. Kemampuan ini umumnya disebut “Ultimate Tensile Strength” disingkat dengan UTS, dalam bahasa Indonesia disebut tegangan tarik maksimum.

HUKUM HOOKE (HOOKE'S LAW)

Untuk hampir semua logam, pada tahap sangat awal dari uji tarik, hubungan antara beban atau gaya yang diberikan berbanding lurus dengan perubahan panjang bahan tersebut. Ini disebut daerah linier atau linear zone. Di daerah ini, kurva pertambahan panjang vs beban mengikuti aturan Hooke sebagai berikut:

rasio tegangan (stress) dan regangan (strain) adalah konstan

Untuk memudahkan pembahasan, Gbr.1 kita modifikasi sedikit dari hubungan antara gaya tarikan dan pertambahan panjang menjadi hubungan antara tegangan dan regangan (stress vs strain). Selanjutnya kita dapatkan Gbr.2, yang merupakan kurva standar ketika melakukan eksperimen uji tarik. E adalah gradien kurva dalam daerah linier, di mana perbandingan tegangan (σ) dan regangan (ε) selalu tetap. E diberi nama “Modulus Elastisitas” atau “Young Modulus”. Kurva yang menyatakan hubungan antara strain dan stress seperti ini kerap disingkat kurvaSS (SS curve).

Bentuk bahan yang diuji, untuk logam biasanya dibuat spesimen dengan dimensi seperti pada Gbr.3 berikut.

Perubahan panjang dari spesimen dideteksi lewat pengukur regangan (strain gage) yang ditempelkan pada spesimen seperti diilustrasikan pada Gbr.4. Bila pengukur regangan ini mengalami perubahan panjang dan penampang, terjadi perubahan nilai hambatan listrik yang dibaca oleh detektor dan kemudian dikonversi menjadi perubahan regangan.

b) Detail profil uji tarik dan sifat mekanik logam

Sekarang akan kita bahas profil data dari tensile test secara lebih detail. Untuk keperluan kebanyakan analisa teknik, data yang didapatkan dari uji tarik dapat digeneralisasi seperti pada Gbr.5

Kita akan membahas istilah mengenai sifat-sifat mekanik bahan dengan berpedoman pada hasil uji tarik seperti pada Gbr.5. Asumsikan bahwa kita melakukan uji tarik mulai dari titik O sampai D sesuai dengan arah panah dalam gambar.

Batas elastis σE ( elastic limit)

Dalam Gbr.5 dinyatakan dengan titik A. Bila sebuah bahan diberi beban sampai pada titik A, kemudian bebannya dihilangkan, maka bahan tersebut akan kembali ke kondisi semula (tepatnya hampir kembali ke kondisi semula) yaitu regangan “nol” pada titik O (lihat inset dalam Gbr.5). Tetapi bila beban ditarik sampai melewati titik A, hukum Hooke tidak lagi berlaku dan terdapat perubahan permanen dari bahan. Terdapat konvensi batas regangan permamen (permanent strain) sehingga masih disebut perubahan elastis yaitu kurang dari 0.03%, tetapi sebagian referensi menyebutkan 0.005% .Tidak ada standarisasi yang universal mengenai nilai ini.

Batas proporsional σp (proportional limit)

Titik sampai di mana penerapan hukum Hook masih bisa ditolerir. Tidak ada standarisasi tentang nilai ini. Dalam praktek, biasanya batas proporsional sama dengan batas elastis.

Deformasi plastis (plastic deformation)

Yaitu perubahan bentuk yang tidak kembali ke keadaan semula. Pada Gbr.5 yaitu bila bahan ditarik sampai melewati batas proporsional dan mencapai daerah landing.

Tegangan luluh atas σuy (upper yield stress)

Tegangan maksimum sebelum bahan memasuki fase daerah landing peralihan deformasi elastis ke plastis.

Tegangan luluh bawah σly (lower yield stress)

Tegangan rata-rata daerah landing sebelum benar-benar memasuki fase deformasi plastis. Bila hanya disebutkan tegangan luluh (yield stress), maka yang dimaksud adalah tegangan ini.

Regangan luluh εy (yield strain)

Regangan permanen saat bahan akan memasuki fase deformasi plastis.

Regangan elastis εe (elastic strain)

Regangan yang diakibatkan perubahan elastis bahan. Pada saat beban dilepaskan regangan ini akan kembali ke posisi semula.

Regangan plastis εp (plastic strain)

Regangan yang diakibatkan perubahan plastis. Pada saat beban dilepaskan regangan ini tetap tinggal sebagai perubahan permanen bahan.

Regangan total (total strain)

Merupakan gabungan regangan plastis dan regangan elastis, εT = εe+εp. Perhatikan beban dengan arah OABE.Pada titik B, regangan yang ada adalah regangan total.Ketika beban dilepaskan, posisi regangan ada pada titik E dan besar regangan yang tinggal (OE) adalah regangan plastis.

Tegangan tarik maksimum TTM (UTS, ultimate tensile strength)

Pada Gbr.5 ditunjukkan dengan titik C (σβ), merupakan besar tegangan maksimum yang didapatkan dalam uji tarik.

Kekuatan patah (breaking strength)

Pada Gbr.5 ditunjukkan dengan titik D, merupakan besar tegangan di mana bahan yang diuji putus atau patah.

Tegangan luluh pada data tanpa batas jelas antara perubahan elastis dan plastis

Untuk hasil uji tarik yang tidak memiliki daerah linier dan landing yang jelas, tegangan luluh biasanya didefinisikan sebagai tegangan yang menghasilkan regangan permanen sebesar 0.2%, regangan ini disebut offset-strain (Gbr.6).

3. ISTILAH LAIN
Kelenturan (ductility)

Merupakan sifat mekanik bahan yang menunjukkan derajat deformasi plastis yang terjadi sebelum suatu bahan putus atau gagal pada uji tarik. Bahan disebut lentur (ductile) bila regangan plastis yang terjadi sebelum putus lebih dari 5%, bila kurang dari itu suatu bahan disebut getas (brittle).

Derajat kelentingan (resilience)

Derajat kelentingan didefinisikan sebagai kapasitas suatu bahan menyerap energi dalam fase perubahan elastis. Sering disebut dengan Modulus Kelentingan (Modulus of Resilience), dengan satuan strain energy per unit volume (Joule/m3 atau Pa). Dalam Gbr.1, modulus kelentingan ditunjukkan oleh luas daerah yang diarsir.

Derajat ketangguhan (toughness)

Kapasitas suatu bahan menyerap energi dalam fase plastis sampai bahan tersebut putus. Sering disebut dengan Modulus Ketangguhan (modulus of toughness). Dalam Gbr.5, modulus ketangguhan sama dengan luas daerah dibawah kurva OABCD.

Pengerasan regang (strain hardening)

Sifat kebanyakan logam yang ditandai dengan naiknya nilai tegangan berbanding regangan setelah memasuki fase plastis.

Tegangan sejati , regangan sejati (true stress, true strain)

Dalam beberapa kasus definisi tegangan dan regangan seperti yang telah dibahas di atas tidak dapat dipakai. Untuk itu dipakai definisi tegangan dan regangan sejati, yaitu tegangan dan regangan berdasarkan luas penampang bahan secara real time. Detail definisi tegangan dan regangan sejati ini dapat dilihat pada Gbr.7.

4. MODULUS ELASTISITAS

Definisi dari modulus elastisitas adalah perbandingan antara tegangan dengan regangan. Modulus elastisitas disebut juga Modulus Young. Dirumuskan :

Jika kita menguraikan rumus tegangan dan regangan, akan didapat persamaan :

HUKUM HOOKE

Elastisitas dan Hukum Hooke.Dalam fisika, elastisitas adalah kemampuan suatu zat padat untuk kembali ke bentuk awal setelah setelah mendapat gangguan luar yang diterapkan dan kemudian dihilangkan.Sebuah benda dengan tingkat tinggi elastisitas mampu untuk memiliki banyak perubahan bentuknya, dan masih bisa kembali ke bentuk aslinya. Zat padat dengan sedikit atau tanpa elastisitas baik menjadi cacat permanen atau pecah ketika sebuah gaya yang diterapkan kepada mereka. Elastisitas secara jangka panjang juga dapat digunakan untuk menggambarkan kemampuan proses atau sistem untuk meregangkan atau bersikap fleksibel.

Karena molekul membentuk zat padat, cairan, dan gas, mereka semua bereaksi secara berbeda terhadap tekanan luar. Molekul-molekul yang membentuk zat padat sangat dekat bersama-sama dan ditemukan dalam susunan yang rapat. Ini berarti bahwa ada sedikit ruang untuk diberikan ketika gaya diterapkan untuk suatu padatan. Molekul-molekul cairan dan gas adalah menyebar yang terpisah lebih jauh, dan bergerak lebih bebas daripada zat padat. Ketika sebuah gaya yang diterapkan pada cairan dan gas, mereka dapat mengalir di sekitar gaya, atau akan dikompresi, atau tidak seperti kebanyakan zat padat.

Ada tiga kelas yang berbeda gaya, atau tegangan, yang dapat mempengaruhi benda padat. Yang pertama adalah tegangan, juga disebut regangan, yang terjadi ketika gaya yang sama tetapi berlawanan diterapkan pada kedua ujung benda. Kompresi merupakan jenis yang kedua dari stress atau tegangan, yang terjadi ketika sebuah benda yang diletakkan di bawah tekanan, atau gaya dorong pada zat padat ini pada 90 derajat ke permukaannya. Bayangkan seperti meremukan gulungan kertas kosong diantara tangan Anda dengan tangan Anda di kedua ujung. Jenis terakhir dari tegangan adalah geser, yang terjadi ketika gaya tersebut sejajar dengan permukaan benda.

Awalnya, ketika gaya apapun diterapkan untuk suatu zat padat, hal itu akan menolak dan tetap dalam bentuk aslinya. Ketika gaya meningkat, zat padat tidak akan mampu mengimbangi perlawanan dan akan mulai berubah bentuk, atau menjadi cacat. Sama seperti berbagai jenis zat padat yang memiliki sifat elastis yang berbeda, mereka juga dapat menahan berbagai tingkat kekuatan sebelum terpengaruh. Akhirnya, jika gaya adalah cukup kuat, bentuk cacat akan menjadi permanen atau padatan akan pecah.

Ini adalah jumlah gaya yang diterapkan pada suatu objek, bukan durasi, yang akan menentukan apakah ia dapat kembali ke bentuk semula. Ketika zat padat tidak dapat kembali ke bentuk aslinya, dikatakan telah melewati batas elastis. Batas elastis adalah jumlah maksimum tegangan yang dapat dialami oleh zat padat yang akan memungkinkan untuk kembali ke bentuk normal. Batas ini tergantung pada jenis bahan yang digunakan.Misalnya karet gelang memiliki elastisitas tinggi, dan dengan demikian batas elastis tinggi dibandingkan dengan batu bata beton, yang hampir tidak elastis dan memiliki batas elastis yang sangat rendah. Seperti disebutkan di atas, untuk deformasi kecil, bahan yang paling elastis seperti pegas menunjukkan elastisitas lienar dan dapat dijelaskan oleh hubungan linear antara tegangan dan regangan. Hubungan ini dikenal sebagai Hukum Hooke. Sebuah versi geometri tergantung terhadap gagasan pertama kali dirumuskan oleh Robert Hooke (1675).

Rumus :


dengan:
F= gaya
K= konstanta
∆x = perubahan panjang
Bunyi Hukum Hooke :

Pada daerah elastisitas benda, besarnya pertambahan panjang sebanding dengan gaya yang bekerja pada benda.

Hukum Hooke untuk Susunan Pegas
a) Susunan seri pegas

Rangkaian pegas secara seri berlaku :

1. Gaya tarik yang dialami tiap pegas sama besar dan gaya tarik ini sama dengan gaya tarik yang dialami pegas pengganti. Sehingga dirumuskan :

2. Perubahan panjang total pegasmerupakan penjumlahan perubahan panjang masing-masing pegas. Sehingga dirumuskan :

dengan memasukakan nilai tersebut, akan dihasilkan :

b) Susunan paralel pegas

Prinsip susunan paralel beberapa buah pegas adalah sebagai berikut:

1. Gaya tarik pada pegas pengganti F sama dengan total gaya tarik pada tiap pegas.

F = F1 + F2

2. Pertambahan panjang tiap pegas sama besar dan pertambahan panjang ini sama dengan pertambahan panjang pegas pengganti.

Δx1 = Δx2 = Δx

dengan memasukkan nilai tersebut, akan dihasilkan : 

K = K1+K2+......

Manfaat Pegas Sebagai Produk Perkembangan Teknologi Dalam Keseharian

a) Sistem Suspensi Kendaraan Bermotor untuk Meredam Kejutan

Jika kendaraan bermotor (sepeda motor atau mobil) melalui jalan berlubang atau jalan bergelombang, kendaraan akan mengalami kejutan. Kejutan itu sangat mengganggu semua orang.Untuk meredam kejutan, maka pegas digunakan pada sistem suspensi kendaraan bermotor. Ketika melalui jalan berlubang, berat pengendara berikut berat motor akan menekan pegas sehingga pegas termampatkan. Begitu motor berada di jalan datar, pegas kembali ke panjang asal. Pengendara hanya akan merasakan sedikit ayunan dan akan merasa nyaman mengendarai motor.

b) Pegas pada Setir Kemudi

Walaupun menggunakan sabuk keselamatan, pengemudi tetap dapat terlempar ke depan ketika terjadi tabrakan. Ini menyebabkan bagian sekitar dada pengemudi dapat menumbuk setir, dan jika ini terjadi, akan membahayakan jiwa pengemudi. Untuk mengurangi bahaya ini, kolom setir diberi pegas.Pada tabrakan (keadaan darurat), kolom setir tertekan, pegas memendek, dan setir kemudi bergeser miring untuk menghindari tabrakan dengan dada pengemudi.
c) Jam Mekanik

Roda keseimbangan dari suatu jam mekanik memiliki komponen pegas. Pegas akan memberikan suatu torsi pemulih yang sebanding dengan perpindahan sudut dan posisi kesetimbangan. Gerak ini dinamakan Gerak Harmonik Sederhana sudut (angular).

d) Garpu Tala

Garpu tala dengan ukuran yang berbeda menghasilkan bunyi dengan pola titinada yang berbeda. Makin kecil massa m pada gigi garpu tala, makin tinggi frekuensi osilasi dan makin tinggi pola titik nada dari bunyi yang dihasilkan garpu tala.

e) Ayunan Bandul

Ketika beban digantungkan pada ayunan dan tidak diberikan gaya, maka benda akan diam di titik keseimbangan B. Jika beban ditarik ke titik A dan dilepaskan, maka beban akan bergerak ke B, C, lalu kembali lagi ke A. Gerakan beban akan terjadi berulang secara periodik, dengan kata lain beban pada ayunan di atas melakukan gerak harmonik sederhana.

f) Pegas

Semua pegas memiliki panjang alami. Ketika sebuah benda dihubungkan ke ujung sebuah pegas, maka pegas akan meregang (bertambah panjang) sejauh y. Pegas akan mencapai titik kesetimbangan jika tidak diberikan gaya luar (ditarik atau digoyang.
g) Pegas untuk melatih otot dada

Pada pegas untuk melatih otot dada, pegas dapat ditarik sesuai kemampuan kita untuk memperbesar otot dada kita, maka pegas akan kembali ke bentuknya semula.

h) Pegas untuk korek api

Jika anda bongkar korek api gas, maka dibagian bawah roda gilanya pasti terdapat pegas yang mendorong batu api sedikit demi sedikit.

i) Pegas untuk kasur springbed

Kasur springbed di dalamnya berisi banyak pegas yang tersusun paralel. Dengan adanya susunan pegas ini, maka ketika kita tidur di atasnya, maka kita akan merasa nyaman.

j) Pegas untuk dongkrak sepeda motor

Pada bagian donkrak sepeda motor terdapat sebuah pegas yang membantu menjaga agar dongkrak tidak menggantung ketika kita tidak sedang mendongkrak sepeda motor. Ketika dongkrak kita lepas, maka pegas tersebut akan mengembalikan dongkrak ke tempat semulanya.

Ini adalah video eksperimen kami