SIFAT MEKANIK BAHAN

Apakah hakekatnya bahan itu? Bagaimana memahami, mengolah dan menggunakannya? Bahan, dengan sendirinya merupakan bagian dari alam semesta, akan tetapi secara lebih rinci bahan adalah benda

dengan sifat-sifatnya yang khas dimanfaatkan dalam bangunan, mesin, peralatan atau produk. Termasuk di dalamnya, logam, keramik, polimer (plastik), serat, gelas, kayu, batu, pasir, dan lain - lain. Produksi dan pemrosesan bahan-bahan tersebut menjadi barang jadi memberikan kesempatan kerja bagi kira-kira 12% dari seluruh angkatan kerja di Indonesia Bahan-bahan yang digunakan manusia mengikuti siklus bahan mulai dari ekstraksi, pembuatan sampai pelapukan. Oleh karena itu, siklus bahan adalah suatu sistem yang menggiatkan sumber daya alam dengan kebutuhan manusia. Secara keseluruhan, bahan-bahan merupakan jaringan yang mengikat bangsa-bangsa dan tata ekonomi di dunia satu sama lainnya, demikian pula mengikat manusia dengan alam semesta. Secara singkat, Ilmu dan teknologi bahan meliputi pengembangan dan penerapan pengetahuan mengenai hubungan antara komposisi, struktur dan pemerosesan bahan dengan sifat-sifat dan pemakaiannya.

 

Dalam kehidupan sehari – hari sering dijumpai benda – benda yang jika diberi gaya akan mengalami perubahan ukuran dan ada pula yang tidak . Contohnya seutas karet yang ditarik akan mengalami perubahan panjang, setelah tarikan dilepaskan maka kareta akan kembali ke bentuk semula. namun jika tarikan karet itu terlalu besar , maka karet akan putus atau tidak kembali kebentuk semula.

 

Contoh lain yaitu seorang pemanah akan menarik tali busur untuk memberikan dorongan terhadap anak panah. sifat apa yang terkandung dalam tali tersebut ?. Berapa gaya yang dibutuhkan ketika tali itu ditarik tetap kembali ke keadaan semula?. Pertanyaan ini akan dibahas pada bab sifat mekanik bahan.

 

A. KEKUATAN BAHAN

Kegiatan : Menentukan besaran – besaran yang mempengaruhi kekuatan bahan

Alat :

1. Benang nilon 50 cm
2. beban bervariasi
3. penggaris
4. jangka sorong
5. statip

Cara kerja:

1. Ikatkan benang nilon di statip (benang nilon dapat diganti karet pentil)
2. Ukur panjang mula – mula benang nilon
3. Gantungkan beban bervariasi  sampai nilon putus, jika menggunakan karet pentil gantungkan beban secara bervariasi sampai karet pentil tidak kembali ke bentuk semula
4. Lakukan berilang – ulang dengan variasi panjang nilon , ketebalan nilon atau dapat diganti dengan bahan lain.
5. Catat besaran – besaran apa saja yang dapat mempengaruhi kekuatan suatu bahan.

Dari kegiatan di atas digunakan untuk mengetahui parameter – parameter yang mempengaruhi kekuatan suatu bahanyaitu jenis bahan, gaya yang diberikan, panjang mula – mula bahan dan ketebalan bahan.

Jika mula – mula bahan memiliki panjang Lο dan luas penampang A, setelah ditarik dengan gaya F, akan mengalami pertambahan panjang sebesar ΔL. Berikut gambar kegiatan di atas :

Gambar a. keadaan bahan sebelum diberi gaya

Gambar b. keadaan bahan setelah diberi gaya

 

1. TEGANGAN

Tegangan adalah besarnya gaya yang bekerja pada benda tiap satuan luas, secara matematis dapat ditulis :

τ = F / A

Keterangan :

τ = tegangan benda ( N/m²)

F = gaya yang diberikan pada benda( N )

A = luas penampang (m²)

 

2. Regangan

Regangan adalah perbandingan antara perubahan panjang benda dengan panjang mula – mula benda akibat gaya yang diberikan pada benda tersebut. Secara matematis dapat ditulis :

e = ΔL / Lο

Keterangan :

e = regangan benda

ΔL = perubahan panjang (m)

Lο = panjang mula – mula (m)

contoh soal :

Sebuah kawat luas penampangnya 4 mm² , kemudian ditarik dengan gaya 4,8 N sehingga bertambah panjang 0,04 cm. Bila panjang mula – mula 20 cm, hitunglah :

a. tegangan kawat

b. regangan kawat

Pembahasan:

diketahui :

A = 4 mm² = 0,000004 m²

F = 4,8 N

Lο = 20 cm = 0,2 m

ΔL = 0,0004 m

Ditanya :

a. τ = ……… ?

b. e = …….. ?.

Jawab :

a. τ = F / A = 4,8  / 0,000004 = 1200000 N / m²

b. e = ΔL / Lο = 0,0004 / 0,2 =0,002

 

B. ELASTISITAS BAHAN

Sifat benda ada yang plastis dan ada yang elastis, jika benda diberi gaya, kembali kebentuk semula maka maka benda tersebut dikatakan elastis. contoh benda elastis yaitu karet, baja dan kayu. Sedangkan benda plastis adalah benda jika dikenai gaya tidak bisa kembalu kebentuk semula misalnya plastisin, tanah liat, lumpur dan lain – lain.

Ketika gaya dberikan pada benda elastis, ada kemungkinan bentuk benda tidak kembali kebentuk semula. Hal ini gaya yang diberikan sudah melebihi batas elastisitasnya. Secara umum keealstisitasan suatu benda ditentukan oleh oleh persamaan modulus elastisitas atau modulus young. Modulus elastisitas didefinisikan sebagai perbandingan antara tegangan dengan regangan, secara matematis ditulis :

Keterangan :

E = modulus young atau modulus elastisitas (N / m²)

Kegiatan menemukan modulus elastisitas suatu bahan

Alat : Buku teks, internet dan sumber lain

Cara kerja carilah dari berbagai sumber data tentang modulus elastisitas suatu bahan, kemudian susunlah menjadi laporan.

Contoh soal :

Seutas kawat luas penampangnya 6 mm², kemudian ditarik dengan gaya 9 N sehingga bertambah panjang 0,05 cm. Bila panjang kawat mula – mula40 cm, berapakah modulus elastisitas kawat tersebut ?.

Pembahasan :

Diketahui :

A = 6 mm² = 0,000006 m²

F = 9 N

Lο = 40 cm = 0,4 m

ΔL = 0,05 cm = 0,0005 m

Ditanya : E = ……

Jawab :

E = F. Lο / A.ΔL = 9 . 0,4 / 0,000006 . 0,0005 = 1200000000 N/m²

Latihan 6.1

1. Seekor ikan yang sudah memakan umpan, berenang, menjauh dan menarik senar pancing. Dan memberikan gaya rata – rata 80 N. Jika luas penampang senar pancing0,05 mm²  . Berapakah tegangan yang dialami tali.
2. Seekor laba bermassa 8 gram sedang berayun – ayun di atas sebuah jaringnya yang menggantung dipohon dengan panjang mula – mula 18 cm, karena berat dari laba – laba , panjang serat jaring – jarng menjadi 18,09 cm. Hitunglah regangan yang dalami seutas jaring tersebut ?.
3. Suatu kawat berdiameter 2 mmmengalami tegangan sebesar 1400000 N/m² . Hitunglah gaya yang diberikan kepada kawat tersebut !.

C. HUKUM HOOKE

KEGIATAN : Menentukan konstanta suatu pegas

Alat :

1. Statip
2. pegas
3. Jolly ballance
4. beban 10 gr 5 buah
5. neraca lengan
6. Penggaris

Cara kerja :

1. Gantungkan pegas pada statip, ukur panjang pegas dan catat sebagai lengan Lο.
2. Buat variasi massa sebanyak 5 kali , catat sebagai massa (m)
3. Ukur perubahan panjang pegas dengan menggunakan penggaris , mengukur panjang pegas setelah dberi beban (L) . Kemudian kurangkan dengan Lο catat sebagai perubahan panjang (ΔL).
4. Kalikan m dengan percepatan grafitasi bumi ( g = 10 m/s² dan bagi dengan perubahan panjang (ΔL).
5. Bandingkan hasil setiap perhitunganmu

Gambar a. pegas sebelum diberi beban

Gambar b. pegas setelah diberi beban

Berdasarkan percobaan dan gambar di atas akan diperoleh suatu besaran yang nilainya selalu tetap. Besaran tersebut dinamakan dengan konstanta pegas. Jika menggunakan persamaan matematis , diperoleh konstanta pegas sebagai berikut :

K = -F / ΔL

Keterangan :

F = gaya (N)

ΔL = pertambahan panjang (m)

K = konstanta (N / m)

Persamaan ini dinamakan dengan Hukum Hooke. Tanda negatif merupakan arah  vektor gaya yang bekerja pada pegas.

Pegas yang dikenai gaya F juga memiliki energi potensial pegas karena sudah menjauh dari posisi seimbangnya . Energi potensial pegas merupakan usaha yang dilakukan gaya tarik pegas selama memanjang . Secara matematis dapat ditulis :

Ep = 1/2 K(ΔL)²

Keterangan :

Ep = energi potensial (joule)

 

Contoh soal :

1. Sebuah pegas yang digantung secara vertikal akan bertambah panjang 20 cm jika diberi gaya 5 N. Berapakah konstanta pegas ini .?

Pembahasan :

Diketahui :

Lο = 20 cm = 0,2 m

F = 5 N

Ditanya : K = ……… ?

Jawab :

K = F / ΔL = 5 / 0,2 = 25 N

2. Sebuah pegas memiliki konstanta 400 N/m digantung dan diberi beban 0,5 Kg. Berapakah energi potensial pegas ini .

Pembahasan :

diketahui :

m = 0,5 Kg

K = 400 N

Ditanya : Ep = …… ?

Jawab :

Ep = 1/2 . K (ΔL)² = 1/2 . 400 (0,0125)² = 0,03125 Joule

Latihan :

1. Berapakah konstanta senar gitar yang ditarik dengan gaya 50 N . Bertambah panjang 2 cm ?.

2. Sebuah pegas memiliki konstanta 20 N/m. Jika digantungi beban bermassa 400 gram di salah satu ujungnya. Berapakah pertambahan panjang pegas .

3. Sebuah pegas akan bertambah panjang 5 cm jika diberi gaya 4 N. Berapakah pertambahan panjang pegas jika diberi gaya 9 N.

4. Berapakah energipotensial pegas , jika memiliki konstanta 30 N/m digantungkan dan diberi beban 0,5 Kg ?.

5. Sebuah pegas menggantung dalam keadaan normal panjangnya 25 cm . Bila pada ujung pegas digantungkan beban 50 gram, panjang pegas menjadi 28 cm. Berapakah energi potensial pegas , jika pegas disimpangkan sejauh 8 cm.

 

D. SUSUNAN PEGAS

Beberapa pegas dapat disusun secara seri, paralel dan campuran

1. Susunan Seri

Konstanta pegas yang disusun secara seri yaitu :

1/ks = 1/k1 + 1/k2 + ……… 1/kn

2. Susunan Paralel

 

Konstanta pegas yang disusun secara paralel adalah :

kp = k1 + k2 + …….. kn

Latihan

1. Empat buah pegas disusun seperti gambar di bawah ini konstanta pegas totalnya adalah …….

2. Sebuah pegas identik dipasang secara paralel. Berapakah berat beban yang harus diberikan agar pertambahan panjang pegas susunan paralel sama dengan pertambahan panjang pegas tunggal?.

 

Soal -soal pilihan ganda

1. Besarnya gaya yang bekerja pada benda tiap satuan luas dinamakan ……..

a. massa jensi     b. berat jenis    c. elastisitas    d. tegangan

e. modulus young

2. Sebuah benda ditekan dengan gaya F dan luas penampang yang bersentuhan sebesar A sehingga menghasilkan tegangan sebesar T. Jika gaya yang diberikan 2 kali semula dan luas pemukaan bidang sentuh diperkecilmenjadi setengahnya, maka tegangan yang dihasilkan …..

a. 1/4 T    b. 1/2 T      c. T     d. 2T    e. 4T

3. Perbandingan antara perubahan benda yang dihasilkan oleh tegangan dengan bentuk benda mula – mula disebut …..

a. massa jenis      b. berat jenis       c. regangan

d. tegangan        e. modulus young

4. Jika seutas kawat yang memiliki panjang Lο , kemudian ditarik dengan gaya F sehingga mengalami perubahan panjang sebesar ΔL. Regangan yang dialami kawat sebesar …..

a. ΔL/ Lο        b. Lο / ΔL      c. F. ΔL / Lο    d. F. Lο / ΔL

e. F. Lο. ΔL

5. Satuan regangan yang benar adalah ……

a. Kg. m/s     b. Kg. m/s²    c. Kg / m². s²    d. Kg/ m². s

e. tidak memiliki satuan

6. Seutas kawat yang mula – mula panjangnya 2 meter dikenai gaya sebesar 400 N, sehingga panjangnya menjadi 2,02 meter. Besarnya regangan kawat adalah …..

a. 0,01     b. 0,99     c. 1,01     d. 4     e. 404

7. Perbandingan antara tegangan dan regangan disebut …..

a. massa jenis      b. berat jenis    c. regangan

d. tegangan        e. modulus young

8. Suatu poegas memiliki panjang 100 cm, kemudian digantungi beban yang bermassa 40 Kg(g=10 m/s² )  sehingga panjang pegas menjadi 125 cm. Konstanta pegas kawat tersebut adalah ……Nm.

a. 0,4   b. 1600    c. 16       d. 40    e. 2000

9. Pegas yang mula – mula panjangnya 10 cm. kemudian digantungkan beban 1 Kg di ujung bawahnya sehingga panjangnya menjadi 12 cm. Tetapan gaya pegas adalah …….

a. 500 N/m      b. 600 N/m     c. 800 N//m    d. 1000 N/m

e. 1200 N/m

10. Agar suatu pegas dapat dapat meregang sejauh 4 cm diperlukan gaya sebesar 40 N. Besar energi potensial pegas jika meregang sejauh 3 cm adalah …..

a. 30 joule     b. 15 joule     c. 1,6 joule    d. 4,5 joule   e. 0,45 joule

 

B. Essay

1.        Batang baja memiliki modulus elastisitas E = 20 x 10¹° Pa. Jika panjang baja 8 m dan diameter 20 cm dipakai untuk menggantungkan beban 15 ton. hitunglah :

a. egangan pada baja

b. regangan baja

c. pertambahan panjang baja

2. Diketahui modulus young timah 1,6 x 10¹° N/m². Hitunglah berat beban maksimum yang digantungkan pada seutas seutas kawat timah yang berdiameter 5 mm jika regangan yang terjadi tidak boleh lebih dari 0,0006.

3. Kawat timah memiliki modulus young 1,6 x10¹° N/m² . jika suatu beban bermassa 750 Kg digantungkan pada kawat timah yang memiliki panjang mula – mula 2 m dan diameter 2 cm. Hitunglah :

a. tegangan pada kawat timah

b. berapa persen pertambahan panjang kwat timah

Top of Form

 

Bottom of Form