Indikator ketercapai yang diharapkan adalah guru dapat: 1. menjabarkan konsep dasar sifat mekanik bahan; 2. mengukur rapat massa (massa jenis) benda padat; 3. menganalisis elastisitas;
4. menghitung dan menemukan nilai Modulus Young suatu bahan; 5. menghitung Modulus Bulk;
6. menghitung Modulus Geser.
C. Uraian Materi
Dalam pemilihan bahan untuk suatu produk, perancang harus memperhatikan sifat-sifat bahan seperti kekuatan (strength), keuletan (ductility), kekerasan (hardness) atau kekuatan luluh (fatique strength), kekenyalan (elasticity), kekakuan (stiffness), ketangguhan (toughness), kelelahan (fatique), plastisitas (plasticity), dan melar (creep). Sifat mekanik didefinisikan sebagai ukuran kemampuan bahan untuk membawa atau menahan gaya atau tegangan. Pada saat menahan beban, atom-atom atau struktur molekul berada dalam kesetimbangan. Gaya ikatan pada struktur menahan setiap usaha untuk mengganggu kesetimbangan ini, misalnya gaya luar atau beban.
Berbagai macam sifat mekanik bahan dapat juga dibedakan menurut cara pembebanannya yaitu Sifat Mekanik Statik (sifat terhadap beban statik yang besarnya tetap atau berubah secara lambat), dan Sifat Mekanik Dinamik (sifat mekanik terhadap beban yang berubah-rubah atau beban tiba-tiba). Besaran-besaran yang berkaitan dengan sifat mekanik bahan antara lain, yaitu:
1. Kerapatan
Sebelum membahas lebih jauh sifat mekanik bahan, terlebih dahulu akan dijelaskan sifat dasar suatu bahan, yaitu rapat massa. Rapat massa merupakan besaran yang menyatakan ukuran kerapatan partikel-pertikel menyusun bahan, dan dinyatakan dengan hubungan:
=
�(1.1)
dengan m adalah massa bahan (kg), dan V adalah volume bahan (m3). Sehingga
satuan rapat massa adalah kg
PPPPTK IPA
Direktorat Jenderal Guru dan Tenaga Kependidikan - Kemdikbud
KEGIATAN PEMBELAJARAN 1: SIFAT MEKANIKA BAHAN
KELOMPOK KOMPETENSI B
8
2. Elastisitas
Ambil sebuah pegas, lalu regangkan. Tampak bahwa panjang pegas bertambah. Namun, begitu dilepaskan, pegas kembali ke panjang semula. Sebaliknya, jika pegas ditekan dari dua ujungnya maka panjang pegas berkurang. Namun, begitu tekanan dihilangkan, pegas akan kembali ke panjang semula. Sifat pegas yang kembali keada keadaan semula setelah gaya yang bekerja padanya dihilangkan, disebut sifat elastis.
Namun, besar tarikan atau tekanan yang diberikan tidak boleh terlalu besar. Jika pegas ditarik cukup jauh, bisa terjadi setelah tarikan dihilangkan, panjang akhir pegas lebih besar daripada panjang semula. Begitu pula jika pegas ditekan cukup jauh, bisa menyebabkan panjang akhir pegas lebih kecil daripada panjang semula. Kondisi ini terjadi karena pegas telah melampaui batas elastisitasnya.
Dalam penerapan sehari-hari, tidak hanya menggunakan satu bahan tetapi sejumlah bahan yang disusun dengan cara tertentu guna mendapatkan sifat yang diinginkan.
Berapakah “konstanta pegas” pengganti dari susunan bahan-bahan tersebut? Selanjutnya akan dibahas susunan bahan secara seri dan paralel, karena ini adalah susunan yang paling mudah.
a. Susunan kawat secara seri
Misalkan dua kawat dengan konstanta pegas k1 dan k2 disambungkan seperti
pada Gambar 1.2.
Sebelum diberi beban, panjang masing- masing kawat adalah L10 dan L20. Ketika
ditarik dengan beban W = mg, maka:
kawat atas bertambah sejauhΔL1
kawat bawah bertamban sejauhΔL2
pertambahan panjang total susunan kawat adalah ΔL = ΔL1+ ΔL2
Gaya yang bekerja pada kawat atas dan kawat bawah sama besarnya, dan sama dengan gaya yang diberikan oleh beban, maka:
W = K1ΔL1 atau ΔL1 =
K (1.2)
W= K2ΔL2 atau Δ� = � (1.3)
LISTRIK untuk SMP
KEGIATAN PEMBELAJARAN 1: SIFAT MEKANIKA BAHAN
KELOMPOK KOMPETENSI B
Modul Guru Pembelajar Mata Pelajaran Fisika SMA
9
Jika kef adalah konstanta pengganti untuk susunan dua kawat di atas maka berlaku:
W = kef.ΔL
atau
ΔL = �
� (1.4) dari persamaan panjang total:
ΔL = ΔL1+ ΔL2 didapatkan: � � = � � + � �
Hilangkan W pada ke dua ruas, kita peroleh konstanta pegas pengganti memenuhi persamaan: 1 � = 1 � + 1 � (1.5)
b. Susunan kawat secara paralel
Misalkan dua kawat disusun secara paralel seperti pada Gambar 1.3. Sebelum mendapat beban, panjang masling-masing kawat adalah Lo. Ketika diberi
beban, kedua kawat mengalami pertambahan panjang yang sama
besar ΔL. Gaya W yang dihasilkan beban, terbagi pada dua kawat, masing-masing besarnya F1 dan F2. Berdasarkan
Hukum Hooke, maka:
F1 = k1ΔL (1.6)
F2 = k2ΔL (1.7)
Jika adalah kef adalah konstanta efektif susunan kawat, maka terpenuhi:
W = kefΔL (1.8)
Karena gaya ke bawah dan jumlah gaya ke atas pada beban harus sama maka: W = F1+ F2
atau
kef ΔL = k1 ΔL + k2 ΔL
dengan menghilangkan L pada kedua ruas, diperoleh:
kef = k1 + k2 (1.9)
Gambar 1.3. Dua kawat yang tersusun secara parallel. (kiri) sebelum diberi beban dan (kanan) setelah diberi beban
PPPPTK IPA
Direktorat Jenderal Guru dan Tenaga Kependidikan - Kemdikbud
KEGIATAN PEMBELAJARAN 1: SIFAT MEKANIKA BAHAN
KELOMPOK KOMPETENSI B
10
Baik untuk kasus susunan kawat parallel maupun seri, selalu diasumsikan bahwa tegangan di setiap kawat selalu sama. Dengan asumsi ini dapat dianalisis perubahan panjang setiap kawat.
3. Modulus Elastisitas
Sifat elastis tidak hanya dimiliki oleh pegas, tetapi juga oleh bahan lainnya. Hampir semua bahan memperlihatkan sifat elastisitas. Ada bahan yang sangat elastis seperti karet dan ada yang kurang elastis seperti keramik. Sifat elastis adalah sifat bahan yang cenderung kembali ke bentuk semula ketika gaya yang bekerja pada benda dihilangkan. Kawat besi yang ditarik dengan gaya tertentu mengalami pertambahan panjang, dan jika gaya yang bekerja pada kawat tersebut dilepaskan, maka panjang kawat besi kembali ke semula.
Ada benda yang sangat mudah diubah-ubah panjangnya, dan ada yang sangat sulit diubah panjangnya. Benda yang bentuknya mudah diubah oleh gaya dikatakan lebih elastis. Untuk membedakan bahan berdasarkan keelastisannya, maka didefinsikan besaran yang namanya "Modulus Elastis". Benda yang lebih elastis (lebih lunak) memiliki modulus elastis yang lebih kecil.
Batas elastis bahan merupakan tegangan maksimal yang dapat diterapkan untuk bahan tanpa menyebabkan deformasi permanen. Untuk tekanan di bawah batas elastis, bahan menunjukkan perilaku elastis ketika stress (tegangan) dihapus dan bahan kembali ke ukuran dan bentuk aslinya.
Di bawah batas elastis, strain (regangan) bahan sebanding dengan stress. Hubungan ini diketahui sebagai Hukum Hooke. Dalam kasus stres, misalnya, dua kali lipat gaya yang diberikan pada bahan akan menggandakan jumlah bentangan bahan. Modulus elastisitas bahan memiliki nilai stres tertentu di bawah batas elastisitasnya, yang didefinisikan oleh hubungan:
Kekuatan utama dari bahan adalah stress terbesar yang dapat menahan tanpa pecah. Dalam banyak bahan kekuatan yang dihasilkan jauh melebihi batas elastis. Ketika stress lebih besar dari batas elastis tetapi kurang dari kekuatan utama bahan tersebut, maka hasilnya adalah deformasi permanen, contohnya adalah ketika membengkokan sebatang logam.
Modulus Elastisitas
=
��������LISTRIK untuk SMP
KEGIATAN PEMBELAJARAN 1: SIFAT MEKANIKA BAHAN
KELOMPOK KOMPETENSI B
Modul Guru Pembelajar Mata Pelajaran Fisika SMA
11
4.
Modulus Young
Suatu benda yang memiliki panjang L, jika ditarik dengan gaya (F) tertentu, maka
panjang benda bertambah ΔL. Besar pertambahan panjang tersebut berbanding lurus dengan panjang semula, atau:
ΔL∝L (1.10)
Hubungan ini yang menjadi alasan mengapa menambah panjang karet yang lebih panjang lebih mudah dilakukan daripada menambah panjang karet yang lebih pendek. Untuk mengganti kesebandingan di atas dengan tanda sama dengan (=), digunakan
konstanta, δ, sehingga:
ΔL =δL (1.11) konstanta δ dikenal dengan regangan atau strain, ΔL adalah pertambahan panjang,
danLo merupakan panjang mula-mula.
(a) Kondisi bahan ketika ditarik, tampak dua dimensi
(b) Kondisi bahan ketika ditarik, tampak tiga dimensi Gambar 1.4. Bahan ditarik dengan gaya tertentu mengalami pertambahan panjang
Regangan (strain) didefinisikan sebagai perbandingan antara pertambahan panjang batang dengan panjang mula-mula. Ketika suatu gaya F ditekankan atau digunakan untuk meregangkan sebuah bahan yang memiliki luas penampang A, maka gaya tersebut disebar ke seluruh penampang bahan. Makin luas penampang bahan yang dikenai gaya, makin kecil gaya per satuan luas pada permukaan, yang pada akhirnya akan berpengaruh pada perubahan panjang bahan.
Penentu perubahan panjang bahan bukan besarnya gaya secara langsung, tetapi gaya per satuan luas penampang. Besar gaya per satuan luas penampang ini disebut tekanan
atau stress, adalah: