21
PENGUKURAN ENERGI IMPAK HELMET SEPEDA MOTOR
AKIBAT BEBAN IMPAK JATUH BEBAS DENGAN ANVIL PLAT
DATAR
Oleh: Rahmat Kartolo Simanjuntak Dosen Kopertis Wilayah I
Abstract
The traffic accident doesn’t involved by the velocity but also gravitational. Therefore, the research activity is done by researcher obtains the energy of impact loading on the helmet. The information which is obtained from this research will explain the effect of the impact energy on helmet to user, industry, and also government. The objective of this research involves the measuring the impact load, impact stress, and the energy absorbing by helmet as effect of impact loading. The researcher collaborates with the Impact and Fracture Research Center (IRFC) that has built the testing apparatus which is equipped with good acquisition data system. The helmet is put on the adjustable testing rig. The impact time can be measured by eight inductive proximity sensors. The helmet will be slide down and collide the anvil. The force will be measured with the load cell which is put down the anvil type of flat plat. The data will be transferred from the load cell into the DAQ system which has function to change the analog into digital signal. Finally, the data will be saved into PC as the force (N) and the impact time (ms). The free-fall impact testing equipment has shown the best performance on the force and impact time signal reading as long as the research activity. The maximum impact force is 24.33 N; impact stress is 2.7 kPa at the elevation of 0.75 m. The minimum energy which causes the fracture on the helmet is 17.57 J at same elevation.
Keywords: impact energy, impact load, impact stress, anvil, free-fall impact.
1. PENDAHULUAN
Gelombang regangan adalah
gelombang mekanis, yaitu gelombang
yang memerlukan suatu medium
tertentu untuk dapat mentransmisikan ke bagian yang lain. Kecepatan rambat gelombang tersebut bergantung pada sifat-sifat medium yang dilaluinya.
Berdasarkan arah
perambatannya, gelombang regangan dibedakan atas 2 bagian, yaitu: (1)
gelombang transversal, dan (2)
gelombang longitudinal. Gelombang transversal memiliki arah gerakan partikel yang tegak lurus terhadap arah perambatan, sedangkan gelombang longitudinal memiliki arah yang sejajar
dengan arah perambatan. Pada
penelitian ini konsep yang digunakan ialah rambatan gelombang longitudinal
sebagai dasar pembahasan teori
kekuatan tarik impak. Perilaku
gelombang longitudinal pada sebuah
batang logam secara skematis
diperlihatkan pada Gambar 1. Gaya impak diberikan pada ujung kiri batang
yang mengakibatkan batang bergerak ke kanan dengan kecepatan C1, pada
waktu t.
Vo, t Cl, t
C
Gambar 1. Skema rambatan gelombang impak
Sebelum beban impak diberikan,
batang impak mempunyai kecepatan V1 sedangkan batang penerus dan spesimen mempunyai kecepatan yang sama yaitu: V2= V3 = 0. Pada bidang antar muka akan terjadi keseimbangan gaya, atau akan terjadi aksi dan reaksi antara kedua batang tersebut, yang dapat dinyatakan dengan hubungan
1A1 = 2A2, dimana 1 adalah
tegangan pada batang 1, 2 adalah tegangan pada batang 2, A1 ialah luas
penampang batang 1, dan A2 adalah
22
Berdasarkan hubungan
persamaan impulsdan momentum
diperoleh hubungan :
V
E
(1)
dimana: = tegangan impak, = massa jenis bahan, E= modulus Young, dan
V= kecepatan partikel. Dengan
demikian pada batang impak yang bergerak dengan kecepatan V1 akan timbul tegangan sebesar:
1
1E1 V1
1E1V' (2)Selanjutnya jika ditinjau pada batang 2, yang bergerak dengan kecepatan V’, maka dapat ditentukan tegangan pada batang 2, yaitu: 2 2 2 ' E V
(3)Tegangan impak yang
ditransmisikan ke input bar dan
spesimen tersebut ditentukan oleh kecepatan batang impak dan sifat-sifat
mekanisnya. Bila luas kedua
penampang sama besar, maka = 1 = 2.
Tegangan yang masuk dari ujung kiri input bar sebesar akan timbul pada interface input bar dan spesimen pada saat t2 = l2/C0,2 dimana l2 adalah panjang input bar dan C0,2 adalah kecepatan gelombang elastis pada input bar. Dalam hal ini, ada tiga bentuk gelombang tegangan yang terlibat, yaitu: Tegangan yang terjadi (), Tegangan yang ditransmisikan (T), Tegangan yang direfleksikan (R).
Untuk material yang mempunyai
sifat mekanis dan dimensi yang sama maka dengan mensubstitusikan harga E2 = E3, Co2 = Co3, A2 = A3, dan L2 = L3 ke dalam persamaan (E.9) dan (E.10), diperoleh T = 0 dan R = 0. Ini
berarti besar tegangan yang
ditransmisikan adalah sama dengan tegangan yang masuk, dan tidak ada tegangan yang direfleksikan.
Tujuan penelitian ini adalah untuk
mendapatkan gaya impak, tegangan impak, serta energi impak akibat beban impak jatuh bebas pada helmet sepeda motor.
2. METODOLOGI
Spesimen yang diuji ialah helmet sepeda motor yang diletakkan pada
test rig khusus. Test rig ini dapat diatur ketinggian jatuhnya dengan ketinggian jatuh maksimum 4 m. Posisi helmet pada test rig diperlihatkan pada gambar 2.
Gambar 2. Spesimen uji
Batang penerus yang
dipergunakan pada penelitian ini
terbuat dari besi St.37 dengan ukuran diameter 100 mm dan panjang 150
mm. Bentuk batang penerus
diperlihatkan pada gambar 3.
Gambar 3. Batang penerus Pada bagian tengah diberikan
landasan pengujian yang dikenal
23
dipergunakan ialah bentuk plat datar seperti diperlihatkan pada gambar 4.
Gambar 4. Anvil plat datar Untuk mengukur besarnya beban impak dan gelombang regangan yang terjadi dipergunakan sensor gaya yang bekerja menggunakan strain gage full bridge dengan tahanan SG 350 ohm. Alat ini dikenal juga dengan istilah load cell dengan bentuk diperlihatkan pada gambar 5.
Gambar 5. Sensor beban impak.
Kemampuan alat ini dapat
menerima beban dan mengukur gaya impak hingga 30.000 kg dan untuk
penggunaannya, alat ini sudah
mendapatkan sertifikat kalibrasi dari
Komite Akreditasi Nasional untuk
20.000 kg. Susunan alat uji
selengkapnya diperlihatkan pada
gambar 6.
Gambar 6. Susunan alat uji.
Skematik pengukuran beban
impak jatuh bebas diperlihatkan pada gambar 7.
Gambar 7. Skematik pengukuran data.
Akibat tumbukan benda jatuh
bebas pada alat sensor, maka timbul
gelombang tegangan tekan
(compressive stress wave) pada batang penerus. Gelombang tersebut akan ditangkap oleh pengolah sinyal (signal conditioner) dengan cara mengukur
perubahan tahanan listrik ΔR/R yang
sebanding regangan yang diterima
strain gage melalui bridge box.
Selanjutnya dengan menggunakan
pengkondisian sinyal, perubahan
tersebut dikonversikan dalam bentuk tegangan listrik. Sinyal-sinyal tersebut diteruskan dalam bentuk gelombang
dan selanjutnya ditampilkan pada
penampil sinyal dalam bentuk digital sehingga dapat terbaca langsung. Akhirnya sinyal tersebut diteruskan ke
perangkat komputer yang telah
dilengkapi dengan software
pengukuran khusus. Perangkat Load Cell Digital Komputer Alat Sensor Pengolah Data Aqusisi (DAQ) Pengkondisi Sinyal Penampil Sinyal
24
3. HASIL PENGUJIAN
Luas daerah pembebanan pada
pengujian ini diperlihatkan pada
gambar 8, dengan nilai rata-rata ialah sebesar 0,0095 m2.
Gambar 8. Luas daerah pembebanan rata-rata.
Gaya dan tegangan hasil uji impak untuk ketinggian jatuh 0,75 m
berturut-turut diperlihatkan pada
gambar 9 dan 10.
Gambar 9. Gaya impak hasil pengujian.
Gambar 10. Tegangan impak hasil pengujian
Berdasarkan data-data hasil pengujian terlihat bahwa beban impak yang
mampu diserap helmet pada tiga kali pengujian dengan ketinggian impak
yang sama akan menyebabkan
penurunan kekuatan helmet tersebut. Dengan kata lain pada pengujian pertama dan kedua kekuatannya masih cukup bagus, tapi pada pengujian
ketiga kemungkinan terjadinya
deformasi yang cukup besar sehingga hanya dengan beban yang relatif lebih
kecil helmet telah mengalami
kerusakan. Data impuls yang terjadi diperlihatkan pada gambar 11.
Gambar 11. Hasil pengukuran impuls.
Energi impak yang dapat diserap helmet selama pengujian diperlihatkan pada gambar 12.
Gambar 12. Energi hasil pengujian impak.
Berdasarkan data tersebut
besarnya perbedaan energi yang
0.00930.00790.0113 -0.00100.0025 0.0060 0.0095 0.0130 0.0165 0.0200 0 1 2 3 4 Lu a s Pe n a m p a n g (m 2) No. Pengujian 2.371 2.180 1.707 0.000 0.500 1.000 1.500 2.000 2.500 0 500 1000 T e ga n ga n (k Pa ) Waktu(ms) 22 .5 3 0 10 20 30 0 G ay a (N) Waktu (ms) 1 6 . 2 0 5 10 15 20 25 -50 150 G a ya (N) Waktu … 17.57 15.75 15.50 16.00 16.50 17.00 17.50 18.00 0 1 2 3 En er gi Im p a k (J ) No. Uji Arata-rata = 0,0095 m2
25
diserap pada pengujian pertama
dengan ketinggian jatuh 0,75 m adalah sebesar 0,67 J atau sekitar 3,8%.
Kemudian pada pengujian kedua
dengan helm yang sama pada
masing-masing perlakuan anvil diperoleh
penyerapan yang lebih kecil
dibandingkan dengan pengujian
pertama. Besarnya perbedaan energi ialah 0,21 J atau hanya sekitar 1,3%. Dengan demikian terlihat bahwa energi impak yang diserap oleh spesimen yang sama dengan pengujian berulang-ulang akan semakin kecil. Hal ini kemungkinan disebabkan energi impak
tersebut dikonversikan menjadi
perubahan deformasi dalam spesimen.
4. KESIMPULAN
Gaya impak hasil pengujian
helmet sepeda motor pada ketinggian 0,75 m yang dilakukan selama tiga kali percobaan dengan spesimen yang sama berturut-turut ialah 25,53 N, 20,72 N, dan 16,22 N. Data ini memperlihatkan penurunan gaya impak yang terjadi seiring semakin besarnya deformasi yang terjadi. Sedangkan
tegangan impak yang dihasilkan
dengan luas permukaan impak rata-rata 0,0095 m2 berturut-turut ialah 2,37 kPa, 2,18 kPa, dan 1,70 kPa. Data-data
ini menunjukkan bahwa kekuatan
helmet sepeda motor akan mengalami
penurunan apabila dikenai beban
impak berulang-ulang. Sejalan dengan
penurunan kedua parameter
sebelumnya, energi impak juga
mengalami penurunan dari pengujian pertama dan kedua, yaitu sebesar 3,8%.
DAFTAR PUSTAKA
Japan International Standard for Safety Helmet, T-8131, Japan, 1977. Johnson, W., Impact Strength of
Materials, Edward Arnold,
London, 1972.
Kolsky, H., An Investigation of The
Mechanical Properties of
Materials at Very High Rate of
Loading, Proc. Phys. Soc.
(London), B62, 676-700 (1949). Robert Metz, Impact and Drop Testing
with ICP® Force Sensors, PCB
Piezotronics, Inc, Automotive
Testng Expo, North America USA, 2006.
Standar Nasional Indonesia, Helm Pengendara Kendaraan Bermotor Roda Dua untuk Umum, SNI 19-1911-1990.
Syam, B., A Measuring Method for Impact Tensile Strength and Impact Fracture Behaviors of
Brittle Materials, A Doctoral
Dissertation, Muroran Institute of
Technology, Muroran, Japan,
March 1996, pp. 29-98.
Syam B, Nayan A, Penyelidikan Perilaku Mekanik Helm Industri Akibat Beban Impak Kecepatan
Tinggi, Prosiding Seminar
Material dan Struktur
(MASTRUCT), Medan, Januari, 2004.
Yanagihara, N., Theory of
One-Dimensional Elastic Wave for the
Measurement of the Impact
Force, Bulletin of JSME, vol. 43, 1977, pp. 40-48.
