Ayunan Puntir 42-57 [PDF]

Citation preview

AYUNAN PUNTIR A. Pendahuluan 1.



Latar Belakang Fisika adalah cabang sains paling dasar. Bidang pengetahuan ini mempelajari perilaku dan struktur materi atau sebuah ilmu pengetahuan dimana di dalamnya mempelajari tentang sifat dan fenomena alam atau gejala alam dan seluruh interaksi yang terjadi di dalamnya. Salah satu cabang dari ilmu fisika yaitu mekanika dimana di dalamnya mempelajari tentang gerak dan penyebab terjadinya gerak tersebut. Menurut Giancoli (2014) gerak harmonik sederhana adalah gerak bolak-balik benda melalui suatu titik keseimbangan tertentu dengan banyaknya getaran benda dalam setiap sekon selalu konstan. Salah satu contoh gerak harmonik sederhana yaitu ayunan puntir. Ayunan puntir merupakan sebuah piringan yang digantungkan pada ujung sebuah kawat yang dipasangkan pada pusat massa piringan. Jika suatu benda diberi simpangan kemudian dilepaskan maka benda tersebut akan melakukan gerak osilasi atau gerak berulang-ulang yang periodik sehingga kawat akan mengalami puntiran. Kawat yang terpuntir akan melakukan torka pada piringan yang cenderung akan kembali keposisi semula. Menurut Ali Mustofa (2018) dalam jurnalnya yang berjudul Analisa Kekuatan Tarik, Kekuatan Lentur Putar dan Kekuatan Puntir Baja ST 41 sebagai Bahan Poros Baling-bali Kapal (Propeller Shaft) 42



setelah Proses Quenching diperoleh hasil penelitian berupa nilai kekuatan material yang kemudian dibandingkan dengan nilai minimum persyaratan ruler BKI. Uji puntir pada suatu spesimen dilakukan untuk menentukan keelastisan suatu material. Spesimen yang digunakan pada pengujian puntir adalah batang dengan penampang lingkaran karena bentuk penampang ini paling sederhana sehingga muda diukur. Spesimen tersebut hanya dikenai beban puntiran pada salah satu ujungnya karena dua pembebanan akan memberikan ketidakkonstanan sudut puntir yang diperoleh dari pengukuran. Berdasarkan beberapa penerapan ayunan puntir yang kita dijumpai dalam kehidupan sehari-hari, masih banyak orang khususnya mahasiswa yang belum mengetahui konsep dari ayunan puntir, dan fenomena dari elastisitas logam. Oleh karena itu perlunya dilakukan percobaan mengenai ayunan puntir guna untuk menigkatkan pemahaman mahasiswa tentang konsep ayunan puntir, dan fenomena elastisitas logam.



2.



Tujuan Tujuan dari percobaan ayunan puntir yaitu untuk menentukan kosntanta puntir (κ) dan modulus geser (M) dari kawat logam.



43



B. Kajian Teori Suatu sistem berosilasi disekitar posisi kesetimbangan maka pada sistem tersebut bekerja gaya balik atau gaya pemulih (restoring force) yang besarnya sebanding dengan jarak sistem dari posisi setimbangnya. Getaran merupakan gerakan osilasi dari suatu sistem yang dapat berupa gerakan beraturan dan berulang secara kontinu atau dapat berupa gerakan tidak teratur atau acak. Setiap gerak yang terjadi secara berulang dalam selang waktu yang sama disebut gerak periodik. Gerak periodik yang terjadi secara teratur disebut gerak harmonis. Sifat elastik tidak hanya terjadi pada pegas akan tetapi hampir pada tiap benda dalam batas-batas tertentu (Susilo, 2012). Berkenaan modulus puntir maka pemabahasan diawali dengan adanya torsi. Torsi adalah suatu pemuntiran sebuah benda yang diakibatkan oleh kopel-kopel yang menghasilkan perputaran terhadap sumbu longitudinalnya. Kopel-kopel yang menghasilkan pemuntiran sebuah batang disebut momen puntir. Momen (τ) sebuah kopel yang sama dengan hasil kali salah satu gaya (F) dari pasangan ini dengan jarak antara garis (d) kerja dari masing-masing gaya (Firdaus, 2017). Skema bandul puntir ditunjukkan oleh Gambar 4.1 cakram diputar, misalnya sejauh θm



tegak lurus terhadap kawat penggantungnya kemudian



dilepas. Cakram akan berputar bolak-balik searah dan berlawanan arah jarum jam terhadap sumbu. Gerak inilah yang dikategorikan sebagai bandul puntir.



44



Gambar 4.1 Skema Bandul Puntir Titik O Adalah Sumbu Puntir. Pada gerak ini jika simpangan cukup kecil, maka torsi pemulih yang bekerja adalah



τ =−κθ ............................................................................. (4.1) dengan



κ



adalah torsi yang bergantung pada sifat kawat. Sekali lagi



digunakan identitas kinematika rotasi



τ =Ia=I



d2 θ dt 2 , diperoleh



d2 θ κ + θ=0 dt 2 I ................................................................... (4.2) sehingga, persamaan simpangan dan periode getarn bandul puntir untuk simpangan kecil adalah



θ=θ 0 sin ( ωt +φ ) ............................................................... (4.3)



T=



2π I =2 π ω κ ............................................................... (4.4)



√



nilai periode bergantung pada bentuk cakram dan sifat kawat (Rosyid, 2009).



45



C. Metode Praktikum 1.



Alat dan Bahan Alat dan bahan yang digunakan dalam percobaan ayunan puntir dapat dilihat pada Tabel 4.1 berikut. Tabel 4.1 Alat dan Bahan Percobaan Ayunan Puntir No. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.



2.



Alat dan Bahan 1 Set Statif Mikrometer Sekrup Kawat Tembaga Tali Senar Piringan Kayu Stopwatch Neraca Digital Mistar Busur Derajat



Fungsi Sebagai alat untuk mengikat kawat Untuk mengukur diameter kawat Sebagai bahan pengamatan Sebagai bahan pengamatan Sebagai bahan pengamatan Untuk mengitung waktu osilasi Untuk mengukur massa piringan kayu Untuk mengukur panjang kawat Untuk mengukur besar simpangan



Prosedur Kerja Prosedur kerja pada percobaan ayunan puntir adalah sebagai berikut. a.



Merangkai alat statif sebagai tempat mengikat kawat.



b.



Mengukur diameter tali senar dan kawat tembaga.



c.



Menggantungkan benda pada suatu poros yang melalui pusat massa piringan kayu dan tegak lurus pada bidang piringan kayu tersebut seperti pada Gambar 4.2 berikut.



Gambar 4.2 Rangkaian Alat Ayunan Puntir.



46



d.



Mengukur panjang tali senar yang dipakai sebesar 0,5 m



e.



Memutar piringan kayu dengan sudut 200 kemudian lepaskan. Sehingga berosilasi, mencatat waktu yang diperlukan untuk melakukan 5 kali ayunan.



f.



Mengulangi langkah d sampai e dengan panjang tali senar 0,4 m dan 0,3 m.



g.



Mengulangi langkah c sampai f untuk kawat tembaga.



h.



Mengukur massa dan diameter piringan kayu.



47



D. Hasil dan Pembahasan 1.



Hasil a.



Data Pengamatan Data pengamatan untuk percobaan ayunan puntir dapat dilihat pada Tabel 4.2 berikut. Tabel 4.2 Data Pengamatan Percobaan Ayunan Puntir No.



Jenis tali



1.



Tali Senar



2.



Kawat Tembaga



l (m) 0,5 0,4 0,3 0,5 0,4 0,3



Waktu (s) t1 19,17 17,03 15,20 15,70 14,06 12,14



t2 19,28 16,99 15,23 15,73 14,12 12,11



Keterangan : Diameter Piringan : 0,1 m Massa piringan kayu : 0,104 kg



48



t3 19,23 16,98 15,23 15,85 14,12 12,05



θ (o)



n (kali)



d (m)



20



5



0,00089



20



5



0,00053



´t 19,227 17 15,22 15,76 14,1 12,1



b.



Analisis Data 1)



Tali Senar a)



Menentukan Momen Inersia Piringan Kayu



1 I = mr 2 2 1 = ×0,104×( 0,05 )2 2 1 ¿ ×0 ,104×0,0025 2 =0,00013kgm2 b)



Menentukan Periode Secara Praktek untuk l = 0,5 m



¯t n 19 ,227 = 5 =3 ,845 s



T =



Dengan cara yang sama data selanjutnya dapat dilihat pada Tabel 4.3 berikut. Tabel 4.3 Data Analisis Penentuan Periode Secara Praktek ´t (s) No. Jenis Tali l (m) d (m) 1.



Senar Gitar



0,5 0,4 0,3



49



19,227 17 15,22



0,00013 0,00013 0,00013



T (s) 3,845 3,4 4,044



c)



Menentukan Konstanta Puntir untuk l = 0,5 m



4 π2 I κ = 2 T 2 4×( 3,14 ) ×0,00013 = ( 3,845 )2 0,005127 ¿ 14.787 ¿0,000347 kgm2 /s 2 Dengan cara yang sama data selanjutnya dapat dilihat pada Tabel 4.4 berikut: Tabel 4.4 Data Analisis Penentuan Konstanta Puntir



d)



No.



Jenis Tali



1.



Senar Gitar



l (m) 0,5 0,4 0,3



d (m) 0,00089 0,00089 0,00089



I (kgm2) 0,00013 0,00013 0,00013



T (s) 3,845 3,4 4,044



κ (kgm2/s2) 0,000347 0,000444 0,000553



Menentukan Periode Secara Teori untuk l = 0,5 m



T =2π



√



I κ



0,00013 0,000347 = 2×3,14×0,612 =3,845s =2×3,14×



√



Dengan cara yang sama data selanjutnya dapat dilihat pada Tabel 4.5 berikut. Tabel 4.5 Data Analisis Penentuan Periode Secara Teori No. Jenis Tali l (m) I (kgm2) κ (kgm2/s2) 1.



Senar Gitar



0,5 0,4 0,3



50



0,00013 0,00013 0,00013



0,000347 0,000444 0,000553



TTeori(s) 3,845 3,4 3,044



e)



Menentukan Modulus Geser Tali Senar untuk l = 0,5 m



κ 2l πr 4 0, 000347×2×0,5 = 3, 14×( 0 ,000445 )4 3 ,47×10−4 ¿ 1 ,243×10−13 =2.791×10 9 kg/ms2 M =



Dengan cara yang sama data selanjutnya dapat dilihat pada Tabel 4.6 berikut. Tabel 4.6 Data Analisis Penentuan Modulus Geser Tali Senar No. Jenis Tali l (m) r (m) M (kg/ms2) κ (kgm2/s2) 1.



f)



Senar Gitar



0,5 0,4 0,3



0,000445 0,000445 0,000445



0,000347 0,000444 0,000553



2.791 x 109 2.881 x 109 2,696 x 109



Menentukan Modulus Geser Piringan Kayu untuk l = 0,5 m



κ 2l πr 4 0 ,000347×2×0,5 = 3 ,14×( 0 , 025 )4 3 ,47×10−4 ¿ 1 ,226×10−6 =282 ,686 kg/ms 2 M =



Dengan cara yang sama data selanjutnya dapat dilihat pada Tabel 4.7 berikut. Tabel 4.7 Data Analisis Penentuan Modulus Geser Piringan Kayu No. Jenis Tali l (m) r (m) κ (kgm2/s2) M (kg/ms2) 1.



Senar Gitar



0,5 0,4 0,3



0,000445 0,000445 0,000445



51



0,000347 0,000444 0,000553



282,686 289,271 270,667



2)



Kawat tembaga a)



Menentukan Momen Inersia Piringan Kayu



1 I = mr 2 2 1 = ×0,104×( 0,05 )2 2 1 ¿ ×0 ,104×0,0025 2 =0,00013kgm2 b)



Menentukan Periode Secara Praktek untuk l = 0,5 m



¯t n 15,760 = 5 =3,152s



T =



Dengan cara yang sama data selanjutnya dapat dilihat pada Tabel 4.8 berikut. Tabel 4.8 Data Analisis Penentuan Periode Secara Praktek ´t (s) No. Jenis Tali l (m) d (m) 1.



c)



Kawat Tembaga



0,5 0,4 0,3



15,760 14,1 12,1



Menentukan Konstanta Puntir untuk l = 0,5 m



4 π2 I κ = 2 T 4×( 3,14 )2×0,00013 = ( 3,152 )2 0,00512 ¿ 9,935 =0,000516 kgm 2 /s2 52



0,00053 0,00053 0,00053



T (s) 3,152 2,820 2,240



Dengan cara yang sama data selanjutnya dapat dilihat pada Tabel 4.9 berikut: Tabel 4.9 Data Analisis Penentuan Konstanta Puntir



d)



No.



Jenis Tali



1.



Kawat Tembaga



l (m) 0,5 0,4 0,3



d (m) 0,00053 0,00053 0,00053



I (kgm2) 0,00013 0,00013 0,00013



T (s) 3,152 2,820 2,240



κ (kgm2/s2) 0,000516 0,000645 0,000875



Menentukan Periode Secara Teori untuk l = 0,5 m



T =2π



√



I κ



0,00013 0,000516 =2×3,14×0,0501 =3,152s =2×3,14×



√



Dengan cara yang sama data selanjutnya dapat dilihat pada Tabel 4.10 berikut: Tabel 4.10 Data Analisis Penentuan Periode Secara Teori No. Jenis Tali l (m) I (kgm2) κ (kgm2/s2) 1.



e)



Kawat Tembaga



0,5 0,4 0,3



0,00013 0,00013 0,00013



0,000516 0,000645 0,000875



Menentukan Modulus Geser Kawat Tembaga untuk l = 0,5 m



κ 2l πr 4 0, 000516×2×0,5 = 3, 14×( 0, 000265 )4 5,16×10−4 ¿ 1,548×10−14 =3.33×1010 kg/ms 2 M =



53



TTeori (s) 3,152 2,820 2,240



Dengan cara yang sama data selanjutnya dapat dilihat pada Tabel 4.11 berikut. Tabel 4.11 Data Analisis Penentuan Modulus Geser Kawat Tembaga No. Jenis Tali l (m) r (m) κ (kgm2/s2) M (kg/ms2) 1.



f)



Kawat Tembaga



0,5 0,4 0,3



0,000265 0,000265 0,000265



0,000516 0,000645 0,000875



3,33 x 1010 3,33 x 1010 3,39 x 1010



Menentukan Modulus Geser Piringan Kayu untuk l = 0,5 m



κ 2l πr 4 0 ,000516×2×0,5 = 3 ,14×( 0,025 )4 5 ,16×10−4 = 1 ,226×10−6 ¿420 ,727kg/ms2 M =



Dengan cara yang sama data selanjutnya dapat dilihat pada Tabel 4.12 berikut. Tabel 4.12 Data Analisis Penentuan Modulus Geser Piringan Kayu No. Jenis Tali l (m) r (m) κ (kgm2/s2) M (kg/ms2) 1.



Kawat Tembaga



0,5 0,4 0,3



54



0,025 0,025 0,025



0,000516 0,000645 0,000875



420,727 420,499 428,246



2.



Pembahasan Ayunan puntir adalah sebuah benda tegar yang digantungkan pada titik pusatnya yang apabila diberi simpangan pada titik kesetimbangan maka akan berosilasi. Suatu benda dikatakan berpuntir apabila benda tersebut digantungkan pada kawat yang diputar pada bidang harizontal dan diberi simpangan tertentu kemudian dilepas maka benda tersebut akan bergerak osilasi atau berpuntir. Konstanta Puntir adalah sebuah tetapan harga untuk suatu logam yang dapat dipuntir sampai batas maksimal elastisitasnya. Modulus Geser adalah bilangan yang menggambarkan perubahan bentuk benda yang elastis atau hasil bagi antara tegangan geser dengan regangan geser. Percobaan ayunan puntir yang dilakukan menggunakan tali senar dan kawat tembaga, dan masing-masing diberi tiga perlakuan yaitu digantung pada jarak 0,5 m, 0,4 m, dan 0,3 m. Pengamatan pertama yang dilakukan yaitu pada tali senar, diberikan simpangan pada piringan kayu sebesar 200 didapatkan nilai waktu rata-rata yang bervariasi yaitu 19,227 s, 17 s, dan 15,22 s. Untuk kawat tembaga dengan perlakuan yang sama didapatkan waktu rata-rata bervariasi yaitu 15,760 s, 14,1 s, dan 12,1 sekon. Analisis data pada tali senar yang pertama dilakukan yaitu penentuan periode dengan panjang tali yang divariasikan diperoleh periode tali senar sebesar 3,845 s, 3,4 s, dan 3,044 s. Pada penentuan konstanta puntir dengan variasi panjang tali yang sama diperoleh nilai konstanta yaitu sebesar 0,000347 kgm2/s2, 0,000444 kgm2/s2, dan



55



0,000553 kgm2/s2. Pada penentuan periode secara teori didapatkan nilai yang sama dengan nilai periode secara praktek. Selanjutnya pada penentuan modulus geser tali senar, dengan variasi panjang tali yang sama diperoleh nilai modulus geser tali senar sebesar 2,791x109 kg/ms2, 2,881x109 kg/ms2, dan 2,696x109 kg/ms2. Pada penentuan modulus geser piringan kayu sebesar 282,686 kg/ms2, 289,271 kg/ms2, dan 270,667 kg/ms2. Pengamatan kedua yang dilakukan dengan menggunakan kawat tembaga dengan panjang tali yang divariasikan mulai dari 0,5 m, 0,4 m, dan 0,3 m. Pada penentuan periode secara praktek dengan panjang tali yang divariasikan diperoleh nilai periode secara praktek sebesar 3,152 s, 2,820 s, dan 2,240 s. pada penentuan konstanta puntir dengan variasi panjang tali yang sama diperoleh



nilai konstanta sebesar 0,000516



kgm2/s2, 0,000645 kgm2/s2, dan 0,000875 kgm2/s2. Pada penentuan periode secara teori didapatkan nilai yang sama dengan nilai periode secara praktek. Selanjutnya pada penentuan modulus geser kawat tembaga, dengan variasi tali yang sama diperoleh nilai modulus geser pada kawat tembaga sebesar 3,332x1010 kg/ms2, 3,330x1010 kg/ms2, dan 3,392x1010 kg/ms2. Analisis data yang terakhir pada kawat tembaga yaitu penentuan modulus geser piringan kayu, dengan panjang kawat yang divariasikan diperoleh nilai modulus geser piringan kayu sebesar 420,727 kg/ms2, 420,499 kg/ms2, dan 428,246 kg/ms2.



56



Berdasarkan uraian data diatas dapat diketahui bahwa hubungan atau pengaruh periode dan panjang tali senar atau kawat tembaga terhadap konstanta puntir yaitu semakin besar periode osilasi maka konstanta puntirnya semakin kecil. Dalam hal ini periode osilasi berbanding terbalik dengan konstanta puntir. Adapun pengaruh panjang tali dan periode terhadap modulus geser yaitu semakin panjang tali maka modulus gesernya semakin besar, karena panjang kawat berbanding lurus dengan modulus geser. Pengaruh konstanta puntir terhadap modulus geser yaitu semakin besar konstanta puntir maka modulus geser juga semakin besar, dalam hal ini konstanta puntir berbanding lurus dengan modulus geser.



57