(Karakteristik Elastisitas Bahan) Pribadi Adhi 10208069 PDF [PDF]

Citation preview

KARAKTERISTIK ELASTISITAS BAHAN Pribadi Mumpuni Adhi, M. Fauzi Sahdan, Randy Menander, Panji Achmari, Almas Hilman Muhtadi, Gilang Mardian Kartiwa, Zamzam Ibnu Sina 10208069, 10208004, 10208021, 10208040, 10208068, 10208070, 10208098 Program Studi Fisika, Institut Teknologi Bandung, Indonesia Email : [email protected] Asisten : (Yudi Nugraha/10207059) Tanggal Praktikum : (27-03-2011) Abstrak Suatu bahan memiliki sifat elastis apabila besar nilai tegangan dan regangan memiliki hubungan linear. Faktor-faktor yang mempengaruhi elastisitas suatu bahan antara lain adalah duktilitas, kekerasan, dan ketahanan bahan. Dengan menggunakan Mark 10, pada praktikum ini dapat ditentukan nilai modulus elastistas dari bahan. Mark 10 terdiri dari Force Sensor SS1000 dan Digital Force Gauge yang bekerja dengan prinsip jembatan wheatstone. Apabila ada tekanan yang diberikan maka keseimbangan dari jembatan wheatstone akan berubah akibat adanya perubahan hambatan. Perubahan hambatan ini dapat diubah menjadi gaya yang bekerja pada bahan. Sehingga dapat dibuat kurva elastisitas dari masingmasing bahan yang diuji. Kata Kunci : Elastisitas, Force Sensor, Modulus Elastisitas I.



Pendahuluan



Praktikum ini bertujuan untuk mendapatkan modulus elastisitas bahan (modulus Young) menggunakan Mark 10 sehingga bisa didapatkan kurva elastisitas dan sifat elastisitas dari bahan dapat ditentukan. Bahan dapat dikatakan elastis apabila suatu bahan diberikan gaya luar, maka bahan tersebut dapat kembali ke keadaan semula. Apabila suatu bahan diberi gaya luar bahan tersebut tidak kembali ke keadaan semula maka bahan tersebut dikatakan plastis. Suatu bahan elastis apabila diberi gaya terus menerus lama kelamaan akan mengalami deformasi plastis. Jika gaya semakin besar maka bahan tersebut akan patah (fracture). Faktor-faktor eksternal yang mempengaruhi langsung dari elastisitas bahan antara lain adalah gaya yang diberikan dan luas permukaan tekan. Faktor-faktor internal yang mempengaruhi elastisitas antara lain duktilitas bahan, ketahanan bahan, dan kekerasan bahan. Kurva elastisitas dapat dilihat dari gambar 1, yaitu hubungan antara tegangan terhadap regangan.



Gambar 1. Kurva Elastisitas [1] Ukuran besarnya struktur terdeformasi atau teregang bergantung pada besarnya tegangan yang diberikan pada material. Untuk sebagian besar logam yang diberi tekanan yang relatif kecil, besarnya tegangan dan regangan akan sebanding. Kesebandingan ini diungkapkan dengan persamaan yang dikenal dengan hukum Hooke [2]. Pada saat hukum Hooke berlalu maka hubungan antara tegangan dan regangan adalah linear atau berada pada zona elastis. Hukum Hooke secara matematis dapat dinyatakan sebagai berikut:



= E 



(1)



Dimana σ merupakan tekanan yang dirumuskan



F , E adalah modulus elastisitas A



dengan



(modulus Young), dan ε adalah regangan atau perubahan panjang dibagi dengan panjang awalnya yang secara matematis dituliskan dengan



L . L



Duktilitas adalah suatu ukuran deformasi plastis ketika suatu bahan diberi tekanan. Duktilitas secara kualitatif didefinisikan sebagai percent elongation[3] atau secara matematis dapat ditulis :



 EL=



l f −l 0 l0



(2)



Ketahanan adalah kapasitas dari suatu material untuk menyerap energi ketika material terdeformasi secara elastis dan ketika gaya dihilangkan (proses unloading) untuk mengembalikan energinya seperti semula. Karakteristik ini ditunjukkan dengan modulus ketahanan yaitu energi regangan per unit volume. Persamaan modulus ketahan adalah sebagai berikut [4] :



U r=



2 2E



(3)



Kekerasan merupakan suatu besaran untuk mengukur kemampuan suatu material untuk menyerap energi sampai terjadi fracture. Untuk kondisi statis (laju regangan yang rendah),Kekerasan merupakan luas dari area di bawah kurva σ-ε.



Gambar 2. Keadaan Awal Alat 3. Digital Forces Gauge dan bagian pengukur panjang di set nol. 4. Bidang pemberi gaya diturunkan dengan kecepatan tertentu. Untuk bahan selain lem diturunkan pada kecepatan 10mm/menit, sedangkan pada lem dengan kecepatan 50 mm/menit. 5. Pengambilan data dilakukan setiap perubahan panjang sebesar 0.05 mm. Pada alat Digital Forces Gauges akan dibaca nilai tekanan yang diberikan. 6. Pengambilan dilakukan sampai nilai gaya pada Digital Forces Gauges turun dan mulai konstan. 7. Setelah itu ganti bahan dengan bahan yang lainnya. Lakukan hal yang sama.



II. Metode Percobaan 1. Alat Force Sensor dan Digital Force Gauge dihubungkan. 2. Objek yang akan diamati diletakkan di atas sensor kemudian bidang pemberi gaya tekan diposisikan persis di atas sensor (lihat gambar 2)



Gambar 3. Digital Forces Gauges dan Force Sensor SS10000



III. Data dan Pengolahan



Grafik 1. Kurva Elastisitas Bata (panjang 1,25 cm, luas 5 cm 2)



Grafik 2. Kurva Elastisitas Kapur 1 (panjang 2,025 cm, luas 0,7088218 cm 2)



Grafik 3. Kurva Elastisitas Kapur 2 (panjang = 2,985 cm, luas 0,7088218 cm 2 )



Grafik 4. Kurva Elastisitas Lem1 (panjang = 1,95 cm, luas 0,453646 cm 2)



Grafik 5. Kurva Elastisitas Lem2 (panjang = 3,3 cm, luas 0,9940196 cm 2)



Grafik 6. Kurva Elastisitas Aluminium (panjang 2,4 cm, luas 0,12 cm 2) Menggunakan persamaan (1), maka dari tiap grafik dapat ditentukan bahwa modulus elastisitas (E) merupakan gradien dari grafik tersebut. Nilai modulus elastisitas dari masing-masing bahan disajikan dalam tabel berikut ini :



No. Bahan



Modulus Elastisitas (Pa)



1



Bata



2,186 x 107



2



Kapur 1



1,765 x 107



3



Kapur 2



7,408 x 107



4



Lem 1



1,11 x 107



5



Lem 2



6,128 x 106



6 Aluminium 1,593 x 109 Tabel 1. Modulus Elastisitas Bahan Hasil Percobaan Menggunalkan persamaan (2), maka duktilitas atau percent elongation dapat disajikan dalam tabel berikut ini : No. Bahan



EL (%)



1



Bata



11,44



2



Kapur 1



12,05



3



Kapur 2



3,4



4



Lem 1



13,69



5



Lem 2



32,84



6



Aluminium 5,12 Tabel 2. Duktilitas Bahan Hasil Percobaan



Modulus Kekerasan bahan dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (3), dan disajikan dalam tabel berikut ini : No. Bahan



Ur (Pa)



1



Bata



2131747,48



2



Kapur 1



81192,06



3



Kapur 2



33028,35



4



Lem 1



75677,64



5



Lem 2



317229,48



6 Aluminium 967969,59 Tabel 3. Modulus Kekerasan Bahan Hasil Percobaan IV. Analisis Kurva elastisitas dapat dibuat dengan cara memplot antara tegangan dengan regangan. Hasil kurva elastisitas dapat dilihat pada grafik 1-6. Setiap bahan memiliki kurva elastisitas yang berbeda-beda karena nilai elatisitas dari tiap bahan juga berbedabeda. Pada bahan elastis berlaku hukum Hooke yang dirumuskan oleh persamaan (1). Hukum hooke ini hanya berlaku apabila hubungan antara tegangan dan regangan adalah linear. Bahan kapur bila dilihat dari kurva elastisitasnya grafik yang lebih besar kemiringannya menunjukkan daerah elastis dari bahan kapur. Kemudian pada grafik (dapat dilihat di grafik 2 dan 3) bahwa grafik melandai yang menunjukkan sudah terjadi deformasi, sehingga apabila gaya semakin diberikan



lama kelamaan kapur akan hancur. Terjadi perbedaan nilai modulus young dari kapur, karena kapur cenderung tidak elastis sehingga hukum hooke tidak berlaku. Pada bahan batu bata, karena posisi penempatan batu bata yang tidur tidak berdiri sehingga luas permukaan tekannya menjadi lebih besar, menyebabkan tekanan yang diberikan menjadi lebih kecil dibandingkan apabila batu bata diberdirikan. Sehingga pada suatu benda berada pada posisi akan hancur dan perubahan panjang dari benda tidak dapat diamati kembali. Kurva elastisitas bahan lem terlihat seperi tangga, karena NST dari alat pembaca gaya (digital force) yang terlalu besar. Sehingga untuk perubahan gaya yang sedikit tidak dapat dibaca secara akurat, yang dibaca hanyalah pembulatan dari gaya tersebut. Tetapi apabila dilihat dari trend bentuk grafiknya maka dapat dilihat bahwa sebenarnya hubungan antara tegangan dan regangan adalah linear sehingga hukum hooke berlaku. Terdapat perbedaan nilai daro modulus young, hal ini karena bahan lem yang digunakannya berbeda. Bahan lem yang pertama lebih keras dibandingkan bahan lem yang kedua Sensor gaya SS10000 merupakan sensor gaya yang terdiri dari strain gauge (alat pengukur regangan) berbasis load cell berbentuk S. Load cell merupakan transduser yang berfungsi untuk mengkonversi dari gaya menjadi sinyal elektronik [5]. Load cell bentuk 'S' bekerja dengan menggunakan prinsip-prinsip geser untuk memperkuat pengaruh beban pada strain gauge (pengukur regangan) dalam load cell. Load cell bentuk 'S' dapat digunakan pada saat diberi tekanan atau dikompresi[6]. Pada load cell berbentuk 'S', strain gauge terikat ke daerah sensing pusat dalam bentuk jembatan wheatstone penuh[7].



Gambar 4. Jembatan Wheatsone[8] Dengan E merupakan tegangan eksitasi (tipikalnya 10 vdc) dan OP adalah sinyal keluaran. Strain gauge (pengukur regangan) pada umumnya merupakan tipe foil (timah). Pada strain gauge terdiri dari pola foil resistif yang dipasang



pada backing material. Prinsip kerjanya adalah apabila foil terkena tekanan maka akan terjadi perubahan resistansi (tahanan) pada foil [9]. Kemudian strain gauge dipasang pada rangkaian jembatan wheatsone dengan konfigurasi jembatan wheatstone penuh (full bridge). Apabila suatu tekanan (stress) diberikan pada strain gauge maka akan terjadi perubahan tahanan yang menyebabkan jembatan wheatsone menjadi tidak seimbang. Perubahan tahanan inilah yang sebanding dengan gaya yang diberikan, sehingga setelah dikarakteristik maka gaya dapat dibaca oleh sensor.



Gambar 5. Ilustrasi Perubahan Tahanan Pada Strain Gauge [10]



Diagram blok kontrol untuk sistem pengukuran dapat disajikan sebagai berikut :



Motorized and manual test stand



Force Sensor SS10000



Pengatur Kecepatan



Strain Gauge



Digital Force Gauge



Display Output Force



Gambar 6. Diagram Blok Sistem V. Kesimpulan Dari praktikum ini dapat daiambil kesimpulan : 1. Nilai modulus elastisitas bahan dapat ditentukan dengan menarik hubungan linear antara tegangan dan regangan. Nilai elastisitas dari masing-masing bahan tersaji dalam tabel 1. 2. Bahan lem merupakan bahan yang palin elastis dibandingkan dengan aluminium, kapur dan bata. 3. Apabila sensor ditekan maka akan timbul perubahan nilai tahanan. Perubahan nilai tahanan ini kemudian dikonversi oleh alat digital Force Gauge menjadi gaya. Pustaka [1]http://msctechnology.wikispaces.com/file/view/HF_stressstrain-curve.gif/198295456/HF_stress-straincurve.gif



[2]Callister, William. 2007. Material Science and Engineering. New York : John Willey and Sons, Inc. Hal. 137 [3]Callister, William. 2007. Material Science and Engineering. New York : John Willey and Sons, Inc. Hal. 147[4] Callister, William. 2007. Material Science and Engineering. New York : John Willey and Sons, Inc. Hal. 149 [5] http://www.omega.com/prodinfo/loadcells.html [6] http://hubpages.com/hub/A-Guide-to-LoadCells [7] http://www.sensorland.com/HowPage005.html [8] http://www.sensorland.com/Images/HowPic15.jpg [9] http://www.sensorland.com/HowPage002.html [10]http://www.sensorland.com/Images/SG-001.gif