Tegangan, Regangan dan Gaya

A.   TEGANGAN (STRESS)

Secara umum tegangan teknik dirumuskan sebagai:

Keterangan:

F            = beban yang diberikan ( lb atau N )

AO       = luas penampang bahan sebelum dibebani ( in^2 atau m^2 )

σ            = psi, MPa.

Tegangan atau Stress adalah gaya reaksi atau gaya untuk mengembalikan ke bentuk semula. Gaya ini mengembalikan benda ke bentuk semula persatuan luas terbagi rata diseluruh permukaan.

Tegangan atau Stress dapat dikelompokkan menjadi:

1.    Tegangan Normal

Tegangan normal merupakan tegangan pada bidang yang tegak lurus dengan arah gaya. σ = bukan tegangan di suatu titik pada penampang A, tetapi tegangan rata-rata semua titik pada penampang A. Pada umumnya tegangan di suatu titik tidak sama dengan tegangan rata-rata. Tetapi dalam prakteknya, tegangan ini dianggap seragam, kecuali pada titik beban, atau adanya konsentrasi tegangan.

2.    Tegangan Tarik

Tegangan tarik adalah tegangan yang diakibatkan beban tarik atau beban yang

arah nya tegak lurus meninggalkan luasan permukaan. Tegangan Tekan Tegangan tekan adalah tegangan yang diakibatkan beban tekan atau beban yang arahnya tegak lurus menuju luasan permukaan Suatu benda yang statis, jika dipotong harus tetap statis dengan resultan gaya = 0 (ΣF=0)

3.    Tegangan Geser

Tegangan geser adalah tegangan yang diakibatkan oleh gaya yang arahnya sejajar dengan luasan permukaan (gaya tangensial). A = luas penampang yang menahan beban P Tegangan yang terjadi pada luasan A disebut tegangan geser, τ (tau) P τ rata = A Jika permukaan geser hanya satu, maka disebut geseran tunggal. Jika permukaan geser dua, maka disebut geseran ganda, sehingga tegangan geser Ps menjadi : τs=2A Bearing Stress in Connections σb=PP=A td

B.   REGANGAN (STRAIN)

Secara umum tegangan teknik dirumuskan sebagai:

Keterangan:

lo = panjang mula – mula

li = panjang akhir

Δl = pertambahan panjang

ε = %

           

Regangan atau strain adalah perubahan pada ukuran benda karena gaya dalamkesetimbangan dibandingkan dengan ukuran semula. Strain juga dapat dikatakan sebagai tingkat deformasi. Tingkat deformasi tersebut dapat memanjang, memendek, membesar, mengecil dan sebagainya.

Pembebanan akan mengalami deformasi. Perbandingan antara deformasi dengan panjang mula-mula disebut sebagai regangan. δ=satuan panjang L=satuan panjang ε= tanpa satuan atau dapat ditulis: L−L ΔL ε=1=L L ε=regangan L=panjang mula-mula L1 = panjang
deformasi adalah perubahan bentuk atau ukuran dari sebuah objek karena Sebuah diterapkan gaya atau Perubahan suhu. 

1. Regangan Geser

Regangan geser dilambangkan γ merupakan tangen θ.

2. Torsi

Torsi adalah variasi dari gaya geser murni. Bahan uji diberikan gaya puntir

yang akan menimbulkan gerak putar pada sumbu penggerak atau mesin bor

3. Deformasi Elastis

Besarnya bahan mengalami deformasi atau regangan bergantung kepada besarnya tegangan. Pada sebagian besar metal, tegangan dan regangan adalah proporsional dengan hubungan:

σ = E . ε

E = modulus elastistas atau modulus young ( Psi, MPa ).

4. Deformasi Plastis

Pada kebanyakan logam, deformasi elastis hanya terjadi sampai regangan 0.005. Jika bahan berdeformasi melewati batas elastis, tegangan tidak lagiproporsional terhadap regangan. Daerah ini disebut daerah plastis.

Pada daerah plastis, bahan tidak bisa kembali ke bentuk semula jika beban dilepaskan. Pada tinjauan mikro deformasi plastis mengakibatkan putusnya ikatan atom dengan atom tetangganya dan membentuk ikatan yang baru dengan atom yang lainnya. Jika beban di lepaskan, atom ini tidak kembali keikatan awalnya.

C.   HUBUNGAN ANTARA TEGANGAN-REGANGAN

1. Sifat-sifat benda elastik

ü  Strain selalu sama untuk stress tertentu

ü  Strain hilang sama sekali jika penyebab dihilangkan

ü  Untuk membuat strain tetap maka stress juga dibuat tetap

2. Grafik tegangan-regangan

secara umum sifat mekanik dari logam dibagi menjadi:

a). Batas proposionalitas (Proportionality Limit)

Adalah daerah batas dimana tegangan dan regangan mempunyai hubungan proporsionalitas satu dengan lainnya. Setiap penambahan tegangan akan diikuti dengan penambahan regangan secara proporsional dalam hubungan linier :       

s = E e

 b). Batas elastis (Elastic limit)

Adalah daerah dimana bahan akan kembali kepada panjang semula bila tegangan luar dihilangkan. Daerah proporsionalitas merupakan bagian dari batas elastik. Bila beban terus diberikan tegangan maka batas elastis pada akhimya akan terlampaui sehingga bahan tidak kembali seperti ukuran semula. Maka batas elastis merupakan titik dimana tegangan yang diberikan akan menyebabkan terjadinya deformasi plastis untuk pertama kalinya. Kebanyakan material tenik mempunyai batas elastis yang hampir berhimpitan dengan batas proporsionalitasnya.

 c). Titik  Luluh  (Yield  Point)  dan  Kekuatan  Luluh (Yield Strength)

Adalah batas dimana material akan terus mengalami deformasi tanpa adanya penambahan beban. Tegangan (stress) yang mengakibatkan bahan menunjukkan mekanisme luluh ini disebut tegangan luluh (yield stress). 

Gejala luluh umumnya hanya ditunjukkan oleh logam-logam ulet dengan struktur kristal BCC dan FCC yang membentuk interstitial solid solution dari atom-atom karbon, boron, hidrogen dan oksigen. Interaksi antar dislokasi dan atom-atom tersebut menyebabkan baja ulet seperti mild steel menunjukan titik luluh bawah (lower yield point) dan titik luluh atas (upper yield point).

Untuk baja berkekuatan tinggi dan besi tuang yang getas pada umumnya tidak memperlihatkan batas luluh yang jelas. Sehingga digunakan metode offset  untuk menentukan kekuatan luluh material. Dengan metode ini kekuatan luluh ditentukan sebagai tegangan  dimana bahan memperlihatkan batas penyimpangan/deviasi tertentu dari keadaan proporsionalitas tegangan dan regangan.   

Kekuatan luluh atau titik luluh merupakan suatu gambaran kemampuan bahan menahan deformasi permanen bila digunakan dalam penggunaan struktural yang melibatkan pembebanan mekanik seperti tarik, tekan, bending atau puntiran.            Di sisi lain, batas luluh ini harus dicapai ataupun dilewati bila bahan dipakai dalam proses manufaktur produk-produk logam seperti proses rolling, drawing, stretching dan sebagainya. Dapat dikatakan titik luluh adalah suatu tingkatan tegangan yang tidak boleh dilewati dalam penggunaan struktural (in service) dan harus dilewati dalam proses manufaktur logam (forming process).

 d). Kekuatan Tarik Maksimum  (Ultimate Tensile  Strength)

Adalah tegangan maksmum yang           dapat ditanggung oleh material sebelum tejadinya perpatahan (fracture). Nilai kekuatan tarik maksimum tarik ditentukan dari beban maksimum  dibagi luas penampang.

e). Kekuatan Putus (Breaking Strength)

Kekuatan putus ditentukan dengan membagi beban pada saat benda uji putus (Fbreaking) dengan tuas penampang  awal (A0). Untuk bahan yang bersifat ulet pada  saat beban maksimum M terlampaui dan bahan terus terdeformasi hingga titik putus B maka terjadi mekanisme penciutan (necking) sebagai akibat adanya suatu deformasi yang terlokalisasi.

Pada bahan ulet, kekuatan putus lebih kecil dari kekuatan maksimum, dan pada bahan getas kekuatan putus sama dengan kekuatan maksimumnya.

f).        Keuletan (Ductility)

Adalah sifat yang menggambarkan kemampuan logam menahan deformasi   hingga tejadinya perpatahan. Pengujian tarik memberikan dua metode pengukuran keuletan  bahan  yaitu: Persentase perpanjangan (Elongation) :

                          e (%) = [(Lf-L0)/L0] x 100%

dimana :          Lf  = panjang akhir benda uji

                                   L0 = panjang awal benda uji

Prsentase reduksi penampang (Area Reduction) :

                                     R (%) = [(A1 – A0)/A0] x 100%

dimana :          Af = luas penampang akhir

                                   A0 = luas penampang awal

g).        Modulus Elastisitas (Modulus Young)

Adalah ukuran kekakuan suatu material, semakin besar harga modulus ini maka  semakin kecil regangan elastis yang terjadi, atau semakin kaku.

h).       Modulus Kelentingan (Modulus of Resilience)

Adalah kemampuan material untuk menyerap energi dari luar tanpa teiuadinya kerusakan.  Nilai modulus resilience (U) dapat diperoleh dari luas segitiga yang dibentuk oleh  area elastik diagram tegangan-regangan

Perumusannya : U = 0.5se  atau U = 0.5se2/E

i).         Modulus Ketangguhan (Modulus of Toughness)

Adalah kemampuan material dalam mengabsorb energi hingga terjadinva perpatahan. Secara kuantitatif dapat ditentukan dari luas area keseluruhan di bawah kurva tegangan-regangan hasil pengujian tarik. 

3. Hukum Hooke

Pada tahun 1676, Robert Hooke mengusulkan suatu hukum fisika menyangkut pertambahan sebuah benda elastik yang dikenal oleh suatu gaya.

Menurut Hooke, pertambahan panjang berbanding lurus dengan gaya yang diberikan pada benda. Secara matematis, hukum Hooke ini dapat dituliskan sebagai.

F = k x

dengan

F = gaya yang dikerjakan (N)

x = pertambahan panjang (m)

k = konstanta gaya (N/m)

Perlu suatu diingat bahwa hukum Hooke hanya berlaku untuk daerah elastik, tidak berlaku untuk daerah plastik maupun benda-benda plastik. Rumus tersebut dapat kita tulis:

Tegangan  = k

Regangan

k adalah modulus elastisitas atau koefisien elastisitas.. Dalam batas elastisitasnya setiap deformasi berbanding lurus dengan gaya penyebabnya(hukum Hooke) dan pertambahan panjang pegas berbanding lurus dengan gaya penyebabnya.

Berikut ini addalah beberapa nilai konstanta modulus elastisitas, modulus  geser dan Ratio Possion pada beberapa paduan logam.

B.   Gaya

Gaya adalah tarikan atau dorongan yang terjadi terhadap suatu benda. Gaya bisa menyebabkan perubahan posisi, gerak atau perubahan bentuk pada benda.

Gaya didefinisikan sebagai suatu tarikan atau suatu dorongan yangdikerahkann sebuah benda terhadap benda lain. Pengaruh gaya pada benda antara lain sebagai berikut:

1. Menyebabkan perubahan kecepatan gerak benda.
2. Menyebabkan benda diam menjadi bergerak dan sebaliknya.
3. Mengubah arah gerak benda.
4. Mengubah bentuk suatu benda.

---

Sifat-Sifat Gaya

Berdasarkan penjelasan diatas, maka bisa disimpulkan bahwa gaya mempunyai beberapa sifat berikut :

• Gaya dapat mengubah arah gerak benda
• Gaya dapat mengubah bentuk benda
• Gaya dapat mengubah posisi benda dengan cara menggerakkan atau memindahkannya

---

Macam-Macam Gaya

1. Berdasarkan Sentuhannya dengan benda, gaya dibagi menjadi 2, yaitu :

a. Gaya Sentuh

Gaya Sentuh adalah gaya yang bekerja dengan sentuhan. Artinya Suatu gaya akan menghasilkan efek jika terjadi sentuhan dengan benda yang akan diberikan gaya tersebut, jika tidak terjadi sentuhan, maka gaya tidak akan bekerja pada benda. Gaya ini akan muncul ketika benda bersentuhan dengan benda lain yang menjadi sumber gaya.

---

Contohnya, ketika seseorang hendak memindahkan meja, maka ia harus menyentuh menja tersebut kemudian mendorongnya ke tempat tujuan, pada kasus ini terjadi sentuhan antara manusia sebagai sumber gaya, dan meja sebagai target yang hendak diberikan gaya. jika tidak terjadi sentuhan antara keduanya maka meja tidak akan berpindah sesuai keinginan.

---

b. Gaya Tak Sentuh

Gaya Tak Sentuh ialah suatu gaya yang akan bekerja tanpa terjadinya sentuhan. Artinya Efek dari gaya yang dikeluarkan oleh sumber gaya tetap bisa dirasakan oleh benda meskipun mereka tidak bersentuhan.

---

Contohnya yaitu Gaya Magnet dan Gaya Gravitasi, pada gaya magnet, ketika kita meletakkan besi di dekat magnet (tanpa bersentuhan), maka besi tersebut akan tertarik ke arah magnet karena merasakan sebuah efek dari gaya yang dikeluarkan oleh magnet tersebut.

---

Jenis Gaya

Secara Umum dikenal 7 Jenis Gaya utama, yakni  :

a. Gaya Otot

Sesuai dengan namanya Gaya otot adalah jenis gaya yang dilakukan oleh makhluk hidup yang mempunyai otot. Gaya timbul dari koordinasi dari struktur otot dengan rangka tubuh. Gaya Otot Termasuk ke dalam kelompok Gaya Sentuh.

---

Contohnya yaitu seseorang yang mengangkat batu. Untuk mengangkat batu tersebut, otot di dalam tubuhnya berkoordinasi sehingga mampu menggerakan tangan untuk mengangkat batu.

---

b. Gaya Pegas

Gaya Pegas ialah jenis gaya yang dihasilkan oleh sebuah pegas. Gaya pegas disebut juga gaya lenting pulih yang terjadi karena adanya sifat keelastisan suatu benda. Gaya Pegas termasuk ke dalam kelompok Gaya Sentuh. Gaya Pegas muncul karena pegas bisa memapat dan merenggang sehingga bentuknya bisa kembali seperti semula setelah terjadi gaya tersebut.

---

Contohnya yaitu ketika seseorang pemanah menarik anak panah kebelakang, maka busur pada panah tersebut akan mengikuti arah busur yang ditarik, kemudian sesudah anak panah dilepaskan, maka pegas pada busur panah akan kembali ke bentuk semulanya.

---

c. Gaya Gesek

Gaya Gesek yaitu jenis gaya yang muncul karena terjadinya persentuhan langsung antara dua permukaan benda. Gaya Gesek adalah gaya yang arahnya selalu berlawanan dengan arah gerak benda atau arah gaya luar. Gaya gesek termasuk ke dalam kelompok gaya sentuh. Besar kecilnya gaya gesekan ditentukan oleh halus atau kasarnya permukaan benda. Semakin halus permukaan, maka semakin kecil gaya gesekan yang muncul sehingga gaya yang dibutuhkan untuk membuat benda tersebut bergerak semakin kecil juga.

---

Contohnya jika batu yang sama dengan jumlah gaya luar yang sama di gerakan pada 2 permukaan , satu di lantai keramik (Halus), satu lagi di lantai semen (kasar), maka pergerakan batu di lantai keramik akan lebih cepat dan mudah dibandingkan pergerakan batu pada lantai semen.
Gaya Gesek terbagi menjadi 2, yaitu sebagai berikut :

---

• Gaya Gesek Statis, yakni jenis gaya gesek yang terjadi ketika benda diam. Gaya gesek statis terjadi jika gaya luar yang diberikan kepada benda nilainya sama dengan gaya gesekan yang terjadi sehingga benda tersebut akan diam tidak bergerak karena resultan (penjumlahan) gaya yang terjadi padanya sama dengan nol. Contohnya, ketika ada sebuah benda diletakan pada bidang miring dan benda tersebut kita tahan dengan tangan, maka benda itu tidak akan bergerak (tetap diam) karena resultan gaya dari tangan kita sama dengan resultan gaya gesek yang terjadi, tapi jika kita melepaskannya, maka benda tersebut akan kembali bergerak.
  

  ---

• Gaya Gesek Kinetik, yakni jenis gaya gesek yang terjadi ketika benda dalam keadaan bergerak. Gaya Gesek Kinetik terjadi ketika nilai gaya gesek selalu lebih kecil dibandingkan gaya luar yang bekerja padanya, sehingga gaya luar menang dan membuat benda tersebut bergerak. Contohnya yaitu gaya gesek antara permukaan mobil dengan aspal ketika mobil bergerak, gaya gesek yang terjadi lebih kecil, dari gaya mesin sehingga mobil mampu bergerak.
  

  ---

d. Gaya Mesin

Gaya Mesin yaitu jenis gaya yang dihasilkan oleh kerja mesin, seiring berkembangnya teknologi, mesin yang dibuatpun semakin canggih. Gaya Mesin sangat membantu dalam meringankan aktivitas manusia.

---

Contohnya yaitu Kerja Mobil dan Motor.

e. Gaya Gravitasi Bumi (Gaya Berat)

Gaya Gravitasi Bumi yaitu jenis Gaya tarik bumi terhadap seluruh benda bermassa yang terdapat pada permukaannya.anda semua pasti sudah mengetahui bahwa dengan adanya gravitasi bumi, maka kita bisa berdiri tanpa masalah dipermukaannya, jika tidak terdapat gaya gravitasi bumi, maka setiap benda akan melayang seperti halnya di luar angkasa.

---

f. Gaya Magnet

Gaya Magnet yaitu gaya pada magnet yang mampu menarik benda – benda tertentu. Benda yang mampu ditarik oleh magnet disebut benda magnetis, umumnya terbuat dari besi atau baja, ataupun logam lainnya. Semakin dekat magnet dengan benda magnetis, maka gaya tarik magnet tersebut semakin besar. Gaya magnet bisa menarik benda walaupun tanpa menyentuhnya, oleh sebab itu Gaya magnet termasuk ke dalam kelompok Gaya Tak Sentuh.

Contohnya yaitu paku jika didekatkan ke sebuah magnet, maka ia akan tertarik ke arah magnet tersebut, maka paku merupakan benda magnetis.

---

g. Gaya Listrik

Gaya Listrik yaitu jenis gaya yang dihasilkan oleh benda – benda bermuatan listrik dalam medan listrik.

Contohnya yaitu kipas angin bekerja dengan mengubah energi listrik menjadi energi gerak.

---

Rumus Hukum Gaya

Pada tahun 1687, Sir Isaac Newton, ilmuwan Fisika berkebangsaan Inggris, berhasil menemukan hubungan antaragaya dan gerak. Dari hasil pengamatan dan eksperimennya,Newton merumuskan tiga hukum mengenai gaya dan gerakyang dikenal dengan Hukum I Newton, Hukum II Newton, danHukum III Newton. Nah, agar kamu lebih memahami ketigahukum Newton tentang gerak, mari mempelajari uraian berikut:

---

Hukum 1 Newton

Hukum pertama Newton tentang gerak menyatakan bahwa“sebuah benda yang bergerak dengan kecepatan tetap akan terus bergerak dengan kecepatan tersebut kecuali ada gaya resultan bekerja pada benda itu. Jika sebuah benda dalam keadaan diam, benda tersebut tetap diam kecuali ada gaya resultan yang bekerja pada benda itu.”Hukum I Newton juga menggambarkan sifat benda yangselalu mempertahankan keadaan diam atau keadaanbergeraknya yang dinamakan inersia atau kelembaman. Oleh karena itu, Hukum I Newton dikenal juga dengan sebutan Hukum Kelembaman.

---

• Contoh: Kita terdorong ke depan ketika bus tiba- tiba direm atau terdorong ke belakang ketika bus bergerak maju secara mendadak.

∑F = 0

---

Hukum 2 Newton

Newton merumuskan Hukum II Newton sebagai berikut: “Percepatan yang dihasilkan oleh resultan gaya yang bekerja pada suatu benda berbanding lurus dengan resultan gaya dan berbanding terbalik massa benda.”

Keterangan:

F = resultan gaya (Newton).

m = massa benda (kg).

a = percepatan benda (Newton/kg).

---

Hukum 3 Newton

Hukum 3 Newton menyatakan bahwa: “Jika kamu memberikan gaya pada suatu benda (gaya aksi), kamu akan mendapatkan gaya yang sama besar, tetapi arahnya berlawanan (gaya reaksi) dengan gaya yang kamuberikan.”

F aksi = – F reaksi

Gaya aksi dan reaksi tersebut memiliki besar yang sama,tetapi berlawanan arah dan bekerja pada dua benda yangberbeda.

• Contoh: penyelam dapat berenang di dalam laut karena kaki dan tangan penyelam mendorong air ke belakang (gaya aksi) sehingga badan penyelam terdorong ke depan sebagai gaya reaksi.

Teori Gaya

Sumber :http://berbagi-ilmuu200.blogspot.com/2014/02/konsep-tegangan-regangan.htmlhttps://www.gurupendidikan.co.id/rumus-gaya/