Apabila setiap kendaraan yang anda tumpangi tidak memiliki pegas, gurumuda yakin perjalanan anda akan sangat melelahkan, apalagi ketika menempuh perjalanan yang jauh. Ketika turun dari mobil langsung meringis kesakitan karena terserang encok dan pegal linu pegas tidak hanya dimanfaatkan di mobil atau sepeda motor, tetapi pada semua kendaraan yang selalu kita gunakan. Selengkapnya akan kita kupas tuntas pada akhir tulisan ini. Pegas merupakan salah satu contoh benda elastis. Contoh benda elastis lainnya adalah karet mainan
(kalo karet pasti tahu
). Btw, elastis itu apa ya ? terus apa hubungan antara elastis dan
hukum Hooke ? Nah, sekarang bersiap-siaplah untuk melakukan pertempuran
dengan ilmu fisika. Siapkanlah amunisi sebanyak-banyaknya; sapu tangan
atau tisu untuk ngelap keringat, obak sakit kepala dkk… Selamat belajar ya, semoga dirimu memenangi pertempuran ini
ELASTISITAS
Ketika
dirimu menarik karet mainan sampai batas tertentu, karet tersebut
bertambah panjang. silahkan dicoba kalau tidak percaya. Jika tarikanmu
dilepaskan, maka karet akan kembali ke panjang semula. Demikian juga
ketika dirimu merentangkan pegas, pegas tersebut akan bertambah panjang.
tetapi ketika dilepaskan, panjang pegas akan kembali seperti semula.
Apabila di laboratorium sekolah anda terdapat pegas, silahkan melakukan
pembuktian ini. Regangkan pegas tersebut dan ketika dilepaskan maka
panjang pegas akan kembali seperti semula. Mengapa demikian ? hal itu
disebabkan karena benda-benda tersebut memiliki sifat elastis. Elastis
atau elastsisitas adalah kemampuan sebuah benda untuk kembali ke bentuk
awalnya ketika gaya luar yang diberikan pada benda tersebut dihilangkan.
Jika sebuah gaya diberikan pada sebuah benda yang elastis, maka bentuk
benda tersebut berubah. Untuk pegas dan karet, yang dimaksudkan dengan
perubahan bentuk adalah pertambahan panjang.
Perlu
anda ketahui bahwa gaya yang diberikan juga memiliki batas-batas
tertentu. Sebuah karet bisa putus jika gaya tarik yang diberikan sangat
besar, melawati batas elastisitasnya. Demikian juga sebuah pegas tidak
akan kembali ke bentuk semula jika diregangkan dengan gaya yang sangat
besar. Jadi benda-benda elastis tersebut memiliki batas elastisitas.
Batas elastis itu apa ? lalu bagaimana kita bisa mengetahui hubungan
antara besarnya gaya yang diberikan dan perubahan panjang minimum sebuah
benda elastis agar benda tersebut bisa kembali ke bentuk semula ? untuk
menjawab pertanyaan ini, mari kita berkenalan dengan paman Hooke.
HUKUM HOOKE
Hukum Hooke pada Pegas
Misalnya
kita tinjau pegas yang dipasang horisontal, di mana pada ujung pegas
tersebut dikaitkan sebuah benda bermassa m. Massa benda kita abaikan,
demikian juga dengan gaya gesekan, sehingga benda meluncur pada
permukaan horisontal tanpa hambatan. Terlebih dahulu kita tetapkan arah
positif ke kanan dan arah negatif ke kiri. Setiap pegas memiliki panjang
alami, jika pada pegas tersebut tidak diberikan gaya. Pada kedaan ini,
benda yang dikaitkan pada ujung pegas berada dalam posisi setimbang
(lihat gambar a). Untuk semakin memudahkan pemahaman dirimu,sebaiknya
dilakukan juga percobaan.
Apabila
benda ditarik ke kanan sejauh +x (pegas diregangkan), pegas akan
memberikan gaya pemulih pada benda tersebut yang arahnya ke kiri
sehingga benda kembali ke posisi setimbangnya (gambar b).
Sebaliknya,
jika benda ditarik ke kiri sejauh -x, pegas juga memberikan gaya
pemulih untuk mengembalikan benda tersebut ke kanan sehingga benda
kembali ke posisi setimbang (gambar c).
Besar
gaya pemulih F ternyata berbanding lurus dengan simpangan x dari pegas
yang direntangkan atau ditekan dari posisi setimbang (posisi setimbang
ketika x = 0). Secara matematis ditulis :
Persamaan
ini sering dikenal sebagai persamaan pegas dan merupakan hukum hooke.
Hukum ini dicetuskan oleh paman Robert Hooke (1635-1703). k adalah
konstanta dan x adalah simpangan. Tanda negatif menunjukkan bahwa gaya
pemulih alias F mempunyai arah berlawanan dengan simpangan x. Ketika
kita menarik pegas ke kanan maka x bernilai positif, tetapi arah F ke
kiri (berlawanan arah dengan simpangan x). Sebaliknya jika pegas
ditekan, x berarah ke kiri (negatif), sedangkan gaya F bekerja ke kanan.
Jadi gaya F selalu bekeja berlawanan arah dengan arah simpangan x. k
adalah konstanta pegas. Konstanta pegas berkaitan dengan elastisitas
sebuah pegas. Semakin besar konstanta pegas (semakin kaku sebuah pegas),
semakin besar gaya yang diperlukan untuk menekan atau meregangkan
pegas. Sebaliknya semakin elastis sebuah pegas (semakin kecil konstanta
pegas), semakin kecil gaya yang diperlukan untuk meregangkan pegas.
Untuk meregangkan pegas sejauh x, kita akan memberikan gaya luar pada
pegas, yang besarnya sama dengan F = +kx. Hasil eksperimen menunjukkan
bahwa x sebanding dengan gaya yang diberikan pada benda.
Hukum Hooke untuk benda non Pegas
Hukum
hooke ternyata berlaku juga untuk semua benda padat, dari besi sampai
tulang tetapi hanya sampai pada batas-batas tertentu. Mari kita tinjau
sebuah batang logam yang digantung vertikal, seperti yang tampak pada
gambar di bawah.
Pada benda bekerja gaya berat (berat = gaya gravitasi yang bekerja pada benda), yang besarnya = mg dan arahnya menuju ke bawah (tegak lurus permukaan bumi). Akibat adanya gaya berat, batang logam tersebut bertambah panjang sejauh (delta L)
Jika besar pertambahan panjang (delta L) lebih kecil dibandingkan dengan panjang batang logam, hasil eksperimen membuktikan bahwa pertambahan panjang (delta L) sebanding dengan gaya berat yang bekerja pada benda. Perbandingan ini dinyatakan dengan persamaan :
Persamaan
ini kadang disebut sebagai hukum Hooke. Kita juga bisa menggantikan
gaya berat dengan gaya tarik, seandainya pada ujung batang logam
tersebut tidak digantungkan beban.
Besarnya
gaya yang diberikan pada benda memiliki batas-batas tertentu. Jika gaya
sangat besar maka regangan benda sangat besar sehingga akhirnya benda
patah. Hubungan antara gaya dan pertambahan panjang (atau simpangan pada
pegas) dinyatakan melalui grafik di bawah ini.
Jika sebuah benda diberikan gaya maka hukum Hooke hanya berlaku sepanjang daerah elastis sampai pada titik yang menunjukkan batas hukum hooke. Jika benda diberikan gaya hingga melewati batas hukum hooke dan mencapai batas elastisitas, maka panjang benda akan kembali seperti semula jika gaya yang diberikan tidak melewati batas elastisitas. tapi hukum Hooke tidak berlaku pada daerah antara batas hukum hooke dan batas elastisitas. Jika benda diberikan gaya yang sangat besar hingga melewati batas elastisitas, maka benda tersebut akan memasuki daerah plastis
dan ketika gaya dihilangkan, panjang benda tidak akan kembali seperti
semula; benda tersebut akan berubah bentuk secara tetap. Jika
pertambahan panjang benda mencapai titik patah, maka benda tersebut akan patah.
Berdasarkan persamaan hukum Hooke di atas, pertambahan panjang (delta L) suatu benda bergantung pada besarnya gaya yang diberikan (F) dan materi penyusun dan dimensi benda (dinyatakan dalam konstanta k).
Benda yang dibentuk oleh materi yang berbeda akan memiliki pertambahan
panjang yang berbeda walaupun diberikan gaya yang sama, misalnya tulang
dan besi. Demikian juga, walaupun sebuah benda terbuat dari materi yang
sama (besi, misalnya), tetapi memiliki panjang dan luas
penampang yang berbeda maka benda tersebut akan mengalami pertambahan
panjang yang berbeda sekalipun diberikan gaya yang sama. Jika kita
membandingkan batang yang terbuat dari materi yang sama tetapi memiliki
panjang dan luas penampang yang berbeda, ketika diberikan gaya yang
sama, besar pertambahan panjang sebanding dengan panjang benda mula-mula
dan berbanding terbalik dengan luas penampang. Makin panjang suatu
benda, makin besar besar pertambahan panjangnya, sebaliknya semakin
tebal benda, semakin kecil pertambahan panjangnya. Jika hubungan ini
kita rumuskan secara matematis, maka akan diperoleh persamaan sebagai
berikut :
Persamaan ini menyatakan hubungan antara pertambahan panjang (delta L) dengan gaya (F) dan konstanta (k). Materi penyusun dan dimensi benda dinyatakan dalam konstanta k. Untuk materi penyusun yang sama, besar pertambahan panjang (delta L) sebanding dengan panjang benda mula-mula (Lo) dan berbanding terbalik dengan luas penampang (A). Kalau dirimu bingung dengan panjang mula-mula atau luas penampang, coba amati gambar di bawah ini terlebih dahulu.
Dah paham panjang mula-mula (Lo) dan luas penampang (A) ?... Lanjut ya …
Besar E bergantung pada benda (E merupakan sifat benda). Secara matematis akan kita turunkan nanti… tuh di bawah
Pada persamaan ini tampak bahwa pertambahan panjang (delta L) sebanding dengan hasil kali panjang benda mula-mula (Lo) dan Gaya per satuan Luas (F/A).
Tegangan
Gaya per satuan Luas disebut juga sebagai tegangan. Secara matematis ditulis :
Satuan tegangan adalah N/m2 (Newton per meter kuadrat)
Regangan
Regangan merupakan perbandingan antara perubahan panjang dengan panjang awal. Secara matematis ditulis :
Karena L sama-sama merupakan dimensi panjang, maka regangan tidak mempunyai satuan (regangan tidak mempunyai dimensi).
Regangan
merupakan ukuran perubahan bentuk benda dan merupakan tanggapan yang
diberikan oleh benda terhadap tegangan yang diberikan. Jika hubungan
antara tegangan dan regangan dirumuskan secara matematis, maka akan
diperoleh persamaan berikut :
Ini adalah persamaan matematis dari Modulus Elastis (E) alias modulus Young (Y). Jadi modulus elastis sebanding dengan Tegangan dan berbanding terbalik Regangan.
Di bawah ini adalah daftar modulus elastis dari berbagai jenis benda padat
Referensi :
Giancoli, Douglas C., 2001, Fisika Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penerbit Erlangga
Halliday dan Resnick, 1991, Fisika Jilid I, Terjemahan, Jakarta : Penerbit Erlangga
Kanginan, Marthen, 2000, Fisika 2000, SMU kelas 1, Caturwulan 2, Jakarta : Penerbit Erlangga
Tipler, P.A.,1998, Fisika untuk Sains dan Teknik-Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penebit Erlangga
Young, Hugh D. & Freedman, Roger A., 2002, Fisika Universitas (terjemahan), Jakarta : Penerbit Erlangga
0 comments