EVALUASI DEGRADASI DISTRIBUSI TEGANGAN SISA PADA KACAMATA AKIBAT PENGARUH TERMAL DENGAN METODE FOTOELASTISITAS Dian Faradilah Fajrin, Drs. AgoesSoetijono, MT Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya Abstrak Frinji isokromatik dari kacamata dianalisa untuk mengetahui degradasi tegangan sisa termal pada bahan lensa. Lensa kacamata berwarna hitam dan kuning yang diuji terbuat dari bahan polimer yang bersifat transparan yang memenuhi sifat sebagai bahan fotoelastis. Lensa kacamata sebelum dan setelah perlakuan termal diuji dengan metode fotoelastis. Polariskop lingkaran digunakan pada pengujian fotoelastis ini. Frinji isokromatik yang diperoleh terdiri dari beberapa frinji lensa dengan perlakuan tertentu. Analisa frinji dilakukan dengan software ImageJ untuk mengetahui nilai intensitas keseluruhan piksel frinji. Dari software diperoleh informasi visualisasi nilai intensitas 3 dimensi tiap piksel frinji serta nilai intensitas secara kuantitatif dari frinji. Berdasarkan analisa penelitian yang telah dilakukan maka diketahui bahwa, warna frinji yang terbentuk sesuai dengan warna lensa, perbedaan intensitas warna frinji menunjukkan adanya perubahan indeks bias pada kacamata, terdapat tegangan sisa pada model setelah mendapat pengaruh termal, dan model kacamata warna kuning lebih mudah melepaskan energi termal daripada warna hitam. Kata kunci : tegangan termal, fotoelastis, frinji isokromatik, polariskop lingkaran Abstract Isochromatic fringe of sunglasses had been analyzed for interpreting degradation of thermal residual stress on its material. The material under test, black and yellow glasses, were made of transparent polymer which is the properties of photoelastic material. The glasses lens before and after giving thermal treatment were tested using photoelastic method. Circular polariscope was used in this method. Some isochromatic fringes consists of several glasses fringe with a specific treatment. Fringe analyzing performed with ImageJ software to determine the value of overall intensity of fringe pixels. The software obtained information of 3dimensional visualization intensity values and quantitative intensity values on each fringe pixels. Based on analysis of this research, it is known that fringe color formed was matched with glasses color, fringe color intensity differences indicate the presence of refracting index changes in glasses, there was residual stress in the model after giving thermal influence and yellow glasses models easier emitting thermal energy than the black one. Keyword : thermal stress, photoelaticity, isochromatic fringe, circle polariscope I. Pendahuluan Kacamata adalah perangkat optik yang terdiri dari lensa dan bingkai kacamata. Bagian terpenting dari kacamata yaitu lensa, lensa kacamata dapat berupa lensa positif, lensa negatif ataupun lensa normal. Kacamata non baca umumnya memiliki lensa normal. Lensa ada yang terbuat dari kaca, plastik bahkan polimer teknis yang kualitasnya sangat baik. Lensa plastik memiliki sifat optis yang sangat baik, abbe yang besar, ringan, dan kemudahan proses warna serta tahan bentur menjadikannya pilihan yang paling umum di antara optician. Keamanan dan kenyamanan pemakaian kacamata di kalangan masyarakat erat hubungannya dengan bahan lensa. Lensa yang menjadi tuntutan bagi pengguna kacamata adalah kacamata yang ringan sehingga
cukup efektif untuk digunakan pada saat beraktifitas, dapat menahan cahaya sehingga mengurangi panas dan tidak menimbulkan silau pada mata. Hal tersebut menjadi sebuah kajian khusus pada Laboratorium Optik dan Optoelektronika Fisika FMIPA ITS dalam mengevaluasi kualitas lensa terhadap degradasi distribusi tegangan akibat pengaruh termal. Evaluasi pada lensa mengacu pada pengamatan efek perlakuan termal yang selanjutnya dapat diketahui tegangan sisa setelah adanya tegangan luar dalam hal ini tegangan yang diberikan berupa termal. Dengan metode fotoelastis akan didapatkan frinji isokromatik lensa yang berubah sesuai perubahan tegangan termal yang diberikan. Pola frinji didapat dari set up pol ariskop
lingkaran. Analisa pola frinji isokromatik dilakukan dengan software ImageJ. Permasalahan yang akan diselesaikan pada penelitian ini adalah bagaimana mendapatkan pola frinji isokromatik yang t erbaik sehingga bisa dilakukan evaluasi kemampuan degradasi distribusi tegangan sisa sebagai efek pengaruh termal p ada lensa dalam set up fotoelastisitas polariskop lingkaran. Tujuan penelitian ini dilakukan adalah untuk mengevaluasi kemampuan degradasi distribusi tegangan sisa sebagai efek perlakuan termal pada lensa dalam set up fotoelastisitas sehingga dapat diketahui kualitas dari lensa kacamata. Penelitian ini dilaksanakan dengan memperhatikan hal-hal berikut. Sampel lensa yang digunakan adalah sampel lensa yang umum beredar dipasaran dengan variasi warna hitam dan kuning yang terbuat dari bahan polimer yang bersifat transparan. Evaluasi ini dilakukan secara analisis kualitatif. II. Eksperimen 2.1 Persiapan Sampel
Pada penelitian ini model fotoelastis yang akan diuji adalah lensa. Lensa yang dimaksud adalah lensa pada kacamata yang umum terdapat di pasaran terbuat dari bahan polimer transparan. Lensa bervariasi warna yaitu hitam dan kuning. Lensa yang akan diuji kualitasnya terhadap pengaruh termal dipanaskan pada hot plate dengan temperatur 40oC selama 10 menit. Model diberi pengaruh termal dengan cara dipanaskan dengan hot plate pada arah tegak. Hal ini dilakukan agar panas yang diterima lensa terkonduksi ke atas sehingga bagian yang diuji pada set up polariskop lingkaran mewakili daerah lensa yang mendapat pengaruh termal. 2.2 Prosedur Percobaan Peralatan yang bahan yang telah dipersiapkan disusun dalam rangkaian polariskop lingkaran menurut gambar 2.1 berikut.
a. b. c. d. e. f. g. h.
Sumber cahaya Polarisator Plat gelombang λ/4 Model lensa Plat gelombang λ/4 Analisator Layar Kamera
Peralatan disusun seperti pada Gambar 3.4 dan Gambar 3.5, jarak antar komponen adalah 15 cm. Pada penelitian ini digunakan medan terang dengan posisi polarisator dan analisator saling sejajar. Sedangkan plat gelombang di posisikan pada 450 agar didapat pola frinji isokromatik dari polarisasi lingkaran. Cahaya dari lampu halogen difokuskan dengan cara menyelubungi lampu halogen dengan lensa. Sehingga cahaya dari lampu halogen tidak menyebar, namun terkumpul langsung menuju polarizer. 2.3 Mendapatkan Pola Frinji Model lensa yang telah dirangkai dalam susunan polariskop lingkaran selanjutnya akan terlihat pola pada layar. Pola yang terbentuk adalah pola warna yang akan diambil gambarnya menggunakan kamera digital. Untuk mengetahui perubahan frinji warna model yang mendapatkan dan tidak mendapatkan pengaruh termal, maka dilakukan juga pengambilan gambar frinji setiap menit setelah diberi perlakuan termal selama 20 menit. 2.4 Pengolahan Data Gambar Untuk memaksimalkan evaluasi terhadap masing-masing lensa dilakukan pengolahan gambar yang telah diperoleh dari setup polariskop lingkaran dengan software ImageJ. Pengolahan dengan software berguna untuk memvisualisasikan fluktuasi perubahan intensitas pada gambar yang hampir tidak dapat dibedakan dengan mata langsung. Intensitas yang berbeda pada gambar pola tersebut diplot dalam visualisasi 3 dimensi sehingga secara kualitatif dapat terlihat perbedaan intensitas tersebut. Analisa secara kuantitatif dilakukan dengan image measurement pada ImageJ untuk dapat membandingkan nilai intensitas satu pola terhadap pola lain. III. Hasil dan Pembahasan
Gambar 2.1 Skema Peralatan
Keterangan :
3.1 Analisa Data Hasil pengolahan gambar frinji dengan ImageJ adalah berupa visualisasi 3 dimensi nilai intensitas dan nilai intensitas secara kuantitatif.
3.1.1 Hasil Pengolahan Frinji Kacamata Hitam dengan ImageJ Sebelum Mendapat Perlakuan Termal Visualisasi nilai intensitas 3 dimensi frinji lensa hitam sebelum mendapat pengaruh termal menggunakan ImageJ seperti pada gambar 3.2. Pada visualisasi nilai intensitas tersebut terlihat bahwa masing-masing piksel memiliki perbedaan nilai intensitas.
pengaruh termal tiap menit selama 20 menit yang diperoleh pada perhitungan oleh ImageJ. Gambar 3.3 diatas menunjukan nilai intensitas warna yang terbentuk pada layar memiliki nilai rata-rata 22,04. Nilai intensitas ini tidak mengalami perubahan yang signifikan disebabkan tidak adanya perubahan indeks bias pada model. Perubahan indeks bias terjadi akibat dari beberapa perlakuan salah satunya adalah perlakuan termal. 3.1.2 Hasil Pengolahan dengan ImageJ Frinji Kacamata Kuning Sebelum Mendapat Perlakuan Termal
Gambar 3.1 Frinji kacamata hitam sebelum perlakuan termal
Gambar 3.2 Visualisasi nilai intensitas 3 dimensi pola frinji kacamata hitam sebelum perlakuan termal.
Visualisai nilai intensitas 3 dimensi frinji lensa kuning oleh ImageJ seperti pada Gambar 3.5. Gambar 3.5 merepresentasikan nilai intensitas pada tia p piksel gambar frinji model yang terbentuk. Perbedaan nilai intensitas ini menujukkan bahwa terjadi pola interferensi akibat cahaya yang merambat pada model yang dirangkai dalam set up pol ariskop lingkaran . Cahaya yang merambat pada medium-medium seperti uda ra dan komponen-komponen optik memiliki kecepatan penjelaran yang berbeda sehingga terjadi superposisi gelombang cahaya dan ditangkap oleh layar berupa intensitas.
Gambar 3.4 Pola frinji kacamata kuning sebelum perlakuan termal
23 Intensitas
22.5 22 21.5 21 20.5 20 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
t (menit)
Gambar 3.3 Hubungan nilai intensitas terhadap urutan pengambilan gambar tiap menit Gambar 3.3 memperlihatkan nilai intensitas rata-rata pada gambar frinji sebelum
Gambar 3.5 Visualisasi nilai intensitas 3 dimensi pola frinji kacamata kuning sebelum perlakuan termal.
36.8 36 35.6 35.2 34.8 34.4 34 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22
t (menit)
Gambar 3.8 Visualisasi nilai intensitas 3 dimensi pola friji kacamata hitam setelah perlakuan termal
Gambar 3.6 Hubungan nilai intensitas frinji tiap menit selama 20 menit Gambar 3.6 di atas menunjukan nilai intensitas warna yang tertangkap pada layar memiliki nilai rata-rata 35,0175. Nilai intensitas ini tidak mengalami perubahan yang signifikan disebabkan tidak adanya perubahan indeks bias pada model. Perubahan indeks bias terjadi akibat dari beberapa perlakuan salah satunya adalah perlakuan termal.
23.4 23.2 Intensitas
Intensitas
36.4
23 22.8 22.6 22.4 22.2
3.1.3 Hasil Pengolahan Pola Frinji Kacamata Hitam dengan ImageJ Setelah Mendapat Perlakuan Termal Dengan software ImageJ diperoleh visualisasi nilai intensitas 3 dimensi pada masingmasing piksel dan nilai rata-rata intensitas secara kuantitatif pada gambar frinji. Secara kualitatif nilai intensitas frinji pada model sebelum perlakuan termal dan setelah perlakuan termal mengalami kenaikan seperti tersaji pada Gambar 3.8. Secara kuantitaif nilai rata-rata intensitas dari masing-masing frinji yang diperoleh dari software ImageJ dapat disajikan dalam grafik seperti pada Gambar 3.9.
Gambar 3.7 Pola frinji kacamata hitam setelah perlakuan termal
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
t (menit)
Gambar 3.9 Hubungan nilai intensitas terhadap tiap menit selama 20 menit Gambar 3.9 menunjukkan bahwa pada menit awal setelah pemanasan nilai intensitas meningkat menjadi dari 22.04 m enjadi 23.278. Perlakuan termal menyebabkan kecepatan rambat cahaya pada model berubah sehingga nilai intensitas cahaya yang terbentuk dilayar juga mengalami peningkatan. Pengaruh termal mengakibatkan molekul penyusun lensa mengalami ekspansi sehingga kecepatan rambat cahaya yang melalui bahan ini meningkat. Kecepatan rambat cahaya pada model yang meningkat menunjukkan bahwa indeks bias model juga meningkat. Nilai intensitas frinji model setelah pemberian pengaruh termal juga diamati pada selang waktu 20 menit. Pada gambar terlihat bahwa nilai intensitas memiliki kecenderungan menurun. Hal ini menunjukkan bahwa tegangan termal yang dialami oleh model perlahan menurun. Hingga akhirnya mencapai nilai intensitas yang stabil pada menit ke-12. Penurunan tegangan termal menyebabkan molekul-molekul penyusun lensa berusaha kembali ke kedudukan semula sehingga indeks bias model turut menurun kembali.
23.4 23.2
Intensitas
23 22.8 22.6 22.4 22.2 22 21.8 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22
t (menit) Sebelum perlakuan termal Setelah perlakuan termal
Gambar 3.10 Hubungan nilai intensitas pola frinji kacamata hitam sebelum dan setelah perlakuan termal selama 20 menit Gambar 3.10 memperlihatkan bahwa nilai intensitas frinji model sebelum dan sesudah perlakuan termal memiliki perbedaan. Nilai intensitas pada pola frinji ketika model belum mendapat pengaruh termal relatif linier dengan nilai intensitas rata-rata sebesar 22.04. Sedangkan nilai intensitas frinji ketika model telah mendapat perlakuan termal mengalami perubahan yaitu semakin menurun seiring penurunan energi termal pada model dalam rentang waktu 20 m enit. Penurunan nilai intensitas akhir hingga menit ke20 frinji model yang telah mendapat perlakuan termal belum bisa menyamai nilai intensitas pada frinji yang belum diberi perlakuan termal. Perbedaan nilai intensitas pada akhir pengamatan ini menunjukkan bahwa terdapat tegangan termal sisa pada model.
Gambar 3.11 Pola frinji kacamata kuning setelah perlakuan termal Visualisai nilai intensitas setiap piksel pada frinji kacamata kuning setelah mendapat perlakuan termal diperoleh dengan software ImageJ. Sehingga perbedaan intensitas masingmasing frinji dapat dilihat baik secara kualitatif maupun kuantitatif.
Gambar 3.12 Visualisasi nilai intensitas 3 dimensi pola friji kacamata hitam setelah perlakuan termal 36.8 36.4
3.1.4 Hasil Pengolahan Frinji Kacamata Kuning dengan ImageJ Setelah Mendapat Perlakuan Termal Frinji yang terbentuk setelah kacamata kuning mendapat pengaruh termal didapatkan seperti pada Gambar 3.11 berikut.
36 35.6 35.2 34.8 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
t (menit)
Gambar 3.13 Hubungan nilai intensitas frinji tiap menit selama 20 menit Gambar 3.13 menunjukkan bahwa pada menit awal setelah pemanasan nilai intensitas meningkat menjadi dari 35.0175 menjadi 36.573.
Intensitas
Perlakuan termal menyebabkan kecepatan rambat cahaya pada model berubah sehingga nilai intensitas cahaya yang terbentuk dilayar juga mengalami peningkatan. Kecepatan rambat cahaya pada model yang berubah menunjukkan bahwa indeks bias model juga berubah. Pengaruh termal mengakibatkan molekul penyusun lensa kacamata mengalami ekspansi sehingga nilai indeks bias meningkat. Nilai intensitas pola frinji model setelah pemberian pengaruh termal juga diamati pada selang waktu 20 menit. Pada gambar terlihat bahwa nilai intensitas memiliki kecenderungan menurun. Hal ini menunjukkan bahwa tegangan termal yang dialami oleh model perlahan menurun. Hingga akhirnya mencapai nilai intensitas yang stabil pada menit ke-10. Penurunan tegangan termal menyebabkan molekul-molekul penyusun lensa berusaha kembali semula sehingga indeks bias model menurun. 36.8 36.6 36.4 36.2 36 35.8 35.6 35.4 35.2 35 34.8 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
t (menit) Setelah perlakuan termal
Sebelum perlakuan termal
Gambar 3.14 Hubungan nilai intensitas pola frinji kacamata kuning sebelum dan setelah perlakuan termal selama 20 menit Gambar 3.14 memperlihatkan bahwa nilai intensitas pola frinji model sebelum perlakuan termal dan sesudah perlakuan termal serta perubahan intensitas selama 20 menit setelah perlakuan termal berbeda. Nilai intensitas pada pola frinji ketika model belum mendapat pengaruh termal lebih linier dengan nilai intensitas rata-rata sebesar 35.071. S edangkan nilai intensitas pola frinji ketika model telah mendapat perlakuan termal makin meningkat menjadi 36.573. Penurunan nilai intensitas akhir hingga menit ke20 frinji model yang telah mendapat perlakuan termal belum bisa menyamai nilai intensitas pada frinji yang belum diberi perlakuan termal. Perbedaan nilai intensitas pada akhir pengamatan
ini menunjukkan bahwa terdapat tegangan termal sisa pada model. 3.2 Pembahasan Frinji yang dihasilkan pada penelitian ini merupakan pola yang terbentuk akibat interferensi cahaya yang merambat dalam model yang mengalami perubahan indeks bias karena pemberian tegangan. Pola frinji dihasilkan dalam setup fotoelastis polariskop lingkaran dengan medan terang dimana sumbu polarisasi antara polarizer dan analizer saling sejajar. Model yang dipakai dalam penelitian ini adalah lensa yang umum terdapat dipasaran yang terbuat dari bahan plastik atau dengan nama teknik polimer yang transparan. Lensa berwarna hitam dan kuning dipilih dengan mempertimbangkan bahwa lensa hitam mewakili warna gelap dan lensa kuning mewakili warna terang. Tegangan yang diberikan pada model merupakan tegangan termal. Pemberian tegangan dilakukan dengan cara mengkonduksikan panas pada model langsung dengan hot plate sebesar 40º selama 10 menit. Pada layar terbentuk pola frinji sebagai pola warna. Perbedaan dari intensitas warna yang terbentuk pada frinji tidak dapat dibedakan langsung dengan melihat. Oleh karena itu dilakukan pengolahan dengan menggunakan software ImageJ. Software ImageJ digunakan untuk mempermudah analisa terhadap masingmasing pola frinji yang terbentuk ketika model dengan ataupun tanpa perlakuan tertentu. Dari software diperoleh informasi berupa gambar visualisai nilai intensitas setiap piksel pada frinji secara 3 dimensi. G ambar frinji yang diolah dengan software memperlihatkan bahwa ada perbedaan intensitas warna. Hal ini menunjukkan bahwa frinji yang terbentuk pada penelitian ini merupakan interferensi yang konstruktif dan tidak menghasilkan pola destruktif (gelap). Interferensi terjadi karena adanya superposisi gelombang yang merambat dalam kecepatan berbeda akibat melewati medium, dalam penelitian ini yaitu model dan elemen-elemen optik pada polariskop lingkaran.
Intensitas
38 36 34 32 30 28 26 24 22 20
y = -0.064x + 36.23
y = -0.036x + 22.95 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
t (menit)
Gambar 4.16 Hubungan antara penurunan nilai intensitas pola frinji lensa hitam dan lensa kuning setelah model mendapat pengaruh termal Gambar 4.16 menunjukkan hubungan penurunan nilai intensitas seiring penurunan tegangan termal pada model setiap menit selama 20 menit. Tampak pada Gambar 4.16 b ahwa kedua model sama-sama mengalami penurunan nilai intensitas. Garis merah, yang menunjukkan penurunan nilai intensitas lensa kuning menunjukkan bahwa gradien garis tersebut sebesar 0.064 memiliki nilai yang lebih besar dari pada gradien garis warna biru sebesar 0.036, yang menunjukkan penurunan nilai intensitas lensa hitam. Artinya perubahan nilai intensitas terhadap penurunan tegangan termal tiap waktu oleh lensa kuning lebih cepat dari pada lensa hitam. Berdasarkan data yang tertera pada Tabel 4.1 dan Tabel 4.2 yang juga menunjukkan bahwa lensa kuning sudah mencapai nilai intensitas yang hampir sama pada menit ke-10. 2 menit lebih cepat dibandingkan lensa hitam yang menunjukka nilai intensitas hampir tetap pada menit ke-12. Hal ini disebabakan karena warna hitam yang mewakili warna gelap cenderung lebih mudah menyerap panas, sedangkan warna kuning yang mewakili warna cerah cenderung lebih mudah melepaskan panas yang diberikan. IV. Kesimpulan Berdasarkan serangkaian penelitian yang telah dilakukan maka dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut.
a. Warna frinji yang terbentuk sesuai dengan warna lensa. b. Perbedaan intensitas warna frinji menunjukkan adanya perubahan indeks bias pada lensa. c. Terdapat tegangan sisa pada model setelah mendapat pengaruh termal.
d. Model lensa warna kuning lebih mudah melepaskan tegangan termal daripada warna hitam.
V. Daftar Acuan Anonim.. 2011. Mata. Wikipedia .or.id.Diunduh pada 25 April 2011 Anonim. 2010. Industri Kacamata Nasional. Kapanlagi.com. Diunduh pada 25 A pril 2011 Anonim, 2009. Tips Memilih Kacamata. Optikaonline.info. Diunduh pada 25 A pril 2011 Arifianto, Afif. 2007. Bahan Ajar Fisika Polimer. AKPRIND. Yogyakarta Asrori, M. Zainal. 2000. Fisika Bahan Polimer. Yanasika ITS. Surabaya Dally, J.W, and W.F.Riley. 1991. Experimental Stres Analysis, Third Edition. McGrawHill, Inc. New York. Endang Susilo, Ali Yunus, dan Gatut Yudoyono. 2003. OPTIKA (diktat). Yanasika ITS, Surabaya. Kusumo, Galih. 2009. Identifikasi Varietas Unggul Benih Kedelai Berdasarkan Warna Dengan Jaringan Syaraf Tiruan. Tugas Akhir. ITS. Surabaya Murni, A., 1992. Pengantar Pengolahan Citra. PT Elek Media Komputindo Kelompok Gramedia, Jakarta Purnomo, Sidik. 1999. Pembuatan Perangkat Lunak Pengolahan Citra Fotolastogram. Tugas Akhir. ITS. Surabaya Timonsheko, S.P. 1986. Teori Fotoelastisitas. Penerbit Erlangga. Jakarta Wiriadinata, Rinaldi. 2004. Analisa Distribusi Tegangan pada Model Ban Dengan Fotoelastisitas. Tugas Akhir. ITS Surabaya Yaouzu,S. et all. Laser Moire Deflectometer for Min/Micro Scale Flow Visualization. Proceeding of SPIE, Vol 5058. Halaman 322-320
