ELASTISITAS Kalian pasti sudah mengenal alat-alat sebagai berikut. Plastisin, pegas pada tersebut
sepeda,
dinamakan
motor dan lain-lainnya, benda-benda bahan elastisitas.
Bahkan kalian juga
pernah meregangkan pegas dan pegas itu kembali kebentuknya semula, dan kenapa itu bisa terjadi. Sebelum melanjutkan pembahasan kita pada elastisitas, prhatikanlah materi berikut ini
Kompetensi Dasar:
3.6 Menganalisis sifat elastisitas bahan dalam kehidupan sehari-hari.
Tujuan Pembelajaran: 1. Mengidentifikasi benda-benda elastis dan plastis 2. Menjelaskan karakteristik benda elastis dan plastis 3. Mendiskusikan tegangan, regangan, modulus elastis suatu bahan 4. Menjelaskan susunan pegas seri dan paralel 5. Menghitung besar tegangan, regangan, modulus elastis bahan 6. Menerapkan Hukum Hooke 7. Memformulasikan konstanta pegas seri dan paralel sesuai Hukum Hooke 8. Menghitung persoalan tentang konstanta pegas seri dan paralel 9. Menganalisis penerapan sifat elastis dalam kehidupan seharihari
A. SIFAT ELASTISITAS BAHAN Elastisitas adalah sifat benda yang cenderung mengembalikan keadaan ke bentuk
A.
semula setelah mengalami perubahan bentuk karena pengaruh gaya (tekanan atau tarikan) dari luar. Ketika diberi gaya, suatu benda akan mengalami deformasi, yaitu perubahan ukuran atau bentuk. Karena mendapat gaya, molekul-molekul benda akan bereaksi dan memberikan gaya untuk menghambat deformasi. Gaya yang diberikan kepada benda dinamakan gaya luar, sedangkan gaya reaksi oleh molekul-molekul dinamakan gaya dalam. Ketika gaya luar dihilangkan, gaya dalam cenderung untuk mengembalikan bentuk dan ukuran benda ke keadaan semula. 1. benda elastis 1.
Benda-benda yang memiliki elastisitas atau bersifat elastis, seperti karet gelang, pegas, dan pelat logam disebut benda elastis. . Pada gambar 2.a, apabila sebuah gaya F diberikan pada sebuah pegas panjang pegas akan berubah. Jika gaya terus diperbesar, maka
Gambar 2a. Batas elastisitas pada pegas
Berdasarkan
hubungan antara perpanjangan pegas dengan gaya yang diberikan dapat digambarkan dengan grafik dibawah ini.
grafik
tersebut,
garis
lurus
OA
menunjukkan besarnya gaya F yang sebanding dengan pertambahan panjang x. Pada bagian ini pegas dikatakan meregang secara linier. Jika F diperbesar lagi sehingga melampaui titik A, garis tidak lurus lagi. Hal ini dikatakan batas linieritasnya sudah terlampaui,
Gambar 2b. Grafik hubungan gaya dengan pertambahan tetapi pegas pegas masih bisa
kembali ke bentuk semula. Apabila gaya F diperbesar terus sampai melewati titik B, pegas bertambah panjang dan tidak kembali ke bentuk semula setelah gaya dihilangkan. Ini disebut batas elastisitas atau kelentingan pegas. Jika gaya terus diperbesar lagi hingga di titik C, maka pegas akan putus. Jadi, benda elastis mempunyai batas elastisitas. Jika gaya yang diberikan melebihi batas elastisitasnya, maka pegas tidak mampu lagi menahan gaya sehingga akan putus. 2. Benda Plastis 2. Adapun benda-benda yang tidak memiliki elastisitas (tidak kembali ke bentuk awalnya) disebut benda plastis. Contoh benda plastis adalah tanah liat dan plastisin (lilin mainan).
B. TEGANGAN Perhatikan Gambar 4 yang menunjukkan sebuah benda elastis dengan panjang L0 dan luas penampang A diberikan gaya F sehingga bertambah panjang. Dalam keadaan ini, dikatakan
benda
mengalami
menunjukkan kekuatan gaya yang
tegangan.
Tegangan
menyebabkan perubahan bentuk benda. Tegangan (stress) didefinisikan sebagai perbandingan antara gaya yang bekerja pada benda dengan luas penampang benda. Secara matematis dituliskan: ......................................................................
(1)
dengan: = tegangan (Pa) F = gaya (N) A = luas penampang (m2) Satuan SI untuk tegangan adalah pascal (Pa), dengan konversi: 1 pascal = 1 meter2 1
newton atau 1 Pa = 1 N/m2
C. REGANGAN (STRAIN) didefinisikan
B.perbandingan
sebagai
antara pertambahan
panjang batang dengan panjang mula-mula dinyatakan: .......................................(2) Gambar
5. Bahan elastis akan bertambah panjang ketika
diberi gaya dengan: e = regangan ΔL = pertambahan panjang (m) L = panjang mula-mula (m)
1. Mata dan Kaca Mata YOUNG D. MODULUS Regangan merupakan ukuran mengenai seberapa jauh batang tersebut berubah bentuk. Tegangan diberikan pada materi dari arah luar, sedangkan regangan adalah tanggapan materi terhadap tegangan. Pada daerah elastis, besarnya tegangan berbanding lurus dengan regangan. Perbandingan antara tegangan dan regangan benda tersebut disebut modulus elastisitas atau modulus Young. Pengukuran
modulus
Young
dapat
dilakukan
dengan
menggunakan
gelombang akustik, karena kecepatan jalannya bergantung pada modulus Young. Secara matematis dirumuskan:
...........................................................(3) ............................................................... (4)
dengan: E = modulus Young (N/m2) F = gaya (N) L = panjang mula-mula (m) ΔL = pertambahan panjang (m) A = luas penampang (m2) = tegangan (Pa) e = regangan Nilai modulus Young hanya bergantung pada jenisbenda (komposisi benda), tidak bergantung pada ukuran atau bentuk benda. Nilai modulus Young beberapa jenis bahan dapat kalian lihat pada tabel dibawah ini Satuan SI untuk
E adalah pascal (Pa) atau Nm2.
Gambar 5. Nilai modulus young dari berbagai jenis bahan
Contoh soal
E. HUKUM HOOKE Suatu benda yang dikenai gaya akan mengalami perubahan bentuk (volume dan ukuran). Misalnya suatu pegas akan bertambah panjang dari ukuran semula, apabila dikenai gaya sampai batas tertentu. Perhatikan Gambar 6 berikut!
Pemberian gaya sebesar F akan mengakibatkan pegas bertambah panjang sebesar . Besar gaya F berbanding lurus dengan . Secara matematis dirumuskan dengan persamaan berikut. F = k Δx Keterangan: F : gaya yang dikerjakan pada pegas (N) Δx : penambahan panjang pegas (m) k : konstanta pegas (N/m) Persamaan di atas dapat dinyatakan dengan kata-kata sebagai berikut. “Jika gaya tarik tidak melampaui batas elastisitas pegas, maka pertambahan panjang pegas berbanding lurus (sebanding) dengan gaya tariknya. Pernyataan tersebut dikemukakan pertama kali oleh Robert Hooke seorang arsitek yang ditugaskan untuk membangun kembali gedung-gedung di London yang mengalami kebakaran pada tahun 1666. Oleh karena itu, pernyataan di atas dikenal sebagai hukum Hooke. Hubungan antara Hukum Hooke dengan moduls Young adalah sebagai berikut.
Hubungan antara tetapan/konstanta gaya (k) dengan modulus Young (E), dituliskan sebagai berikut.
CONTOH SOAL
F. SUSUNAN PEGAS Pernahkah kalian melihat didalamnya tempat tidur atau springbed? Springbed ada yang tersusun dari pegas-pegas yang disusun dengan posisi sama. Cermati penjelasan berikut. 1. Susunan seri
Susunan pegas secara seri dapat dilihat contohnya seperti pada Gambar 7 . Pada saat diberi gaya maka semua pegas merasakan gaya yang sama. Konstanta pegas penggantinya memenuhi hubungan berikut.
Gambar 7. Pegas susunan seri 2. Susunan paralel Gambar 8. Pegas susunan paralel Susunan pegas secara paralel dapat dilihat contohnya seperti pada Gambar 8. Pada saat ditarik gaya maka pemanjangan pegas sama dan gaya yang diberikan dibagi
sebanding
konstantanya. Konstanta penggantinya memenuhi persaman berikut.
3. Susunan campuran Bagaimana jika beberapa pegas disusun campur? Tentu kalian sudah bisa menjawabnya bahwa pada rangkaian itu akan berlaku sifat gabungan. Dalam menganalisanya dapat ditent ukan dengan memilih susunan yang sudah dapat dikategorikan seri atau paralelnya.
Gambar 9. Pegas susunan campuran antara paralel dan seri
CONTOH SOAL
NO 3
G. PENERAPAN SIFAT ELASTIS Dalam kehidupan sehari-hari, alat yang menerapkan sifat elastis bahan banyak dijumpai. Misalnya, pada mainan anak-anak seperti pistol-pistolan, mobilmobilan, dan ketapel; perlengkapan rumah tangga seperti kursi sudut dan spring-
bed. Di sini akan dikemukakan beberapa contoh pemanfaatan peranan sifat elastis bahan. 1.
Alat Ukur Gaya Tarik Kereta Api Alat ini dilengkapi dengan sejumlah pegas yang disusun sejajar. Pegaspegas ini dihubungkan ke gerbong kereta api saat kereta akan bergerak. Hal ini di lakukan untuk diukur gaya tarik kereta api sesaat sebelum meninggalkan stasiun.
2. Peredam Getaran atau Goncangan Pada Mobil
Penyangga badan mobil selalu dilengkapi pegas yang kuat sehingga goncangan yang terjadi pada saat mobil melewati jalan yang tidak rata dapat diredam. Dengan demikian, keseimbangan mobil dapat dikendalikan. 3. Peranan Sifat Elastis Dalam Rancang Bangun Untuk
menentukan jenis logam yang akan
digunakan
dalam
membangun sebuah jembatan, pesawat, rumah, dan sebagainya maka modulus Young, tetapan pegas, dan sifat elastis, logam secara umum harus diperhitungkan.
4. Contoh-Contoh Pemanfaatan Sifat Elastis dalam Olahraga Di bidang olahraga, sifat elastis bahan diterapkan, antara lain, pada papan loncatan pada cabang olah raga loncat indah dan tali busur pada
olahraga panahan. Karena adanya papan yang memberikan gaya Hooke pada atlit, maka atlit dapat meloncat lebih tinggi daripada tanpa papan. Sedangkan tali busur memberikan gaya pegas pada busur dan anak panah.
EVALUASI
1. Kecendrungan pada suatu bahan untuk berubah dalam bentuk baik panjang, lebar, maupun tinggi dengan massa yang tetap, yang disebabkan oleh gaya-gaya yang menekan atau menariknya dan akan kembali ke bentuk semula pada saat gaya yang bekerja pada bahan ditiadakan. Pernyataan di atas merupakan pengerttian dari… a. Elatistas b. Sifat elastis c. Sifat plastis d. Modulus young e. Tegangan dan regangan 2. Perhatikan pernyataan dibawah ini ! I. Pegas II. Karet III. Plastisin IV. Tanah liat Dari pernyataan di atas, yang termasuk bahan elastis adalah… a. I,II b. I,III c. I,IV d. II,IV e. IV
3. Sebuah balok 10 kg dikaitkan pada sebuah kawat yang memiliki luas penampang 2,4 mm2. Jika g = 9,8 ms-2, tegangan yang dialami kawat tersebut adalah…. a.
4,09x107 Nm-2
b.
4,17x 107 Nm-2
c.
5,10x 107 Nm-2
d.
5,27x 107 Nm-2
e.
5,79x 107 Nm-2
4. Kawat logam panjangnya 80 cm dan luas penampang 4 cm2. Ujung yang satu diikat pada atap dan ujung yang lain ditarik dengan gaya 50 N. Ternyata panjangnya menjadi 82 cm. Regangan (strain) kawat adalah… a. 0,5.10-2 b. 1,5.10-2 c. 2,5.10-2 d. 3,5.10-2 e. 4,5.10-2 5. Sobat punya sebuah kawat dengan luas penampang 2 mm 2, kemudian diregangkan oleh gaya sebesar 5,4 N sehingga bertambah panjang sebesar 5 cm. Bila panjang kawat mula-mula adalah 30 cm, berpakah modulus elastisitas dari kawat tersebut? a. 1,53 x 106 N/m2 b. 1,3 x 106 N/m2 c. 1,65 x 106 N/m2 d. 1,62 x 106 N/m2
6. Dua buah kawat x dan y panjangnya masing-masing 1 m dan 2 m ditarik dengan gaya yang sama sehingga terjadi pertambahan panjang masing-masing 0,5 mm dan 1 mm. Jika diameter kawat y dua kali diameter kawat x, maka perbandingan modulus young kawat x terhadap kawat y adalah …..
a.
1:1
b.
1:2
c.
1:4
d.
2:1
e.
4:1
7. Sebuah batan besi yang panjangnya 2 m, penampangnya berukuran 4 mm x 2 mm. Modulus elastisitas besi tersebut adalah 105 N/mm2. Jika pada ujung batang ditarik dengan gaya 40 N. Berapa pertambahan panjang besi tersebut? a. 1 mm b. 0,1 mm c. 0,01 mm d. 0,001 mm 8. Seorang anak yang massanya 50 kg bergantung pada ujung sebuah pegas sehingga pegas bertambah panjang 10 cm. Tetapan pegas bernilai... A. 500 N/m B. 5 N C. 50 N/m D. 20 N/m E. 5000 N/m 9. Untuk meregangkan sebuah pegas sebesar 4 cm diperlukan usaha 0,16 J. Gaya yang diperlukan untuk meregangkan pegas tersebut sepanjang 2 cm diperlukan gaya sebesar... A. 0,8 N B. 1,6 N C. 2,4 N D. 3,2 N E. 4,0 N 10. Dua pegas identic dirangkai seperti pada gambar di bawah ini!
Hitunglah nilai konstanta pengganti dari gambar dua pegas identic di atas, jika diketahui nilai k = 400 N/m2. a. 100N/m b. 200N/m c. 300N/m d. 400N/m e. 500N/m
RESPON 1. 2. 3. 4. 5.
DAFTAR PUSTAKA Kainginan, marthen. 2013. Fisika untuk SMA/MA kelas XI kelompok
peminatan
matematika dan ilmu alam. Jakarta : Erlangga. Handayani, Sri Dkk. 2009. Fisika untuk SMA dan MA kelas XI. Jakarta: CV. Adi Perkasa. Sarwono Dkk. 2009. FISIKA 2 mudah dan sederhana untuk SMA/MA kelas XI. Jakarta : Pusat Perbukuan, Departemen Pendidikan Nasional. Widodo,tri. 2009. Fisika untuk SMA/MA kelas XI. Jakarta : Pusat Perbukuan, Departemen Pendidikan Nasional.
