Jurnal Dinamis,Volume I, No.9, Juni 2011
ISSN 0216-7492
PENGUKURAN ENERGI IMPAK HELMET SEPEDA MOTOR AKIBAT BEBAN IMPAK JATUH BEBAS DENGAN ANVIL PLAT DATAR Oleh: Rahmat Kartolo Simanjuntak Dosen Kopertis Wilayah I Abstract The traffic accident doesn’t involved by the velocity but also gravitational. Therefore, the research activity is done by researcher obtains the energy of impact loading on the helmet. The information which is obtained from this research will explain the effect of the impact energy on helmet to user, industry, and also government. The objective of this research involves the measuring the impact load, impact stress, and the energy absorbing by helmet as effect of impact loading. The researcher collaborates with the Impact and Fracture Research Center (IRFC) that has built the testing apparatus which is equipped with good acquisition data system. The helmet is put on the adjustable testing rig. The impact time can be measured by eight inductive proximity sensors. The helmet will be slide down and collide the anvil. The force will be measured with the load cell which is put down the anvil type of flat plat. The data will be transferred from the load cell into the DAQ system which has function to change the analog into digital signal. Finally, the data will be saved into PC as the force (N) and the impact time (ms). The free-fall impact testing equipment has shown the best performance on the force and impact time signal reading as long as the research activity. The maximum impact force is 24.33 N; impact stress is 2.7 kPa at the elevation of 0.75 m. The minimum energy which causes the fracture on the helmet is 17.57 J at same elevation. Keywords: impact energy, impact load, impact stress, anvil, free-fall impact.
1. PENDAHULUAN Gelombang regangan adalah gelombang mekanis, yaitu gelombang yang memerlukan suatu medium tertentu untuk dapat mentransmisikan ke bagian yang lain. Kecepatan rambat gelombang tersebut bergantung pada sifat-sifat medium yang dilaluinya. Berdasarkan arah perambatannya, gelombang regangan dibedakan atas 2 bagian, yaitu: (1) gelombang transversal, dan (2) gelombang longitudinal. Gelombang transversal memiliki arah gerakan partikel yang tegak lurus terhadap arah perambatan, sedangkan gelombang longitudinal memiliki arah yang sejajar dengan arah perambatan. Pada penelitian ini konsep yang digunakan ialah rambatan gelombang longitudinal sebagai dasar pembahasan teori kekuatan tarik impak. Perilaku gelombang longitudinal pada sebuah batang logam secara skematis diperlihatkan pada Gambar 1. Gaya impak diberikan pada ujung kiri batang
yang mengakibatkan batang bergerak ke kanan dengan kecepatan C1, pada waktu t. C
V
o
,t C l, t
Gambar 1. Skema rambatan gelombang impak Sebelum beban impak diberikan, batang impak mempunyai kecepatan V1 sedangkan batang penerus dan spesimen mempunyai kecepatan yang sama yaitu: V2= V3 = 0. Pada bidang antar muka akan terjadi keseimbangan gaya, atau akan terjadi aksi dan reaksi antara kedua batang tersebut, yang dapat dinyatakan dengan hubungan 1A1 = 2A2, dimana 1 adalah tegangan pada batang 1, 2 adalah tegangan pada batang 2, A1 ialah luas penampang batang 1, dan A2 adalah luas penampang batang 2. 21
Jurnal Dinamis,Volume I, No.9, Juni 2011 Berdasarkan persamaan impulsdan diperoleh hubungan :
hubungan momentum
EV
(1)
dimana: = tegangan impak, = massa jenis bahan, E= modulus Young, dan V= kecepatan partikel. Dengan demikian pada batang impak yang bergerak dengan kecepatan V1 akan timbul tegangan sebesar:
1 1 E1 V1 1 E1V '
(2)
ISSN 0216-7492 Tujuan penelitian ini adalah untuk mendapatkan gaya impak, tegangan impak, serta energi impak akibat beban impak jatuh bebas pada helmet sepeda motor. 2. METODOLOGI Spesimen yang diuji ialah helmet sepeda motor yang diletakkan pada test rig khusus. Test rig ini dapat diatur ketinggian jatuhnya dengan ketinggian jatuh maksimum 4 m. Posisi helmet pada test rig diperlihatkan pada gambar 2.
Selanjutnya jika ditinjau pada batang 2, yang bergerak dengan kecepatan V’, maka dapat ditentukan tegangan pada batang 2, yaitu:
V'
2 2E2
(3)
Tegangan impak yang ditransmisikan ke input bar dan spesimen tersebut ditentukan oleh kecepatan batang impak dan sifat-sifat mekanisnya. Bila luas kedua penampang sama besar, maka = 1 = 2. Tegangan yang masuk dari ujung kiri input bar sebesar akan timbul pada interface input bar dan spesimen pada saat t2 = l2/C0,2 dimana l2 adalah panjang input bar dan C0,2 adalah kecepatan gelombang elastis pada input bar. Dalam hal ini, ada tiga bentuk gelombang tegangan yang terlibat, yaitu: Tegangan yang terjadi (), Tegangan yang ditransmisikan (T), Tegangan yang direfleksikan (R). Untuk material yang mempunyai sifat mekanis dan dimensi yang sama maka dengan mensubstitusikan harga E2 = E3, Co2 = Co3, A2 = A3, dan L2 = L3 ke dalam persamaan (E.9) dan (E.10), diperoleh T = 0 dan R = 0. Ini berarti besar tegangan yang ditransmisikan adalah sama dengan tegangan yang masuk, dan tidak ada tegangan yang direfleksikan.
Gambar 2. Spesimen uji Batang penerus yang dipergunakan pada penelitian ini terbuat dari besi St.37 dengan ukuran diameter 100 mm dan panjang 150 mm. Bentuk batang penerus diperlihatkan pada gambar 3.
Gambar 3. Batang penerus Pada bagian tengah diberikan landasan pengujian yang dikenal dengan istilah anvil. Bentuk anvil yang 22
Jurnal Dinamis,Volume I, No.9, Juni 2011
ISSN 0216-7492
dipergunakan ialah bentuk plat datar seperti diperlihatkan pada gambar 4.
Gambar 6. Susunan alat uji. Gambar 4. Anvil plat datar Untuk mengukur besarnya beban impak dan gelombang regangan yang terjadi dipergunakan sensor gaya yang bekerja menggunakan strain gage full bridge dengan tahanan SG 350 ohm. Alat ini dikenal juga dengan istilah load cell dengan bentuk diperlihatkan pada gambar 5.
Skematik pengukuran beban impak jatuh bebas diperlihatkan pada gambar 7. Alat Sensor
Pengolah Data Aqusisi (DAQ)
Pengkondisi Sinyal
Penampil Sinyal
Perangkat Load Cell
Digital
Komputer
Gambar 7. Skematik pengukuran data.
Gambar 5. Sensor beban impak. Kemampuan alat ini dapat menerima beban dan mengukur gaya impak hingga 30.000 kg dan untuk penggunaannya, alat ini sudah mendapatkan sertifikat kalibrasi dari Komite Akreditasi Nasional untuk 20.000 kg. Susunan alat uji selengkapnya diperlihatkan pada gambar 6.
Akibat tumbukan benda jatuh bebas pada alat sensor, maka timbul gelombang tegangan tekan (compressive stress wave) pada batang penerus. Gelombang tersebut akan ditangkap oleh pengolah sinyal (signal conditioner) dengan cara mengukur perubahan tahanan listrik ΔR/R yang sebanding regangan yang diterima strain gage melalui bridge box. Selanjutnya dengan menggunakan pengkondisian sinyal, perubahan tersebut dikonversikan dalam bentuk tegangan listrik. Sinyal-sinyal tersebut diteruskan dalam bentuk gelombang dan selanjutnya ditampilkan pada penampil sinyal dalam bentuk digital sehingga dapat terbaca langsung. Akhirnya sinyal tersebut diteruskan ke perangkat komputer yang telah dilengkapi dengan software pengukuran khusus. 23
Jurnal Dinamis,Volume I, No.9, Juni 2011
3. HASIL PENGUJIAN
Arata-rata = 0,0095 m2
0.0200 0.0165 0.0130 0.0095 0.0060 0.0025 -0.0010
0.0093 0.00790.0113 0
1
2
3
mampu diserap helmet pada tiga kali pengujian dengan ketinggian impak yang sama akan menyebabkan penurunan kekuatan helmet tersebut. Dengan kata lain pada pengujian pertama dan kedua kekuatannya masih cukup bagus, tapi pada pengujian ketiga kemungkinan terjadinya deformasi yang cukup besar sehingga hanya dengan beban yang relatif lebih kecil helmet telah mengalami kerusakan. Data impuls yang terjadi diperlihatkan pada gambar 11. 22 .5 3
30
4
Gaya (N)
Luas Penampang (m2)
Luas daerah pembebanan pada pengujian ini diperlihatkan pada gambar 8, dengan nilai rata-rata ialah sebesar 0,0095 m2.
ISSN 0216-7492
No. Pengujian
Gambar 8. Luas daerah pembebanan rata-rata.
20 10 0 0
Waktu (ms)
Gaya dan tegangan hasil uji impak untuk ketinggian jatuh 0,75 m berturut-turut diperlihatkan pada gambar 9 dan 10.
1 6 . 2
Gaya (N)
25 20 15 10 5 0
-50
150
Waktu…
Gambar 11. Hasil pengukuran impuls. Energi impak yang dapat diserap helmet selama pengujian diperlihatkan pada gambar 12. Gambar 9. Gaya impak hasil pengujian.
0
500
Energi Impak (J)
Tegangan (kPa)
18.00 2.371 2.180 1.707
2.500 2.000 1.500 1.000 0.500 0.000
1000
Waktu(ms)
17.57
17.50 17.00 16.50 16.00
15.75
15.50 0
1
2
3
No. Uji
Gambar 10. Tegangan impak hasil pengujian
Gambar 12. Energi hasil pengujian impak.
Berdasarkan data-data hasil pengujian terlihat bahwa beban impak yang
Berdasarkan data tersebut besarnya perbedaan energi yang 24
Jurnal Dinamis,Volume I, No.9, Juni 2011 diserap pada pengujian pertama dengan ketinggian jatuh 0,75 m adalah sebesar 0,67 J atau sekitar 3,8%. Kemudian pada pengujian kedua dengan helm yang sama pada masingmasing perlakuan anvil diperoleh penyerapan yang lebih kecil dibandingkan dengan pengujian pertama. Besarnya perbedaan energi ialah 0,21 J atau hanya sekitar 1,3%. Dengan demikian terlihat bahwa energi impak yang diserap oleh spesimen yang sama dengan pengujian berulangulang akan semakin kecil. Hal ini kemungkinan disebabkan energi impak tersebut dikonversikan menjadi perubahan deformasi dalam spesimen.
4. KESIMPULAN Gaya impak hasil pengujian helmet sepeda motor pada ketinggian 0,75 m yang dilakukan selama tiga kali percobaan dengan spesimen yang sama berturut-turut ialah 25,53 N, 20,72 N, dan 16,22 N. Data ini memperlihatkan penurunan gaya impak yang terjadi seiring semakin besarnya deformasi yang terjadi. Sedangkan tegangan impak yang dihasilkan dengan luas permukaan impak ratarata 0,0095 m2 berturut-turut ialah 2,37 kPa, 2,18 kPa, dan 1,70 kPa. Data-data ini menunjukkan bahwa kekuatan helmet sepeda motor akan mengalami penurunan apabila dikenai beban impak berulang-ulang. Sejalan dengan penurunan kedua parameter sebelumnya, energi impak juga mengalami penurunan dari pengujian pertama dan kedua, yaitu sebesar 3,8%.
ISSN 0216-7492 Kolsky, H., An Investigation of The Mechanical Properties of Materials at Very High Rate of Loading, Proc. Phys. Soc. (London), B62, 676-700 (1949). Robert Metz, Impact and Drop Testing with ICP® Force Sensors, PCB Piezotronics, Inc, Automotive Testng Expo, North America USA, 2006. Standar Nasional Indonesia, Helm Pengendara Kendaraan Bermotor Roda Dua untuk Umum, SNI 191911-1990. Syam, B., A Measuring Method for Impact Tensile Strength and Impact Fracture Behaviors of Brittle Materials, A Doctoral Dissertation, Muroran Institute of Technology, Muroran, Japan, March 1996, pp. 29-98. Syam
B, Nayan A, Penyelidikan Perilaku Mekanik Helm Industri Akibat Beban Impak Kecepatan Tinggi, Prosiding Seminar Material dan Struktur (MASTRUCT), Medan, Januari, 2004.
Yanagihara, N., Theory of OneDimensional Elastic Wave for the Measurement of the Impact Force, Bulletin of JSME, vol. 43, 1977, pp. 40-48.
DAFTAR PUSTAKA Japan International Standard for Safety Helmet, T-8131, Japan, 1977. Johnson, W., Impact Strength of Materials, Edward Arnold, London, 1972.
25
