Elastisitas

Kompetensi Dasar

3.2 menganalisis sifat elastisitas bahan dalam kehidupan sehari hari

4.2 melakukan percobaan tentang sifat elastisitas suatu bahan berikut presentasi hasil percobaan dan pemanfaatannya

Download e-Modul dan e-Kuis di: [ sini ]

Indikator Pencapaian Kompetensi

3.2.1 menganalisis Modulus Young sebagai karakteristik elastisitas bahan

3.2.2 menganalisis Hukum Hooke pada pegas

3.2.3 menganalisis rangkaian pegas

3.2.4 menganalisis energi potensial pegas

4.2.1 melakukan percobaan sifat elastisitas bahan

4.2.2 melakukan percobaan Hukum Hooke

4.2.3 melakukan percobaan rangkaian pegas

4.2.4 melakukan percobaan energi potensial pegas

Pendahuluan

Benda elastis/ lentur adalah benda yang kembali ke bentuk semula ketika gaya yang bekerja padanya dihilangkan, misalnya karet, pegas, dan senar. Sebaliknya, benda yang tidak kembali ke bentuk semula meskipun gaya yang bekerja padanya telah dihilangkan disebut benda plastis, misalnya plastisin, lilin, dan tanah liat. Amatilah gambar berikut! Dapatkah kalian menunjukkan komponen kendaraan berikut yang bersifat elastis dan plastik?

Gb1: Sepeda Motor (Sumber: Google)

Benda elastis begitu sering dijumpai bahkan sangat bermanfaat bagi kehidupan kita antara lain: kulit yang sifatnya lentur; perempuan dapat mengikat rambutnya dengan karet atau jedai; springbed terdiri dari spons dan pegas membuat tidur kita nyenyak; berkendara terasa lebih nyaman dari guncangan karena dilengkapi dengan shockbreaker; bahkan bidang seni dan olahraga juga menggunakan bahan-bahan elastis.

3.2.1 Modulus Young
Pada seni musik kita jumpai alat musik berdawai, misalnya gitar. Dawai/senar gitar dengan ukuran (penampang, panjang, dan massa) tertentu jika dikencangkan menyebabkan senar tersebut mengalami tegangan dan menghasilkan bunyi tertentu ketika dipetik. Di samping itu, senar juga dapat mengalami regangan. Senar berkualitas baik adalah yang memiliki modulus elastisitas yang besar. Apakah yang dimaksud: tegangan, regangan, dan modulus elastisitas? Simaklah uraian berikut ini.

1. Tegangan (stress)

Setiap benda elastis ketika ditarik pasti tegang. Tegangan merupakan besarnya gaya tarik yang bekerja pada penampang benda. Perhatikanlah gambar berikut!

Besarnya tegangan sebanding dengan gaya penariknya dan berbanding terbalik dengan penampang (luas) yang dinyatakan dengan persamaan:

Contoh fenomena yang sering kita jumpai adalah menyetem gitar dengan memberikan tegangan tertentu agar mendapat nada yang diinginkan.

2. Regangan (strain)

Setiap benda elastis yang tegang juga mengalami regangan. Regangan terjadi ketika ukuran benda berubah terhadap ukuran awalnya. Terdapat tiga jenis strain yaitu: Strain Linier, Strain Volume, dan Strain Shearing.

a. Strain Linear (Panjang)

Strain linear menyatakan perubahan panjang benda terhadap panjang awalnya.

Strain linear dinyatakan dengan persamaan:

Contoh strain linear dapat kita jumpai pada olahraga bungeejumping

b. Strain Bulk (Volume)

Strain Bulk menyatakan perubahan volume benda terhadap volume awalnya.

Strain volume dinyatakan dengan persamaan:

Contoh strain Bulk dapat kita jumpai pada kapal selam yang ringsek ketika berada di dasar laut yang dalam.

c. Strain Shear (Geser)

Strain shear menyatakan besarnya pergeseran tangensial terhadap panjang bidang.

Strain shear dinyatakan dengan persamaan:

Contoh strain Shear dapat kita jumpai pada olahraga loncat indah

3. Modulus Elastisitas

Modulus elastisitas menyatakan karakteristik bahan ditinjau dari sifat elastisitasnya. Istilah ini diperkenalkan oleh Thomas Young sehingga sering juga disebut Modulus Young. Menurut Young, elastisitas bahan ditentukan dari perbandingan tegangan dan regangan yang dinyatakan dengan persamaan:

Beberapa contoh bahan dengan modulus elastisitasnya disajikan seperti tabel berikut!

Sumber: Halliday Resnick Fundamental of Physics

Contoh penerapan modulus Young dalam kehidupan sehari-hari misalnya pada tower crane. Amatilah video berikut!

Nilai modulus Young kawat sangat penting diketahui untuk menentukan beban maksimum yang dapat diangkat agar kawat tidak putus.

3.2.2 Hukum Hooke

Robert Hooke menurunkan persamaan Modulus Young menjadi:

karena E, A, dan L₀ merupakan nilai bersifat tetap yang bergantung pada karakteristik batang (sifat, bentuk, ukuran) maka dapat dinyatakan dengan konstanta k sehingga:

F = k . ΔL

Hooke menggunakan persamaan ini pada benda elastis lainnya yaitu pegas dan disimpulkan bahwa: “gaya yang diberikan pada pegas sebanding dengan tingkat kekakuannya dan pertambahan panjang batang yang diinginkan. Dengan kata lain, untuk menentukan kekakuan pegas dapat ditentukan dengan membandingkan gaya yang diberikan pada pegas dengan pertambahan panjang pegas yang terjadi. Sesuai dengan persamaan:

Semakin besar nilai k maka pegas semakin kaku, artinya dengan gaya yang besar hanya mampu mengubah sedikit panjang pegas. Untuk lebih jelasnya, amatilah gambar berikut!

Hukum Hooke hanya berlaku pada benda elastik (pegas) jika gaya yang diberikan tidak terlalu besar. Sebab jika gaya yang diberikan melampaui batas elastisitasnya akan menyebabkan pegas rusak dan patah. Untuk lebih jelasnya, amatilah grafik berikut!

Penerapan hukum Hooke dapat kita jumpai pada neraca pegas.

3.2.3 Rangkaian Pegas

Hukum Hooke dapat diterapkan untuk menganalisis sistem rangkaian pegas baik seri maupun paralel.

a. Rangkaian Seri Pegas

Misalkan kita memiliki tiga buah pegas yang disusun secara seri seperti gambar berikut.

sehingga dapat disimpulkan:

Persamaan ini menjelaskan bahwa pegas yang disusun seri akan menyebabkan nilai konstanta gabungannya menjadi sangat kecil, itu artinya sistem pegas menjadi sangat lentur. Fenomena yang sering dijumpai adalah lompat karet dan monoshockbreaker, seperti gambar berikut!

b. Rangkaian Paralel Pegas

Misalkan kita memiliki tiga buah pegas yang disusun secara paralel seperti gambar berikut.

sehingga dapat disimpulkan:

Persamaan ini menjelaskan bahwa pegas yang disusun paralel akan menyebabkan nilai konstanta gabungannya menjadi sangat besar, itu artinya sistem pegas menjadi sangat kaku. Fenomena yang sering dijumpai adalah karet ketapel dan doubleshocbreaker, seperti gambar berikut!

3.2.4 Energi Potensial Pegas

Pada waktu kita menekan pegas, energi yang kita berikan akan disimpan pegas dalam bentuk energi potensial pegas. Besarnya energi potensial pegas bisa didapat dengan menghitung usaha untuk menekan pegas.

Besarnya usaha dapat dihitung dengan bantuan grafik berikut!

sehingga dapat disimpulkan:

Energi potensial ini dapat diubah menjadi energi kinetik,

Sebagai contoh penerapan yaitu pada olahraga panahan di mana busur panah yang diregangkan mampu melesatkan anak panah dengan cepat, seperti gambar berikut.