Tegangan Geser

Definisi gaya geser

Jika suatu bidang melewati suatu benda, maka gaya yang bekerja disepanjang bidang tersebut disebut gaya geser atau gaya gesek (shearing force). Gaya ini kita simbolkan dengn F_s.

Definisi tegangan geser
Gaya gesek, dibagi dengan luasan A dimana gaya bekerja disebut tegangan geser (shearing stress). Disimbolkan dengan τ.

Perbandingan tegangan geser dan tegangan normal

Kita misalkan suatu suatu potongan batang dengan bidang a-a tegaklurus pada sumbunya, seperti Gb. 4-1. Tegangan normal σ adalah tegaklurus bidang a-a. Ini adalah tegangan yang kita pakai dalam diskusi-diskusi pada bab 1, 2, dan 3. Tegangan geser bekerja disepanjang atau sejajar bidang, yang ditunjukkan dengan simbol τ. Dengan demikian perbedaan antara tegangan geser dan tegangan normal adalah didasarkan pada arahnya.

Asumsi

Adalah penting untuk membuat asumsi-asumsi berkenaan dengan distribusi tegangan geser. Dalam hal ini, pertama yang harus kita asumsikan adalah bahwa tegangan geser, yang akan kita diskusikan pada bab ini, adalah seragam. Dengan demikian, pernyataan τ = F_s/A mengindikasikan tegangan geser rata-rata pada seluruh luasan bidang.

Perubahan bentuk karena tegangan geser

Kita perhatikan suatu elemen bidang empat persegi panjang yang dipotong dari suatu benda padat dimana gaya-gaya yang bekerja pada elemen diketahui sebagai tegangan geser τ pada arah-arah yang ditunjukkan.

Permukaan elemen yang sejajar dengan bidang kertas diasumsikan tanpa pembebanan. Karena tidak ada tegangan normal yang bekerja pada elemen, panjang sisi samping empat persegi panjang awal tidak mengalami perubahan ketika tegangan geser diasumsikan bernilai τ. Namun demikian, akan terjadi distorsi pada sudut kanan dari elemen, dan setelah distorsi karena tegangan geser ini maka diasumsikan elemen mempunyai konfigurasi bentuk seperti ditunjukkan dengan garis-putus-putus.

Regangan geser

Perubahan sudut pada bagian pojok elemen empat persegi panjang awal disebut sebagai regangan geser (shear strain). Sudut ini dinyatakan dengan radian dan dinotasikan dengan γ. Modulus elastisitas adalah Rasio antara tegangan geser τ terhadap regangan geser γ disebut modulus elastisitas geser dan biasanya dinotasikan dengan G. Jadi G juga dikenal sebagai modulus kekakuan (modulus of rigidity). Satuan untuk G adalah sama dengan satuan tegangan geser, yaitu N/m², karena regangan geser tidak bersatuan. Percobaan penentuan G dan daerah aksi linier dari τ dan γ akan didiskusikan pada bab 5. Diagram tegangan regangan untuk berbagai bahan dapat digambar untuk pembebanan geser, dengan cara yang sama seperti pada pembebanan normal (bab 1). Secara umum diagramnya mempunyai penampilan yang mirip, hanya tentu saja berbeda dalam besaran nilainya.

Sambungan las

Disamping teknik pengelasan dengan gas dan listrik yang sudah kita kenal, pada dasawarsa terakhir telah banyak dipakai, khususnya pada industri otomotif, metode pengelasan yang cukup berbeda yaitu pengelasan dengan elektron (electron beam welding) dan pengelasan dengan laser (laser beam welding).

Pengelasan elektron

Pada pengelasan dengan elektron (EBW, electron beam welding), perpaduan atau penggabungan logam dicapai dengan memfokuskan suatu batang dengan tegangan elektron tinggi pada permukaan logam yang akan disambung. Batang elektron mempunyai kerapatan energi yang sangat tinggi sedemikian sehingga mampu menghasilkan pengelasan yang dalam dan sempit. Pengelasan cara ini dapat menghasilkan pengelasan yang akurat, cepat dengan distorsi yang relatif kecil pada batang yang disambung daripada pengelasan dengan gas atau listrik. Kelemahan EBW adalah bahwa permukaan logam yang akan disambung harus benar-benar presisi, dan untuk kasus tertentu pengelasan harus dilakukan pada kondisi vakum.

Pengelasan laser

Pada pengelasan dengan laser (LBW, laser beam welding), penggabungan bahan dilakukan dengan memanfaatkan sumber energi optik yang difokuskan pada spot yang sangat kecil, diameter lingkaran antara 100 sampai 1000 μm. Istilah laser merupakan singkatan dari light amplification by stimulated emission of radiation. Kerapatan energi sekitar 10⁵ watt/cm² membuat sinar laser mampu mecairkan logam. Laser dapat menghasilkan pengelasan dengan kualitas tinggi, tetapi mempunyai resiko yang juga sangat tinggi yaitu kemungkinan kerusakan pada mata operator.

Hukum Hooke dan Elastisitas

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. 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.

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.

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 :

F = -kx

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.