BAB 4 MODULUS ELASTISITAS 4.1 TUJUAN 1. Menentukan modulus elastisitas (modulus young (E)) berbagai kayu dengan pelenturan. 2. Mengidentifikasi hal β hal yang mempengaruhi nilai pelenturan 3. Mengetahui hubungan modulus eastisitas dengan kekakuan atau kelenturan bahan.
4.2 TEORI DASAR Modulus elastisitas (E) merupakan pengukuran kemampuan kayu untuk menahan perubahan bentuk atau lentur yang terjadi sampai dengan batas elastisnya. Semakin besar bebannya maka semakin tinggi tegangan yang timbul dan semkain besar perubahan bentuk yang terjadi sampai batas elastisnya. Dilingkungan sekitar kita banyak sekali penerapan ilmu fisika. Contoh yang sangat nyata yaitu mengenai elastisitas suatu benda. Kita selama ini mungkin kurang menyadari bahwa ternyata kayu memiliki modulus elastisitas. Modulus elastisitas kayu dapat dihitung melalui pemberian beban sebagai tegangan yang diberikan pada kayu dan mengamati penunjuk oleh garis rambut sebagai regangan. Elastis adalah kemamouan sebuah benda untuk kembali ke bentuk semula ketika gaya yang diberikan pada benda tersebut dihilangkan. Suatu benda dikatakan elastis apabila benda tersebut setelah di beri gaya dapat kembali ke bentuk semula. Setiap benda elastis memiliki batas elastis yang apabila sudah melampaui batas maka akan menyebabkan kerusakan pada benda tersebut. Jika sebuah gaya diberikan pada sebuah benda elastis, maka bentuk bentuk benda tersebut berubah. Hal ini berbeda dengan benda plastis, benda dikatakan plastis bila suatu benda di beri gaya (F) kemudian gaya tersebut berhenti bekerja maka bentuk benda tersebut tidak kembali lagi ke keadaan awal, dengan kata lain benda tersebutmengalami pertambahan panjang. Tegangan dibutuhkan untuk menghasilkan regangan tertentu pada keadaan bahan yang ditean. Perbandingan antara tegangan dan regangan, atau tegangan persatuan regangan disebut Modulus elastisitas bahan. πΈ=
π π
Keterangan : E : Modulus elastisitas (π/π2 ) π : Tegangan (π/π2 ) π : Regangan (%)
π=
πΉ π΄
Keterangan : π : Tegangan (π/π2 ) F : Gaya (N) A : Luas penmpang (π2 ) π=
βπ π1 β π0 = Γ 100% π0 π0
Keterangan : π : Regangan (%) π0 : Panjang awal benda (m) π1 : Panjang akhir benda (m) Batang R diletakkan di atas tumpuan benda T dan kait K dipasang ditengah β tengah. Pada K diberi beban β beban B yang di ubah β ubah besarnya. Pada K terdapat garis rambut G, di belakang G ditempatkan skala S dengan disampingnya. Bila B ditambah/dikurang, maka G akan turun atau naik kedudukan G dapat dibaca pada skala S. Untuk mengurangi kesalahan paralaks, maka pembacaan harus diusahakan supaya berimpit dengan bayangannya pada cermin. Pelenturan f (Pada penambahan beban ) π=
π΅πΏ3 π΅πΏ3 = 48 πΈ πΌ 4 πΈ π β3
Dimana : E : modulus elastisitas B : lebar batang H : tebal batang L : panjang dari tumpuan satu ke tumpuan lainnya I : momen inersia linier barang terhadap garis netral B : beban
4.3 Metodologi Praktikum 4.3.1 Skema Proses Pada Batang Kecil
Pada Batang Sedang
Pada batang Besar
Menyiapkan Alat dan Bahan
MENYIAPKAN ALAT DAN BAHAN
MENYIAPKAN ALAT DAN BAHAN
TATACARA PRAKTIKUM
TATACARA PRAKTIKUM
TATACARA PRAKTIKUM
ANALISA
ANALISA
ANALISA
KESIMPULAN
KESIMPULAN
KESIMPULAN
Gambar skema proses praktikum
4.3.2 Penjelasan Skema Praktikum 1. Pertama menyiapkan alat dan bahan 2. Setelah alat dan bahan terkumpul kemudian lakukan tatacara praktikum dibawah ini : 1. Siapkan 3 batang kayu (kecil , sedang, besar), satu set modulus elastisitas (jangka sorong, skala cermin, beban, kait dengan tumpuan, garis rambut dan meteran) dan 4 Kg beban tambahan. 2. Ukuran ke-3 batang tersebut dengan meteran dan jangka sorog untuk mencari panjang , lebar, dan tinggi atau tebalnya sebanyak 5 kali pengukuran sampai batas ketelitiannya tercapai. 3. Hitung panjang tumpuan yang diperlukan yang diperlukan untuk setiap batang kayu dengan ketentuan : Batang kayu 15% Batang kayu 10% Batang kecil 5%
4. Kemudian susun alat dan bahan pengujian elastisitas 5. Beri beban mulai dari 0 Kg hingga 4 Kg pada batang pertama yang telah diukur. 6. Amati dan lihat perubahan yang terjadi pada skala setelah dilakukan penambahan beban. 7. Catat hasil percobaan tersebut. 8. Lakukan hal yang sama untuk 2 batang kayu yang lainnya. 9. Lakukan perhitungan tegangan, regangan, modulus elastis, dan pelenturan setiap kau untuk setiap penambahan beban.
2. Setelah melakukan praktikum di dapat analisa yaitu pada percobaan yang dilakukan ternyata tingkat keelastisan batang kayu berbeda β beda. Hal ini karena luas penampangtiap batang berbeda β beda. Faktor yang mempengaruhi yaitu panjang, lebar, dan ketebalan batang tersebut. Semakin kecil luas permukaan suatu benda, maka nilai keelastisannya akan tinggi.
3. Dan pada akhirnya didapat kesimpulan yaitu : 1. Untuk menentukan nilai modulus yang menggunakan rumus πΈ =
π π
2. Hal-hal yang mempengaruhi nilai ketentuan suatu benda adalah beban tambahan, panjang benda, bebas benda, dan tebal tersebut. 3. Nilai kelenturan suatu benda berbanding terbalik dengan nilai modulus elastis tinggi maka nilai kelenturan suatu benda akan kecil.
4.3 Alat dan Bahan 4.4 .1 Alat 1.
Meja M
(1 buah)
2.
Tumpuan T
(1 buah)
3.
Kait dengan tumpuan K
(1 buah)
4.
Beban B
(8 buah)
5.
Skala dengan cermin S
(1 buah)
6.
Garis rambut G
(1 buah)
7.
Meteran panjang dan jangka sorong
(1 buah)
4.4.2 Bahan Batang R dengan ukuran berbeda yang akan diukur elastisitasnya yang terdiri dari : Batang ukuran kecil Batang ukuran sedang Batang ukuran besar 4.5 Pengumpulan dan Pengolahan Data 4.5.1 Pengumpulan Data Batang 1 Pengukuran : kecil Panjnag tumpuan , Lo = 0,94335 m 4.1 tabel data pengamatan batang 1
Daerah
Panjang
Lebar
Tebal
pengukuran
batang (m)
batang
(m)
batang Luas penampang (m)
(m) I
0,993 m
0,0101 m
0,01009 m
0,000101909 m
II
0,993 m
0,0101 m
0,01009 m
0,000101909 m
III
0,993 m
0,0109 m
0,0101 m
0,0001009 m
IV
0,993 m
0,0109 m
0,0101 m
0,0001009 m
V
0,993 m
0,0109 m
0,01005 m
0,000109545 m
Rata-rata
0,993 m
0,01058 m 0,010086 m
0,0001030308 m
4.2 Tabel data pengamatan batang 1
Jumlah beban
Kedudukan
(Kg)
G Pada
Pada
Rata β rata
penambahan pengurangan 0,0
0 mm
0 mm
0 mm
0,5
6 mm
5 mm
5,5 mm
1,0
12 mm
11 mm
11,5 mm
1,5
19 mm
17 mm
18 mm
2,0
25 mm
23 mm
24 mm
2,5
32 mm
36 mm
34 mm
3,0
38 mm
42 mm
40 mm
3,5
46 mm
48 mm
47 mm
4,0
52 mm
54 mm
53 mm
Batang 2 Pengukuran : sedang Panjang tumpuan, Lo = 0,9009 m 4.3 tabel data pengamatan batang 2
Daerah
Panjang
Lebar batang (m)
pengukuran
batang (m)
I
1,001 m
II
Tebal batang Luas
penampang
(m)
(m)
0,02007 m
0,00809 m
0,0001623663 m
1,001 m
0,02005 m
0,00807 m
0,0001618035 m
III
1,001 m
0,02005 m
0,00808 m
0,000162004 m
IV
1,001 m
0,02007 m
0,00808 m
0,0001621656 m
V
1,001 m
0,02005 m
0,00807 m
0,0001618035 m
Rata-rata
1,001 m
0,020058 m
0,008078 m
0,00016202858 m
4.4 Tabel data pengamatan batang 2
Jumlah
Kedudukan
beban (Kg)
G Pada
Pada
Rata β rata
penambahan pengurangan 0,0
0 mm
0 mm
0 mm
0,5
4 mm
4 mm
4 mm
1,0
8 mm
9 mm
8,5 mm
1,5
13 mm
12 mm
12,5 mm
2,0
18 mm
16 mm
17 mm
2,5
23 mm
21 mm
22 mm
3,0
27 mm
25 mm
26 mm
3,5
32 mm
30 mm
31 mm
4,0
37 mm
35 mm
36 mm
Batang 3 Pengukuran : besar Panjang tumpuan, Lo = 0,85119 m 4.6 tabel data pengamatan batang 3
Daerah
Panjang
Lebar
Tebal batang Luas penampang (m)
pengukuran
batang (m)
batang (m)
(m)
I
1,002 m
0,01609 m
0,01605 m
0,0002582445 m
II
1,001 m
0,0161 m
0,01606 m
0,000258566 m
III
1,001 m
0,01606 m
0,01606 m
0,0002579236 m
IV
1,002 m
0,0161 m
0,01606 m
0,00025866 m
V
1,001 m
0,0161 m
0,01606 m
0,00025866 m
Rata-rata
1,0014 m
0,01609 m
0,016058 m
0,00025841082 m
4.7 Tabel data pengamatan batang 3
Jumlah
Kedudukan
beban (Kg)
G Pada
Pada
Rata β rata
penambahan pengurangan 0,0
0 mm
0 mm
0 mm
0,5
1 mm
1 mm
1 mm
1,0
2 mm
2 mm
2 mm
1,5
3 mm
3 mm
3 mm
2,0
4 mm
4 mm
4 mm
2,5
5 mm
5 mm
5 mm
3,0
6 mm
9 mm
7,5 mm
3,5
7 mm
10 mm
8,5 mm
4,0
8 mm
11 mm
9,5 mm
4.5.2 Pengolahan Data (1) Pada batang kecil ο·
Panjang Tumpuan
Lo = πΜ
β (π₯ % πΜ
) Lo = 0,993 β (5 % 0,933) = 0,94
ο·
Luas Penampang
Μ
π΄Μ
= π΅Μ
. π» π΄1Μ
= 0,0109.0,0109 = 0,000101 π΄Μ
2 = 0,0109.0,0101 = 0,000101 π΄Μ
3 = 0,0109.0,0101 = 0,0001009 π΄Μ
4 = 0,0109.0,0101 = 0,0001009 π΄Μ
5 = 0,0109.0,01005 = 0,00109545
ο·
Regangan π=
π1 =
βπ π0 0 0,94
=0
π2 =
0,0055 0,94
= 0,00585
π3 =
0,0115 0,94
= 0,012 0,018 0,94
π4 =
= 0,012 0,024 0,94
π5 =
= 0,025 0,034 0,94
π6 =
= 0,036 0,04 0,94
π7 =
= 0,042 π8 =
0,047 0,94
= 0,045 π9 =
0,053 0,94
= 0,05
ο·
Tegangan π=
π1 =
πΉ π. π = π΄ π΄
0 . 9,81 =0 0,0001030308
π2 =
0,5 . 9,81 = 476 π/π2 0,0001030308
π3 =
1,0 . 9,81 = 952 π/π2 0,0001030308
ο·
π4 =
1,5 . 9,81 = 142 π/π2 0,0001030308
π5 =
2,0 . 9,81 = 1904 π/π2 0,0001030308
π6 =
2,5 . 9,81 = 2380 π/π2 0,0001030308
π7 =
3,0 . 9,81 = 2856 π/π2 0,0001030308
π8 =
3,5 . 9,81 = 3332 π/π2 0,0001030308
π9 =
4,0 . 9,81 = 3808 π/π2 0,0001030308
Modulus elastisitas β=
Ο e
0
β1 = 0 =0 β2 =
47607,12
β3 =
95214,25
β4 =
1428221,4
β5 =
190428,5
β6 =
238035,6
0,00585
0,012191
=8,13796 N/m2
=7810208 N/m2
0,019081
0,025441
0,036042
=7485006 N/m2
=7485103 N/m2
=6604395 N/m2
ο·
β7 =
285642,2
β8 =
333249,9
β9 =
380857
0,049822
0,049822
0,056183
=6736538 N/m2
=6688810 N/m2
=6778865 N/m2
Pelenturan π π0 3 π= 4 β π β3 4 . 905(0,94)3 π1 = 4 . 8,13796 . 0,01058 (0,010086)3
=
4,074 = 134,8 0,03
9,81(0,94)3 π2 = 4 . 7810208 . 0,01058 (0,010086)3
=
8,148 = 24,69 0,33
π3 =
=
12,22 = 38,1875 0,32
π4 =
=
14,715(0,94)3 4 . 7485006 . 0,01058 (0,010086)3
19,62(0,94)3 4 . 7485103 . 0,01058 (0,010086)3
16,29 = 50,90 0,32
25,525(0,94)3 π5 = 4 . 6604395 . 0,01058 (0,010086)3
=
20,37 = 72,75 0,28
29,43(0,94)3 π6 = 4 . 6736538 . 0,01058 (0,010086)3
=
24,24 = 84,27 0,29
π7 =
=
34,335(0,94)3 4 . 66888 . 0,01058 (0,010086)3
28,51 = 9831,03 0,0029
39,24(0,94)3 π8 = 4 . 6778865 . 0,01058 (0,010086)3
=
32,59 = 112,37 0,29
Grafik B vs f 120 100
f
80 60 40 20 0 0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
6
7
8
9
B
Chart Title 4000 3500 3000
π
2500 2000 1500 1000 500 0 1
2
3
4
5
e
(2) Pada batang sedang ο·
Panjang Tumpuan Lo = πΜ
β (π₯ % πΜ
) Lo = 1,001 β (10 % 0,933) = 0,9009
ο·
Luas Penampang Μ
π΄Μ
= π΅Μ
. π» π΄1Μ
= 0,02007 . 0,00809 = 0,0001623663 m
π΄Μ
2 = 0,02007 . 0,00807 = 0,0001618035 m π΄Μ
3 = 0,02005 . 0,00808 = 0,000162004 m
π΄Μ
4 = 0,02007 . 0,00808 = 0,0001621656 m π΄Μ
5 = 0,02007 . 0,00808 = 0,0001621656 m ο·
Regangan π=
βπ π0
π1 =
0 0,9009
=0
π2 =
0,004 0,9009
= 0,00444
π3 =
0,0085 0,9009
= 0,009435
π4 =
0,0125 0,9009
= 0,001387
π5 =
0,012 0,9009
= 0,001332
π6 =
0,022 0,9009
= 0,002442 π7 =
0,026 0,9009
= 0,02886
π8 =
0,031 0,9009
= 0,003441
π9 =
0,036 0,9009
= 0,003996
ο·
Tegangan π=
πΉ π. π = π΄ π΄
π1 =
0 . 9,81 =0 0,0001620
π2 =
0,5 . 9,81 = 30,27 π/π2 0,0001620
π3 =
1,0 . 9,81 = 60,55 π/π2 0,0001620
ο·
π4 =
1,5 . 9,81 = 91,04 π/ π2 0,0001620
π5 =
2,0 . 9,81 = 12,11 π/π2 0,0001620
π6 =
2,5 . 9,81 = 15,13 π/π2 0,0001620
π7 =
3,0 . 9,81 = 181,6 π/π2 0,0001620
π8 =
3,5 . 9,81 = 211,9 π/π2 0,0001620
π9 =
4,0 . 9,81 = 242,2 π/π2 0,0001620
Modulus elastisitas β=
Ο e
0
β1 = 0 =0 30,27
β2 =
0,04444
β3 =
0,09435
β4 =
0,01387
β5 =
0,0133
β6 =
60,55
91,04
12,4
15,13 0,024
=6817,56 N/m2
=6441,48 N/m2
=70030,76 N/m2
=9315,38 N/m2
=6304,1 N/m2
ο·
181,6
β7 =
0,05772
β8 =
0,034
β9 =
0,03996
24,9
=31859,64 N/m2
=62323,52 N/m2
242,2
=62102,56 N/m2
Pelenturan π π0 3 π= 4 β π β3
π1 =
=
4 . 905(0,9009)3 4 . 6817,56 . 0,20 (0,0080)3
3,586 = 1328,1 0,0027
9.81(0,9009)3 π2 = 4 . 6441,48 . 0,20 (0,0080)3
=
7,172 = 2758 0,0026
14,75(0,9009)3 π3 = 4 . 70030,76 . 0,20 (0,0080)3
=
10,78 = 539 0,02
19,62(0,9009)3 π4 = 4 . 9315,38 . 0,20 (0,0080)3
=
14,34 = 3773 0,0038
π5 =
=
24,52(0,9009)3 4 . 6304,1 . 0,20 (0,0080)3
17,92 = 7168 0,0025
29,43(0,9009)3 π6 = 4 . 31859,64 . 0,20 (0,0080)3
=
21,51 = 2151 0,01
34,33(0,9009)3 π7 = 4 . 62323,52 . 0,20 (0,0080)3
=
25,09 = 1254 0,02
39,24(0,9009)3 π8 = 4 . 62102,56 . 0,20 (0,0080)3
=
28,68 = 1434 0,02
Grafik B vs f 10000 8000 6000 4000 2000 0 1
2
3
4
5
Series1
Gambar 4.3 Grafik B vs F
6 Series2
7
8
9
Grafik π vs e 10000 5000 0 1
2
3
4
5
Series1
6
7
Series2
Gambar 4.4 Grafik π vs e
(3) Pada batang besar ο·
Panjang tumpuan πΏπ = π β ( π%π) 1,0014 β (0,15 π₯ 1,0014) = 0,85 π΄1 = 0,01609 π₯ 0,01605 = 0,000258 ο 2,58 π₯ 10β4 π΄2 = 0,0161 π₯ 0,01606 = 0,000256 ο 2,56 π₯ 10β4 π΄3 = 0,0161 π₯ 0,01606 = 0,000257 ο 2,57π₯ 10β4 π΄4 = 0,0161 π₯ 0,01606 = 0,000258 ο 2,58π₯ 10β4 π΄5 = 0,0161 π₯ 0,01606 = 0,000257 ο 2,57π₯ 10β4
ο·
Regangan π= π1 =
βπ π0 1 π₯ 10β3 = 1,17 π₯ 10β3 = 1,17% 0,851
2 π₯ 10β3 π2 = = 2,35 π₯ 10β3 = 2,35% 0,851 π3 =
3 π₯ 10β3 = 3,52 π₯ 10β3 = 3,52% 0,851
8
9
4 π₯ 10β3 π4 = = 4,70 π₯ 10β3 = 4,70% 0,851 π5 =
5 π₯ 10β3 = 5,87π₯ 10β3 = 5,87% 0,851
π6 =
7,5 π₯ 10β3 = 8,81 π₯ 10β3 = 8,81% 0,851
8,5 π₯ 10β3 π7 = = 9,98 π₯ 10β3 = 9,98% 0,851 π8 =
ο·
9,5 π₯ 10β3 = 0,01 π₯ 10β3 = 1% 0,851
Tegangan π=
πΉ π΄
π1 =
0,5 π₯ 9,81 = 18,89 π/π2 25,84 π₯ 10β4
π2 =
1,0 π₯ 9,81 = 3795 π/π2 β4 25,84 π₯ 10
π3 =
1,5 π₯ 9,81 = 5694 π/π2 25,84 π₯ 10β4
π4 =
2,0 π₯ 9,81 = 7592 π/π2 25,84 π₯ 10β4
π5 =
2,5 π₯ 9,81 = 9491 π/π2 25,84 π₯ 10β4
π6 =
3,0 π₯ 9,81 = 11,38 π/π2 25,84 π₯ 10β4
π7 =
3,5 π₯ 9,81 = 13,28 π/π2 25,84 π₯ 10β4
π8 =
ο·
ο·
4,0 π₯ 9,81 = 15,18 π/π2 β4 25,84 π₯ 10
Modulus elastisitas Ο β= e
β=
1898 =16222 N/m2 0,00117
β=
3799 =1616595 N/m2 0,00235
β=
5694 =1617613 N/m2 0,00352
β=
7592 =16153191 N/m2 0,00470
β=
9491 =1616865 N/m2 0,00587
β=
438 =129171 N/m2 0,00881
β=
1328 =133066 N/m2 0,00998
β=
1518 =151800 N/m2 0,01
Pelenturan π π0 3 π= 4 β π β3
4,905. (0,85)3 3,012 π= = = 66,93 3 4.162222.0,0164. (0,016050) 0,045 9,81. (0,85)3 6,024 π= = = 13,35 4.1616595.0,0169. (0,016050)3 0,451
π=
14,71. (0,85)3 9,033 = = 19,98 3 4.1617613.0,0169. (0,016050) 0,452
π=
19,62. (0,85)3 12,04 = = 54,30 3 4.16153191.0,0169. (0,016050) 4,5
24,575. (0,85)3 15,06 π= = = 33,46 3 4.1616865.0,0169. (0,016050) 0,45 29,43. (0,85)3 18,07 π= = = 602,3 4.129171.0,0169. (0,016050)3 0,03
π=
34,335. (0,85)3 21,08 = = 702,6 3 4.133066.0,0169. (0,016050) 0,07
π=
39,24. (0,85)3 24,09 = = 602,2 3 4.151800.0,0164. (0,016050) 0,04
B vs f 800 700 600 500
400 300 200 100 0 0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
6
7
8
9
π vs e 10000 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 1
2
3
4
5
4.6 Analisa Dapat dianalisa bahwa setelah dilakukannya praktikum di dapat bahwa setiap tingkat keelastisan batang kayu berbeda β beda. Hal ini terjadi karena luas penampang setiap batang berbeda β beda. Faktor yang mempengaruhi keelastisitasan suatu benda adalah panjang, lebar, dan ketebalan dari batang tersebut. Semakin kecil luas permukaan suatu benda, maka nilai keelastisannya pun akan semakin tinggi.
4.7 Kesimpulan 1. Untuk menentukan nilai modulus elastisitas berbagai kayu dengan pelenturan, dapat ditentukan dengan menggunakan rumus β =
π π
2. Dapat diidentifikasi bahwa hal-hal yang mempengaruhi nilai pelenturan suatu benda adalah dari beban tambahan, panjang benda, lebar benda dan tebal benda tersebut. 3. Dapat diketahui bahwa hubungan modulus elastisitas dengan kekakuan atau kelenturan suatu bahan adalah jika semakin elastis suatu bahan, maka semakin tinggi kekuatan elastisitas dan nilainya. Jika semakin tidak elastis bahan tersebut, maka semakin rendah kekuatan elastisitas dan nilainya.