KURIKULUM 2013 FISIKA ELASTISITAS BUKU SISWA.pdf

1

Fisika SMA X Elastisitas dan Hukum Hooke

A. ELASTISITAS

Pada kenyataannya setiap benda akan mengalami perubahan

bentuk ketika diberi gaya. Ada benda yang perubahan

bentuknya dapat dilihat secara langsung, misalnya sebuah

karet yang ditarik, ada juga bahan yang perubahan bentuknya

tidak dapat dilihat secara langsung, misalnya bila anda

menarik kawat beton. Perubahan panjang kawat tidak dapat

terlihat, tetapi jika dipasang suatu alat ukur yang sangat peka

terhadap perubahan panjang maka perubahan panjang kawat

beton akan dapat diamati. Kelakuan suatu bahan terhadap

pembebanan atau penarikan merupakan salah satu sifat

mekanik yang dimiliki bahan tersebut.

Bila gaya yang diterapkan terhadap suatu bahan dihilangkan,

bahan tersebut dapat kembali ke bentuk semula, contohnya

adalah pegas dan karet. Ada pula bahan yang mengalami

perubahan bentuk permanen bila diterapkan gaya pada bahan

tersebut, contohnya tanah liat dan lilin. Untuk membedakan

karakteristik kedua jenis bahan ini, maka didefinisikan suatu

sifat bahan yang disebut elastisitas. Jadi elastisitas merupakan

salah satu sifat mekanik bahan yang dapat menunjukkan

kekuatan, ketahanan dan kekakuan bahan tersebut terhadap

gaya luar yang diterapkan pada bahan tersebut.

Sifat Elastisitas Benda Padat

Beberapa benda, seperti tanah liat (lempung), adonan

tepung kue dan lilin mainan (plastisin) tidak segera kembali ke

bentuk semula setelah gaya luarnya dihilangkan. Benddabenda

seperti itu disebut benda tak elastis atau benda plastis. Semua

bendda padat agak elastis, walaupun tampaknya tak elastis.

Pemberian gaya tekan (pemampatan) dan gaya tarik

(penarikan) bisa mengupah bentuk suatu benda tegar.

Temukan minimal 5 benda yang

termasuk bahan elastis dan 5 benda

yang termasuk bahan tak elastis di

lingkungan sekitar Anda

Gambar 1.1. Suatu benda akan mengalami

perubahan bentuk jika diberi gaya

Ayo Belajar

Gambar 1.2 Peredam kejut shock

absosorber (sumber: google, 2012)

(Ganeca Exact, Efrizon Umar)

2


a. Tegangan (stress)

Tegangan atau stress pada benda, misalnya kawat

besi, didefinisikan sebagai gaya persatuan luas

penampang benda tersebut. Tegangan diberi simbol

(dibaca sigma).Secara matematis dapat ditulis sebagai berikut.

Tegangan =

Keterangan:

F : besar gaya tekan/tarik (N)

A : luas penampang (m2)

: tegangan (N/m2)

b. Regangan atau strain

Regangan atau strain didefinisikan sebagai

perbandingan antara penambahan panjang benda () terhadap panjang mula-mula (lo).Regangan dirumuskan

sebagai berikut.

F

l

lo

A

Gambar 1.2 seutas kawat dengan luas

penampang A ditarik

dengan gaya F

Jika suatu benda tegar di ubah bentuknya (di deformasi) sedikit, benda segera

kembali ke bentuk semula ketika gaya tekan atau gaya tariknya dihilangkan. Jika benda

tegar di ubah bentuknya melampaui batas elastisitasnya, benda tidak akan kembali ke

bentuk awalnya ketika gaya ditiadakan, melainkan akan berubah bentuk secara permanen.

Bahkan, jika ada perubahan bentunya jauh belebihi batas elastisitasnya, benda akan patah

Sebagai contoh, sebuah mobil yang menabrak pohon pada kelajuan rendah mungkin

tidak rusak, tetapi pada kelajuan yang lebih tinggi, mobil bisa mengalami kerusakan

permanen dan pengemudinya mungkin bisa patah tulang. Pada subbab ini, kita akan

membahas besaran-besaran yang berkaitan dengan elastisitas zat padat, yaitu tegangan

(stress), regangan (strain), dan modulus elastisitas.

=

Berlogika dan

Berimajinasi

Apakah peregangan yang

dilakukan seseorang akan

mengakibatkan perubahan

panjang tubuhnya? jelaskan

(Sumber: google, 2012)

=

3


Zat Modulus Elastis

E (N/m2)

Besi

Baja

Perunggu

Aluminium

Beton

Batubara

Marmer

Granit

100 x 109

200 x 109

100 x 109

70 x 109

20 x 109

14 x 109

20 x 109

45 x 109

(Sumber: College Physics, Serway R.A. Faughn J.S

=

Keterangan:

: pertambahan panjang (m) : panjang mula-mula (m)

: regangan strain (tanpa satuan)

c. Modulus Elastisitas

Perbandinganantaratekanan (stress) dengan

regangan (strain) yang diakibatkan adalah konstan.

Konstanta ini disebut mmodulus elastis. Dengan

demikian, modulus elastis suatu bahan didefinisikan

sebagai perbandingan antara tegangan dan regangan

yang dialami bahan.

Secara matematis di tuliskan:

Gambar 1.4. Thomas Young (1773-

1829), fisikawan yang memiliki daftar

panjang prestasi karena perjalanan.

Termasuk memperkenalkan modulus

elastis.Ia paling dikenal karena

kerjanya dibidang optik.

(sumber: EN. WIKIPEDIA.ORG)

=

Satuan SI untuk tegangan adalah atau Pa, sedangkan regangan e tidak memiliki satuan. Maka satuan E adalah:

= ! " = atau Pa

Modulus elastisitas hanya bergantung pada jenis zat, tidak pada ukuran atau pada

bentuknya.

Tabel 1.1 Modulus elastisitas berbagai zat

Ilmuan Kita

4


# = $% = . .

( = ))* =

( =

, = #( =

Sebuah kawat yang terbuat dari aluminuim dengan panjang 60 cm dan luas penampang 4 mm2

ditarik dengan gaya 6 N. Bila kawat pengalami pertambahan panjang 0,3 mm, tentukan :

a. Tegangan kawat

b. Regangan

c. Modulus elastisitas bahan

Jawab:

Dik: L0= 60 cm= 0,6 m

A= 4 mm2= 4x10

-6 m

20

F=6 N

L= 0,3 mm= 0,3x10-3 m Dit:

a. Tegangan kawat

# = .. b. Regangan kawat

c. Modulus elastis

Contoh Soal Tegangan, Regangan dan Modulus Elastisitas

Elastisitas tulang

Tulang adalah salah satu contoh bahan yang mudah patah. Kekuatan tulang

bisa patah secara tiba-tiba jika tegangan yang bekerja padanya terlalu besar.

Secara umum, batas elastisitas, titik patah, dan tegangan maksimum zat padat

ketika diberi tegangan tarik atau tegangan mampatan kira-kira sama.

Seperti tulang, beton bertulang mengandung suatu senyawa untuk

memperkuat kekuatan tarik dan senyawa lainnya untuk memperkuat kekuatan

tekan. Beton bertulang memiliki batang-batang baja yang memberi kekuatan

tarik yang tidak dimiliki oleh beton

Aplikasi Fisika

(Erlangga, Martin Kanginan)

5


Untuk semua pegas berlaku

Persamaan diatas jika dinyatakan dengan kalimat sebagai berikut:

= - . .

Pegasdigunakansebagaiperedamkejutanpadakendaraanseped

a motor.

Istilahkerennyapegasdigunakanpadasistemsuspensikendaraan

bermotor.Tujuanadanyapegasiniadalahuntukmeredamkejuta

nketikasepeda motor yang

dikendaraimelewatipermukaanjalan yang tidakrata.

Ketikasepeda motor melewatijalanberlubang, gayaberat

yang bekerjapadapengendara (dangayaberat motor)

akanmenekanpegassehinggapegasmengalamimampatan.

Akibatsifatelastisitas yang dimilikinya,

pegasmeregangkembalisetelahtermapatkan.

Perubahanpanjangpegasinimenyebabkanpengendaramerasak

anayunan.

Dalam kondisi ini, pengendara merasa sangat nyaman ketika sedang mengendarai sepeda motor.

Pegas yang digunakan pada sepeda motor atau kendaraan lainnya telah dirancang untuk mampu

menahan gaya berat sampai batas tertentu. Jika gaya berat yang menekan pegas melewati batas

elastisitasnya, maka lama kelamaan sifat elastisitas pegas akan hilang.

Pada pembahasan ini, perhatian utama kita adalah benda yang berbentuk spiral yang terbuat dari

logam yang disebut pegas. Untuk mengetahui hubungan kuantitatif antara gaya yang dikerjakan pada

pegas dengan pertambahan panjang pegas, Lakukanlah percobaan pada LKPD 03 yang berjudul

Menyelidiki hubungan antara gaya dengan pertambahan panjang pegas.

Setelah melakukan percobaan, kalian akan mendapatkan sebuah grafik gaya titik F terhadap

pertambahan panjang . akan berbentuk garis lurus melalui titik asal 0. Persamaan garis yang sesuai adalah - = /0 , dimana k adalah gradien garis. Hasil yang sama akan anda peroleh untuk pegas pegas yang lain, hanya gradiennya yang berbeda. Untuk pegas yang lebih besar, tetapan k yang

spesifik untuk tiap pegas ini disebut tatapan gaya.

Gambar 1.5.Robert Hooke, lahir 18

Juli 1635 di Isle, Inggris dan meninggal

3 Maret 1703 di London, Inggris.

Dalam percobaan yang dimulainya

tahun 1658, Hooke telah menemukan

dua hal penting yaitu pegas spiral

(sumber: google, 2012)

Ilmuan Kita B. HUKUM HOOKE

6


Pernyataan tersebut pertama kali dikemukakan oleh Robert Hooke, seorang arsitek

yang ditugaskan untuk membangun kembali gedung-gedung di London yang mengalami

kebakaran pada tahun 1666. Oleh karena itu, pernyataan tersebut dikenal sebagai Hukum

Hooke. Dari hasil analisis grafik yang telah kalian lakukan, diperoleh satuan k berdasarkan SI

yaitu . (martin kanginan)

Jika gaya tarik tidak melampaui batas elastisitas (titik deformasi) pegas,

pertambahan panjang pegas berbanding lurus (sebanding dengan gaya tariknya.

12 = 3 45 = 312*675

$ = 81 $2

12 =$7

17

29 :312*675 =

7* :17

17 = 2*12*675 = *, 2 5

Sebuah pegas memenuhi Hukum Hooke. Bila gaya sebesar 16 N yang diberikan

menyebabkan pertambahan panjang 8 cm. Tentukan pertambahan panjang bila

diberi gaya 20 N!

Jawab:

Dik: F1=16 N F2= 20 N

Dit: 17 = ? Penye:

Contoh Soal Hukum Hooke

7


Di SMP, kalian telahmempelajaribahwabeberapabuah resistor

dapatdisusunseridanparalel, ataugabungankeduanya. Susunan resistor

inidapatkitagantidengansebuah resistor yang disebutdenganresisitorpengganti.Miripdenganini,

beberapabuahpegas pundapatdisusunseri, paralelataupungabungandarikeduanya. Dan

susunanpegasini pun dapatkitagantidengansebuahpegaspengganti.

a. Susunan Seri Pegas

Prinsipsusunanbeberapabuahpegasadalahsebagaiberikut

Gambar :duabuahpegasmasing-masingdengantetapangaya k1 dan k2 yang

disusunsecaraseri (kiri) dapatdigantidengansebuahpegas yang memilikigayaks, yang

memenuhi=

> = =

?= + =

? atau ks = >=>

>@A>B

1) Gaya tarik yang dialamitiappegasadalahsamabesardangayatarikinisamadengangayatarik

yang dialamipegaspengganti

Misalkan, gayatarik yang dialamitiappegasadalah F1dan F2,

makagayatarikpadapegaspenggantiadalah F.

F1=F2=F .(1-4)

C. HUKUM HOOKE UNTUK SUSUNAN

PEGAS SERI DAN PARALEL

m

m

Ks

8


2) Pertambahanpanjangpegaspenggantiseri.sama dengan total pertambahan panjang tiap-tiap pegas.

. = .= + ....(1-5) Denganmenggunakanhukum hooked ankeduaprinsipsusunanseri,

kitadapatmenentukanhubunganantaratetapanpegaspenggantiserikseridengantetapantiap-

tiappegas (k1dan k2). Mari kitagunakanHk=ukum Hooke untukpegas.

= -"DE. . = -

= = -=.= .= =

-=

= -.

= -.

. =

-

Denganmemasukkannilai., .=, dan . di atas ke dalam persamaan (1-5), kita peroleh

. = .= + .

- =

-= +

-

=>F =

=>@ +

=>B (bagi persamaan dengan F)

= =>@ + =

>B + =

>G + (1-6)

8H = 8I (2 L)

Dapatkitanyatakanbahwakebalikantetapanpegaspenggantiserisamadengan total

darikebalikantiap-tiaptetapanpegas.

1- = O

1-E

EP=

Untuknbuahpegas identic

dengantiappegasmemilihtetapank,tetapanpegaspenggantiseriksdapatdihitungdenganrumus.

9


k= =>@ + =

>B + =

>G + (1-6) Untuknbuahpegas identic

dengantiappegasmemilihtetapank,tetapanpegaspenggantiseriksdapatdihitungdenganrumus.

8H = 8I (2 L)

Khususuntukduapegasdengantetapank1dank2 yang disusunseri,

tetapanpegaspenggantiseriksdapatdihitungdenganrumus.

8H = 8QRS

TU5RQV = 82. 87

82 + 87 (2 3) Jikaandabandingkanantarasusunanpegasdansusunan resistor, tampakbahwarumus-

rumusuntukpegasserimiripdenganrumus-rumusuntukresistor paralel.

b. SusunanParalelPegas

Prinsipsusunanparalelbeberapabuahpegasadalahsebagaiberikut (lihatgambar 5.12).

1. Gaya tarikpegaspengganti F samadengan total gayatarikpadatiappegas (F1 dan F2).

$ = $2 + $7 (2 W) 2. Pertambahanpanjangtiappegassamabesardanpertambahanpanjanginisamadenganpertamb

ahanpanjangpegaspengganti.

12 = 17 = 1 (2 2*

Gambar: duabuahpegasmasing-masingdengantetapangaya k1dan k2 yang

disusunparalel (kiri) dapatdigantidengansebuahpegas yang memilikitetapangayakp

yang memenuhikp = k1 + k2.

m

k2 k1

m

kp

10


Untuknbuahpegas identic yang disusunparalel,

dengantiappegasmemilikitetapantetapangayak,tetapangayapegaspenggantiparalelkpdapatdihitun

gdenganrumus

8X = I8 (2 22)

jikaandabandingkangantarasusunanpegasdansusunan resistor tampakbahwarumus-

rumusuntukpegasparalelmiripdenganrumus-rumusresistor seri.

m

Kp

28H =

28X2 +

28X7

28H =

2Y8 +

278

28H =

Z98

8H = 2, 7 8

CONTOH SOAL

1. Tentukan konstanta pegas pengganti untuk susunan pegas berikut jika k identik untuk

semua pegas!

Jawaban:

Untuk susunan paralel :

Kp1=k1+k2+k3

= 3k

Kp2= k4+k5 = 2k

Untuk susunan seri

2. 3 buahpegasidentikdengannilai k sebesar30 N/m2dirangkaiseridanparalel, k1dan k2

dirangkaiparalelkemudiandiserikandengan k3 jika di ujungpegas

k3digantungkanbebansebesar 5 N, tentukannilaipertambahanpegasnya!

Jawaban :

Untuksusunanparalel

Kp= k1+k2= 30 + 30 = 60 N/m

Untuksusunanseri maka : F = ks . x 2

8H =2

8X2 +2

8Y 5 N = 20 N/m.x 2

8H =2

9* +2

Y* x = 0,25 m Ks= 20 N/m

2 x = 25 cm

(Erlangga, Martin Kanginan)

11


A. Kemudi mobil

Pegasbukanhanyadigunakanpadasistemsuspensisepeda motor

tetapijugapadakendaraanlainnya, sepertimobil, keretaapi, dkk. (gambarkiri per

mobil)

Padamobil, terdapatjugapegaspadasetirkemudi

.Untukmenghindaribenturanantarapengemudidengangagangsetir,

makapadakolomsetirdiberipegas.Berdasarkanhukum I Newton (HukumInersia),

ketikatabrakanterjadi, pengemudi(danpenumpang)cenderunguntukterusbergeraklurus.

Nah, ketikapengemudibergerakmaju,

kolomsetirtertekansehinggapegasmemendekdanbergeser miring. Dengandemikian,

benturanantara dada pengemudidansetirdapatdihindari.

B. KaretKetapel

Ketikahendakmenembakburungdenganketapelmisalnya,

karetketapelterlebihdahuludiregangkan (diberigayatarik). Akibatsifatelastisitasnya,

panjangkaretketapelakankembalisepertisemulasetelahgayatarikdihilangkan.

C. KasurPegas

Ketikadirimududukatautidur di ataskasurpegas, gayaberatmumenekankasur.

Karenamendapattekananmakapegaskasurtermampatkan.Akibatsifatelastisitasnya,

kasurpegasmeregangkembali.Pegasakanmeregangdantermampat, demikianseterusnya.

Akibatadanyagayagesekanmakasuatusaatpegasberhentibergerak. Dirimu yang berada

di ataskasurmerasasangatempukakibatregangandanmampatan yang

dialamiolehpegaskasur.

D. Dinamometer

Di

dalamdinamometerterdapatpegas.Pegastersebutakanmeregangketikadikenaigayaluar.

Misalnyaandamelakukanpercobaanmengukurbesargayagesekan. Ujung

pegasandakaitkandengansebuahbendabermassa.Ketikabendaditarik,

makapegasmeregang.Reganganpegastersebutmenunjukkanukurangaya, di

manabesargayaditunjukkanolehjarumpadaskala yang terdapatpadasampingpegas.

E. TiangdanBalokpenyanggahpadapintu

D. PENERAPAN SIFAT ELASTISITAS DAN HUKUM HOOKE DALAM KESEHARIAN

12


Batudanbatasangatkuatterhadaptekanan.

Tetapijikabatudanbatamengalamitegangantarikdantegangangeser,

batudanbatamudahpatah.Olehkarenaitudigunakanbalokuntukmengatasimasalahini.Balo

kmampumengatasitegangantarik,

tegangantekandantegangangeser.Sebenarnyaterdapatperubahanbentukbalok,

hanyaperubahannyasangatkecilsehinggatidaktampakketikadilihatdarijauh.Bagianatasbalo

kmengalamimampatanakibatadanyategangantekan yang disebabkanbeban di atasnya

(batudanbatadkk),

sedangkanbagianbawahbalokmengalamipertambahanpanjang(akibattegangantarik).Tega

ngangeserterjadi di dalambalok.

Kanginan, Marthen. 2013. Fisika untuk SMA/ MA kelas X. Jakarta, Erlangga.

Umar, Erizon.2004. Fisika dan Kecapakapan Hidup Kelas 2 SMA. Jakarta, Ganeca Exact

Anonim. 2012. http//gambarpegas.com. Diunduh tanggal 11 Maret 2014 di Makassar

Anonim. 2012. http//gambarsubrekermotor.com. Diunduh tanggal 11 Maret 2014 di Makassar

Anonim. 2012. http//gambar subreker motor.com. Diunduh tanggal 11 Maret 2014 di Makassar

Anonim. 2012. http//gambar Robert Hooke.com. Diunduh tanggal 11 Maret 2014

di Makassar

wikipedia. 2012. http//gambar Thomas Young.com. Diunduh tanggal 11 Maret 2014

di Makassar

www.gurumuda.blogspot.com. Diunduhtanggal 11 Maret 2014

DAFTAR PUSTAKA

www.gurumuda.blogspot.com

Documents

KURIKULUM 2013 FISIKA ELASTISITAS BUKU SISWA.pdf