"Aplikasi Ilmu Fisika Mekanika Fluida Dibidang Teknik Mesin"

Pengngertian teknik mesin atau mekanik

Teknik mekanik adalah ilmu teknik mengenai aplikasi dari prinsip fisika untuk analisis, desain, manufaktur dan pemeliharaan sebuah sistem mekanik. Ilmu ini membutuhkan pengertian mendalam atas konsep utama dari cabang ilmu mekanika, kinematika, teknik material,termodinamika dan energi.

Mekanika adalah bidang ilmu yang mempelajari gaya dan efeknya pada suatu benda.
Intinya penerapan konsep fisika dalam mekanika ini lebih dititik beratkan pada ranah gerak.

Mesin memang dipandang sebagai alat yang dibuat untuk sebuah gerak, berupa gerak sebuah kendaraan, kerja mesin pabrik, dan semacamnya. Sudah banyak sekali aplikasi mekanika yang sering kita jumpai dalam kehidupan sehari-hari.

Para insinyur teknik mesin menggunakan ilmu mekanika pada tahap mendesain atau menganalisis. Misalnya, jika proyeknya adalah desain dari sebuah kendaraan, maka ilmu statis dapat dipakai untuk mendesain bodi kendaraan, untuk mengukur seberapa maksimum tegangan yang dapat diberikan. Ilmu dinamis dapat digunakan untuk mendesain mesin mobil, melihat gaya yang bekerja pada piston dan cam sebagai siklus sebuah mesin. Mekanika material dapat digunakan untuk memilih bahan apa yang cocok untuk bodi mobil sekaligus mesinnya.

Penerapan Konsep Fisika (Fluida) dalam Teknik Mesin

Konsep mekanika fluida adalah konsep yang membahas gerak (aliran) zat cair dan gas. Salah satu aplikasinya adalah dalam Hukum Bernoulli. Hukum Bernoulli intinya menjelaskan tentang konsep dasar aliran fluida bahwa peningkatan aliran kecepatan pada fluida akan menurunkan penurunan tekanan pada fluida tersebut. Artinya di sini ada perubahan energy potensial. Aplikasi daru Hukum Bernoulli ini diantaranya adalah pada :

1. Penerapan Gaya angkat pada pesawat terbang untuk mendapatkan ukuran presisi yang tepat.

2. Penggunaan Mesin Karburator yang berfungsi untuk mengalirkan bahan bakar dan mencapurnya

dengan aliran udara yang masuk.

3. Dongkrak hidrolik merupakan salah satu aplikasi sederhana dari Hukum Pascal.

Dongkrak hidrolik merupakan salah satu aplikasi sederhana dari Hukum Pascal. Berikut ini prinsip kerja dongkrak hidrolik. Saat pengisap kecil diberi gaya tekan, gaya tersebut akan diteruskan oleh fluida (minyak) yang terdapat di dalam pompa. Akibatnya, minyak dalam dongkrak akan menghasilkan gaya angkat pada pengisap besar dan dapat mengangkat beban di atasnya.

Gambar1. Dongkrak Hidrolik

Prinsip kerja dongkrak hidrolik adalah dengan memanfaatkan hukum Pascal, “Tekanan yang diberikan pada suatu fluida dalam ruang tertutup akan diteruskan ke segala arah sama rata”. Dongkrak hidrolik terdiri dari dua tabung yang berhubungan yang memiliki diameter yang berbeda ukurannya. Masing- masig ditutup dan diisi cairan seperti pelumas (oli dkk). Apabila tabung yang permukaannya kecil ditekan ke bawah, maka setiap bagian cairan juga ikut tertekan. Besarnya tekanan yang diberikan oleh tabung yang permukaannya kecil diteruskan ke seluruh bagian cairan. Akibatnya, cairan menekan pipa yang luas permukaannya lebih besar hingga pipa terdorong ke atas .

Luas permukaan pipa yang ditekan kecil, sehingga gaya yang diperlukan untuk menekan cairan juga kecil. Tapi karena tekanan (Tekanan= gaya / satuan luas) diteruskan seluruh bagian cairan, maka gaya yang kecil tadi berubah menjadi sangat besar ketika cairan menekan ke pipa yang luas permukaannya besar.

Gambar 2. Mesin hidrolik pengangkat Mobil

P1 adalah tekanan pada tabung kecil, dan P2 adalah tekanan pada tabung besar.

Dengan mengetahui gaya berat mobil maka dapat dihitung gaya minimal yang diberikan pada pompa hidrolik untuk mengangkat mobil tersebut. Semakin besar gaya berat mobil yang diangkat maka semakin besar luas permukaan keluaran (A2) dari dongkrak hidrolik. Minimal gaya keluaran (F2) yang dihasilkan oleh dongkrak hidrolik harus lebih besar/ samadengan gaya berat benda yang diangkat.

Mekanika adalah bidang ilmu yang mempelajari gaya dan efeknya pada suatu benda. Secara khusus, mekanika digunakan untuk menganalisis dan memprediksi akselerasi dan deformasi (keduanya elastis dan plastis) dari suatu benda. Subdisiplin dari ilmu mekanika diantaranya:

Statis, ilmu yang mempelajari benda diam, bagaimana suatu gaya mempengaruhi benda diam.
Dinamis (atau kinetis), ilmu yang mempelajari pengaruh gaya terhadap benda bergerak.
Mekanika material, ilmu yang mempelajari bagaimana material yang berbeda berubah bentuk terhadap berbagai macam tipe tekanan/tegangan.
Mekanika fluida, ilmu yang mempelajari bagaimana fluida bereaksi terhadap gaya^[2]
Mekanika continuum, sebuah metode aplikasi mekanika yang mengasumsikan kalau suatu objek adalah berkesinambungan/terus menerus.

Para insinyur teknik mesin menggunakan ilmu mekanika pada tahap mendesain atau menganalisis. Misalnya, jika proyeknya adalah desain dari sebuah kendaraan, maka ilmu statis dapat dipakai untuk mendesain bodi kendaraan, untuk mengukur seberapa maksimum tegangan yang dapat diberikan. Ilmu dinamis dapat digunakan untuk mendesain mesin mobil, melihat gaya yang bekerja pada piston dan cam sebagai siklus sebuah mesin. Mekanika material dapat digunakan untuk memilih bahan apa yang cocok untuk bodi mobil sekaligus mesinnya. Mekanika fluida dapat digunakan untuk mendesain sistem ventilasi kendaraan (lihat HVAC), atau juga bisa untuk mendesain sistem masukan (intake) pada mesin.

Sumber Kami :

http://id.wikipedia.org/wiki/Teknik_mesin

http://ramliyana-fisika.blogspot.com/2013/04/penerapan-konsep-fisika-dalam-berbagai.html

"Uji Tarik Material/Tensile Strenght"

Pengertian Uji Tarik

Uji tarik adalah uji yang dilakukan pada suatu material dengan cara menerapkan beban tarik pada material tersebut. Dengan pemberian beban tarik tersebut kita dapat mengevaluasi kelakuan material, sehingga akan diperoleh sifat-sifat mekanik dari material tersebut, antara lain :

Kekuatan Luluh = yield strength (σy)

Gambar diatas mengunakan metode offset untuk menentukan kekuatan luluh suatau material.Yield strength digunakan untuk menentukan batas antara deformasi elasatis dengan deformasi plastis. Yield strength dalam aplikasinya biasa digunakan untuk menentukan beban maksimal yang diberikan pada material sebelum mengalami deformasi plastis.

Kekuatan Tarik = tensile strength (σu),

(UTS : Ultimate TS) Ultimate tensile strength merupakan beban maksimum yang diberikan pada sebuah material sebelum mengalami nacking. Pada aplikasinya UTS digunakan dalam menentukan seberapa besar beban mampu diteriama oleh suatu material.

Keuletan = elongation(e_f)

Elongation merupakan perpanjangan dari sebuah material ketika diuji tarik samapai patah. Hal ini berguna dalam merancang sebuah alat sepeti tali pada jembatan dalam hal seberapa panjang tali tersebut mengalamai perpanjangan sampai patah ketika diberi beban uniaksial. Elongation berguna dalam menentukan apakah suatu material itu ulet apa getas, hal tersebut bias dilihat dari nilai elongationnya. Jika nilai elongationnya besar material tersebut bersifat ulet apabila nilai elongationnya kecil maka material tersebut dikatakan getas.

Reduksi Penampang = reduction of area(q)

Reduction of area merupakan pengecilan penampang ketika mengalami fracture. Hal ini berguna dalam menentukan seberapa besar suatu material yang mengalami beban uniaksial akan mengalami pengecilan luas penampang.

Kekakuan = stiffness, `

(E)elastic modulus = σ/e = tan α

Modulus elastisitas merupakan sifat material yang digunakan dalam merancang sebuah alat agar tidak mengalami deformasi plastis. Aplikasinya dalam merancang sebuah jembatan, harus mempunyai modulus elastisitas yang kecil, supaya kaku. Dalam penerapannya modulus elastisitas digunakan berdasarkan keperluannya.

Modulus Resilience = modulus of resilience (Ur)

Kemampuan suatu material menyerap energi ketika deformafi elastis dan kembali ketika beban dilepaskan disebut resilience. Modulus resilience merupakan luas daerah di bawah kurva stress-strain yang mash mengalami deformasi elastis. Modulus resilience berguna untuk mengetahui seberapa besar energi yang diberikan agar tetap mengalami deformasi elastis.

Ketangguhan = toughness (Ut)

Dalam hal Perencanaan toughness dipakai untuk menentukan seberapa besar suatu material menyerap energi sampai dia patah. Dalam aplikasinya toughness dipakai untuk merusak material agar bias mengetahui energi maksimal sampai patah.

Alat yang digunakan untuk melakukan uji tarik adalah Tensile Testing Machine . Prinsip pengujian tarik adalah spesimen ditarik dengan laju pembebanan yang lambat, hingga spesimen itu putus. Mesin uji tarik akan mencatat besarnya beban tarik yang diberikan terhadap spesimen setiap saat beserta besarnya perpanjangan (elongation) yang terjadi pada spesimen setelah dilakukan uji tarik. Alat pencatat beban beban tarik adalah load cell. Sedangkan alat pencatat perpanjangan yang terjadi pada spesimen adalah ekstensometer.

Grafik yang dihasilkan dari mesin uji tarik adalah grafik antara gaya atau beban tarik terhadap perpanjangan yang terjadi. Grafik tersebut harus dikonversikan menjadi grafik tegangan teknis terhadap regangan teknis, tujuannya untu meminimalisasi pengaruh faktor geometris. Tegangan dan regangan teknis dirumuskan sebagai berikut :

Bentuk grafik gaya atau beban tarik terhadap perubahan panjang dan grafik tegangan teknis, terhadap regangan teknis adalah sebagai berikut :

Dari diagram tegangan teknis, terhadap regangan teknis akan diperoleh data sebagai berikut:

1. σ_p atau batas proporsional adalah tegangan maksimum dimana perbandingan antara tegangan dan regangannya masih proporsional.

2. σ_y atau batas luluh adalah beban maksimum yang masih dapat ditahan oleh spesimen tanpa menyebabkan deformasi plastis.

3. σ_u atau batas ultimate, adalah beban maksimum yang dapat ditahan oleh spesimen tanpa menyebabkan deformasi plastis yang tak homogen. Beban ini disebut juga sebagai kekuatan tarik material

4. σ_f atau beban yang menyebabkan spesimen itu patah.

e atau perpanjangan

5. Reduction of area

6. E ( Modulus Elastisitas ) adalah ukuran kekakuan suatu bahan

Grafik tegangan dan regangan teknis tersbut perlu dikonversi lagi terhadap grafik tegangan-regangan sebenarnya. Bentuk grafiknya adalah sbb:

K = konstanta penguatan

n = koefisien strain hardening

Hubungan yang berlaku antara σ_tr dengan σ dan antara ε dengan e adalah :

σ_tr = σ ( e+1 )

ε = ln ( e +1 )

Pada saat terjadinya necking atau pengecilan penampang setempat, berlaku hubungan :

ε = n

Fenomena metalurgi yang terjadi bila suatu logam ditarik:

1. Ada penyertaan elastis

2. Ada penyertaan plastis

3. Terjadi Necking di titik Ultimate

4. Ada “ Luders Band “

5. σ_y berubah ke arah yang lebih tinggi jika logam yang mengalami Starin Hardening ditarik kembali.

6. Terjadinya Kurva Hystersis

Luas grafik menandakan besarnya energi yang diserap dari logam.

7. Terjadi fenomena grafik Mulur ( efek Cottrel )

Kekuatan tarik suatu material dapat diperoleh dengan pembebanan maksimum sebelum material itu mengalami deformasi plastis yang tidak seragam. Tegangan maksimum (σ_u) disebut sebagai kekuatan tarik material, yang kemudian dapat dikatakan sebagai ukuran kekuatan suatu logam.

Faktor-faktor yang mempengaruhi pengujian tarik dalah sebagai berikut :

Temperatur

Semakin tinggi temperatur, maka ketangguhan dan keuletan material akan meningkat. Sebaliknya, modulus elastisitas, tegangan luluh, Ultimate Tensile Strength, dan nilai koefisien pengerasan regangan (n) akan menurun.

Tekanan hidrostatis

Tekanan hidrostatis meningkatkan regangan saat spesimen patah, dan meningkatkan keuletan suatu material.

Efek radiasi

Efek radiasi meningkatkan tegangan luluh dan kekuatan tarik serta kekerasan dari suatu material. Namun efek radiasi ini menurunkan keuletan dan ketangguhan suatu material.

Sifat-sifat mekanik yang diperoleh dari pengujian tarik adalah sebagai berikut :

Ketangguhan (toughness), yaitu energi yang diserap oleh material hingga material tersebut patah. Dalam percobaan ini, ketangguhan merupakan daerah di bawah kurva tegangan sebenarnya terhadap regangan sebenarnya. Ketangguhan juga dapat diartikan sebagai energi per unit volume.

Modulus Elastisitas (E) adalah ukuran kekakuan (rigidity) suatu bahan. Semakin besar modulus elastisitas suatu material maka kekakuan suatu material akan semakin tinggi, akibatnya kemampuan material untuk dibentuk akan semakin rendah, dan sebaliknya.

Keuletan (Ductility) adalah kemampuan suatu material untuk menahan deformasi plastis.

Data dan Pengolahan

Spesimen : Rod ST - 37

L_o = 25 mm L_f = 36,28 mm

d_o = 6,23 mm d_f = 3,69 mm

A_o = 30,468 mm²

Kecepatan tarik = 2mm/menit

Batas luluh = 833,30 kg

Batas ultimate = 1296,77 kg

Jenis mesin = Instron 1195

Beban maximum mesin = 10.000 kg

Beban skala penuh = 2.000 kg

Kekerasan awal = 32 HRa

Kekerasan Akhir = 38,5 HRa

Untuk data setelah terjadinya fenomena necking sebagai berikut :

Dalam mencari nilai

, dengan Ai seperti yang tertera pada tabel B. Untuk nilai yang lain dapat dikerjakan seperti diatas, dan hasilnya terdapat pada tabel B.

Kurva yang didapat dari data mesin uji tarik :

Setelah memperoleh data dari TABEL A dan TABEL B, maka dapat dicari berbagai kurva uji tarik, seperti :

Kurva Tegangan Teknik – Regangan Teknik

Kurva Tegangan Sebenarnya – Regangan Sebenarnya

Kurva Log ε_t – Log σ_t

Untuk mendapatkan nilai Modulus Elastisitas bisa digunakan berbagai cara. Salah satu cara yang dapat kita pakai adalah dengan menggunakan nilai gradien pada daerah plastis kurva tegangan teknik – regangan teknik

Maka kita dapatkan E = tangen α, sehingga dari persamaan garis yang telah diketahui, nilai E

adalah 53.172 kg/mm² atau 521.0856 MPa.

ANALISIS

Perubahan kekerasan material

Sebelum pengujian tarik dilakukan, kita melakukan uji keras pada spesimen yang akan diuji. Uji ini perlu dilakukan untuk mengetahui nilai kekerasan spesimen sebelum diberi beban tarik. Selain itu, kita dapat memperkirakan nilai kekuatan tarik suatu material dari nilai kekerasannya.. Hal ini dapat diketahui karena umumnya harga kekerasan berbanding lurus dengan harga kekuatan material. Kekerasan suatu material didefinisikan sebagai ketahanan material untuk didefomasi plastis secara lokal. Sedangkan kekuatan tarik didefinisikan sebagai ketahanan material dideformasi plastis pada satu kesatuan material. Dari pengertian ini, kekuatan dan kekerasan sama-sama diartikan dengan kemampuan material untuk dideformasi plastis. Oleh karena itu kita dapat menarik kesimpulan bahwa kekerasan suatu material berbanding lurus dengan kekuatan tariknya. Berdasarkan data yang didapat akan terlihat adanya peningkatan kekerasan akibat strain hardening. Hal ini bisa terjadi disebabkan oleh pergerakan dislokasi yang mencapai permukaan. Dimana kekerasan awalnya adalah 32 HRa dan kekerasan akhir 38.5 HRa.

Bentuk patahan spesimen

Pada patahan spesimen uji tarik, terdapat dua macam jenis patahan yaitu patah getas dan patah ulet. Patah getas memiliki ciri pada patahannya tidak terdapat cup dan cone. Pada patah getas, tidak terjadi adanya necking sehingga spesimen langsung patah jika diberi beban diatas σ_u nya. Selain itu, patahannya membentuk sudut 90⁰ terhadap sumbu normal spesimen. Patah getas terjadi karena adanya pengaruh dari tegangan normal. Berbeda dengan patah ulet, pada patah ulet disebabkan karena adanya tegangan geser. Sudut patahan membentuk sudut 45⁰ terhadap sumbu normal spesimen. Patahan seperti ini diakibatkan oleh tegangan geser yang maksimum. Dimana beban tarik yang bekerjalah yang berperan dalam menimbulkan tegangan ini.

Apabila tegangan yang diberikan terhadap spesimen melebihi batas luluhnya, maka pergerakan dislokasi ini akan mencapai permukaan. Pergerakan dislokasi hingga mencapai permukaan inilah yang dinamakan deformasi plastis. Deformasi plastis inilah yang menyebabkan pertambahan panjang pada spesimen bersifat tetap. Apabila besarnya tegangan yang diberikan terhadap spesimen mencapai titik Ultimate, maka spesimen mulai mengalami pengecilan setempat pada bagian tengahnya. Pengecilan setempat inilah yang dikenal dengan fenomena necking. Fenomena ini terjadi karena deformasi plastis yang terjadi pada material tidak lagi homogen.

Efek Cotrell pada kurva tegangan teknik – regangan teknik

Efek Cotrell terjadi pada saat kita mengenakan beban tarik. Pada grafik tegangan dan regangan teknik, terjadi penampakan fluktuasi nilai tegangan yang menunjukkan batas luluh dari material. Hal ini diakibatkan oleh dislokasi yang menemui penghambat yaitu atom karbon yang tersebar di dalam butir. Saat dislokasi bertemu atom karbon maka tegangan yang dibutuhkan untuk melewatinya meningkat ,lalu setelah atom karbon terlewati maka energi yang dibutuhkan untuk menggerakan dislokasi kembali turun. Hal tersebut terus terjadi hingga semua atom penghambat terlampaui dan dislokasi mencapai batas butir dan menyebabkan deformasi plastis. Karena atom karbon yang tersebar relatif sedikit maka peningkatan dan penurunan tegangan pada kurva bisa terlihat dengan jelas.

Elongasi, Reduction of area dan keuletan

Ketika material ditarik dengan beban tarik yang besarnya melebihi batas luluhnya, maka material tersebut akan mengalami pertambahan panjang sifatnya tetap. Pertambahan panjang material ini apabila dibagi dengan panjang awal menghasilkan perpanjangan atau elongation yang disimbolkan dengan e. Pada saat beban tarik dikenakan pada spesimen melebihi batas luluhnya, maka perpanjangan yang terjadi pada material adalah perpanjangan totalnya. Besarnya perpanjangan total merupakam hasil penjumlahan antara perpanjangan plastis dengan perpanjangan elastis. Apabila beban tersebut dihilangkan, maka perpanjangan totalnya sama dengan perpanjangan plastisnya saja, karena perpanjangan elastis pada saat beban tersebut dihilangkan sama dengan nol.

Nilai perpanjangan plastis inilah yang dijadikan sebagai dasar dalam menentukan keuletan suatu material. Semakin besar perpanjangan plastis dari suatu material, maka keuletan suatu material akan semakin tinggi. Namun, pada beberapa kasus, dimana kurva tegangan dan regangan teknis yang dihasilkan memiliki kemiringan yang cukup tajam, maka untuk menentukan keuletan suatu material yang perlu dilihat adalah perpanjangan totalnya. Hal ini dilakukan karena penentuan perpanjangan plastisnya melalui grafik sangat sulit untuk dilakukan, dan besarnya perpanjangan total hampir sama dengan perpanjangan plastisnya sebagai akibat dari kemiringan kurva yang sangat tajam.

Spesimen hasil pengujian tarik juga mengalami pengecilan setempat pada bagian tengahnya yang disebut juga dengan istilah necking. Besarnya reduction of area ini dapat pula dijadikan sebagi dasar dalam penentuan keuletan suatu material. Semakin besar reduction of area yang dihasilkan maka keuletan material tersebut akan semakin tinggi. Reduction of area ini terjadi karena beban yang diterapkan pada material melebihi batas ultimatenya, sehingga deformasi plastis yang terjadi pada material tidak lagi homogen.

Yield strength, Modulus elastisitas, Strain hardening exponent, & Strength coefficient

Nilai Tegangan Luluh, Modulus Elastisitas, Eksponent strain hardening serta Koefisien penguatan yang didapat berbeda dari literatur. Dimana berdasarkan perhitungan didapat hasil sbb :

Modulus Elastisitas ( E ) = 521.0856 MPa

n = 0,4176

K = 1345.628 MPa

σ_y= 268.03 MPa

Menurut literatur harga data-data diatas adalah sbb :

Modulus Elastisitas ( E ) = 207 MPa

n = 0,21

K = 600 MPa

σ_y= 210 MPa

Nilai-nilai ini berbeda dikarenakan faktor kesalahan. Dalam menentukan modulus elastisitas sebenarnya lebih baik jika kita menggunakan uji bending. Karena pada uji bending, kita hanya menentukan daerah elastis, sehingga data yang diperoleh dari uji bending dapat lebih valid.

KESIMPULAN

1. Hasil Perhitungan

a. Modulus Elastisitas ( E ) = 521.0856 Mpa

b. n = 0,4176

c. K = 1345.628 MPa

d. σ_y= 268.03 MPa

2. Terjadinya fenomena strain hardening yang ditunjukkan oleh meningkatnya nilai kekerasan

3. Terjadinya fenomena cup and cone serta sudut patahan 45º yang menandakan bahwa material tersebut ulet.

4. Adanya fenomena Cotrell yang ditunjukkan pada grafik berupa fluktuasi grafik yang naik.

5. Fenomena metalurgi yang terjadi bila suatu logam ditarik :

a. Ada penyertaan elastis

b. Ada penyertaan plastis

c. Terjadi necking di titik Ultimate

d. σ_y berubah ke arah yang lebih tinggi jika logam yang mengalami Starin Hardening ditarik kembali.

e. Terjadinya Kurva Hystersis

Luas grafik menandakan besarnya energi yang diserap dari logam.

f. Terjadi fenomena grafik Mulur ( efek Cottrel )

Teknik Mesin

Minggu, 21 Mei 2017