Pemahaman Elemen Mesin Tentang "Gaya, Momen, Tegangan dan Regangan Serta Modulus Elastisitas ( E )"

1. Gaya

Gaya (beban) merupakan faktor terpenting dalam bidang perancangan mesin, karena berpengaruh sangat besar pada hasil rancangan. Disaat elemen mesin melaksanakan fungsinya sebagaimana yang dikehendaki, maka berbagai bentuk gaya akan bekerja padanya, sesuai dengan konstruksi dan sifat kerja elemen mesin tersebut.

Sesuai bunyi Hukum Newton Ketiga, Besarnya gaya yang bekerja pada elemen mesin (gaya aksi) akan mendapatkan tahanan dari elemen mesin tersebut dalam besar yang sama tetapi dengan arah yang berlawanan (gaya reaksi). Seandainya gaya reaksi tidak terjadi, tentulah gaya aksi tidak akan berarti apa-apa sama sekali dan akan sangat sulit untuk dideteksi sifat kerjanya. Dengan demikian besarnya gaya aksi baru akan bernilai, jika ada reaksi dari tahanan.

Dengan demikian ada berbagai jenis gaya yang biasa mengenai elemen mesin, yakni :

a. Gaya tarik dan tekan (Tensile and compressive force)
Untuk memulai diskusi ini, kita ambil kasus paling sederhana dimana sebatang logam dengan luas penampang konstan, dibebani melalui kedua ujungnya dengan sepasang gaya linier dengan arah saling berlawanan yang berimpit pada sumbu longitudinal batang dan bekerja melalui pusat penampang melintang masing-masing. Untuk kesetimbangan statis besarnya gaya-gaya harus sama. Apabila gaya-gaya diarahkan menjauhi batang, maka batang disebut di-tarik; jika gaya-gaya diarahkan pada batang, disebut di-tekan. Kedua kondisi ini digambarkan pada Gb. 1.1.

Dibawah aksi pasangan gaya-gaya ini, hambatan internal terbentuk didalam bahan dan karakteristiknya dapat dipelajari dari bidang potongan melintang disepanjang batang tersebut. Bidang ini ditunjukkan sebagai a-a di Gb. 1.2(a). Jika untuk tujuan analisis porsi batang disebelah kanan bidang dipindahkan, seperti pada Gb. 1.2(b), maka ini harus digantikan dengan sesuatu untuk memberikan efek pada porsi sebelah kiri tersebut. Dengan cara introduksi bidang potong ini, gaya-gaya internal awal sekarang menjadi gaya eksternal terhadap porsi sisa batang. Untuk kesetimbangan pada porsi sebelah kiri, efek ini harus berupa gaya horisontal dengan besar P. Namun demikian, gaya P yang bekerja tegak-lurus (normal) pada penampang melintang a-a ini secara aktual merupakan resultan distribusi gaya-gaya yang bekerja pada penampang melintang dengan arah normal.

Disini sangat penting untuk membuat beberapa asumsi berkaitan dengan variasi distribusi gaya-gaya, dan karena gaya P bekerja pada penampang melintang maka secara umum diasumsikan bahwa gaya-gaya tersebut adalah seragam diseluas penampang.

- Gaya tarik ( Fta)
merupakan : gaya yang dalam kerjanya menarik elemen mesin secara berlawanan terhadap reaksi tahanannya, tepat pada garis sumbu benda. Sehingga mengakibatkan perpanjangan (peregangan) pada elemen mesin tersebut.

- Gaya tekan (Fte)
merupakan : gaya yang dalam kerjanya menekan elemen mesin secara berlawanan terhadap reaksi tahanannya, tepat pada garis sumbu benda. Sehingga mengakibatkan terjadinya pemendekan ( pengkerutan ) pada benda.

2. Momen

Merupakan efek putaran atau lengkungan yang terjadi akibat bekerjanya gaya pada suatu benda. Dikenal ada dua jenis momen, berdasarkan pada posisi gaya terhadap benda : 

a. Momen puntir/putar ( M p )
Terbentuk oleh gaya puntiran/putar ( Fp ) yang bekerja pada jarak tertentu ( r ) dari sumbu benda yang mengakibatkan benda terpelintir disepanjang sumbunya.

b. Momen lentur/lengkung ( ML )
Terbentuk oleh gaya lentur ( FL ) yang bekerja pada jarak tertentu ( L ) dari tumpuan penyangga benda yang mengakibatkan benda melentur/melendut disepanjang sumbunya.

Secara matematik formulasi hubungan antara gaya ( F ) dan momen ( M ) tersebut dapat dinyatakan sebagai :

- Mp = Fp x r

- ML = FL x L

Gambar :

ML = FL x L

3. Tegangan dan Regangan

Gaya yang bekerja pada elemen mesin, selalu menimbulkan reaksi berupa gaya dalam struktur material (yang besarnya sama tapi berlawanan arah) jika ada tahanan.

Bekerjanya gaya ini pada bagian penampang benda mengakibatkan terjadinya tegangan di dalam struktur material benda, karena gaya akan terbagi rata di setiap satuan luas bidang penampang. Besarnya tegangan yang terjadi akibat gaya atau pembebanan, dalam hal ini dinamakan sebagai tegangan pembebanan / kerja ( ).

Tegangan pembebanan maksimum akibat gaya atau beban maksimum yang mengenai benda, sangat menentukan sekali bagi keberhasilan material benda untuk bertahan dari kerusakan. Ia menjadi batasan maksimum bagi kekuatan struktur material benda untuk bertahan dari pembebanan lebih (diluar kondisi normal). Maka, untuk menghindari kegagalan material dalam menghadapi pembebanan, besarnya tegangan pembebanan yang terjadi tidak boleh melebihi kekuatan struktur material ( <  ). Pemilihan akan besarnya kekuatan bahan elemen mesin, ditentukan sekali oleh besarnya tegangan akibat beban maksimum. Dalam perhitungan, besar kekuatan bahan elemen mesin dinyatakan sebagai tegangan izin bahan atau kekuatan bahan ( ).

Hubungan antara besar tegangan pembebanan ( ) dengan tegangan izin bahan / maksimum ( ), dinyatakan oleh faktor keamanan (Sf), dimana :

Faktor keamanan dalam hal ini tentunya adalah sebagai faktor yang harus ditetapkan perancang untuk menghadapi kemungkinan dari pembebanan maksimum (diluar kondisi normal) yang akan diterima elemen mesin saat berfungsi. 

Regangan normal (ε),adalah perpanjangan pada gage dapat diukur seperti dijelaskan diatas untuk setiap kenaikan tertentu dari beban aksial. Besarnya dapat diperoleh dengan membagi total pertambahan panjang Δl dengan panjang gage L, yaitu

Regangan biasanya dinyatakan meter per meter sehingga secara efektif tidak berdimensi.

4. Modulus Young atau Modulus Elastisitas ( E )

Hukum Hook’s menyatakan bahwa jika besarnya pembebanan yang diterima sebuah benda, masih berada pada daerah batas elastis bahannya, maka : tegangan yang terjadi dalam struktur materialnya masih berbanding lurus dengan regangannya. Secara matematika, formulanya dinyatakan oleh :

Dimana : E = modulus elastisitas atau modulus Young, yakni : konstanta yang menyatakan sifat elastisitas bahan yang besarnya proporsional di daerah elastis.