Kekuatan Material

Berbagai jenis bahan atau material yang kita temui sehari-hari memiliki sifat yang berbeda-beda. Ditinjau dari aspek mekanis, material dapat dibedakan berdasarkan kekuatan, kekerasan, keuletan, kemampuanya menghantarkan panas, penghantar listrik, sifat magnet, sifat kimia dan lain sebagainya.

Salah satu sifat penting dari material yang sangat berfungsi sebagai ukuran desain suatu benda adalah kekuatan. Ketika kita menarik kayu dan baja dengan ukuran yang sama, tentu saja kayu akan lebih mudah dirusak daripada baja, atau dengan kata lain baja memiliki kekuatan lebih tinggi dari kayu (pada kasus ini), nah apakah jika ukuranya berbeda, maka hasilnya akan sama? Misalkan kayu dengan ukuran yang sangat besar ditarik dengan gaya yang sama dengan kawat baja yang kecil, tentu saja yang akan putus terlebih dahulu adalah kawat baja yang kecil tersebut, lalu pada kasus ini dapat dikatakan kayu lebih kuat dari baja. lalu manakah yang lebih "kuat"?

Nah, dari uraian diatas, besar kecilnya gaya tarikan atau dorongan pada suatu material tidak dapat menunjukkan besar kecilnya kekuatan material tersebut, oleh karena itu didefinisikan tegangan, yaitu gaya setiap satu satuan luas, atau secara matematis dituliskan sebagai berikut :

Tegangan memperlihatkan berapa banyak gaya yang "terkonsentrasi" pada suatu penampang lintang tertentu. Semakin besar gaya yang diberikan, maka semakin besar pula teganganya, semakin kecil luas permukaanya maka semakin besar teganganya. Tegangan inilah yang digunakan sebagai parameter kekuatan bahan. Setiap material, memiliki nilai tegangan dimana material tersebut akan rusak, yang mana nilai tersebut tidak tergantung oleh bentuk dari benda tersebut. karena sifatnya yang tidak tergantung oleh bentuk benda tersebut, maka kekuatan bahan yang didefinisikan menggunakan konsep tegangan ini sangat mudah dan luas penggunaanya dalam bidang teknik.

Sebagai ilustrasi, misalkan sebuah kawat baja dengan diameter yang besar akan putus ketika ditarik dengan gaya yang besar, sedangkan kawat baja dengan diameter yang kecil akan putus lebih mudah dengan gaya yang lebih kecil. Fakta yang menarik adalah, ketika gaya yang besar tersebut dibagi dengan luas permukaan penampang kawat berdiameter besar, hasilnya akan sama dengan gaya yang kecil dibagi dengan luas penampang kawat berdiameter kecil. dengan kata lain, tegangan ketika kedua kawat berbahan sama tersebut rusak adalah sama.

Lain halnya ketika kita menarik dua kawat berdiameter sama namun dengan material yang berbeda. misalkan kita menarik kawat baja dan tali karet yang masing-masing memiliki bentuk yang sama. ketika kedua benda tersebut ditarik dengan gaya yang sama, tentu saja tali karet akan putus terlebih dahulu. Dengan besarnya gaya dan bentuk yang sama, dapat dilihat bahwa kedua benda mendapatkan tegangan yang sama, namun dengan tegangan yang sama tersebut, karet lebih dulu rusak daripada baja, oleh karena itu dapat disimpulkan bahwa benda berbahan karet memiliki tegangan yang lebih kecil dari baja untuk rusak, atau baja lebih kuat dari pada karet.

Definisi rusak (Failure) serta putus/patah (Fracture) itu sendiri tidaklah sama, failure mengindikasikan gagalnya sistem bekerja, sedangkan fracture ditandai dengan satu benda terpisah menjadi dua, kedua fenomena ini terjadi pada batas-batas tegangan tertentu. Oleh karena itu, kekuatan itu sendiri pun tidak sesederhana didefinisikan pada uraian diatas, ada kriteria-kriteria yang harus terpenuhi. Tetapi, uraian kekuatan bahan diatas cukup memberikan gambaran ide dasar dari konsep tegangan.

Pembahasan mengenai kekuatan material ini sangatlah luas terkait hubunganya dengan kerusakan material, hubungan tegangan terhadap perubahan bentuk material, serta banyak lagi aplikasi dari konsep tegangan ini. Bahkan program-program komputer kini telah berkembang dengan cepat untuk menghitung tegangan yang terjadi pada benda dengan bentuk yang rumit sekalipun menggunakan Finite Element Analysis (FEA)

 

Sebagai contoh manfaat dari konsep kekuatan bahan ini dalam industri adalah desain suatu benda yang murah namun tetap aman. Karena kekuatan bahan (Tegangan) terkait dengan luas penampang,yang secara langsung mempengaruhi berat dan harga dari suatu benda, maka dengan bantuan permodelan tegangan menggunakan FEA dapat didesain suatu benda yang ringan dan murah namun tetap aman pada tegangan yang di desain, sehingga memaksimalkan keuntungan perusahaan. Terlebih lagi desain yang ringan ini sangat dibutuhkan pada industri penerbangan.

Definisi Energi

Dalam kehidupan sehari-hari kita sangat sering mendengar istilah energi. biasanya orang menganggap energi ini identik dengan bahan bakar, listrik maupun 'kekuatan' dari sesuatu. lalu apakah sebenarnya energi itu?.

Pada dasarnya, energi di definisikan sebagai kemampuan untuk melakukan kerja/usaha, sedangkan usaha dalam konteks ini adalah ukuran besar kecilnya gaya yang bekerja pada jarak tertentu. misalkan kita mendorong mobil dengan gaya sebesar 800 N dan menjadi berpindah sejauh 5 m, maka dapat di artikan kita melakukan usaha sebesar 800x5 = 4000 J. Artinya, jika kita memiliki energi yang besar, kita dapat memindahkan sesuatu yang sulit 'didorong' dengan jarak yang besar pula.

kemampuan untuk melakukan usaha, atau energi tersebut memiliki bentuk yang beragam, mulai dari energi kinetik, energi potensial, energi kalor, energi gelombang elektromagnetik, energi listrik, energi ikat kimia, energi nuklir dan sebagainya. Dari hal tersebut dapat kita lihat bahwa berbagai macam jenis energi tersebut dapat berubah bentuk menjadi bentuk yang lain, misalkan kita bermain mobil mainan, baterai yang kita pasang menyimpan energi kimia yang berubah menjadi energi listrik, kemudian energi listrik tersebut digunakan untuk menggerakkan dinamo sehingga mobil mainan tersebut dapat bergerak, kemudian lintasan yang dilewati mainan tersebut akan menjadi sedikit panas karena gesekan dan menimbulkan suara yang merupakan salah satu bentuk energi, jika kita menjumlahkan energi gerakan, gesekan, panas dan suara tersebut, hasilnya akan sama dengan energi yang telah di keluarkan dari baterai. kasus ini menjelaskan bahwa energi sebenarnya tidak akan pernah habis, namun hanya berubah ke bentuk lainya, maka kita kenal apa yang di sebut sebagai hukum kekekalan energi, atau yang biasa di kenal sebagai hukum pertama termodinamika, yaitu :
"Energi tidak dapat di ciptakan maupun di hancurkan, namun hanya akan berubah ke bentuk lain"

Tetapi jika memang energi tersebut tidak akan pernah habis, kenapa manusia dapat mengalami apa yang di sebut krisis energi? Dan mengapa kita harus menghemat energi?. jawabanya sangatlah sederhana, energi memang tidak dapat habis, namun energi hanya bergerak ke arah tertentu saja, misalkan kita membakar bensin yang ada di dalam kendaraan kita sehingga kita berjalan maju dari rumah sampai ke tempat tujuan kita, sekarang prosesnya kita balik, kita mendorong mundur kendaraan kita tadi kembali ke rumah kita, apakah bensin tersebut akan kembali penuh?. Hal tersebut menjelaskan juga bahwa energi tidak hanya memiliki kuantitas namun juga memiliki sifat kualitatif, yaitu hanya bergerak ke suatu arah tertentu.

Ilmu fisika dan teknik memiliki kontribusi yang sangat besar dalam perubahan bentuk energi tersebut menjadi bentuk energi yang berguna dan meminimalisir terbuangnya energi tersebut menjadi bentuk yang tidak kita inginkan, sehingga teori tentang energi ini sangatlah penting untuk kemajuan dan keberlangsungan hidup umat manusia.

Beberapa jenis energi :

 1. Energi kinetik, energi ini adalah energi yang kita kaitkan dengan gerakan suatu benda, semakin cepat benda tersebut bergerak maka semakin besar pula energi kinetiknya. lalu setiap benda pasti memiliki berat, energi kinetik ini juga terkait juga dengan berat benda tersebut (dalam istilah fisika ataupun teknik lebih di sukai menggunakan istilah massa dari pada berat), makin berat benda tersebut mekin besar pula energi kinetiknya, bayangkan truk yang melaju dengan kecepatan 90 kmh akan lebih besar energi kinetiknya di banding sepeda motor yang bergerak dengan kecepatan 30 kmh.

2. Energi Potensial. misalkan energi potensial gravitasi, listrik, pegas, dll. Energi potensial yang paling mudah di mengerti adalah energi potensial gravitasi, energi ini adalah energi yang di kaitkan dengan posisi benda tersebut terhadap bumi, makin tinggi dan semakin berat  benda tersebut dari permukaan bumi, maka energi potensialnya akan semakin besar. Batu yang sangat berat yang berada pada ketinggian 100m akan memiliki energi potensial yang lebih besar daripada batu kerikil yang berada pada ketinggian 1m (bayangkan jika batu ini jatuh, 'potensial' untuk menghasilkan energi saat sampai di tanah akan berbeda). sebagai catatan, energi kinetik dan energi potensial ini di klasifikasikan sebagai energi mekanik.

3. Energi listrik. Energi listrik ini sangatlah sering kita rasakan dalam kehidupan kita sehari-hari, dari menyalakan lampu, komputer, menggunakan HP hingga mencuci dan mendinginkan ruangan. Energi listrik ini pada dasarnya adalah energi potensial akibat muatan listrik yang dimiliki oleh elektron menghasilkan gaya listrik, dan muatan listrik yang mengalir ini akan mengakibatkan gaya induksi elektromagnetik, gaya-gaya ini akan menghasilkan energi (sesuai definisi energi tentang usaha dan gaya). Energi listrik ini sangat mudah kita jumpai karena elektron-elektron tadi sangatlah mudah di alirkan menggunakan kabel dalam jarak yang jauh dan sangat mudah di ubah bentuk menjadi energi gerak maupun panas sehingga praktis di gunakan.

4. Energi panas/kalor. sebenarnya istilah energi kalor adalah kurang tepat secara definisi, yang benar adalah ukuran aliran energi, karena kalor adalah aliran energi yang mengalir dari suhu tunggi ke suhu rendah, kadang orang juga mengartikan kalor ini sebagai 'panas' tidaknya suatu benda, padahal ukuran tersebut adalah suhu, bukan kalor. Semakin jauh selisih suhu dua buah benda, maka semakin besar kalor yang mengalir antara kedua benda tersebut. Pada tinjauan fisika yang lebih modern, sebenarnya 'panas' ini adalah bentuk dari energi kinetik molekul-molekul penyusun benda tersebut, makin besar energi kinetiknya (makin cepat gerakan molekul-molekulnya), maka semakin 'panas' pula benda tersebut, teori ini disebut teori kinetik.

5. Energi ikat kimia. Energi ini adalah energi yang dimiliki oleh molekul-molekul untuk saling berikatan (Pada dasarnya sebenarnya energi ini dihasilkan karena interaksi gaya listrik). jika ikatan kimia tersebut diputus karena suatu reaksi kimia (misalkan pembakaran), maka energi tersebut akan terlepas, energi yang terlepas ini biasanya dalam bentuk kalor, yaitu mengakibatkan suhu menjadi naik. Bahan bakar yang kita pakai adalah menyimpan energi dalam bentuk ikatan kimia, karena bentuknya lebih mudah di simpan dan menghasilkan jumlah energi yang sangat besar ketika di reaksikan.

6. Energi nuklir. Energi nuklir berbeda dengan energi kimia, energi ini adalah energi yang mengikat inti atom,  inti atom adalah proton dan neutron yang terikat sangat kuat satu sama lain, buktinya kita tidak pernah melihat reaksi ini dalam kehidupan sehari-hari, tidak seperti reaksi kimia yang sering sekali kita amati. energi ikat yang sangat kuat ini jika terlepas akan menghasilkan energi yang sangat besar dan berantai sehingga pembangkit listrik tenaga nuklir dapat menghasilkan energi yang sangat besar hanya dengan bahan bakar yang sangat kecil. Energi ini sangat terkenal identik dengan rumus persamaan kesetaraan masa dan energi einstein E=mc^2, yaitu, setiap massa yang hilang dalam reaksi nuklir ini akan menjadi energi yang sebesar massa tersebut di kalikan c kuadrat, yang nilainya mendekati 90000000000000000, suatu nilai yang sangat besar.

7. Energi gelombang elektromagnetik. Energi ini lebih sering di kaitkan dengan energi cahaya, walaupun pada dasarnya gelombang elektromagnetik ini memiliki spektrum yang lebih luas seperti radio, ultraviolet hingga sinar gamma. energi ini muncul karena interaksi medan listrik dan medan magnet (sehingga disebut elektromagnetik) sehingga dapat merambat dalam ruang hampa, misalkan cahaya matahari yang mencapai bumi sehingga bumi mendapatkan aliran kalor dan menjadi hangat, padahal jarak antara matahari dan bumi sangatlah jauh, dan diantaranya tidak terdapat medium perambatan seperti udara. perambatan ini disebut juga dengan istilah radiasi.