27 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Komposit Material komposit

BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Komposit
Material komposit adalah material yang terbuat dari dua bahan atau lebih
yang berbeda dalam level makroskopik selagi membentuk komponen tunggal.
Komposit berasal dari kata kerja “ to compose “ yang berarti menyusun atau
menggabung. Jadi secara sederhana bahan komposit berarti bahan gabungan dari
dua atau lebih bahan yang berlainan. Kata komposit dalam pengertian bahan
komposit berarti terdiri dua atau lebih bahan yang berbeda yang digabung atau
dicampur (Diester, G.E, 1987).
Pada umumnya bentuk dasar suatu bahan komposit adala tunggal dimana
merupakan susunan dari paling tidak terdapat dua unsur yang bekerja bersama
untuk menghasilkan sifat-sifat bahan yang berbeda terhadap sifat-sifat unsur
bahan penyusun. Komposit terdiri suatu bahan utama (Matrik-matrik) dan suatu
jenis penguatan (reinforcement) yang ditambahkan untuk meningkatkan kekuatan
dan kekakuan matrik. Penguatan ini biasanya dalam bentuk serat (fibre). Material
komposit terdiri dari lebih dari satu tipe material dan dirancang untuk
mendapatkan kombinasi karakteristik terbaikn dari setiap komponen penyusunnya.
Bahan komposit memiliki banyak keunggulan, diantaranya berat yang lebih
ringan, kekuatan dan ketahanan yang lebih tinggi, bahan korosi dan ketahahn aus
(Hashim, J, 2003).
Komposit bahan hibrida yang terbuat dari bahan resin polimer diperkuat
dengan serat, menggabungkan sifat-sifat mekanik dan fisik. Adapun tiga faktor
yang menentukan sifat-sifat dari material komposit yaitu:
1. Material pembentuk. Sifat-sifat intristik material pembentuk memegang
peranan yang sangat penting terhadap pengaruh sifat kompositnya.
2. Susunan struktur komponen, dimana bentuk serta orientasi dan ukuran
tiap-tiap komponen penyusun struktur dan distribusinya merupakan faktor
penting yang memberi kontribusi dalam penampilan komposit secara
keseluruhan.
27
Universitas Sumatera Utara
3. Interaksi antar komponen. Karena komposit merupakan campuran atau
kombinasi komponen-komponen yang berbeda baik dalam hal bahannya
maupun bentuknya (Hashim, J, 2003).
2.2
Matrik
2.2.1
Resin Poliester Tak Jenuh
Polyester Resin tak jenuh merupakan material polimer kondensat yang
dibentuk berdasarkan reaksi antara kelompok polyol, yang merupakan organik
gabungan dengan alkohol multiple atau gugus fungsi hidroksi, dan polycarboxylic
yang mengandung ikatan ganda. Tipikal jenis polyol yang digunakan adalah
glycol, seperti ethylene glycol. Sementara asam polycarboxylic yang digunakan
adalah asam phthalic dan asam maleic.
Polyester Resin tak jenuh adalah jenis polimer thermoset yang memiliki
struktur rantai karbon yang panjang. Matriks jenis ini memiliki sifat dapat
mengeras pada suhu kamar dengan penambahan katalis tanpa pemberian tekanan
ketika proses pembentukannya. Struktur material yang dihasilkan berbentuk
crosslink dengan keunggulan pada daya tahan yang lebih baik terhadap jenis
pembebanan statik dan impak. Hal ini disebabkan molekul raksasa atom – atom
karbon yang saling berhubungan satu dengan yang lainnya. Dengan demikian
struktur molekulnya menghasilkan efek peredaman yang cukup baik terhadap
beban yang diberikan. Data mekanik material matriks diperlihatkan pada tabel
2.1 di bawah ini.
Tabel 2.1 Karakteristik Mekanik Polister Resin Tak Jenuh
Sifat Mekanik
Berat Jenis
Modulus Elastisitas
Kekuatan Tarik
Elongasi
Densitas
(Hashim, J, 2003).
Satuan
kg/mm3
MPa
MPa
%
Mpa
Besaran
1,215 x 10-6
2.941
54
1,6
5,5
Polyester adalah resin thermoset yang berbentuk cair dengan viskositas
yang relatif rendah, dengan penambahan katalis, Polyester mengeras pada suhu
kamar. Resin Polyester banyak mengandung monomer stiren sehingga suhu
28
Universitas Sumatera Utara
deformasi termal lebih rendah dari pada resin thermoset lainnya dan ketahanan
panas jangka panjang adalah kira-kira 110oC – 140oC. Ketahanan dingin resin ini
relatif baik.
Pada umumnya polyester tahan terhadap asam kecuali asam pengoksida,
tetapi lemah terhadap alkali. Bila dimasukkan kedalam air mendidih dalam waktu
yang lama (300 jam), bahan akan pecah dan retak-retak. Bahan ini mudah
mengambang dalam pelarut, yang melarut polimer stiren. Kemampuan terhadap
cuaca sangat baik. Tahan terhadap kelembaban dan sinar UV bila dibiarkan diluar,
tetapi sifat tembus cahaya rusak dalam beberapa tahun. Bahan ini dapat digunakan
secara luas sebagai bahan komposit. Polyester yang 157BQTN-EX dengan
spesifikasi seperti ditampilkan dalam tabel 2.2 di bawah ini.
Tabel 2.2 Spesifikasi Unsaturated Polyester Resin Yucalac 157
Sifat
Berat Jenis
Kekerasan
Suhu Distorsi
Penyerapan air
Suhu Ruangan
Kekuatan Tarik
Modulus Elastisitas
Density
Elongasi
(Zulfadhli, 2013).
Satuan
kg/mm3
o
C
%
%
MPa
GPa
MPa
%
Nilai
1,215
40
70
0,188
0,466
54
0,3
5,5
2,1
10
-6
Catatan
24 jam
7 hari
-
Pada umumnya material ini digunakan dalam proses pembentukan dengan
cara penuangan antara lain perbaikan body kendaraan bermotor, pengisi kayu dan
sebagai material perekat. Material ini memilikin umur pakai yang panjang,
kestabilan terhadap sinar ultraviolt (UV), dan daya tahan yang baik terhadap
serapan air. Kekuatan material ini diperoleh ketika dicetak kedalam bentuk
komposit, dimana material-material penguat seperti serat kaca, karbon dan lainlain, akan meningkatkan sifat mekanik material tersebut sementara ketika dalam
keadaan tunggal material ini bersifat rapuh dan kaku (Zulfadhli, 2013).
2.2.2 Poliuretan
29
Universitas Sumatera Utara
Poliuretan adalah jenis polimer yang sangat unik dan luas pemakaiannya.
Poliuretan ditemukan pada tahun 1937 oleh Prof. Otto Bayer sebagai pembentuk
serat yang didesain untuk menandingi serat nylon. Tetapi penelitian lebih lanjut
menunjukkan bahwa poliuretan bukan saja bisa digunakan sebagai serat, tapi
dapat juga digunakan untuk membuat busa (foam), bahan elastomer (karet dan
plastik), lem, pelapis (coating), dan lain-lain.
Nama ‘poliuretan’ sebenarnya mengandung kerancuan. Seharusnya polimer
adalah monomer yang bereaksi membentuk rantai, tapi poliuretan bukan terdiri
dari monomer uretan, melainkan suatu polimer yang terdiri dari pengulangan
ikatan uretan seperti pada gambar 2.1 di bawah ini.
H
R
O
R
N
R1-N=C=O
O
n
+
R2-O-H
R1-NHCOO-R2
(Gugus isosianat) (Gugus hidroksil) (Ikatan uretan)
Ikatan uretan
Gambar 2.1 Ikatan Uretan Dan Reaksi Pembentukan Poliuretan
Poliuretan dibuat dengan mereaksikan molekul yang memiliki gugus
isosianat dengan molekul yang memiliki gugus hidroksil. Dengan demikian, jenis
dan ukuran setiap molekul pembentuk akan memberikan sumbangan terhadap
sifat poliuretan yang terbentuk. Hal inilah yang membuat poliuretan menjadi
polimer yang sangat fleksibel baik dalam sifat mekanik maupun aplikasinya.
Saat ini, aplikasi poliuretan paling banyak (sekitar 70%) adalah sebagai
bahan busa, kemudian diikuti dengan elastomer, baru kemudian sebagai lem dan
pelapis. Pembuatan busa dari poliuretan dimungkinkan dengan menggunakan
agen pengembang (blowing agent), yang akan menghasilkan gas pada saat terjadi
reaksi sehingga poliuretan dapat membentuk busa. Jika poliuretan yang digunakan
bersifat lunak, maka yang dihasilkan adalah busa lunak seperti pada kasur busa,
alas kursi dan jok mobil. Ada juga jenis busa kaku (rigid foam), seperti pada
insulasi dinding, insulasi lemari es atau insulasi kedap suara. Busa poliuretan
30
Universitas Sumatera Utara
bersifat ulet dan tidak mudah putus. Dalam aplikasi sebagai insulasi dinding,
poliuretan juga dapat dibuat menjadi tahan api dengan penambahan senyawa
halogen (Nazaruddin, H. H, 2003).
2.2.3
Blowing Agent
Blowing Agent adalah material yang digunakan untuk menghasilkan
struktur berongga pada komposit yang dibentuk. Blowing Agent ini biasanya
dipakai ketika bahan dalam keadaan belum mengering atau belum terjadinya
proses polimerisasi. Keuntungan dari penggunaan blowing agent
ini yaitu
struktur selular dalam matrik mengurangi densitas, meningkatkan isolasi termal
dan akustik, sekaligus meningkatkan kekakuan relatif dari polimer aslinya
(Zulfadhli, 2013).
Blowing agent juga dikenal sebagai ‘ pneumatogens’ atau untuk membuat
lubang atau rongga-rongga dalam matriks, telah diklasifikasikan sebagai berikut:
blowing agent fisik misalnya CFC (namun bahan ini merusak ozon, dilarang oleh
protokol montreal sejak 1987), HCFC (pengganti CFC, namun masih merusak
ozon, sehingga masih dilarang), CO2 cair. Proses polimerisasi menggelembung
(busa) pada blowing agent adalah reversibel dan endotermik, yaitu perlu panas
lingkungan. Namun pada pendinginan blowing agent akan mengembun, yaitu
proses reversibel.
Kimia Blowing
agent
misalnya isosianate dan air, hydrazine
dan
nitrogen sebagai bahan dasar (untuk termoplastik elastomer dan busa), natrium
bikarbonat (baking powder digunakan dalam busa termoplastik). Blowing agent
terbentuk dengan reaksi kimia yaitu proses atau polimerisasi bereaksi panas
eksotermik. Karena reaksi blowing terjadi membentuk senyawa dengan berat
molekul rendah, tambahan panas eksotermik juga dibutuhkan. Bubuk hibrida
titanium digunakan sebagai busa dalam produksi metal foam, seperti terurai untuk
membentuk titanium dan hydrogen gas pada suhu yang tinggi. Zirkonium hydrid
digunakan untuk tujuan yang sama. Setelah membentuk senyawa dengan berat
molekul rendah tidak akan pernah kembali ke blowing agent asli yaitu reaksi
tidak dapat diubah. Penggunaan karbon dioksida cair (CO2) sebagai blowing
agent pembantu busa polyurethane adalah ide yang baik dan akan diterima
31
Universitas Sumatera Utara
dengan baik. Penanganan cairan ini, yang merupakan gas pada suhu kamar, selalu
menjadi salah satu masalah utamanya. Telah dikembangkan suatu proses baru
untuk pembuatan busa slabstock fleksibel tanpa menggunakan CFC itu. Proses
baru yang revolusioner yang disebut cardio (dari carbon dioksida), telah mampu
untuk sepenuhnya menghilangkan penggunaan CFC dan senyawa organik volatil
(VOC) dari produksi slabstock busa fleksibel. Hal ini telah dilakukan tanpa
mengorbankan sifat fisik busa itu mekanis. Proses cardio juga secara dramatis
juga
mengurangi
kebutuhan
ukuran
untuk
tanaman
berbusa,
sehingga
memungkinkan semua keuntungan yang berasal dari ruang lantai berkurang dan
volume tanaman. Foamers slabstock fleksibel dapat terus memproduksi nilai yang
ada busa dengan biaya kimia lebih rendah karena perbedaan harga yang signifikan
antara CFC, ABAS, dan karbon dioksida (Zulfadhli, 2013).
Jenis blowing abgent
yang digunakan dalam penelitian ini adalah
polyurethane. Polyurethane adalah suatu jenis polimer yang mengandung jaringan
urethane yaitu –NH-CO-O-. Ada dua reaksi kimia penting pada pembentukan
polyurethane foam, reaksi pertama adalah antara isocyanate dengan polyol
membentuk polyurethane. Reaksi dapat dirumuskan sebagai berikut:
R-NCO+HO-R1
R-NHCOO- R1+24 kcal/mole ............(2.1)
Isocyanate alkohol
Urethane
Pada awal campuran, polyisocyanate dan polyol bereaksi sangat lambat.
Setelah reaktan sedikit terkonversi, laju reaksi mulai meningkat karena hasil
reaksi mempercepat pembentukan polyurethane (auto catalis). Agar pembuatan
polyurethane terjadi cepat maka perlu digunakan katalis basa dan katalis logam.
Mekanisme antara katalis logam dan basa yang berbeda memungkinkan
penggunaan kedua jenis katalis secara simultan dan sinergis. Katalis basa
mengandung gugus anime berfungsi untuk mempercepat reaksi isocyanate, baik
terhadap polyol maupun air. Sedangkan katalis logam dapat mempercepat reaksi
isocyanate dengan polyol. Surfaktan digunakan untuk mencampurkan komponenkomponen yang tidak saling larut, mengurangi tegangan permukaan pada fase
fluida, dan menstabilkan ekspansi bubble dan menghasilkan struktur sel (sel
terbuka atau sel tertutup) (Zulfadhli, 2013).
32
Universitas Sumatera Utara
Reaksi kedua adalah reaksi antara air isocyanate menghasilkan
polyurethane dan gas CO2 sebagai Chemical blowing agent. Polyurethan dibentuk
oleh reaksi senyawa isosianate yang bereaksi dengan senyawa yang memiliki
hydrogen aktif seperti diol (polyol), yang mengandung group hydroksil dengan
mempercepat katalis. Unsur nitrogen yang bermuatan pada kelompok alkohol
(polyol) akan membentuk ikatan urethane antara dua unit monomer dan
menghasilakan dimerurethane. Gas ini yang kemudian akan membentuk busa
pada material polimer yang berbentuk (Wikipedia, 2013).
Salah satu faktor yang penting dalam pembuatan polyurethane adalah
reaksi oleh isacyanate. Isacyanate sangat reaktif terhadap suatu nukleofil, hal ini
disebabkan oleh posisi atom C pada isacyanate berada diantara dua elemen
elektronrgatif, yaitu oksigen dan nitrogen. Pada kondisi ini, atom karbon menjadi
kekurangan elektron sehingga ketika ketemu dengan atom yang kaya elektron
(nukleofil), dengan cepat akan membentuk suatu ikatan. Dengan kata lain, atom C
adalah electron acceptor, ikatan kedua atom tersebut kemudian menghasilkan
polyurethane (Wikipedia, 2013).
Material yang terbentuk dari campuran blowing agent polimer disebut
dengan material polymeric foam. Material polymeric foam banyak ditemukan
sebagai busa kaku dan fleksibel yang digunakan sebagai pelapis atau perekat
material. Berdasarkan sifat mekaniknya material ini memiliki 4 (empat) sifat
penting diantaranya:
1. Sifat Elastik
Sifat ini berhubungan dengan sifat kekakuan material yang terdiri dari
geometri, bentuk dan mikrostrukturnya.
2. Sifat Viskoelastik
Sifat peredaman solid material, sifat ini merupakan efek dari bentuk
geometri material tersebut.
3. Sifat Akustik
Sifat ini berhubungan dengan sifat media yang dilewati oleh perambatan
suara akibat bentuk struktur yang berongga akan memudahkan gelombang
udara masuk ke dalam material dan terserap atau terperangkap sebagian
33
Universitas Sumatera Utara
besar ke dalam struktur tersebut. Dengan demikian suara yang keluar dan
atau dipantulkan oleh material polymeric foam akan mengalami pelemahan.
4. Sifat Viskoakustik
Sifat ini berhubungan dengan peredaman fluida yang dihubungkan dengan
geometri, bentuk mikrostrukturnya yang sama dengan sifat elastiknya
(Zulfadhli, 2013).
2.2.3.1 Polyol
Salah satu komponen penting dalam pembuatan polyurethane adalah
polyol.
Polyol
dapat
bereaksi
dengan
polyisocyanate
untuk
membuat
polyurethane. Polyol mengandung dua gugus hidroksil disebut dioli dan yang
mengandung tiga gugus hidroksil disebut triol dan lain-lain. Secara umum, jenis
polyol yang digunakan dalam pembuatan polyurethane terbagi menjadi dua yaitu
polyol yang terbuat dari produk alami dan polyol yang disebut secara sintetis.
Sebagai polyol alami, castor oil banyak digunakan karena mengandung tiga group
hydroksil yang akan menghasilkan cross-linked polymers. Sedangkan polyol yang
dibuat scara sintetis terbagi menjadi dua yaitu polyester polyol dan polyether
polyol.
Polyol polieter merupakan polimer berat molekul rendah yang diperoleh
dari reaksi pembukaan cincin pada polimerisasi alkilen oksida. Polyol poliester
diperoleh dari reaksi polimerisasi glikol dengan asam dikarboksilat. Jadi pada
dasarnya, poliuretan dibuat dari reaksi polimerisasi antara monomer-monomer
diisosianat dengan polyol polieter atau poliester (Radiman, C.L, 2003).
2.2.3.2 Isocyanate
Salah satu komponen penting dalam pembuatan polyurethane selain poyol
yaitu isocyanate. Isocyanate juga sangat berpengaruh dari jenis yang banyak
digunakan adalah aromatic dan aliphatic. Beberapa contoh isocyanate yang
banyak digunakan dalam pembuatan polyurethan foam adalah toluene
diisocyanate
(TDI)
dan
diisocyanate
diphenylmethane
(MDI).
Toluene
diisocyanate adalah salah satu jenis isocyanate yang paling sering digunakan. TDI
terdiri dari campuran dari 2,4 dan 2,6 Toluene diisocyanate isomer. Produk yang
34
Universitas Sumatera Utara
paling sering digunakan adalah TDI-80 yang terdiri dari 80% dari 2,4 isomer dan
20% dari 2,6 isomer. Biasanya TDI digunakan dalam memproduksi low density
foam. Struktur TDI itu sendiri dapat dilihat pada gambar 2.2 di bawah ini.
CH
CH
NCO OCN
NCO
(a)
(b)
Gambar 2.2 TDI chemical struktur, (a) toluene 2,4 diisocyanate, (b) toluene 2,6
diisocyanate (Mashuri, 2007).
2.2.4
Katalis Mekpo
Katalis merupakan material kimia yang digunakan untuk mempercepat
proses reaksi polimerisasi struktur komposit pada kondisi suhu kamar dan tekanan
atmosfir. Pemberian katalis dapat berfungsi untuk mengatur waktu pembentukan
gelembung blowing agent, sehingga tidak mengembang secara berlebihan, atau
terlalu capat mengeras yang dapat mengakibatkan terhambatnya pembentukan
gelembung.
Katalis untuk bahan pemercepat proses pembekuan dan silane dari jenis
Dichloride (C14H20Cl2HSi2) sebagai bahan penggandeng (coupling agents).
Karakteristik katalis dimana karakteristik tersebut tergantung pada metode
preparasi dan karakterisasi bahan penyangga, salah satu metode yang sering
digunakan dalam preparasi katalis adalah metode impregnasi, karena ditinjau dari
proses pembuatannya (Murdijanto, D.N & Setiabudi, A, 2010).
2.3
Penguat
Dalam penelitian ini sebagai penguat yang digunakan adalah serat tandan
kosong kelapa sawit (TKKS). Kebanyakan serat TKKS setelah siap dipakai
khususnya diperkebunan sering dibuang sebagai limbah dan hanya sedikit yang
35
Universitas Sumatera Utara
dapat digunakan untuk diproduksi atau didaur ulang. Dan peneliti ingin coba
mengamati sifat atau karakteristik dari serat ini karena sifatnya yang kuat dan juga
ringan jika dicampur dengan bahan-bahan yang lain. Di indonesia merupakan
negara dengan perkebunan kelapa sawit terluas di dunia berjuta ha (Deptan). Tiap
harinya berton-ton kelapa sawit yang diolah. TKKS adalah salah satu produk
samping kelapa sawit. Setiap ton kelapa sawit yang diolah diperoleh TKKS yang
mencapai 250 [kg].
Penelitian mengenai penggunaan komposit serat TKKS diharapkan dapat
menjadi acuan dan alternatif baru dalam pembuatan suatu produk yang dapat
diperbaharui dan didaur ulang sementara hasil penelitian yang telah dilakukan
oleh sebuah institusi komersial terhadap komposisi material kimianya diketahui
bahwa kandungan material serat dalam TKKS merupakan kandungan maksimum.
Berdasarkan data pada tabel 2.3 maka terlihat bahwa kandungan yang sangat
dominan adalah serat, sehingga akan mampu memberikan sifat mekanik yang
cukup baik terhadap material komposit yang akan dibentuk.
Tabel 2.3 Parameter Tipikal Tandan Kosong Kelapa Sawit Per [kg]
No.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
Bahan-bahan kandungan
Uap air
Protein
Serat
Minyak
Kelarutan air
Kelarutan unsur alkali 1 %
Kotoran
K
Ca
Mg
P
Mn,Zn,Cu,Fe
Total
(Wibowo,T.F, 2011).
2.4
Komposisi
5.40
3.00
35.00
3.00
16.20
29.30
5.00
1.71
0.14
0.12
0.06
1.07
100.00
Densitas
Kerapatan
suatu zat adalah massa zat tersebut per satuan volume.
Dalam satuan Standard International (SI) kerapatan dinyatakan oleh kilogram per
meter kubik [kg/m3], sebagai contoh kerapatan aluminium adalah 2700 [kg/m3].
36
Universitas Sumatera Utara
Satuan kerapatan lainnya yang umum adalah gram per centimeter kubik [g/cm3],
kerena 1 [kg]
1 [g/cm3]
1000 [g/m3] dan 1 [m3]
100 [cm3]
10-6 [cm3]
103 [kg/m3] (Kanginan, M, 2004).
⁄ ……………………………….(2.2)
Keterangan :
= Massa jenis zat [kg/m3] atau [g/cm3]
= Massa benda [kg] atau [g]
= Volume benda [m3] atau [cm3]
2.5
Uji Impak Jatuh Bebas
Bertujuan untuk mengetahui ketangguhan material akibat pembebanan
kejut pada beberapa macam kondisi suhu. Ketangguhan adalah suatu ukuran
energi yang diperlukan untuk mematahkan bahan. Suatu bahan ulet dengan
kekuatan yang sama dengan bahan rapuh akan memerlukan energi perpatahan
yang lebih besar dan mempunyai sifat tangguh yang lebih baik. Penurunan
ketangguhan dapat berakibat fatal, oleh karena itu ketangguhan perlu diukur atau
dikuantifitasikan secara konvensional yang mana hal tersebut dilakukan dengan
uji impak (Meggitanu, 2010).
2.5.1 Teori Benda Jatuh Bebas
Jika benda jatuh ke bumi dari ketinggian tertentu relatif kecil
dibandingkan dengan jari-jari bumi, maka benda mengalami pertambahan
percepatan dengan harga yang sama setiap detik. Hal ini berarti bahwa percepatan
kebawah benda bertanbah dengan harga yang sama jika sebuah benda
ditembakkan ke atas berkurang dengan harga yang sama setiap detik dan
perlambatan ke atasnya seragam. Waktu dan kecepatan akan berbanding lurus
karena tidak adanya gerak berubah beraturan atau berubah-ubah untuk
menentukan kecepatan benda jatuh setiap detik diperoleh harga pendekatan seperti
terlihat pada tabel 2.4 di bawah ini (Zulfadhli, 2013).
Tabel 2.4 Waktu dan Kecepatan Benda Jatuh
37
Universitas Sumatera Utara
Waktu
t [s]
0
1
2
3
4
5
Kecepatan
v [m/s]
0
9,8
19,6
29,4
39,2
49
Kecepatan [m/s]
60
48
36
24
12
0
0
1
2
3
4
5
6
Waktu [s]
Gambar 2.3 Grafik hubungan v – t
Grafik v – t seperti ditunjukkan pada gambar 2.3 di atas yang merupakan
sebuah garis lurus sehingga percepatan seragam (Zulfadhli, 2013).
⁄
49⁄5
9,8
⁄
…………..……….(2.3)
Dimana:
kecepatan akhir [m/s]
kecepatan awal [m/s]
waktu [s]
Jika tahanan udara diabaikan gerakan benda jatuh bebas dapat dihitung
dengan percepatan seragam melintas sebuah garis lurus, asalkan percepatan
deganti dengan percepatan gravitasi (g) yaitu:
1. Untuk gerakan ke bawah a = + g
2. Untuk gerakan ke atas a = - g
Percepatan geravitasi (g) dapat dipandang sebagai sebuah vektor dengan arah
tegak ke bawah menuju pusat bumi (Zulfadhli, 2013).
2.5.1.1 Gerak Lurus
Perpindahan adalah perubahan kedudukan, hal ini merupakan besara
vektor mencakup jarak dan arah. Kecepatan adalah laju perubahan kredudukan
terhadap waktu, hal ini juga merupakan besaran vektor mencakup jarak, arah dan
38
Universitas Sumatera Utara
waktu. Satuan perpindahan diukur dalam meter [m], kecepatan diukur dalam
meter per detik [m/s], percepatan diukur dalam meter per detik kuadrat [m/s2],
persamaan gerakan lurus percepatan seragam. Persamaan gerak lurus percepatan
seragam, penjelasannya dapat dilihat pada gambar 2.4 di bawah ini (Zulfadhli,
2013).
∆
∆
Gambar 2.4 Diagram Kecepatan dan Waktu
Percepatan seragam memiliki partikel yang mengalami perubahan
kecepatan yang sama dalam selang waktu yang sama secara berturut-turut tanpa
peduli berapa selisih selang waktu tersebut, seperti ditunjukkan pada persamaan
di bawah ini:
1
2
1⁄ 2
…………………………. (2.4)
Dimana:
kecepatan akhir [m/s]
kecepatan awal [m/s]
waktu [s]
perpindahan kecepatan [m]
Maka perbandingan antara kecepatan dan waktu adalah:
∆
∆
∆
∆
1
2
39
Universitas Sumatera Utara
Dari persamaan di atas bila
2
…………………………….. (2.5)
0, maka untuk
diperoleh seperti ditunjukkan
pada persamaan di bawah ini:
√2
……………………………… (2.6)
2
……………………………… (2.7)
Bila a = g dan s = h maka,
Dimana:
kecepatan [m/s]
gravitasi [m/s2]
ketinggian [m]
Maka persamaan diatas adalah percepatan benda jatuh bebas tergantung
pada jarak atau tinggi benda jatuh dari pusat bumi, ketika sebuah benda padat
jatuh dengan kecepatan sedang, dapat dianggap benda mengalami percepatan
gravitasi seragam, untuk pengertian umum para ilmuan mengambil harga
percepatan gravitasi g = 9,81 m/s2 (Zulfadhli, 2013).
2.5.1.2 Momentum
Sebuah
benda
bergerak
dikatakan
mempunyai
momentum
yang
dinyatakan dengan hasil kali massa benda dengan kecepatan benda (Fisika
Terapan).
[kgm/s] …………………………(2.8)
Dimana:
momentum [kgm/s]
massa [kg]
kecepatan benda bergerak [m/s]
2.5.1.3 Impuls
Impuls sebuah gaya konstan adalah hasil kali gaya dengan selang waktu
yang diperlukan gaya bekerja dengan rumus:
…………………………………..(2.9)
40
Universitas Sumatera Utara
Karena gaya = laju perubahan momentum terhadap waktu = perubahan
momentum dibagi dengan selang waktu yang diperlukan, atau dengan rumus:
⁄ …………………………………(2.10)
Maka impuls = perubahan momentum
[kgm/s]………………..…………(2.11)
Dimana:
impuls [kgm/s]
massa [kg]
kecepatan benda bergerak [m/s]
2.5.1.4 Energi
Energi didefenisikan sebagai kesanggupan untuk melakukan kerja, prinsip
kekekalan energi menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan atau
dimusnakan. Dalam hal ini terdapat dua bentuk energi mekanik yaitu:
1. Energi potensial (Ep) yaitu energi yang dapat dimiliki benda berdasarkan
kedudukan benda, benda mempunyai energi berdasarkan massa dan posisi
(tinggi) benda. Besarnya dapat ditentukan dengan rumus (Zulfadhli, 2013).
…………………………(2.12)
Dimana:
energi potensial [Joule]
massa benda [kg]
gaya gravitasi [m/s2]
ketinggian benda [m]
2. Energi kinetik (Ek) yaitu energi yang dapat dimiliki benda berdasarkan
gerakan benda. Adanya pergerakan benda dari kecepatan awal
kecepatan perubahan
ke
. Besarannya dapat ditentukan dengan rumus:
1⁄2
…………………….. (2.13)
Dimana:
Energi kinetik [Joule]
massa benda [kg]
kecepatan benda jatuh [m/s] (Zulfadhli, 2013).
41
Universitas Sumatera Utara
2.5.1.5 Tegangan
Hasil output yang dihasilkan alat pengujian impak jatuh bebas yaitu gaya
dalam force maka dapat diubah menjadi tegangan yang terjadi dengan
membaginya dengan luas penampang yang terkena testrik. Dapat dilihat pada
persamaan berikut (Gere & Timoshenko).
⁄ ………………………………..(2.14)
Dimana:
= Tegangan [N/m2]
Gaya [N]
= Luaspenampang [m2]
2.5.1.6 Pengukuran Gaya Impak
Kemampuan suatu benda dalam menyerap energi impak diketahui dengan
melakukan pengujian impak. Biasanya yang dilakukan dalam dua jenis metode
yaitu metode Charpy dan metode Izod. Pengujian ini hanya untuk melihat
permukaan dari patahan spesimen yang telah diuji apakah itu getas atau ulet.
Selain itu terdapat juga pengujian yang menggunakan kompressoe\ yaitu Air Gun
Compressor yang terdapat dilaboratorium Impact and Fracture Unit 1 FT. USU
yang mampu meluncurkan stricker
dengan kecepatan yang bervariasi dan
mencapai lebih kurang 50 m/s. Peralatan ini dapat memberikan gambaran
terhadap kenyataan dilapangan dimana benda jatuh dari ketinggian tertentu
dengan kecepatan tinggi.
Akan tetapi pada penelitian ini digunakan pengujian Impak Jatuh Bebas
dengan variasi ketinggian dan pengukuran besar gaya impak digunakan peralatan
load cell yang dirancang dalam bentuk unit portabel. Alat ini juga mampu
mengukur langsung besar gaya ketika sebuah benda yang mempunyai bobot dan
ketinggian tertentu jatuhdan menimpa atau menyentuh alat sensor. Besarnya gaya
impak terbaca langsung pada sebuah alat perekam dan sinyal dengan angka digital
lalu ditampilkan pada destop. Kemampuan pengukuran besar gaya impak alat ini
hanya pada batas 30 KN (Simanjuntak, R.K, 2011).
42
Universitas Sumatera Utara
2.6
Hukum Hooke
Suatu keistimewaan dari diagram-diagram tegangan-regangan dapat
dipergunakan dengan cukup teliti pada hampir semua bahan. Kenyataannya, untuk
jarak tertentu dari titik asal, harga-harga eksperimental dari tegangan vs regangan
pada dasarnya terletak pada satu garis lurus. Hubungan antara tegangan dan
regangan boleh dikatakan berbentuk linier untuk semua bahan, yang disemua
bahan yang dikenal sebagai hukum hooke, hukum ini dinyatakan oleh persamaan:
. atau
⁄ ………………………..(2.15)
Tetapan E merupakan tetapan pembanding tegangan dan regangan yang disebut
sebagai modulus elastisitas atau disebut juga sebagai modulus young. Sedangkan
merupakan tegangan dan
adalah regangan. Secara grafis tetapan E adalah
kemiringan (slope) dari garis lurus yang ditarik dari titik asal kearah sektar titik A,
tegangan yang didapat pada titik A tersebut dinamakan batas proporsional dari
bahan tersebut. Nilai modulus elastis merupakan suatu sifat yang pasti dari suatu
bahan. Dalam eksperimen nilai selalu merupakan nilai yang sangat kecil (Gere
& Timoshenko, 1996).
2.7
Ansys 14.0 Workbench
Ansys 14.0 Workbench adalah suatu perangkat lunak komputer umum
yang mampu menyelesaikan persoalan-persoalan elemen hingga dari permodelan
hingga analisis. Ansys 14.0 Workbench ini digunakan untuk mensimulasikan
semua disiplin ilmu fisika baik statis maupun dinamis, analisis struktural (keduaduanya linier dan nonlinier), perpindahan panas, dinamika fluida, dan
elektromagnetik untuk para enginer.
Ansys 14.0 Workbench dapat mengimport data CAD dan juga
memungkinkan
untuk
membangun
geometri
dengan
kemampuan
yang
“preprocessing”. Demikian pula dalam preprocessor yang sama, elemen hingga
model (jaring alias) yang diperlukan untuk perhitungan dihasilakan. Setelah
mendefenisikan beban dan melakukan analisis, hasil dapat dilihat sebagai numerik
dan grafis.(Ary Fadila, 2013).
2.7.1
Cara Kerja Ansys 14.0 Workbench
43
Universitas Sumatera Utara
Ansys
bekerja
dengan
sistim
metode
elemen
hingga,
dimana
penyelesaiannya pada suatu objek dilakukan dengan pendeskritisasian dimana
membagi atau memecah objek analitis satu rangkaian kesatuan kedalam jumlah
terbatas elemen hingga yaitu menjadi bagian-bagian yang lebih kecil dan
dihubungkan kenode. Hal ini dapat dilihat pada gambar dibawah ini diman setelah
adanya modul geometri berupa pintu mobil konsep urban USU yang telah
digambar dan di buat hasil simulasi di Ansys workbench, untuk jenis q pintu mobil
konsep urban ini.(T.A.Stolarski, Y.Nakason and S.Yoshimoto, 2006)
Hasil yang diperoleh dari Ansys 14.0 Workbench ini berupa pendekatan
dengan menggunakan analisa numerik. Ketelitian sangat bergantung pada cara
memecah model tersebut dan menggabungkannya.
44
Universitas Sumatera Utara