pengukuran energi impak helmet sepeda motor akibat beban impak

Jurnal Dinamis,Volume I, No.9, Juni 2011
ISSN 0216-7492
PENGUKURAN ENERGI IMPAK HELMET SEPEDA MOTOR
AKIBAT BEBAN IMPAK JATUH BEBAS DENGAN ANVIL PLAT
DATAR
Oleh: Rahmat Kartolo Simanjuntak
Dosen Kopertis Wilayah I
Abstract
The traffic accident doesn’t involved by the velocity but also gravitational. Therefore, the
research activity is done by researcher obtains the energy of impact loading on the helmet. The
information which is obtained from this research will explain the effect of the impact energy on
helmet to user, industry, and also government. The objective of this research involves the
measuring the impact load, impact stress, and the energy absorbing by helmet as effect of
impact loading. The researcher collaborates with the Impact and Fracture Research Center
(IRFC) that has built the testing apparatus which is equipped with good acquisition data system.
The helmet is put on the adjustable testing rig. The impact time can be measured by eight
inductive proximity sensors. The helmet will be slide down and collide the anvil. The force will be
measured with the load cell which is put down the anvil type of flat plat. The data will be
transferred from the load cell into the DAQ system which has function to change the analog into
digital signal. Finally, the data will be saved into PC as the force (N) and the impact time (ms).
The free-fall impact testing equipment has shown the best performance on the force and impact
time signal reading as long as the research activity. The maximum impact force is 24.33 N;
impact stress is 2.7 kPa at the elevation of 0.75 m. The minimum energy which causes the
fracture on the helmet is 17.57 J at same elevation.
Keywords: impact energy, impact load, impact stress, anvil, free-fall impact.
1. PENDAHULUAN
Gelombang regangan adalah
gelombang mekanis, yaitu gelombang
yang memerlukan suatu medium
tertentu untuk dapat mentransmisikan
ke bagian yang lain. Kecepatan rambat
gelombang tersebut bergantung pada
sifat-sifat medium yang dilaluinya.
Berdasarkan
arah
perambatannya, gelombang regangan
dibedakan atas 2 bagian, yaitu: (1)
gelombang
transversal,
dan
(2)
gelombang longitudinal. Gelombang
transversal memiliki arah gerakan
partikel yang tegak lurus terhadap arah
perambatan, sedangkan gelombang
longitudinal memiliki arah yang sejajar
dengan arah perambatan. Pada
penelitian ini konsep yang digunakan
ialah rambatan gelombang longitudinal
sebagai dasar pembahasan teori
kekuatan
tarik
impak.
Perilaku
gelombang longitudinal pada sebuah
batang
logam
secara
skematis
diperlihatkan pada Gambar 1. Gaya
impak diberikan pada ujung kiri batang
yang mengakibatkan batang bergerak
ke kanan dengan kecepatan C1, pada
waktu t.
C
V
o
,t
C l, t
Gambar 1. Skema rambatan
gelombang impak
Sebelum beban impak diberikan,
batang impak mempunyai kecepatan
V1 sedangkan batang penerus dan
spesimen mempunyai kecepatan yang
sama yaitu: V2= V3 = 0. Pada bidang
antar muka akan terjadi keseimbangan
gaya, atau akan terjadi aksi dan reaksi
antara kedua batang tersebut, yang
dapat dinyatakan dengan hubungan
1A1 = 2A2, dimana 1 adalah
tegangan pada batang 1, 2 adalah
tegangan pada batang 2, A1 ialah luas
penampang batang 1, dan A2 adalah
luas penampang batang 2.
21
Jurnal Dinamis,Volume I, No.9, Juni 2011
Berdasarkan
persamaan
impulsdan
diperoleh hubungan :
hubungan
momentum
  EV
(1)
dimana: = tegangan impak, = massa
jenis bahan, E= modulus Young, dan
V=
kecepatan
partikel.
Dengan
demikian pada batang impak yang
bergerak dengan kecepatan V1 akan
timbul tegangan sebesar:
 1  1 E1 V1  1 E1V '
(2)
ISSN 0216-7492
Tujuan penelitian ini adalah untuk
mendapatkan gaya impak, tegangan
impak, serta energi impak akibat beban
impak jatuh bebas pada helmet sepeda
motor.
2. METODOLOGI
Spesimen yang diuji ialah helmet
sepeda motor yang diletakkan pada
test rig khusus. Test rig ini dapat diatur
ketinggian jatuhnya dengan ketinggian
jatuh maksimum 4 m. Posisi helmet
pada test rig diperlihatkan pada gambar
2.
Selanjutnya jika ditinjau pada batang 2,
yang bergerak dengan kecepatan V’,
maka dapat ditentukan tegangan pada
batang 2, yaitu:
V' 
2
2E2
(3)
Tegangan
impak
yang
ditransmisikan ke input bar dan
spesimen tersebut ditentukan oleh
kecepatan batang impak dan sifat-sifat
mekanisnya.
Bila
luas
kedua
penampang sama besar, maka  = 1
= 2.
Tegangan yang masuk dari ujung
kiri input bar sebesar  akan timbul
pada interface input bar dan spesimen
pada saat t2 = l2/C0,2 dimana l2
adalah panjang input bar dan C0,2
adalah kecepatan gelombang elastis
pada input bar. Dalam hal ini, ada tiga
bentuk gelombang tegangan yang
terlibat, yaitu: Tegangan yang terjadi
(), Tegangan yang ditransmisikan
(T), Tegangan yang direfleksikan
(R).
Untuk material yang mempunyai
sifat mekanis dan dimensi yang sama
maka dengan mensubstitusikan harga
E2 = E3, Co2 = Co3, A2 = A3, dan L2 =
L3 ke dalam persamaan (E.9) dan
(E.10), diperoleh T = 0 dan R = 0. Ini
berarti
besar
tegangan
yang
ditransmisikan adalah sama dengan
tegangan yang masuk, dan tidak ada
tegangan yang direfleksikan.
Gambar 2. Spesimen uji
Batang
penerus
yang
dipergunakan pada penelitian ini
terbuat dari besi St.37 dengan ukuran
diameter 100 mm dan panjang 150
mm.
Bentuk
batang
penerus
diperlihatkan pada gambar 3.
Gambar 3. Batang penerus
Pada bagian tengah diberikan
landasan pengujian yang dikenal
dengan istilah anvil. Bentuk anvil yang
22
Jurnal Dinamis,Volume I, No.9, Juni 2011
ISSN 0216-7492
dipergunakan ialah bentuk plat datar
seperti diperlihatkan pada gambar 4.
Gambar 6. Susunan alat uji.
Gambar 4. Anvil plat datar
Untuk mengukur besarnya beban
impak dan gelombang regangan yang
terjadi dipergunakan sensor gaya yang
bekerja menggunakan strain gage full
bridge dengan tahanan SG 350 ohm.
Alat ini dikenal juga dengan istilah load
cell dengan bentuk diperlihatkan pada
gambar 5.
Skematik pengukuran beban
impak jatuh bebas diperlihatkan pada
gambar 7.
Alat Sensor
Pengolah Data
Aqusisi (DAQ)
Pengkondisi Sinyal
Penampil Sinyal
Perangkat
Load Cell
Digital
Komputer
Gambar 7. Skematik pengukuran data.
Gambar 5. Sensor beban impak.
Kemampuan alat ini dapat
menerima beban dan mengukur gaya
impak hingga 30.000 kg dan untuk
penggunaannya,
alat
ini
sudah
mendapatkan sertifikat kalibrasi dari
Komite Akreditasi Nasional untuk
20.000
kg.
Susunan
alat
uji
selengkapnya
diperlihatkan
pada
gambar 6.
Akibat tumbukan benda jatuh
bebas pada alat sensor, maka timbul
gelombang
tegangan
tekan
(compressive stress wave) pada batang
penerus. Gelombang tersebut akan
ditangkap oleh pengolah sinyal (signal
conditioner) dengan cara mengukur
perubahan tahanan listrik ΔR/R yang
sebanding regangan yang diterima
strain gage melalui bridge box.
Selanjutnya dengan menggunakan
pengkondisian
sinyal,
perubahan
tersebut dikonversikan dalam bentuk
tegangan listrik. Sinyal-sinyal tersebut
diteruskan dalam bentuk gelombang
dan selanjutnya ditampilkan pada
penampil sinyal dalam bentuk digital
sehingga dapat terbaca langsung.
Akhirnya sinyal tersebut diteruskan ke
perangkat
komputer
yang
telah
dilengkapi
dengan
software
pengukuran khusus.
23
Jurnal Dinamis,Volume I, No.9, Juni 2011
3. HASIL PENGUJIAN
Arata-rata = 0,0095 m2
0.0200
0.0165
0.0130
0.0095
0.0060
0.0025
-0.0010
0.0093 0.00790.0113
0
1
2
3
mampu diserap helmet pada tiga kali
pengujian dengan ketinggian impak
yang
sama
akan
menyebabkan
penurunan kekuatan helmet tersebut.
Dengan kata lain pada pengujian
pertama dan kedua kekuatannya masih
cukup bagus, tapi pada pengujian
ketiga
kemungkinan
terjadinya
deformasi yang cukup besar sehingga
hanya dengan beban yang relatif lebih
kecil
helmet
telah
mengalami
kerusakan. Data impuls yang terjadi
diperlihatkan pada gambar 11.
22
.5
3
30
4
Gaya (N)
Luas Penampang
(m2)
Luas daerah pembebanan pada
pengujian ini diperlihatkan pada
gambar 8, dengan nilai rata-rata ialah
sebesar 0,0095 m2.
ISSN 0216-7492
No. Pengujian
Gambar 8. Luas daerah pembebanan
rata-rata.
20
10
0
0
Waktu (ms)
Gaya dan tegangan hasil uji
impak untuk ketinggian jatuh 0,75 m
berturut-turut
diperlihatkan
pada
gambar 9 dan 10.
1
6
.
2
Gaya (N)
25
20
15
10
5
0
-50
150
Waktu…
Gambar 11. Hasil pengukuran impuls.
Energi impak yang dapat diserap
helmet selama pengujian diperlihatkan
pada gambar 12.
Gambar 9. Gaya impak hasil pengujian.
0
500
Energi Impak (J)
Tegangan (kPa)
18.00
2.371
2.180
1.707
2.500
2.000
1.500
1.000
0.500
0.000
1000
Waktu(ms)
17.57
17.50
17.00
16.50
16.00
15.75
15.50
0
1
2
3
No. Uji
Gambar 10. Tegangan impak hasil
pengujian
Gambar 12. Energi hasil pengujian
impak.
Berdasarkan data-data hasil pengujian
terlihat bahwa beban impak yang
Berdasarkan
data
tersebut
besarnya perbedaan energi yang
24
Jurnal Dinamis,Volume I, No.9, Juni 2011
diserap pada pengujian pertama
dengan ketinggian jatuh 0,75 m adalah
sebesar 0,67 J atau sekitar 3,8%.
Kemudian pada pengujian kedua
dengan helm yang sama pada masingmasing perlakuan anvil diperoleh
penyerapan
yang
lebih
kecil
dibandingkan
dengan
pengujian
pertama. Besarnya perbedaan energi
ialah 0,21 J atau hanya sekitar 1,3%.
Dengan demikian terlihat bahwa energi
impak yang diserap oleh spesimen
yang sama dengan pengujian berulangulang akan semakin kecil. Hal ini
kemungkinan disebabkan energi impak
tersebut
dikonversikan
menjadi
perubahan deformasi dalam spesimen.
4. KESIMPULAN
Gaya impak hasil pengujian
helmet sepeda motor pada ketinggian
0,75 m yang dilakukan selama tiga kali
percobaan dengan spesimen yang
sama berturut-turut ialah 25,53 N,
20,72 N, dan 16,22 N. Data ini
memperlihatkan penurunan gaya impak
yang terjadi seiring semakin besarnya
deformasi yang terjadi. Sedangkan
tegangan impak yang dihasilkan
dengan luas permukaan impak ratarata 0,0095 m2 berturut-turut ialah 2,37
kPa, 2,18 kPa, dan 1,70 kPa. Data-data
ini menunjukkan bahwa kekuatan
helmet sepeda motor akan mengalami
penurunan apabila dikenai beban
impak berulang-ulang. Sejalan dengan
penurunan
kedua
parameter
sebelumnya,
energi
impak
juga
mengalami penurunan dari pengujian
pertama dan kedua, yaitu sebesar
3,8%.
ISSN 0216-7492
Kolsky, H., An Investigation of The
Mechanical
Properties
of
Materials at Very High Rate of
Loading, Proc. Phys. Soc.
(London), B62, 676-700 (1949).
Robert Metz, Impact and Drop Testing
with ICP® Force Sensors, PCB
Piezotronics, Inc, Automotive
Testng Expo, North America
USA, 2006.
Standar Nasional Indonesia, Helm
Pengendara Kendaraan Bermotor
Roda Dua untuk Umum, SNI 191911-1990.
Syam, B., A Measuring Method for
Impact Tensile Strength and
Impact Fracture Behaviors of
Brittle Materials, A Doctoral
Dissertation, Muroran Institute of
Technology, Muroran, Japan,
March 1996, pp. 29-98.
Syam
B, Nayan A, Penyelidikan
Perilaku Mekanik Helm Industri
Akibat Beban Impak Kecepatan
Tinggi,
Prosiding
Seminar
Material
dan
Struktur
(MASTRUCT), Medan, Januari,
2004.
Yanagihara, N., Theory of OneDimensional Elastic Wave for the
Measurement of the Impact
Force, Bulletin of JSME, vol. 43,
1977, pp. 40-48.
DAFTAR PUSTAKA
Japan International Standard for Safety
Helmet, T-8131, Japan, 1977.
Johnson, W., Impact Strength of
Materials,
Edward
Arnold,
London, 1972.
25