Mengenai Gaya, Tegangan, Tegangan izin, Regangan

Setiap gaya yang bekerja pada suatu material, selalu menimbulkan reaksi berupa gaya dalam dari struktur material (yang besarnya sama tapi berlawanan arah). Bekerjanya gaya ini  pada  penampang permukaan benda  mengakibatkan  terjadinya  tegangan  di  dalam  struktur material benda, karena gaya akan terbagi rata di setiap satuan luas bidang penampangnya. Besarnya gaya yang terjadi akibat pembebanan, disebut sebagai tegangan /stress (σ).

Tegangan/stress didefinisikan sebagai besarnya gaya yang diberikan setiap satu satuan luas penampang material. Tegangan maksimum akibat gaya atau beban maksimum yang mengenai benda, sangat menentukan sekali bagi keberhasilan material benda untuk bertahan dari kerusakan. Karena akan menjadi batasan maksimum bagi kekuatan struktur material benda untuk bertahan dari pembebanan lebih (diluar kondisi normal).

Oleh karena itu untuk menghindari kegagalan material dalam menghadapi pembebanan, besarnya tegangan yang terjadi tidak boleh melebihi kekuatan struktur material . Sehingga pemilihan besar kekuatan bahan material, ditentukan sekali oleh besarnya tegangan akibat beban maksimum. Dalam perhitungan, besar kekuatan material dinyatakan sebagai tegangan izin bahan atau kekuatan bahan (σ ijin).

Hubungan antara besar tegangan pembebanan (σ ) dengan tegangan izin material (σ ijin), dinyatakan oleh faktor keamanan (Sf) sebagai berikut:

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 oleh material.

Sebagai efek  dari kerja gaya dalam  struktur material,  maka  jenis  tegangan tergantung dari jenis gaya yang bekerja, yakni :

a.  Tegangan dan regangan tarik (Tensile stress and strain)

Tegangan tarik (σ _tarik) terjadi akibat bekerjanya gaya tarik ( F_tarik ) pada satuan luas penampang (A) struktur material, sehingga bendanya mengalami perpanjangan. Rasio perbandingan antara  besarnya nilai perpanjangan yang terjadi ( ∆L ) terhadap panjang benda inisial ( L ) disebut sebagai regangan  ( ε ). Secara matematik dapat ditulis :

 

b.  Tegangan dan regangan tekan (Compressive stress and strain)                             

Tegangan tekan ( σ_tekan ) terjadi akibat kerja suatu gaya tekan ( F_tekan ) pada satuan luas penampang ( A ) struktur material elemen mesin, sehingga bendanya mengalami perpendekan. Rasio/perbandingan antara perpendekan yang terjadi ( ∆L ) terhadap panjang  benda  semula (L)  disebut  sebagai  regangan  Secara matematik dapat ditulis :

  

c.  Tegangan dan regangan geser  (Shear stress and strain)

Tegangan geser ( τs ) timbul akibat kerja dari dua gaya geser ( Fs ) yang saling berlawanan arah (aksi – reaksi) terhadap suatu bidang geser, pada satuan luas bidang  penampang  tahanan  elemen  mesin  (A).  Sehingga  bidang  penampang tersebut  mengalami  regangan  geser  (mulai  akan  tergunting)  searah  bekerjanya gaya, sebesar sudut  (φ ) terhadap sumbu benda yang tergeser. Secara matematik dapat ditulis :

τs   =  Fs / A          dan          G =  τs / φ

dimana :

G = modulus geser / kekakua (rigidity) material benda yang mengalami geseran.

 

Kondisi pergeseran pada bidang penampang benda tahanan :

 d.  Tegangan luluh (Crushing / Bearing stress)

Merupakan tegangan yang timbul akibat terkonsentrasi / terpusatnya gaya tekan pada suatu daerah kontak yang sangat kecil, diantara dua elemen mesin yang sedang melakukan kerja sama dalam meneruskan tenaga. Tegangan jenis ini umumnya terjadi pada  elemen  /  komponen  yang  berfungsi  sebagai  penyambung  /  pengunci, seperti : pasak, paku keling, pin, baut, lasan dan lain-lain.

Dari gambar diatas terlihat, distribusi gaya tekan pada pin akibat tarikan mata setang tidak merata, karena akan dipengaruhi oleh bentuk permukaan kontak dan sifat fisik material kedua komponen. Kesulitan dalam menentukan distribusi tegangan akibat hal tersebut, umumnya disederhanakan dengan mengambil luas proyeksi daerah kontaknya pada sumbu benda yang tegak lurus terhadap arah kerja gaya. Dengan demikian persamaan tegangannya adalah :

τb   =  Fb  / Ab

dimana :

Ab       =   luas proyeksi permukaan kontak pada sumbu benda (pin) yang tegak lurus terhadap arah kerja    gaya
=    l  . d

l           =    panjang daerah kontak

d          =    diameter pin