Sifat-sifat Bahan Teknik (1)

1. Pendahuluan
Dalam pemakaiannya, semua partikel dan struktur logam akan terkena pengaruh gaya luar yang dapat menimbulkan tegangan- tegangan sehingga menimbulkan deformasi atau perubahan bentuk. Untuk menjaga terhadap akibat yang timbul dari adanya tegangan-tegangan tersebut serta mempertahankannya pada batas- batas yang diperbolehkan bagi suatu pembebanan, maka diperlukan pemahaman tentang bahan-bahan yang cocok untuk suatu keperluan dari berbagai perencanaan.
Pembuatan barang jadi atau setengah jadi, mestinya sudah didasarkan atas sifat-sifat yang khas dari bahan, baik kekerasanya, keuletannya, kekokohannya, dsb. Pengetahuan yang mendalam dari sifat- sifat yang khas tersebut didasarkan pada hasil percobaan yang diselenggarakan berbagai keadaan beban, arah beban, serta dalam waktu pembebanan.
Percobaaan bahan untuk mengetahui sifat- sifat yang dimiliki itu dapat dilakukan dengan beban statis, dinamis, atau kedua-duanya. Percobaan dengan beban statis ialah apabila beban ditingkatkan secara teratur sedikit demi sedikit. Misalnya pada percoban tarik, percobaan puntir, percobaan bengkok, dan kompresi. Percobaan dengan beban dinamis adalah apabila beban ditingkatkan secara cepat dan mendadak. Percobaan berulang- ulang atau fatique (gabungan antara beban statis dan beban dinamis), ialah apabila bebannya diberikan secara berulang-ulang dan berubah- ubah arahnya maupun besarnya beban.

2. Sifat Mekanis
Sifat mekanik bahan adalah: hubungan antara respons atau deformasi bahan terhadap beban yang bekerja. Sifat mekanik : berkaitan dengan kekuatan, kekerasan, keuletan, dan kekakuan.

a. Stress Dan Strain
Stress = tegangan .
Strain = regangan .
Bahan dapat dibebani dengan 3 cara : tarik, tekan, geser (gunting).

Tipe pembebanan pada bahan

b. Uji Tarik
Adalah salah satu uji stress-strain mekanik yang bertujuan untuk mengetahui kekuatan bahan terhadap gaya tarik. Dalam pengujiannya, bahan uji ditarik sampai putus.

Regangan Teknik

Tegangan Teknik

C. Uji tekan
Bahan uji diberikan gaya tekan. Rumus tegangan dan regangan sama dengan yang dipakai pada uji tarik, hanya tanda beban negative (tekan). Hasil uji akan memberikan harga negative.
tegangan geser di rumuskan

d. Regangan Geser
Regangan geser dilambangkan γ merupakan tangen θ.
e. Torsi
Torsi adalah variasi dari gaya geser murni. Bahan uji diberikan gaya puntir yang akan menimbulkan gerak putar pada sumbu penggerak atau mesin bor

Bersambung...

Torsi

Pengantar

Dalam pokok bahasan hukum II newton, kita belajar bahwa sebuah benda bisa bergerak lurus dengan percepatan tertentu jika diberikan gaya. Misalnya terdapat sebuah buku yang terletak di atas meja. Mula-mula buku itu diam (kecepatan = 0). Setelah diberikan gaya dorong, buku itu bergerak dengan kecepatan tertentu. Buku mengalami perubahan kecepatan (dari diam menjadi bergerak) akibat adanya gaya. Perubahan kecepatan = percepatan. Kita bisa mengatakan bahwa buku mengalami percepatan akibat adanya gaya. Semakin besar gaya yang diberikan, semakin besar percepatan gerak buku itu. Jadi dalam gerak lurus, gaya sebanding dengan percepatan linear benda.

Bagaimana-kah dengan gerak rotasi ?

Hubungan antara Gaya, Lengan Gaya (Lengan Torsi) dan Percepatan Sudut

Untuk memahami persoalan ini, pahami ilustrasi berikut ini. Kita tinjau sebuah benda yang berotasi. Misalnya pintu rumah. Btw, ketika kita membuka dan menutup pintu, pintu juga melakukan gerak rotasi. Engsel yang menghubungkan pintu dengan tembok berperan sebagai sumbu rotasi.

Ini gambar pintu (dilihat dari atas). Misalnya kita mendorong pintu dengan gaya yang sama (F₁ = F₂). Mula-mula kita mendorong pintu dengan gaya F₁ yang berjarak r₁ dari sumbu rotasi. Setelah itu kita mendorong pintu dengan gaya F₂ yang berjarak r₂ dari sumbu rotasi. Walaupun besar dan arah Gaya F₁ = F₂, Gaya F₂ akan membuat pintu berputar lebih cepat dibandingkan dengan Gaya F₁. Dengan kata lain, gaya F₂ menghasilkan percepatan sudut yang lebih besar dibandingkan dengan gaya F₁. Masa sich ? serius… dirimu bisa membuktikan dengan mendorong pintu di rumah.

Jadi dalam gerak rotasi, percepatan sudut tidak hanya bergantung pada Gaya saja, tetapi bergantung juga pada jarak tegak lurus antara sumbu rotasi dengan garis kerja gaya. Jarak tegak lurus dari sumbu rotasi ke garis kerja gaya, dinamakan lengan gaya alias lengan torsi. Pada contoh di atas, Lengan gaya untuk F₁ adalah r₁, sedangkan lengan gaya untuk F₂ adalah r₂.

Catatan :

Mengenai lengan gaya, selengkapnya dipelajari pada penjelasan di bawah. Untuk ilustrasi di atas, lengan gaya = r, karena garis kerja gaya (arah gaya) tegak lurus sumbu rotasi.

Kita bisa menyimpulkan bahwa percepatan sudut yang dialami benda yang berotasi berbanding lurus dengan hasil kali Gaya dengan lengan gaya. Hasil kali antara gaya dan lengan gaya ini dikenal dengan julukan Torsi alias momen gaya. Jadi percepatan sudut benda sebanding alias berbanding lurus dengan torsi. Semakin besar torsi, semakin besar percepatan sudut. Semakin kecil torsi, semakin kecil percepatan sudut (percepatan sudut =perubahan kecepatan sudut)

Secara matematis, hubungan antara Torsi dengan percepatan sudut dinyatakan sebagai berikut :

Hubungan antara Arah Gaya dengan Lengan Gaya

Pada penjelasan di atas, arah gaya F₁ dan F₂ tegak lurus pintu. Kali ini kita mencoba melihat beberapa kondisi yang berbeda. Perhatikan gambar di bawah.

Gambar pintu (dilihat dari atas). Pada gambar a, garis kerja gaya tegak lurus terhadap r (garis kerja gaya membentuk sudut 90^o). Pada gambar b, garis kerja gaya membentuk sudut teta terhadap r. Pada Gambar c, garis kerja gaya berhimpit dengan r (garis kerja gaya menembus sumbu rotasi). Walaupun besar gaya sama, tapi karena arah gaya berbeda, maka besar lengan gaya juga berbeda. Lengan gaya l₁ lebih besar dari lengan gaya l₂. Sedangkan lengan gaya l₃ = 0 karena garis kerja gaya F₃ berhimpit dengan sumbu rotasi.

Untuk menentukan lengan gaya, kita bisa menggambarkan garis dari sumbu rotasi menuju garis kerja gaya, di mana garis dari sumbu rotasi harus tegak lurus alias membentuk sudut siku-siku dengan garis kerja gaya.

Persamaan Lengan Gaya

Untuk membantu menurunkan persamaan lengan gaya, mari menggunakan bantuan gambar

Amati gambar di atas. Garis kerja gaya membentuk sudut teta terhadap r.

Apabila garis kerja gaya tegak lurus r (gambar a), maka besar lengan gaya adalah :

Apabila garis kerja gaya berhimpit dengan r (gambar c), maka besar lengan gaya adalah :

BESAR TORSI

Torsi adalah hasil kali antara gaya dan lengan gaya. Secara matematis, torsi dirumuskan sebagai berikut :

Jika arah gaya tegak lurus r, maka sudut yang dibentuk adalah 90^o. Dengan demikian, besar Torsi untuk kasus ini adalah :

Jika arah gaya berhimpit dengan r, maka sudut yang dibentuk adalah 0^o. Dengan demikian, besar Torsi untuk kasus ini adalah :

Para fisikawan sering menggunakan istilah torsi sedangkan para insnyur sering menggunakan istilah Momen Gaya.

Satuan Sistem Internasional untuk Torsi adalah Newton meter. Satuan Torsi tetap Newton meter, bukan joule, karena torsi bukan energi.

ARAH TORSI

Torsi merupakan besaran vector, sehingga selain mempunyai besar, torsi juga mempunyai arah. Apabila arah rotasi berlawanan dengan putaran jarum jam, maka Torsi bernilai positif. Sebaliknya, apabila arah rotasi searah dengan putaran jarum jam, maka arah torsi bernilai negative. Untuk menentukan arah torsi, kita menggunakan kaidah alias aturan tangan kanan. Untuk mempermudah pemahamanmu, perhatikan gambar di bawah.

Pintu didorong ke depan

Catatan :

Arah gaya F pada gambar di bawah tidak tegak lurus ke atas alias tidak menuju ke langit. Arah gaya menembus pintu. Jadi pintunya dilihat dari atas. Bayangkanlah dirimu mendorong pintu ke depan, di mana arah doronganmu tegak lurus pintu itu.

Gambar pintu (dilihat dari atas). Misalnya kita mendorong pintu dengan gaya F, di mana arah gaya tegak lurus r. Bagaimana-kah arah Torsi untuk kasus ini ? gampang… Gunakan aturan tangan kanan. Rentangkan jari tangan kanan dan usahakan supaya posisi keempat jari tangan kanan sejajar dengan arah gaya F. setelah itu, putar keempat jari tangan kanan menuju sumbu rotasi (ke kiri). Arah yang ditunjukkan oleh Ibu Jari adalah arah Torsi. Untuk contoh di atas, putaran keempat jari tangan kanan berlawanan dengan putaran jarum jam. Arah torsi tegak lurus ke atas (menuju langit)

Pintu didorong ke belakang

Catatan :

Arah gaya F pada gambar di bawah tidak tegak lurus ke bawah alias tidak menuju ke tanah. Arah gaya menembus pintu. Bayangkanlah dirimu mendorong pintu dari depan, di mana arah doronganmu tegak lurus pintu itu.

Gunakan aturan tangan kanan lagi untuk menentukan arah torsi. Rentangkan jari tangan kanan dan usahakan supaya posisi keempat jari tangan kanan sejajar dengan arah gaya F. setelah itu, putar keempat jari tangan kanan menuju sumbu rotasi. Arah yang ditunjukkan oleh Ibu Jari adalah arah Torsi. Untuk kasus ini, putaran keempat jari tangan kanan searah dengan putaran jarum jam. Arah torsi tegak lurus ke bawah (menuju ke dalam tanah). Arah Torsi bernilai negative karena putaran searah dengan arah putaran jarum jam.

Contoh Soal 1 :

Seorang kakek mendorong pintu, di mana arah dorongan tegak lurus pintu (lihat gambar di bawah). Tentukan Torsi yang dikerjakan sang kakek terhadap pintu…

Panduan Jawaban :
Guampang sekali….


Untuk contoh di atas, lengan gaya (l) = jarak gaya dari sumbu rotasi (r), karena garis kerja gaya tegak lurus pintu.



Arah torsi ?
Perhatikan arah rotasi alias arah putaran pintu pada gambar di atas. Arah torsi tegak lurus ke langit… mudahnya seperti ini. Putar keempat jari tangan kananmu searah dengan arah rotasi. Arah yang ditunjukkan oleh ibu jari adalah arah torsi. Arah rotasi berlawanan dengan jarum jam, sehingga torsi bernilai positif.

Level 1 selesai… next mision

Contoh Soal 2 :
Seorang bayi yang sangat superaktif sedang merangkak di dekat pintu, lalu mendorong tepi pintu dengan gaya sebesar 2 N. Jika lebar pintu 1 meter dan arah dorongan si bayi yang nakal itu membentuk sudut 60^o terhadap pintu, tentukan torsi yang dikerjakan bayi (amati gambar di bawah).

Panduan Jawaban :
Soal gini ma guampang


Sekarang kita hitung Torsi yang dikerjakan si bayi yang supernakal tadi :

Ya, kecil sekali…
Arah torsi kemana-kah ?
Perhatikan arah rotasi alias arah putaran pintu pada gambar di atas. Arah rotasi berlawanan dengan jarum jam, sehingga torsi bernilai postif. Arah torsi tegak lurus ke langit… mudahnya seperti ini. Putar keempat jari tangan kananmu searah dengan arah rotasi. Arah yang ditunjukkan oleh ibu jari adalah arah torsi.

NB :
Seandainya si bayi memberikan gaya dorong yang arahnya tegak lurus pintu, berapa Torsi-nya ? yang ini hitung sendiri ya…..

Level 2 selesai… next mision

Contoh Soal 3 :
Seorang tukang memasang sebuah mur menggunakan sebuah kunci, seperti tampak pada gambar. Jika besar gaya yang diberikan 40 N dan garis kerja gaya membentuk sudut 45^o terhadap r, tentukan besar lengan gaya dan torsi yang dikerjakan pada mur tersebut (r = 0,2 meter)

Panduan Jawaban :
Terlebih dahulu kita hitung lengan gaya alias lengan torsi :
Wah, lengan gaya Cuma 0,14 meter.
Sekarang kita hitung besar Torsi :

Arah torsi bagaimana-kah ?
Perhatikan gambar di atas. Arah rotasi searah dengan putaran jarum jam (kunci di tekan ke bawah). Dengan demikian, arah torsi menuju ke dalam (arah gerakan mur ke dalam). Untuk kasus ini, sepertinya om tukang memasang mur. Untuk memudahkan pemahamanmu, gunakan aturan tangan kanan. Posisikan tangan kananmu hingga sejajar dengan kunci (ujung jari tanganmu berada di tepi kunci/sekitar F) . Setelah itu, putar keempat jari tanganmu menuju sumbu rotasi (diputar ke bawah/searah putaran jarum jam). Nah, arah ibu jari menunjukan arah torsi.
Level 3 selesai…..

Referensi

Giancoli, Douglas C., 2001, Fisika Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penerbit Erlangga

Halliday dan Resnick, 1991, Fisika Jilid I, Terjemahan, Jakarta : Penerbit Erlangga

Tipler, P.A.,1998, Fisika untuk Sains dan Teknik-Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penebit Erlangga

Young, Hugh D. & Freedman, Roger A., 2002, Fisika Universitas (terjemahan), Jakarta : Penerbit Erlangga

Mengenal Uji Tarik dan Sifat-sifat Mekanik Logam

Untuk mengetahui sifat-sifat suatu bahan, tentu kita harus mengadakan pengujian terhadap bahan tersebut. Ada empat jenis uji coba yang biasa dilakukan, yaitu uji tarik (tensile test), uji tekan (compression test), uji torsi (torsion test), dan uji geser (shear test). Dalam tulisan ini kita akan membahas tentang uji tarik dan sifat-sifat mekanik logam yang didapatkan dari interpretasi hasil uji tarik.
Uji tarik mungkin adalah cara pengujian bahan yang paling mendasar. Pengujian ini sangat sederhana, tidak mahal dan sudah mengalami standarisasi di seluruh dunia, misalnya di Amerika dengan ASTM E8 dan Jepang dengan JIS 2241. Dengan menarik suatu bahan kita akan segera mengetahui bagaimana bahan tersebut bereaksi terhadap tenaga tarikan dan mengetahui sejauh mana material itu bertambah panjang. Alat eksperimen untuk uji tarik ini harus memiliki cengkeraman (grip) yang kuat dan kekakuan yang tinggi (highly stiff). Brand terkenal untuk alat uji tarik antara lain adalah antara lain adalah Shimadzu, Instron dan Dartec.
1. Mengapa melakukan Uji Tarik?
Banyak hal yang dapat kita pelajari dari hasil uji tarik. Bila kita terus menarik suatu bahan (dalam hal ini suatu logam) sampai putus, kita akan mendapatkan profil tarikan yang lengkap yang berupa kurva seperti digambarkan pada Gbr.1. Kurva ini  menunjukkan hubungan antara gaya tarikan dengan perubahan panjang. Profil ini sangat diperlukan dalam desain yang memakai bahan tersebut.

Gbr.1 Gambaran singkat uji tarik dan datanya

Biasanya yang menjadi fokus perhatian adalah kemampuan maksimum bahan tersebut dalam menahan beban. Kemampuan  ini umumnya disebut “Ultimate Tensile Strength” disingkat dengan UTS, dalam bahasa Indonesia disebut tegangan tarik maksimum.

Hukum Hooke (Hooke’s Law)
Untuk hampir semua logam, pada tahap sangat awal dari uji tarik, hubungan antara beban atau gaya yang diberikan berbanding lurus dengan perubahan panjang bahan tersebut. Ini disebut daerah linier atau linear zone. Di daerah ini, kurva pertambahan panjang vs beban mengikuti aturan Hooke sebagai berikut:

rasio tegangan (stress) dan regangan (strain) adalah konstan

Stress adalah beban dibagi luas penampang bahan dan strain adalah pertambahan panjang dibagi panjang awal bahan.
Stress:  σ = F/A           F: gaya tarikan, A: luas penampang
Strain:  ε  = ΔL/L        ΔL: pertambahan panjang, L: panjang awal
Hubungan antara stress dan strain dirumuskan:
E = σ / ε
Untuk memudahkan pembahasan, Gbr.1 kita modifikasi sedikit dari hubungan antara gaya tarikan dan pertambahan panjang menjadi hubungan antara tegangan dan regangan (stress vs strain). Selanjutnya  kita dapatkan Gbr.2, yang merupakan kurva standar ketika melakukan eksperimen uji tarik.  E adalah gradien kurva dalam daerah linier, di mana perbandingan tegangan (σ) dan regangan (ε) selalu tetap. E diberi nama  “Modulus Elastisitas” atau “Young Modulus”. Kurva yang menyatakan hubungan antara strain dan stress seperti ini kerap disingkat kurva SS (SS curve).

Gbr.2 Kurva tegangan-regangan

Bentuk bahan yang diuji, untuk logam biasanya dibuat spesimen dengan dimensi seperti pada Gbr.3 berikut.

Gbr.3 Dimensi spesimen uji tarik (JIS Z2201).

Gbr.4 Ilustrasi pengukur regangan pada spesimen

Perubahan panjang dari spesimen dideteksi lewat pengukur regangan (strain gage) yang ditempelkan pada spesimen seperti diilustrasikan pada Gbr.4. Bila pengukur regangan ini mengalami perubahan panjang dan penampang, terjadi perubahan nilai hambatan listrik yang dibaca oleh detektor dan kemudian dikonversi menjadi perubahan regangan.


2. Detail profil uji tarik dan sifat mekanik logam

Sekarang akan kita bahas profil data dari tensile test secara lebih detail. Untuk keperluan kebanyakan analisa teknik, data yang didapatkan dari uji tarik dapat digeneralisasi seperti pada Gbr.5.

Gbr.5 Profil data hasil uji tarik

Kita akan membahas istilah mengenai sifat-sifat mekanik bahan dengan berpedoman pada hasil uji tarik seperti pada Gbr.5. Asumsikan bahwa kita melakukan uji tarik mulai dari titik O sampai D sesuai dengan arah panah dalam gambar.

Batas elastisσ_E ( elastic limit)
Dalam Gbr.5 dinyatakan dengan titik A. Bila sebuah bahan diberi beban sampai pada titik A, kemudian bebannya dihilangkan, maka bahan tersebut akan kembali ke kondisi semula (tepatnya hampir kembali ke kondisi semula) yaitu regangan “nol” pada titik O (lihat inset dalam Gbr.5). Tetapi bila beban ditarik sampai melewati titik A, hukum Hooke tidak lagi berlaku dan terdapat perubahan permanen dari bahan. Terdapat konvensi batas regangan permamen (permanent strain) sehingga masih disebut perubahan elastis yaitu kurang dari 0.03%, tetapi sebagian referensi menyebutkan 0.005% . Tidak ada standarisasi yang universal mengenai nilai ini. [1]
Batas proporsional σ_p (proportional limit)
Titik sampai di mana penerapan hukum Hook masih bisa ditolerir. Tidak ada standarisasi tentang nilai ini. Dalam praktek, biasanya batas proporsional sama dengan batas elastis.

Deformasi plastis (plastic deformation)
Yaitu perubahan bentuk yang tidak kembali ke keadaan semula. Pada Gbr.5 yaitu bila bahan ditarik sampai melewati batas proporsional dan mencapai daerah landing.
Tegangan luluh atas σ_uy (upper yield stress)
Tegangan maksimum sebelum bahan memasuki fase daerah landing peralihan deformasi elastis ke plastis.
Tegangan luluh bawah σ_ly (lower yield stress)
Tegangan rata-rata daerah landing sebelum benar-benar memasuki fase deformasi plastis. Bila hanya disebutkan tegangan luluh (yield stress), maka yang dimaksud adalah tegangan ini.
Regangan luluh ε_y (yield strain)
Regangan permanen saat bahan akan memasuki fase deformasi plastis.
Regangan elastis ε_e (elastic strain)
Regangan yang diakibatkan perubahan elastis bahan. Pada saat beban dilepaskan regangan ini akan kembali ke posisi semula.
Regangan plastis ε_p (plastic strain)
Regangan yang diakibatkan perubahan plastis. Pada saat beban dilepaskan regangan ini tetap tinggal sebagai perubahan permanen bahan.

Regangan total (total strain)
Merupakan gabungan regangan plastis dan regangan elastis, ε_T = ε_e+ε_p. Perhatikan beban dengan arah OABE. Pada titik B, regangan yang ada adalah regangan total. Ketika beban dilepaskan, posisi regangan ada pada titik E dan besar regangan yang tinggal (OE) adalah regangan plastis.
Tegangan tarik maksimum TTM (UTS, ultimate tensile strength)
Pada Gbr.5 ditunjukkan dengan titik C (σ_β), merupakan besar tegangan maksimum yang didapatkan dalam uji tarik.
Kekuatan patah (breaking strength)
Pada Gbr.5 ditunjukkan dengan titik D, merupakan besar tegangan di mana bahan yang diuji putus atau patah.
Tegangan luluh pada data tanpa batas jelas antara perubahan elastis dan plastis
Untuk hasil uji tarik yang tidak memiliki daerah linier dan landing yang jelas, tegangan luluh biasanya didefinisikan sebagai tegangan yang menghasilkan regangan permanen sebesar 0.2%, regangan ini disebut offset-strain (Gbr.6).

Gbr.6 Penentuan tegangan luluh (yield stress) untuk kurva tanpa daerah linier

Perlu untuk diingat bahwa satuan SI untuk tegangan (stress) adalah Pa (Pascal, N/m²) dan strain adalah besaran tanpa satuan.
3. Istilah lain
Selanjutnya akan kita bahas beberapa istilah lain yang penting seputar interpretasi hasil uji tarik.
Kelenturan (ductility)
Merupakan sifat mekanik bahan yang menunjukkan derajat deformasi plastis yang terjadi sebelum suatu bahan putus atau gagal pada uji tarik. Bahan disebut lentur (ductile) bila regangan plastis yang terjadi sebelum putus lebih dari 5%, bila kurang dari itu suatu bahan disebut getas (brittle).
Derajat kelentingan (resilience)
Derajat kelentingan didefinisikan sebagai kapasitas suatu bahan menyerap energi dalam fase perubahan elastis. Sering disebut dengan Modulus Kelentingan (Modulus of Resilience), dengan satuan strain energy per unit volume (Joule/m³ atau Pa). Dalam Gbr.1, modulus kelentingan ditunjukkan oleh luas daerah yang diarsir.
Derajat ketangguhan (toughness)
Kapasitas suatu bahan menyerap energi dalam fase plastis sampai bahan tersebut putus. Sering disebut dengan Modulus Ketangguhan (modulus of toughness). Dalam Gbr.5, modulus ketangguhan sama dengan luas daerah dibawah kurva OABCD.
Pengerasan regang (strain hardening)
Sifat kebanyakan logam yang ditandai dengan naiknya nilai tegangan berbanding regangan setelah memasuki fase plastis.
Tegangan sejati , regangan sejati (true stress, true strain)
Dalam beberapa kasus definisi tegangan dan regangan seperti yang telah dibahas di atas tidak dapat dipakai. Untuk itu dipakai definisi tegangan dan regangan sejati, yaitu tegangan dan regangan berdasarkan luas penampang bahan secara real time. Detail definisi tegangan dan regangan sejati ini dapat dilihat pada Gbr.7.

Gbr.7 Tegangan dan regangan berdasarkan panjang bahan sebenarnya

Referensi:

1. Material Testing (Zairyou Shiken). Hajime Shudo. Uchidarokakuho, 1983.
2. Material Science and Engineering: An Introduction. William D. Callister Jr. John Wiley&Sons, 2004.
3. Strength of Materials. William Nash. Schaum’s Outlines, 1998.

Versi PDF yang lengkap dapat didownload di sin: Mengenalujitarik

Motor AC 3 Phase

Motor AC 3 phase bekerja dengan memanfaatkan perbedaan fasa sumber untuk menimbulkan gaya putar pada rotornya. Jika pada motor AC 1 phase untuk menghasilkan beda phase diperlukan penambahan komponen Kapasitor, pada motor 3 phase perbedaan phase sudah didapat langsung dari sumber seperti terlihat pada gambar arus 3 phase berikut ini:

(Sumber : http://wiskeydeoch.blogspot.com/2011/02/blog-post.html)

Pada gambar di atas, arus 3 phase memiliki perbedaan phase 60 derajat antar phasenya. Dengan perbedaan ini, maka penambahan kapasitor tidak diperlukan.

Konstruksi motor 3 phase:

Motor induksi tiga fasa memiliki dua komponen dasar yaitu stator dan rotor, bagian rotor dipisahkan dengan bagian stator oleh celah udara yang sempit (air gap) dengan jarak antara 0,4 mm sampai 4 mm. Tipe dari motor induksi tiga fasa berdasarkan lilitan pada rotor dibagi menjadi dua macam yaitu rotor belitan (wound rotor) adalah tipe motor induksi yang memiliki rotor terbuat dari lilitan yang sama dengan lilitan statornya dan rotor sangkar tupai (Squirrel-cage rotor) yaitu tipe motor induksi dimana konstruksi rotor tersusun oleh beberapa batangan logam yang dimasukkan melewati slot-slot yang ada pada rotor motor induksi, kemudian setiap bagian disatukan oleh cincin sehingga membuat batangan logam terhubung singkat dengan batangan logam yang lain.

(Sumber: http://reehokstyle.blogspot.com/2010/03/aplikasi-motor-induksi-3-fasa-dalam.html)

Prinsip Kerja:

Apabila sumber tegangan 3 fase dipasang pada kumparan stator, akan timbul medan putar den gan kecepatan

ns = 120 f/P

dimana:

Ns = Kecepatan Putar

f = Frekuensi Sumber

P = Kutub motor

Medan putar stator tersebut akan memotong batang konduktor pada rotor. Akibatnya pada batang konduktor dari rotor akan timbul GGL induksi. Karena batang konduktor merupakan rangkaian yang tertutup maka GGL akan menghasilkan arus (I). Adanya arus (I) di d alam medan magnet akan menimbulkan gaya (F) pada rotor. Bila kopel mula yan g dihasilkan oleh gaya (F) pada rotor cukup besar untuk memikul kopel beban, rotor akan berputar searah dengan medan putar stator. GGL induksi timbul karena terpoton gn ya batang konduktor (rotor) oleh medan putar stator. Artinya agar GGL induksi tersebut timbul, diperlukan adanya perbedaan relatif antara kecepatan medan putar stator (ns) dengan kecepatan berputar rotor (nr).

Perbedaan kecepatan antara nr dan ns disebut slip (s), dinyatakan dengan

S= (ns- nr)/ ns

Bila nr = ns, GGL induksi tidak akan timbul dan arus tidak mengalir pada batang konduktor (rotor), dengan demikian tidak dihasilkan kopel. Dilihat dari cara kerjanya, motor induksi disebut juga sebagai motor tak serempak atau asinkron.

Hubungan antara beban, kecepatan dan torsi (torque)

Gambar di bawah ini menunjukkan grafik hubungan antara torque - kecepatan dengan arus pada motor induksi 3 phase:

• Motor mulai menyala ternyata terdapat arus start yang tinggi akan tetapi torque-nya rendah.
• Saat motor mencapai 80% dari kecepatan penuh, torque-nya mencapai titik tertinggi dan arusnya mulai menurun.
• Pada saat motor sudah mencapai kecepatan penuh, atau kecepatan sinkron, arus torque dan stator turun ke nol.

Keuntungan motor tiga phasa :

• Konstruksi sangat kuat dan sederhana terutama bila motor dengan rotor sangkar.
• Harganya relatif murah dan kehandalannya tinggi.
• Effesiensi relatif tinggi pada keadaan normal, tidak ada sikat sehingga rugi gesekan kecil.
• Biaya pemeliharaan rendah karena pemeliharaan motor hampir tidak diperlukan.

Kerugian Penggunaan Motor Induksi:

• Kecepatan tidak mudah dikontrol
• Power faktor rendah pada beban ringan
• Arus start biasanya 5 sampai 7 kali dari arus nominal

Pengasutan motor 3 phase:

Pengasutan merupakan metoda penyambungan kumparan-kumparan dalam motor 3 phase. Ada 2 model penyambungan kumparan pada motor 3 phase:

1. Sambungan Bintang/Star/Y
2. Sambungan Segitiga/Delta

1. Sambungan Star

Sambungan bintang dibentuk dengan menghubungkan salah satu ujung dari ketiga kumparan menjadi satu. Ujung kumparan yang digabung tersebut menjadi titik netral, karena sifat arus 3 phase yang jika dijumlahkan ketiganya hasilnya netral atau nol.  

Nilai tegangan phase pada sambungan bintang =  √3 x tegangan antar phase

 

2. Sambungan Delta

Sambungan delta atau segitiga didapat dengan menghubungkan kumparan-kumparan motor sehingga membentuk segitiga.  Pada sambungan delta tegangan kumparan = tegangan antar phase akan tetapi arus jaringan sebesar √3 arus line.

 

Starting motor Star-Delta

Untuk mengurangi besarnya arus start motor yang mendekati 7x arus nominal maka dapat dengan menggunakan metode start Star - Delta. Dengan metode ini motor awalnya diset pada asutan Star, setelah motor mencapai kecepatan 80% kecepatan maksimal, sambungan diubah ke sambungan Delta. Dengan cara ini maka torsi dapat dipertahankan sedangkan lonjakan arus start dapat ditekan.

(sumber : telinks.wordpress.com)

Motor Ac 1 Phase

Sesuai namanya, motor AC 1 phasa bekerja dengan input tegangan bolak-balik 1 phasa jadi pada sambungannya hanya menggunakan 1 kawat phasa (yang bertegangan) dan satu kawat nol. Pada motor satu phasa terdapat dua jenis kumparan yaitu kumparan utama dan kumparan bantu. Kumparan utama tersusun dari kawat dengan diameter yang lebih besar dari kumparan bantu.

gambar kumparan dalam motor 1 phase

Jika kumparan motor 1 phase hanya ada satu maka kumparan tidak akan menghasilkan medan putar tapi hanya medan yang berdetak (berupa pulsa) yang berfase antara 0 sampai 180 derajat. Saat sebuah kumaran tunggal dialiri arus AC maka medan yang dihasilkan akan berlawanan setiap waktu, karena polaritasnya akan berubah-ubah. Perhatikan gambar diagram fasor di bawah ini :

Gambar diagram fasor pembangkitan medan 1 phase

(source : http://sub.allaboutcircuits.com)

Untuk mengatasi masalah tersebut maka dapat dengan membuat motor 2 phase dari sumber 1 phase.

1. Motor Kapasitor Permanen.

Motor ini memiliki 2 kumparan yang terpisah 90 derajat, salah satu ujung kumparan dipasangkan kapasitor secara seri. Ini dimaksudkan untuk menghasilkan perbedaan fase meskipun inputnya tegangan 1 phase. Perhatikan gambar di bawah ini:

Gambar motor kapasitor permanen

(Sumber : http://sub.allaboutcircuits.com)

Motor jenis ini memiliki rugi arus dan waktu start yang cukup signifikan, untuk memperkecil rugi tersebut maka kapasitor yang terpasang memiliki impedansi yang minimum. Konfigurasi motor ini bekerja cukup baik pada motor kecil (sampai dengan 200 Watt). Putaran motor ini dapat dengan mudah kita ubah dengan memasang kapasitor seri dengan kumparan yang lain.

2. Motor Kapasitor Start.

Konfigurasi motor kapasitor-start

(sumber : http://sub.allaboutcircuits.com/)

Motor hamir sama dengan motor kapasitor permanen, akan tetapi jenis ini menggunakan kapasitor yang lebih besar. Setelah motor berputar dan mencapai kecepatan tertentu maka saklar sentrifugal akan memutus arus ke kapasitor dan arus sepenuhnya mengalir lewat kumparan utama. Motor jenis ini dapat menghasilkan torsi yang besar dan mampu bekerja pada berbagai ukuran daya.

3. Motor Kapasitor Run.

Konfigurasi Motor Kapasitor-run

(sumber : http://sub.allaboutcircuits.com/)

Motor jenis ini menggunakan 2 kapasitor, dimana satu kapasitor ukuran besar untuk starting, dan kapasitor yang lebih kecil. Kapasitor yang digunakan adalah kapasitor elektrolit non-polar double anoda (bisa + dan +, atau - dan -). Saat starting, kapasitor besar berperan menghasilkan torsi putaran start, setelah mencapai putaran tertentu saklar sentrifugal memutus aliran ke kapasitor start dan arus akan mengalir melalui kapasitor run yang ukurannnya lebih kecil, kapasitor ini digunakan untuk menaikan karakteristik runing tanpa mengambil arus yang terlalu banyak.

Motor DC

Motor DC sesuai dengan namanya merupakan salah satu jenis motor yang menggunakan arus DC sebagai sumbernya. Cara kerja motor DC sama dengan motor yang lain yaitu memanfaatkan gaya Lorentz yang timbul saat kumparan didalam medan magnet dialiri arus listrik.
Motor DC banyak digunakan sebagai penggerak yang membutuhkan torsi tinggi dan percepatan yang konstan.


Bagian-bagian motor DC:

1. Armature :Merupakan bagian inti dalam motor DC berupa lilitan kawat pada besi lunak sebagai inti kumparannya. Merupakan bagian yang bergerak pada motor DC (rotor).
2. Komutator :Disebut juga cincin belah. Berbentuk seperti cincin yang terbelah. Merupakan tempat menempelnya ujung-ujung kumparan pada armature. belahan tersebut terpisah satu sama lain sehingga tidak terjadi short circuit (hubung singkat).
3. Sikat Karbon (Brushes) :Merupakan bagian yang terhubung dengan kutub positif dan kutub negatif dari sumber arus DC. Sikat ini dipasang bersentuhan dengan komutator sehingga arus dari sumber diteruskan ke kumparan melalui Sikat dan komutator.
4. Sangkar Magnet :Merupakan magnet tetap yang disatukan dengan sangkar/ bodi motor DC yang menghasilkan medan magnet dalam motor DC.


Cara Kerja Motor DC

Pada gambar di samping, saat sumber dinyalakan, arus akam mengalir melewati sikat, komutator, kemudian ke kumparan, saat kumparan dialiri arus akan menimbulkan medan magnet dan akan membuat kumparan bergerak. Saat kumparan bergerak 90 derajat arus akan terputus karena sikat berada pada belahan komutator, akan tetapi karena momentumnya sendiri kumparan akan tetap berputar, saat bergerak 180 derajat, komutator akan kembali kontak dengan sikat sehingga arus akan mengalir dengan arah yang sama. Siklus ini akan terus berulang sampai arus dari sumber diputus.

Untuk menaikkan efisiensi motor DC dapat dilakukan dengan cara :
> Menambah jumlah lilitan pada armature
> Menambah kuat arus dari sumber
> Memperlebar diameter kumparan
> Memperkuat medan magnet dalam sangkar magnet

Motor Listrik

Motor listrik merupakan suatu alat yang berfungsi mengubah energi listrik menjadi energi mekanik (gerak). Gerakan yang ditimbulkan adalah gerakan berputar. Motor listrik banyak digunakan sebagai penggerak dalam mesin-mesin industri.
Motor listrik dapat berputar diakibatkan karena peristiwa elektro magnetik, adalah Gaya Lorentz yang menyebabkan motor dapat bergerak.
Gaya Lorentz merupakan gaya yang timbul pada suatu kawat berarus yang melintasi/memotong medan magnet.
simulasi gaya lorentz

Saat ada kawat sepanjang L (meter) dialiri arus listrik I (Ampere) dan melewati medan magnet B (Tesla), maka pada kawat tersebut akan timbul gaya F sebesar:

F= I x B x L  

dari persamaan tersebut maka gaya yang besar dapat diperoleh dengan cara:

• Memperkuat arus listrik.
• Memperpanjang kawat listrik (dengan membentuk kumparan)
• Memperkuat medan magnet.

Gaya ini dimanfaatkan untuk menggerakkan motor berputar. Secara konstruksi motor listrik terdiri dari magnet dan kumparan. Magnet digunakan untuk menghasilkan medan magnet, sedang kumparan sebagai lintasan kawat yang memotong medan magnet. Konstruksi dalam sebuah motor listrik dapat dilihat pada gambar berikut :

dari gambar di tersebut dapat dilihat, medan magnet akan terbentuk diantara kutub Utara dan Selatan magnet. Saat kumparan yang berada di dalam tengah-tengah medan magnet dialiri listrik dari batrei maka kumparan berarus tersebut akan memotong medan magnet diantara kutub Utara dan kutub Selatan, dari peristiwa tersebut akan timbul Gaya Lorentz yang akan membuat kumparan berputar. Selain jenis kumparan yang berputar, ada pula model magnet yang berputar, jadi medan magnetnya akan berubah-ubah saat berputar.

Berdasarkan jenis arus listrik yang mengaliri motor listrik, ada dua macam motor listrik yaitu:
1. Motor DC
2. Motor AC 1 Phase
3. Motor AC 3 Phase