BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Transkripsi

1 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

2 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 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 Satuan Besaran Berat Jenis Modulus Elastisitas Kekuatan Tarik Elongasi Densitas kg/mm 3 MPa MPa % Mpa 1,215 x ,6 5,5 (Hashim, J, 2003). 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

3 deformasi termal lebih rendah dari pada resin thermoset lainnya dan ketahanan panas jangka panjang adalah kira-kira 110 o C 140 o C. 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 Satuan Nilai Catatan Berat Jenis Kekerasan Suhu Distorsi Penyerapan air Suhu Ruangan Kekuatan Tarik Modulus Elastisitas Density Elongasi kg/mm 3 - C % % MPa GPa MPa % 1, ,188 0, ,3 5,5 2, jam 7 hari (Zulfadhli, 2013). 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) Poliuretan 29

4 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 O R R N R1-N=C=O + R2-O-H R1-NHCOO-R2 O n (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

5 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) 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), CO 2 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 (CO 2 ) sebagai blowing agent pembantu busa polyurethane adalah ide yang baik dan akan diterima 31

6 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-R 1 R-NHCOO- R 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

7 Reaksi kedua adalah reaksi antara air isocyanate menghasilkan polyurethane dan gas CO 2 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

8 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) 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) 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

9 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) 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

10 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. Bahan-bahan kandungan Komposisi 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 Densitas Kerapatan suatu zat adalah massa zat tersebut per satuan volume. Dalam satuan Standard International (SI) kerapatan dinyatakan oleh kilogram per meter kubik [kg/m 3 ], sebagai contoh kerapatan aluminium adalah 2700 [kg/m 3 ]. 36

11 Satuan kerapatan lainnya yang umum adalah gram per centimeter kubik [g/cm 3 ], kerena 1 [kg] 1000 [g/m 3 ] dan 1 [m 3 ] 100 [cm 3 ] 10-6 [cm 3 ] 1 [g/cm 3 ] 10 3 [kg/m 3 ] (Kanginan, M, 2004)..(2.2) Keterangan : = Massa jenis zat [kg/m 3 ] atau [g/cm 3 ] = Massa benda [kg] atau [g] = Volume benda [m 3 ] atau [cm 3 ] 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) 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

12 Waktu t [s] Kecepatan v [m/s] ,8 19,6 29,4 39,2 49 Kecepatan [m/s] 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) ,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) 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

13 waktu. Satuan perpindahan diukur dalam meter [m], kecepatan diukur dalam meter per detik [m/s], percepatan diukur dalam meter per detik kuadrat [m/s 2 ], 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: (2.4) Dimana: kecepatan akhir [m/s] kecepatan awal [m/s] waktu [s] perpindahan kecepatan [m] Maka perbandingan antara kecepatan dan waktu adalah:

14 2.. (2.5) Dari persamaan di atas bila 0, maka untuk diperoleh seperti ditunjukkan pada persamaan di bawah ini: 2 (2.6) Bila a = g dan s = h maka, 2 (2.7) Dimana: kecepatan [m/s] gravitasi [m/s 2 ] 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/s 2 (Zulfadhli, 2013) 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] Impuls Impuls sebuah gaya konstan adalah hasil kali gaya dengan selang waktu yang diperlukan gaya bekerja dengan rumus:..(2.9) 40

15 Karena gaya = laju perubahan momentum terhadap waktu = perubahan momentum dibagi dengan selang waktu yang diperlukan, atau dengan rumus: Maka impuls = perubahan momentum Dimana: impuls [kgm/s] massa [kg] kecepatan benda bergerak [m/s] (2.10) [kgm/s].. (2.11) 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). Dimana: energi potensial [Joule] massa benda [kg] gaya gravitasi [m/s 2 ] (2.12) ketinggian benda [m] 2. Energi kinetik (Ek) yaitu energi yang dapat dimiliki benda berdasarkan gerakan benda. Adanya pergerakan benda dari kecepatan awal ke kecepatan perubahan. Besarannya dapat ditentukan dengan rumus: (2.13) Dimana: Energi kinetik [Joule] massa benda [kg] kecepatan benda jatuh [m/s] (Zulfadhli, 2013). 41

16 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/m 2 ] Gaya [N] = Luaspenampang [m 2 ] 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

17 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) Cara Kerja Ansys 14.0 Workbench 43

18 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