UPAYA NORMAL: APA ADANYA, BAGAIMANA CARA MENGHITUNGNYA, CONTOH - FISIK - 2025

The tegangan normal diterapkan pada bahan tertentu, juga disebut stres uniaksial, adalah hubungan yang ada antara gaya yang diberikan tegak lurus pada permukaan tertentu dan luas penampang yang ia bertindak, atau beban per satuan luas. Secara matematis, jika P adalah besar gaya dan A adalah luas gaya, tegangan σ adalah hasil bagi: σ = P / A.

Satuan tegangan normal dalam Sistem Internasional adalah newton / meter ² , yang dikenal sebagai Pascals dan disingkat Pa. Ini adalah satuan tekanan yang sama. Satuan lain yang sering muncul dalam literatur adalah pound / inci ² atau psi.

Gambar 1. Batuan terus mengalami tekanan akibat aktivitas tektonik, menyebabkan deformasi pada kerak bumi. Sumber: Pixabay.

Pada Gambar 2, dua gaya dengan besaran yang sama diterapkan tegak lurus terhadap luas penampang, memberikan traksi yang sangat ringan pada batang yang cenderung memanjangkannya.

Gaya-gaya ini menghasilkan tegangan normal yang juga disebut beban aksial terpusat, karena garis aksinya bertepatan dengan sumbu aksial, di mana sentroid berada.

Gambar 2. Batang yang ditunjukkan dikenakan gaya tarik. Sumber: buatan sendiri.

Upaya, apakah normal atau tidak, terus muncul di alam. Di litosfer, batuan mengalami gravitasi dan aktivitas tektonik, mengalami deformasi.

Dengan cara ini, struktur seperti lipatan dan sesar berasal, studi yang penting dalam eksploitasi mineral dan teknik sipil, untuk pembangunan gedung dan jalan, untuk menyebutkan beberapa contoh.

Bagaimana cara menghitungnya?

Persamaan yang diberikan di awal σ = P / A memungkinkan untuk menghitung tegangan normal rata-rata di area tersebut. Nilai P adalah besarnya gaya resultan pada area yang diterapkan ke pusat massa dan cukup untuk banyak situasi sederhana.

Dalam hal ini, distribusi gaya seragam, terutama pada titik-titik yang jauh dari tempat batang terkena tegangan atau kompresi. Tetapi jika Anda perlu menghitung tegangan pada titik tertentu atau gaya tidak terdistribusi secara seragam, Anda harus menggunakan definisi berikut:

Jadi secara umum nilai tegangan pada suatu titik tertentu bisa berbeda dengan nilai rata-rata. Faktanya, upaya tersebut dapat bervariasi tergantung pada bagian yang akan dipertimbangkan.

Hal ini diilustrasikan pada gambar berikut, di mana gaya tarik F mencoba memisahkan batang kesetimbangan dalam bagian mm dan nn.

Gambar 3. Distribusi gaya normal di berbagai bagian batang. Sumber: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Normal_stress.svg#/media/File:Normal_stress.svg

Karena bagian nn sangat dekat dengan tempat gaya ke bawah F diterapkan, distribusi gaya di permukaan tidak sepenuhnya homogen, semakin rendah gaya tersebut semakin jauh dari titik tersebut. Distribusi sedikit lebih homogen di bagian mm.

Bagaimanapun, upaya normal selalu cenderung meregangkan atau menekan dua bagian tubuh yang berada di kedua sisi bidang tempat mereka bertindak. Di sisi lain, gaya lain yang berbeda, seperti gaya geser, cenderung menggeser dan memisahkan bagian-bagian ini.

Hukum Hooke dan stres normal

Hukum Hooke menyatakan bahwa dalam batas elastis, tegangan normal berbanding lurus dengan deformasi yang dialami oleh batang atau benda. Dalam hal itu:

Konstanta proporsionalitas menjadi modulus Young (Y):

σ = Y. ε

Dengan ε = ΔL / L, dimana ΔL adalah selisih panjang akhir dan panjang awal, yaitu L.

Modulus atau modulus elastisitas Young adalah karakteristik material, yang dimensinya sama dengan tegangan, karena regangan unit tidak berdimensi.

Pentingnya tekanan pada kekuatan material dan geologi

Menentukan seberapa tahan material terhadap stres sangatlah penting. Untuk struktur yang digunakan dalam konstruksi bangunan, serta desain bagian untuk perangkat yang berbeda, harus dipastikan bahwa bahan yang dipilih memenuhi fungsinya secara memadai.

Untuk alasan ini, bahan dianalisis secara mendalam di laboratorium melalui pengujian yang bertujuan untuk mengetahui seberapa besar gaya yang dapat mereka tahan sebelum berubah bentuk dan pecah, sehingga kehilangan fungsinya. Berdasarkan ini, keputusan dibuat, apakah mereka cocok atau tidak untuk membuat bagian atau bagian tertentu dari perangkat.

Ilmuwan pertama yang secara sistematis mempelajari kekuatan material diyakini adalah Leonardo Da Vinci. Dia meninggalkan bukti pengujian di mana dia menentukan resistansi kabel dengan menggantung batu dengan bobot berbeda padanya.

Dalam upaya, baik besarnya gaya maupun dimensi struktur dan cara penerapannya adalah penting, untuk menetapkan batas di mana bahan memiliki sifat elastis; yaitu, ia kembali ke bentuk aslinya ketika usaha itu berhenti.

Dengan hasil pengujian ini, kurva tegangan-regangan dibuat untuk berbagai jenis material, seperti baja, beton, aluminium, dan banyak lagi.

Contoh

Dalam contoh berikut ini diasumsikan bahwa gaya terdistribusi seragam, dan bahwa material homogen dan isotropik. Ini berarti bahwa propertinya sama di kedua arah. Oleh karena itu, persamaan σ = P / A dapat diterapkan untuk mencari gaya.

-Latihan 1

Pada gambar 3 diketahui bahwa tegangan normal rata-rata yang bekerja pada seksi AB besarnya 48 kPa. Tentukan: a) Besarnya gaya F yang bekerja pada CB, b) Usaha pada seksi BC.

Gambar 4. Tegangan normal pada struktur contoh 1 ..

Larutan

Karena struktur berada dalam kesetimbangan statis, menurut hukum kedua Newton:

PF = 0

Tegangan normal pada seksi AB memiliki besaran:

σ _AB = P / A _AB

Dari mana P = σ _AB . A _AB = 48000 Pa. (40 x 10 ^-2 m) ² = 7680 N.

Oleh karena itu F = 7680 N

Tegangan normal pada penampang BC adalah hasil bagi antara besar F dan luas penampang sisi tersebut:

σ _BC = F / A _BC = 7680 N / (30 x 10 ^-2 m) ² = 85,3 kPa.

-Latihan 2

Sebuah kawat dengan panjang 150 m dan diameter 2,5 mm direntangkan dengan gaya 500 N. Tentukan:

a) Tegangan longitudinal σ.

b) Deformasi satuan, diketahui bahwa panjang akhirnya adalah 150,125 m.

c) Modulus elastisitas Y dari kawat ini.

Larutan

a) σ = F / A = F / π.r ²

Jari-jari kawat adalah setengah diameter:

r = 1,25 mm = 1,25 x 10 ^-3 m.

Luas penampang adalah π.r ² , sehingga tegangannya adalah:

σ = F / π.r ² = 500 / (π. (1,25 x 10 ^-3 ) ² Pa = 101859,2 Pa

b) ε = Δ L / L = (Panjang akhir - Panjang awal) / Panjang awal

Jadi:

ε = (150.125 - 150) / 150 = 0.125 / 150 = 0.000833

c) Modulus kabel Young diselesaikan dengan mengetahui nilai ε dan σ yang dihitung sebelumnya:

Y = σ / ε = 101859,2 Pa / 0,000833 = 1,22 x 10 ⁸ Pa = 122 MPa.

Referensi

1. Beer, F. 2010. Mekanika bahan. 5. Edisi. McGraw Hill. 7 - 9.
2. Giancoli, D. 2006. Fisika: Prinsip dengan Aplikasi. 6 ^{t th} Ed. Prentice Hall. 238-242.
3. Hibbeler, RC 2006. Mekanika material. 6. Edisi. Pendidikan Pearson. 22-25
4. Valera Negrete, J. 2005. Catatan tentang Fisika Umum. UNAM. 87-98.
5. Wikipedia. Stres (Mekanika). Diperoleh dari: wikipedia.org.