Dalam artikel ini, kita akan menjelajahi konsep kekuatan dan kekakuan yang memukau dalam bidang teknik. Anda akan mempelajari bagaimana prinsip-prinsip ini memastikan keamanan dan daya tahan benda-benda sehari-hari, mulai dari jembatan hingga layar ponsel pintar. Bergabunglah bersama kami untuk mengungkap rahasia di balik keajaiban teknik!
Untuk memastikan kinerja dan keandalan yang optimal dari sistem atau struktur mekanis, setiap komponen harus memenuhi fungsi yang dimaksudkan secara efektif dan efisien. Tujuan utama dari desain keselamatan komponen teknik adalah untuk menjamin bahwa semua elemen memiliki kekuatan, kekakuan, dan stabilitas yang memadai, sehingga memastikan integritas dan umur panjang sistem secara keseluruhan.
Stabilitas adalah konsep fundamental dalam bidang teknik, yang mengacu pada kemampuan komponen untuk mempertahankan atau mendapatkan kembali kondisi kesetimbangan aslinya ketika mengalami gaya eksternal. Prinsip ini sangat penting dalam berbagai skenario, seperti:
Contoh-contoh ini menggambarkan pentingnya stabilitas dalam mencegah kegagalan bencana dan memastikan pengoperasian sistem dan struktur mekanis yang aman.
Dalam diskusi ini, saya akan fokus untuk menjelaskan pemahaman saya yang komprehensif tentang dua prinsip rekayasa yang sama pentingnya: kekakuan dan kekuatan. Konsep-konsep ini, bersama dengan stabilitas, membentuk tiga serangkai pertimbangan mendasar dalam desain keselamatan komponen, yang masing-masing memainkan peran penting dalam menentukan kinerja, daya tahan, dan keselamatan sistem rekayasa secara keseluruhan.
Definisi: Kekuatan adalah kapasitas material, komponen, atau struktur untuk menahan beban atau gaya yang diterapkan tanpa kegagalan, deformasi yang berlebihan, atau kerusakan. Ini adalah sifat dasar dalam ilmu dan teknik material yang menentukan kemampuan material untuk menahan tekanan mekanis.
Kekuatan mencakup berbagai aspek, termasuk:
Misalnya, dalam fabrikasi logam, memahami kekuatan bahan sangat penting untuk merancang komponen yang dapat menahan beban operasional. Balok baja pada bangunan harus memiliki kekuatan yang cukup untuk menopang berat struktur dan beban tambahan tanpa bengkok atau patah.
Kekuatan dipengaruhi oleh berbagai faktor, termasuk:
Unit pengukuran untuk kekuatan biasanya dinyatakan dalam megapascal (MPa) atau pound per inci persegi (psi) dalam satuan imperial. Sebagai contoh, baja ringan memiliki kekuatan tarik sekitar 400-550 MPa, sedangkan baja paduan berkekuatan tinggi dapat melebihi 1000 MPa.
Dalam bidang manufaktur dan teknik, perhitungan dan pengujian kekuatan sangat penting:
Teknik-teknik canggih seperti analisis elemen hingga (FEA) dan pengujian destruktif sering kali digunakan untuk menilai dan memvalidasi kekuatan material dan komponen dalam aplikasi teknik yang kompleks.
Fraktur rapuh: Mode kegagalan yang tiba-tiba dan dahsyat yang ditandai dengan perambatan retak yang cepat dengan deformasi plastis yang minimal. Jenis kegagalan ini terjadi tanpa peringatan dan biasanya menghasilkan permukaan retak yang bersih dan rata.
Sebagai contoh:
Hasil plastik: Modus kegagalan di mana material mengalami deformasi plastis yang signifikan, yang mengakibatkan perubahan bentuk permanen dan hilangnya integritas struktural. Jenis kegagalan ini umumnya lebih bertahap dan dapat diamati dibandingkan dengan fraktur getas.
Sebagai contoh:
Penting untuk dicatat bahwa mode kegagalan suatu material bergantung pada berbagai faktor, termasuk sifat material, kondisi pembebanan, suhu, dan faktor lingkungan. Beberapa material dapat menunjukkan transisi dari perilaku ulet ke getas dalam kondisi tertentu, seperti suhu rendah atau laju regangan yang tinggi.
1. Teori tegangan tarik maksimum:
Ketika tegangan tarik maksimum σ1 pada suatu titik dalam member mencapai tegangan ultimate σb dalam kondisi tegangan searah, material akan mengalami patah getas. Dengan demikian, kriteria kegagalan patah getas pada komponen dengan titik kritis dalam kondisi tegangan kompleks adalah: σ1 = σb.
Akibatnya, kondisi kekuatan yang ditetapkan oleh yang pertama teori kekuatan adalah: σ1 ≤ σb.
2. Teori regangan tarik maksimum:
Ketika regangan tarik maksimum ε1 mencapai nilai batas εu pada kondisi tegangan searah, material akan mengalami kegagalan karena patah getas. Hal ini dapat dinyatakan sebagai ε1 = εu.
Dari Hukum Hooke yang digeneralisasi, kita dapat menghitung ε1 sebagai: ε1 = [σ1 - u(σ2 + σ3)] / E, sehingga σ1 - u(σ2 + σ3) = σb.
Kondisi kekuatan yang ditetapkan oleh teori kekuatan kedua adalah: σ1 - u(σ2 + σ3) ≤ σb.
3. Teori tegangan geser maksimum:
Ketika tegangan geser maksimum τMax mencapai tegangan geser ultimit τ0 pada kondisi tegangan searah, material akan mengalami kegagalan akibat leleh. Hal ini dapat dinyatakan sebagai τMax = τ0.
Rumus untuk tegangan geser pada penampang miring selama tegangan aksial adalah τ0 = σs/2 (σs adalah tegangan normal pada penampang). Rumus untuk τMax adalah (σ1 - σ3)/2. Dengan demikian, kondisi kerusakan dapat ditulis ulang sebagai σ1 - σ3 = σs.
Kondisi kekuatan yang ditetapkan oleh teori kekuatan ketiga adalah: σ1 - σ3 ≤ σs.
4. Teori energi spesifik perubahan bentuk:
Ketika rasio perubahan bentuk pada suatu titik pada member mencapai nilai batas pada kondisi tegangan searah, material akan mengalami kegagalan karena leleh.
Kondisi kekuatan yang ditetapkan oleh teori kekuatan keempat adalah:
√(σ1^2 + σ2^2 + σ3^2 - σ1σ2 - σ2σ3 - σ3σ1) < σs.
Definisi: Kekakuan mengacu pada kemampuan material, komponen, atau struktur untuk menahan deformasi atau perpindahan elastis ketika mengalami gaya eksternal. Ini mengukur sejauh mana suatu sistem dapat mempertahankan bentuk dan dimensinya dalam batas yang diijinkan di bawah beban yang diterapkan.
Kekakuan adalah parameter fundamental dalam bidang teknik yang mencirikan hubungan antara gaya dan deformasi pada material atau struktur. Hal ini didefinisikan sebagai rasio gaya yang diterapkan terhadap perpindahan yang dihasilkan, yang menunjukkan jumlah gaya yang diperlukan untuk menghasilkan satu unit deformasi. Dalam istilah matematika, kekakuan (k) dinyatakan sebagai:
k = F / δ
Dimana:
Satuan kekakuan biasanya adalah gaya per satuan panjang, seperti N/m (Newton per meter) dalam sistem SI atau lbf/in (pound-force per inchi) dalam sistem imperial.
Secara praktis, kekakuan dapat dikonseptualisasikan dengan menggunakan analogi pegas. Konstanta pegas, yang merepresentasikan kekakuan pegas, didefinisikan sebagai rasio gaya tarik atau tekan yang diterapkan terhadap perpanjangan atau kompresi yang dihasilkan. Hubungan ini dijelaskan oleh Hukum Hooke untuk sistem elastis linier.
Memahami dan mengontrol kekakuan sangat penting dalam berbagai aplikasi teknik, termasuk:
Insinyur harus menyeimbangkan persyaratan kekakuan dengan pertimbangan desain lainnya seperti kekuatan, berat, biaya, dan kemampuan manufaktur untuk menciptakan solusi optimal untuk aplikasi tertentu.
Apabila beban yang diberikan konstan, ini disebut sebagai kekakuan statis.
Ketika beban berganti-ganti, ini disebut kekakuan dinamis.
Kekakuan statis mencakup kekakuan struktural dan kekakuan kontak.
Kekakuan struktural mengacu pada kekakuan member itu sendiri dan mencakup kekakuan lentur dan kekakuan puntir.
1. Kekakuan tekukan: dihitung menurut rumus berikut:
K = P/δ
Di mana
2. Kekakuan puntir dihitung menurut rumus berikut:
Km=ML / θ
Di mana M - torsi yang diterapkan (n - m);
L - jarak dari posisi aksi torsi ke ujung tetap (m);
θ - Sudut puntir (°)
Dari penjelasan di atas mengenai kekuatan dan kekakuan, dapat dilihat bahwa kekuatan berfokus pada kegagalan akibat gaya eksternal dan diklasifikasikan ke dalam kegagalan luluh plastis dan patah getas, yang berhubungan dengan kurva tegangan-regangan selama pengujian tarik. Sebagai perbandingan, kekakuan berkaitan dengan hubungan antara deformasi dan gaya.
Seperti ditunjukkan pada gambar.
Kurva pada gambar dapat dibagi ke dalam empat tahap:
1. Tahap deformasi elastis;
2. Tahap hasil;
3. Tahap penguatan;
4. Tahap leher lokal.
Kekakuan didefinisikan sebagai ketahanan terhadap deformasi elastis, yang terjadi pada tahap awal, dan diatur oleh hukum Hooke dalam kondisi elastis.
Menghitung kekakuan lentur dan kekakuan puntir di bawah beban statis mirip dengan hukum Hooke, yang menunjukkan bahwa kekakuan hanya diukur selama tahap deformasi elastis.
Pada tahap berikutnya, ketika deformasi plastis terjadi selama pengujian tarik, regangan sisa tidak hilang. Pada kurva tegangan-regangan, meskipun tegangan hampir tidak berubah, namun regangan meningkat secara signifikan. Pada titik ini, tegangan mencapai batas luluh dan material memasuki tahap kegagalan luluh plastis. Ketika tegangan terus meningkat, regangan juga meningkat hingga mencapai batas kekuatan.
Oleh karena itu, pengukuran kekuatan terjadi setelah material mengalami deformasi elastis dan sebelum mencapai batas kekuatan.
Kesimpulannya, kekakuan dan kekuatan dievaluasi selama tahap kegagalan komponen, dengan kekakuan diukur dengan tegangan dan kekuatan diukur dengan deformasi.
Dalam hal urutan mereka dalam proses deformasi, kekakuan terjadi pada tahap awal sementara kekuatan terjadi pada tahap selanjutnya.
Oleh karena itu, dalam mengevaluasi kondisi kegagalan komponen, selama persyaratan kekakuan terpenuhi, komponen tersebut harus mampu menahan tegangan yang cukup selama tahap deformasi elastis, yang pada gilirannya harus memenuhi persyaratan kekuatan.
Hubungan ini tercermin dalam berbagai desain, seperti poros pada peralatan mekanis. Biasanya, ukuran poros ditentukan berdasarkan kondisi kekuatan, dan kemudian kekakuannya diverifikasi berdasarkan kondisi kekakuan.
Oleh karena itu, persyaratan kekakuan untuk poros mesin presisi ditetapkan sangat tinggi, dan desain ukuran penampang melintangnya sering dikontrol oleh kondisi kekakuan.
Sebagai pendiri MachineMFG, saya telah mendedikasikan lebih dari satu dekade karier saya untuk industri pengerjaan logam. Pengalaman saya yang luas telah memungkinkan saya untuk menjadi ahli di bidang fabrikasi lembaran logam, permesinan, teknik mesin, dan peralatan mesin untuk logam. Saya terus berpikir, membaca, dan menulis tentang subjek-subjek ini, terus berusaha untuk tetap menjadi yang terdepan di bidang saya. Biarkan pengetahuan dan keahlian saya menjadi aset bagi bisnis Anda.
ID 
EN 
AR 
DE 
ES 
FR 
IT 
JA 
NL 
PT 
PT_BR 
RU 
KO 
TR