Perbedaan Tegangan dan Regangan Elastisitas – Materi Fisika Kelas 11

Pengertian, perbedaan, jenis, rumus, serta cara menghitung tegangan dan regangan.

Halo Sobat Zenius! Waktu kecil, ada yang suka pernah ketapel? Elo pernah merhatiin ga, kalau ketapel itu menerapkan konsep Fisika yang namanya tegangan dan regangan?

Iya, karet di ketapel sifatnya elastis. Jadi, saat ditarik dan dilepaskan, karet itu akan menerima gaya dan mengalami perubahan ukuran. Kok bisa begitu, ya?

Biar elo semakin paham, dia artikel kali ini gue bakal bahas tentang tegangan dan regangan lebih dalam lagi. Nggak cuma pengertiannya, elo juga bisa belajar soal rumus, macam-macam, serta perbedaan tegangan dan regangan. Simak artikelnya sampai akhir, yuk!

Mengenal Elastisitas

Sebelum bahas tentang tegangan dan regangan, tidak lengkap rasanya kalau elo belum tahu apa itu elastisitas. Iya, tegangan dan regangan emang gak bisa lepas dari elastisitas.

Elo sering dengar, kan, banyak orang yang bilang kalau karet gelang atau balon tiup itu elastis? Tapi sebenarnya, elo tahu nggak, apa yang dimaksud elastis?

Elastis adalah kecenderungan bahan padat untuk balik lagi ke bentuk aslinya setelah terdeformasi atau ditarik. Misalnya, setelah elo meregangkan karet gelang, karet gelang itu bakal kembali ke bentuk awalnya.

Terus, ada nggak, benda yang nggak elastis atau tidak bisa kembali ke bentuk aslinya setelah ditarik? Ada dong! Namanya plastis.

Nah, dari mana kita tahu benda itu elastis atau plastis? Nggak mungkin kita coba tarik satu-satu, kan?

Jadi, buat mengetahui hal-hal apa aja yang mempengaruhi elastisitas suatu benda, elo perlu cari tahu parameter elastisitasnya. Parameter elastis sendiri terdiri dari tiga hal, yaitu tegangan, regangan, dan modulus elastis. Tapi, di artikel ini, gue bakal fokus bahas tegangan dan regangan aja, ya.

Baca Juga: Rumus Elastisitas Gaya Pegas

Pengertian Tegangan dan Regangan

Seperti yang gue tuliskan sebelumnya, tegangan dan regangan termasuk dalam parameter elastisitas. Elo ada yang udah tahu, apa yang dimaksud dengan tegangan dan regangan?

Oke, gue mulai dari tegangan dulu. Tegangan adalah gaya yang bekerja per satuan luas penampang. Artinya, saat sebuah benda elastis diberikan gaya tertentu, benda itu akan merasakan tegangan atau stress. Dalam bahasa Inggris, tegangan dikenal juga dengan istilah stress.

Sementara, regangan adalah pertambahan panjang suatu benda mula-mula akibat adanya gaya tarikan yang diterima benda. Jadi, setelah mengalami tegangan, suatu benda kemudian mengalami regangan atau strain.

Sekarang, coba kita balik lagi ke contoh ketapel sebelumnya, ya. Elo masih ingat dong, gimana cara bermain ketapel? Atau minimal, pernah main ketapel di game Angry Bird, kan?

Karet ketapel yang ditarik dan dilepas akan mengalami tegangan dan regangan.
Ilustrasi ketapel saat ditarik dan dilepas. (Dok. Xbox via Giphy)

Saat karet ketapel elo tarik, karet itu akan mendapatkan gaya. Gaya inilah yang membuat adanya tegangan. Setelah tarikan elo lepas, akan ada regangan di mana panjang karet mengalami perubahan. Bisa dibilang, karet bakal jadi sedikit melar gitu.

Nggak cuma karet ketapel aja, contoh tegangan dan regangan lainnya bisa elo temuin di karet rambut, jaring raket bulu tangkis, baja yang ditempa, dan busur panah.

Nah, pengertian tegangan dan apa itu regangan udah elo ketahui. Terus, gimana rumus perhitungannya?

Baca Juga: Rumus Tegangan Permukaan dan Viskositas – Materi Fisika Kelas 11

Rumus Tegangan dan Regangan

Tegangan merupakan perbandingan antara gaya yang ada pada suatu benda dengan luas penampangnya. Dari penjelasan ini, elo udah bisa menebak, kan, gimana rumusnya?

Secara matematis, tegangan bisa ditulis sebagai berikut.

 Rumus tegangan adalah perbandingan antara gaya yang ada pada suatu benda dengan luas penampangnya.
Rumus tegangan yang dilambangkan dengan sigma. (Arsip Zenius)

Coba perhatikan contoh soal tegangan di bawah ini, deh!

Nanda menarik sebuah tali berdiameter 4 cm dengan gaya sebesar 150 N. Berapa tegangan tali yang ditarik oleh Nanda?

Dari soal, ada beberapa hal yang udah elo ketahui, yaitu besarnya gaya (F) sebesar 150 N dan diameter tali sebesar 4 cm atau 0,04 m. Karena dalam menghitung tegangan elo membutuhkan luas penampang, artinya elo perlu mencari tahu dulu luas tali dari diameter yang udah diketahui. Sehingga, perhitungannya seperti ini:

r = 0,04/2 = 0,02

A = π x r2

A = 3,14 x 0,022

A = 3,14 x 0,0004

A = 0,001256

A = 12,56 x 10-4

Perbedaan Tegangan dan Regangan Elastisitas - Materi Fisika Kelas 11 57

Jadi, tegangan tali yang ditarik Nanda adalah 50,95 x 103 N/m2.

Sementara itu, regangan merupakan rasio dari pertambahan panjang suatu benda dengan panjang mula-mula. Untuk mengetahui besarnya regangan suatu benda, elo bisa menghitungnya dengan rumus seperti pada gambar berikut.

Rumus regangan adalah perbandingan pertambahan panjang suatu benda dengan panjang mula-mula.
Rumus regangan yang dilambangkan dengan epsilon. (Arsip Zenius)

Rumus regangan yang dilambangkan dengan epsilon. (Arsip Zenius)

Alt: Rumus regangan adalah perbandingan pertambahan panjang suatu benda dengan panjang mula-mula.

Biar lebih paham, gue kasih 1 contoh soalnya di bawah ini. Coba elo simak baik-baik, ya!

Sebuah tali sepanjang 200 cm ditarik hingga panjang tali tersebut berubah menjadi 225 cm. Hitunglah besar regangan tali!

Oke, semua informasi yang elo butuhkan buat menghitung regangannya udah ada. Dari soal, diketahui:

ΔL = 225 cm – 200 cm = 25 cm = 0,25 m

L = 200 cm = 2 m

Sehingga, besarnya regangan tali adalah,

Perbedaan Tegangan dan Regangan Elastisitas - Materi Fisika Kelas 11 58

Gimana? Kalau udah tahu rumus tegangan dan regangan, cara menghitungnya jadi lebih gampang, kan?

Sebelum bahas contoh soal yang lainnya, gue mau tanya, nih. Elo tahu nggak? Ternyata, ada beberapa jenis tegangan dan regangan. Cek penjelasannya di bawah ini, yuk!

Baca Juga: Rumus Tegangan Elastisitas

Macam-Macam Tegangan dan Regangan

Karena tegangan dan regangan saling berkaitan, beberapa menyebutkan kalau keduanya mempunyai beberapa jenis. Padahal, hanya tegangan yang dibagi ke dalam tiga macam, di antaranya:

  1. Tegangan normal (normal stress)
    Sebenarnya, tegangan normal adalah jenis tegangan yang sebelumnya udah kita bahas. Tegangan ini terjadi ketika gaya yang bekerja tegak lurus dengan penampang benda. Saat ada gaya tarik atau gaya tekan pada suatu penampang benda, tegangan normal akan timbul.
  1. Tegangan geser (shear stress)
    Tegangan geser adalah gaya yang bekerja sejajar dengan bidang dari luas permukaan bendar. Di jenis ini, gaya bekerja pada suatu benda ke arah tangensial (melingkar) terhadap penampang.
  1. Tegangan lentur (bending stress)
    Tegangan lentur merupakan tegangan normal yang dialami sebuah benda saat mengenai beban yang besar. Di mana, hal itu terjadi pada suatu titik tertentu yang akhirnya membuat benda menekuk atau membengkok. Elo bisa lihat contoh tegangan lentur ini di struktur beton dan logam ketika benda-benda itu dikenai beban tarik.

Nah, dari awal kita udah ngomongin soal tegangan dan regangan. Sebenarnya, keduanya punya hubungan nggak, sih? Atau cuma ada perbedaan di antara keduanya?

Baca Juga: Kapasitas Kalor Gas: Rumus dan Contoh Soal – Materi Fisika Kelas 11

Hubungan Tegangan dan Regangan

Oke, sebelum gue jelaskan apa kaitannya tegangan dan regangan, coba elo perhatikan grafik di bawah ini. Menurut elo, grafik ini menunjukkan data apa, sih?

Gambar grafik hubungan antara tegangan dan regangan.
Grafik hubungan antara tegangan dan regangan. (Arsip Zenius)

Iya, betul banget. Itu adalah grafik hubungan antara tegangan dan regangan. Seperti yang elo lihat, di sumbu X (horizontal) ada persamaan rumus regangan. Sementara di sumbu Y (vertikal), tertulis rumus tegangan.

Di grafik, terlihat ada titik A sampai titik D. Kalau elo perhatikan, dari titik A sampai B, bentuk garisnya masih lurus (linear). Sehingga, titik B menjadi batas linearitas. 

Di titik B sampai C, sifat benda masih elastis. Jadi, kalau elo kasih gaya sedikit lebih besar dari B, panjang benda masih bisa kembali ke kondisi semula, meskipun ada sedikit perubahan. Karena itu, titik C menjadi batas elastisitas benda.

Nah, gimana sama titik C ke D? Elo ada yang tahu maksudnya?

Di titik C sampai D, benda sudah tidak bisa kembali ke titik semula. Jadi, ketika gaya yang elo berikan sudah melebihi titik C, artinya ukuran benda itu pasti akan bertambah. Karena itu, titik D disebut titik patah, di mana gaya yang diberikan melebihi titik itu bakal rusak atau putus.

Penjelasan detail tentang grafiknya bisa elo lihat di gambar berikut ini.

Hubungan antara tegangan dan regangan yang meliputi batas linearitas, batas elastisitas, dan titik patah.
Grafik penjelasan hubungan antara tegangan dan regangan. (Arsip Zenius)

Sekarang, coba elo lihat lagi grafik di atas. Elo sadar nggak, ada satu titik yang belum dibahas? Yup, ada titik E yang dari tadi belum disinggung.

Titik E adalah kemiringan dari grafik linear A dan B atau dikenal dengan modulus elastis. Jadi, perbandingan antara tegangan dan regangan disebut dengan modulus elastisitas atau modulus Young. 

Nah, buat menghitung modulus elastis ini, ada rumusnya sendiri, yaitu:

Perbedaan Tegangan dan Regangan Elastisitas - Materi Fisika Kelas 11 59

Dengan,

E = modulus elastis (N/m2)

σ = tegangan (N/m2)

ε = regangan (tak berdimensi)

Oke, biar semakin paham tentang tegangan dan regangan, gue mau kasih beberapa contoh soalnya. Langsung aja kita latihan bareng, yuk!

Contoh Soal Tegangan dan Regangan Beserta Jawabannya

Elo udah tahu rumus apa aja yang ada untuk menghitung tegangan dan regangan. Ada baiknya, rumus-rumus itu tidak cuma dihafal tapi juga dipahami. Makanya, yuk coba kerjakan contoh soal di bawah ini!

Contoh Soal 1

Sebuah kawat berdiameter 10 mm dan mempunyai panjang awal 1 meter ditarik dengan gaya 314 Newton hingga panjang tali berubah menjadi 1,03 meter. Besar tegangan yang dialami oleh kawat adalah….

a. 106 

b. 2 x 106 

c. 3 x 106 

d. 4 x 106 

e. 5 x 106 

Pembahasan

Diketahui:

Diameter kawat (d) = 10 mm = 0,01 m

Jari-jari kawat r = 0,01 m / 2 = 0,005 m

Gaya tarik kawat (F) = 314 N

Ditanya = tegangan kawat (σ)

Oke, hal pertama yang perlu elo cari adalah luas penampang benda. Dari sini, elo bisa tahu kalau benda yang diberikan gaya berbentuk lingkaran karena berupa kawat. Jadi, luas penampangnya adalah sebagai berikut:

A = π x r2

A = 3,14 x 0,0052

A = 3,14 x 0,000025

A = 0,0000785

A = 7,85 x 105

Nah, kalau luas penampang bendanya sudah elo ketemu, sekarang tinggal masukkan setiap informasi yang diketahui ke dalam rumus tegangan.

Perbedaan Tegangan dan Regangan Elastisitas - Materi Fisika Kelas 11 60

Gimana, udah kelihatan kan, pilihan yang benar apa? Betul, jawabannya adalah d. 4 x 106.

Contoh Soal 2

Sebuah tali berdiameter 10 mm mempunyai panjang awal 2 meter. Setelah ditarik dengan gaya 314 Newton, panjang tali berubah menjadi 3,5 meter. Besar regangan yang dialami oleh tali adalah….

a. 0,075

b. 0,75

c. 7,5

d. 7,25

e. 72,5 

Pembahasan

Diketahui:

Panjang awal tali (L) = 2 m

Perubahan panjang tali setelah ditarik (ΔL) = 3,5 m – 2 m = 1,5 m

Ditanya = regangan tali (ε)

Dari soal, elo udah mendapatkan semua informasi yang dibutuhkan buat menghitung regangan tali. Jadi, informasi yang ada tinggal elo masukkan aja ke dalam rumusnya. Cara perhitungannya adalah sebagai berikut.

Perbedaan Tegangan dan Regangan Elastisitas - Materi Fisika Kelas 11 61

So, udah pasti, ya. Jawaban yang sesuai yaitu b. 0,75.

Contoh Soal 3

Contoh soal kurva tegangan dan regangan.

Kurva tersebut menunjukkan hubungan antara pertambahan panjang ΔL dan gaya yang diberikan F pada sebuah kawat logam. Jika panjang awal kawat L, luas penampang kawat A dan modulus Young kawat tersebut E, maka gradien kurva tersebut adalah….

a. EL/A

b. EA2/L

c. EL2A

d. EA/L

e. A/EL

Pembahasan

Dari grafik, elo bisa lihat kalau sumbu Y menunjukkan gaya atau F. Sementara, sumbu X menunjukkan perubahan panjang yang dilambangkan ΔL.

Dalam soal, elo diminta untuk mencari gradien kurva. Hayo, ada yang masih inget gradien itu apa? Iya, gradien yang sering dibahas di materi Matematika.

Gradien adalah kemiringan suatu garis antara sumbu Y dan X. Nah, buat menjawab soal ini, elo harus paham dulu konsep persamaan garis dulu, yaitu:

y= mx + c

y – y1 = m (x – x1)

y = m (x – x1) + y1

y = mx – mx1 + y1

Eits, nggak usah bingung pas lihat persamaan di atas. Intinya, di sini kita bakal mencari nilai m yang merupakan gradien kurva.

Karena dalam soal garis tegak lurus melalui titik 0, elo bisa menggunakan 0,0 menjadi x1 dan y1. Sehingga, perhitungannya sebagai berikut.

y = mx – mx1 + y1

y = mx – m(0) + 0

y = mx 

F = mΔL

Terus, bagaimana mencari m jika dinyatakan pakai nilai E, L, dan A? Elo udah kepikiran caranya?

Jadi gini, sebelumnya elo udah tahu kalau modulus young itu sama dengan perbandingan tegangan dengan regangan. Cara menghitungnya bisa seperti di bawah ini.

Perbedaan Tegangan dan Regangan Elastisitas - Materi Fisika Kelas 11 62

Dari perhitungan ini, persamaan F dengan persamaan F yang sebelum di konsep persamaan garis udah punya bentuk yang sama. Sekarang, elo bisa lihat, mana yang berperan sebagai m?

Perbedaan Tegangan dan Regangan Elastisitas - Materi Fisika Kelas 11 63

Iya, m sama dengan E.A/L. Jadi, pilihan yang tepat untuk menjawab soal ini adalah d. EA/L.

Baca Juga: Contoh Soal PAT Fisika Kelas 11 Semester 2 dan Pembahasan

*****

Oke deh, segitu dulu pembahasan kita soal tegangan dan regangan. Semoga artikel ini bisa bantu elo buat belajar tentang pengertian, jenis, rumus, dan cara menghitungnya.

Kalau elo mau memahami materi tegangan dan regangan lebih dalam, elo bisa tonton video materi yang ada di Zenius. Habis itu, jangan lupa kerjakan juga latihan soalnya. Yuk, langsung aja cek materinya dengan klik gambar di bawah ini, ya!

materi fisika kelas 12

Referensi

Elastisitas – Materi Zenius Kelas 11

Bending Stress – Corrosionpedia (2018)

Perencanaan Elemen Mesin (Elemen Sambungan dan Penumpu) – Hendri Nurdin, Ambiyar, Waskito (2020)

Elasticity – Physics Info (n.d.)

Bagikan Artikel Ini!