Elastisitas Zat Padat dan Hukum Hooke

---

Artikel Fisika kelas XI ini menjelaskan tentang elastisitas dan Hukum Hooke secara lengkap, mencakup modulus elastisitas, rumus, contoh soal dan pembahasan, serta contoh penerapannya dalam kehidupan sehari-hari.

--

Saat sedang berkendara, kamu pasti pernah melewati polisi tidur di jalan. Eits! polisi tidur yang dimaksud bukan polisi yang sedang tiduran di jalan, ya. Tapi, tambahan aspal/semen yang dipasang melintang di jalan guna memperlambat kecepatan kendaraan. Nah, saat melewati polisi tidur, kendaraanmu akan sedikit berguncang karena pengaruh dari tinggi polisi tidur tersebut. Apalagi kalau polisi tidurnya ada banyak, terus jaraknya berdekatan. Hmm… Mungkin jadinya bakal kayak gini.

Berasa duduk di kursi pijat, bukan? (sumber: DestructionNation via YouTube)

Untungnya, setiap kendaraan memiliki alat yang berfungsi untuk mengatasi setiap guncangan yang terjadi di sepanjang perjalanan. Peredam kejut atau shock absorber nama kerennya. Peredam kejut akan menyerap setiap guncangan dan mengubahnya menjadi gerakan yang elastis.

Peredam kejut (shock absorber) pada motor (sumber: motomaxx.id)

Perlu kamu ketahui, peredam kejut sangat penting untuk keselamatan. Tanpa adanya alat ini, bisa-bisa kendaraanmu akan terpental saat melewati polisi tidur atau jalan yang tidak rata permukaannya. Kalau kamu lihat gambar di atas, bentuk peredam kejut terlihat seperti pegas, ya. Hal ini yang menyebabkan sifatnya menjadi elastis. Eh, tapi, ngomong-ngomong masalah elastis, memangnya elastis itu apa, sih?

Oke, sebelumnya, mari kita lakukan eksperimen sederhana. Coba kamu cari dua macam benda berbeda, yaitu pegas dan lilin mainan (plastisin). Kemudian, kamu tarik kedua benda tersebut secara bergantian dan lihat apa yang terjadi?

Pegas akan kembali ke bentuk semula setelah ditarik, sedangkan lilin mainan akan berubah ke bentuk yang baru, yaitu menjadi lebih panjang. Pasti itu jawabannya. Tapi, kenapa bisa begitu, ya? 

Jadi gini, pada dasarnya, semua benda yang ada di bumi dapat mengalami perubahan bentuk (deformasi) apabila diberikan sejumlah gaya. Kemungkinannya seperti percobaan di atas tadi. Yap! Benda tersebut dapat kembali ke bentuk semula saat gaya yang diberikan dihilangkan atau benda tersebut berubah menjadi bentuk yang baru. Kalau gaya yang diberikan pada benda terlalu besar dan benda sudah melewati titik maksimalnya untuk meregang, bisa jadi benda tersebut akan hancur, lho!

Nah, kemampuan yang dimiliki benda untuk kembali ke kondisi awalnya saat gaya yang diberikan pada benda tersebut dihilangkan disebut elastisitas atau benda tersebut memiliki sifat yang elastis. Contohnya seperti pegas, karet gelang, per, dsb. Sementara itu, jika benda tidak memiliki kemampuan untuk kembali lagi ke kondisi awalnya saat gaya yang diberikan dihilangkan, maka benda tersebut memiliki sifat plastis. Contohnya adalah plastisin, plastik, permen karet, tanah liat, dsb. 

Umumnya, setiap benda yang memiliki sifat elastis pasti juga akan memiliki sifat plastis. Lho, kok bisa? Oke, misalnya saja, pegas yang kamu gunakan pada eksperimen pertama tadi kamu rentangkan secara terus-menerus dengan gaya yang semakin kuat. Apa yang akan terjadi? 

Mula-mula, mungkin pegas akan tetap kembali ke bentuk semula bila gaya yang kamu berikan tidak terlalu besar. Tapi, apabila pegas kamu rentangkan dengan gaya yang lebih besar lagi, ada saatnya pegas menjadi kendur dan sampai di titik tertentu, pegas tidak dapat kembali ke bentuk semula (plastis). Kondisi ini menandakan kalau elastisitas pegas sudah terlampaui. Jika gaya terus diperbesar sampai melewati kemampaunnya untuk meregang, maka pegas akan patah.

Hubungan antara gaya yang diberikan pada pegas dengan pertambahan panjang pegas dapat dibuat kedalam bentuk grafik seperti gambar berikut ini.

Coba kamu perhatikan, ya. Garis lurus OA menunjukkan bahwa gaya F akan sebanding dengan pertambahan panjang pegas (ΔL). Ketika gaya F diperbesar lagi sampai melampaui titik A, ternyata garis pada grafik sudah tidak lurus lagi. Hal ini menandakan, batas linearitas pegas sudah terlampaui, namun pegas masih bisa kembali ke bentuk semula. Oleh karena itu, daerah yang dibatasi oleh titik O sampai B disebut daerah elastis. 

Apabila gaya F semakin diperbesar hingga melewati titik B, batas elastisitas sudah terlampaui. Akibatnya, setelah gaya F dihilangkan, pegas tidak bisa kembali ke bentuk semula (pegas akan bersifat plastis). Nah, kalau gaya F terus diperbesar sampai titik C, pegas akan patah. Itulah mengapa tidak menutup kemungkinan benda yang bersifat elastis dapat menjadi plastis atau bahkan hancur. Balik lagi ke seberapa besar gaya yang diberikan pada benda tersebut.

Gaya yang menyebabkan perubahan bentuk benda akan sebanding dengan besaran yang disebut dengan tegangan. Sementara itu, hasil perubahan bentuk benda akibat tegangan disebut regangan yang berupa pertambahan panjang dari benda tersebut. Materi tegangan dan regangan dapat kamu pelajari lebih lengkap pada artikel Perbedaan Tegangan dan Regangan, ya. 

Menurut Robert Hooke, perbandingan antara tegangan dengan regangan suatu benda disebut dengan modulus elastisitas (young) benda tersebut. Secara matematis, modulus elastisitas dapat dirumuskan sebagai berikut: 

Nah, sekarang, supaya kamu semakin paham, kita coba latihan soal, yuk. Kita kerjakan sama-sama, ya.

Contoh Soal

Andi memiliki sebatang logam besi dengan panjang 1 m dan luas permukaan 1 cm². Kemudian, Andi menarik logam besi tersebut menggunakan mesin dengan gaya sebesar 5.000 N. Jika panjang akhir logam besi tersebut adalah 1,1 m, berapakah modulus elastisitas logam besi tersebut?

Pembahasan:

Diketahui:

 

Pertama-tama, kita perlu mencari besar tegangannya terlebih dahulu:

Setelah mencari besar tegangan, kita lanjut mencari besar regangannya:

Modulus elastisitasnya dapat diperoleh sebagai berikut:

Jadi, besar modulus elastisitas pada logam besi adalah sebesar 5 x 10⁸ N/m².

Berdasarkan eksperimen sebelumnya, kamu jadi tahu kalau sifat elastisitas suatu benda ada batasannya dan besar gaya yang diberikan suatu benda akan sebanding dengan pertambahan panjang benda tersebut. Hal ini juga telah lebih dulu disimpulkan oleh ilmuwan bernama Robert Hooke melalui percobaannya pada pegas. Oleh sebab itu, Hooke akhirnya membuat suatu hukum yang diberi nama dengan Hukum Hooke.

Hubungan antara besar gaya dengan pertambahan panjang pegas pertama kali diamati oleh Robert Hooke, seorang ahli kimia dan matematika berkebangsaan Inggris. Hooke membuat hukum, yaitu Hukum Hooke yang menjelaskan tentang besar gaya maksimum yang dapat diberikan pada benda elastis agar tidak melewati batas elastisitasnya dan menghilangkan sifat elastis benda tersebut. Besarnya gaya (F) akan berbanding lurus dengan pertambahan panjang pegas dari keadaan awalnya (ΔL). Artinya, semakin besar renggangan pegas, semakin besar pula gayanya.

Di bawah ini ada contoh soalnya, nih. Kita coba kerjakan, yuk! 

Contoh Soal

Sebuah pegas dengan konstanta sebesar 1.000 N/m ditarik dengan gaya sebesar 100 N. Berapakah pertambahan panjang pegas tersebut ?

Pembahasan:

Diketahui:

Besar pertambahan pegas dapat kita cari menggunakan rumus Hukum Hooke seperti berikut:

Jadi, besar pertambahan pegasnya adalah 0,1 meter.

Konsep Hukum Hooke ternyata banyak sekali diterapkan pada benda-benda disekitar kita. Selain penerapannya pada peredam kejut (shock absorber) kendaraan, beberapa contoh benda yang menerapkan konsep Hukum Hooke antara lain kasur pegas (spring bed), ketapel, busur panah, neraca pegas, sampai benda yang sering kamu gunakan sehari-hari. Apakah itu? Hayooo ada yang bisa menebak?

Yap! Betul. Per pada pulpen!

Tidak hanya itu saja, lho! Masih banyak benda-benda lain yang menggunakan konsep Hukum Hooke ini. Coba, tulis di kolom komentar ya bagi kamu yang tahu.

Wah, selesai sudah ya materi kita kali ini. Gimana? Seru nggak nih pembahasannya? Oh iya, kamu juga bisa pelajari materi elastisitas dan Hukum Hooke dengan lebih lengkap dan  menarik lagi di ruangbelajar, loh. Di sana, juga ada banyak latihan soal yang bisa kamu kerjakan untuk mengasah kemampuan kamu terhadap materi ini. Yuk, langganan, yuk!