Elastisitas Fisika: Pengertian, Rumus, dan Contoh Soalnya

Sobat Pijar, apakah kamu pernah bermain busur panah? Ketika kamu ingin menembak sasaran dengan anak panah, pastinya kamu akan meletakkan anak panah tersebut di tali busur yang terlihat elastis. Tanpa adanya tali elastis ini maka tidak akan mungkin anak panah bisa meluncur dengan tepat di sasaran.

Nah, aktivitas seperti ini adalah contoh penggunaan materi elastisitas fisika yang akan dibahas lengkap pada artikel kali ini. Yuk, baca hingga selesai!

Baca juga: Keseimbangan Benda Tegar - Fisika Kelas 11

Pengertian Elastisitas

Elastisitas dalam ilmu fisika adalah karakteristik suatu materi yang memungkinkan perubahan baik dalam ukuran maupun bentuknya saat dikenai gaya eksternal, tetapi materi tersebut akan kembali ke ukuran dan bentuk semula setelah gaya eksternal tersebut dihapuskan. 

Dalam ranah fisika, elastisitas perlu diukur secara kuantitatif agar potensinya dapat dipahami dan dimanfaatkan secara optimal dalam berbagai aplikasi alat dan teknologi.

Dengan demikian, elastisitas suatu materi berasal dari interaksi antarmolekul yang menyusun materi tersebut. Ketika materi dikenai gaya eksternal, interaksi ini terdistorsi sementara, tetapi setelah gaya tersebut dihilangkan, interaksi antarmolekul mengembalikan materi ke bentuk aslinya.

Rumus Elastisitas

Stress

Sumber: Repositori Kemdikbud

Tegangan adalah cara untuk menggambarkan hubungan antara gaya dan luas yang menerima gaya, jika diungkapkan dalam bentuk persamaan, dapat ditulis sebagai berikut:

$\sigma = \frac{F}{A}$

Keterangan:

σ = tegangan ($N/m^2$)

$F$ = Gaya ($N$)

$A$ = Luas bidang yang dikenai gaya ($m^2$)

Berdasarkan persamaan tersebut, nilai tegangan akan meningkat apabila:

1. Gaya meningkat.
2. Luasan berkurang.
3. Keduanya, yaitu gaya meningkat dan luasan berkurang.

Strain

Sebuah tabung yang semula memiliki panjang $L_0$ ditarik oleh gaya F sehingga panjangnya menjadi $L_0$ + $∆L$. Selama perubahan ini, tabung mengalami regangan, yang menggambarkan hubungan antara perubahan panjang dan panjang semula. Untuk menghitung regangan, kita dapat menggunakan rumus berikut:

Sumber: Repositori Kemdikbud

$\varepsilon = \frac{\Delta L}{L_0}$

Keterangan:

$\varepsilon$ = Regangan (tanpa satuan)

$L$ = Pertambahan panjang ($m$)

$L_0$ = Panjang semula ($m$)

Berdasarkan persamaan tersebut, strain tidak memiliki satuan karena ini adalah perbandingan antara dua besaran pokok yang sama. Strain adalah ukuran pertambahan panjang suatu benda saat dikenai gaya. 

Jika nilai strain besar, ini berarti benda tersebut mudah mengalami penambahan panjang. Sebagai contoh, karet memiliki nilai strain yang lebih besar daripada pegas di mobil, karena bahkan dengan penerapan gaya yang kecil saja, karet mengalami penambahan panjang yang signifikan.

Modulus Young

Dua besaran yang telah kita diskusikan sebelumnya, yaitu tegangan dan regangan, sebenarnya terjadi secara bersamaan. Ketika benda dikenai gaya dalam arah sejajar dengan panjangnya, gaya per satuan luasnya menghasilkan tegangan. 

Dengan adanya tegangan ini, benda akan mengalami penambahan panjang, dan jika kita membandingkan pertambahan panjangnya dengan panjang semula, kita dapat mendapatkan nilai regangan.

Perbandingan antara tegangan dan regangan dinyatakan sebagai modulus elastisitas, yang merupakan suatu angka yang menunjukkan ketahanan suatu bahan terhadap deformasi atau perubahan. 

Semakin besar nilai modulus elastisitas suatu benda, semakin sulit benda tersebut mengalami perubahan. Secara matematis, untuk menghitung modulus elastisitas, atau yang kadang disebut modulus Young, kita menggunakan rumus modulus young :

$Y = \frac{\sigma }{\varepsilon }$

Keterangan: 

$\sigma$ = Tegangan ($N/m^2$)

$\varepsilon$ = Regangan

$Y$ = Modulus elastis ($N/m^2 = Pascal$)

Atau persamaan lainnya, yaitu : 

$Y = \frac{F \times L_0}{A\times\Delta L}$

Keterangan: 

$L$ = Pertambahan panjang ($m$)

$L_o$ = Panjang semula (m)

$F$ = Gaya ($Newton$)

$A$ = Luas bidang yang dikenai gaya ($m^2$)

Di bawah ini adalah tabel yang berisi nilai Modulus Elastisitas beberapa bahan, yang membantu memberikan gambaran tentang kemampuan bahan-bahan ini dalam mengatasi deformasi, baik itu perubahan bentuk, dimensi, maupun posisi.

Dari tabel tersebut, terlihat bahwa nilai Modulus Elastisitas (Modulus Young) terendah terdapat pada karet, yang berarti karet merupakan bahan yang paling mudah mengalami perubahan bentuk dibandingkan dengan bahan-bahan lain yang tercantum dalam tabel.

Contoh Soal Elastisitas

Berikut beberapa contoh soal elastisitas fisika dan jawabannya : 

Soal 1 

Sebuah balok beton dengan luas penampang $0.2 m²$ menerima gaya tekan sebesar $5000 N$ . Hitunglah tegangan yang diberikan pada balok beton tersebut.

Jawaban:

Kita dapat menggunakan rumus tegangan $\sigma = \frac{F}{A}$ untuk menghitung tegangan yang diberikan pada balok beton.

$\sigma = \frac{F}{A}$

$\sigma = \frac{5000 N}{0,2m^2} = 25.000 N/m^2$

Jadi, tegangan yang diberikan pada balok beton tersebut adalah $25.000 N/m$ ² atau $25 kPa$(kilo-Pascal).

Soal 2

Sebuah kawat baja mengalami regangan sebesar $0.02$. Panjang kawat saat mengalami regangan adalah $2.5 m$. Hitunglah panjang semula $L_0$ dari kawat baja tersebut.

Jawaban:

$\varepsilon = \frac{L}{L_0}$

$0,02 = \frac{2,5m}{L_0}$

Untuk menemukan $L_0$, kita perlu menyusun ulang rumus:

$L_0 = \frac{L}{\varepsilon}$

$L_0 = \frac{2,5}{0,02}$

$L_0=125 m$

Jadi, panjang semula $L_0$ dari kawat baja tersebut adalah 125 meter.

Baca juga: Dinamika Rotasi: Momen Gaya, Momen Inersia, dan Momentum Sudut

______________________________________

Dengan pemahaman tentang elastisitas Fisika, kamu dapat melihat betapa menariknya sifat-sifat bahan di sekitar kita. Sobat Pijar, semoga artikel ini telah membantu kamu memahami konsep elastisitas dan aplikasinya dalam kehidupan sehari-hari. 

Yuk, belajar lebih lanjut mengenai elastisitas fisika di Pijar Belajar! Kamu bisa mengakses ratusan konten pelajaran dalam bentuk video materi, rangkuman, hingga latihan soal, lho! Lengkap banget, ‘kan? 

Yuk, mulai berlangganan Pijar Belajar sekarang juga!