Bab 1: Dunia Fisik Mesin

Mesin dirancang untuk menggantikan tenaga kerja manusia. Namun, banyak orang merasa tidak nyaman di sekitar mesin karena mereka tidak memahami cara kerja mesin. Bab ini menjelaskan konsep-konsep fisika dasar — gaya, energi, usaha, daya, dan tekanan — yang muncul dalam setiap bab berikutnya dalam kursus ini.

Gambar 1-1 Unit daya hidrolik industri khas. Pompa, motor, tangki penampung, dan katup sering digabungkan dalam satu rumah (housing) seperti ini.

Kekuatan

Gaya adalah setiap aksi yang mengubah — atau berusaha mengubah — keadaan gerak suatu benda.

Newton (N)

Satuan SI untuk gaya adalah newton (N). Dalam satuan kustom AS, gaya diukur dalam pound (lbs).

Tiga cara gaya mengubah gerak

Gaya dapat melakukan tiga hal terhadap suatu benda:

1. Memulai gerak benda.
2. Memperlambat atau menghentikannya.
3. Mengubah arah geraknya.

Ketahanan

Setiap gaya yang memperlambat atau menghentikan gerak disebut hambatan. Dua hambatan paling umum dalam mesin hidrolik adalah gesekan dan inersia.

Friction

Gesekan adalah hambatan yang muncul di permukaan kontak antara dua benda yang bergerak—atau cenderung bergerak—relatif satu sama lain.

Gambar 1-3 Gesekan bekerja di mana saja dua permukaan bersentuhan dan saling meluncur satu sama lain.

Inersia

Inersia adalah kecenderungan suatu benda untuk mempertahankan keadaan geraknya saat ini. Benda yang diam akan tetap diam; benda yang bergerak akan terus bergerak. Inersia berbanding lurus dengan massa: semakin besar massa suatu benda, semakin sulit benda tersebut untuk mulai bergerak atau dihentikan.

Contoh: Bola timah memiliki inersia lebih besar daripada bola kayu. Tendang keduanya dengan gaya yang sama, maka bola kayu akan bergerak lebih cepat dan lebih jauh, menunjukkan bahwa bola timah lebih resisten terhadap perubahan gerak.

Energi

Energi adalah sesuatu yang dimiliki suatu gaya ketika gaya tersebut mampu membuat benda bergerak. Secara sederhana: energi adalah kemampuan untuk melakukan usaha.

Energi kinetik

Energi kinetik adalah energi dari gerak. Setiap benda yang bergerak memiliki energi kinetik karena dapat mendorong benda lain dan membuatnya bergerak. Semakin berat dan cepat benda tersebut bergerak, semakin besar pula energi kinetik yang dimilikinya.

Bentuk-bentuk energi

Energi hadir dalam banyak bentuk: mekanik, termal (panas), listrik, cahaya, kimia, dan bunyi.

Hukum Kekekalan Energi

Energi tidak pernah dapat diciptakan atau dimusnahkan — energi hanya dapat diubah dari satu bentuk ke bentuk lain. Ini merupakan salah satu hukum paling penting dalam fisika.

Gambar 1-6 Hukum Kekekalan Energi: energi tidak pernah dimusnahkan, melainkan hanya diubah ke bentuk lain.

Konversi Energi

Energi listrik dari stopkontak dapat berubah menjadi cahaya (pada lampu pijar), panas (pada pemanas), gerak mekanis (pada motor), atau bunyi (pada speaker), tergantung pada perangkat yang digunakan. Energi selalu kekal — hanya bentuknya yang berubah.

Contoh lain: meluncur menuruni tali mengubah energi kinetik tubuh menjadi panas pada tali dan telapak tangan, itulah sebabnya gesekan memperlambat gerak Anda dan memanaskan tali.

Keadaan Energi

Energi kinetik — energi dalam gerak

Energi kinetik mewakili usaha yang telah dilakukan — yaitu energi yang dimiliki suatu benda karena bergerak. Sebagian besar bentuk energi harus berada dalam keadaan kinetik sebelum dapat melakukan usaha yang berguna.

Energi potensial — energi tersimpan

Energi potensial adalah energi yang tersimpan. Ketika kondisi yang tepat terpenuhi, energi potensial berubah menjadi energi kinetik dan menyebabkan gerak. Energi potensial berasal dari sifat fisik suatu benda atau posisinya di atas titik acuan.

Contoh: air yang disimpan dalam tangki tinggi memiliki energi potensial karena ketinggiannya — air tersebut dapat mengalir ke bawah dan melakukan usaha pada ketinggian yang lebih rendah. Baterai yang tidak terhubung ke rangkaian menyimpan energi potensial kimia.

Gambar 1-8 Dua contoh umum energi potensial: menara air yang ditinggikan dan baterai yang terisi penuh.

Konversi keadaan energi

Energi potensial dan energi kinetik saling berubah secara bebas. Air dalam sebuah menara merupakan energi potensial; saat mengalir ke bawah, air tersebut berubah menjadi energi kinetik; ketika mengisi suatu wadah dan diangkat kembali, energi tersebut kembali menjadi energi potensial.

Pekerjaan

Usaha dilakukan ketika suatu gaya bekerja pada suatu benda dan menyebabkan benda tersebut berpindah sejauh jarak tertentu. Jika tidak ada perpindahan, maka tidak ada usaha yang dilakukan.

Joule, J = N·m

Satuan SI untuk usaha adalah joule (J). Dalam satuan kustom Amerika Serikat, usaha diukur dalam foot-pound (ft·lbs).

Rumus usaha

(J) = (m) × (N) atau (ft.lbs) = (ft) × (lbs)

Contoh: Sebuah forklift mengangkat setiap palet sejauh 5 ft (1,524 m) dengan gaya sebesar 2.000 lbs (8.880 N). Usaha yang dilakukan per palet:

Gambar 1-9 Usaha = gaya × jarak. Forklift melakukan usaha setiap kali mengangkat palet.

Daya

Usaha selalu dilakukan dalam jangka waktu tertentu. Daya adalah laju dilakukannya usaha — yaitu jumlah usaha yang dilakukan per satuan waktu.

Rumus daya

(W) = (m) × (N) ÷ (s) atau (ft·lb/s) = (ft) × (lb) ÷ (s)

Menggunakan contoh forklift: jika usaha sebesar 10.000 ft·lb dilakukan dalam waktu 5 detik, maka keluaran dayanya adalah:

Tenaga kuda (HP)

Tenaga kuda (horsepower/HP) adalah satuan daya dalam sistem imperial. James Watt, penemu mesin uap, mendefinisikannya dengan membandingkan kinerja mesinnya terhadap seekor kuda yang sedang bekerja. Ia menemukan bahwa seekor kuda mampu memindahkan beban 550 lb sejauh 1 ft dalam waktu 1 detik:

Rumus tenaga kuda

kW = HP × 0,746

Untuk contoh forklift: 2.000 ft·lbs/s ÷ 550 = 3,6 HP (= 2.707 W = 2,71 kW).

Gambar 1-11 James Watt mendefinisikan 1 HP sebagai 550 ft·lbs per detik setelah mengamati kuda-kuda yang sedang bekerja.

Tekanan

Tekanan mengukur intensitas suatu gaya—seberapa terkonsentrasinya gaya tersebut pada suatu luas area tertentu. Dua benda dapat memberikan gaya total yang sama namun menghasilkan tekanan yang sangat berbeda tergantung pada luas area kontaknya.

Contoh sehari-hari: sepatu hak tinggi dibandingkan sepatu datar. Keduanya menopang berat badan yang sama, tetapi luas permukaan hak yang sangat kecil memusatkan beban tersebut sehingga menghasilkan tekanan sangat tinggi pada lantai, sedangkan sol datar menyebarkan gaya yang sama ke seluruh area permukaan yang lebih luas dan menghasilkan tekanan rendah. Siapa pun yang pernah merasakan hak sepatu menginjak kakinya pasti memahami hal ini.

Rumus tekanan

(Pa = N/m²) = (N) ÷ (m²) atau (psi) = (lbs) ÷ (in²)

Konversi satuan:

• 1 bar = 10^5 N/m^2 = 10^5 Pa
• 1 bar = sekitar 14,5 psi
• Tekanan atmosfer standar = 14,7 psia = 1,01 bar = 101.000 Pa

Contoh: Sebuah balok dengan luas alas 100 in² (645 cm²) memiliki berat 100 lbs (444 N). Tekanan = 100 lbs ÷ 100 in² = 1 psi (0,07 bar). Berat yang sama, yaitu 100 lbs, dikenakan pada sebuah pin baja dengan luas alas 0,25 in² (1,6 cm²): 100 ÷ 0,25 = 400 psi (27,6 bar).

Gambar 1-12: Gaya yang sama, tekanan yang sangat berbeda. Semakin kecil luas permukaan, semakin tinggi tekanannya.

Energi Kerja

Cara mesin menggunakan energi umumnya melalui tekanan. Tekanan adalah besaran yang dihasilkan ketika energi kinetik bekerja pada permukaan beban. Energi kerja menggabungkan energi kinetik dengan tekanan untuk memindahkan beban.

Konversi energi kerja

Pada semua sistem transmisi, sebagian energi kerja hilang akibat gesekan dalam perjalanan menuju beban. Energi yang hilang ini tidak musnah—melainkan berubah menjadi panas. Fraksi energi yang berubah menjadi panas disebut rugi sistem, dan hal inilah yang menyebabkan sistem menjadi tidak efisien.

Tekanan di sumber lebih tinggi daripada tekanan di beban karena energi dikonsumsi untuk mengatasi gesekan dalam pipa, katup, dan fitting sepanjang jalur.

Gambar 1-13 Aliran energi kerja dari sumber ke beban. Gesekan sepanjang jalur menghasilkan panas, sehingga menurunkan tekanan yang mencapai beban.

Metode Transmisi Energi

Terdapat empat cara mesin mentransmisikan energi dari sumber ke tempat kerja dilakukan:

Transmisi mekanis

Energi berpindah melalui gerak fisik — tuas, rantai, roda gigi, katrol, sabuk, dan cam. Media pembawanya adalah komponen mekanis bergerak yang terhubung langsung ke sumber energi.

Transmisi Listrik

Energi berpindah melalui konduktor listrik (kabel) dan disalurkan ke aktuator listrik — motor atau solenoid — untuk melakukan kerja.

Transmisi pneumatik

Energi berpindah melalui pipa dalam bentuk aliran udara terkompresi dan disalurkan ke aktuator pneumatik (silinder udara atau motor udara) untuk melakukan kerja.

TRANSMISI HIDRAULIK

Energi berpindah melalui pipa sebagai aliran cairan bertekanan (minyak) dan disalurkan ke aktuator hidrolik (silinder atau motor) untuk melakukan kerja mekanis. Ini merupakan pokok bahasan seluruh kursus ini.

Setiap mesin pada akhirnya melakukan kerja mekanis. Energi dalam bentuk apa pun — listrik, pneumatik, atau hidrolik — harus dikonversi kembali menjadi energi mekanis oleh suatu aktuator sebelum beban dapat digerakkan. Masing-masing metode memiliki kelebihan dan kekurangan, serta banyak mesin menggabungkan dua metode atau lebih.

Gambar 1-17: Transmisi hidrolik membawa energi dalam bentuk cairan bertekanan. Silinder atau motor di ujungnya mengubah energi tersebut kembali menjadi gaya mekanis.

Kehilangan sistem

Dalam setiap sistem transmisi nyata, sebagian energi diubah menjadi panas akibat gesekan sebelum mencapai beban. Energi kerja (energi kinetik di bawah tekanan) bekerja pada permukaan pipa dan katup, menghasilkan hambatan dan panas. Kerugian ini tampak sebagai penurunan tekanan dari sumber ke beban. Energi tetap terkonservasi—hanya berubah bentuk, sehingga membuat sistem menjadi kurang efisien.