Tegangan geser merupakan konsep penting dalam mekanika bahan yang menggambarkan gaya yang bekerja sejajar dengan bidang suatu benda. Tegangan ini dapat menyebabkan deformasi, retak, atau bahkan kegagalan material, sehingga pemahamannya sangat penting dalam desain dan analisis teknik.

Dalam artikel ini, kita akan membahas secara komprehensif tentang tegangan geser, mulai dari definisi, penyebab, jenis, distribusi, efek, hingga contoh soal dan aplikasi praktisnya. Pembahasan ini akan memberikan landasan yang kuat bagi pembaca untuk memahami dan menerapkan prinsip-prinsip tegangan geser dalam berbagai bidang teknik.

Definisi Tegangan Geser

Tegangan geser merupakan gaya geser yang bekerja pada suatu bidang per satuan luas. Rumusnya adalah:

τ = F/A

di mana:

• τ adalah tegangan geser (dalam Pascal)
• F adalah gaya geser (dalam Newton)
• A adalah luas bidang (dalam meter persegi)

Contoh situasi nyata di mana tegangan geser terjadi antara lain:

• Ketika kita berjalan di atas lantai, terjadi gesekan antara telapak kaki dan lantai yang menghasilkan tegangan geser pada telapak kaki.
• Saat kita mengendarai mobil, ban mobil memberikan gaya gesek pada jalan yang menghasilkan tegangan geser pada ban.
• Ketika kita mengencangkan baut, terjadi tegangan geser pada ulir baut karena adanya gaya gesek antara baut dan mur.

Penyebab Tegangan Geser

Tegangan geser merupakan jenis tegangan yang terjadi ketika gaya sejajar dengan permukaan suatu benda. Penyebab utama tegangan geser adalah gaya-gaya berikut:

Gaya Gesekan

Gaya gesekan adalah gaya yang terjadi antara dua permukaan yang bersentuhan dan bergerak relatif satu sama lain. Gaya ini arahnya berlawanan dengan arah gerakan dan menyebabkan tegangan geser pada permukaan yang bersentuhan.

Gaya Puntir

Gaya puntir adalah gaya yang menyebabkan suatu benda berputar atau memuntir. Gaya ini menghasilkan tegangan geser pada bagian dalam benda yang dipilin.

Gaya Aksial

Gaya aksial adalah gaya yang bekerja pada sumbu suatu benda. Gaya ini dapat menyebabkan tegangan geser pada permukaan benda yang tegak lurus dengan sumbu gaya.

Jenis-Jenis Tegangan Geser

Tegangan geser adalah gaya yang bekerja sejajar dengan permukaan suatu benda, menyebabkan lapisan benda saling bergeser. Ada beberapa jenis tegangan geser yang umum ditemukan dalam praktik teknik.

Tegangan Geser Langsung

Tegangan geser langsung terjadi ketika gaya bekerja langsung pada permukaan benda, menyebabkan lapisan benda saling bergeser. Jenis tegangan geser ini umum terjadi pada sambungan geser, seperti baut dan paku.

Tegangan Geser Torsional

Tegangan geser torsional terjadi ketika gaya puntir diterapkan pada benda, menyebabkan benda berputar. Jenis tegangan geser ini umum terjadi pada poros dan as.

Tegangan Geser Lentur

Tegangan geser lentur terjadi ketika gaya tegak lurus diterapkan pada benda, menyebabkan benda membelok. Jenis tegangan geser ini umum terjadi pada balok dan pelat.

Distribusi Tegangan Geser

Tegangan geser didistribusikan dalam suatu benda dengan cara yang bergantung pada bentuk benda dan cara pembebanan. Dalam benda padat, tegangan geser maksimum terjadi pada bidang-bidang yang sejajar dengan permukaan yang dikenai beban geser.

Distribusi Tegangan Geser pada Berbagai Bentuk Benda

Balok Persegi Panjang

• Tegangan geser konstan di seluruh penampang balok.
• Tegangan geser maksimum terjadi pada bidang yang sejajar dengan sisi balok yang dikenai beban geser.

Silinder Berongga

• Tegangan geser berbanding terbalik dengan jari-jari silinder.
• Tegangan geser maksimum terjadi pada permukaan bagian dalam silinder.

Lingkaran

• Tegangan geser berbanding terbalik dengan kuadrat jari-jari lingkaran.
• Tegangan geser maksimum terjadi pada pusat lingkaran.

Efek Tegangan Geser

Tegangan geser adalah gaya yang menyebabkan benda meluncur atau bergeser ke arah yang sejajar dengan permukaannya. Tegangan ini dapat menimbulkan berbagai efek pada benda, antara lain:

Deformasi

Tegangan geser dapat menyebabkan benda mengalami deformasi, yaitu perubahan bentuk. Deformasi dapat berupa perpanjangan, pemendekan, atau pembengkokan. Dalam kasus tegangan geser, deformasi biasanya terjadi pada arah yang sejajar dengan permukaan benda yang dikenai gaya.

Retak

Jika tegangan geser yang diberikan melebihi kekuatan material benda, maka dapat terjadi retak. Retak adalah patahan pada material yang terjadi karena gaya geser yang berlebihan. Retak dapat melemahkan benda dan membuatnya lebih rentan terhadap kegagalan.

Kegagalan

Dalam kasus yang ekstrem, tegangan geser yang berlebihan dapat menyebabkan kegagalan benda. Kegagalan dapat terjadi dalam berbagai bentuk, seperti patah, sobek, atau hancur. Kegagalan akibat tegangan geser sering terjadi pada benda-benda yang mengalami beban berulang atau berkepanjangan.

Contoh Soal Tegangan Geser

Berikut adalah beberapa contoh soal khas tentang tegangan geser, beserta solusi langkah demi langkahnya:

Soal 1:

Sebuah balok dengan panjang 100 mm dan lebar 50 mm dikenakan gaya geser sebesar 500 N. Jika tinggi balok adalah 20 mm, hitunglah tegangan geser pada balok.

Solusi:

• Tentukan luas penampang geser:

A = (panjang) x (lebar) = (100 mm) x (50 mm) = 5000 mm ²

• Hitung tegangan geser:

τ = F / A = (500 N) / (5000 mm ² ) = 0,1 N/mm ²

Soal 2:

Sebuah paku dengan diameter 5 mm dikenakan gaya geser sebesar 200 N. Jika panjang paku adalah 25 mm, hitunglah tegangan geser pada paku.

Solusi:

• Tentukan luas penampang geser:

A = πr ² = π(2,5 mm) ² = 19,63 mm ²

• Hitung tegangan geser:

τ = F / A = (200 N) / (19,63 mm ² ) = 10,19 N/mm ²

Soal 3:

Sebuah batang baja dengan panjang 1 m dan penampang persegi dengan sisi 20 mm dikenakan beban geser sebesar 10 kN. Hitunglah tegangan geser pada batang.

Solusi:

• Tentukan luas penampang geser:

A = (sisi) ² = (20 mm) ² = 400 mm ²

• Hitung tegangan geser:

τ = F / A = (10 kN) / (400 mm ² ) = 25 N/mm ²

Metode Perhitungan Tegangan Geser

Menghitung tegangan geser sangat penting untuk menilai integritas struktural elemen mekanis. Berikut adalah metode yang umum digunakan untuk menghitung tegangan geser pada berbagai jenis struktur dan kondisi pemuatan:

Tegangan Geser Akibat Gaya Gesek

Tegangan geser pada permukaan kontak dapat dihitung menggunakan persamaan:

τ = F / A

di mana:

• τ adalah tegangan geser (Pa)
• F adalah gaya gesek (N)
• A adalah luas permukaan kontak (m²)

Tegangan Geser Akibat Torsi

Tegangan geser pada poros melingkar akibat torsi dapat dihitung menggunakan persamaan:

τ = (Tr) / J

di mana:

• τ adalah tegangan geser (Pa)
• T adalah torsi (N-m)
• r adalah jarak radial dari pusat poros (m)
• J adalah momen inersia polar poros (m⁴)

Tegangan Geser Akibat Bending

Tegangan geser pada balok persegi panjang akibat bending dapat dihitung menggunakan persamaan:

τ = (VQ) / (Ib)

di mana:

• τ adalah tegangan geser (Pa)
• V adalah gaya geser (N)
• Q adalah momen statik terhadap sumbu netral (m³)
• I adalah momen inersia terhadap sumbu netral (m⁴)
• b adalah lebar balok (m)

Aplikasi Praktis Tegangan Geser

Tegangan geser merupakan komponen penting dalam desain dan analisis teknik, karena memberikan pemahaman tentang perilaku material di bawah gaya yang sejajar dengan permukaannya. Aplikasi praktis tegangan geser meliputi:

Contoh Nyata dalam Desain Struktural

• Analisis jembatan dan bangunan untuk memastikan integritas struktural di bawah beban lateral seperti angin atau gempa bumi.
• Desain sambungan baut dan paku keling untuk memastikan kekuatan dan keandalan dalam menahan beban geser.
• Evaluasi tegangan geser pada poros dan bantalan untuk memprediksi keausan dan kegagalan.

Aplikasi dalam Kinerja Komponen

• Analisis tegangan geser pada sayap pesawat untuk memastikan kinerja aerodinamis dan mencegah kerusakan akibat gaya gesek udara.
• Desain roda gigi untuk meminimalkan keausan dan meningkatkan efisiensi transmisi daya.
• Evaluasi tegangan geser pada komponen mesin untuk mengoptimalkan kinerja dan umur pakai.

Ringkasan Penutup

Dengan memahami tegangan geser, para insinyur dan desainer dapat merancang dan membangun struktur serta komponen yang aman dan andal. Contoh soal dan aplikasi praktis yang dibahas dalam artikel ini memberikan wawasan yang berharga tentang pentingnya tegangan geser dalam praktik teknik, sehingga memungkinkan pengambilan keputusan yang tepat dan memastikan integritas struktural.

Tanya Jawab (Q&A)

Apa saja penyebab utama tegangan geser?

Penyebab utama tegangan geser meliputi gaya gesek, gaya puntir, dan gaya aksial.

Apa jenis tegangan geser yang paling umum digunakan dalam praktik teknik?

Jenis tegangan geser yang paling umum digunakan adalah tegangan geser langsung, tegangan geser torsional, dan tegangan geser lentur.

Bagaimana tegangan geser memengaruhi benda?

Tegangan geser dapat menyebabkan deformasi, retak, atau bahkan kegagalan material, tergantung pada besarnya tegangan dan sifat material.

Apa saja aplikasi praktis tegangan geser dalam teknik?

Aplikasi praktis tegangan geser meliputi desain poros, sambungan baut, dan struktur penahan beban lainnya.