STUDI EKSPERIMENTAL STRUKTUR HELMET PENGENDARA SEPEDA AKIBAT BEBAN IMPAK JATUH BEBAS PADA BAHAN POLIMER BUSA KOMPOSIT DIPERKUAT SERAT TANDAN KOSONG KELAPA SAWIT
Holdani 1 , Bustami Syam 2 , Syahrul Abda 3 , M. Sabri 4 , Ikhwansyah Isranuri 5 , Indra, Alfian Hamsi 6 Email:holdani_siregar@yahoo.com
1,2,3,4,5,6 Departemen Teknik Mesin, Universitas Sumatera Utara, Jl. Almamater, Kampus USU Medan 20155 Medan Indonesia

## ABSTRAK
Tujuan penelitian ini adalah untuk mendapatkan tegangan, regangan danenergi potensial yang mampu diserap  oleh helmet sepeda  dari  bahan  polimer  busa  komposit  dan helmet komersial  yang  kemudian dibandingkan dengan hasil uji. Pengujian impak jatuh bebas dilakukan dengan menggunakan alat uji jatuh  bebas  multiguna. Helmet yang  diuji  diletakkan  pada  tes  rig  yang  dapat  diatur  ketinggian jatuhnya.  Perhitungan  waktu  impak,  maka  pada  alat  uji  dilengkapi  dengan  8  buah  sensor proximity jenis  induktif. Helmet akan  jatuh  dan  menabrak  dudukan  alas  uji  yang  disebut  dengan  istilah anvil . Gaya  yang  dihasilkan  akan  diukur dengan  menggunakan  alat  sensor  pengukuran  beban  yang  disebut dengan load cell yang diletakkan di bawah anvil . Data akan dipindahkan dari load cell ke suatu sistem data akusisi yang berfungsi untuk merubah sinyal analog ke bentuk sinyal digital. Akhirnya data akan disimpan  dalam  PC  sebagai  gaya  (N)  dan  waktu  (ms).Hasil  pengujian  dengan  cara  eksperimental untuk helmet bahan  polimer  busa  komposit  diperkuat  serat  TKKS  pada  ketinggian  impaktor  1,5  m diperoleh besar gaya rata-rata 42,64 kgf yang berarti sama dengan 418,29 N dan besar tegangan rata- rata yang terjadi adalah 3,58 Mpa. Tegangan yang terjadi ini menyebabkan helmet sepeda pecah yang berarti  telah  mencapai  dan  melewati  titik break  point. Sedangkan  untuk helmet komersial  pada ketinggian  1,5  m  diperoleh  besar  gaya  rata-rata  45,04  kgf  yang  berarti  sama  dengan  441,84  N  dan besar tegangan rata-rata yang terjadi adalah 3,78 Mpa.
Kata Kunci: helmet sepeda, alat uji jatuh bebas, polimer busa komposit, tegangan impak.

## 1. PENDAHULUAN
Kemunculan helmet telah lahir sejak zaman Yunani kuno. Pada zaman ini helmet merupakan bagian dari teknologi perang yaitu sebagai pelengkap dari baju zirah/baju besi.  Melihat perannya yang cukup  penting  untuk  melindungi  kepala  penggunanya  dari  ancaman  senjata-senjata  musuh  maka helmet terus berkembang luas.[1]
Sejalan  dengan  berkembangnya  waktu  dan  teknologi  manusia, helmet telah  berevolusi.  Dari sisi  aktivitas helmet tidak  lagi  hanya  dibutuhkan  untuk  perang,  tapi  juga  dikenakan  untuk  aktivitas- aktivitas  sipil  seperti  olahraga, pertambangan,  berkendara  atau  kegiatan  beresiko  lainnya.  Dari  sisi bahan,  bentuk,  teknologi  dan  model helmet juga  terus  berubah.  Salah  satu helmet yang  terus mengalami perubahan baik perubahan model dan bahan adalah helmet sepeda.[1] Secara garis besar model helmet sepeda terbagi dua yaitu model half face dan model full face . Model half face digunakan untuk pengguna sepeda yang tidak memiliki rintangan yang berat seperti sepeda santai . Sedangkan untuk helmet sepeda full face digunakan pada olah raga balap sepeda yang ekstrim contohnya balap sepeda gunung.[1]
Adapun tujuan penggunaan helmet bagi pengendara sepeda adalah melindungi bagian-bagian yang vital dari tubuh manusia, adapun bagian yang vital itu adalah kepala.Karena pada bagian kepala terdapat  susunan  saraf  yang  mengatur  aktivitas  manusia  dan  menjadi  pusat  berfikir.  Untuk melindungikepala  dari  cedera  yang  fatal helmet sepeda  harus  dibuat  dari  material  yang  kuat  dan memenuhi standarisasi.[1]

## 2. TINJAUAN PUSTAKA
Helmet adalah alat perlindungan tubuh yang dikenakan di kepala terbuat dari metal atau bahan keras  lainnya  seperti  kevlar,  plastik  dan  resin    bercampur  serat. Helmet biasanya  digunakan  untuk berbagai aktivitas seperti pertempuran (militer), aktivitas olahraga, pertambangan, perbengkelan atau berkendaraan (sipil). Helmet memberi perlindungan pada bagian kepala dari benda jatuh atau benturan berkecepatan  tinggi.  Di  beberapa  negara helmet wajib  digunakan  bagi  pengendara  sepeda  motor seperti  Amerika,  Inggris  dan  termasuk  juga  Indonesia  bahkan  ada  yang  mewajibkannya  bagi pengendara sepeda.[2]
Helmet sepeda adalah helmet yang dipakai pengendara sepeda untuk melindungi kepala ketika terjatuh  dan  meminimalkan  cedera  seperti  gangguan  penglihatan  tepi  karena  benturan.  Walaupun bagian  samping helmet pengendara sepeda  berbenturan  dengan   jalan  ketika  terjatuh,  namun  kepala pengendara  tersebut  tidak  cedera.  Hal  ini  dikarenakan  pengendara  sepeda  menggunakan helmet sepeda sebagai alat  perlindungan dirinya. Mekanisme perlindungan helmet sepeda adalah penyerapan energimomentum yang diterima ke seluruhbagian helmet tersebut.[2] Tabel 2.1. Perbedaan antara helmet full face dengan half face Aspek Pertimbangan Full face Half face Keamanan Lebih aman Aman Ventilasi Sedikit Banyak Visibilitas Memandang satu arah ke depan dapat melihat bagian samping Massa Ringan Lebih ringan Kenyamanan Nyaman Lebih nyaman
Berikut adalah bentuk helmet sepeda jenis half face model tomcat
Gambar 2.1. Helmet sepeda jenis half face model tomcat
Struktur helmet sepeda : 1. Lapisan luar yang keras ( hard outer shell )
Lapisan  luar  yang  keras  berfungsi  untuk  dapat  pecah  jika  mengalami  benturan  dan mengurangi  dampak  tekanan  sebelum  sampai  ke  kepala.  Lapisan  ini  biasanya  terbuat  dari  bahan termoplastik.
2. Lapisan dalam yang tebal ( inside shell or liner )
Lapisan dalam yang tebal berfungsi sebagai penyerap energi impak ( absorber ). Ketika terjadi tabrakan helmet sepeda berbenturan dengan benda keras, lapisan keras luar dan lapisan dalam helmet
1 2 3 4
sepeda  menyebarkan  tekanan  ke  seluruh  materi helmet sepeda.  Benturan  yang  kuat  mengakibatkan pecahnya helmet sepeda dan membuat lapisan dalam rusak.
Proses  pecahnya  lapisan  keras  luar helmet sepeda  dan  lapisan  dalam  rusak  membutuhkan selang  waktu,  terjadi  reduksi  energi  sehingga  energi  momentum  menjadi  teredam.  Bahan  lapisan dalam dibuat dari bahan polystyrene (styrofoam) . 3. Lapisan dalam yang lunak ( comfort padding )
Merupakan bagian dalam  yang terdiri dari bahan lunak dan  kain untuk  menempatkan kepala secara pas dan tepat pada rongga helmet . 4. Tali Pengikat Bagian penting lainnya dalam helmet sepeda adalah tali pengikat. Helmet sepeda tidak akan berfungsi dengan baik kalau tidak dilengkapi dengan tali pengikatnya.[2]

## Bahan Komposit

## a. Komposit polymeric foam
Bahan  komposit  terdiri  dari  dua  bagian  utama  di  antaranya:  (1)  matrik  dan  (2)  penguat ( reinforcement ). Bahan komposit terbentuk oleh dua jenis fasa, yaitu fasa matrik dan fasa penguat. Fasa matrik adalah bahan fasa kontiniu yang selalu tidak kaku dan lemah, sedangkan fasa penguat selalu lebih kaku dan kuat, akan tetapi fasa penguat ini lebih rapuh .
b. Polyester resin tak jenuh
Polyester resin tak jenuh adalah jenis polimer thermoset yang memilikistruktur rantai karbon yang  panjang.  Matrik  yang  berjenis  ini  memiliki  sifat  dapat  mengeras  pada  suhu  kamar  dengan penambahan katalis tanpa pemberian tekanan ketika proses pembentukan.
c. Blowing agent
Blowing  agent  adalah  bahan  yang  digunakan  untuk  menghasilkan  struktur  berongga  pada komposit  yang  dibentuk.Jenis blowing  agent yang  digunakan  adalah polyurethane yang merupakan reaksi antara polyol dan isocyanate . d. Katalis MEKP
Katalis  merupakan  bahan  kimia  yang  digunakan  untuk  mempercepat  proses  reaksi polimerisasi struktur komposit pada kondisi suhu kamar dan tekanan atmosfir. Pemberian katalis dapat  berfungsi  untuk  mengatur  waktu  pembentukan  gelembung  blowing  agent,  sehingga  tidak mengembang  secara  berlebihan,  atau  terlalu  cepat  mengeras  yang  dapat  mengakibatkan terhambatnya  pembentukan  gelembung.Jenis  katalis  yang  digunakan  adalah  jenis Methyl  Ethyl Keton Peroksida (MEKPO).[3]
e. Serat TKKS
Untuk  penguat  komposit  digunakan  serat  TKKS  yang  akan  dicampurkan  kedalam    matrik. Tiap kandungan serat TKKS secara fisik mengandung bahan–bahan serat seperti lignin (16,19 %), selulosa  (44,14%)  dan  hemi  selulosa  (19,28%)  yang  mirip  dengan  bahan  kimia  penyusun  kayu. Penelitian  yang  dilakukan  oleh  sebuah  institusi  komersial  terhadap  komposisi  bahan  kimianya diketahui  bahwa  kandungan  serat  TKKS  merupakan  kandungan  terbesar  yang  mampu memberikan sifat mekanik yang cukup baik terhadap bahan komposit yang akan dibentuk.[3]

## Pengujian Kekuatan Helmet Sepeda
a. Pengujian impak jatuh bebas
Pengujian impak jatuh bebas adalah pengujian dimana benda jatuh bebas dari keadaan mula- mula  diam  kemudian  bergerak  dan  mengalami  pertambahan  kecepatan  selama  benda  tersebut jatuh. Jika benda jatuh ke  bumi dari ketinggian tertentu relatif kecil dibandingkan jari-jari bumi, maka  benda  mengalami  pertambahan  kecepatan  ke  bawah  dengan  harga  yang  sama  setiap  detik. Hal  ini  berarti  bahwa  percepatan  benda  berkurang  dengan  harga  yang  sama  jika  sebuah  benda ditembakkan  ke  atas  kecepatannya  berkurang  dengan  harga  yang  sama  setiap  detik  dan perlambatan ke atasnya konstan.[3]
Untuk  menentukan  kecepatan  benda  jatuh  setiap  detik  akan  diperoleh  dengan  pendekatan sebagaimana terlihat pada tabel 2.2.

## Tabel 2.2. Waktu dan Kecepatan Benda Jatuh
Grafik v-t yang sesuai dengan tabel 2.2 ditunjukkan pada gambar 2.2 merupakan sebuah garis lurus sehingga percepatan seragam. Jika tahanan udara diabaikan gerakan benda jatuh bebas dapat dihitung  dengan  percepatan  konstan  membentuk    garis  lurus,  bila  percepatan  benda  jatuh  bebas sama dengan percepatan gravitasi (g) yaitu:
1. Untuk gerakan ke bawah a  =  + g
2. Untuk gerakan keatas  a  = - g percepatan gravitasi (g) dapat dipandang sebagai sebuah vektor dengan arah lurus ke bawah menuju ke pusat bumi.

## Gambar 2.2. Grafik hubungan v  vs  t
Definisi  perpindahan  adalah  perubahan  posisi,  hal  ini  merupakan  besaran  vektor  mencakup jarak dan arah. Kecepatan adalah laju perubahan kedudukan terhadap waktu. Hal ini juga merupakan besaran vektor mencakup jarak, arah dan waktu. Kecepatan konstan memiliki partikel yang bergerak dengan kecepatan konstan pada lintasan lurus atau dimiliki partikel yang melintasi perpindahan yang sama  dalam  selang  waktu  yang  sama  secara  berturut-turut  tanpa  peduli  berapa  selisih  selang  waktu tersebut. Sedangkan percepatan seragam dimiliki partikel yang mengalami perubahan kecepatan yang sama  dalam  selang  waktu  yang  sama  secara  berturut-turut  tanpa  peduli  berapa  selisih  selang  waktu tersebut.[4]
Dimana v 0 adalah kecepatan awal, v kecepatan akhir, t waktu dan s jarak. Persamaan berikut adalah perbandingan antara perubahan kecepatan dan perubahan waktu.

## b. Momentum dan impuls
Momentum sebuah benda bergerak dikatakan mempunyai momentum yang dinyatakan dengan hasil kali massa benda dengan kecepatan benda.[5]
Momentum = massa x kecepatan.
Waktu t (s) 0 1 2 3 4 5 Kecepatan v  (m/s) 0 9,8 19,6 29,4 39,2 4 9
M = m v   ( kg . m/s)
Impuls  sebuah  benda  bergerak  dikatakan  mempunyai  impuls  yang  dinyatakan  dengan  hasil kali gaya yang bekerja pada benda dengan waktu yang diberikan.
I = F t   ( N s )

## c. Hukum gerakan Newton
Hukum gerakan pertama:”Jika resultan gaya yang bekerja pada benda sama dengan nol, maka benda yang  mula  -  mula diam akan tetap diam dan benda yang mula  -  mula bergerak akan tetap bergerak lurus beraturan”.
Jika  F = 0
maka  = 0 atau  = konstan
Hukum  gerakan  kedua:  ”Percepatan  yang  ditimbulkan  oleh  gaya  yang  bekerja  pada  benda berbanding lurus dengan besar gayanya dan berbanding terbalik dengan massa benda”.[4]
m F a  =

## Atau
 F = m a
Hukum  gerakan ketiga: ”Jika benda pertama mengerjakan gaya terhadap benda kedua, maka benda  kedua  pun  akan  mengerjakan  gaya  terhadap  benda  pertama  yang  besarnya  sam  tetapi arahnya berlawanan”.[4]
F1 = -F2
d. Energi mekanik
Energi mekanik pada suatu benda adalah tetap asalkan tidak ada gaya luar yang bekerja pada benda  tersebut.  Energi  mekanik  gabungan  energi  potensial  dan  energi  kinetik.  Energi  potensial merupakan energi yang dimiliki benda karena letaknya.
E p = m g h
dimana:
E p = energi potensial (J) m = massa benda (kg) g = gravitasi bumi (9.8 m/s) h = tinggi jatuh benda (m)
Energi kinetik merupakan energi yang dimilik benda karena gerak yang bekerja padanya.
Secara sistematis dirumuskan:
E k = ½ m  2
dimana: E k = energi kinetik  = kecepatan benda (m/s)[4] Edisi Cetak Jurnal Dinamis, Juni 2015 (ISSN: 0216-7492)

## 3. METODOLOGI PENELITIAN
Penelitian  ini  dilaksanakan  di  Laboratorium  Pusat  Riset  Impak  dan  Keretakan  Departemen Teknik  Mesin  Fakultas  Teknik  Universitas  Sumatera  Utara . Waktu  penelitian  dilaksanakan  selama lebih kurang 7 bulan terhitung mulai dari proposal penelitian.
Penelitian  ini  menggunakan  bahan helmet sepeda  dari  bahan  polimer  busa  komposit  dan komersil atau yang ada di pasaran.

## Prosedur pengujian
Prosedur  pengujian  impak  dengan  menggunakan  alat  impak  jatuh  bebas  adalah  sebagai berikut:
1. Pasangkan helmet sepeda  yang  akan  dilakukan  pengujian  pada test  rig seperti  dilihat  pada gambar 3.1.
Gambar 3.1. Pemasangan helmet sepeda pada tes rig
2. Tentukan  posisi  jarak  ketinggian  jatuh  impaktor  yang  diinginkan,  dan  pastikan sensor proximity dalam kondisi aktif.
3. Tekan tombol Start pada software DAQ for Helmet Impact Testing .
4. Setelah jarak ketinggian ditentukan dan memastikan bahwa sensor proximity sudah berfungsi, spesimen uji sudah terpasang, maka impaktor siap untuk dijatuhkan dengan cara melepaskan tali penahan luncuran impaktor.
5. Tekan tombol STOP setelah beberapa saat impaktor menumbuk spesimen pada anvil .
6. Tekan  tombol SAVE untuk  menyimpan  data  hasil  uji  ke  dalam  file  berformat  txt,  dan  akan tersimpan dalam drive C folder DATAEXP (data experiment).
7. Data hasil pengujian tersebut kita olah dengan menggunakan program software MS-EXCEL.

## 4. HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil Pengujian impak jatuh bebas adalah sebagai berikut :
a. Hasil pengujian helmet sepeda metode impak jatuh bebas pada ketinggian 1,5 m.
Pada sampel 1 gaya dan waktu impak adalah 39,64 kgf dan 47 ms, pada sampel 2 adalah 43,24 kgf  dan  31  ms  dan  sampel  3  adalah  45,04  kgf  dan  31  ms.  Sehingga  rerata  gaya  dan  waktu  impak adalah 27,93 kgf  dan 36,7 ms.
(b)
(c)
Gambar 4.1. Grafik hasil pengujian dan keretakan.
Dari  hasil  pengujian  impak  jatuh  bebas  terhadap helmet sepeda  diperoleh  data  bahwa  besar gaya adalah rerata 42,64 kgf yang berarti sama dengan 418,29 N. Sehingga besar  tegangan rerata yang terjadi  adalah  3,58    MPa. Tegangan  yang  terjadi  ini menyebabkan helmet sepeda  pecah  yang  berarti telah mencapai titik break point diperlihatkan gambar 4.25. Impuls yang terjadi akibat impak adalah perkalian antara gaya dan waktu. Pada ketinggian pengujian helmet sepeda 1,5 meter  diperoleh impuls rerata adalah 15,4 N.s.
Energi  impak  rerata  yang  terjadi  berdasarkan  eksperimental  adalah  gaya  yang  terukur dikalikan  dengan  ketinggian helmet sepeda  yaitu  627,49  Joule.  Energi  impak  teoritis  yaitu  perkalian massa dengan percepatan grafitasi dan ketinggian yaitu 105,36 Joule. Dan energi rerata yang diserap oleh helmet sepeda  adalah  selisih  energi  impak  total  berdasarkan  eksperimental  dikurangi  dengan energi teoritis yaitu 552,08 Joule. Data ketiga sampel tersebut dituliskan dalam table 4.10
Tabel 4.3 Hasil pengujian helmet sepeda dengan impak jatuh bebas pada 1,5 m
No. Sample Luas area impak A (mm 2 ) Gaya Pengujian F (kgf atau N) Tegangan yang terjadi σ (MPa) Keterangan
1 117 45.04 atau 441.84 3.78 Pecah 2 117 43.24 atau 424.18 3.63 Pecah 3 117 39.64 atau 388.87 3.32 Pecah
Tabel 4.3 Lanjutan
b. Pengujian impak jatuh bebas tinggi 1,5 meter pada helmet komersial Berikut hasil pengujian helmet sepeda komersial model tomcat xzone dengan standar Inggris BS EN-1070 dengan impak jatuh bebas pada ketinggian 1,5 meter sebagai pembanding terhadap helmet yang diteliti.
Gambar 4.2. Grafik gaya vs waktu impak pada helmet komersial
No. Sample Tinggi h (meter) Massa helmet + test rig (kg) Energi Impak Eie = m.g.h (Joule) Energi Impak Eksperimental Et = F.h (Joule) Energi yang diserap Es=Eie- Et (Joule) 1 1,5 7,16 105.36 662.76 557.40 2 1,5 7,16 105.36 636.27 530.91 3 1,5 7,16 105.36 583.30 477.94
Pada pengujian impak jatuh bebas terhadap sepeda komersial  pada ketinggian impaktor 1,5 m diperoleh data gaya impak dan waktu impak yang terjadi adalah 45,04 kgf atau 441,84 N dan 125 ms. Tegangan  yang  terjadi  adalah  gaya  impak  dibagi  dengan  luas  area  impak,  dimana  luas  area  impak helmet sepeda komersial diasumsikan sama dengan helmet sepeda bahan komposit pf diperkuat serat tkks  yaitu  117  mm 2 dan  tegangan  impak helmet sepeda  komersial  3,78  MPa.  Impuls  yang  terjadi akibat  impak  adalah  perkalian  antara  gaya  dan  waktu.  Pada  ketinggian  pengujian helmet sepeda  1,5 meter  diperoleh impuls adalah 55,23 N.s.
Energi  impak  yang  terjadi  berdasarkan  eksperimental  adalah  gaya  yang  terukur  dikalikan dengan  ketinggian helmet sepeda  yaitu  662,76  Joule.  Energi  impak  teoritikal  yaitu  perkalian  massa dengan  percepatan  grafitasi  dan  ketinggian  yaitu  107,12 Joule.  Dan energi  yang  diserap oleh  helmet sepeda adalah selisih energi impak total berdasarkan eksperimental dikurangi dengan energi teoritikal yaitu 555,64 Joule.

## 5. KESIMPULAN DAN SARAN
Hasil pengujian impak jatuh bebas pada ketinggian impaktor 1,5 m untuk bahan polimer busa komposit  diperkuat  serat  tandan  kosong  kelapa  sawit  (TKKS)  diperoleh  besar  gaya  rerata  42,64  kgf yang  berarti  sama  dengan  418,29  N  dan  besar  tegangan  rerata  yang  terjadi  adalah  3,58  MPa.  hasil pengamatan  makrostruktur  polimer  busa  komposit  akibat  beban  impak  pada  ketinggian  1,5  m,  serat TKKS tercabut dari matriknya .
Pada pengujian impak jatuh bebas terhadap sepeda komersial  pada ketinggian impaktor 1,5 m diperoleh besar gaya impak dan waktu impak yang terjadi adalah 45,04 kgf atau 441,84 N dan 125 ms. Tegangan  yang  terjadi  adalah  gaya  impak  dibagi  dengan  luas  area  impak,  dimana  luas  area  impak helmet sepeda komersial diasumsikan sama dengan helmet sepeda bahan komposit pf diperkuat serat tkks yaitu 117 mm 2 dan tegangan impak helmet sepeda komersial 3,78 MPa.
Untuk  mendapatkan  hasil  yang  lebih  akurat  pada  saat  menggunakan  alat  uji  jatuh  bebas, pastikan sensor proximity yang ada pada batang luncur bekerja dengan baik dan dalam kondisi bagus. Helmet sepeda  bahan  polimer  busa  komposit  yang  diperkuat  serat  TKKS  masih  perlu dilakukan  penelitian  lanjut  untuk  memperbaiki  dan  meningkatkan  kekuatan  terhadap  beban  impak jatuh bebas.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] http://asal-usul-motivasi.blogspot.com/asal-usul-sejarah-helm.html
[2] Bustami S, Aplikasi Teknik Dua Gage Dalam Pengukuran Tegangan Insiden pada Helmet Industri yang Dikenai Beban Impak Kecepatan Tinggi, Jurnal Ilmiah SINTEK, Vol.19, no.2, 2003
[3]   Awaluddin Thayab, Hand Out S2 Teknik Mesin, Pengantar Material Teknik
[4]   Gibson, R.F, Principles of Composite Material Mechanics, Mc Graw Hill, New York, 1994
[5]   Bullard, Eksperimen Helm Combat, Perang Dunia I 1915
[6] http://duniabengkel.com/helem-helm-helmet-standart.asp