## RANCANG BANGUN ALAT UKUR MODULUS ELASTISITAS MATERIAL DENGAN MENGGUNAKAN SENSOR FORCE GAUGE DAN VIDEO TRACKER
Rahmi Putri Wirman 1* , Vandri Ahmad Isnaini 1 , Reni Kartika 1 , dan Shabri Putra Wirman 2
1 Program Studi Fisika, Fakultas Sains dan Teknologi, UIN Sulthan Thaha Saifuddin Jambi, Kota Jambi, 36124, Indonesia
2 Program Studi Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Muhammadiyah Riau, Kota Pekanbaru, 28294, Indonesia *email: rahmi@uinjambi.ac.id

## ABSTRAK
Telah dilakukan penelitian tentang rancang bangun alat ukur modulus elastisitas material. Modulus elastisitas merupakan parameter fisis atau sifat mekanik dari suatu material untuk acuan klasifikasi material atau penentuan mutu dari material. Alat yang dibuat ini menggunakan sensor force gauge untuk mengukur besar gaya tarik dan kamera sebagai pengamat perubahan panjang sampel (regangan) terhadap gaya tarik yang diberikan. Pola regangan terhadap gaya tarik ini dianalisis menggunakan Software Tracker di komputer. Kemudian hasil analisis dan variabel terukur dihitung dengan hasil akhir berupa nilai modulus elastisitas material. Sampel yang digunakan pada eksperimen adalah lembaran silicon yang dibuat dengan 10 variasi ukuran. Pada eksperimen, alat bekerja dengan baik dan dapat mengukur nilai gaya tarik, perubahan panjang sampel, grafik komparasi regangan terhadap waktu atau perubahan gaya, dan nilai modulus elastisitas material. Rata- rata nilai modulus elastisitas yang didapat oleh alat dalam mengukur sampel ini adalah 57669,73 Kg/m 2 . Persen deviasi data pengukuran pada eksperimen ini sebesar 5,08 %. Sebagai acuan ketidakpastian pengukuran, sampel juga diukur dengan alat universal testing machine yang telah terkalibrasi, nilai modulus elastisitas sampel bernilai 60822,56 Kg/m 2 . Sehingga persen ketidakpastian pada alat yang dirancang ini adalah sebesar 5,21%. Sehingga dapat diambil kesimpulan bahwa alat ini bekerja dengan baik serta memiliki akurasi yang cukup baik.
Kata Kunci: Force Gauge; Gaya Tarik; Modulus Elastisitas; Regangan; Tracker

## ABSTRACT
[Title:  Design  of  Measuring  Tool  for  Elastic  Modulus  of  the  materials  Using  Force  Gauge  Sensor  and  Video Tracker] This research examined the design of the measuring tool for the elastic modulus of the material. The elastic modulus is a physical parameter or mechanical property of a material in which the purpose is to determine the material classification or the quality of the material. This tool used a force gauge sensor to measure the magnitude of the tensile force and a camera as an observer of the change in sample length (strain) to the applied tensile forces by using tracker software on a computer. The result of the analysis was in the form of elastic modulus of the material. The sample used in the experiment was silicon rubber made with ten (10) size variations. The experiment found that the tool worked well and could measure the value of the tensile force, the change in sample length, the comparison of the graph of strain against time or the change in force, and the value of elastic modulus of the material. The average value of the elastic modulus obtained from the tool in measuring this sample was 57669.73 Kg/m 2 . The percentage deviation of the measurement data in this experiment was 5.08%. This sample was also tested with a universal testing machine that has been calibrated to avoid uncertainty in measurement. The value of the elastic modulus was 60822.56 Kg/m 2 . The percentage of uncertainty in this designed tool was 5.21%. The finding showed that this tool worked well and had good accuracy.
Keywords: Elastic Modulus; Force Gauge; Strain; Tensile Force; Tracker

## PENDAHULUAN
Sifat  mekanik  adalah  salah  satu  parameter fisika  dalam  identifikasi  material.  Dalam  dunia industri  material,  penentuan  parameter,  atau karakteristik  merupakan  hal  yang  sangat  penting untuk menentukan kualitas atau mutu dari material tersebut. Namun penentuan parameter material tidak mudah  diakses  oleh  masyarakat  luas  dikarenakan
mahalnya  alat  instrumen  pengukuran  serta  tidak banyak instansi atau perguruan tinggi yang memiliki instrumen  tersebut.  Untuk  itu  perlu  dilakukan pengembangan  atau  rancang  bangun  instrumen pengukuran  parameter  material  yang  murah  dan bahan baku pembuatannya mudah didapat di pasaran. Dalam  sebuah  instrumen  pengukuran diperlukan  adanya  komponen-komponen  sensor
untuk  identifikasi  fenomena  fisis  pada  material, contohnya  pergerakan  atau  perubahan  struktur  dari material.  Salah  satu  sensor  yang  cukup  murah digunakan  untuk  menangkap  fenomena  itu  adalah kamera,  kemudian  hasil  tangkapannya  dianalisis menggunakan aplikasi video tracker atau aplikasi image processing . Image  processing sudah  banyak  digunakan dalam identifikasi pergerakan suatu objek. Salah satu contoh  eksperimen  sebuah Unmanned  Ariel  vehicle (UAV)  yang  dapat  mendeteksi  objek  manusia  dan kecepatan  kendaraan  dengan  proses image  processing secara real time (Jalled & Voronkov, 2016). Kemudian penelitian  tentang  identifikasi  dari  regangan  dan kerusakan suatu material ketika diberikan gaya tarik melalui  analisis  3D  gambar  digital  (Wu,  Coret,  & Combescure,  2011).  Selanjutnya  penelitian  tentang telaah akurasi pada pengukuran regangan pada sampel non-contact dengan  metode subset-based korelasi gambar digital (Shifani & Premi, 2021). Dari berbagai penelitian, image  processing merupakan  alat  deteksi yang akurat dan murah dalam mengukur pergerakan suatu  benda  atau  material,  terutama  menggunakan aplikasi yang sifatnya open source .
Sifat  mekanik  material  adalah  perubahan bentuk  dari  suatu  benda  apabila  mendapatkan  gaya dari  luar,  sifat  ini  termasuk  pada  bagian  parameter fisika  bahan.  Salah  satu  rumusan  sederhana  sifat mekanik suatu bahan adalah eksperimen Hooke, yang menggambarkan persamaan tentang deformasi bahan elastik  ketika  diberi  gaya.  Hooke  memperlihatkan adanya suatu keadaan mekanik bahan yang diberi gaya dan jika bentuknya tidak kembali ke bentuk semula disebut dengan titik elastis bahan. Apabila gaya pada persamaan  Hooke  adalah  sebuah  massa  ( m )  yang bergerak dengan percepatan ( a ), maka nilai F adalah m.a (Halliday, David; Resnick, 1985).
Modulus  elastisitas  dan  plastisitas  suatu material  termasuk  pada  sifat  mekanik  dari  bahan. Elastisitas adalah kemampuan material untuk kembali lagi  ke  bentuk  semula  setelah  diberikan  beban  dan plastisitas adalah perubahan bentuk (deformasi) dari material  akibat  adanya  beban  (Lubliner,  2006).
Prinsip  dasar  dari  sifat  mekanik  ini  adalah  adanya resistan  dari  bahan  terhadap  gaya  yang  diberikan. Sesuai dengan Hukum Newton yang ke-tiga, jika ada aksi  diberikan  maka  akan  ada  reaksi  dari  benda tersebut (Raymond, Serway; Jewett, 2014).
Faktor penentu dari modulus elastisitas adalah tegangan dan regangan. Tegangan ( stress ) adalah gaya yang  diberikan  pada  bahan  per  satuan  luas  bahan tersebut. Tegangan akibat gaya yang diberikan pada bahan  atau  material  sangat  bergantung  pada  luasan (ukuran) dari benda tersebut. Persamaan matematis dari tegangan ( ) adalah:
F A = (1)
dimana F adalah  gaya  yang  diberikan  dengan satuan  Newton  dan A adalah  luasan  bahan  dengan satuan 2 m .
Gambar 1. Hubungan antara tegangan dan regangan pada  sampel  tembaga  polycrystalline (Roylance, 2008).
Sedangkan regangan ( strain ) adalah perbandingan  antara  pertambahan  nilai  dari perubahan bentuk/ukuran bahan sewaktu diberi gaya terhadap bentuk/ukuran awalnya. Secara matematis dapat dibuat persamaan regangan ( s ) sebagai berikut:
0 l s l = (2)
dimana l adalah  pertambahan  ukuran  dari keadaan  semula  dan 0 l adalah  ukuran  mula-mula, masing-masing  dengan  satuan m (meter).  Jadi, modulus  elastisitas  ( E )  adalah  nilai  perbandingan antara tegangan dengan regangan, yang digambarkan pada persamaan di bawah ini.
0
0 . . F F l A E l A l l = = (3)
Satuan modulus elastisitas adalah 2 N m atau Pascal.  Modulus  elastisitas  akan  bersifat  konstan apabila  gaya  yang  diberikan  tidak  melampaui  sifat elastisitasnya  (Ambrose,  2002).  Contoh  dari  hasil eksperimen modulus elastisitas dari karet alam adalah berkisar dari 0,0015-0,0025 Gpa. Sedangkan untuk Butyl Rubber adalah berkisar antara 0,001-0,002 Gpa ( Materials  Data  Book ,  2003).  Terdapat  beberapa eksperimen  dalam  pengukuran  modulus  elastisitas suatu material, diantaranya adalah uji tekanan ( tensile test ),  tes  resonansi  akustik  elektromagnet,  tes  echo
pulsa ultrasonik, dan Density Functional Theory (DFT) (Rabiei et al., 2020).

## METODE
Rancangan  dasar  dari  alat  ukur  modulus elastisitas  material  adalah  menggunakan  prinsip  alat ukur Universal Testing Machine (UTM). Prinsip kerja alat  ini  adalah  memberikan  gaya  pada  sampel  dan mengukur  perubahan  fisiknya.  Untuk  modulus elastisitas material yang diukur adalah nilai regangan ( elongation )  suatu  bahan  sampel  saat  diberikan  gaya tarik.  Perubahan  regangan  dari  sampel  tersebut direkam  oleh  kamera  sebagai  penangkap  gerak  dan dianalisis  menggunakan  aplikasi video tracker ,  yaitu aplikasi Tracker versi  6.0.1  yang  dijalankan  pada komputer  dengan processor Intel  i5, operation  system Windows  10,  dan  memory  RAM  8  Gb.  Aplikasi Tracker adalah  aplikasi  yang  bersifat open  source , sehingga  lisensinya  gratis  dalam  pemakaian  maupun pengembangan. Sedangkan gaya tarik yang diberikan diukur  dengan  sensor force  gauge .  Pembuatan  alat ukur  ini  menggunakan  komponen-komponen  yang murah dan mudah didapatkan di pasaran atau melalui situs  belanja  online  ( e-commerce ).  Rancangan pengembangan  alat  ukur  modulus  elastisitas  bahan dapat dilihat pada gambar berikut.
Gambar 2. Rancangan alat ukur modulus elastisitas material  (A.  Sampel,  B.  Kamera,  C. Sensor force  gauge ,  D.  Stand,  dan  E.
Komputer).
Spesifikasi  komponen  yang  digunakan  adalah sebagai berikut. Sensor force gauge , sensor ini adalah sebuah  detektor  yang  sangat  sensitif  terhadap perubahan gaya, baik gaya tekan maupun tarik. Force gauge yang digunakan memiliki pengukuran tarik atau tekan maksimum sebesar 5 Kg dengan resolusi bacaan 0,001  Kg.  Kemudian  kamera  yang  menjadi  sensor mengamati perubahan regangan pada sampel. Sensor kamera yang digunakan adalah jenis kamera autofokus dengan  tingkat  resolusi  3  Megapixel,  serta  bisa menangkap  format  video  dalam  format full  high definition 1080p.  Spesifikasi  kamera  yang  digunakan
harus memenuhi tingkat teknologi yang baik sehingga ketepatan  pembacaan  kamera  dalam  menangkap perubahan fisis sampel uji pada saat terjadi regangan. Jangka  sorong  digital  juga  diperlukan  dalam mengukur  lebar  (luasan)  sampel  yang  akan  diukur. Sampel  yang  digunakan  dalam  penelitian  ini  adalah lembaran silicon yang  merupakan  polimer  sintetik dengan memiliki struktur lentur. Pada penelitian ini dilakukan  uji  coba  untuk  sampel  silikon  dengan  10 variasi  ukuran  (Sampel  1  -  Sampel  10)  dengan masing-masing diukur sebanyak 20 kali perulangan. Sampel lembaran silicon yang digunakan berjenis kelas industri dan medis, postcured FDA, memiliki kekuatan tarik 7 Mpa, kekerasan 40 shore A , densitas 1.25 -1.5 g/cm 3 , dan suhu kerja stabil pada -60 – 260 o C.
Gambar 3. Sampel lembaran silicon yang digunakan pada alat ukur modulus elastisitas.
Pada  proses  pengujian  alat,  sampel  lembaran silicon dipasang pada alat uji tarik dengan cara dijepit pada  pencengkram  ( clamp )  dan  ditarik  pada  ujung- ujung  dengan  arah  vertikal  dengan  perlahan.  Setiap penambahan  panjang  yang  terjadi  pada  sampel terekam  oleh  sensor  kamera.  Kemudian  hasil tangkapan  kamera  dianalisis  menggunakan  aplikasi Tracker di komputer, sehingga didapatkan perubahan regangan atau pertambahan panjang sampel terhadap waktu berjalan dan nilai gaya tarik yang diberikan.
Gambar  4. Proses  analisis  sampel  menggunakan aplikasi Tracker .
Data  pengukuran  dari force  gauge dengan variabel F kemudian nilai pertambahan panjang yang diukur menggunakan Tracker dengan variabel l dan variabel A yang  merupakan  nilai  luasan  dari  sampel digunakan  sebagai  perhitungan  nilai  modulus elastisitas sampel.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Setelah dilakukan uji coba alat dan perbaikan- perbaikan  minor  untuk  mendapatkan  hasil  yang bagus,  maka  dapat  diambil  sebuah  gambaran bagaimana  karakteristik  dari  alat  ini.  Alat  modulus elastisitas  material  ini  bekerja  dengan  baik,  sensor force  gauge dan  kamera  sebagai  pendeteksi  regangan bekerja  dengan  baik.  Namun  pada  awal  uji  coba terdapat  sedikit  masalah  yang  membuat  pengujian dilakukan  berulang-ulang,  yaitu  adanya  pergeseran sampel pada saat mencapai gaya tarik yang kuat. Ini disebabkan  oleh  sampel silicon  sheet yang permukaannya  licin,  sehingga  permukaan  capit ( clamp ) harus dilapisi lapisan anti slip. Jika dilihat dari salah  satu  variasi  sampel,  yaitu  sampel  1  dengan spesifikasi ukuran panjang awal ( l o ) sebesar 0,025 m, lebar  sampel  ( d )  sebesar  0.004  m,  dan  luasan  area sampel  ( A )  sebesar  0,00011  m 2 .  Dari  hasil pengukuran  uji  tarik  sampel  maka  didapatkan  data perubahan  gaya  yang  ditimbulkan  oleh  penarikan sampel pada panjang tertentu.
Gambar  5. Grafik  perubahan  gaya  terhadap perubahan panjang Sampel 1.
Secara total, terdapat 200 pengukuran sampel yang  dihasilkan  oleh  alat  ini  dan  digunakan  sebagai data  analisis  penelitian.  Data  ini  tersebar  pada pengukuran  modulus  elastisitas  sampel  dengan  10 variasi  ukuran.  Pengukuran  Sampel  2  –  Sampel  10 juga  memberikan  hasil  data  perubahan  panjang material terhadap gaya tarik dengan pola yang sama dengan Sampel 1 (Grafik pada Gambar 5).
Gambar 6. Hasil rata-rata modulus elastisitas ditiap 10 variasi sampel.
Rata-rata  modulus  elastisitas  dari  total pengukuran  ini  bernilai  57669,73  Kg/m 2 ,  dengan hasil modulus elastisitas di tiap sampel dapat dilihat pada grafik di atas. Sedangkan rata-rata persen deviasi terhadap  rata-rata  nilai  pengukuran  adalah  sebesar 5,08 %, ini menunjukkan bahwa alat ukur modulus elastisitas yang dikembangkan ini bekerja dengan baik dan memiliki akurasi yang cukup bagus, dengan nilai penyimpangan  di  bawah  10  %.  Sebagai  acuan ketidakpastian  pengukuran,  sampel  juga  diukur dengan  alat universal  testing  machine yang  telah terkalibrasi, nilai modulus elastisitas sampel bernilai 60822.56  Kg/m 2 .  Sehingga  persen  ketidakpastian pada  alat  yang  dirancang  ini  adalah  sebesar  5.21%. Dari  Gambar  6  memperlihatkan  bahwa  untuk mendapatkan  data  yang  akurat  melalui  alat  ini diperlukan pengukuran yang berulang sehingga rata- ratanya mendekati nilai yang bagus.
Tabel  1. Persen  deviasi  data  pengukuran  ditiap  10 variasi sampel. Sampel % deviasi 1 3,08 2 5,05 3 7,48 4 4,75 5 5,60 6 8,31 7 4,57 8 3,36 9 5,59 10 3,06
Dari  data  pengukuran  yang  diperoleh, penggunaan kamera dan aplikasi Tracker untuk analisis regangan  memiliki  kinerja  yang  cukup  baik  dalam menentukan modulus elastisitas suatu bahan. Sensor- sensor yang murah dan mudah didapatkan di pasaran
merupakan keunggulan dari alat yang dikembangkan ini sehingga universitas atau lembaga penelitian kecil bisa  memilikinya  serta  juga  menjadi  alat  alternatif untuk  menghindari  tingginya  biaya  pengukuran  di pihak  ketiga.  Sebagai  catatan,  alat universal  testing machine merk terkenal, contoh Merk Utest BC 100 yang mencapai harga di atas 300 juta Rupiah. Serta biaya  jasa  pengukuran  modulus  elatisitas  material yang memiliki harga tinggi per sampel, yaitu di atas 500 ribu Rupiah di lembaga-lembaga penelitian besar di Indonesia.
Gambar  7. Hasil  rancang  bangun  alat  modulus elastisitas material.
Produk hasil alat modulus elastisitas material dapat  dilihat  pada  Gambar  7.  Sampel  ditempatkan pada clamp (1) dan diberikan gaya tarik yang diukur menggunakan force gauge (2), kamera (3) digunakan sebagai  pengamat  perubahan  panjang  atau  regangan sampel  yang  kemudian  dianalisis  menggunakan aplikasi Tracker di komputer (4). Nilai luasan sampel
(5) diukur menggunakan jangka sorong digital (6) dan untuk  mendapatkan  nilai  luasan  sampel  yang  lebih akurat dapat digunakan aplikasi image analysis seperti aplikasi ImageJ.

## KESIMPULAN DAN SARAN
Dalam penentuan sifat mekanik suatu material diperlukan  sebuah  instrumen  dan  analisis  yang  baik serta akurat. Metode video tracking merupakan sebuah cara  yang  mudah  dan  murah  untuk  dilakukan.  Dari hasil percobaan, alat modulus elastisitas rancangan ini bekerja dengan baik dan memberikan akurasi cukup bagus. Force gauge sebagai sensor pengukur gaya tarik serta kamera sebagai sensor pengamat dari regangan sampel dan dianalisis menggunakan software Tracker memberikan  analisis  yang  cukup  detail  serta  dapat menggambarkan  karakteristik  elastisitas  material. Sehingga  rancang  bangun  alat  modulus  elastisitas material  ini  dapat  menjadi  solusi  instrumen
pengukuran  yang  murah  serta  bisa  diadaptasi  oleh berbagai peneliti di bidang material.

## UCAPAN TERIMAKASIH
Penulis  mengucapkan  terima  kasih  kepada Pusat Penelitian UIN Sulthan Thaha Syaifuddin Jambi yang  telah  memberikan  dukungan  dalam  penelitian ini.  Penelitian  terselenggara  atas  bantuan  Program Dana  atau  Hibah  Penelitian  Kementerian  Agama Tahun 2021.

## DAFTAR PUSTAKA
Ambrose, J. (2002). Simplified Mechanics and Strength of Materials (6th ed.). Pennsylvania: John Wiley
& Sons, Inc.
Halliday,  David;  Resnick,  R.  (1985). Physics (3rd ed.). New York: John Wiley & Sons, Inc.
Jalled, F., & Voronkov, I. (2016). Object Detection using Image Processing, 1–6. Retrieved from http://arxiv.org/abs/1611.07791
Lubliner,  J.  (2006). Plasticity  Theory .  Berkeley: Pearson Education, Inc.
Materials  Data  Book .  (2003).  Cambridge  University Engineering  Department.  Retrieved  from http://www- mdp.eng.cam.ac.uk/web/library/enginfo/cu eddatabooks/materials.pdf
Rabiei,  M.,  Palevicius,  A.,  Dashti,  A.,  Nasiri,  S., Monshi,  A.,  Vilkauskas,  A.,  &  Janusas,  G. (2020).  Measurement  modulus  of  elasticity related to the atomic density of planes in unit cell of crystal lattices. Materials , 13 (19), 1–17. https://doi.org/10.3390/ma13194380 Raymond,  Serway;  Jewett,  J.  (2014). Physics  for Scientists  and  Engineers  with  Modern  Physics (9th ed.). Boston: Cengange Learning.
Roylance,  D.  (2008).  Mechanical  Properties  of Materials. In MIT book course . MIT. Retrieved from http://web.mit.edu/course/3/3.225/book. pdf Shifani, S. A., & Premi, M. S. G. (2021). Accurate Measurement of Strain in Noncontact Surface Deformation Using Subset-Based Digital Image Correlation, 2021 . Wu,  T.,  Coret,  M.,  &  Combescure,  A.  (2011). Strain localisation and damage measurement by full  3D  digital  image  correlation:  Application to 15-5PH stainless steel. Strain , 47 (1), 49–61. https://doi.org/10.1111/j.1475- 1305.2008.00600.x