Analisis Gaya Spesifik Pemotongan Sabut Kelapa Muda (Cocos Nucifera L.).

ANALISIS GAYA SPESIFIK PEMOTONGAN SABUT
KELAPA MUDA (Cocos nucifera L.)

TIKA HAFZARA SIREGAR

SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2015

PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis berjudul Analisis Gaya Spesifik
Pemotongan Sabut Kelapa Muda (Cocos nucifera L.) adalah benar karya saya
dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun
kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip
dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah
disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir
tesis ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada
Institut Pertanian Bogor.

Bogor, Januari 2015
Tika Hafzara Siregar
NIM F151120051

RINGKASAN

TIKA HAFZARA SIREGAR. Analisis Gaya Spesifik Pemotongan Sabut Kelapa
Muda (Cocos nucifera L.). Dibimbing oleh DESRIAL dan DYAH
WULANDANI.
Kelapa muda umumnya disajikan secara alami dengan bentuk kerucut di
atas. Proses pembentukan kelapa ini sudah dilakukan secara manual di industri
rumah tangga dengan menggunakan sebilah parang. Proses ini memiliki resiko
kecelakaan kerja yang tinggi. Kelapa yang dihasilkan pada proses ini memiliki
bentuk yang kurang menarik, tidak seragam, dan sulit untuk dibuka. Oleh sebab
itu, dibutuhkan alat trimming kelapa muda yang dapat menghasilkan bentuk yang
lebih baik, seragam, dan aman untuk digunakan.
Untuk merancang alat trimming kelapa muda, penting untuk melakukan
analisis mekanisme pemotongan sabut kelapa muda. Tujuan dari penelitian ini
adalah untuk menganalisis mekanisme pemotongan sabut kelapa muda,
membangun model matematika pendugaan gaya spesifik pemotongan, dan

mendapatkan daya pemotongan maksimum pemotongan sabut kelapa muda.
Variasi faktor sudut ketajaman, sudut potong, dan sisi mata pisau dioptimalkan
untuk menghasilkan gaya potong terendah.
Model matematika telah dibangun untuk menduga gaya pemotongan
maksimum untuk pisau satu sisi menajam dan dua sisi menajam dengan sudut
potong (θ) 00, 150, dan 300. Dari hasil penelitian disimpulkan bahwa jenis pisau
yang menghasilkan gaya pemotongan terendah adalah pisau dua sisi menajam
dengan sudut ketajaman 100 dan sudut potong 300. Daya terendah untuk
pemotongan tegak lurus sabut kelapa muda adalah 0,12 kW yang dihasilkan
dengan menggunakan pisau dua sisi menajam dengan sudut ketajaman 100 dan
sudut potong 300. Daya pemutaran maksimum yang dibutuhkan untuk memotong
sabut kelapa muda adalah 0,75 kW.
Kata kunci: Gaya pemotongan, model matematika, pisau, sabut kelapa, sudut
potong.

SUMMARY
TIKA HAFZARA SIREGAR. Specific Cutting Force Analysis of Young Coconut
Husk (Cocos nucifera L.). Supervised by DESRIAL dan DYAH WULANDANI.
Young coconut generally serves natural with conical shape on top. This
process has been done manually in the home industry by using short sword. By

this process, it contains high accident risk. It made the young coconut look not
attractive and could not easy to open, therefore young coconut trimming machine
will be design to produce young coconut with better shape, uniform, and safety to
use.
To design a young coconut trimming machine, it’s important to analyze
the cutting mechanism of young coconut husk. The aim of this study were to
analyze the cutting mechanism of young coconut husk and generate mathematical
model of specific cutting force. Sharpening angle, cutting angle, and sharpened
knife were optimized to get the lowest cutting force.
Mathematical model has been generated to estimate the maximum cutting
force for one side sharpened knife and two side sharpened knife with cutting angle
(θ) at 00, 150, and 300. Based on the analysis of this study, the type of knife that
require the lowest cutting force is two side sharpened knife with sharpening angle
(β) = 100 and cutting angle (θ)= 300. The minimum power needs to cut the
coconut husk is 0,12 kW. It was made by two side sharpened knife with cutting
angel 300 and sharpened angel 100. Maximum power for shaping conical on top of
young coconut is 0,75 kW.
Keywords: coconut husk , cutting angle, cutting force, knife, mathematical model.

© Hak Cipta Milik IPB, Tahun 2015

Hak Cipta Dilindungi Undang-Undang
Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan
atau menyebutkan sumbernya. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan,
penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau
tinjauan suatu masalah; dan pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan
IPB
Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya tulis ini
dalam bentuk apa pun tanpa izin IPB

ANALISIS GAYA SPESIFIK PEMOTONGAN SABUT
KELAPA MUDA (Cocos nucifera L.)

TIKA HAFZARA SIREGAR

Tesis
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Magister Sains
pada
Program Studi Teknik Mesin Pertanian dan Pangan

SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2015

Penguji luar Komisi pada Ujian Tesis: Dr.Ir. Lilik Pujantoro, MAgr

Judul Tesis : Analisis Gaya Spesifik Pemotongan Sabut Kelapa Muda
(Cocos nucifera L.)
Nama
: Tika Hafzara Siregar
NIM
: F151120051

Disetujui oleh
Komisi Pembimbing

Dr Ir Desrial, MEng
Ketua

Dr Ir Dyah Wulandani, MSi
Anggota

Diketahui oleh

Ketua Program Studi
Teknik Mesin Pertanian dan Pangan

Dekan Sekolah Pascasarjana

Dr Ir Y Aris Purwanto, MSc
Dr Ir Dahrul Syah, MScAgr

Tanggal Ujian:
17 Desember 2014

Tanggal Lulus:

PRAKATA

Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah Subhanahu wa ta’ala atas
segala karunia-Nya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Penelitian ini
dimulai pada bulan Desember 2013. Judul tesis yang ditulis adalah: “Analisis
Gaya Spesifik Pemotongan Sabut Kelapa Muda (Cocos nucifera L.)”.
Dalam penulisan dan penyusunan tesis penulis ingin mengucapkan terima
kasih kepada kedua orang tua beserta suami yang telah mendukung penulis dalam
menyelesaikan tesis ini. Penulis juga ingin menyampaikan terima kasih kepada:
1. Dr.Ir. Desrial M.Eng selaku ketua komisi pembimbing atas bimbingan dan
arahan yang telah diberikan kepada penulis.
2. Dr.Ir. Dyah Wulandani M.Si selaku anggota komisi pembimbing atas
bimbingan dan arahan yang telah diberikan kepada penulis.
3. Dr. Ir. Y. Aris Purwanto M.Sc selaku ketua program studi Teknik Mesin
Pertanian dan Pangan yang telah memberikan saran serta arahan kepada
penulis dalam melakukan penulisan tesis.
4. Dr.Ir. Lilik Pujantoro, M.Agr selaku dosen penguji luar komisi pada ujian
akhir tesis atas masukan dan arahan untuk perbaikan tesis.
5. Seluruh teknisi laboratorium Teknik Pengolahan Pangan Hasil Pertanian dan
laboratorium Siswadhi Soepardjo Departemen Teknik Mesin dan Biosistem,
Institut Pertanian Bogor yang telah banyak memberikan bantuan dan saran
kepada penulis selama penelitian.

6. Teman-teman mayor Teknik Mesin Pertanian dan Pangan, Departemen
Teknik Mesin dan Biosistem angkatan 2012 yang telah membantu dan
memberikan saran kepada penulis selama penelitian dan penulisan tesis.
Penulis menyadari dalam penulisan tesis ini masih banyak kekurangan
dikarenakan keterbatasan kemampuan dan pengetahuan penulis. Oleh karena itu,
penulis sangat mengharapkan kritik dan saran yang membangun dari semua pihak
untuk penyempurnaan dan perbaikan tesis ini. Akhir kata penulis berharap semoga
tesis ini dapat bermanfaat bagi semua orang.

Bogor, Januari 2015
Tika Hafzara Siregar

DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL

vi

DAFTAR GAMBAR

vi

DAFTAR LAMPIRAN

vi

1 PENDAHULUAN
Latar Belakang
Perumusan Masalah
Tujuan Penelitian
Manfaat Penelitian
Batasan Masalah

1
1
2
3
3
3

2 TINJAUAN PUSTAKA

3

3 METODE
Waktu dan Tempat
Bahan
Alat
Tahap Penelitian

10
10
10
10
11

4 HASIL DAN PEMBAHASAN
Sifat Fisik dan Mekanik Kelapa Muda
Model Matematika Gaya Spesifik Pemotongan
Perbandingan antara Model Matematika Gaya Spesifik Pemotongan dan
Gaya Pemotongan aktual

Pengaruh Variasi Pisau terhadap Gaya Pemotongan Sabut Kelapa Muda
Analisis Torsi
Kebutuhan Daya
Performa Alat Trimming Kelapa Muda

20
20
21
24
28
28
29
30

5 SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Saran

30
30
31

DAFTAR PUSTAKA

31

LAMPIRAN

33

RIWAYAT HIDUP

56

DAFTAR TABEL
1
2
3
4

Sifat fisik dari kelapa muda Thailand
........................
Sifat fisik kelapa muda
........................
Sifat mekanik sabut kelapa muda ................................................................
Perbandingan daya maksimum pemotongan pada perhitungan model
matematika dan pengukuran aktual untuk pisau satu sisi menajam ............
5 Perbandingan daya maksimum pemotongan pada perhitungan model
matematika dan pengukuran aktual untuk pisau dua sisi menajam .............

6
19
20
29
29

DAFTAR GAMBAR
Bentuk kelapa trimming ..............................................................................
Sudut pemotongan kelapa............................................................................
Diagram statik pemotongan batang tebu .....................................................
Tahap-tahap proses pemotongan bahan uji .................................................
Gaya-gaya yang terjadi pada pisau satu sisi menajam ................................
Gaya pemotongan spesifik sebagai fungsi dari perpindahan berbagai .......
bagian dari mata pisau pada kemiringan  >00 ...........................................
7 Tahapan penelitian ......................................................................................
8 Bahan uji dalam penelitian ..........................................................................
9 Pelabelan pada dimensi kelapa muda ..........................................................
10 Aparatus uji koefisien gesek .......................................................................
11 Variasi untuk pisau pemotong .....................................................................
12 Aparatus uji pemotongan sabut kelapa muda .............................................
13 Aparatus uji kebutuhan torsi .......................................................................
14 Bagian kelapa muda dengan label pada setiap dimensi ...............................
15 Sudut pemotongan kelapa muda hijau .........................................................
16 Gaya-gaya yang bekerja pada saat pemotongan dengan pisau satu sisi
menajam ......................................................................................................
17 Pemotongan pada pisau dengan sudut potong >00 ......................................
18 Grafik perbandingan gaya pemotongan sabut kelapa muda aktual dan
model untuk  =00 .......................................................................................
19 Grafik perbandingan gaya pemotongan sabut kelapa muda aktual dan
model untuk  =150 .....................................................................................
20 Grafik perbandingan gaya pemotongan sabut kelapa muda aktual dan
model untuk  =300 .....................................................................................
21 Keretakan bahan yang terjadi pada proses pemotongan ..............................
22 Kelapa muda hasil trimming
1
2
3
4
5
6

2
6
7
8
9
9
11
12
12
14
14
17
18
20
21
22
23
25
26
27
28
30

DAFTAR LAMPIRAN
1
2
3
4

Data poisson ratio sabut kelapa muda hijau
Data modulus elastisitas sabut kelapa muda hijau.......................................
Koefisien gesek sabut kelapa muda hijau ....................................................
Data strength maximum sabut kelapa muda hijau

33
34
35
36

5 Grafik gaya hasil pengukuran torsi pada alat trimming kelapa muda
6 Hasil perhitungan model matematika gaya pemotongan sabut kelapa
muda pada sudut potong 00
7 Hasil perhitungan model matematika gaya pemotongan sabut kelapa
muda pada sudut potong 150
8 Hasil perhitungan model matematika gaya pemotongan sabut kelapa
muda pada sudut potong 300
9 Gaya pemotongan aktual sabut kelapa muda pada sudut potong 00
10 Gaya pemotongan aktual sabut kelapa muda pada sudut potong 150
11 Gaya pemotongan aktual sabut kelapa muda pada sudut potong 300
12 Hasil analisis ragam gaya pemotongan sabut kelapa muda .......................
13 Uji lanjut Duncan gaya pemotongan terhadap sudut potong .....................
14 Uji lanjut Duncan gaya pemotongan terhadap ketajaman pisau ................
15 Perhitungan torsi pada model matematika untuk pisau satu sisi menajam
dengan ketajaman 100 dan sudut potong 00
16 Perhitungan torsi dan daya aktual sabut kelapa muda
17 Perhitungan kebutuhan daya pada pisau dengan sudut potong 00
18 Gambar alat trimming kelapa muda hijau
19 Gambar teknik alat trimming kelapa muda

37
38
39
40
41
42
44
46
47
48
49
50
51
53
54

DAFTAR SIMBOL
a,b
D
d
E
Ec
Ecs
F
Fe
Fh
Ftot
Fv
H
h
h-ltan 
L
l
Ltan 
Ma
N
P
p
R
r
SI
T1,T2
v
x
y
z
β






B


µ

: Nilai dari perubahan nilai r (cm)
: Deformasi buah (cm)
: Perpindahan pemotongan pada lapisan bahan (cm)
: Modulus elastisitas (MPa)
: Energi pemotongan dalam sekali potong (J)
: Energi pemotongan spesifik (kJ/kg)
: Gaya pemotongan (N)
: Gaya pada mata pisau (N)
: Gaya horizontal sisi mata pisau (N)
: Gaya total pemotongan pada pisau miring (N)
: Gaya vertikal sisi mata pisau (N)
: Tinggi bahan (cm)
: Perubahan jarak pada tinggi badan terhadap waktu (cm)
: Perpindahan pisau pada kemiringan sudut potong terhadap suatu
degradasi tinggi dan lebar bahan (cm)
: Lebar aktual pemotongan (cm)
: Jarak tempuh pada lebar bahan bahan terhadap waktu (cm)
: Perpindahan pada kemiringan sudut potong terhadap suatu
degradasi lebar bahan (cm)
: Kapasitas pemisahan keadaan bahan kering (kg/s)
: Gaya normal pada sisi miring mata pisau (N)
: Daya yang digunakan untuk memotong (kW)
: Kekuatan tekan (N)
: Diameter penekan (cm)
: Jarak titik pemotongan yang tegak lurus dengan sumbu putar (cm)
: Lintasan koordinat pisau pemotong
: Gaya tangensial dari permukaan sisi mata pisau (N)
: Poisson ratio
: Lebar (cm)
: Tinggi (cm)
: Ketebalan (cm)
: Sudut ketajaman mata pisau (0)
0
: Sudut pemotongan ( )
: Torsi (Nm)
: Kecepatan sudut (rps)
: Ketebalan ujung mata pisau (cm)
: Tegangan luluh (MPa)
: Normal strain (cm)
: Kepadatan material lapisan bahan kering (kg/cm3)
: Koefisien gesek

1 PENDAHULUAN

Latar Belakang
Buah kelapa muda merupakan salah satu produk pertanian yang bernilai
ekonomi tinggi. Air kelapa mengandung bermacam-macam vitamin, mineral dan
gula sehingga dapat dikategorikan sebagai minuman ringan yang bergizi. Luas
lahan kelapa di Indonesia cukup luas, akan tetapi sebagian besar tersebar pada
lahan-lahan yang marjinal. Menurut Maliangkay dan Matana (2007) areal
pertanaman kelapa mencapai 20% dari seluruh lahan perkebunan yang terdapat di
Indonesia, dimana sebesar 97% perkebunan kelapa diusahakan oleh rakyat.
Buah kelapa muda merupakan salah satu produk tanaman tropis yang unik
karena disamping komponen daging buahnya dapat langsung dikonsumsi, juga
komponen air buahnya dapat langsung diminum tanpa melalui pengolahan.
Keunikan ini ditunjang oleh sifat fisik dan komposisi kimia daging dan air kelapa,
sehingga produk ini sangat digemari konsumen baik anak-anak maupun orang
dewasa. Di Indonesia, kelapa muda biasa diolah menjadi berbagai macam aneka
minuman seperti es kelapa muda, es strup degan, dan rucuh. Pemanfaatan buah
kelapa muda harus diikuti dengan penanganan setelah panen, seperti pengawetan,
pengemasan dan penyimpanan karena buah mudah rusak.
Air kelapa muda merupakan salah satu komponen dari buah kelapa yang
pemanfaatannya belum optimal. Volumenya mencapai 25% dari total komponen
buah kelapa. Secara khusus, air kelapa kaya kalium, kandungan gula bervariasi
antara 1,7- 2,6%, dan protein 0,07-0,55%. Berdasarkan komposisi ini maka air
kelapa muda berpotensi dijadikan bahan baku produk pangan (Maskromo et al.
2007).
Kelapa muda biasanya disajikan langsung dari buahnya dengan melakukan
pemotongan pada bagian atas kelapa. Harga kelapa muda dikalangan pedagang es
kelapa muda masih terbilang rendah bila dibandingkan dengan harga kelapa muda
yang ada di supermarket. Teknologi pascapanen yang diterapkan pada kelapa
muda yang dijual di supermarket membuat harga kelapa muda meningkat dua kali
lipat bahkan lebih. Salah satu teknologi pascapanen kelapa muda yang diterapkan
yaitu melakukan trimming pada kelapa muda sehingga kelapa muda memiliki
bentuk yang lebih menarik. Teknologi pascapanen ini membuat harga kelapa
muda meningkat. Dari survey yang dilakukan di lapangan, harga kelapa muda
Thailand yang telah mengalami trimming menggunakan alat trimming dijual
dengan harga Rp 15.800 sedangkan kelapa muda Genjah Indonesia yang di
trimming manual dijual dengan harga Rp 8.000.
Untuk meningkatkan harga jual kelapa muda, perlu dilakukan proses
trimming menggunakan alat trimming kelapa muda untuk membuat bentuk kelapa
lebih menarik dan seragam. Oleh sebab itu, perlu dirancang alat trimming kelapa
muda yang sesuai dengan sifat fisik dan mekanik kelapa muda Indonesia. Dengan
alat trimming ini, diharapkan sabut kelapa muda dapat dipotong sehingga badan
kelapa muda berbentuk heksagonal dan bagian atas kelapa berbentuk kerucut
seperti pada Gambar 1. Bentuk ini dipilih karena bentuk persegi pada badan
kelapa akan memudahkan konsumen untuk memegang kelapa dan bentuk kerucut

2
dibagian atas akan memudahkan konsumen untuk membuka kelapa. Bentuk ini
juga dipilih karena heksagonal mengikuti susunan sarang lebah sehingga dapat
meningkatkan indeks pengepakannya. Bentuk kelapa ini memiliki nilai estetika
dan dapat menjadi bentuk khas kelapa muda Indonesia.

Gambar 1 Bentuk kelapa trimming
Salah satu pendekatan yang dapat dilakukan dalam perancangan alat
trimming kelapa muda adalah melakukan analisis mekanisme pemotongan sabut
kelapa. Analisis ini dapat memberikan parameter dasar dalam menentukan
rancangan pisau yang dapat memotong sabut kelapa muda dengan efisien.
Pengujian parameter-parameter geometri mata pisau yang dapat memberikan gaya
pemotongan terendah dengan kualitas hasil potong yang baik perlu dilakukan.
Pemodelan matematika merupakan salah satu metode untuk pendugaan
secara teoritis terhadap suatu mekanika. Model matematika gaya pemotongan
sabut kelapa muda ini penting dalam pengembangan disain alat trimming kelapa
muda. Sebagai langkah awal, perlu dilakukan penelitian yang berkaitan dengan
mekanisme pemotongan sabut kelapa muda untuk mendapatkan gaya spesifik
pemotongan dan daya yang dibutuhkan untuk melakukan kerja pemotongan
tersebut. Gaya spesifik pemotongan merupakan perkiraan kebutuhan gaya
pemotongan yang cukup akurat untuk tujuan praktis dengan menggunakan
parameter komponen gaya-gaya yang terjadi pada mekanisme pemotongan.
Sifat fisik dan mekanik bahan sangat mempengaruhi desain alat yang akan
diciptakan. Pengumpulan data sifat fisik buah kelapa muda sangat penting untuk
mendisain alat trimming kelapa muda. Dengan menggunakan data-data sifat fisik
kelapa muda diharapkan modal yang dikeluarkan dalam pembuatan alat menjadi
optimal dan dapat berfungsi maksimal. Kelapa yang digunakan dalam penelitian
ini adalah kelapa hijau. Kelapa hijau memiliki kandungan gizi yang tinggi yang
sudah banyak dikenal masyarakat (Maskromo et al. 2007).

Perumusan Masalah
Permintaan terhadap buah kelapa muda tinggi. Harga jual untuk buah
kelapa muda yang telah mengalamai proses trimming lebih tinggi daripada kelapa
muda yang belum diolah. Diperlukan alat trimming kelapa muda yang cocok
diterapkan pada kelapa muda Indonesia. Untuk merancang alat trimming kelapa
muda, dibutuhkan analisis mekanisme pemotongan sabut kelapa muda dan data

3
sifat fisik serta mekanik kelapa muda agar alat yang dirancang dapat bekerja
efisien.
Tujuan Penelitian
Penelitian ini bertujuan untuk menganalisis mekanisme pemotongan sabut
kelapa muda, membangun model matematika gaya spesifik pemotongan sabut
kelapa muda dengan berbagai variasi pada mata pisau serta membandingkan
model matematika gaya pemotongan spesifik dengan hasil pengukuran, dan
mendapatkan daya pemotongan terendah dari perhitungan menggunakan
parameter kondisi bahan uji.
Manfaat Penelitian
Penelitian ini menyajikan data geometri pisau yang bermanfaat sebagai
rekomendasi jenis pisau pemotong dan kebutuhan tenaga untuk merancang alat
trimming kelapa muda. Penelitian ini juga menghasilkan model matematika yang
bermanfaat dalam perhitungan kebutuhan gaya dan daya pada pemotongan bahan.
Batasan Masalah
Adapun batasan masalah yang digunakan dalam penelitian ini adalah
sebagai berikut :
1. Penelitian terhadap sifat fisik buah kelapa muda hijau dibatasi pada berat,
dan dimensi buah kelapa muda hijau.
2. Mekanisme pemotongan yang akan dianalisis adalah mekanisme
pemotongan searah sabut kelapa dengan variasi pada jumlah sisi mata
pisau menajam, sudut pemotongan pisau (  ), dan sudut kerajaman pisau
(β).
3. Kelapa hijau yang digunakan adalah kelapa genjah hijau dengan umur
panen 8 bulan yang berasal dari Curug Bitung, Banten.
4. Bahan pisau yang digunakan adalah baja.

2 TINJAUAN PUSTAKA

Kelapa
Kelapa merupakan salah satu komoditas pertanian yang telah lama dikenal
dan dimanfaatkan oleh manusia. Kelapa yang merupakan tumbuhan tropik dapat
tumbuh dari tepi pantai hingga 1000 meter diatas permukaan laut diantara 230 LU
dan 230 LS. Luas lahan kelapa di Indonesia cukup luas, akan tetapi sebagian besar
tersebar pada lahan-lahan yang marjinal. Menurut Maliangkay dan Matana (2007)
areal pertanaman kelapa mencapai 20% dari seluruh lahan perkebunan yang
terdapat di Indonesia, dimana sebesar 97% perkebunan kelapa diusahakan oleh
rakyat.
Plasma nutfah kelapa merupakan kekayaan hayati yang perlu
dimanfaatkan secara optimal untuk kesejahteraan umat manusia. Keragaman

4
genetik kelapa di Indonesia sangat besar, sampai dengan tahun 2005 Balai
Penelitian Tanaman Kelapa dan Palma Lain (Balitka) telah mengoleksi berbagai
aksesi kelapa salah satunya adalah kelapa Genjah Hijau Jombang (GHJ). Air
kelapa yang merupakan salah satu komponen dari buah kelapa belum
dimanfaatkan secara optimal. Volume air kelapa mencapai 25% dari total
komponen buah kelapa dengan kandungan gizi air yang cukup lengkap, terutama
kandungan kalium. Hal ini menyebabkan air kelapa dapat digunakan sebagai
minuman kesehatan (Maskromo et al. 2007).
Air kelapa muda sering disajikan alami, yaitu hanya memberikan sayatan
kecil lalu diberi lubang dan langsung diminum. Untuk menghasilkan penampilan
sabut yang menarik dilakukan pengupasan sabut kelapa muda lalu direndam
dalam larutan antioksidan dan antijamur. Selanjutnya dikering-anginkan dan
disimpan pada suhu 100C. Dengan cara ini buah kelapa dapat disimpan selama
empat minggu (Barlina 2007).

Perancangan
Alasan penerapan perancangan adalah karena adanya kebutuhan akan
produk baru, efektifitas biaya, dan kebutuhan akan produk yang berkualitas tinggi.
Masalah yang sering muncul pada produk baru adalah produk tersebut tidak dapat
berfungsi sebagaimana mestinya, membutuhkan waktu yang lama dalam
merealisasikannya di masyarakat, biaya terlalu mahal, hasil produk yang kurang
memuaskan. Dari permasalahan-permasalahan tersebut maka perlu dilakukan
analisis permasalahan untuk mendapatkan solusi melalui tahapan perencanaan
yang tepat. Perencanaan merupakan tahapan bagaimana untuk memperoleh suatu
produk tertentu yang sesuai dengan kebutuhan yang ada.
Perancangan dan pembuatan produk merupakan bagian yang sangat besar
dari semua kegiatan teknik yang ada. Kegiatan perancangan dimulai dengan
didapatkannya persepsi tentang kebutuhan manusia, kemudian disusul oleh
penciptaan konsep produk, kemudian dengan perancangan, pengembangan dan
penyempurnaan produk, kemudian diakhiri dengan pembuatan dan
pendistribusian produk. Perancangan adalah kegiatan awal dari suatu rangkaian
kegiatan dalam proses perancangan produk. Dalam proses merancang, perancang
akan menggunakan : (1) pengalaman dan pengetahuannya tentang proses
perancangan dan (2) semua pengetahuan yang terkait dengan produk dan
pembuatan produk yang sedang dirancangnya, seperti : fisika, mekanika benda
padat (statika, kinematika, kekuatan material, dinamika, dan getaran), mekanika
fluida, termodinamika, ilmu material, teknik produksi, dan pengetahuan tentang
peralatan. Produk adalah sebuah benda teknik yang keberadaannya didunia
merupakan hasil karya keteknikan, yaitu hasil perancangan, pembuatan dan
kegiatan teknik lainnya yang terkait. Produk dibuat untuk bisa menjalankan
fungsinya, yaitu membantu dan meringankan beban manusia (Harsokoesoemo
1999).

5
Sifat Fisik dan Mekanik Produk Pertanian
Karakteristik dari suatu bahan hasil pertanian sangat penting untuk
klasifikasi standar bentuk dan ukuran. Oleh karena itu dibuatlah suatu standar
yang telah disepakati bersama untuk mempermudah penanganan dan pengolahan
produk tersebut. Ada beberapa kriteria yang dapat digunakan untuk menjelaskan
bentuk dan ukuran bahan hasil pertanian, yaitu: bentuk acuan, kebundaran,
kebulatan, dimensi sumbu bahan, serta kemiripan bahan hasil pertanian terhadap
benda geometri tertentu. Karakteristik fisik hasil pertanian akan mempengaruhi
bentuk dan ukuran berat atau volume. Konsumen tertentu memiliki penerimaan
(aseptabilitas) tertentu mempertimbangkan karakteristik fisik. Bentuk, ukuran,
berat, dan warna yang seragam menjadi pilihan konsumen. Untuk mencegah
kerusakan seminimal mungkin, diperlukan pengetahuan tentang karakteristik
watak atau sifat teknik bahan hasil pertanian yang berkaitan dengan karakteristik
fisik, mekanik, dan termis (Mohsenin 1986).
Hampir pada semua tahapan teknologi proses, produk pertanian diberi
efek mekanis (gaya). Suatu gaya biasanya selalu diikuti oleh suatu perubahan
bentuk atau deformasi. Gaya yang bekerja pada bahan bisa cukup besar (untuk
pemotongan, penyayatan, penekanan) atau sekecil-kecilnya untuk menghindari
kerusakan (pemanenan sayuran dan buah-buahan dan perontokan biji-bijian).
Untuk mengoptimalkan kinerja gaya-gaya pada bahan, maka pengetahuan tentang
kekuatan mekanis produk (tekan, tarik dan geser) menjadi sangat penting.
Kebanyakan produk pertanian bersifat viskoelastis yaitu berkelakuan
berbeda-beda terhadap pengaruh tarikan atau tekanan yang tetap dan pembebanan
dinamis yang berubah-ubah atau vibrasi. Dengan mengetahui kelakuan produk
maka akan memungkinkan untuk menentukan, misalnya apakah sesuatu bahan
lebih baik diberi perlakuan geser atau impact. Jenis gaya yang berbeda juga
berpengaruh terhadap kebutuhan dayanya. Daya yang diperlukan untuk
pemadatan suatu bahan berlainan tergantung apakah digunakan gaya dinamis atau
statis.
Ketika bahan mendapatkan tekanan, hampir semua bahan akan memiliki
perubahan lebar. Bahan silinder yang mendapat tekanan akan mengalami
peningkatan diameter. Menurut Lewis (1987) poisson ratio adalah perbandingan
antara kontraksi lateral (sebagai bagian diameter) dan regangan longitudinal.
Menurut Mohsenin (1986) pemotongan bahan merupakan hasil dari
kombinasi deformasi (dengan geser atau tekuk). Dalam praktek, disarankan untuk
menentukan tahanan terhadap pemotongan sebagai salah satu sifat mekanis bahan
sehingga daya pemotongan dapat ditentukan secara langsung. Pada banyak
pekerjaan disain, pengetahuan tentang koefisien gesek statis dan dinamis juga
sangat penting. Kondisi dinamis suatu bahan dan kondisi stressnya pada banyak
kasus keduanya tergantung pada nilai koefisien gesek bahan.
Menurut Jarimopas et al. (2009), kelapa muda memiliki kekerasan sebesar
53,3 N - 75,7 N. Sifat fisik yang harus diketahui dalam perancangan alat trimming
kelapa muda yaitu dimensi kelapa muda yang diberi tanda. Tabel 1 berisi data
sifat fisik kelapa muda serta label untuk kelapa muda Thailand.

6
Tabel 1 Sifat fisik dari kelapa muda Thailand
Sifat Fisik
Tinggi buah (H)
Diameter buah (D)
Tinggi cangkang (h)
Diameter cangkang (d)
Jarak vertikal antara cangkang dan dasar buah (b1)
Jarak vertikal antara cangkang dan pangkal buah (b2)
Jarak horizontal sebelah kiri antara cangkang dan kulit
buah (a1)
Jarak horizontal sebelah kanan antara cangkang dan
kulit buah (a2)

Dimensi (mm)
179,7 ± 5,3
160,2 ± 5,6
99,3 ± 4,2
105,3 ± 6,0
45,4 ± 5,2
32,7 ± 2,5
26,3 ± 3,0
26,0 ± 2,9

Menurut hasil penelitian Jarimopas dan Tuttanadat (2007), sudut potong
antara pisau dengan badan buah kelapa pada alat trimming kelapa yang ideal yaitu
 = 560,β = 760 (Gambar 2).

Gambar 2 Sudut pemotongan kelapa (Jarimopas 2007)
Pengukuran
Untuk mengukur gaya pembelahan buah kelapa buah kelapa,
digunakan dinamometer. Menurut Supriyadi (2005) pengukuran gaya
pembelahan kelapa dapat dilakukan dengan cara kedua ujung pisau masingmasing dikaitkan pada neraca pegas maka dapat diketahui gaya yang
dibutuhkan untuk membelah buah kelapa baik langkah maju maupun langkah
mudur.
Menurut Jarimopas dan Tuttanadat (2007) untuk mengukur modulus
elastisitas kelapa, salah satu metode pengukuran dengan mengetahui gaya
yang dibutuhkan untuk merusak sabut (rupture force) buah kelapa muda yaitu
dengan menggunakan alat universal testing machine. Setiap buah ditekan
dengan plunger berdiameter 6,4 mm pada pembebanan 25 mm/ menit. Buah
diukur dengan universal testing machine dan ditekan hingga terjadi
kerusakan. Hal yang sama dilakukan pada 2 titik yang berlawanan pada garis

7
equatorial buah. Gaya tekan dan deformasi sekitar 30 % dari titik kerusakan
digunakan untuk mengkalkulasikan modulus elastisitas.
Menurut Cox (1997) hubungan antara perubahan hambatan dan regangan
merupakan hubungan yang linier. Sensor untuk mengukur regangan harus
memiliki resistivitas yang tinggi agar sensitivitasnya tinggi. hubungan antara
perubahan hambatan yang berhubungan dengan perubahan regangan disebut
gauge factor. Gauge yang umum digunakan terbuat dari tembaga dan nikel
dengan hambatan 120 Ohm dengan koefisien temperatur tahanan 2x10-5/ 0C
sampai 8x10-5/ 0C.
Alat pengukur torsi juga dikenal dengan nama dinamometer. Ada 3 jenis
aparatus pengukur torsi dasar, yakni jenis absorbsi, jenis penggerak, dan jenis
transmisi. Dinamometer absorbsi mengeluarkan energi mekanis pada saat torsi
diukur. Dinamometer penggerak mengukur torsi atau daya dan juga energi umpan
untuk menggerakkan alat yang diuji. Dinamometer transmisi bekerja sebagai alat
pasif pada lokasi yang tepat dalam mesin atau antara mesin hanya untuk
mengindera torsi pada lokasi tersebut (Srivastava 1987).

Mekanisme Pemotongan
Pada penelitian pemotongan batang jagung yang dilakukan oleh Sitkei
(1986), ada dua tahapan pada proses pemotongan material. Pertama yaitu adanya
gaya hingga mencapai batas tahanan potong bahan. Tahap kedua lebih terpusat
pada gerakan pemotongan pada batasan material. Material ditekan hingga
kedalaman (h) pada batas tahanan potong bahan, energi yang dibutuhkan
ditunjukkan pada kurva diatas Ac. Energi yang dibutuhkan pada pemotongan
efektif ditunjukkan pada Av. Gambar 3 menunjukkan diagram statik pemotongan
batang tebu.

Gambar 3 Diagram statik pemotongan batang tebu (Sitkei 1986)

8
Ketebalan pisau umumnya antara 50-150 μm. Dengan ketebalan pisau
yang sangat kecil ini, tekanan yang terjadi pada proses pematangan diasumsikan
terjadi sangat kecil. Sehingga analisis pemotongan dilakukan berdasarkan gayagaya yang terjadi disepanjang kontak bahan dengan pisau pemotong. Komponen
gaya-gaya akan berperan dalam proses pemotongan. Pada proses pemotongan,
terdapat tiga tahapan yaitu menusuk, penetrasi, dan memotong (Gambar 4). Gayagaya pada mata pisau tersebut saling terkait baik pada besaran sudut dan resultan
gaya dan akhirnya akan membentuk suatu fungsi persamaan gaya pemotongan.

Gambar 4 Tahap-tahap proses pemotongan bahan uji (Sitkei 1986)
Menurut Sitkei (1986) kinematika gaya-gaya yang terdapat pada pisau
merupakan fungsi penjumlahan gaya-gaya vertikal pada saat pemotongan seperti
pada Gambar 5. Pada mata pisau satu sisi, gaya normal yang bekerja pada bidang
miring pisau merupakan penjumlahan komponen gaya horisontal dan gaya
vertikal.

N  F v sin   Fh cos 
N  F v sin


2

 Fh cos

(1)


2

(2)

Untuk mata pisau dengan dua sisi menajam terdapat dua gaya normal
dibagian kiri dan kanan. Sedangkan gaya tangensial yang timbul pada pisau
dilambangkan dengan T2 adalah :
(3)
T2  N  N tan 
Dimana µ = tanφ adalah koefisien gesek. Pada sisi vertikal pisau, gaya
tangensial yang bekerja sebesar T1= µFh.
Komponen vertikal gaya tangensial T2’ adalah :
1
(4)
T2 '   ( Fv sin 2  Fh cos 2  )
2

9

Gambar 5 Gaya-gaya yang terjadi pada pisau satu sisi menajam (Sitkei 1986)
Mata pisau miring (kemiringan >00)
Gaya pemotongan spesifik yang terjadi pada pemotongan dengan mata pisau
miring dapat ditunjukkan pada diagram gaya pemotongan pada jarak tempuh h
dan lebar bahan L tan  dan skema pemotongan pisau miring pada bahan (Gambar
6). Mata pisau dengan kemiringan >00 gaya pemotongan dipengaruhi oleh lebar
bahan uji sepanjang kemiringan mata pisau terhadap L, yang ditunjukkan dalam
hasil selisih dari total lintasan koordinat pisau pemotong dengan diagram lintasan
koordinat pisau pemotong pertama.

Gambar 6 Gaya pemotongan spesifik sebagai fungsi dari perpindahan berbagai
bagian dari mata pisau pada kemiringan  > 00 (Persson 1987)

10

3 METODE

Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian dilaksanakan pada bulan Desember 2013 sampai dengan Mei
2014. Penelitian dibagi menjadi dua tahap yaitu tahap pengambilan data sifat fisik
dan mekanik buah kelapa muda hijau di Laboratorium Teknik Pengolahan Pangan
Hasil Pertanian (TPPHP) dan tahap pengukuran gaya pemotongan spesifik di
Laboratorium Siswadhi Soepardjo Departemen Teknik Mesin dan Biosistem,
Institut Pertanian Bogor.
Bahan
Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah kelapa muda hijau.

Alat
Peralatan yang digunakan untuk menentukan sifat fisik buah kelapa muda
hijau adalah :
1. Timbangan digital
2. Jangka sorong digital
3. Pisau
4. Golok
5. Kalkulator
6. Oven
7. Kamera digital

1.
2.
3.
4.

5.
6.

Peralatan yang digunakan pada analisis gaya pemotongan spesifik adalah :
Aparatus uji pemotongan berupa alat trimming kelapa muda yang dilengkapi
sensor regangan (strain gauge) 120 Ohm
Direct Shear Apparatus
Universal Testing Machine (UTM)
Instrumen pengukuran dan perekaman data yang terdiri :
a. Bridge box untuk menghubungkan kabel dari strain gauge dengan Strain
Amplifier
b. Data Logger
Satu unit laptop dengan software Treasure Duct untuk perekam data ke
komputer, Microsoft Office Word 2010 dan Microsoft Office Excel 2010
Kamera digital.

11
Tahap Penelitian

Mulai

Pengaturan dan pembagian lingkup bahan uji dan
alat uji yang diperlukan dalam penelitian

Pengukuran sifat fisik dan mekanik kelapa
muda hijau

Penentuan variasi sudut ketajaman, sudut
pemotongan, dan sisi mata pisau

Pembuatan instrumen uji

Pengukuran gaya
pemotongan

Analisis data

Pengembangan model matematika gaya
pemotongan
Model matematika gaya
spesifik pemotongan
sabut kelapa muda

Tidak
Validasi data
Ya
Analisis torsi dan daya pemotongan

Rekomendasi rancangan pisau pemotong
dan tenaga pada alat trimming kelapa muda

Selesai

Gambar 7 Tahapan penelitian

12
Pengaturan dan pembagian lingkup bahan uji dan alat uji yang diperlukan
dalam penelitian.
Pengaturan dan pembagian lingkup bahan uji dan alat uji yang dilakukan
sesuai dengan mekanisme pemotongan yang akan digunakan. Uji pemotongan
dilakukan dengan mekanisme pemotongan searah serat kelapa muda. Bahan yang
digunakan pada penelitian ini adalah kelapa muda hijau dengan umur panen 8
bulan. Menurut Intara (2005) untuk menguji sifat mekanik bahan yaitu gaya
pemotongan spesifik pada pemotongan searah maka digunakan bagian sabut
kelapa yang telah dipotong dengan ukuran 5 x 2 x 2,5 cm seperti pada Gambar 8.

5 cm
Arah serat

2 cm
2,5 cm
Gambar 8 Bahan uji dalam penelitian

Pengukuran sifat fisik kelapa muda hijau
Karakteristik fisik bahan yang diukur yaitu dimensi buah dan berat buah
seperti pada Gambar 9. Kadar air bahan juga diuji untuk mengetahui kepadatan
bahan. Pada penelitian ini digunakan 20 sampel kelapa muda.

Gambar 9 Pelabelan pada dimensi kelapa muda (Jarimopas et al., 2009)

13
Dimensi kelapa hijau :
- Tinggi buah (H)
- Diameter buah (D)
- Tinggi cangkang (h)
- Diameter cangkang (d)
- Jarak vertikal antara cangkang dan dasar buah (b1)
- Jarak vertikal antara cangkang dan pangkal buah (b2)
- Jarak horizontal sebelah kiri antara cangkang dan kulit buah (a1)
- Jarak horizontal sebelah kanan antara cangkang dan kulit buah (a2)
Pengambilan data sifat mekanik
Pengukuran data material dari bahan uji ditujukan untuk mendapatkan
nilai :
1. Poisson ratio
Pengukuran poisson ratio bahan dilakukan di laboratorium Teknik
Pengolahan Pangan Hasil Pertanian (TPPHP) dengan menggunakan alat
Universal Testing Machine (Lampiran 1). Setelah didapatkan data defleksi
bahan kemudian dihitung poisson ratio dengan menggunakan Persamaan 5.

v

2.

 lateral
 axial

(5)

Modulus elastisitas (E)
Pengukuran modulus elastisitas bahan dilakukan di laboratorium Teknik
Pengolahan Pangan Hasil Pertanian (TPPHP) dengan menggunakan alat
Universal Testing Machine (Lampiran 2). Tahapan mengukur modulus elastis
kelapa muda hijau adalah :
1) Dibelah kelapa secara melintang menjadi dua bagian sama besar
2) Diletakkan satu bagian kelapa muda diatas tatakan
3) Ditekan titik dipangkal kelapa muda dengan penekan berdiameter 6,4
mm dengan tingkat pembebanan 25 mm/min
4) Diukur berapa gaya yang dibutuhkan hingga kerusakan (rupture) pada
permukaan kelapa muda terjadi
5) Dicatat hasil pengamatan
6) Dilakukan hal yang sama pada satu bagian kelapa lainnya.
7) Dilakukan pengulangan sebanyak 10 kali.
8) Dihitung modulus elastisitas dengan Persamaan 6.

E  0,75
3.

(1  v 2 ) P
15
R D

(6)

Pengukuran Koefisien Gesek
Nilai koefisien gesek (  ) didapatkan dari pengujian antara permukaan
melintang sabut kelapa muda dengan permukaan plat besi bahan pisau

14
pemotong seperti Gambar 10. Pengukuran ini dilakukan dengan
menggunakan Direct Shear Apparatus seperti pada Lampiran 3. Pengukuran
koefisien gesek dilakukan dengan pengulangan tiga kali dengan pembebanan
yang berbeda-beda. Koefisien gesek didapat dari persamaan kurva gaya dan
beban.

beban

F

Sabut kelapa

Plat besi

Gambar 10 Aparatus uji koefisien gesek
4. Strength Maximum
Pengukuran Strength Maximum bahan dilakukan di laboratorium Teknik
Pengolahan Pangan Hasil Pertanian (TPPHP) dengan menggunakan alat
Universal Testing Machine (Lampiran 4). Plunger yang digunakan
berdiameter 10 cm. Defleksi bahan diukur dengan alat dial gauge.
Penentuan variasi ukuran, bentuk pisau, dan sudut mata pisau
Bentuk sisi mata pisau yang diuji pada penelitian ini adalah bentuk mata
pisau dengan satu sisi menajam dan dua sisi menajam. Bentuk sisi mata pisau
dipilih berdasarkan bentuk sisi mata pisau umum yang digunakan untuk
memotongan sabut kelapa yaitu mata pisau pada golok, seperti telihat pada
Gambar 11.
x

z

zz

x

y

y
β

β

θ

θ

Gambar 11 Variasi untuk pisau pemotong
Keterangan :
β : Sudut ketajaman (100, 150, 200)

15

 : sudut pemotongan antara mata pisau dan bidang datar ( 00, 150, 300)
z : Ketebalan
y : Tinggi
x : Lebar

a. Ketebalan mata pisau
Ketebalan pisau yang digunakan pada penelitian ini adalah ketebalan 3mm.
Pisau terbuat dari plat baja yang sesuai dengan golok yang digunakan untuk
memotong sabut kelapa muda.
b. Variasi bentuk pisau
1. Variasi sudut ketajaman mata pisau (β)
Variasi ketajaman mata pisau yaitu 100, 150, dan 200.
2. Variasi sudut potong pisau (  )
Variasi sudut potong ditetapkan dari besar sudut pada bentuk kemiringan
penampang pisau tersebut. Variasi sudut potongnya yaitu 00, 150, 300.
3. Variasi bentuk sisi mata pisau (P)
Variasi bentuk sisi mata pisau yang akan digunakan adalah bentuk mata
pisau dengan satu sisi menajam dan dua sisi menajam.
Dari kriteria penentuan variasi bentuk sisi mata pisau menajam, sudut
ketajaman, dan sudut potong pisau tersebut diharapkan dapat membantu
menentukan gaya potong terendah.
Pengembangan Model Matematika Gaya Spesifik Pemotongan Bahan
Analisis dilakukan pada gaya-gaya yang bekerja pada pisau saat proses
pemotongan sabut kelapa muda. Untuk pemotongan bahan yang akan
diaplikasikan pada pemotongan sabut kelapa muda, dilakukan pengembangan
persamaan pemotongan bahan yang akhirnya menghasilkan model matematika
gaya spesifik pemotongan sabut kelapa muda. Persamaan dasar gaya-gaya yang
bekerja pada bahan pada saat pemotongan didapat dari teori dasar pemotongan
menurut Sitkei (1986) untuk pemotongan pada sudut potong 00.
Menurut Sitkei (1986) analisis yang dilakukan pada proses pemotongan
bahan pertanian adalah penjumlahan gaya-gaya vertikal yang terjadi di sepanjang
permukaan pisau. Pada proses pemotongan tersebut, pertama ujung mata pisau
akan menusuk permukaan bahan, setelah itu sisi tajam mata pisau mengalami
penetrasi melewati permukaan bahan, selanjutnya kedua sisi pisau ikut dalam
proses pemotongan mengalami proses gaya gesek terhadap bahan. Untuk pisau
dua sisi simetris, maka selain Fe, maka komponen gaya-gaya lainnya tersebut
dikalikan dua.
1
F  Fe  2( Fv  T2 ' T1 )
2
1
1


F  Fe  2[ Fv   ( Fv sin cos  Fh cos 2 )  Fh ]
2
2
2
2

(7)
(8)

16
Dari Gambar 5, sifat mekanik yang mempengaruhi besarnya gaya
pemotongan yaitu modulus elastisitas, koefisien gesek, poisson ratio. Menurut
Sitkei (1986), pada tahap awal proses pemotongan, gaya yang terjadi pada mata
pisau (Fe) adalah:
Fe  A B  l B
(9)
dimana  adalah ketebalan ujung mata pisau,  B adalah tegangan luluh (yield
strength) bahan di bawah mata pisau. Gaya Fv dan Fh ditentukan dengan
pendekatan sifat deformasi bahan. Gaya-gaya yang bekerja pada permukaan yaitu:
(10)
dFv  Edx  E tan dh
(11)
dFh  vEdh
0
Untuk pemotongan dengan sudut potong diatas 0 , dibangun model
matematika dengan mengembangkan teori pemotongan menurut Sitkei (1986) dan
Persson (1987). Menurut Persson (1987), untuk uji pemotongan dengan sudut
potong diatas 00, maka pergerakan memotong pada pisau akan menghasilkan
fungsi perpindahan dengan perbedaan nilai l, sehingga
(12)

d1  h  l tan

l2

l2

l1

l1

F tot   Fe l   C (h  l tan  ) 2 dl

(13)

dengan logika perhitungan pergerakan geometri pisau miring adalah :
jika h