Tegangan Permukaan Zat Cair, Kapilaritas, dan Viskositas Fluida

39 r benda r fluida dengan, F a = gaya ke atas r b = massa jenis benda r f = massa jenis fluida V t = volume benda tercelup V b = volume benda

b. Tegangan Permukaan Zat Cair, Kapilaritas, dan Viskositas Fluida

1 Tegangan Permukaan Zat Cair Sebuah silet dan jarum dapat terletak di atas permukaan air jika diletakkan dengan hati-hati pada kedudukan horisontal. Walaupun menurut hukum Archimedes, keduanya harus tenggelam karena massa jenis keduanya lebih besar dari massa jenis air. Hal ini terjadi karena jarum dan silet ditahan oleh ikatan molekul-molekul permukaan zat cair. Hal ini terjadi karena jarum dan silet ditahan oleh ikatan molekul-molekul permukaan zat cair. Gejala ini disebut tegangan permukaan pada fluida, karena ikatan molekul-molekul permukaan fluida tersebut. Molekul-molekul di dalam suatu fluida akan selalu mengalami gaya tarik-menarik dengan molekul-molekul sejenis lainnya. Gaya ini disebut gaya kohesi. Namun, molekul-molekul yang berada pada permukaan atau sangat dekat dengan permukaan lebih banyak mengalami gaya ke bawah karena lebih banyak molekul-molekul lain yang menarik ke bawah dibandingkan yang menarik ke atas, seperti diilustrasikan pada gambar 2.7. 40 Gambar 2.7. Gaya Tarik pada Fluida Akibat lebih besarnya gaya ke bawah ini, permukaan zat cair akan cenderung mengerut dan membentuk luas permukaan minimum, dengan posisi mendatar. Hal itu terjadi karena permukaan zat cair tersebut mengalami suatu tegangan, yang disebut tegangan permukaan. Untuk suatu tetesan zat cair akan terbentuk luas permukaan terkecil, sehingga berupa bola. Bentuk tetesan itu berupa bola-bola kecil. Ini merupakan salah satu bukti adanya tegangan permukaan. Untuk menghitung besarnya tegangan permukaan ini, misalkan sebuah kawat kecil yang panjangnya L terletak di permukaan suatu zat cair. Jika gaya F tegak lurus permukaan zat cair, seperti yang terlihat pada gambar 2.8 a. Maka tegangan permukaan didefinisikan sebagai 2L F γ = Pada gambar 2.8 b, sebuah kawat dibengkokkan sehingga berbentuk huruf U. Kemudian kawat AB dibuat sedemikian rupa sehingga bisa digerakkan sepanjang kawat berbentuk U. Jika kawat ini dicelupkan ke dalam air sabun kemudian diangkat, maka akan terbentuk suatu lapisan sabun. Lapisan sabun ini memiliki dua permukaan, tegangan yang dialami oleh kawat AB sama dengan a b Gambar 2.8 a Tegangan Permukaan yang Dialami Oleh Sebuah Kawat L, b Tegangan Permukaan pada Kawat L Oleh Dua Permukaan L F γ γ F L Δh ↨ γ L Lapisan sabun γ 41 P P v v v γ γ γ Pada gambar 2.9 terdapat gelembung air sabun yang menempel pada permukaan kaca. Gelembung sabun memiliki tegangan permukaan g yang arahnya ke bawah dan tekanan P yang diberikan oleh kaca yang arahnya ke atas. Gambar 2.9 Gelembung Air Sabun Di Udara Pada gambar di atas ada dua permukaan gelembung sabun, yaitu permukaan alas gelembung sabun yang menempel pada kaca dan permukaan atas gelembung sabun yang tidak menempel pada kaca. Pada gelembung sabun berlaku persamaan : F = 2Lg PA = 2Lg Ppr 2 = 2.2prg P = dengan, F = gaya P = tekanan A = luas alas gelembung sabun L = keliling gelembung sabun r = jari-jari gelembung sabun g = tegangan permukaan Apabila gelembung air sabun berada di bawah permukaan air, karena hanya ada satu permukaan bagian dalam gelembung maka berlaku persamaan : P = Jika gelembung air sabun berada di dalam air pada kedalaman h, maka tekanan udara dalam gelembung : 42 θ P =rgh+ a b Gambar 2.10 a Gelembung Air Sabun Tepat Di Bawah Permukaan Air, b Gelembung Air Sabun Di Dalam Air pada Kedalaman h 2 Kapilaritas Pada umumnya permukaan zat cair adalah horizontal, yaitu tegak lurus dengan gaya gravitasi. Namun jika zat cair ini bersentuhan dengan suatu zat padat, permukaan pada tepi persentuhan ini biasanya berupa lengkungan yang disebut meniskus. Jika gaya adhesi antara molekul-molekul zat cair dengan molekul- molekul zat padat lebih besar dari gaya kohesi antar molekul zat cair maka terbentuklah gejala meniskus cekung. Sebaliknya jika gaya adhesi antara molekul- molekul zat cair dengan molekul-molekul zat padat lebih kecil dari gaya kohesi antar molekul zat cair maka terbentuklah gejala meniskus cembung. Untuk menyatakan seberapa besarnya kecembungan atau kecekungan gejala meniskus ini maka didefinisikanlah sudut kontak q, yaitu sudut permukaan zat padat dengan gradien bidang permukaan zat cair. Gambar berikut menjelaskan sudut kontak tetes air dan raksa di atas permukaan kaca. a b Gambar 2.11 a Air Memiliki Sudut Kontak Lebih Kecil dari 90°, b Raksa Memiliki Sudut Kontak Lebih Besar dari 90° Bila adhesi lebih besar dari kohesi, tegangan permukaan menyebabkan zat cair yang memiliki sudut kontak kurang dari 90 naik ke atas dalam pipa θ h 43 kapiler, lebih tinggi dibandingkan dengan permukaan zat cair di luarnya. Semakin kecil pipa kapiler, semakin tinggi kenaikan zat cair. Sebaliknya bila adhesi lebih kecil dari kohesi zat cair memiliki sudut kontak yang lebih dari 90 , maka permukaan zat cair dalam pipa kapiler akan lebih rendah dibandingkan permukaan zat cair di luarnya. Semakin kecil pipa kapiler, semakin besar penurunan permukaan zat cair. Peristiwa naik atau turunnya permukaan zat cair dalam pipa kapiler ini disebut kapilaritas, seperti tampak dalam Gambar 2.12. a b Gambar 2.12 a Jika Sudut Kontak Kurang dari 90 o , Permukaan Zat Cair Dalam Pipa Kapiler Naik, b Jika Sudut Kontak Lebih Besar dari 90 o , Permukaan Zat Cair Dalam Pipa Kapiler Turun Dari Gambar 2.12, nampak bahwa gejala kapilaritas naik terjadi pada peristiwa meniskus cekung, sedangkan gejala kapilaritas turun terjadi pada peristwa meniskus cembung. Zat cair mengalami meniskus cekung ketika tegangan permukaan menarik zat cair ke arah atas karena tidak diimbangi oleh gaya tegangan permukaan yang lain. Pada Gambar 2.13a tegangan permukaan menyebabkan zat cair naik. Zat cair berhenti naik ketika berat kolom zat cair yang naik sama dengan gaya ke atas yang dikerjakan pipa pada zat cair Gambar 2.13b. 44 a b Gambar 2.13 Analisis Gejala Kapiler Apabila berat zat cair yang naik dalam pipa adalah w , dalam keadaan seimbang berlaku persamaan: dengan : y = kenaikan atau penurunan zat cair dalam pipa m γ = tegangan permukaan Nm θ = sudut kontak º ρ = massa jenis zat cair kgm 3 r = jari-jari pipa m Beberapa peristiwa kapilaritas adalah sebagai berikut. a. Minyak tanah naik pada sumbu kompor b. Dinding atau tembok basah karena air tanah c. Air dan zat-zat makanan naik melalui pembuluh kayu pada tumbuhan. 3 Viskositas Fluida Gesekan pada benda yang bergerak dalam fluida disebut viskositas atau kekentalan. Adanya viskositas menyebabkan benda yang bergerak di dalam fluida mengalami hambatan. Viskositas terdapat pada zat cair dan zat gas. Oleh karena zat cair lebih kental dibandingkan dengan gas, gesekan yang terjadi di dalam zat cair lebih besar. Jika kita melepaskan kelereng ke dalam oli motor, maka gerakan kelereng pada saat jatuh akan dihambat oleh gaya gesekan. Gaya gesekan ini timbul akibat oli motor mempunyai viskositas. Untuk fluida ideal, harga 45 viskositas η = , sehingga jika suatu benda bergerak dalam fluida ideal, benda tidak mengalami gaya gesekan. Besar gaya gesekan yang dialami oleh suatu benda di dalam fluida dapat dihitung dengan menggunakan persamaan hukum stokes dirumuskan sebagai berikut. F f = 6лηrv dengan : f F = gaya gesekan di dalam fluida η = viskositas fluida r = jari-jari benda bola v = kecepatan gerakan benda Perhatikan sebuah bola yang jatuh dalam fluida pada gambar 2.14. Gaya- gaya yang bekerja padanya adalah gaya berat w, gaya apung a F , dan gaya gesekan yang dikerjakan oleh fluida f F . Ketika bola ini dijatuhkan, ia bergerak dipercepat. Namun ketika kecepatannya bertambah, gaya gesekan yang dikerjakan oleh fluida f F juga bertambah. Akibatnya, pada suatu saat bola mencapai keadaan setimbang sehingga bergerak dengan kecepatan konstan, yang disebut kecepatan terminal. Pada kecepatan terminal ini resultan gaya yang bekerja pada bola sama dengan nol. Gambar 2.14. Gaya-gaya yang Bekerja pada Sebuah Bola yang Dijatuhkan Dalam Fluida F = å F F mg f a = - - + a f F mg F - = w a F f F 46 Jika massa jenis benda : b ρ ; massa jenis fluida : f ρ ; dan volume benda : b V maka gaya ke atas F a = r f V b g berat benda mg = r b V b g gaya gesekan T f 6 ππηr F = benda dianggap berbentuk bola, = T v kecepatan terminal Maka : F f = mg - F a T 6 ππηr = g V ρ b b - g V ρ b f T 6 ππηr = b gV f b ρ ρ - Kecepatan terminal dalam fluida kental : 6 ππη ρ ρ gV v f b b T - = Untuk benda berbentuk bola dengan jari-jari r, maka volume benda , sehingga

B. Kerangka Berpikir

Berdasarkan kajian teori yang telah diuraikan diatas, maka dapat dikemukakan kerangka berpikir dalam penelitian ini adalah sebagai berikut: 1. Pengaruh antara pendekatan ketrampilan proses melalui metode eksperimen dan demonstrasi terhadap kemampuan kognitif Fisika siswa Pendekatan adalah jalan atau arah yang ditempuh oleh guru atau siswa dalam mencapai tujuan pengajaran, dilihat dari sudut bagaimana materi itu disusun dan disajikan. Pendekatan ketrampilan proses adalah suatu pendekatan