Viskositas atau Kekentalan Langkah Kerja

213 Fluida F S = 0 F a + F s = w 6 T f b V g r v H F D + = b b V H g 6 T r v F D = b b V H g – f b V g H 6 T r v F D = gV b b f H H - v T = 6 b b f gV r H H F D - Untuk benda berbentuk bola seperti pada Gambar 7.13, maka persamaannya menjadi seperti berikut. v T = 3 4 3 6 b f g R r F H H F D æ ö - ç ÷ è ø = 2 9 2 b f R g H H D - Keterangan: v T : kecepatan terminal ms D : koefisien viskositas fluida Pa s R : jari-jari bola m g : percepatan gravitasi ms 2 b H : massa jenis bola kgm 3 f H : massa jenis fluida kgm 3 Pada suatu hari hujan turun dengan derasnya. Jika jari-jari tetes air hujan yang jatuh di udara H = 1,29 kgm 3 adalah 0,2 mm dan koefisien viskositas udara D = 1,8 × 10 -5 kgms, maka hitunglah kecepatan terminalnya Diketahui : a. R = 0,2 mm = 2 x 10 –4 m b. f H = 1.000 kgm 3 c. b H = 1,29 kgm 3 d. D = 1,8 x 10 –5 kgms Ditanyakan: v T = ...? Contoh 7.5 214 Fisika SMAMA Kelas XI S oal Kompetensi 7.2 Jawab: Ingat, tetes air cenderung membentuk seperti bola. v T = 2 9 2 b f R g H H D - = 4 2 5 2 2 10 9, 8 1000 1, 29 9 18 10 - - ´ - ´ = 4,83 ms Catatan: gaya Archimedes pada soal ini boleh diabaikan, karena hasilnya tidak berbeda jauh. Untuk viskositas beberapa fluida dapat Anda lihat pada Tabel 7.2 berikut Tabel 7.2 Viskositas Beberapa Fluida Fluida Viskositas N sm 2 Air 0° C 1,79 × 10 -3 Air 20° C 1,00 × 10 -3 Air 100 o C 0,28 × 10 -3 Darah 37° C 4,0 × 10 -3 Oli motor 0° C 110 × 10 -3 Udara 0° C 0,017 × 10 -3 CO 2 20° C 0,014 × 10 -3 Gliserin 1,5 Pada Tabel 7.2 terlihat bahwa air, udara, dan alkohol mempunyai koefisien kecil sekali dibandingkan dengan gliserin. Oleh karena itu, dalam perhitungan sering diabaikan. Berdasarkan eksperimen juga diperoleh bahwa koefisien viskositas tergantung suhu. Pada kebanyakan fluida makin tinggi suhu makin rendah koefisien viskositasnya. Itu sebabnya di musim dingin oli mesin menjadi kental sehingga kadang-kadang mesin sukar dihidupkan. 1. Jelaskan dengan kata-kata Anda sendiri apa yang dimaksud tegangan permukaan gejala meniskus dan kapilaritas 2. Manakah yang lebih mungkin, terapung di air laut atau air biasa? Jelaskan Sumber: Fisika, Kane Sternheim, 1991. 215 Fluida T k h o o 3. Sebongkah es terapung di dalam gelas yang penuh berisi air. Ketika es meleleh, apakah air tumpah? 4. Sebuah pipa kapiler mempunyai jari-jari 1 mm dimasukkan ke dalam air. Ternyata kenaikan air dalam pipa kapiler 5 cm. Apabila sudut kontak 60 o dan g = 9,8 ms 2 , maka tentukan besar tegangan permukaan air 5. Sebuah bola yang massa jenisnya 6,26 gcm 3 dan berdiameter 2 cm jatuh ke dalam gliserin yang massa jenisnya 5,10 gcm 3 dan koefisien viskositasnya 1,4 Pa s. Jika g = 10 ms 2 , maka tentukan kecepatan terminal bola tersebut Blaise Pascal 1623 – 1662 Blaise Pascal adalah ahli fisika Prancis, penemu hukum Pascal, pompa hidrolik, kalkulator digital yang pertama, dan ahli matematika. Ia lahir di Clermont Ferrand, Prancis, pada tanggal 19 Juni 1623. Ayahnya bernama Etienne Pascal, hakim yang sangat terpelajar di pengadilan pajak. Ibunya bernama Antoinette Bagon dan meninggal ketika Pascal baru berumur tiga tahun. Pada umur 18 tahun, Pascal menciptakan kalku- lator digital yang pertama di dunia. Hal ini diilhami dari seringnya ia melihat ayahnya yang sibuk menghitung pajak. Ia bermaksud menjual mesin hitungnya tapi tidak laku karena harganya sangat mahal. Kesehatannya makin lama makin mencemaskan karena ia terlalu giat bekerja dan belajar. Penyakit kanker yang ia derita, membuat tiada hari yang terlewatkan oleh Pascal tanpa rasa sakit. Kemudian ia mendapat nasihat dokter agar hidup santai dan bersenang-senang. Maka, ia menghabiskan waktunya untuk bermain kartu. Oleh karena seringnya bermain kartu, ia bersama Fermat menemukan teori probabilitas. Untuk meringankan rasa sakitnya, ia mengadakan eksperimen-eksperimen. Ia mengulangi percobaan Torricelli. Ia bermain-main dengan air dan menemukan hukum tekanan zat cair. Pascal meninggal di Paris, pada tanggal 19 Agustus 1662 pada umur 39 tahun. Ia percaya bahwa iman lebih luas dan dalam daripada akal budi manusia. Dikutip seperlunya dari 100 Ilmuwan, John Hudson Tiner, 2005 Sumber: Jendela Iptek, Gaya dan Gerak 216 Fisika SMAMA Kelas XI

B. Fluida Bergerak

Untuk mengkaji desain mobil aerodinamis seperti tampak pada Gambar 7.14, mobil diuji dengan asap di dalam lorong angin. Tampak garis aliran laminer yang stasioner. Asap yang bergerak merupakan contoh fluida bergerak. Pokok-pokok bahasan yang berkaitan dengan fluida bergerak, antara lain, persamaan kontinuitas, hukum Bernoulli yang membahas tekanan pada fluida yang bergerak, dan penerapan hukum Bernoulli.

1. Persamaan Kontinuitas

Pada saat Anda akan menyemprotkan air dengan menggunakan selang, Anda akan melihat fenomena fisika yang aneh tapi nyata. Ketika lubang selang dipencet, maka air yang keluar akan menempuh lintasan yang cukup jauh. Sebaliknya ketika selang dikembalikan seperti semula maka jarak pancaran air akan berkurang. Fenomena fisika tersebut dapat dijelaskan dengan mempelajari bahasan tentang persamaan kontinuitas berikut. Persamaan kontinuitas menghubungkan kecepatan fluida di suatu tempat dengan tempat lain. Sebelum menurunkan hubungan ini, Anda harus memahami beberapa istilah dalam aliran fluida. Garis alir stream line didefinisikan sebagai lintasan aliran fluida ideal aliran lunak. Garis singgung di suatu titik pada garis alir menyatakan arah kecepatan fluida. Garis alir tidak ada yang berpotongan satu sama lain. Tabung air merupakan kumpulan dari garis-garis alir. Pada tabung alir, fluida masuk dan keluar melalui mulut-mulut tabung. Fluida tidak boleh masuk dari sisi tabung karena dapat menyebabkan terjadinya perpotongan garis-garis alir. Perpotongan ini akan menyebabkan aliran tidak lunak lagi. Gambar 7.15 Debit fluida yang masuk sama dengan yang keluar. Misal terdapat suatu tabung alir seperti tampak pada Gambar 7.15. Air masuk dari ujung kiri dengan ke cepatan v 1 dan keluar di ujung kanan Gambar 7.14 Supaya dapat melaju dengan cepat, mobil harus aerodinamis. Sumber: jendela iptek, teknologi s v t 1 1 v 1 A 1 m 1 s v t 2 2 m 2 v 2 217 Fluida dengan kecepatan v 2 . Jika kecepatan fluida konstan, maka dalam interval waktu t D fluida telah menempuh jarak 1 1 s v t D = ´ D . Jika luas penampang tabung kiri A 1 maka massa pada daerah yang diarsir adalah: 1 1 1 1 1 2 1 m A s A v t H H D = D = D Demikian juga untuk fluida yang terletak di ujung kanan tabung, massanya pada daerah yang diarsir adalah : 2 2 2 1 2 2 2 m A s A v t H H D = D = D Karena alirannya lunak steady dan massa konstan, maka massa yang masuk penampang A 1 harus sama dengan massa yang masuk penampang A 2 . Oleh karena itu persamannya menjadi: 1 m D = 2 m D 1 2 1 A v H = 2 2 2 A v H 1 2 1 A v H = 2 2 2 A v H Persamaan di atas dikenal dengan nama persamaan kontinuitas. Karena fluida inkonpresibel massa jenisnya tidak berubah, maka persamaan menjadi: 1 1 2 2 A v A v = Menurut persamaan kontinuitas, perkalian luas penampang dan kecepatan fluida pada setiap titik sepanjang suatu tabung alir adalah konstan. Persamaan di atas menunjukkan bahwa kecepatan fluida berkurang ketika melewati pipa lebar dan bertambah ketika melewati pipa sempit. Itulah sebabnya ketika orang berperahu disebuah sungai akan merasakan arus bertambah deras ketika sungai menyempit. Perkalian antara luas penampang dan volume fluida A × v dinamakan laju aliran atau fluks volume dimensinya volumewaktu. Banyak orang menyebut ini dengan debit Q = jumlah fluida yang mengalir lewat suatu penampang tiap detik. Secara matematis dapat ditulis: Q = A × v = Vt dengan V menyatakan volume fluida yang mengalir dalam waktu t.