1
BAB I PENDAHULUAN
1.1. Tujuan percobaan
Dengan dilakukannya percobaan percobaan ini, maka mahasiswa dapat : 1) Menghitung gerak benda dalam fluida 2) Menghitung kekentalan zat cair
1.2. Dasar Teori
Setiap zat cair mempunyai karakteristik yang khas, berbeda satu zat cair dengan zat cair yang lain. Oli mobil sebagai salah satu contoh zat cair dapat kita lihat lebih kental daripada minyak kelapa. Apa sebenarnya yang membedakan cairan itu kental atau tidak. Kekentalan atau viskositas dapat dibayangkan sebagai peristiwa gesekan antara satu bagian dan bagian yang lain dalam fluida. Dalam fluida yang kental kita perlu gaya untuk menggeser satu bagian fluida terhadap yang lain. Di dalam aliran kental kita dapat memandang persoalan tersebut seperti tegangan dan regangan pada benda padat. Kenyataannya setiap fluida baik gas maupun zat cair mempunyai sifat kekentalan karena partikel di dalamnya saling menumbuk. Bagaimana kita menyatakan sifat kekentalan tersebut secara kuantitatif atau dengan angka, sebelum membahas hal itu kita perlu mengetahui bagaimana cara membedakan zat yang kental dan kurang kental dengan cara kuantitatif. Salah satu alat yang digunakan untuk mengukur kekentalan
suatu
zat
cair
adalah
viskosimeter.
Apabila zat cair tidak kental maka koefesiennya sama dengan nol sedangkan pada zat cair kental bagian yang menempel dinding mempunyai kecepatan yang sama dengan dinding. Bagian yang menempel pada dinding luar dalam keadaan diam dan yang menempel pada dinding dalam akan bergerak bersama dinding tersebut. Lapisan zat cair antara kedua dinding bergerak dengan kecepatan yang berubah secara linier sampai V. Aliran ini disebut aliran laminer.
2
Aliran zat cair akan bersifat laminer apabila zat cairnya kental dan alirannya tidak terlalu cepat. Kita anggap gambar di atas sebagai aliran sebuah zat cair dalam pipa, sedangkan garis alirannya dianggap sejajar dengan dinding pipa. Karena adanya kekentalan zat cair yang ada dalam pipa, maka besarnya kecepatan gerak partikel yang terjadi pada penampang melintang tidak sama besar. Keadaan tersebut terjadi dikarenakan adanya gesekan antar molekul pada cairan kental tersebut, dan pada titik pusat pipa kecepatan yang terjadi maksimum.. Khusus untuk benda yang berbentuk ola dan bergerak dalam fluida yang sifat-sifatnya, gaya gesekan yang dialmi benda dapat dirumuskan sebagai berikut : F = -6πὴr.v Keterangan : F = gaya gesekan yang bekerja pada bola ὴ = koefisien kekentalan fluida V = kecepatan bola relative terhadap fluida Rumus di atas dikenal sebagai hukum stokes. Tanda minus menunjukkan arah gaya F yang berlawanan dengan kecepatan (V). pemakaian hukum stokes memerlukan beberapa syarat, yaitu : 1. Ruang tempat fluida tidak terbatas (ukurannya cukup luas dibandingkan dengan ukuran benda) 2. Tidak ada turbulensi didalam fluida 3. Kecepatan V tidak besar, sehingga aliran masih laminar Jika sebuah bola dengan rapat massa dan dilepaskan dari permukaan zat cair tanpa kecepatan awal, maka bola tersebut mula-mula akan bergerak di percepat. Dengan bertambahnya kecepatan bola, maka bertambah besar pula gaya gesekan pada bola tersebut. Pada akhirnya bola bergerak dengan kecepatan tetap, yaitu setelah terjadi keseimbangan antara gaya berat, gaya apung (Archimides) dan gayastokes. Pada persamaan ini berlaku persamaan : (
V= Keterangan :
3
rapat massa bola = rapat massa fluida (
V=
dapat di turunkan : T =
Keterangan : T = waktu yang diperlukan untuk menempuh jarak d d = jarak yang ditempuh
Hukum Stokes Di antara salah satu sifat zat cair adalah kental (viscous) di mana zat cair memiliki
koefisien kekentalan yang berbeda-beda, misalnya kekentalan minyak goreng berbeda dengan kekentalan olie. Dengan sifat ini zat cair banyak digunakan dalam dunia otomotif yaitu sebagai pelumas mesin. Telah diketahui bahwa pelumas yang dibutuhkan tiap-tiap tipe mesin membutuhkan kekentalan yang berbeda-beda. Sehingga sebelum menggunakan pelumas merek tertentu harus diperhatikan terlebih dahulu koefisien kekentalan pelumas sesuai atau tidak dengan tipe mesin. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui berapa koefisien kekentalan suatu fluida yang diukur dengan menggunakan regresi linear hukum Stokes. Sehingga data tersebut dapat digunakan sebagai bahan perbandingan untuk menentukan koefisien kekentalan zat cair yang dibutuhkan oleh tiap- tiap tipe mesin. Fluida yang digunakan adalah air, minyak goreng dan olie, Viskositas (kekentalan) berasal dari perkataan
Viscous
(Soedojo, 1986). Suatu
bahan apabila dipanaskan sebelum menjadi cair terlebih dulu menjadi
viscous
yaitu
menjadi lunak dan dapat mengalir pelan-pelan. Viskositas dapat dianggap sebagai gerakan di bagian dalam (internal) suatu fluida (Sears & Zemansky, 1982). Jika sebuah benda berbentuk bola dijatuhkan ke dalam fluida kental, misalnya kelereng dijatuhkan ke dalam kolam renang yang airnya cukup dalam, nampak mulamula kelereng bergerak dipercepat. Tetapi beberapa saat setelah menempuh jarak cukup jauh, nampak kelereng bergerak dengan kecepatan konstan (bergerak lurus beraturan). Ini berarti bahwa di samping gaya berat dan gaya apung zat cair masih ada gaya lain yang bekerja pada kelereng tersebut. Gaya ketiga ini adalah gaya gesekan yang disebabkan oleh kekentalan fluida.
Pada keadaan ini berlaku persamaan:
4
V=
(ρ – ρo)
Keterangan:
ρ = rapat massa bola ρo = rapat massa fluida
Jika saat kecepatan terminal telah tercapai, pada Gambar disamping berlaku prinsip Newton tentang GLB (gerak lurus beraturan): FA + FS = W
Jika ρb menyatakan rapat massa bola, ρf menyatakan volume bola, serta g gravitasi bumi, maka berlaku Persamaan: W = ρb.Vb.g
Gambar Gaya yang Bekerja Pada Saat Bola Dengan Kecepatan Tetap.
5
BAB II ALAT DAN BAHAN
2.1. Peralatan dan Bahan yang Digunakan
1) Tabung berisi zat cair 2) Bola-bola kecil dari zat padat 3) Mikrometer skrup 4) Jangka sorong 5) Mistar 6) Thermometer 7) Sendok saringan untuk mengambil bola-bola dari dasar tabung 8) Dua karet gelang yang melingkar 9) Stopwatch 10) Aerometer 11) Timbangan torsi dengan batu timbang
6
BAB III METODA KERJA
1.
Diukur diameter tiap-tiap bola memakai micrometer skrup. Dilakukan beberapa kali pengukuran untuk tiap bola.
2.
Ditimbang tiap-tiap bola dengan neraca torsi.
3.
Dicatat suhu zat cair sebelum dan sesudah tiap percobaan.
4.
Diukur rapat massa zat cair sebelum dan sesudah tiap percobaan dengan menggunakan aerometer.
5.
Ditempatkan karet gelang sehingga yang satu kira-kira 5 cm di bawah permukaan zat cair dan yang lain kira-kira 5 cm di atas dasar tabung.
6.
Diukurlah jarak jauh d (jarak kedua karet gelang).
7.
Dimasukkan sendok saringan sampai dasar tabung dan ditunggu beberapa saat sampai zat cair diam.
8.
Diukurlah waktu jatuh T untuk tiap-tiap bola beberapa kali.
9.
Diubahlah letak karet gelang sehingga didapatkan d yang lain.
10. Diulangi langkah 6, 7 dan 8.
7
BAB IV DATA PENGAMATAN DAN PERHITUNGAN
4.1. Data Pengamatan
Berdasarkan data percobaan dan perhitungan yang telah dilakukan tanggal 09 Desember 2011, maka dapat dilaporkan hasil sebagai berikut. o
C (%)
o
65 %
Keadaan ruangan
P (cm)Hg
T ( C)
Sebelum percobaan
74,65 Hg
31 C
Sesudah percobaan
74,7 Hg
30,5 C
No 1 2 3
Bola Kecil Sedang Besar
Massa (gr) 0,217 0,372 0,742
d (cm) 0,6 0,7 0,9
o
r (cm) 0,3 0,35 0,45
77 %
3
Vb (cm ) 0,113 0,178 0,385
a. Bola A (Besar) No 1 2 3
S (cm) 10 15 20
t (s) 1,23 2 2,55
V 8,13 7,5 7,48
η 5,79 6,28 6,01 6,02
t (s) 1,23 2 2,55
V 8,13 7,5 7,48
η 5,79 6,28 6,01 6,02
t (s) 1,23 2 2,55
V 8,13 7,5 7,48
η 5,79 6,28 6,01 6,02
̅ b. Bola B (Sedang) No 1 2 3
S (cm) 10 15 20
̅ c. Bola C (Kecil) No 1 2 3
S (cm) 10 15 20
̅
3
ρ (g/cm ) 1,920 2,089 1,927
8
4.2. Perhitungan Volume Bola
Massa Jenis Bola
1. Bola kecil
1. Bola kecil
ρb =
ρb =
Vb = π Vb = (3,14) ( Vb = 0,113 cm
3
2. Bola Sedang
3
ρb = 1,920 g/cm 2. Bola Sedang
ρb =
ρb =
Vb = π Vb = (3,14) ( Vb = 0,178 cm
3
3. Bola Besar
3
ρb = 2,089 g/cm 3. Bola Besar
ρb =
ρb =
Vb = π Vb = (3,14) ( Vb = 0,381 cm
1.
3
Bola Kecil
ρb = 1,917
3 g/cm
2. Bola Sedang
Kecepatan (v)
Kecepatan (v)
V = s/t
V = s/t
V1 =
V2 =
=
2,43 cm/s
V3 =
=
2,49 cm/s
= 2,32 cm/s
Koefisien Kekentalan:
V1 = V 2=
=5,46 cm/s
V3 =
= 6,05 cm/s
=
5,76 cm/s
Koef. Kekentalan:
ὴ1 =
ὴ1 =
ὴ1 =
ὴ1=
ὴ1 =
= 8,965
ὴ1 =
= 6,028
9
ὴ2 =
ὴ2 =
ὴ2 =
ὴ2 =
ὴ2
= 5,440
ὴ2 =
= 8,559
=
ὴ3 =
ὴ3 =
ὴ3 =
ὴ3 =
ὴ3 =
= 8,353
ὴ3 =
= 5,714
3. Bola Kecil Kecepatan (v)
V = s/t V1 =
=
V2 =
V3 =
=
8,13 cm/s
= 7,50 cm/s 7,48 cm/s
Koefisien Kekentalan:
ὴ1 =
ὴ2 =
ὴ1 =
ὴ2 =
ὴ1 =
= 5,906
ὴ3 =
ὴ3 =
ὴ3 =
= 6,419
ὴ2 =
= 6,402
10
BAB V PEMBAHASAN
Dari percobaan yang dilakukan sebanyak tiga kali dengan menggunakan ukuran bola yang berbeda diperoleh hasil yang berbeda pula, hal tersebut dipengaruhi pula oleh perubahan suhu. Apabila suhu semakin rendah maka koefisien kekentalan zatnya semakin tinggi dan sbalinkya, apabila suhu semakin tinggi maka koefisien kekentalan zat cairnya semakin rendah. Kekentalan zat cair juga mempengaruhi koefisiennya, sebab apabila zat cair itu mempunyai kekenhtalan yang besar maka koefisiennya akan rendah. Sedangkan apabila kekentalan zat cair itu kecil maka koefisiennya menjadi tinggi. Contohnya seperti kekentalan oli lebih besar dibandingkan dengan air, tetapi koefisiennya lebih besar air dari pada oli. Sebuah bola padat memiliki rapat massa dan berjari-jari r dijatuhkan tanpa kecepatan awal ke dalam fluida kental memiliki rapat massa ρ b, dimana ρb > ρf , telah diketahui bahwa bola mula-mula mendapat percepatan gravitasi, namun beberapa saat setelah bergerak cukup jauh bola akan bergerak dengan kecepatan konstan. Kecepatan yang tetap ini disebut kecepatan akhir v T. atau kecepatan terminal yaitu pada saat gaya berat bola sama dengan gaya apung ditambah gaya gesekan fluida (Soedojo, 1986).
11
BAB VI KESIMPULAN
Dari percobaan, pengamatan dan perhitungan yang telah dilakukan, maka dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut. 1)
Suhu berpengaruh pada kekentalan zat cair yaitu makin tinggi suhu maka akan semakin rendah koefisien kekntalan zat cairnya, dan sebaliknya.
2)
Koefisien Zat cair atau fluida dipengaruhi oleh kekentalannya, semakin kental zat cair semakin kecil koefisiennya, dan juga sebaliknya.
3)
Setiap zat cair mempunyai kekentalan dan koefisien yang berbeda.
12
LAMPIRAN
Tugas Akhir
1. Bagaimana memilih letak karet-karet gelang yang melingkari tabung? Apakah akibatnya jika terlalu dekat dengan permukaan. Apakah akibatnya jika terlalu dengan dasar tabung? 2. Buatlah grafik antara T dengan d (pakai least square) 3. Hitunglah harga berdasarkan grafik untuk tiap-tiap bola 4. Apakah pengaruh suhu terhadap kekentalan zat cair? Terangkan!
Jawaban:
1. Memilih letak karet-karet gelang pada tabung engan cara menyesuaikan jarak antara gelang dengan permukaan sama dengan jarak gelang dengan dasar tabung, jika jarak terlalu dekat dengan permukaan dan dasar tabung akan menyebabkan waktu yang ditempuh benda semakin lama daripada jarak yang lebih jauh dari permukaan dan dasar, hal ini juga berdampak pada koefisien kekentalan za cair yang semakin besar.
2. Grafik antara T dan d
Grafik antara T dan d Bola Kecil 10
Grafik antara T dan d Bola Sedang 4
3.47
8.01 8
3
6.17 6 4.3
2
2.48 1.83
4 1
2 0
0 10
15
20
10
15
20
13
Grafik antara T dan d Bola Besar 3
2.55
2.5 2 2 1.5
1.23
1 0.5 0 10
15
20
3. Harga berdasarkan grafik 1. Bola Kecil
2. Bola Sedang
Kecepatan (v)
Kecepatan (v)
V = s/t
V = s/t
V1 =
V2 =
=
2,43 cm/s
V3 =
=
2,49 cm/s
= 2,32 cm/s
Koefisien Kekentalan:
ὴ1 = ὴ1 =
= 8,965
ὴ2 = ὴ2 =
= 8,559
ὴ3 = ὴ3 =
= 8,353
V1 = V 2=
=5,46 cm/s
V3 =
= 6,05 cm/s
=
5,76 cm/s
Koef. Kekentalan:
ὴ1 = ὴ1 =
= 6,028
ὴ2 =
ὴ2
= 5,440
=
ὴ3 = ὴ3 =
= 5,714
14
3.Bola Kecil Kecepatan (v)
V = s/t V1 =
=
V2 =
V3 =
=
8,13 cm/s
= 7,50 cm/s 7,48 cm/s
Koefisien Kekentalan:
ὴ1 = ὴ1 =
= 5,906
ὴ2 = ὴ2 =
= 6,402
ὴ3 = ὴ3 =
= 6,419
4. Suhu sangat berpengaruh terhadap kekentalan zat cair. Semakin tinngi suhu maka semakin rendah nilai viskositasnya. Hal ini disebabkan gaya-gaya kohesi pada zat cair bila dipanaskan akan mengalami penurunan dengan semakin bertambahnya temperatur pada zat cair yang menyebabkan berturunnya viskositas dari zat cair tersebut. Oleh karena itu semakin tinggi suhu maka cairan semakin encer, karena kerapatan komponen penyusun zat cair semakin renggang. Suatu viskositas akan menjadi lebih tinggi jika suhu mengalami penurunan karena pada saat suhu di naikkan maka partikel-partikel penyusun zat tersebut bergerak secara acak sehingga kekentalan akan mengalami penurunan, dan jika suhu mengalami penurunan akan terjadi kenaikan viskositas karena partikel-partikel penyusun senyawa tersebut tidak mengalami gerakan sehingga gaya gesek yang bekerja juga semakin besar.
15
DAFTAR PUSTAKA
Alonso, Marcello & Edward J. Finn. 1980.
Dasar-Dasar Fisika Universitas .
Erlangga. Jakarta
2011. Buku Penuntun Praktikum Fisika Dasar . Universitas Pakuan. Bogor
Hilliday, David & Robert Resnick. 1985.
Tiper, Paul A. 1991.
Fisika . Erlangga. Jakarta
Fisika Untuk Sains dan Teknik . Erlangga. Jakarta
