Kekentalan (Viskositas) Dan Fluida

Fluida 

Fluida adalah zat yang dapat mengalir, baik dalam bentuk cairan maupun gas. Fluida dapat mengalami perubahan bentuk secara terus-menerus apabila mendapat tekanan atau tegangan.

Fluida terbagi menjadi tiga, yaitu :

- Fluida Statis adalah fluida yang berada dalam fase diam, sehingga tidak terlihat perbedaan kecepatan antara partikel-partikel dalam fluida.

- Fluida Dinamis adalah fluida yang memiliki partikel-partikel yang bergerak. Fluida dinamis bergantung pada persamaan kontinuitas dan hukum Bernoulli.

- Fluida Sejati adalah fluida yang memiliki koefisien viskositas, dapat dimampatkan dan alirannya tidak sejajar.

Berdasarkan gaya yang bekerja, aliran fluida terbagi menjadi dua, yaitu :

1. Fluida Non-Newtonian adalah fluida yang mengalami viskositas apabila terjadi gaya yang bekerja pada fluida tersebut.

2. Fluida Newtonian adalah fluida yang tidak mengalami perubahan viskositas Apabila terjadi gaya yang bekerja pada fluida tersebut. Pada fluida Newtonian terjadi tegangan atau regangan yang linier. Air termasuk fluida Newtonian.

Berdasarkan densitas (massa jenis), aliran fluida terbagi dua, yaitu :

1. Aliran Tak Termampatkan adalah aliran yang tidak mengalami perubahan kerapatan massa jenis di sepanjang aliran fluida. Contohnya, air pada kecepatan rendah.

2. Aliran Termampatkan adalah aliran yang mengalami perubahan kerapatan massa jenis di sepanjang aliran fluida karena perubahan tekanan.

Berdasarkan sifatnya, aliran fluida terbagi menjadi dua, yaitu:

1. Aliran Tunak adalah aliran yang tidak memiliki gesekan. Aliran tunak tidak mengalami perubahan pada kecepatan, tekanan dan massa jenis pada titik tertentu dalam sistem. 

2. Aliran Tak Tunak adalah aliran yang seiring waktu mengalami perubahan pada kecepatan, tekanan dan massa jenis.

Berdasarkan gerakannya, aliran fluida terbagi menjadi dua, yaitu:

1. Aliran Laminer adalah aliran sebuah paket fluida yang bergerak teratur dan sejajar dengan paket fluida di sebelahnya, sehingga aliran terlihat berlapis. Aliran laminer termasuk aliran ideal dengan kecepatan rendah. Contohnya, aliran air yang tenang dan aliran air pada kran.

2. Aliran Turbulen adalah aliran sebuah paket fluida yang bergerak tidak teratur dengan paket fluida di sebelahnya dan setiap paket fluida memiliki jalur yang berlawanan arah. Contohnya, aliran sungai.

Ciri-ciri fluida ideal :

- Laju alirannya tetap pada setiap waktu atau bergantung pada waktu.

- Tidak kental.

- Tidak termampatkan. Volume dan massa jenisnya tetap meskipun mendapat tekanan.

- Alirannya tidak terjadi turbulensi.

Suspensi adalah campuran fluida yang mengandung partikel padat yang dapat mengalami sedimentasi (proses pengendapan melalui media air, angin, es atau gletser) karena ukuran partikel padatnya lebih besar daripada ukuran fluidanya.

Contoh suspensi :

- Padatan pada gas aerosol. Aerosol disebut juga abu atau partikulat.

- Lumpur.

-Tepung

- Kabut.

- Cat.

- Debu, baik debu kapur maupun debu kotoran.

- Campuran pasir dan air.

Viskositas 

Viskositas adalah proses pengukuran ketahanan/kekentalan fluida dengan tekanan atau tegangan tertentu. Viskositas menyatakan besar kecilnya gesekan dalam fluida. 

Semakin rendah viskositas suatu fluida, maka semakin besar pergerakan dari fluida tersebut. Air atau lava memiliki viskositas lebih rendah, sedangkan madu dan magma memiliki viskositas lebih tinggi.

Dalam zat cair, viskositas dihasilkan dari gaya kohesi antara molekul zat cair. Gaya kohesi adalah gaya tarik menarik antara molekul yang sama karena dipengaruhi oleh kerapatan dan jarak antara molekul dalam suatu benda. Gaya kohesi yang paling kuat dihasilkan oleh partikel zat cair.

Dalam zat gas, viskositas dihasilkan dari tumbukan antara molekul gas.

Nilai viskositas bergantung pada suhu, luas penampang dan jenis fluida.

Apabila suhu naik, maka koefisien viskositas zat cair akan turun atau zat cair semakin kental, sedangkan koefisien viskositas zat gas akan naik.

Apabila suhu turun, maka koefisien viskositas zat cair akan naik atau zat cair akan semakin encer, sedangkan koefisien viskositas zat gas akan turun.

Alat untuk mengukur Viskositas suatu fluida disebut viskometer.

Rumus :

η = k x P x D

                   v

Keterangan :

η = koefisien viskositas (satuan Ns/m²)

k = konstanta

P = tekanan (satuan N/m²)

D = diameter (cm atau m)

v = kelajuan (satuan m/s)

* rumus diameter adalah D = 2r

Benda yang bergerak dalam fluida kental akan mengalami gaya gesekan yang lebih besar.

Rumus :

F = η A (v)

              ℓ

Keterangan :

F = gaya gesekan (satuan N)

η = koefisien viskositas (satuan Ns/m²)

A = luas permukaan (satuan m²)

v = kelajuan (satuan m/s)

ℓ = jarak antara dua keping (satuan m)

Hukum Stokes

Hukum Stokes menyatakan bahwa jika sebuah bola bergerak dalam suatu fluida yang diam, maka akan terjadi gaya gesekan yang berlawanan dengan arah gerak bola tersebut.

Rumus gaya gesekan berdasarkan hukum Stokes (Fs) :

Fs = k η v

Keterangan :

Fs = gaya gesekan Stokes (satuan N)

k  = konstanta

η  = koefisien viskositas (satuan Ns/m²)

r   = jari-jari bola (satuan m)→ jika satuan yang diketahui bukan m, maka dijadikan m terlebih dahulu.

v  = kelajuan bola (satuan m/s)

Pada nilai konstanta berlaku rumus :
k = 6 π r

Nilai π = 22/7 atau 3,14

Hukum Bernoulli

Hukum Bernoulli menyatakan bahwa tekanan fluida yang bergerak akan berkurang ketika fluida bergerak lebih cepat. 

Apabila terdapat suatu benda dalam sebuah aliran, benda tersebut akan mengarah ke bawah karena kelakuan udara di bawah benda lebih besar daripada kelakuan di atas benda. Oleh karena itu, tekanan udara di atas benda lebih besar daripada tekanan udara di bawah benda.

Apabila terdapat lubang pada suatu wadah, maka tekanan pada permukaan lubang sama dengan tekanan atmosfer.

Fluida Dinamis

Rumus Persamaan Kontinuitas :

Q₁ = Q₂  atau A₁. v₁ = A₂. v₂

* Nilai Q didapat dari A dikali V atau Q = A.v

   Nilai A didapat dari π.r²

  

Keterangan :

Q₁ = debit fluida yang masuk (satuan m³/s)

Q₂ = debit fluida yang keluar (satuan m³/s)

A₁ = luas penampang 1 (satuan satuan m²)

A₂ = luas penampang 2 (satuan satuan m²)

v₁ = kecepatan fluida yang masuk (m/s)

v₂ = kecepatan fluida yang keluar (m/s)

Contoh :

Air yang mengalir keluar dari sebuah pipa memiliki debit 4 cm³/s. Tentukan kecepatan air pada suatu titik dalam pipa dengan diameter 0,6 cm.

Jawab :

Karena ukuran pipa yang diketahui adalah diameternya, maka terlebih dahulu mencari ukuran jari-jari pipa dengan rumus :

D = 2r

r = D/2 = 0,6/2 = 0,3

Maka,

Q = A. v

    = π.r². v

4  = 3,14. (0,3)². v

4  = 3,14. 0,09. v

4  = 0,2826. v

v = 4/0,2826

    = 14,15 cm/s

Rumus Hukum Bernoulli :

P₁ + ½ ρv₁² + ρgh₁ = P₂ + ½ ρv ₂² + ρgh₂

Keterangan:

P₁ = tekanan pada permukaan 1 (satuan N/m²)

P₂ = tekanan pada permukaan 2 (satuan N/m²)

ρ = massa jenis fluida (satuan kg/m³ atau g/cm³)

v₁ = kecepatan aliran fluida pada permukaan 1 (satuan m/s)

v₂ = kecepatan aliran fluida pada permukaan 2 (satuan m/s)

g = percepatan gravitasi (satuan m/s²)

h₁ = ketinggian permukaan 1 (satuan m)

h₂ = ketinggian permukaan 2 (satuan m)

* umumnya nilai h₁ adalah 0 karena sebagai titik acuan bawah.

Contoh :

Ujung pipa bawah pada pompa air memiliki jari-jari 5 cm dan berada pada kedalaman 3 meter di bawah permukaan tanah. Pipa tersebut disambung dengan pipa yang memiliki jari-jari 2 cm untuk mengisi bak mandi setinggi 3 meter di atas permukaan tanah. 

Jika tekanan air pada ujung pipa bawah sebesar 10000 Pa, percepatan gravitasi 10 m/s², massa jenis air 1000 kg/m³ dan aliran air memiliki kecepatan 0,2 m/s, hitunglah :

a. Kecepatan keluarnya air dari ujung pipa

b. Tekanan air pada ujung pipa

Jawab :

Satuan jari-jari dari cm diganti menjadi m (dibagi 100) terlebih dahulu karena satuan dari v adalah m/s .

a. Kecepatan keluarnya air dari ujung pipa

A₁.v₁ = A₂. v₂

π.r². v₁ = π.r². v₂

3,14. (0,05)².0,2 = 3,14. (0,02)². v₂

0,00157  = 0,001256 . v₂

v₂    = 0,001256/0,00157 = 0,8 m/s

b. Tekanan air pada ujung pipa

P₁ + ½ ρv₁² + ρgh₁ = P₂ + ½ ρv₂² + ρgh₂

10000 + ½ . 1000 . (0,2)² +1000.10. 0 = P₂ + ½ 1000. (0,8)² + 1000.10.3

10000 + 500.0,04+0 = P₂ + 500.0,64 + 30000

10000 + 200 + 0 = P₂ + 320 + 30000

10200 = P₂ + 30320

P₂ = 30320 – 10200 = 20120 Pa

*massa jenis air dalam satuan kg/m³ adalah 1000. Di bawah ini terdapat tabel untuk massa jenis berbagai jenis bahan.  

Fluida Statis

Berikut ini tabel untuk massa jenis berbagai jenis bahan/ fluida :

Bahan	Massa Jenis (g/cm3)	Bahan	Massa Jenis (g/cm3)
Air	1,00	Emas	19,3
Raksa	13,6	Perak	10,5
Aluminium	2,7	Platina	21,4
Baja	7,8	Kuningan	8,6
Gliserin	1,26	Tembaga	8,9
Benzena	0,9	Es	0,92
Besi	7,8	Etil Alkohol	0,81
Timah Hitam	11,3

* jika satuan yang dibutuhkan kg/m³, maka dikali 1000.

Rumus massa jenis :

ρ = m

       V

Keterangan :

ρ = massa jenis (satuan kg/m³ atau g/cm³)

m = massa (satuan kg atau g)

V = volume (satuan m³ atau cm³)

* Nilai V didapat dari π.r². t

Keterangan :

r = jari-jari

t = tinggi

Rumus gaya berat :

W = m.g

Keterangan :

W = gaya berat ( ke arah bawah) (satuan N)

m = massa (satuan kg atau g)

g = percepatan gravitasi (satuan m/s²)

Contoh :

Sebuah tabung dengan diameter 5 cm dan tinggi 15 cm memiliki massa jenis 1,8 x 10³ kg/m³. Tentukan massa dan berat dari tabung tersebut jika g = 10 m/s²

Jawab :

r  = D/2 = 5/2 = 2,5

Cari terlebih dahulu volume tabung

V = π.r². t

    = 3,14 . (2,5)². 15 
    = 294,375 cm^3 atau 294375 x 10^-6 m³

Maka,

ρ = m

       V

1,8 x 10 ³ = m/294,375

1,8 x 10 ³ = m/294375 x 10^-6

m =  1800 /0,294375

    = 6114,64 g

Dan,

W = m.g

    = 6114,64 . 10 = 61146,4 N

* jika pada pangkat terdapat tanda minus, maka berarti dibagi. Jika tidak ada tanda minus berarti dikali. Jumlah angka 0 di belakang tanda koma harus selisih satu dari angka yang ditunjukkan pada pangkat. Misalnya seperti di atas -6 berarti 0,000001.

Tekanan Hidrostatis

Tekanan hidrostatis hanya berlaku pada zat cair yang tidak bergerak atau fluida statis. 

Tekanan hidrostatis menyebabkan suatu benda padat yang terbenam dalam fluida mengalami gaya apung. Besar gaya apung pada benda tersebut sama dengan besar gaya fluida yang dipindahkan. 

Apabila fluida berkurang, maka gaya apung juga akan berkurang.

Rumus tekanan hidrostatis :

P = F/ A

atau

P = ρ. g. h 

Keterangan :

P = tekanan hidrostatis (N/m²)

F  = gaya gesekan (N)

A = luas permukaan (m²)

ρ = massa jenis (satuan kg/m³ atau g/cm³)

g = percepatan gravitasi (satuan m/s²)

h = ketinggian/kedalaman titik dari permukaan fluida (satuan m)

Apabila tekanan atmosfer pada permukaan zat cair (P0) tidak diabaikan, maka berlaku rumus :

P = P0 + ρ. g. h

Rumus kecepatan semburan air :

V = √2 g h

Rumus jarak yang dicapai oleh semburan air :

X = 2√h. h₂

Rumus waktu yang dibutuhkan untuk semburan air mencapai tanah :

t = √2 h

         g

Kecepatan Terminal

Apabila sebuah benda dijatuhkan ke dalam sebuah fluida kental, maka percepatan benda tersebut akan sama dengan percepatan gravitasi. 

Apabila dijatuhkan sebuah benda lagi ke dalam sebuah fluida kental, maka  jarak antara benda pertama dengan benda kedua dalam selang waktu yang sama akan semakin besar, hingga mencapai kecepatan tertentu dan selanjutnya kecepatan tersebut akan bergerak secara konstan.

Rumus :

Vt = [2/9] [r².g/η][ρ_b – ρ_f]

Keterangan :

Vt = kecepatan terminal (satuan m/s)

r = jari-jari bola (satuan m)

g = percepatan gravitasi (m/s²)

η = koefisien viskositas (satuan kg/ms atau kg m^-1 s^-1)

ρ_b = massa jenis benda (kg/m³ atau kg m^-3)

ρ_f = massa jenis fluida (kg/m³ atau kg m^-3)

* rumus untuk mencari massa jenis benda dan massa jenis fluida sama, yaitu   
ρ = m/v. Apabila bahan fluida terdapat pada tabel di atas, maka kamu bisa menggunakan angka di dalam tabel itu.