KOEFISIEN KEKENTALAN ZAT CAIR
Al Irsyad, Irmawati Amir, Muhammad Rizal Fahlepy*), Novelita Tabita
Laboratorium Fisika Dasar Jurusan Fisika FMIPA
Universitas Negeri Makassar
Abstrak. Telah dilakukan praktikum koefisien kekentalan zat cair yang bertujuan untuk memahami bahwa gaya gesekan yang dialami benda yang bergerak dalam fluida berkaitan dengan kekentalan fluida tersebut dan untuk menentukan koefisien kekentalan zat cair dengan menggunakan Hukum Stokes. Dimana alat dan bahan yang digunakan adalah tabung stokes, jangka sorong, aurometer baume, neraca ohaus 311 g, gliserin dan 3 bola pejal dengan jari-jari yang berbeda. Koefisien kekentalan zat cair merupakan suatu koefisien yang dimiliki setiap zat cair. Jika suatu fluida memiliki kekentalan yang besar maka gaya gesek yang dialami oleh benda yang bergerak dalam fluida semakin besar pula. Pada praktikum ini dilakukan tiga kegiatan yang sama yakni mencari hubungan antara jarak tempuh dengan waktu tempuh, tapi menggunakan bola pejal dengan ukuran yang berbeda-beda. Untuk mengetahui hubungan tersebut maka dibuatkanlah sebuah grafik. Dari grafik diperoleh bahwa jarak tempuh bola berbanding lurus dengan waktu tempuh yang dialami bola. Perubahan jarak tempuh benda tidak berpengaruh pada koefisien viskositas zat cair. Pergerakan bola pejal dalam tabung stokes adalah laminer dan juga bergerak lurus bersaturan (GLB).
Kata kunci : Kekentalan, fluida, jarak, waktu, massa Jenis.
RUMUSAN MASALAH
- Apa pengaruh kekentalan fluida terhadap gaya gesekan yang dialami benda?
- Bagaimana cara menentukan koefisien kekentalan zat cair dengan menggunakan Hukum Stokes ?
TUJUAN
- Memahami bahwa gaya gesekan yang dialami benda yang bergerak dalam Fluida berkaitan dengan kekentalan Fluida tersebut.
- Menentukan koefisien kekentalan zat cair dengan menggunakan Hukum Stokes.
TEORI SINGKAT
Viskositas dapat dinyatakan sebagai ukuran dari resistensi fluida terhadap aliran. Viskositas merupakan ciri dari fluida real. Fluida ideal adalah fluida non viscous atau inviscous (tak kental). Stress geser (shear stress) ada bila fluida adalah kental. Zat cair yang kental, fluiditasnya rendah. Apabila cairan kental mengalir terhadap bidang padat maka terjadi perubahan kecepatan (dalam arah tegak lurus) terhadap arah aliran. Makin dekat lapisan terhadap bidang padat, kecepatan lapisan (v) semakin kecil; pada y = 0 maka v = 0. Jadi tiap lapisan bergeser terhadap yang lainnya, sehingga timbul gaya gesek atau gaya geseran. Menurut hipotesa Isaac Newton (1686) yang kemudian dibuktikan oleh N. P. Petrov (1883); regangan geser (shear strain ) tergantung pada jenis fluida dan juga jenis aliran. Viskositas zat cair sangat dipengaruhi oleh oleh temperatur; berkurang bila temperature semakin tinggi.
Setiap benda yang bergerak pada permukaan padat yang kasar akan mengalami gaya gesekan. Analog dengan hal itu, maka benda yang bergerak dalam zat cair yang kental akan mengalami gaya gesekan yang disebabkan oleh kekentalan zat cair itu. Bedanya adalah gaya gesekan pada benda yang bergerak dalam zat cair kental bergantung pada kecepatan benda. Menurut hukum Stokes, gaya gesekan yang dialami oleh sebuah bola pejal yang bergerak dalam zat cair yang kental adalah :
Fs = -6 π η r v
dengan, Fs = Gaya gesekan zat cair (kg.m.s^2)
η = koefisien kekentalan zat cair (N.m^2.s atau kg/m)
r = jari-jari bola pejal (m)
v = kecepatan gerak benda dalam zat cair
Sebuah bola bergerak di dalam sebuah fluida, maka selain gaya gesekan zat cair dengan bola, ada gaya lain yang bekerja yaitu gaya berat dan gaya Archimedes. Dengan demikian, maka pada sebuah bola pejal yang bergerak dalam zat cair yang kental akan mengalami ketiga gaya tersebut atau :
Bila bola pejal telah mencapai kecepatan tetap, maka resultan gaya tersebut akan sama dengan nol, sehingga benda bergerak lurus beraturan. Besar kecepatannya pada keadaan itu adalah :
Dengan, g = percepatan gravitasi (ms-2)
rho = massa jenis bola pejal (kg.m-3)
rho o = massa jenis zat cair (kg.m-3)
Bila selama bergerak lurus beraturan bola memerlukan waktu selama t untuk bergerak sejauh y, maka persamaannya :
dimana y adalah jarak yang ditempuh bola mulai saat bergerak dengan kecepatan konstan hingga berhenti, dan t adalah waktu yang ditempunhya.
METODE
Alat dan Bahan
1. Alat
a. Tabung Stokes : 1 buah
b. Jangka Sorong : 1 buah
c. Neraca Ohauss 311 gram : 1 buah
d. Stopwatch : 1 buah
e. Aerometer Baume : 1 buah
2. Bahan
a. Gliserin
b. Bola pejal tiga buah (dengan bahan yang sama dengan jari-jari yang berbeda)
IdentifikasiVariabel
1. Variabel manipulasi : Jarak (cm)
2. Variabel control : Massa Jenis (kg/m3)
3. Variabel respon : Waktu (s)
Definisi Operasional Variabel
1. Variabel manipulasi : Jarak (cm)
Jarak yang dimaksud adalah jarak antar dua tali yang diikat pada tabung stokes, dimana merupakan jarak yang harus ditempuh bola dengan satuan cm. Jarak merupakan variabel bebas karena pada percobaan ini jarak anatar dua tali akan diubah- ubah sebanyak enam kali. Mulai dari jarak 20 cm, 25 cm, 30 cm, 35 cm, 40 cm, dan 45 cm. Jika jarak antar dua tali ini diubah, maka akan mempengaruhi variabel lain yaitu waktu tempuh.
2. Variabel kontrol : Massa jenis zat cair (kg/m3)
Massa jenis zat cair (gliserin) diperoleh dengan mengukurnya menggunakan Aerometer Baume dengan satuan kg/m3. Massa jenis gliserin menjadi variabel kontrol karena dalam percobaan ini zat cair yang digunakan tetap yaitu gliserin. Jika gliserin yang digunakan tetap, maka massa jenisnya akan tetap pula. Variabel ini tidak mempengaruhi dan tidak dipengaruhi oleh variabel lain.
3. Variabel respon : Waktu tempuh (s)
Waktu adalah selang waktu yang diperlukan bola dalam menempuh jarak dari tali pertama ke tali kedua dengan satuan sekon. Waktu menjadi variabel terikat karena dalam percobaan ini waktu tempuh menjadi variabel yang dipengaruhi variabel lain. Jika jarak yang harus ditempuh bola berubah maka waktu tempuh pun akan ikut berubah.
Prosedur Kerja
Sebelum melakukan pengukuran dan mengambil data, memastikan bahwa alat-alat yang akan digunakan dalam keadaan baik dan sudah lengkap.
- Mengukur diameter masing – maisng bola dengan menggunakan jangka sorong, dan menimbang bola dengan menggunakan neraca Ohauss 310 gram.
- Menyiapkan tabung gelas dan menempatkan sendok saringan pada tabung, kemudian mengisi tabung fluida ( gliserin ) hingga hampir penuh
- Mengukur massa jenis gliserin dengan menggunakan Aerometer Baume. Melilitkan tali pertama sekitar 10 cm dibawah permukaan tabung. Kemudian tali kedua yang dapat diatur – atur dibawah tali pertama.
- Mengatur tali kedua sehingga jaraknya dengan tali pertama sejauh 20 cm.
- Mengambil satu bola, dan menempatkan bola tepat diatas permukaan gliserin, kemudian lepaskan. Selanjutnya mengukur waktu yang ditempuh bola pejal tersebut dari tali kedua ke tali pertama. Masing – masing sebanyak tiga kali untuk satu jarak.
- Mencatat hasil pengamatan pada tabel pengamatan yang telah tersedia. Kemudian mengulangi percobaan dari kegiatan 1 sampai 5 untuk jarak kedua tali sejauh 25 cm, 30 cm, 35 cm, 40 cm, dan 45 cm.
- Mengulangi kegiatan dengan menggunakan bola yang lain.
HASIL EKSPERIMEN DAN ANALISIS DATA
Hasil Pengamatan
Bola 1
Massa jenis Gliserin : | 1,26 0,005 | 10-3 kg/m3
Massa Bola 1 : | 19,800 ± 0,005 | 10-3 kg
Diameter Bola 1 : | 2,575 ± 0,005 | 10-3m
Table 1. Hubungan jarak dan waktu tempuh untuk bola 1
Bola 2
Massa jenis Gliserin : | 1,260 ± 0,005 |10-3 kg/cm3
Massa Bola 2 : | 5,670 ± 0,005 | 10-3 kg
Diameter Bola 2 : | 1,700 ± 0,05 | 10-3m
Table 2. Hubungan jarak dan waktu tempuh untuk bola 2
Bola 2
Massa jenis Gliserin : | 1,260 ± 0,005 |10-3 kg/cm3
Massa Bola 2 : | 5,670 ± 0,005 | 10-3 kg
Diameter Bola 2 : | 1,700 ± 0,05 | 10-3m
Table 2. Hubungan jarak dan waktu tempuh untuk bola 2
Bola 3
Massa jenis Gliserin : | 1,260 ± 0,005 |10-3 kg/cm3
Massa Bola 3 : | 1,880 ± 0,005 | 10-3 kg
Diameter Bola 3 : | 1,205 ± 0,05 | 10-3m
Table 3. Hubungan jarak dan waktu tempuh untuk bola 2
Analisis Data
Untuk analisis data pengukuran dan ketidakpastian praktikum sistem kesetimbangan gaya silahkan mendownloadnya disini PDF WORD
PEMBAHASAN
Pada praktikum koefisien kekentalan zat cair ini, dilakukan tiga kegiatan untuk untuk mendapatkan hubungan antara jarak tempuh dengan waktu tempuh menggunakan bola pejal yang berbeda dengan diameter masing-masing bola yaitu 2,575 cm , 1,700 cm , dan 1,209 cm diukur menggunakan jangka sorong. Proses pengambilan data dari masing-masing kegiatan ini dilakukan sebanyak 6 kali dengan menggunakan jarak tempuh yaitu 10 cm, 20 cm, 30 cm, 40 cm, 50 cm, 60 cm. Setiap jarak tempuh diulangi sebanyak tiga kali.
Pada kegiatan pertama diperoleh massa jenis gliserin = 1,26 gr/cm^3, massa bola 1 = 19,80 gram, dan diameternya = 2,575 cm. Setelah melakukan pengamatan secara berulang yaitu 3 kali pada masing-masing jarak tempuh yang diujikan, melalui hasil analisis grafik diperoleh kecepatan bola pejal pertama sebesar 0,22 m/s. Dibandingkan dengan besar kecepatan bola melalui grafik (nilai m) yakni sebesar 0,225. Massa jenis bola pejal sebesar 2,583 gram/cm3, dan diperoleh nilai η sebesar 0,457 N/m^2s.
Pada kegiatan kedua menggunakan massa jenis gliserin = 1,25 gr/cm^3, massa bola = 3,85 gram, dan diameter bola = 1,638 cm. Setelah melakukan pengamatan secara berulang yakni 3 kali pada masing-masing jarak tempuh yang diujikan, melalui hasil analisis grafik diperoleh kecepatan bola pejal kedua sebesar 0,265 m/s. Dibandingkan dengan besar kecepatan bola melalui grafik (nilai m) yakni sebesar 0,262 dan mendekati nilai kecepatan hasil perhitungan manual. Massa jenis bola pejal sebesar 1,674 gram/cm3. Dan di peroleh nilai η sebesar 0,234 N/m^2s .
Pada kegiatan ketiga menggunakan massa jenis gliserin = 1,27 gr/cm^3, massa bola = 2,158 gram, dan diameter bola = 2,550 cm. Setelah melakukan pengamatan secara berulang yakni 3 kali pada masing-masing jarak tempuh yang diujikan, melalui analisis grafik diperoleh kecepatan bola pejal ketiga sebesar 0,310 m/s. Dibandingkan dengan besar kecepatan bola melalui grafik (nilai m) yakni sebesar 0,314 dan mendekati nilai kecepatan hasil perhitungan manual. Massa jenis bola pejal sebesar 2,487 gram/cm3. Dan di peroleh nilai η sebesar 1,413 N/m^2s.
Dari praktikum yang dilakukan, dapat diamati bahwa setiap bola memiliki kecepatan yang berbeda-beda. Perbedaan kecepatan bola tersebut membuktikan bahwa kecepatan bola untuk melewati lintasan bergantung pada diameter dan massa bola pejal. Semakin besar diameter bola pejal maka kecepatannya pun semakin berkurang (lambat) hal ini dikarenakan luas penampangnya (bidang tekan) terhadap zat cair besar sehingga gaya gesek dan gaya angkat ke atasnya (archimedes) semakin besar pula sehingga menghambat pergerakan bola turun ke dasar tabung (bergerak dalam zat cair). Koefisien kekentalan zat cair berpengaruh terhadap pergerakan bola didalam zat cair. Dari hasil analisis grafik diperoleh bahwa jarak tempuh berbanding lurus dengan waktu tempuh. Semakin besar jarak yang ditempuh maka semakin besar pula waktu tempunhya.
Dari data koefisien kekentalan zat cair, dapat dikatakan bahwa pada praktikum kali ini terdapat kesalahan karena hasil nilai η yang didapat pada setiap bola tidak sama, meskipun selisihnya tidak jauh berbeda. Sedangkan menurut teori seharusnya sama setiap bola karena η merupakan koefisien zat cair itu sendiri. Seharusnya, karena zat cair yang digunakan sama, nilai η yang diperoleh dari ketiga kegiatan juga harusnya sama.
KESIMPULAN
Gaya gesekan yang dialami benda yang bergerak dalam Fluida berkaitan dengan kekentalan fluida tersebut, selain itu pergerakan benda dalam fluida dipengaruhi juga oleh Gaya Archimedes dan Gaya Berat. Dari hasil percobaan diketahui bahwa jarak yang ditempuh oleh bola pejal berbanding lurus dengan waktu yang diperlukan untuk menempuh jarak tersebut. Namun, yang mempengaruhi waktu tempuhnya juga adalah diameter bola pejal, dimana semakin besar diameter bola pejal, semakin besar juga kecepatannya, jan waktu tempuhnya semakin kecil.
DAFTAR RUJUKAN
Halliday, Resnick, Walker. 2010. Fisika Dasar Jilid 1. Ciracas: Erlangga
Herman, asisten LFD. 2014. Penuntun Praktikum Fisika Dasar 1. Makassar: Unit Laboratorium Fisika Dasar Jurusan Fisika FMIPA UNM
Serway, Jewett. 2009. Fisika untuk Sains dan Teknik. Jagakarsa, Jakarta : Salemba
Teknika