- aliran fluida bersifat tidak tunak (non steady), yaitu kecepatan disuatu titik tidak konstan terhadap waktu atau dengan kata lain alirannya tidak stasioner (turbulen).
- fluida kental (viscous), artinya gesekan antar partikel fluida dan antara partikel fluida dengan dinding tabung tidak dapat diabaikan.
- fluida termampatkan (compressible), artinya ketika mendapat tekanan, volume dan massa jenisnya berubah.
1. Kekentalan (Viskositas)
Fluida sesungguhnya mempunyai gesekan internal yang disebut sebagai kekentalan (viskositas). Kekentalan pada dasarnya merupakan gaya gesek antar lapisan fluida yang berdekatan ketika bergerak relatif satu sama lain.
Kekentalan suatu cairan disebabkan oleh gaya kohesi antara molekul-molekulnya. Kekentalan gas berasal dari tumbukan-tumbukan di antara molekul-molekul tersebut.
Gaya gesek akibat kekentalan dalam fluida berfungsi untuk menghambat gerak benda yang ada di dalamnya.
Contohnya : gerak aliran madu. Madu merupakan cairan kental, di mana molekul-molekulnya selalu merapat ketika dialirkan. Akibatnya cairan tersebut bergerak dengan lambat.
Pada gambar percobaan pertama cairan dalam gelas mempunyai viskositas tinggi, sehingga aliran zat cair ketika ditumpahkan lambat. Sedangkan gambar pada percobaan kedua, zat cair tersebut mempunyai viskositas yang rendah.
Berdasarkan percobaan diperoleh bahwa gaya viskositas pada selembar papan yang bergerak di dalam fluida :
a. sebanding dengan kecepatan keping (v);
b. sebanding dengan luas bidang keping (A)
c. berbanding terbalik dengan jarak antara dua keping (l)
Secara matematis gaya viskositas dapat dirumuskan sebagai berikut :
F = η (Av/l)
Keterangan :
F gaya viskositas (N)
h Ns/m2 )
v kecepatan fluida
(m/s)
l jarak antara dua keeping (m)
Berdasarkan percobaan juga diperoleh bahwa koeffisien viskositas tergantung pada suhu. Pada sebagaian besar fluida, semakin tinggi suhu, semakin rendah koeffisien viskositasnya. Itu sebabnya, pada musim dingin oli mesin menjadi lebih kentalsehingga kadang-kadang mesin sulit dihidupkan.
2. Hukum Stokes
Sebuah benda yang bergerak dengan kecepatan tertentu dalam fluida kental akan dihambat oleh gaya gesek fluida (gaya viskositas). Besarnya gaya gesek fluida yang menghambat benda tersebut adalah
Berdasarkan percobaan juga diperoleh bahwa koeffisien viskositas tergantung pada suhu. Pada sebagaian besar fluida, semakin tinggi suhu, semakin rendah koeffisien viskositasnya. Itu sebabnya, pada musim dingin oli mesin menjadi lebih kentalsehingga kadang-kadang mesin sulit dihidupkan.
2. Hukum Stokes
Sebuah benda yang bergerak dengan kecepatan tertentu dalam fluida kental akan dihambat oleh gaya gesek fluida (gaya viskositas). Besarnya gaya gesek fluida yang menghambat benda tersebut adalah
F = k ηv
dengan k menyatakan koeffisien yang besarnnya tergantung pada bentuk geometri benda. Untuk benda yang berbentuk bola dengan jari jari r, Stokes berhasil menemukan hubungan besarnya gaya yang
diterima oleh sebuah bola yang bergerak dalam fluida yang dirumuskan
Fs = 6 π η r v
Fs = 6 π η r v
Fs = gaya hambatan (N)
η = koefisien viskositas (kg m-1 s-1)
r = jari-jari bola (m)
π = 22/7 atau 3,14
v = laju relatif benda terhadap fluida.
η = koefisien viskositas (kg m-1 s-1)
r = jari-jari bola (m)
π = 22/7 atau 3,14
v = laju relatif benda terhadap fluida.
Rumus di atas kemudian dikenal dengan “Hukum Stokes”
3. Kecepatan Terminal.
Sebutir kelereng dijatuhkan bebas dalam fluida kental. Jika hanya ada gaya grafitasi yang bekerja pada kelereng tersebut, maka kelereng akan bergerak dengan percepatan sama dengan percepatan grafitasi bumi g. Ini berarti jarak antara dua kedudukan kelereng dalam waktu yang sama haruslah makin besar.
Dari hasil percobaan tersebut dapat disimpulkan bahwa sesuatu benda yang dijatuhkan bebas dalam suatu fluida kental kecepatannya semakin besar sampai mencapai suatu kecepatan tertentu, selanjutnya bergerak dengan kecepatan tersebut secara konstan. Kecepatan itu adalah kecepatan terbesar benda tersebut yang disebut kecepatan terminal.
Dalam peristiwa benda dijatuhkan dalam fluida terlibat
beberapa gaya diantaranya gaya gesek fluida (hukum stokes), gaya berat, dan
gaya tekan ke atas dengan rumus masing-masing gaya
1. Gaya Berat : W = m.g (arah ke bawah)
2. Gaya tekan ke atas oleh air : Fa = ρ.g.h
3. Gaya hambatan oleh fluida (hukum stokes) : Fs = 6 π η r v
2. Gaya tekan ke atas oleh air : Fa = ρ.g.h
3. Gaya hambatan oleh fluida (hukum stokes) : Fs = 6 π η r v
W – Fs – Fa = 0
Kecepatan terminal dirumuskan
Vt = [2/9] . [r2.g/η] (ρb – ρf)
Vt = Kecepatan terminal (m/s)
r = jari-jari bola (m)
g = gravitasi (m s-2)
η = koefisien viskositas (kg m-1 s-1)
ρb = massa jenis benda (kg m-3)
ρf = massa jenis fluida (kg m-3)
r = jari-jari bola (m)
g = gravitasi (m s-2)
η = koefisien viskositas (kg m-1 s-1)
ρb = massa jenis benda (kg m-3)
ρf = massa jenis fluida (kg m-3)
Contoh Soal
Kecepatan maksimum dari tetes air hujan yang berjari-jari
0,5 mm yang jatuh di udara (ρ udara = 1,29 kg m-3) dengan koefisien
viskositas = 1,8 x 10-5 kg/ms dan g = 9,8 m/s2 adalah?
Jawab
diketahui
r = 0,5 mm = 5 x 10-4 m
ρf = ρudara = 1,29 kg m-3
ρb = ρair = 1000 kg/m3
ρf = 1,8 x 10-5 kg/ms
diketahui
r = 0,5 mm = 5 x 10-4 m
ρf = ρudara = 1,29 kg m-3
ρb = ρair = 1000 kg/m3
ρf = 1,8 x 10-5 kg/ms
ditanya kecepatan terminal (Vt) = …?
jawab :
Vt = [2/9]. [(5 x 10-4)2/1,8 x 10-5] (1.000 – 1,29) = 18,12 m/s
Vt = [2/9]. [(5 x 10-4)2/1,8 x 10-5] (1.000 – 1,29) = 18,12 m/s
MATERI FLUIDA :
- FLUIDA BERGERAK (MENGALIR)
- FLUIDA SEJATI
- FLUIDA TAK BERGERAK (STATIS)
- Hukum Pascal dan Hukum Archimedes
- TEGANGAN PERMUKAAN, SUDUT KONTAK DAN KAPILARITAS
- soal fluida
Sumber :
FISIKA kelas XI untuk SMA/MA, Goris Seran Doris, Penerbit Grasindo, 2007
(http://rumushitung.com/2013/11/09/hukum-stokes-kecepatan-terminal/)
Tidak ada komentar:
Posting Komentar