Viskositas

 BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Fluida

Fluida adalah zat yang dapat megalir dan memberikan sedikitik hambatan terhadap perubahan bentuk ketika ditekan.

Yang termasuk fluida adalah zat cair dan gas.ilmu ynag mempelsajri fluida tak mnegalir adalah hidrostatika,edangkan cabag fisika yang mempelsajri fluida bergerak dinamkan hidodobnamika.

            Massa jenis suatu zat adalah massa zat itu per satuan volumnya.

P=m/v                          (2.1)

Keterangan:

 P = massa enis zat

M = massa za

V = volume

        Satuan dalam Si untuk massa m adalah kg,volume v adalah m3,seingga satuan si untuk masaa jenis p adalah kg/m3 atau kg.m-3.satuan lain sering digunkaan g/cm3 atau g.cm-3,dimana (kg/m3=103 g/cm3 atau g/cm3 =103 kg/m3).massa jenis relative adalah nilai perbandinagn massa jenis aiar(1g.cm-3=1000 kg.m-3).

            Dismaping itu,satuan SI untuk gaya atau F adalah Newton(N),luas bidang  ata A adalah m3,da satuan untuk newton Pascal(pa).sehingga didapatkan rumus:

P=f/a                                       (2.2)

              Keterangan:

                        P=tekanan

                        F=gaya

                        A=luas bidang

            Tekanan gauge(gauge pressure),merupakan selisih anatara tekanan yang tidak diketahui dan tekanan atmosfer(tekanan udara luar).nilai tekanan yang diukur oleh alat pengukur tekanan menyatakan tekanan gauge sedngkan,tekanan sesungguhnya dikenal dengan tekanan mutlak.dengan rumus tekanan mutlak:

(tekanan)     (tekanan)         (tekanan)

Mutlak        =guge        +     atmosfer                         (2.3)

            Sebagai contoh,sebuah ban yang mengandung udara dengan tekanan gauge 2 bar memiliki tekanan mutlak kira-kira 3 bar,sebab tekanan atmosfer pada permukaan laut kira-kira 1 bar.

            Tekanan dalam suatu fluida.tekanan adalah suatu besaran dari fluida(zat cair dan gas) yang penting karena sifat-sifta fluida sebagai berikut:

1.      gaya-gaya yang dikerjakan fluida pada dinding wadahnya selalu berarah tegak lurus terhadap dinding wadahnya.

2.      gaya yang dikerjakan oleh tekanan dalam suatu fluida pada kedudukan yang sama adalah sama dalam segala arah.

Suatu gaya luar yang bekerja pada fluida diteruskan sama besar keseluruh fluida.

Jika fluida pada sebuah dinding wadah terjadi sebuah gaya,maka gaya yang dikerjakan akan tegak lurus menuju dinding wadah,sesuai sifat pada nomer satu.

Aliran yang rendah pola zat pewarnanya teratur dan membentuk sebuah garis warna tunggal seperti ditunjukkan di gambar 2w.1.namun demikian,pada laju aliran tingi,zat pewarna terdispersi di seluruh penampang pipa akibat gerakan fluida yang sangat tidak teratur.perbedaan penampilan zat pewarba,tentunya disebabkan oleh sifat teraturnya aliran laminar pada kasus pertama dan sifat berfluktuatifitas turbulen pada kasus yang terakhir.

           Transisi dari aliran laminar menjadi turbulen di dalam pipa dengan demikian merupan fungsi dari kecepatan fluida.Sebenarnya,Reynolds menemukan bahawa kecepatan fluida hanya merupakan satu variable yang menentukan sifat aliran dalam pipa ,dan variable lainnya adalah diameter pipa,densitas fluida,dan viskositas fluida.Keempat variable ini,dikombinasi menjadi parameter tak berdimensi tunggal.

Re=DPV/u                                                            (2.4)

           Keterangan:

            Re =bilangan Reynolds

            D  =diameter

            P   =massa jenis

            V  =volume

            U  =koefisien visskositas

Yang merupakan bilangan Reynolds,dan diberi symbol Re untuk menghormati Osborne reynold atas konstribusinya yang penting dalam bidang mekanika fluida.

Untuk aliran di dalam pipa lingkaran kita dapatkan bahwa di bawah nilai bilangan Reynolds 2300 aliran adalah laminar.Dan aliran laminar telah di amati Reynolds.

2.2 Aliran viskositas

            Adanya dua aliran viskos merupan gejala yang diterima secara universal.asap yang berasal dari rokok yang dinyalakan terlihat mengalir secara mulus dan uniform untuk suatu jarak pendek dari sumbernya dan kemudian berubah secara mendadak menjadi pola yang sangat tidak beraturan,tidak stabil.Prilaku serupa dapat diamati pada air yang mengalir secara perlahan dari sebuah keran,

            Jenis aliran yang teratur terjadi bila lapisan fluida yang berdampingan bergeseran secara halus satu diatas yang lain dimana pencampuran antara lapisan atau lamina yang terjadi hanya dalam level molekuler.

Untuk jenis aliran inilah hubungan viskositas newton’diturunkan dan agar kita dapat mengykur viskositas,u,harus ada aliran laminar ini.

            Daerah aliran kedua,dimana paket-paket yang kecil dari parikel-partikel fluida transfer terjadi antara lapisan,yang mengakibatkan daerah ini memiliki sifat yang fluktuatif,dinamakan daerah aliran turbulen.

            Adanya aliran laminar dan turbulen , walaupun telah diakaui seblumnya, pertama-tama dijelaskan oleh Reynolds.

 2.3 viskositas atau kekentalan

            Viskositas merupakan ukuran kekentalan fluida yang menyatakan besar kecilnya gesekan di dalam fluida.Makin besar viskositas suatu fluida,maka makin sulit suatu fluida dan makin sulit suatu benda bergerak di dalam fluida tersebut.Di dalam zat cair,viskositas dihasilkan oleh gaya kohesi antar molekul zat cair.Sedangkan dalam gas,viskositas timbul sebagai akibat tumbukan anatara molekul gas.

            Viskositas zat cair dapat ditentukan dengan cara kuantitatif dengan besaran yang disebut visksitas/koefisien viskositas(n).satuan SI untuk koefisien viskositas adalah Ns/m2 atau pascal secon(pa.s).

            Benda bergerak dengan kelajuan v dalam suatu fluida kental yang koefisiannya(n),maka benda itu akan mengalami gaya gesekkan fluida sebesar Fs=knv,dengan k merupakan konstanta yang berbanding dengan bentuk geometris benda.

            Berdasarkan perhitungan laboratorium,pada tahun 1845,sir george srockes menunjukkan bahwa untuk benda yang bentuk geometrisnya berupa bola,nilai k=6nr.Bila nilai k dimasukkan ke dalam persamaan,maka diperoleh persamaan seperti berikut:

                                    Fs=6nnrv                                                                     (2.5)

            Keteranagn:

                       Fs:gaya gesekan stokes(N)

                        n:koefisian viskositas fluida(Pas)

                        r:jari-jari bola(m)juan bola(m/s)

                        v:kecepatan

Dinamika fluida adalah cabang ilmu yang mempelajari fluida dalam keadaan bergerak. Ini merupakan salah satu cabang yang penting dalam mekanika fluida. Dalam dinamika fluida dibedakan dua macam aliran yaitu aliran fluida yang relatif sederhana yang disebut aliran laminer dan aliran yang komplek yang disebut sebagai aliran turbulen. Gambar 8.9 melukiskan suatu bagian pipa yang mana fluida mengalir dari kiri ke kanan. Jika aliran dari type laminer maka setiap partikel yang lewat titik A selalu melewati titik B dan titik C.

 Garis yang menghubungkan ketiga titik tersebut disebut garis arus atau streamline. Bila luas penampang pipa berlainan maka besarnya kecepatan partikel pada setiap titik juga berlainan. Tetapi kecepatan partikel-partikel pada saat melewati titik A akan sama besarnya. Demikian juga saat melewati titik B dan C.

Bila fluida mempunyai viskositas (kekentalan) maka akan mempunyai aliran fluida yang kecepatannya besar pada bagian tengah pipa dari pada di dekat dinding pipa. Untuk pembahasan disini, pertama dianggap bahwa fluida tidak kental sehingga kecepatan pada smeua titik pipa penampang melintang yang juga sama besar. C.2. Persamaan Kontinuitas Pada aliran fluida dalam pipa yang mempunyai penampang berbeda. Jika A1 adalah luas penampang pada titik 1, dan v1 kecepatannya, maka dalam t detik, partikel yang berada pada titik 1 akan berpindah sejauh (v1.t) dan volume fluida yang lewat penampang A1 adalah (A1v1t). Volume fluida yang lewat penampang A1 persatuan waktu adalah A1v1 demikian pula volume fluida yang lewat penampang A2 per satuan waktu adalah A2 v2. Jika fluida bersifat tak kompresibel, maka besarnya volume fluida yang lewat penampang A1 dan A2 persatuan waktu adalah sama besar sehingga diperoleh:

 A1.v1= A2.v2                  (2.6)

                                   atau,

Q=Av=konstan                  (2.7)

Besaran Av dinamakan debit (Q) yang mempunyai satuan m3/s (MKS) atau cm3/s (CGS). Persamaan ini dikenal sebagai persamaan kontinuitas untuk aliran yang mantap dan tak kompresibel. Konsekuensi dari hubungan di atas adalah bahwa kecepatan akan membesar jika luas penampang mengecil demikian juga sebaliknya.

2.4 Persamaan Bernoulli

Persamaan Bernoulli merupakan persamaan dasar dari dinamika fluida di mana berhubungan dengan tekanan (p), kecepatan aliran (v) dan ketinggian (h), dari suatu pipa yang fluidanya bersifat tak kompresibel dan tak kental, yang mengalir dengan aliran yang tak turbulen. Tinjau aliran fluida pada pipa dengan ketinggian yang berbeda seperti Gambar 2.1. Bagian sebelah kiri pipa mempunyai luas penampang A1 dan sebelah kanan pipa mempunyai luas penampang A2. Fluida mengalir disebabkan oleh perbedaan tekanan yang terjadi padanya. Pada bagian kiri fluida terdorong sepanjang dl1 akibat adanya gaya F1 = A1p1 sedangkan pada bagian kanan dalam selang waktu yang sama akan berpindah sepanjang dl2.

2.5     Fluida Statis

2.5.1 Tekanan

Tekanan adalah besaran fisika yang merupakan perbandingan antara gaya normal (tegak lurus) yang bekerja pada suatu bidang permukaa dengan luas bidang permukaan tersebut.

 2.5.2 Hukum Pokok Hidrostatika

Tekanan zat cair dalam keadaan tidak mengalir dan hanya disebabkan oleh beratnya sendiri disebut tekanan hidrostatika. Besarnya tekanan hidrostatika suatu titik dalam zat cair yang tidak bergerak dapat diturunkan .

Tinjau zat cair dengan massa jenis berada dalam wadah silinder dengan luas alas A dan ketinggian h seperti pada Gambar 8.1. Volume zat cair dalam wadah V - Ah sehingga berat zat cair dalam wadah  dengan demikian tekanan hidrostatika di sebarang titik pada luas bidang yang diarsir oleh zat cair dengan kedalaman h dari permukaan  dengan g : percepatan gravitasi, m/s2 dan h : kedalaman titik dalam zat cair diukur dari permukaan zat cair, m.

Biasanya tekanan yang kita ukur adalah perbedaan tekanan dengan tekanan atmosfir, yang disebut TEKANAN GAUGE atau tekanan pengukur. Adapun tekanan sesungguhnya disebut tekanan mutlak, di mana : Tekanan mutlak = tekanan gauge + tekanan atmosfer

1.5.3        Hukum Pascal

Tekanan yang bekerja pada fluida statis dalam ruang tertutup akanditeruskan

ke segala arah dengan sama rata, hal ini dikenal sebagai prinsip PASCAL.

              Apabila dikerjakan tekanan p1 pada penampang A1 maka tekanan yang sama besar akan diteruskan ke penampang A2 sehingga memenuhi p1 = p2.

Alat-alat teknik yang menggunakan sistem prinsip Pascal adalah rem hidrolik dan pengangkat mobil dalam bengkel.

 2.6 Hukum Archimedes

2.6.1 Prinsip Archimedes

            Di dalam fluida yang diam, suatu benda yang dicelupkan sebagian atau seluruh volumenya akan mengalami gaya tekan ke atas (gaya apung) sebesar berat fluida yang dipindahkan oleh benda tersebut, yang lazim disebut gaya Archimedes. Perhatikan elemen fluida yang dibatasi oleh permukaan s.

Pada elemen ini bekerja gaya-gaya :

-          gaya berat benda W

-          gaya-gaya oleh bagian fluida yang bersifat menekan permukaan s, yaitu gaya angkat ke atas Fa.

           Kedua gaya saling meniadakan, karena elemen berada dalam keadaan setimbang dengan kata lain gaya-gaya keatas = gaya-gaya kebawah.
Artinya resultante seluruh gaya pada permukaan s arahnya akan keatas, dan besarnya sama dengan berat elemen fluida tersebut dan titik tangkapnya adalah pada titik berat elemen. Dari sini diperoleh prinsip Archimedes yaitu bahwa suatu benda yang seluruhnya atau sebagian tercelup didalam satu fluida akan mendapat gaya apung sebesar dengan berat fluida yang dipindahkan oleh benda tersebut.

Perhatikan:
- Hukum Archimedes berlaku untuk semua fluida termasuk gas dan zat cair.
- Jika benda tercelup semua maka Vbf = volume benda.

Benda yang dimasukkan ke dalam zat cair, akan terjadi tiga kemungkinan keadaan yaitu terapung, melayang dan tenggelam. Ketiga kemungkinan keadaan tersebut terjadi ditentukan oleh perbandingan massa jenis benda dengan massa jenis fluida. Fluida adalah sub-himpunan dari fase benda, termasuk cairan, gas, plasma, dan padat plastik.

Fluida memilik sifat tidak menolak terhadap perubahan bentuk dan kemampuan untuk mengalir (atau umumnya kemampuannya untuk mengambil bentuk dari wadah mereka). Sifat ini biasanya dikarenakan sebuah fungsi dari ketidakmampuan mereka mengadakan tegangan geser dalam ekulibrium statik. Konsekuensi dari sifat ini adalah hukum paskal yang menekankan pentingnya tekanan dalam mengkarakterisasi bentuk fluid. Dapat disimpulkan bahwa fluida adalah zat atau entitas yang terdeformasi secara berkesinambungan apabila diberi tegangan geser walau sekecil apapun tegangan geser itu.

Fluid dapat dikarakterisasikan sebagai:

1. fluida newtonian     
2. b. fluida non-newtonian 

bergantung dari cara "stress" bergantung ke "strain" dan turunannya.

Fluida juga dibagi menjadi cairan dan gas. Cairan membentuk permukaan bebas (yaitu, permukaan yang tidak diciptakan oleh bentuk wadahnya), sedangkan gas tidak.

2.6.2  Dinamika fluida

Dinamika fluida adalah subdisiplin dari mekanika fluida yang mempelajari fluida bergerak. Fluida terutama carian dan gas. Penyelsaian dari masalah dinamika fluida biasanya melibatkan perhitungan banyak properti dari fluida, seperti kecepatan,tekanan,kepadatan dan suhu, sebagai fungsi ruang dan waktu. Disiplini ini memiliki beberapa subdisiplin termasuk aerodinamika (penelitian gas) dan hidrodinamika (penelitian cairan). Dinamika fluida memliki aplikasi yang luas. Contohnya, ia digunakan dalam menghitung gaya dan moment pada pesawat, mass flow rate dari petroleum dalam jalur pipa, dan perkiraan pola cuaca, dan bahkan teknik lalulintas, di mana lalu lintas diperlakukan sebagai fluid yang berkelanjutan. Dinamika fluida menawarkan struktur matematika yang membawahi disiplin praktis tersebut yang juga seringkali memerlukan.

            laju aliran tingi,zat pewarna terdispersi di seluruh penampang pipa akibat gerakan fluida yang sangat tidak teratur.perbedaan penampilan zat pewarba,tentunya disebabkan oleh sifat teraturnya aliran laminar pada kasus pertama dan sifat berfluktuatifitas turbulen pada kasus yang terakhir.

2.6.3 Fluida Statis

Fluida ( zat alir ) adalah zat yang dapat mengalir, misalnya zat cair dan gas. Fluida dapat digolongkan dalam dua macam, yaitu fluida statis dan dinamis.

Fluida disusun oleh molekul-molekul yang bertabrakan satu sama lain. Namun demikian, asumsi kontinum menganggap fluida bersifat kontinu. Dengan kata lain, properti sepertidensitas, tekanan, temperatur, dan kecepatan dianggap terdefinisi pada titik-titik yang sangat kecil yang mendefinisikan REV (‘’Reference Element of Volume’’) pada orde geometris jarak antara molekul-molekul yang berlawanan di fluida. Properti tiap titik diasumsikan berbeda dan dirata-ratakan dalam REV. Dengan cara ini, kenyataan bahwa fluida terdiri dari molekul diskrit diabaikan.

Hipotesis kontinum pada dasarnya hanyalah pendekatan. Sebagai akibatnya, asumsi hipotesis kontinum dapat memberikan hasil dengan tingkat akurasi yang tidak diinginkan. Namun demikian, bila kondisi benar, hipotesis kontinum menghasilkan hasil yang sangat akurat.

Masalah akurasi ini biasa dipecahkan menggunakan mekanika statistik. Untuk menentukan perlu menggunakan dinamika fluida konvensial atau mekanika statistik, angka Knudsen permasalahan harus dievaluasi. Angka Knudsen didefinisikan sebagai rasio dari rata-rata panjang jalur bebas molekular terhadap suatu skala panjang fisik representatif tertentu. Skala panjang ini dapat berupa radius suatu benda dalam suatu fluida. Secara sederhana, angka Knudsen adalah berapa kali panjang diameter suatu partikel akan bergerak sebelum menabrak partikel lain.

2.7 Persamaan Navier-Stokes

Persamaan Navier-Stokes (dinamakan dari Claude-Louis Navier dan George Gabriel Stokes) adalah serangkaian persamaan yang menjelaskan pergerakan dari suatu fluida seperti cairan dan gas.        Persamaan-persamaan ini menyatakan bahwa perubahan dalam momentum (percepatan) partikel-partikel fluida bergantung hanya kepada gaya viskos internal (mirip dengan gaya friksi) dan gaya viskos tekanan eksternal yang bekerja pada fluida. Oleh karena itu, persamaan Navier-Stokes menjelaskan kesetimbangan gaya-gaya yang bekerja pada fluida.

Persamaan Navier-Stokes memiliki bentuk persamaan diferensial yang menerangkan pergerakan dari suatu fluida. Persaman seperti ini menggambarkan hubungan laju perubahan suatu variabel terhadap variabel lain. Sebagai contoh, persamaan Navier-Stokes untuk suatu fluida ideal dengan viskositas bernilai nol akan menghasilkan hubungan yang proposional antara percepatan (laju perubahan kecepatan) dan derivatif tekanan internal.

Transisi dari aliran laminar menjadi turbulen di dalam pipa dengan demikian merupan fungsi dari kecepatan fluida.Sebenarnya,Reynolds menemukan bahawa kecepatan fluida hanya merupakan satu variable yang menentukan sifat aliran dalam pipa ,dan variable lainnya adalah diameter pipa.

Untuk mendapatkan hasil dari suatu permasalahan fisika menggunakan persamaan Navier-Stokes, perlu digunakan ilmu kalkulus. Secara praktis, hanya kasus-kasus aliran sederhana yang dapat dipecahkan dengan cara ini. Kasus-kasus ini biasanya melibatkan aliran non-turbulen dan tunak (aliran yang tidak berubah terhadap waktu) yang memiliki nilai bilangan Reynold kecil.

Untuk kasus-kasus yang kompleks, seperti sistem udara global seperti El Niño atau daya angkat udara pada sayap, penyelesaian persamaan Navier-Stokes hingga saat ini hanya mampu diperoleh dengan bantuan komputer. Kasus-kasus mekanika fluida yang membutuhkan penyelesaian berbantuan komputer dipelajari dalam bidang ilmu tersendiri yaitu mekanika fluida komputasional dihitung sesuai persamaanhuatu kuantitas tertentu zat cair yang dikenalkan dalam viskositas di sebuah tabung termostat dan kemudian ditarik oleh sulfon kedalam bulb sampai cairan berada di ketinggian tepat berada diatas permukaan ‘a’ kemudian dibiarkan turun sampai ‘b’. Waktu yang diperlukan dari posisi a ke posisi b diukur, lalu  pertama. Persamaan pertama tidaklah sempurna dan dikoreksi dengan persamaan sebagai berikut :  =

 x.t - 0,12/th                               (2.6)                                                                                        

      keterangan:
x = Konstanta yang tergantung pada volume cairan, jari-jari kapiler, panjang pipa, gravitasi dan lain-lain
t = Waktu yang terukur
        Dapat pula menggunakan metode viskositas bola jatuh.hSelain dengan metode viskositas Ostwald untuk menghitung .

Pada viskositas bola jatuh caranya adalah pertama-tama kita masukkan suatu cairan (yang akan diukur viskositasnya) kedalam sebuah tabung. Lalu sebuah bola kecil (dengan massa jenis dan diameter diketahui) dijatuhkan diatas permukaan cairan (Vo = nol). Gerakan bola mula-mula turun dipercepat sampai jarak tertentu setelah itu gerakan bola menjadi beraturan.