gaya gesekan akibat fluida (zat cair dan gas) sangat bergantung pada kecepatan benda, bentuk gaya gesekan akibat fluida (zat cair dan gas) sangat bergantung pada kecepatan benda, bentuk benda, dan koefisien kekentalan fluida. contoh gaya gesek pada bola yang berjari-jari R bergerak benda, dan koefisien kekentalan fluida. contoh gaya gesek pada bola yang berjari-jari R bergerak dengan kecepatan V dalam fluida yang koefisien viskositasnya η
dengan kecepatan V dalam fluida yang koefisien viskositasnya ηadalahadalah F =
-F = -6πRVη...(stokes)6πRVη...(stokes)
tanda negatif artinya gaya gesekan pada benda (F) arahnya berlawanan dengan gerakan benda (V) tanda negatif artinya gaya gesekan pada benda (F) arahnya berlawanan dengan gerakan benda (V)
Fluida adalah suatu zat
Fluida adalah suatu zat yang mempunyai kemampuan berubah secara kontinue apabila mengalamiyang mempunyai kemampuan berubah secara kontinue apabila mengalami geseran, atau mempunyai reaksi terhadap tegangan geser
geseran, atau mempunyai reaksi terhadap tegangan geser sekecil apapun dalam keadaan diam atausekecil apapun dalam keadaan diam atau dalam keadaan keseimbangan, fluida tidak mampu menahan gaya
dalam keadaan keseimbangan, fluida tidak mampu menahan gaya geser yang bekerja padanya,dangeser yang bekerja padanya,dan oleh sebab itu fluida mudah berubahbentuk tanpa
oleh sebab itu fluida mudah berubahbentuk tanpa pemisahan massa.pemisahan massa.
Viskositas atau kekentalan dari suatu cairan adalah salah satu Sifat cairan yang menentukan Viskositas atau kekentalan dari suatu cairan adalah salah satu Sifat cairan yang menentukan besarnya perlawanan terhadap gayageser. Viskositas terjadi terutama karena adanya interaksi besarnya perlawanan terhadap gayageser. Viskositas terjadi terutama karena adanya interaksi antara molekul-molekul cairan
antara molekul-molekul cairan
Semua fluida nyata (gas dan zat cair) memiliki sifat-sifat khusus yang dapat diketahui, antara lain: Semua fluida nyata (gas dan zat cair) memiliki sifat-sifat khusus yang dapat diketahui, antara lain: rapat massa (density), kekentalan (viscosity), kemampatan(compressibility), tegangan permukaan rapat massa (density), kekentalan (viscosity), kemampatan(compressibility), tegangan permukaan (surface tension), dan kapilaritas(capillarity). Beberapa sifat fluida
(surface tension), dan kapilaritas(capillarity). Beberapa sifat fluida pada kenyataannya merupakanpada kenyataannya merupakan kombinasi dari sifat-sifat fluida lainnya. Sebagai
kombinasi dari sifat-sifat fluida lainnya. Sebagai contoh kekentalan kinematik melibatkan kekentalancontoh kekentalan kinematik melibatkan kekentalan dinamik dan rapat massa. Sejauh yang kita ketahui, fluida adalah gugusan yang tersusun atas
dinamik dan rapat massa. Sejauh yang kita ketahui, fluida adalah gugusan yang tersusun atas molekulmolekul dengan jarak pisah yang besar untuk gas dan kecil untuk zat cair. Molekul-molekul molekulmolekul dengan jarak pisah yang besar untuk gas dan kecil untuk zat cair. Molekul-molekul itu tidak terikat pada suatu kisi, melainkan saling bergerak bebas terhadap satu sama lain.
itu tidak terikat pada suatu kisi, melainkan saling bergerak bebas terhadap satu sama lain. Rapat massa adalah ukuran konsentrasi massa zat cair dan dinyatakan
Rapat massa adalah ukuran konsentrasi massa zat cair dan dinyatakan dalam bentuk massa persatuan volume .
dalam bentuk massa persatuan volume .
Rapat massa air (rair) pada suhu 4 oC dan pada tekanan atmosfer (patm) adalah Rapat massa air (rair) pada suhu 4 oC dan pada tekanan atmosfer (patm) adalah 1000 kg/m3.
1000 kg/m3.
Berat jenis adalah berat benda persatuan volume
Berat jenis adalah berat benda persatuan volume pada temperatur danpada temperatur dan
tekanan tertentu, dan berat suatu benda adalah hasil kali antara rapat massa (r ) tekanan tertentu, dan berat suatu benda adalah hasil kali antara rapat massa (r ) dan percepatan gravitasi .
dan percepatan gravitasi .
Rapat relatif (s) adalah perbandingan antara rapat massa suatu zat dan rapat Rapat relatif (s) adalah perbandingan antara rapat massa suatu zat dan rapat massa air (rair), atau perbandingan antara berat jenis suatu zat dan berat jenis massa air (rair), atau perbandingan antara berat jenis suatu zat dan berat jenis
air .Karena pengaruh temperatur dan tekanan pada rapat massa zat cair sangat kecil, air .Karena pengaruh temperatur dan tekanan pada rapat massa zat cair sangat kecil, maka dapat diabaikan sehingga rapat massa zat cair dapat dianggap tetap.
maka dapat diabaikan sehingga rapat massa zat cair dapat dianggap tetap.
Kekentalan adalah sifat dari zat cair untuk melawan tegangan geser (t) pada Kekentalan adalah sifat dari zat cair untuk melawan tegangan geser (t) pada waktu bergerak atau mengalir. Kekentalan disebabkan adanya kohesi antara waktu bergerak atau mengalir. Kekentalan disebabkan adanya kohesi antara partikel zat cair
yang bergerak. Zat cair ideal tidak memiliki kekentalan. Kekentalan zat
cair dapat dibedakan menjadi dua yaitu kekentalan dinamik (μ) atau kekentalan absolute dan kekentalan kinematis (n).
Zat cair Newtonian adalah zat cair yang memiliki tegangan geser (t)
sebanding dengan gradien kecepatan normal terhadap arah aliran. Gradien
kecepatan adalah perbandingan antara perubahan kecepatan dan perubahan jarak tempuh aliran.
Fluida yang riil memiliki gesekan internal yang besarnya tertentu yang disebut dengan viskositas. Viskositas ada pada zat cair maupun gas dan pada intinya merupakan gaya gesekan antara lapisan-lapisan yang bersisian pada fluida pada waktu lapisan-lapisan-lapisan-lapisan tersebut bergerak satu melewati lainnya. Dengan adanya viskositas, kecepatan lapisan-lapisan fluida tidak seluruhnya sama. Lapisan fluida yang terdekat dengan dinding pipa bahkan sama sekali tidak bergerak (v = 0), sedangkan lapisan fluida pada pusat aliran memiliki kecepatan terbesar. Pada zat cair, viskositas disebabkan akibat adanya gaya-gaya kohesi antar molekul.
Dalam fluida ternyata gaya yang dibutuhkan (F), sebanding dengan luas fluida yang bersentuhan dengan setiap lempeng (A), dan dengan laju (v) dan berbanding terbalik dengan jarak antar lempeng (l). Besar gaya F yang diperlukan untuk menggerakan suatu lapisan fluid dengan kelajuan tetap v untuk luas penampang keping A adalah
F = η A v l
Dengan viskositas didefinisikan sebagai perbandingan regangan geser (F/ A) dengan laju perubahan regangan geser (v/l).
Dengan kata lain dapat dikatakan bahwa :
Makin besar luas keping (penampang) yang bersentuhan dengan fluida, makin besar gaya F yang diperlukan sehingga gaya sebanding dengan luas sentuh ( F ≈ A). Untuk luas sentuh A tertentu, kelajuan v lebih besar memerlukan gaya F yang lebih besar, sehingga gaya sebanding dengan kelajuan (F ≈ v).
Hukum Stokes
Viskositas dalam aliran fluida kental sam saja dengan gesekan pada gerak benda padat. Untuk fluida ideal, viskositas η = 0 sehingga kita selalu menganggap bahwa benda yang bergerak dalam fluida ideal tidak mengalami gesekan yang disebabkan fluida. Akan tetapi, bila benda tersebut bergerak dengan kelajuan tertentu dalam fluida kental, m aka benda tersebut akan dihambat geraknya oleh gaya gesekan fluida benda tersebut. Besar gaya gesekan fluida telah dirumuskan
F = η A v = A η v = k η v l l
berupa bola dengan jari-jari (r), maka dari perhitungan laboraturium ditunjukan bahwa k = 6 п r
maka F = 6 п η r v
Persamaan itulah yang hingga kini dikenal dengan Hukum Stokes.
Dengan menggunakan hukum stokes, maka kecepatan bola pun dapat diketahui melalui persamaan (rumus) :
v = 2 r2 g (ρ – ρ0) 9 η
Setiap benda yang bergerak dalam fluida mendapat gaya gesekan yang disebabkan oleh ke kentalan fluida tersebut. Gaya gesekan tersebut sebanding dengan kecepatan relatip benda terhadap fluida. Khusus untuk benda yang berbentuk bola dan bergerak dalam fluida yang sifat-sifatnya, gaya gesekan yang dialami benda dapat dirumuskan sebagai berikut :
F = -6 π η r v Keterangan :
F = gaya gesekan yang bekerja pada bola η = koefisien kekentalan fluida
V = kecepatan bola relatip terhadap fluida
Rumus diatas dikenal sebagai hukum stokes.Tanda minus menunjukan arah gaya F yang berlawanan dengan kecepatan (V). Pemakaian hukum stokes memerlukan beberapa syarat yaitu :
Ruang tempat fluida tidak terbatas (ukurannya cukup luas dibandingkan dengan ukuran benda) Tidak ada turbulensi didalam fluida
Kecepatan V tidak besar, sehingga aliran masih laminer
W =4/3 πr3p g
Dengan W = gaya berat bola r = jari –jari
p = rapat massa bola
g = percepatan gravitasi bumi
Jika sebuah bola dengan rapat massa dan dilepaskan dari permukaan zat cair tanpa kecepatan awal, maka bola tersebut mula-mula akan bergerak dipercepat. Dengan bertambahnya kecepatan, maka bertambah besar pula gaya gesekan pada bola tersebut. Pada akhirnya bola akan bergerak dengan kecepatan tetap, yaitu setelah terjadi keseimbangan antara gaya berat, dan gaya apung (gaya
archimedes), dan gaya stokes.
Pada keadaan ini berlaku persamaan : V= (2 r²)/(9 ƞ) (ρ-ρo)
Keterangan :
ρ = rapat massa bola ρo = rapat massa fluida
Dari persamaan tersebut dapat diturunkan : T= (9 ƞ d)/(2 g r² (ρ-ρo))
Keterangan :
T = waktu yang diperlukan untuk menempuh jarak d d = jarak yang tempuh
Maka jika mencari ƞ, menjadi : ƞ= (2 r² (ρ-ρo) 9)/(g v)
Fluida ( zat alir ) adalah zat yang dapat mengalir, misalnya zat cair dan gas. Fluida dapat digolongkan dalam dua macam, yaitu fluida statis dan dinamis.
Hukum Archimedes menyatakan sebagai berikut, Sebuah benda yang tercelup sebagian atau
seluruhnya ke dalam zat cair akan mengalami gaya ke atas yang besarnya sama dengan berat zat cair yang dipindahkannya.
Sebuah benda yang tenggelam seluruhnya atau sebagian dalam suatu fluida akan mendapatkan gaya angkat ke atas yang sama besar dengan berat fluida fluida yang dipindahkan. Besarnya gaya ke atas menurut Hukum Archimedes ditulis dalam persamaan :
Fa = ρ v g Keterangan :
Fa = gaya ke atas (N)
v = volume benda yang tercelup (m3) ρ = massajenis zat cair (kg/m3) g = percepatan gravitasi (N/kg)
Hukum ini juga bukan suatu hukum fundamental karena dapat diturunkan dari hukum newton juga. Bila gaya archimedes sama dengan gaya berat W maka resultan gaya =0 dan benda
melayang .
Bila FA>W maka benda akan terdorong keatas akan melayang Bila FA<W maka benda akan terdorong kebawah dan tenggelam
Jika rapat massa fluida lebih kecil daripada rapat massa balok maka agar balok berada dalam keadaan seimbang,volume zat cair yang dipindahkan harus lebih kecil dari pada volume balok.Artinya tidak seluruhnya berada terendam dalam c airan dengan perkataan lain benda mengapung. Agar benda melayang maka volume zat cair yang dipindahkan harus sama dengan volume balok dan rapat massa cairan sama dengan rapat rapat massa benda.
Jika rapat massa benda lebih besar daripada rapat massa fluida, maka benda akan m engalami gaya total ke bawah yang tidak sama dengan nol. Artinya benda akan jatuh tenggelam.
Berdasarkan Hukum Archimedes, sebuah benda yang tercelup ke dalam zat cair akan mengalami dua gaya, yaitu gaya gravitasi atau gaya berat (W) dan gaya ke atas (Fa) dari zat cair itu. Dalam hal ini ada
tiga peristiwa yang berkaitan dengan besarnya kedua gaya tersebut yaitu seperti berikut. Tenggelam
Sebuah benda yang dicelupkan ke dalam zat cair akan tenggelam jika berat benda (w)lebih besar dari gaya ke atas (Fa).
w > Fa
ρb . Vb . g > ρa . Va . g ρb > ρa
Volume bagian benda yang tenggelam bergantung dari rapat massa zat cair (ρ) Melayang
Sebuah benda yang dicelupkan ke dalam zat cair akan melayang jika berat benda (w)sama dengan gaya ke atas (Fa) atu benda tersebut tersebut dalam keadaan setimbang
w = Fa
ρb . Vb . g = ρa . Va . g ρb = ρa
Pada 2 benda atau lebih yang melayang dalam zat cair akan berlaku : (FA)tot = Wtotrc . g (V1+V2+V3+V4+…..) = W1 + W2 + W3 + W4 +….. Terapung
Sebuah benda yang dicelupkan ke dalam zat cair akan terapung jika berat benda (w)lebih kecil dari gaya ke atas (Fa).
w = Fa
ρb . Vb . g = ρa . Va . g ρb < ρa
