Pengamatan Waktu Apung Efek Kacang Brasil pada Cakram
Tunggal, Ganda Berhimpit, dan Ganda Berjarak
Dianita Nanda Persia, Catra Novendia Utama, Siti Nurul Khotimah, Sparisoma Viridi
* Nuclear Physics and Biophysics Research Division, Faculty of Mathematics and Natural Sciences,Institut Teknologi Bandung, Jalan Ganesha 10, Bandung 40132, Indonesia
ABSTRAK— Pengamatan waktu apung intruder berbentuk cakram tunggal, ganda berhimpit, dan ganda berjarak dalam rentang frekuensi vibrasi 15-25 Hz telah dilakukan. Teramati bahwa dengan semakin tingginya frekuensi vibrasi, semakin lama intruder memerlukan waktu untuk mencapai permukaan bed butiran. Khusus untuk intruder cakram ganda, konfigurasi cakram ganda berjarak memberikan waktu apung kira-kira dua kali lipat dibandingkan dengan konfigurasi cakram ganda berhimpit.
Kata kunci: Efek Kacang Brasil, Intruder Cakram, Vibrasi Vertikal.
ABSTRACT— Observation of rise time of intruder with single disk form, double disk form, and double disk form with separation distance for vibration frequency 15-25 Hz has been performed. Higher vibration frequency gives influence in longer rise time. For double disk configuration, double disk with separation distance gives rise time about two times longer than for only double disk.
Keywords: Brazil Nut Effect, Intruder Cakram, Vertical Vibration
PENDAHULUAN
Kehidupan sehari-hari kita tidak dapat lepas dari keberadaan material butiran, mulai dari bumbu-bumbu dapur seperti gula dan garam, bahan makanan pokok seperti beras dan jagung, tempat bermain anak yang berisikan pasir, bencana alam seperti longsor dan efek liquefaction, aliran gletser di gunung-gunung bersalju, sampai dengan gerakan sabuk asteroid yang merupakan bagian tatasurya kita. Salah satu fenomena menarik yang terdapat dalam material butiran adalah efek kacang Brasil (EKB), di mana dalam suatu campuran material butiran yang berbeda ukuran, yang digetarkan secara vertikal, partikel yang lebih besar (disebut intruder) dapat terpisahkan dari lautan partikel yang lebih kecil (disebut bed butiran), di mana intruder walaupun lebih berat akan berada di atas bed butiran pada akhirnya [1]. Waktu yang dibutuhkan intruder dari keadaan awal tenggelam di dasar bed butiran sampai muncul ke atas bed butiran disebut sebagai waktu apung, yang nilainya dipengaruhi oleh gesekan antara partikel bed dan intruder [2], frekuensi vibrasi [3], perbandingan massa jenis intruder dan massa jenis partikel bed [4], gerakan udara di antara sela-sela partikel bed [5], dan kedalaman awal intruder dalam bed butiran [6]. Dalam penelitian ini diamati waktu munculnya intruder berbentuk cakram tunggal, ganda berhimpit, dan ganda berjarak pada beberapa nilai frekuensi vibrasi.
BAHAN DAN METODE
Bahan dan Alat
Manik-manik plastik yang berlubang di tengahnya digunakan sebagai bed butiran. Massa masing-masing partikel bed adalah 0.022 g, berdiameter 0.375 cm, sehingga bermassa jenis 3.337 g/cm3. Sebagai satuan intruder digunakan koin dengan tebal 0.8375 cm, diameter 2.225 cm, massa 6.306 g, sehingga bermassa jenis 1.937 g/cm3. Untuk dua koin yang berfungsi sebagai cakram ganda berhimpit diperoleh massa jenis 2.014 g/cm3, yang sedikit berbeda dengan massa jenis koin tunggal karena adanya perekat. Cakram ganda berjarak dibentuk dengan dua buah koin dan sebuah tusuk gigi (bervolume 0.0738 cm3 dengan massa diabaikan) yang memberikan massa jenis 1.955 g/cm3. Kotak tembus-pandang yang terbuat acrylic berukuran dalam 10 cm × 15 cm × 1.1 cm.
* Corresponding author. Tel.: +62-22-2500834; fax: +62-22-2506452; e-mail: dudung@gmail.com
PROCEEDING The 1st ISCSM 2013
Sebagai vibrator digunakan speaker ACR 6” C-630-WH yang mendapatkan sumber sinyal audio sinusoidal dari notebook melalui piranti lunak Generatorsaur 1.0.0.2, dijalankan dalam sistem operasi Windows 7, yang kemudian diperkuat dengan power amplifier Avanza 150 W. Vpp atau tegangan puncak-ke-puncak sinyal diukur dengan osiloskop Yokogawa AL210, 20
MHz dan dijaga selalu 12 V. Pengamatan waktu timbul dilakukan dengan merekam posisi intruder menggunakan kamera Nikon Coolpix S3300 16 Megapixel, 30 fps, optical zoom 6×, dan digital zoom 4×.
Metode
Kotak tembus pandang ditempelkan pada dudukan plastik yang telah direkatkan pada membran speaker. Intruder diletakkan pada dasar kotak tembus pandang sebelum ditutupi oleh intruder. Kondisi awal ini selalu digunakan untuk ketiga jenis intruder. Tegangan puncak-ke-puncak dipantau dengan menggunakan osiloskop dan dijaga selalu 12 V dengan mengatur tombol pada power amplifier. Frekuensi vibrasi diatur melalui piranti lunak pada notebook. Video mulai direkam sebelum vibrasi dimulai sehingga diharapkan perhitungan waktu timbul menjadi lebih teliti karena dapat dikalibrasi kapan saat mulai dan selesainya dengan memutar video hasil observasi berulang-ulang. Hasil pengamatan waktu timbul dicatat dan observasi diulang dengan prosedur yang sama untuk frekuensi dalam rentang 15-25 Hz untuk ketiga jenis intruder.
HASIL DAN DISKUSI
Snapshot posisi intruder
Gambar 1. Posisi intruder cakram tunggal untuk waktu t: (a) 14 s, (b) 21 s, dan (c) 27 s dalam berkas video DSCN1090.AVI.
Gambar 3. Posisi intruder cakram tunggal untuk waktu t: (a) 9 s, (b) 31 s, dan (c) 41 s dalam berkas video DSCN1108.AVI.
Intruder cakram tunggal tidak memperlihatkan adanya efek rotasi karena sifat simetri lingkarannya sebagaimana ditunjukkan dalam Gambar 1. Untuk intruder cakram ganda berhimpit dan berjarak terlihat bahwa salah satu intruder cenderung lebih dulu naik baru kemudian menarik pasangannya sebagaimana ditunjukkan dalam Gambar 2 dan 3. Bagian intruder mana yang lebih dahulu naik belum dapat ditentukan, sebagaimana Gambar 2 menunjukkan bahwa intruder sebelah kiri naik lebih dahulu sementara Gambar 3 menunjukkan intruder sebelah kanan naik terlebih dahulu.
Waktu Apung
Terdapat beberapa cara dalam mementukan waktu apung. Untuk intruder cakram tunggal diamati kapan intruder mulai muncul di atas bed butiran dan juga kapan seluruh intruder telah muncul. Khusus untuk kedua jenis intruder cakram ganda ditambahkan lagi satu pengamatan, yaitu kapan intruder kedua keluar seluruhnya dari bed granular, setelah yang pertama.
0 20 40 60 80 100 120 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 T(s) f(Hz)
Gambar 4. Waktu apung T intruder cakram tunggal saat: bagian atas intruder mulai muncul ( ) dan saat seluruh bagiannya muncul ( ).
Untuk cakram tunggal terlihat bahwa waktu pengamatan saat bagian atas intruder mulai muncul sampai seluruh bagian intruder berada di atas bed granular tidak berbeda jauh. Selisih kedua waktu pengamatan tersebut adalah antara 2.67 s untuk frekuensi 15 Hz sampai 9 s untuk frekuensi 25 Hz. Dari pengamatan ini dapat dikatakan bahwa selisih waktu apung dengan kecua kriteria tersebut semakin berbeda saat frekuensi vibrasi bed granular semakin tinggi.
Pada intruder cakram ganda berhimpit, saat frekuensi vibrasi 15 Hz, selisih antar ketiga cara pengamatan waktu apung adalah sekitar 2 s, sedangkan saat frekuensi 25 Hz, selisih antar ketiganya menjadi 6.6 – 7.6 s, yang juga menunjukkan tren yang mirip dengan sebelumnya, yaitu bahwa semakin tinggi frekuensi vibrasi semakin besar selisih waktu apung bila diamati dengan kriteria yang berbeda.
0 20 40 60 80 100 120 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 T(s) f(Hz)
Gambar 5. Waktu apung T intruder cakram ganda berhimpit saat: bagian atas intruder pertama mulai muncul ( ), saat bagian atas intruder kedua mulai muncul ( ), dan saat seluruh bagian kedua intruder muncul ( ).
0 40 80 120 160 200 240 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 T(s) f(Hz)
Gambar 6. Waktu apung T intruder cakram ganda berjarak saat: bagian atas intruder pertama mulai muncul ( ), saat bagian atas intruder kedua mulai muncul ( ), dan saat seluruh bagian kedua intruder muncul ( ).
Untuk intruder cakram ganda berjarak waktu yang dibutuhkan untuk naik secara umum menjadi dua kali dibandingkan dengan intruder cakram ganda berhimpit, di mana perbedaan pengamatan waktu apunya dengan ketiga kriteria tersebut adalah berkisar 2.7 – 5.7 s untuk frekuensi vibrasi 15 Hz dan 7-25.7 s untuk frekuensi vibrasi 25 Hz. Perbedaan yang mencolok dan amat berbeda ini diduga disebabkan oleh ketidak simetrian dari naiknya intruder cakram ganda berjarak sebagaimana telah ditunjukkan dalam Gambar 3 yang cenderung merapat ke bagian kanan wadah. Waktu apung minimum yang teramati pada kasus 3-D [3] tidak teramati dalam kasus 2-D ini.
KESIMPULAN
Pengamatan waktu apung intruder cakram tunggal, ganda berhimpit, dan ganda berjarak telah dilakukan untuk rentang frekuensi 15 Hz sampai 25 Hz dengan amplitudo tengan masukan 12 V dengan bentuk sinyal vibrasi berbentuk sinosoida. Waktu apung secara umum bernilai semakin tinggi dengan bertambahnya frekuensi. Cakram ganda berjarak memberikan waktu apung kira-kira dua kali dibandingkan cakram ganda berhimpit.
ACKNOWLEDGEMENTS
Presentasi hasil penelitian ini mendapatkan dukungan dari BOPTN 2013 dan penulisan hasil penelitian ini mendapat dukungan secara parsial dari Program Riset dan Inovasi KK ITB 2013 No. 248/I.1.C01/PL/2013.
REFERENCES
[1] Rosato, A., Strandburg, K. J., Prinz, F. & Swendsen, R. H., Why the Brazil Nuts Are on Top: Size Segregation of
Particulate Matter by Shaking, Physical Review Letters, 58(10), 1038-1040, 1987.
[2] Ulrich, S., Schröter, M. & Swinney H. L., Influence of Friction on Granular Segregation, Physical Review E, 76(4), 042301, 2007.
[3] Rosyida, R., Viridi, S., Khotimah, S. N. & Khairurrijal, Efek Kacang Brazil pada Bola Bergandeng, in Prosiding Simposium Nasional Inovasi dan Pembelajaran Sains 2012 (SNIPS 2012), Ed. F. D. E. Latief et al., 7-8 Juni 2012, Bandung, Indonesia, pp. (in review).
[4] Möbius, M. E., Lauderdale, B. E., Nagel, S. R. & Jaeger, H. M., Brazil-Nut Effect: Size Separation of Granular
Particles, Nature, 414(6861), 270, 2001.
[5] Naylor, M. A., Swift, M. R. & King, P. J., Air-Driven Brazil Nut Effect, Physical Review E, 68(1), 012301, 2003. [6] McCoy, B. J. & Madras, G., Cluster Kinetics Model of Particle Separation in Vibrated Granular Media, Physical
