Kapilaritas, Viskositas, dan Hukum Stokes | Fisika Kelas XI

Kapilaritas

Keadaan ini dapat menyebabkan cairan dapat naik ke atas oleh tegangan permukaan yang arahnya keatas sampai batas keseimbangan gaya ke atas dengan gaya berat cairan tercapai. Jadi air dapat naik ke atas dalam suatu pipa kecil yang biasa disebut pipa kapiler. Karena dalam pipa kapiler gaya adhesi antara partikel air dan kaca lebih besar daripada gaya kohesi antara partikel-partikel air, maka air akan naik dalam pipa kapiler. Sebaliknya raksa cenderung turun dalam pipa kapiler, jika gaya kohesinya lebih besar daripada gaya adhesinya.

Kenaikan atau penurunan zat cair pada pipa kapiler disebabkan oleh adanya tegangan permukaan (γ) yang bekerja pada keliling persentuhan zat cair dengan pipa. Mengapa permukaan zat cair bisa naik atau turun dalam permukaan pipa kapiler? Gambar di atas menunjukkan zat cair yang mengalami meniskus cekung. Tegangan permukaan menarik pipa ke arah bawah karena tidak seimbang oleh gaya tegangan permukaan yang lain. Sesuai dengan hukum III Newton tentang aksi reaski, pipa akan melakukan gaya yang sama besar pada zat cair, tetapi dalam arah berlawanan. Gaya inilah yang menyebabkan zat cair naik. Zat cair berhenti naik ketika berat zat cair dalam kolam yang naik sama dengan gaya ke atas yang dikerjakan pada zat cair.

Kapilaritas dipengaruhi oleh adhesi dan kohesi. Untuk zat cair yang membasahi dinding pipa, permukaan zat cair dalam pipa naik lebih tinggi dibandingkan permukaan zat cair di luar pipa. Sebaliknya, untuk zat cair yang tidak membasahi dinding pipa permukaan zat cair di dalam pipa lebih rendah daripada permukaan zat cair di luar pipa.

Berikut persamaannya:

Gejala kapilaritas banyak dimanfaatkan dalam kehidupan sehari-hari. Misalnya, naiknya minyak tanah melalui sumbu kompor, pengisapan air oleh tanaman (naiknya air dari akar menuju daun-daunan melalui pembuluh kayu pada batang) dan peristiwa pengisapan air oleh kertas isap atau kain. Selain menguntungkan gejala kapilaritas ada juga yang merugikan misalnya ketika hari hujan, air akan merambat naik melalui pori-pori dinding sehingga menjadi lembap. Dinding yang lembab terjadi karena gejala kapilaritas.

Contoh gejala kapilaritas dalam kehidupan sehari-hari.

1. Menyebarnya air yang menetes di ujung kain

2. Minyak tanah naik melalui sumbu kompor

3. Air meresap ke atas tembok

4. Naiknya air melalui akar pada tumbuhan

5. Menyebarnya tinta di permukaan kertas

Viskositas

Viskositas merupakan ukuran kekentalan fluida yang menyatakan besar kecilnya gesekan di dalam fluida. Semakin besar viskositas (kekentalan) fluida, maka semakin sulit suatu fluida untuk mengalir dan juga menunjukkan semakin sulit suatu benda bergerak di dalam fluida tersebut. Di dalam zat cair, viskositas dihasilkan oleh gaya kohesi antara molekul zat cair. Sedangkan dalam gas, viskositas timbul sebagai akibat tumbukan antara molekul gas. Zat cair lebih kental (viskositasnya) daripada gas, sehingga untuk mengalirkan zat cair diperlukan gaya yang lebih besar dibandingkan dengan gaya yang diberikan untuk mangalirkan gas.

Bila sebuah bola yang massa jenisnya lebih besar daripada massa jenis fluida dan berjari-jari r, dimasukkan ke dalam suatu fluida zat cair, maka bola tersebut akan jatuh dipercepat sampai suatu saat kecepatannya maksimum (Vmaks). Pada kecepatan Vmaks ini, benda akan bergerak beraturan karena gaya beratnya sudah diimbangi oleh gaya gesek fluida.

Besarnya gaya F yang dibutuhkan untuk menggeser satu bagian fluida didefinisikan sebagai:

Hukum Stokes

Menurut George Stokes besarnya gaya gesek pada fluida inilah yang disebut gaya stokes dengan koefisien viskositasnya η dengan konstanta k = 6πr. Sehingga gaya gesek (gaya stokes) dapat dirumuskan sebagai:

Jika sebuah benda berbentuk bola jatuh bebas dalam suatu fluida kental, kecepatannya akan bertambah karena pengaruh gravitasi bumi sehingga mencapai suatu kecepatan terbesar yang tetap. Kecepatan terbesar yang tetap tersebut dinamakan kecepatan terminal. Pada saat kecepatan terminal tercapai, berlaku keadaan:

Dengan :

v = kecepatan terminal (m/s)

η = koefisien viskositas fluida (Pa s)

r = jari-jari bola (m)

g = percepatan gravitasi (m/s²)

ρb = massa jenis bola (kg/m³)

ρf = massa jenis fluida (kg/m³)

Contoh Soal

1. Sebuah pipa kapiler dengan jari-jari (1 mm) dimasukkan kedalam air secara vertikal. Air memiliki massa jenis (1 g/cm²) dan tegangan permukaan (1 N/m). Jika, sudut kontaknya sebesar 60° dan percepatan gravitasinya adalah 10 m/s². Maka hitunglah besar kenaikkan permukaan air pada dinding pipa kapiler tersebut!

Pembahasan

Diketahui:

r = 1mm = 1 x 10⁻³ m

ρ = 1 g/cm² = 1000 kg/m³

γ = 1 N/m

θ = 60°

g = 10 m/s²

Ditanyakan: h….?

Jawab:

h=(2γ cos⁡θ)/ρgr

h=(2(1)cos⁡60° )/(1000(10)(1×10^-3)

h=(2×1⁄2)/(10000×10^-3)

h=1/10

h=0,1 m

h=10 cm

Jadi, permukaan air pada pipa kapiler naik setinggi 10 cm

2. Tentukanlah koefisien viskositas udara apabila kecepatan terminal satu tetes air hujan berdiameter 0,5 mm yang jatuh adalah 7,5 m/s. (Diketahui massa jenis udara = 1,3 kg/m³ dan percepatan gravitasi Bumi = 10 m/s²).

Pembahasan

Diketahui:

d = 0,5 mm -> r = d/2 = 0,5/2 = 0,25 mm = 0,25 x 10⁻³ m

V_T = 7,5 m/s

ρ_f = 1,3 kg/m³

ρ_b = 1000 kg/m³

g = 10 m/s²

Ditanyakan: η ….?

Jawab:

V_T = 2/9 (r²g)/η (ρ_b-ρ_f)

η = 2/9 (r²g)/V_T (ρ_b-ρ_f)

η = 2/9 ((0,25×10^-3)² (10))/7,5 (1000-1,3)

η = 1,85×10^-3 pa.s

Jadi, koefisien viskositas udara tersebut sebesar 1,85×10^-3 pa.s