Ok kali ini kita akan membahas sesuatu yang beda dari postingan biasanya, jarang-jarang blog ini membahas secara khusus suatu bidang kajian ilmu. Blog ini memang pada dasarnya dibuat untuk mentrigger penulis, menyimpan catatan, dan hal lainnya yang terkait dengan ilmu pengetahuan apapun bidangnya dan informasi lain dari yang receh hingga non-receh. hahah -receh. skip.
Salah satu mata pelajaran yang cukup unik bagi penulis ketika SMA adalah fisika, karena mata pelajaran ini sangat menarik, imaginatif, tapi susah juga apalagi fisika itu tidak terlepas dengan hitungan matematika dari yang sederhana hingga kalkulus.
Di kesempatan ini penulis ingin berbagi sedikit tips dan cara memahami salah satu bab dari pelajaran Fisika SMA yaitu mekanika fluida. Kali aja ada adik-adik main ke blog ini kan, dari pada bingung mari kita belajar bersama.
Mekanika fluida di SMA tentunya masih di tahap dasar ya, dan tulisan ini hanya akan sampai membahas newtonian viscosity. Pada dasarnya kita bisa memulai pembahasan ini dengan 3 hal dasar berikut:
Basic thing
- Definisi
- Nature of Viscosity ... ...
Definisi
Sebelum kita mulai lebih jauh, kita bisa mulai pemabahasan ini dengan definisi terlebih dahulu. Jadi apa yang dimaksud dengan fluida?
Umumnya kita jika ditanya demikian mungkin akan menjawab "benda apapun yang mengalir" atau "sesuatu yang kita masukkan ke dalam suatu bejana maka bentuknya akan mengikuti bentuk bejana tersebut", atau jawaban serupa lainnya.
Tidak ada yang salah dengan jawaban demikian, namun kita bisa mengembangkan jawaban tersebut menjadi penejelasan yang lebih elegan. Dimana suatu definisi dapat digambarkan pada satu wujud yang utuh (unik).
Misal pemahaman kita terhadap fluida adalah "benda apapun yang mengalir" maka itu telalu luas, katakanlah pasir, pasir juga ketika dituang ke dalam bejana ia akan membentuk mengikuti volume bejana tersebut, tapi sudah jelas pasir bukalah fluida.
Maka jawaban elegan tentang definisi ini seperti ini
Fluida adalah sebuah substansi yang terdeformasi secara terus menerus ketika terkena/teraplikasi oleh tekanan geser
Intinya suatu substansi tersebut tak mampu menahan tekanan geser (shear stress) --simbol yunani: "𝜏"
Shear stress atau 𝜏 ini secara definisi juga merupakan perbandingan gaya geser/Shear force (F) dengan area (A).
Force di sini merupakan vektor (memiliki arah), disebut Shear Force itu ketika suatu gaya tersebut memiliki vektor yang paralel terhadap bidang yang diaplikasikan.
Sebenarnya definisi yang berbelit-belit ini bisa kita sederhanakan menjadikan formula. Kenapa menjadi formula? karena dengan formula juga kita bisa menjadikannya alat untuk mengukur sesuatu.
Maka lahirlah "Newton's Law of Viscosity" yang menyatakan bahwa 𝜏 itu berbanding dengan du (kecepatan) over dy (koordinat y dalam ruang):
Kita bisa illustrasikan bagaimana formula tersebut dapat diaplikasikan, sebagai berikut:
Katakanlah kita memiliki suatu bidang yang terbuat dari benda keras atau solid
Kemudian misalnya di atas permukaan tersebut ada lapisan cairan yang tipis (kita beri lambang delta δ)
lalu di atasnya kita taruh misalnya HP saya yang anti air yang memiliki Force dengan arah paralel permukaan cairan tsb.
Satu hal lagi, pada dasarnya ketika suatu benda diaplikasikan gaya dan memiliki arah, pasti benda tersebut akan bergerak dengan kecepatan tertentu. katakanlah kecepatan dalam hal ini adalah v dengan kecepatan konstan.
Maka dari sini, secara iamginatif kita bisa memprediksi bahwa ketika HP saya diaplikasikan tekanan, karena ia terapung di atas air maka air di bawahnya pun akan ikut bergerak, dan itulah yang dikuantifikasi dengan persamaan newtonian viscosity.
Sebagai informasi tambahan sebelum kita mengetahui bagaimana sebenarnya ia bergerak, adalah bahwa molekul air itu saling berikatan dengan molekul air sebelahnya. Ketika air bersentuhan dengan solid, maka molekul benda tersebut juga berikatan dengan molekul air (seberapapun lemahnya) - ini yang disebut dengan kohesi dan adhesi (semoga kita bisa membahasnya lain waktu).
Karena molekul pada cairan tersebut saling berkait erat tapi tidak terlalu kuat, maka dia juga bergerak ke kanan tapi tidak bergerak secepat molekul yang berada di atasnya. demikian pada pada molekul-molekul di bawahnya, hingga pada molekul terbawah yang berikatan dengan bidang yang tidak bergerak sehingga molekul tersebut juga tidak bergerak, ini yang disebut sebagai no slip condition.
Bisa kita perhatikan pada gambar di atas, bahwa ada persebarap kecepatan (u) berdasarkan koordinat y, inilah yang dikuantifikasi formula newton.
Berhubung delta di sini sangatlah kecil (milimeter atau bahkan lebih kecil lagi) maka kita bisa asumsikan bahwa persebaran kecepatan (u(y)) itu linear (lurus). Inilah yang disebut "du/dy" dalam formula newton, yakni perubahan (differentiate) u terhadap perubahan y.
pada dasarnya nweton ingin mengungkapkan bahwa apa yang kita masukan kedalam system (penyebab shear stress) itu menghasilkan "du/dy" sebagai akibat, relasi antara sebab dan akibat ini dienkapsulasi oleh persamaan tersebut.
Jadi bisa dikatakan symbol µ dalam newtons viscosity itu adalah Rate at which fluid deform (berapa cepat fluid itu teraplikasi ketika diberikan gaya geser) atau juga bisa disebut sebagai Absolute Viscosity
Nature of Viscosity
Pada pembahasan sebelumnya telah kita singgung sebuah notasi μ yang mewakili viscosity atau absolute viscosity. Ini merupakan properti dari kategori suatu fluida. fluida bisa dikategorisasi salah satunya dengan viskositasnya, seperti air, minyak dan lainnya meiliki viskositas yang berbeda.
μ merupakan proporsionaliti konstan yang menjadi jembatan antara tekanan geser dengan du/dy (variasi kecepatan ketika lapisan air diberi gaya geser)
Kita bisa ilustrasikan contoh viskositas dalam dunia nyata ini dengan mengguanakan grafik seperti berikut:
misal kita memiliki sebuah fluida (katakanlah air) yang padanya diaplikasikan sebuah tekanan geser, maka fluida tersebut akan bergerak sesuai dengan variasi du/dy. Maka kelengkungan pada hubungan tau dengan du/dy inilah viskositas air.
Kemudian bagaimana dengan benda yang memiliki viskositas lebih tinggi dari air, misalnya minyak itu membutuhkan forceyang lebih besar dari air untuk mendapat nilai persebaran yang sama, begitu juga dengan benda yang memiliki viskositas lebih rendah dari air seperti udara yang tidak butuh banyak force untuk mendapat nilai persebaran yang sama dengan air.
Kalau seluruh fluida memiliki sifat seperti tiga contoh fluida ini tentunya perhitungan akan sangat mudah, fluida ini yang dikenal sebagai newtonian fluida. Karena ada juga fluida non-newtonian yang sangat berbeda sifatnya, misalnya madu.
Madu ketika diberi Force ketika diaduk maka pergerakanya akan sangat lambat, namun ketika tidak diberi Force dan dituang begitu saja maka ia akan bergerak dengan mudah. Fenomena ini dikenal dengan Shear Thickenning (semoga bisa membahasnya di lain kesempatan tentang non-newtonian ini).
Demikianlah Nature dari viskositas, jadi viskositas itu tidak bisa disamakan dengan kekentalan (dua hal yang berbeda scr prinsip). Apapun itu yang menampilkan grafik linear, fluid itu disebut newtonian. Sisanya adalah non-newtonian fluid (seperti madu, mayonais, darah, dll.)
Sekian