Analisis Interaksi antar Butiran pada Proses Segregasi...
10
30 November 2017 PROSIDING SKF 2017 Analisis Interaksi antar Butiran pada Proses Segregasi Granular Campuran Memanfaatkan Fenomena Efek Kacang Brazil Wahyuni Andariwulan 1,a) , Putri Mustika Widartiningsih 2,b) , Dimas Praja Purwa Aji 3,c) dan Sparisoma Viridi 4,d) 1 Program Sarjana Fisika, Kelompok Keilmuan Fisika Nuklir dan Biofisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Teknologi Bandung, Jl. Ganesha no. 10 Bandung, Indonesia, 40132 2 Program Magister Fisika, Kelompok Keilmuan Fisika Nuklir dan Biofisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Teknologi Bandung, Jl. Ganesha no. 10 Bandung, Indonesia, 40132 3 Program Magister Sains Komputasi, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Teknologi Bandung, Jl. Ganesha no. 10 Bandung, Indonesia, 40132 4 Laboratorium Biofisika, Kelompok Keilmuan Fisika Nuklir dan Biofisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Teknologi Bandung, Jl. Ganesha no. 10 Bandung, Indonesia, 40132 a) [email protected] b) [email protected] c) [email protected] d) [email protected] Abstrak Salah satu pemanfaatan Efek Kacang Brazil (EKB) yang terkenal adalah pemisahan butiran atau segregasi pada campuran yang terdiri dari dua jenis karakteristik butiran. Perbedaan karakteristik tersebut dapat berupa perbedaan massa, massa jenis, ukuran, dan bentuk. Pada segregasi granular menunjukkan bahwa saat diberi getaran luar, butiran yang diameternya lebih besar (intruder) dapat bergerak ke atas sedangkan pergerakan butiran kecil (bed particles) menuju ke bawah. Eksperimen yang kami lakukan bertujuan untuk menganalisis interaksi antar butiran yang berbeda ukuran melalui penyusunan butiran pada kondisi awal. Telah dilakukan penyusunan kondisi awal sebelum sistem digetarkan arah vertikal. Pertama membentuk dua lapisan horizontal dengan butiran besar di bawah, kedua membentuk dua lapisan vertikal, ketiga lapisan butiran besar-kecil-besar-kecil, kondisi ini diaplikasikan dalam arah vertikal dan horizontal sehingga totalnya menjadi empat jenis kondisi awal. Interaksi antar pertikel butiran yang teramati lebih jelas pada susunan horizontal. Aliran konveksi bergantung pada kondisi awal susunan partikel. Kata-kata kunci: Bed Particles, Intruder ISBN: 978-602-61045-3-3 195
Transcript of Analisis Interaksi antar Butiran pada Proses Segregasi...
30 November2017
PROSIDINGSKF2017
Analisis Interaksi antar Butiran pada Proses Segregasi
Granular Campuran Memanfaatkan Fenomena Efek
Kacang Brazil
Wahyuni Andariwulan1,a), Putri Mustika Widartiningsih2,b), Dimas Praja
Purwa Aji3,c) dan Sparisoma Viridi4,d)
1Program Sarjana Fisika,
Kelompok Keilmuan Fisika Nuklir dan Biofisika,
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Teknologi Bandung,
Jl. Ganesha no. 10 Bandung, Indonesia, 40132
2Program Magister Fisika,
Kelompok Keilmuan Fisika Nuklir dan Biofisika,
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Teknologi Bandung,
Jl. Ganesha no. 10 Bandung, Indonesia, 40132
3Program Magister Sains Komputasi,
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Teknologi Bandung,
Jl. Ganesha no. 10 Bandung, Indonesia, 40132
4Laboratorium Biofisika,
Kelompok Keilmuan Fisika Nuklir dan Biofisika,
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Teknologi Bandung,
Jl. Ganesha no. 10 Bandung, Indonesia, 40132
a) [email protected]) [email protected]
c) [email protected]) [email protected]
Abstrak
Salah satu pemanfaatan Efek Kacang Brazil (EKB) yang terkenal adalah pemisahan butiran atau segregasi
pada campuran yang terdiri dari dua jenis karakteristik butiran. Perbedaan karakteristik tersebut dapat
berupa perbedaan massa, massa jenis, ukuran, dan bentuk. Pada segregasi granular menunjukkan bahwa
saat diberi getaran luar, butiran yang diameternya lebih besar (intruder) dapat bergerak ke atas sedangkan
pergerakan butiran kecil (bed particles) menuju ke bawah. Eksperimen yang kami lakukan bertujuan untuk
menganalisis interaksi antar butiran yang berbeda ukuran melalui penyusunan butiran pada kondisi awal.
Telah dilakukan penyusunan kondisi awal sebelum sistem digetarkan arah vertikal. Pertama membentuk dua
lapisan horizontal dengan butiran besar di bawah, kedua membentuk dua lapisan vertikal, ketiga lapisan
butiran besar-kecil-besar-kecil, kondisi ini diaplikasikan dalam arah vertikal dan horizontal sehingga
totalnya menjadi empat jenis kondisi awal. Interaksi antar pertikel butiran yang teramati lebih jelas pada
susunan horizontal. Aliran konveksi bergantung pada kondisi awal susunan partikel.
Kata-kata kunci: Bed Particles, Intruder
ISBN: 978-602-61045-3-3 195
30 November2017
PROSIDINGSKF2017
PENDAHULUAN
Material butiran adalah material yang sering kita temukan dalam kehidupan sehari-hari, seperti kopi, gula
pasir, garam, beras, jagung,dan pasir. Material butiran atau granular terdiri dari butiran berdimensi kecil
dalam jumlah besar. Material butiran dapat berwujud padat, cair, atau gas. Pada sistem tertentu, ketiga
karakter zat ini bisa muncul bersamaan [1]. Salah satu fenomena menarik tentang material butiran adalah efek
kacang brazil. Efek kacang Brazil terjadi bila ada dua material butrian dengan dan ukuran berbeda digetarkan.
Butiran besar (intruder) yang pada kondisi awal berada di bawah butiran kecil (bed particles) akan bergerak
ke atas dan melawan gravitasi saat bergetar [2]. Efek ini merupakan salah satu bentuk segregasi dalam
material butiran. Segregasi dapat terjadi karena perbedaan karakteristik butiran berupa perbedaan massa,
massa jenis, ukuran, dan bentuk.
Konveksi Granular
Dalam segregasi granular, gesekan pada dinding wadah (tempat pencampuran) dapat menyebabkan aliran
konveksi dalam campuran yang diberi getaran secara vertikal. Partikel – partikel yang bersebelahan dengan
dinding mengalami kekuatan geser yang lebih kuat dari pada di bagian tengah sehingga memunculkan
gulungan konveksi yang mengarah ke bawah ke dinding samping dan ke atas melalui bagian tengah, [3,4].
METODE EKSPERIMEN
Gambar 1. Rangkaian set eksperimen, bagian 1 Signal Generator, bagian 2 Amplifier, bagian 3 Kacang Brazil
yang ditempatkan di atas speaker, bagian 4 Kamera
Pada eksperimen ini, material butiran ditempatkan di dalam wadah akrilik berbentuk kotak dengan
dimensi 20 x 10 cm. Bed particles dan intruder dibentuk dua dimensi berbahan akrilik dengan diameter
masing-masing 47 mm dan 68 mm. Sistem terdiri dari 250 bed particles dan 50 intruder dengan total
ketinggian 6 cm. Pada eksperimen dilakukan penyusunan kondisi awal sebelum sistem digetarkan dengan
arah vertikal. Telah dilakukan penyusunan kondisi awal sebelum sistem digetarkan arah vertikal. Pertama
membentuk dua lapisan horizontal dengan butiran besar di bawah, kedua membentuk dua lapisan vertikal,
ketiga lapisan butiran besar-kecil-besar-kecil, kondisi ini diaplikasikan dalam arah vertikal dan horizontal.
Sistem digetarkan dengan frekuensi 14 Hz, digetarkan selama 180 detik. Setiap 5 detik dilakukan
pengambilan gambar untuk mengetahui perubahan kondisi partikel-partikel pada sistem.
(a)
14 Hz
1
2
3
4
ISBN: 978-602-61045-3-3 196
30 November2017
PROSIDINGSKF2017
(b)
Gambar 2a. Kondisi awal sistem: dua lapisan horizontal, empat lapisan horizontal, dua lapisan vertikal, empat
lapisan vertikal. Gambar 2b. Menunjukkan pembagian area.
HASIL DAN DISKUSI
Pengolahan data dilakukan dengan menghitung jumlah intruder dan bed particles berdasarkan ketinggian
sistem partikel atau pada sumbu-y dengan membagi area menjadi tiga : 0<y<2, 2<y<4, 4<y<6 dan posisinya
berdasarkan lebar wadah atau pada sumbu-x dengan membagi area menjadi empat : 0<x<2.5, 2.5<x<5,
5<x<7.5, 7.5<x<10.
Dua Lapisan Horizontal
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
0
20
40
60
80
100
120
140
160
N
Waktu (s)
Intruder
Bed Particles
0<y<2
(a)
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
0
20
40
60
80
100
120
N
Waktu (s)
Intruder
Bed Particles
2<y<4
(b)
ISBN: 978-602-61045-3-3 197
30 November2017
PROSIDINGSKF2017
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
0
20
40
60
80
100
120
140
N
Waktu (s)
Intruder
Bed Particles
4<y<6
(c)
Gambar 3. Jumlah partikel butiran terhadap waktu pada sumbu y (mengacu pada ketinggian wadah) pada kondisi
awal dua lapisan horizontal. . Gambar (a) 0<y<2. Gambar (b) 2<y<4. Gambar (c) 4<y<6.
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
0
10
20
30
40
50
60
70
80
N
Waktu (s)
intruder
bed particles
0<x<2.5
(a)
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
10
20
30
40
50
60
70
80
N
Waktu (s)
intruder
bed particles
2.5<x<5
(b)
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
N
Waktu (s)
intruder
bed particles
5<x<7.5
(c)
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
N
Waktu (s)
intruder
bed particles
7.5<x<10
(d) Gambar 4. Perubahan jumlah partikel butiran terhadap waktu pada sumbu x (mengacu pada lebar wadah, dari kiri
ke kanan) pada kondisi awal dua lapisan horizontal. Gambar (a) 0<x<2,5. Gambar (b) 2,5<x<5. Gambar (c)
5<x<7,5. Gambar (d) 7,5<x<10.
Berdasarkan hasil percobaan, pada kondisi awal dua lapisan horizontal, intruder yang awalnya disusun di
bawah permukaan perlahan-lahan naik ke atas permukaan ketika diberi getaran dan menyebabkan bed
particles turun ke bagian. Gambar 3 menunjukkan perubahan jumlah intruder dan bed particles terhadap
waktu dimana jumlah intruder pada bagian atas semakin banyak dan sebaliknya jumlah bed particles semakin
sedikit. Pada area 0<y<2 terjadi perubahan yang signifikan dari jumlah intruder dan bed particles, dapat
dilihat di sekitar detik ke-10 dan ke-15 terjadi perpotongan kurva antara intruder dan bed particles. Pada area
ISBN: 978-602-61045-3-3 198
30 November2017
PROSIDINGSKF2017
2<y<4 perubahan partikel cenderung konstan. Pada area 4<y<6 juga menunjukkan perubahan yang signifikan
dari jumlah intruder dan bed particles, dapat dilihat pada detik ke-100.
Pada gambar 4 menunjukkan perubahan posisi yang menyatakan jumlah partikel pada sumbu x.
Perubahan posisi partikel terjadi secara signifikan pada area 0 < x < 2.5, koordinat ini menyatakan salah satu
dinding dari wadah akrilik (dinding sebelah kiri). Pada kondisi ini partikel-partikel di dalam sistem hanya
mengalami konveksi di salah satu sisi. Jika melihat kondisi awal, hal ini teraji karena struktur lapisan intruder
pada sisi yang lain lebih renggang atau kerapatan intruder pada sisi ini lebih kecil dari pada sisi yang lain,
sehingga ketika diberi getaran bed particles menekan sisi tersebut menyebabkan intruder naik ke permukaan
melalui sisi yang lain.
Empat Lapisan Horizontal
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
170
180
N
Waktu (s)
intruder
bed particles
0<y<2
(a)
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
N
Waktu (s)
intruder
bed particles
2<y<4
(b)
ISBN: 978-602-61045-3-3 199
30 November2017
PROSIDINGSKF2017
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
N
Waktu (s)
intruder
bed particles
4<y<6
(c) Gambar 5. Jumlah partikel butiran terhadap waktu pada sumbu y (mengacu pada ketinggian wadah) pada kondisi
awal empat lapisan horizontal. Gambar (a) 0<y<2. Gambar (b) 2<y<4. Gambar (c) 4<y<6.
Berdasarkan hasil percobaan, pada kondisi awal empat lapisan horizontal, perubahan jumlah intruder dan
bed particles tidak terjadi begitu signifikan. Berdasarkan gambar 5, mulai detik ke-145 menunjukkan
perubahan yang cukup besar di semua area dan pada detik ke-180 menunjukkan perubahan nilai yang besar
antara intruder dan bed particles di area 0<y<2 dan area 4<y<6.
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
N
Waktu (s)
intruder
bed particles
0<x<2.5
(a)
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
N
Waktu (s)
intruder
bed particles
2.5<x<5
(b)
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
N
Waktu (s)
intruder
bed particles
5<x<7.5
(c)
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
N
Waktu (s)
intruder
bed particles
7.5<x<10
(d) Gambar 6. Perubahan jumlah partikel butiran terhadap waktu pada sumbu x (mengacu pada lebar wadah, dari kiri
ke kanan) pada kondisi awal empat lapisan horizontal. Gambar (a) 0<x<2,5. Gambar (b) 2,5<x<5. Gambar (c)
5<x<7,5. Gambar (d) 7,5<x<10.
Berdasarkan gambar 6, pada kondisi awal dengan empat lapisan horizontal menunjukkan bahwa tidak
terjadinya aliran konveksi dari sistem partikel di dalam wadah. Pada detik ke-5 menunjukkan perubahan
jumlah bed particles yang cukup besar pada area 0<x<2,5 dan area 7,5<x<10, namun setelah itu perubahan
ISBN: 978-602-61045-3-3 200
30 November2017
PROSIDINGSKF2017
jumlah partikel cenderung stabil. Mulai detik ke-120 menunjukkan perubahan jumlah yang besar pada area
7,5<x<10 dimana jumlah intruder pada area ini lebih besar dari pada area lainnya.
Dua Lapisan Vertikal
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
0
20
40
60
80
100
120
140
N
Waktu (s)
Intruder
Bed Particles
0<y<2
(a)
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
0
20
40
60
80
100
120
N
Waktu (s)
Intruder
Bed Particles
2<y<4
(b)
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
0
20
40
60
80
100
120
N
Waktu (s)
Intruder
Bed Particles
4<y<6
(c)
Gambar 7. Jumlah partikel butiran terhadap waktu pada sumbu y (mengacu pada ketinggian wadah) pada kondisi
awal dua lapisan vertikal. Gambar (a) 0<y<2. Gambar (b) 2<y<4. Gambar (c) 4<y<6.
Berdasarkan gambar 7, pada kondisi awal dua lapisan vertikal, perubahan signifikan dari jumlah intruder
dan bed particles cenderung tidak terjadi. Perubahan terjadi pada detik ke-40 namun setelah itu perubahan
jumlah partikel kecil. Pada kondisi akhir hanya sedikit dari intruder yang berada di permukaan.
ISBN: 978-602-61045-3-3 201
30 November2017
PROSIDINGSKF2017
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
0
20
40
60
80
100
N
Waktu (s)
Intruder
Bed Particles
0<x<2,5
(a)
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
0
20
40
60
80
100
N
Waktu (s)
Intruder
Bed Particles
2,5<x<5
(b)
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
0
20
40
60
80
100
N
Waktu (s)
Intruder
Bed Particles
5<x<7,5
(c)
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
0
20
40
60
80
100
N
Waktu (s)
Intruder
Bed Particles
7,5<x<10
(d) Gambar 8. Perubahan jumlah partikel butiran terhadap waktu pada sumbu x (mengacu pada lebar wadah, dari kiri
ke kanan) pada kondisi dua lapisan vertikal. Gambar (a) 0<x<2,5. Gambar (b) 2,5<x<5. Gambar (c) 5<x<7,5.
Gambar (d) 7,5<x<10.
Berdasarkan gambar 8, menunjukkan perubahan jumlah partikel pada sumbu-x yang cukup terlihat hanya
pada area 0<x<2,5. Partikel-partikel cenderung tidak menunjukkan interaksi yang besar.
Empat Lapisan Vertikal
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
0
20
40
60
80
100
N
Waktu (s)
Intruder
Bed Particles
0<y<2
(a)
ISBN: 978-602-61045-3-3 202
30 November2017
PROSIDINGSKF2017
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
0
20
40
60
80
100
N
Waktu (s)
Intruder
Bed Particles
4<y<2
(b)
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
0
20
40
60
80
100
120
140
N
Waktu (s)
Intruder
Bed Particles
2<y<6
(c)
Gambar 9. Jumlah partikel butiran terhadap waktu pada sumbu y (mengacu pada ketinggian wadah) pada kondisi
awal empat lapisan vertikal. Gambar (a) 0<y<2. Gambar (b) 2<y<4. Gambar (c) 4<y<6.
Berdasarkan gambar 8, pada kondisi awal empat lapisan vertikal, partikel cenderung tidak mengalami
perpindahan yang besar pada sumbu-y. Hal ini juga terjadi pada sumbu-x
KESIMPULAN
Pada susunan secara horizontal interaksi antar partikel butiran pada sistem yang diberi getaran secara
vertikal bergantung pada kondisi awal sistem. Kondisi awal sistem mempengaruhi pergerakan bed particles
dan intruder. Aliran konveksi terjadi apabila mayoritas jumlah intruder berada di bagian bawah dengan
mayoritas bed particles berada dibagian atas, efek ini tidak terlihat jika bed particles dan intruder disusun
beberapa lapisan. Aliran konveksi dipengaruhi kerapatan intruder pada kondisi awal. Pada susunan vertikal,
interaksi antar partikel butiran pada sistem yang diberi getaran secara vertikal kurang teramati, intruder
cenderung tidak mengalami perpindahan ke bagian atas permukaan .
UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis mengucapkan terima kasih kepada berbagai pihak yang telah membantu dalam penulisan makalah
ini.
ISBN: 978-602-61045-3-3 203
30 November2017
PROSIDINGSKF2017
REFERENSI
1. Liao C-C, Hsiau, S-S and Wu C-S 2014, Combined effects of internal friction and bed height on the
Brazil-nut problem in a shaker, Powder Technol. 253 561 (2014)
2. Rosato A, Strandburg K J, Prinz F and Swendsen R H 1987, Why the Brazil Nuts Are on Top: Size
Segregation of Particulate Matter by Shaking, Phys. Rev. Lett. 58 1038 (1987)
3. Matthias Schröter,Stephan Ulrich, Jennifer Kreft, Jack B. Swift, and Harry L. Swinney, Mechanisms
in the size segregation of a binary granular mixture, Physical Review E 74 (2006) 011307.
4. Stephan Ulrich, Matthias Schröter, and Harry L. Swinney, Influence of friction on granular
segregation, Physical Review E 76 (2007) 042301
ISBN: 978-602-61045-3-3 204
