Priska Jesika Monangin1306370726Teknik KimiaAplikasi Prinsip Kerja Mesin Attwood Dalam Menentukan Viskositas Zat CairI. Mesin AttwoodUntuk dapat memahami prinsip kerja dari mesin Attwood maka ditinjau dua buah benda yang bermassa m1 dan m2, yang dihubungkan dengan tali melalui sebuah katrol licin yang massanya diabaikan seperti ditunjukkan dalam Gambar 2.1. Jika dimisalkan m2 > m1 dan sistem dalam keadaan awal diam, maka tegangan tali dan percepatan benda dapat ditentukan. Dalam hal ini, jika dipilih arah ke atas sebagai percepatan bertanda positif, maka a adalah percepatan m1 dan percepatan m2 haruslah a. Gaya-gaya yang bekerja pada m1 dan m2 diperlihatkan pada gambar dengan T menunjukkan tegangan tali.

Gambar 1 Sistem Mesin Attwood (Dua Benda Bermassa Tidak SamaDigantungkan dengan Tali Melalui Katrol)Dari analisis pada Gambar 1, jika T1 menyatakan tegangan tali akibat m1, maka menurut hukun Newton II dan III berlaku persamaan gerak(1.1)

T1 m1g = m1adan untuk m2 persamaan geraknya adalah :T2 m2g = - m2a(1.2)

Untuk katrol licin dan massanya diabaikan, maka berlaku bahwaT1 = T2(1.3)

Dengan mengeliminasi persamaan (1.1) dan (1.2) ke persamaan (1.3), maka percepatan kedua benda tersebut adalah :(1.4)

dan tegangan talinya adalah

Besar tegangan tali dalam persamaan (1.5) selalu berada di antara berat benda yang bermassa m1 dan berat benda bermassa m2 dipercepat ke bawah, m2g haruslah lebih besar dari T.Analisis pada Gambar 1 di atas, belum diperhitungkan adanya gaya gesekan pada benda. Dari Gambar 1, jika dimisalkan ada gaya gesek Fg yang bekerja pada benda bermassa m2, maka menurut hukum Newton II dan III, persamaan gerak untuk m1 adalah(1.6)

T1 m1g = m1adan untuk m2 adalah(1.7)

T2 m2g = -m2a FgGaya gesekan Fg ini akan menyebabkan percepatan sistem berkurang.II. Viskositas Suatu FluidaFluida adalah suatu zat yang dapat mengalir. Jenis fluida tertentu mengalir lebih mudah jika dibandingkan dengan fluida lainnya. Mudah dan sukarnya fluida untuk mengalir berhubungan dengan suatu besaran yang disebut viskositas. Suatu fluida yang mengalir diantara lempeng yang sejajar (lihat Gambar 2), menunjukkan kecepatan alir fluida tergantung kepada jarak titik terhadap lempeng dan kecepatan alir fluida maksimum pada titik tengah antara kedua lempeng, kemudian berkurang dan mendekati nol pada tiap-tiap lempeng.Fluida yang terletak di antara dua lempeng dapat dianggap tersusun dari fluida-fluida tipis. Tiap lapisan mempunyai kecepatan alir yang berbeda tergantung pada letak lapisan dari lempeng. Perbedaan kecepatan aliran dari tiap-tiap lapisan menimbulkan gaya gesek antara lapisan-lapisan yang saling bersinggungan. Besarnya gaya gesek Fg berbanding lurus dengan luas permukaan lapisan A dan dengan gradien kecepatan aliran (dv/dy) yang dirumuskan sebagai berikut (Zemansky, Sears, 1994:343).(2.1)

Dengan adalah tetapan kesebandingan yang dinamakan viskositas. Persamaan (2.1) merupakan hukum Newton II untuk aliran fluida dan juga dapat ditulis menjadi persamaan berikut :(2.2)

Berdasarkan persamaan (2.2), maka viskositas didefinisikan sebagai perbandingan antara gaya gesek tiap satu saluran lapisan permukaan dengan gradien kecepatan aliran fluida.

Gambar 2 Kecepatan Aliran Fluida di antara Lempeng SejajarSatuan viskositas ialah satuan gaya kali jarak dibagi oleh luas kali percepatan, jadi dalam sistem cgs satuan viskositas adalah 1 dyne s cm-2, satuan ini disebut 1 poise. Viskositas terkecil dihitung dengan senti poise (cps) = 10-2 poise.III. Prinsip Pengukuran Viskositas untuk Benda yang Bergerak dalam FluidaSetiap benda yang akan bergerak di dalam fluida mendapat gaya gesekan disebabkan oleh kekentalan fluida tersebut sebanding dengan kecepatan relatif benda tersebut terhadap fluida (Orianto, Prakito, 1995:174).(3.1)

Fg = -KvDengan K adalah konstantaKhusus benda yang berbentuk bola dan bergerak di dalam fluida yang sifat-sifatnya tetap, gaya gesekan yang dialaminya adalah : (Orianto, Prakito, 1995:174).(3.2)

Fg = -6rvDengan Fg, r, dan v berturut-turut adalah gaya gesekan yang berkerja pada benda, jari-jari pipa, koefisien kekentalan fluida (viskositas) dan kecepatan benda dalam fluida. Persamaan (3.2) dikenal dengan hokum Stokes. Tanda negatif pada persamaan ini menunjukkan arah Fg yang berlawanan dengan arah kecepatan v.Pemakaian hokum Stokes memerlukan syarat-syarat sebagai berikut : (Orianto, Prakito, 1995:174).a. Ruang tempat fluida tidak terbatas (ukurannya cukup besar dibandingkan dengan ukuran benda).b. Tidak terjadi turbulensi di dalam fluida. Ini dicapai apabila nilai v tidak besar.Bila sebuah benda padat berbentuk bola dan mempunyai rapat massa dilepaskan pada permukaan zat cair tanpa kecepatan awal (jatuh bebas), bola tersebut mula-mula akan mendapat kecepatan, selanjutnya besarnya kecepatan bola menjadi konstan. Pada benda tersebut bekerja tiga buah gaya, yaitu gaya berat, gaya ke atas (Archimedes) yang dikerjakan fluida, dan gaya gesekan yang dikerjakan fluida (Fg). Bila bola telah bergerak dengan kecepatan konstan, maka berlaku persamaan (Kanginan, Marthen, 2006:132).(3.3)

dengan : rapat massa bola0: rapat massa fluida : koefisien kekentalan fluidaIV. Penentuan Viskositas dengan Menggunakan Prinsip Kerja Mesin AttwoodEksperimen menggunakan prinsip kerja mesin Attwood dalam menentukan viskositas zat cair yang terdiri dari sebuah roda yang dipasang pada sebuah penyangga dan pada dua sisinya dipasang massa m1 dan massa m2 (m1 dalam zat cair) bergerak ke bawah yang berarti massa m1 > m2.Apabila sistem bergerak dengan kecepatan konstan dengan gaya gesek (Fg) antara permukaan penyangga dan permukaan roda dianggap nol, maka dengan menggunakan prinsip persamaan (1.6) dan (1.7) didapatkan(4.1)

(T1 - T2) (m1 - m2)g + (Fg + Fb) = 0atau(4.2)

(T1 - T2) = mg - (Fg + Fb)Pada persamaan (4.1) dan (4.2) di atas dipilih untuk gaya yang arahnya ke atas bertanda positif dan m adalah m1 m2. Dari persamaan (4.2) apabila selisih antara (mg) dan (Fg + Fb) dibuat sekecil mungkin, maka tegangan tali T2 dapat dianggap sama dengan T1, sehingga persamaan (4.2) menjadi(4.3)

Fg = mg - FbdenganFg = -6 rv(4.4)

Dengan mendistribusikan gaya Stokes pada persamaan (4.4) ke dalam persamaan (4.3), maka didapatkan :(4.5)

Berdasarkan persamaan gerak lurus, maka gerak pada sistem Gambar 3 akan berlaku (Sears, F.W, 1991:338)(4.6)

dengan h adalah jarak yang ditempuh oleh benda pada saat bergerak dengan kecepatan konstan. Dengan mensubstitusikan persamaan (4.6) ke dalam persamaan (4.5) akan dihasilkan(4.7)

Persamaan (4.7) merupakan persamaan yang mendasari untuk eksperimen viskositas. Viskositas zat cair (minyak goreng) dapat ditentukan dengan mengukur waktu t dan massa m.

Daftar PustakaHalliday, D dan Resnick, R, 1992, Fiska. Jilid I Edisi Ketiga, Erlangga, JakartaKanginan, Marthen, 2007. Fisika Untuk SMA Kelas XI Semester 2. Erlangga, Jakarta.Milman dan Halkias, 1993. Elektronika Terpadu. Jilid Satu, Erlangga, Jakarta.Orianto, M, Pratikto, W.A, 1995, Mekanika Fluida I. Institut Sepuluh Nopember, Surabaya.Sears, Zemansky, 1994. Fisika Untuk Universitas I Mekanika Panas dan Bunyi. Trimitra Mandiri, Jakarta.