Viscosity

Dr. Yoga Satria Putra

Viscosity

• Pada fluida, tekanan geser muncul karena aliran viskos.
• Oleh karena itu, kita mengatakan bahwa benda padat bersifat elastis dan fluida bersifat viskos.
• Pada fluida yang diam, tidak akan ada tekanan geser.
• Kita akan melihat bahwa setiap fluida dapat dikategorikan dengan memeriksa hubungan antara tekanan geser yang diberikan dan aliran dari fluida tersebut.

Mekanisme munculnya Viskositas

• Mekanisme munculnya viskositas dapat dijelaskan melalui eksperimen gerak fluida di antara 2 pelat sejajar.
• Elemen fluida berbentuk persegi panjang tersebut awalnya diam pada waktu t.
• Anggaplah gaya konstan δFx diterapkan pada pelat atas sehingga pelat tersebut ditarik melintasi fluida pada kecepatan konstan δu.

Mekanisme munculnya Viskositas

• Tindakan geser relatif dari pelat tak berhingga menghasilkan tekanan geser, τyx, yang bekerja pada elemen fluida dan diberikan oleh persamaan berikut:

​

​

​

• di mana δAy adalah luas kontak elemen fluida dengan pelat dan δFx adalah gaya yang diberikan oleh pelat pada elemen tersebut.

Mekanisme munculnya Viskositas

• Gambaran elemen fluida pada waktu t, t+δt, dan t+2δt ditunjukkan pada Gambar 2.9a-c, yang menggambarkan deformasi elemen fluida dari posisi MNOP pada waktu t, menjadi MuNOPu pada waktu t+δt, menjadi MvNOPv pada waktu t+2δt, karena tekanan geser yang diberikan.
• JADI:
• FLUIDA AKAN terus menerus berdeformasi sebagai respons terhadap tekanan geser yang diberikan yang membedakannya dari benda padat.

Fluida Newtonian

• Newtonian Fluid adalah fluida yang memiliki viskositas (kekuatan gesekan internal) yang konstan, tidak tergantung pada besarnya gaya gesekan yang diberikan atau kecepatan aliran fluida tersebut.
• Dengan kata lain, viskositas Newtonian Fluid hanya dipengaruhi oleh suhu dan tekanan, bukan oleh kekuatan atau kecepatan alirannya.
• Contoh dari Newtonian Fluid adalah air, minyak, dan gas.

Fluida non-Newtonian

• Sedangkan fluida non-Newtonian adalah fluida yang viskositasnya dapat berubah tergantung pada kekuatan atau kecepatan alirannya.
• Hal ini disebabkan oleh sifat-sifat khusus dari fluida tersebut, seperti adanya partikel-partikel padat yang terlarut di dalamnya atau struktur molekul yang kompleks.

​

umumnya digunakan untuk menghitung viskositas tampak (apparent viscosity) dari fluida non-Newtonian.

• Di mana η adalah viskositas tampak, k adalah konstanta, j adalah tegangan geser (shear stress), du/dy adalah laju geser (shear rate), dan n adalah hukum daya (power-law).

​

Fluida non-Newtonian

• Perbedaannya adalah bahwa sementara μ konstan (kecuali untuk efek suhu), η tergantung pada laju geser. Kebanyakan fluida non-Newtonian memiliki viskositas tampak yang relatif tinggi dibandingkan dengan viskositas air.

Newtonian

Non-Newtonian

Fluida Newtonian dan Fluida non-Newtonian

• Fluida yang viskositas tampaknya menurun dengan meningkatnya laju deformasi (n < 1) disebut fluida pseudoplastic (atau shear thinning).
• Kebanyakan fluida non-Newtonian termasuk dalam kelompok ini; contohnya larutan polimer, suspensi koloid, dan bubur kertas dalam air.
• Jika viskositas tampak meningkat dengan meningkatnya laju deformasi (n > 1), fluida disebut dilatant (atau shear thickening).
• Contohnya suspensi pasir.
• Gambaran ini diperoleh ketika berada di pantai - jika Anda berjalan pelan-pelan (dan oleh karena itu menghasilkan laju geser yang rendah) pada pasir yang sangat basah, Anda akan tenggelam,
• tetapi jika Anda berlari di atasnya (menghasilkan laju geser yang tinggi), pasir akan sangat padat.

Fluida Newtonian dan Fluida non-Newtonian

• "Fluid" yang berperilaku sebagai padatan hingga tegangan ambang minimal, τy, terlampaui, dan kemudian menunjukkan hubungan linear antara tegangan dan laju deformasi disebut plastik ideal atau Bingham.
• Model tegangan geser yang sesuai adalah:

​

​

• di mana τyx adalah tegangan geser, τy adalah tegangan ambang, μ adalah viskositas plastik, dan du/dy adalah laju geser. Suspensi lempung, lumpur bor, dan pasta gigi adalah contoh dari zat yang menunjukkan perilaku ini.

Contoh soal (lihat buku teks)

Presentation title

11

20XX

Surface Tension

• Anda dapat mengetahui kapan mobil Anda membutuhkan polesan lilin: tetesan air cenderung terlihat sedikit rata. Setelah dipoles, Anda mendapatkan efek "beading" yang bagus.
• Kedua kasus ini ditunjukkan pada Gambar 2.11. Kami mendefinisikan cairan sebagai "basah" pada permukaan ketika sudut kontak θ < 90 °.
• Menurut definisi ini, permukaan mobil terbasahi sebelum dipoles, dan tidak terbasahi setelah dipoles.
• Ini adalah contoh efek yang disebabkan oleh tegangan permukaan.
• Setiap kali cairan bersentuhan dengan cairan atau gas lain, atau dalam hal ini permukaan gas / padat, suatu antarmuka berkembang yang bertindak seperti membran elastis yang diregangkan, menciptakan tegangan permukaan.

Surface Tension

• Ada dua fitur pada membran ini: sudut kontak, θ, dan besarnya tegangan permukaan, σ (N/m atau lbf/ft).
• Keduanya tergantung pada jenis cairan dan jenis permukaan padat (atau cairan atau gas lain) dengan yang ia berbagi antarmuka.
• Dalam contoh polesan mobil, sudut kontak berubah dari lebih kecil dari 90 ° menjadi lebih besar dari 90 °, karena, pada dasarnya, polesan mengubah sifat permukaan padat.
• Faktor-faktor yang mempengaruhi sudut kontak termasuk kebersihan permukaan dan kemurnian cairan.

Surface Tension

• Tegangan permukaan juga menghasilkan fenomena gelombang kapiler (yaitu gelombang dengan panjang gelombang sangat kecil) pada permukaan cairan,
• Dalam rekayasa, kemungkinan efek yang paling penting dari tegangan permukaan adalah terciptanya meniskus yang melengkung yang muncul pada manometer atau barometer, yang menyebabkan kenaikan (atau penurunan) kapiler yang biasanya tidak diinginkan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.12.
• Kenaikan ini mungkin lebih menonjol jika cairan berada dalam tabung berdiameter kecil atau celah sempit, seperti yang ditunjukkan pada Contoh 2.3.

Catatan:

• Meniscus adalah istilah yang digunakan untuk menggambarkan bentuk permukaan cairan yang terlihat melengkung pada tepi sebuah wadah atau tabung yang memuat cairan tersebut.
• Biasanya, meniscus muncul karena adanya tarikan permukaan cairan (surface tension) dan adhesi antara cairan dengan wadah atau tabung yang memuatnya.
• Meniscus sering dijumpai pada pengukuran cairan di laboratorium atau pada pengukuran tekanan di dalam manometer atau barometer.

Presentation title

15

20XX

Contoh soal (lihat di buku teks)

Presentation title

16

20XX

Viscous and Inviscid Flows

• Ketika Anda melemparkan bola melalui udara (seperti dalam permainan bisbol, sepak bola, atau olahraga lainnya), selain gravitasi, bola mengalami hambatan aerodinamika dari udara.
• Pertanyaannya adalah: Apa sifat gaya hambatan udara pada bola?
• Pada pandangan pertama, kita mungkin menyimpulkan bahwa itu disebabkan oleh gesekan udara saat mengalir melalui bola; sedikit pemikiran lebih lanjut mungkin akan menyimpulkan bahwa karena udara memiliki viskositas yang sangat rendah, gesekan mungkin tidak banyak berkontribusi pada hambatan, dan hambatan mungkin disebabkan oleh penumpukan tekanan di depan bola saat mendorong udara keluar dari jalan.

Viscous and Inviscid Flows

• Pertanyaannya adalah: Bisakah kita memprediksi sebelumnya kepentingan relatif dari gaya kental, dan gaya yang disebabkan oleh penumpukan tekanan di depan bola?
• Bisakah kita membuat prediksi serupa untuk benda apa pun, misalnya mobil, kapal selam, sel darah merah, yang bergerak melalui fluida apa pun, misalnya udara, air, plasma darah?
• Jawabannya (yang akan kita bahas secara lebih detail di Bab 7) adalah bahwa kita bisa! Ternyata kita dapat memperkirakan apakah gaya kental, dibandingkan dengan gaya tekanan, diabaikan dengan hanya menghitung bilangan Reynolds.

Viscous and Inviscid Flows

• Pertanyaannya adalah: Bisakah kita memprediksi sebelumnya kepentingan relatif dari gaya kental, dan gaya yang disebabkan oleh penumpukan tekanan di depan bola?
• Bisakah kita membuat prediksi serupa untuk benda apa pun, misalnya mobil, kapal selam, sel darah merah, yang bergerak melalui fluida apa pun, misalnya udara, air, plasma darah?
• Jawabannya (yang akan kita bahas secara lebih detail di Bab 7) adalah bahwa kita bisa! Ternyata kita dapat memperkirakan apakah gaya kental, dibandingkan dengan gaya tekanan, diabaikan dengan hanya menghitung bilangan Reynolds.

Viscous and Inviscid Flows

• Reynolds number dapat dihitung dengan membagi produk antara kepadatan fluida (ρ), viskositas fluida (μ), dan kecepatan (V) dengan ukuran karakteristik dari aliran (L).
• Jika nilai Reynolds number besar, maka efek viscous akan diabaikan dalam sebagian besar aliran (meskipun tetap memiliki konsekuensi penting).
• Sebaliknya, jika Reynolds number kecil, maka efek viscous akan dominan. Jika Reynolds number tidak besar dan tidak kecil, tidak dapat ditarik kesimpulan umum.

Viscous and Inviscid Flows

• Mari kita kembali sejenak pada konsep aliran bebas gesekan yang ideal, yang disebut aliran tidak bersifat kental.
• Jika teori ini diterapkan pada bola yang terbang melalui udara (aliran yang juga tidak dapat dipadatkan), ia memprediksi garis arus (dalam koordinat yang terpasang pada bola) seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.14a.

Viscous and Inviscid Flows

• teori aliran tanpa gesekan (inviscid flow) tidak sesuai dengan kenyataan di lapangan.
• Meskipun teori ini diterapkan pada bola yang terbang di udara, yang juga mengalami aliran yang tak dapat dipadatkan (incompressible), teori ini memprediksi hasil tanpa hambatan.
• Namun, dalam kenyataannya, gesekan masih ada dan harus diperhitungkan.
• Untuk memecahkan paradoks ini, Prandtl menemukan bahwa meskipun gesekan umumnya diabaikan untuk aliran dengan Reynolds number yang tinggi, tetap ada lapisan batas tipis (boundary layer) di mana gesekan signifikan dan kecepatan meningkat drastis dari nol (di permukaan) hingga nilai yang diprediksi oleh teori aliran tanpa gesekan (inviscid flow) pada ujung luar dari lapisan batas.

Laminar and Turbulent Flows

• Aliran fluida dapat berupa laminar atau turbulent, di mana aliran laminar terjadi ketika partikel fluida bergerak dalam lapisan yang halus, sedangkan aliran turbulent terjadi ketika partikel fluida bercampur secara acak karena fluktuasi kecepatan tiga dimensi.
• Dalam sebagian besar masalah mekanika fluida, seperti aliran air dalam pipa, turbulensi adalah fenomena yang tidak diinginkan tetapi seringkali tidak dapat dihindari karena menghasilkan hambatan yang lebih besar terhadap aliran.
• Namun, pada beberapa masalah, seperti aliran darah melalui pembuluh darah, turbulensi diinginkan karena pencampuran acak memungkinkan semua sel darah untuk menghubungi dinding pembuluh darah untuk bertukar oksigen dan nutrisi lainnya.
• Analisis aliran turbulen sangat sulit karena adanya fluktuasi kecepatan tinggi yang acak.

Laminar and Turbulent Flows

• Dalam aliran laminar satu dimensi, tegangan geser berhubungan dengan gradien kecepatan dengan hubungan sederhana:

• Untuk aliran turbulen yang medan kecepatan rata-ratanya satu dimensi, tidak ada hubungan sederhana yang valid.
• Fluktuasi kecepatan acak tiga dimensi (uu, vu, dan wu) memindahkan momentum melintasi garis aliran rata-rata, meningkatkan tegangan geser efektif.
• Akibatnya, dalam aliran turbulen tidak ada hubungan universal antara medan tegangan dan medan kecepatan rata-rata.
• Jadi dalam aliran turbulen kita harus sangat bergantung pada teori semi empiris dan data eksperimen

Laminar and Turbulent Flows

• Jenis aliran yang dapat dikategorikan sebagai aliran tidak dapat dimampatkan (incompressible) atau aliran dapat dimampatkan (compressible) tergantung dari apakah variasi kepadatan fluida dianggap dapat diabaikan atau tidak.
• Aliran gas biasanya termasuk dalam kategori aliran dapat dimampatkan, sedangkan aliran cairan sering kali dianggap sebagai aliran tidak dapat dimampatkan.
• Namun, pada tekanan tinggi, efek kompresibilitas pada cairan dapat menjadi penting.
• Perubahan tekanan dan kepadatan dalam cairan saling terkait melalui modulus kompresibilitas massa jenis, atau modulus elastisitas.

THANK YOU

Presentation title

27

20XX