Viskositas — Definisi, Rumus, dan Contoh

Viskositas mengukur seberapa kuat suatu fluida menahan aliran atau ketika satu lapisan meluncur melewati lapisan lain. Untuk fluida Newtonian dalam aliran geser sederhana, hubungan standarnya adalah

$$\tau = \mu \frac{du}{dy}$$

dengan $\tau$ sebagai tegangan geser, $\mu$ sebagai viskositas dinamis, dan $\frac{du}{dy}$ sebagai gradien kecepatan yang tegak lurus terhadap arah aliran.

Intuisi sederhananya, air mudah dituangkan karena viskositasnya rendah, sedangkan madu mengalir lambat karena viskositasnya tinggi. Rumus ini memerlukan syarat tertentu, tetapi gagasan utamanya tetap sama: viskositas yang lebih besar berarti hambatan terhadap deformasi lebih besar.

Apa arti viskositas

Viskositas menggambarkan gesekan internal dalam fluida. Jika satu lapisan fluida berusaha bergerak melewati lapisan lain, viskositas adalah sifat yang menahan gerakan saling meluncur itu.

Itulah sebabnya viskositas penting baik pada cairan maupun gas. Viskositas memengaruhi seberapa mudah fluida mengalir, seberapa besar hambatan yang muncul di dekat permukaan, dan seberapa banyak energi hilang dalam gerak fluida nyata.

Kapan rumus viskositas berlaku

Untuk fluida Newtonian dalam aliran geser sederhana, tegangan geser berbanding lurus dengan gradien kecepatan:

$$\tau = \mu \frac{du}{dy}$$

Ini sering disebut hukum viskositas Newton. Persamaan ini tidak berarti setiap fluida selalu berperilaku seperti ini dalam semua keadaan. Persamaan ini menyatakan bahwa jika fluidanya Newtonian, maka perbandingan antara tegangan geser dan laju geser tetap konstan, dan konstanta itu adalah $\mu$.

Dalam persamaan ini:

• $\tau$ adalah tegangan geser
• $\mu$ adalah viskositas dinamis
• $\frac{du}{dy}$ adalah laju perubahan kecepatan dari satu lapisan ke lapisan berikutnya

Satuan SI untuk viskositas dinamis adalah $\mathrm{Pa \cdot s}$, yang ekuivalen dengan $\mathrm{N \cdot s/m^2}$ atau $\mathrm{kg/(m \cdot s)}$.

Viskositas dinamis vs. viskositas kinematik

Viskositas dinamis $\mu$ menyatakan seberapa besar tegangan geser yang diperlukan untuk laju geser tertentu. Viskositas kinematik $\nu$ juga memperhitungkan massa jenis:

$$\nu = \frac{\mu}{\rho}$$

dengan $\rho$ sebagai massa jenis fluida.

Hal ini penting karena dua fluida dapat memiliki viskositas dinamis yang sama tetapi massa jenis yang berbeda, sehingga viskositas kinematiknya belum tentu sama. Viskositas kinematik sangat umum digunakan dalam tabel aliran fluida dan perhitungan bilangan Reynolds.

Contoh soal: tegangan geser antara dua pelat

Misalkan sebuah fluida Newtonian mengisi celah di antara dua pelat sejajar yang besar. Pelat bawah diam, pelat atas bergerak dengan kecepatan $0.30\ \mathrm{m/s}$, dan jarak antar pelat adalah $0.005\ \mathrm{m}$. Misalkan viskositas dinamis fluida adalah $\mu = 0.80\ \mathrm{Pa \cdot s}$.

Jika kita mengasumsikan profil kecepatan yang hampir linear di sepanjang celah, maka

$$\frac{du}{dy} = \frac{0.30}{0.005} = 60\ \mathrm{s^{-1}}$$

Sekarang gunakan hubungan viskositas:

$$\tau = \mu \frac{du}{dy}$$ $$\tau = (0.80)(60)$$ $$\tau = 48\ \mathrm{Pa}$$

Jadi, fluida memerlukan tegangan geser sebesar $48\ \mathrm{Pa}$ untuk mempertahankan gerakan tersebut. Jika susunan yang sama menggunakan viskositas yang lebih besar, tegangan geser yang diperlukan juga akan meningkat dengan perbandingan yang sama.

Contoh ini menunjukkan peran viskositas dengan jelas: viskositas menghubungkan seberapa cepat lapisan-lapisan yang berdekatan saling meluncur dengan seberapa besar tegangan geser yang dibutuhkan agar lapisan-lapisan itu tetap bergerak.

Kesalahan umum dalam soal viskositas

Menganggap viskositas punya satu rumus universal

Persamaan $\tau = \mu \frac{du}{dy}$ adalah model untuk fluida Newtonian. Banyak fluida nyata, seperti darah, cat, atau pasta gigi, dapat berperilaku non-Newtonian, sehingga hubungan antara tegangan dan laju geser tidak selalu sesederhana ini.

Tertukar antara viskositas dinamis dan kinematik

$\mu$ dan $\nu$ adalah besaran yang berbeda dengan satuan yang berbeda. Jika massa jenis berpengaruh dalam soal, pastikan Anda menggunakan besaran yang benar.

Melupakan syarat di balik rumus yang digunakan

Rumus geser standar paling mudah diterapkan pada aliran geser sederhana, seperti fluida di antara lapisan atau pelat yang bergerak berdekatan. Pada aliran yang lebih rumit, gagasan dasarnya tetap sama, tetapi matematikanya bisa lebih kompleks.

Menganggap viskositas tinggi selalu berarti kecepatan rendah

Viskositas yang lebih tinggi memang sering membuat aliran lebih sulit, tetapi kecepatan juga bergantung pada perbedaan tekanan, geometri, gravitasi, dan kondisi batas. Viskositas hanyalah satu bagian dari keseluruhan gambaran.

Di mana viskositas digunakan dalam fisika dan teknik

Viskositas penting dalam aliran pipa, pelumasan, aliran darah, aerodinamika, manufaktur, dan geofisika. Insinyur menggunakannya saat memperkirakan hambatan, kehilangan tekanan, rezim aliran, dan bagaimana fluida akan berperilaku di dekat permukaan.

Viskositas juga membantu menjelaskan pengamatan sehari-hari, seperti mengapa oli mesin berperilaku berbeda pada suhu yang berbeda dan mengapa sirup menyebar jauh lebih lambat daripada air.

Coba soal serupa

Gunakan contoh pelat yang sama, tetapi gandakan jarak antar pelat sambil mempertahankan kecepatan pelat atas dan fluidanya tetap sama. Prediksikan apa yang terjadi pada $\frac{du}{dy}$ dan tegangan geser sebelum menghitungnya, lalu periksa apakah keduanya menjadi setengahnya.