Menyelidiki Hubungan Kecepatan Terminal Dan - HFI DIY

Bait Budi Hantoro / Menyelidiki Hubungan Kecepatan Terminal Dan Viskositas Zat Cair Dengan Video Analisis Tracker
35
Menyelidiki Hubungan Kecepatan Terminal Dan Viskositas Zat Cair
dengan Video Analisis Tracker
Bait Budi Hantoro, Suharno
Magister Pendidikan Fisika Universitas Ahmad Dahlan
Jl. Pramuka 42, Sidikan, Umbulharjo, Yogyakarta, 55161
[email protected]
Abstrak – Telah dilakukan penelitian untuk menentukan kecepatan terminal benda jatuh di dalam zat cair kemudian
menghitung viskositas zat cair tersebut dengan menganalisis video rekamannya. Kelereng yang jatuh di dalam air,
minyak goreng dan oli masing-masing dianalisis menggunakan software video analisis bernama Tracker, dan
didapatkan nilai besarnya kecepatan terminal kelereng di dalam masing-masing zat cair Kemudian besarnya viskositas
zat cair dapat dihitung dengan menggunakan persamaan Stokes. Dari hasil analisis dan perhitungan diperoleh bahwa
besarnya kecepatan terminal kelereng di dalam zat cair berbanding terbalik dengan viskositas zat cair tersebut. Semakin
besar viskositas zat cair semakin kecil kecepatan terminal kelereng. Dengan menggunakan video analisis tracker dapat
dianalisis kecepatan terminal benda yang jatuh di dalam zat cair dan viskositas zat cair.
Kata kunci: tracker, viskositas, kecepatan terminal
Abstract – Research has been conducted to determine the terminal velocity of a falling object in a liquid and then
calculate the liquid viscosity by analyzing video recordings. Marbles that fell in the water, cooking oil and oil
respectively were analyzed using video analysis software called Tracker, and obtained value of the magnitude of the
terminal velocity of marbles in the each of liquid, Then the magnitude of the viscosity of the liquid can be calculated
using Stokes equation. From the analysis and calculation shows that the magnitude of the terminal velocity of marbles in
the liquid is inversely proportional to the viscosity of the liquid. By using tracker video analysis can be analyzed
terminal velocity falling objects in liquids and liquid viscosity
Key words: tracker, viscocity, terminal velocity
I.
PENDAHULUAN
Analisis video digital menjadi semakin berpengaruh
dalam pendidikan fisika karena tampilan visual dapat
membuat pelajaran tradisional lebih menarik dan dapat
diakses bagi siswa. Karena itu belajar fisika dengan
analisis video digital, telah terus ditingkatkan dalam hal
perangkat keras, perangkat lunak serta isinya.
Dari file video yang direkam oleh sebuah kamera
digital konvensional atau Webcam, gerak suatu benda
dapat dianalisis.
Untuk tujuan ini, paket perangkat lunak komersial
seperti Vernier yang Logger Pro dan Coach CMA telah
dikembangkan. Bahkan Tracker oleh Open Source Fisika
tersedia sebagai freeware [1].
Paket perangkat lunak ini dapat digunakan dalam
pengajaran mekanika dasar dengan memvisualisasikan
gerak dan menganalisis posisi objek [2].
Salah satu fenomena alam yang menarik untuk diamati
adalah dinamika fluida. Dinamika fluida merupakan
bagian dari mekanika fluida, suatu kajian mengenai efek
yang ditimbulkan akibat interaksi obyek atau materi
dengan fluida atau fluida dengan fluida lain [3]. Pada
penelitian ini diselidiki benda jatuh di dalam zat cair
melalui analisis video menggunakan tracker.
II. DASAR TEORI
Apabila zat padat dijatuhkan ke dalam zat cair, maka
akan mendapat gaya hambat yang diakibatkan oleh gaya
gesek antara permukaan zat padat dengan zat cair tersebut
[3]. Sebagai contoh, apabila kita memasukkan sebuah
bola logam ke tabung yang berisi zat cair, akan terlihat
logam tersebut mula-mula turun dengan cepat kemudian
melambat sampai mencapai kecepatan konstan hingga
akhirnya berhenti di dasar zat cair. Ini berarti bahwa
selain gaya berat dan gaya angkat, pada zat cair masih
terdapat gaya lain yang bekerja pada logam tersebut.
Gaya lain yang berpengaruh tersebut adalah gaya gesek
yang disebabkan oleh kekentalan zat cair [3].
Besar kecilnya hambatan yang ditimbulkan oleh zat
cair dapat dipengaruhi oleh jenis zat cair yang digunakan
atau ukuran dan massa dari zat padat yang dijatuhkan [3].
Apabila jenis zat cair yang digunakan sama maka yang
berpengaruh terhadap besar kecilnya hambatan
ditentukan oleh ukuran dan massa dari benda yang
dijatuhkan. Semakin besar hambatan yang diberikan akan
mengakibatkan semakin lambat laju bola logam.
Sebaliknya jika semakin kecil hambatan yang
ditimbulkan oleh zat cair akan mengakibatkan semakin
cepat jatuhnya. Besar kecilnya hambatan yang
ditimbulkan oleh oleh zat cair dinamakan dengan
kekentalan atau viskositas [3].
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVIII HFI Jateng & DIY, Yogyakarta, 26 April 2014
ISSN : 0853-0823
36
Bait Budi Hantoro / Menyelidiki Hubungan Kecepatan Terminal Dan Viskositas Zat Cair Dengan Video Analisis Tracker
Penentuan besarnya koefisien kekentalan dari zat cair
dapat dilakukan dengan berbagai cara, salah satunya
dengan menggunakan hukum Stokes.
Khusus untuk benda berbentuk bola, gaya gesek zat
cair secara empiris dirumuskan dengan persamaan
6
,
(1)
dengan FS = gaya Stokes, η = koefisien kekentalan, r =
jari-jari bola kelereng, dan v = kecepatan relatif bola
terhadap zat cair (kecepatan terminal) [4].
Sebuah bola padat memiliki rapat massa ρb dan berjarijari r dijatuhkan tanpa kecepatan awal ke dalam zat cair
kental memiliki rapat massa ρc, di mana ρb > ρc.. Telah
diketahui bahwa bola mula-mula mendapat percepatan
gravitasi, namun beberapa saat setelah bergerak cukup
jauh bola akan bergerak dengan kecepatan konstan.
Kecepatan yang tetap ini disebut kecepatan akhir v atau
kecepatan terminal yaitu pada saat gaya berat bola sama
dengan gaya apung ditambah gaya gesekan zat cair
[5][6]. Gambar. 1 menunjukkan sistem gaya yang bekerja
pada bola yakni FA= gaya Archimedes, Fs = gaya Stokes,
dan W = mg = gaya berat bola.
Jika saat kecepatan terminal telah tercapai, pada
Gambar 1., berlaku hukum Newton tentang gerak lurus
beraturan, yaitu persamaan:
,
.
(2)
Jika ρb menyatakan rapat massa bola, ρc menyatakan
rapat massa zat cair, Vc menyatakan volume bola, dan g
menyatakan percepatan gravitasi bumi, maka berlaku
persamaan:
(3)
(4)
menggunakan Tracker. Alat yang digunakan terdiri dari
kamera digital dan Tracker untuk mengidentifikasi posisi
benda yang jatuh dan menganalisis variasi posisinya,
kemudian menentukan kecepatan terminal untuk
menghitung viskositas zat cair.
III. METODE PENELITIAN
A. Alat dan Bahan
1. Air, minyak goreng, oli
2. Kelereng
3. Tabung kaca dengan panjang 1 m dan diameter
3,85 cm sebagai tempat air.
4. Jangka sorong dengan ketelitian 0,005 cm untuk
mengukur diameter kelereng.
5. Neraca lengan untuk mengukur massa kelereng
dan massa zat cair.
6. Gelas ukur untuk mengukur volume zat cair.
7. Termometer untuk mengukur suhu air.
8. Laptop dan Software Tracker.
B. Prosedur Penelitian
1. Menyusun alat menjadi sistem perangkat
penelitian seperti pada Gambar 2.
2. Mengukur massa dan volume zat kelereng.
3. Mengukur suhu zat cair dengan termometer.
4. Menghitung rapat massa zat cair dengan
persamaan (6) dan (7).
5. Mengisikan zat cair ke dalam tabung kaca.
6. Menjatuhkan kelereng ke dalam zat air dengan
tanpa kecepatan awal.
7. Merekam kelereng yang jatuh ke dalam zat cair
dengan kamera.
8. Melakukan percobaan dari langkah ke-5 sampai
ke7 dengan masing-masing zat cair (air, minyak
dan oli).
9. Menganalisis video rekaman hasil eksperimen
dengan Software Video Analisis Tracker.
Gambar 2. Tabung kaca.
Gambar 1. Gaya yang bekerja pada saat bola di dalam air.
Rapat massa bola ρb dan rapat masa zat cair ρc dapat
diukur dengan menggunakan persamaan:
,
(5)
dengan mc = massa zat cair, Vc = volume zat cair [7].
Pada penelitian ini akan diteliti besarnya kecepatan
terminal dan koefisien kekentalan air dengan dengan
menggunakan analisis video benda jatuh di zat cair
C. Metode Analisis
Metode yang digunakan pada penelitian ini adalah
menganalisis video hasil rakaman gerak benda yang jatuh
di dalam zat cair dengan software Tracker. Dengan
melakukan tracking terhadap video rekaman gerak
kelereng yang jatuh di dalam zat cair, dapat diperoleh
data dan grafik kecepatan gerak jatuh kelereng.
Kemudian dari data tersebut dan ditambah dengan data-
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVIII HFI Jateng & DIY, Yogyakarta, 26 April 2014
ISSN : 0853-0823
Bait Budi Hantoro / Menyelidiki Hubungan Kecepatan Terminal Dan Viskositas Zat Cair Dengan Video Analisis Tracker
data lain dapat dihitung viskositas zat cair menggunakan
persamaan (1).
IV. HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Dari hasil analisis video rekaman kelereng yang jatuh
dalam masing-masing zat cair didapatkan hasil besarnya
kecepatan terminal kelereng (v) di dalam air sebesar
0,532 m/s, di dalam minyak sebesar 0,475 m/s dan di
dalam oli sebesar 0,159 m/s. Selanjutnya dengan
menggunakan persamaan (1) dan memasukkan nilai-nilai
yang diketahui didapatkan besarnya nilai viskositas (η)
air 0,398 poise, viskositas minyak goreng 0,473 poise dan
viskositas oli sebesar 1,448 poise. Tabel 3 adalah tabel
besarnya kecepatan terminal kelereng saat jatuh di dalam
masing-masing zat cair dan viskositas masing-masing zat
cair.
Hasil pengukuran didapatkan data seperti pada tabeltabel di bawah ini dengan massa kelereng = 5,4 gram =
5,4 x 10-3 kg, volume kelereng = 2,19 cm3 = 2,19 x 10-6
m3, dengan menggunakan g = 9,8 m/s2 didapatkan berat
kelereng (w) = 0,053 N. Dengan menggunakan
persamaan (2), (3), dan (4) diperoleh nilai gaya
Archimedes (FA) dan gaya Stokes (FS) yang dialami
kelereng pada Tabel 2.
37
Dari Tabel 3 dapat dilihat bahwa kecepatan
terminal yang dialami kelereng berbanding terbalik
dengan besarnya viskositas zat cair. Semakin besar
viskositas zat cair semakin kecil kecepatan terminal
kelereng.
V. KESIMPULAN
Berdasarkan hasil penelitian dan analisis, maka
dari penelitian ini dapat disimpulkan sebagai berikut:
1. Penggunaan video analisis tracker dapat membantu
menjelaskan peristiwa benda jatuh di dalam zat cair.
2. Kecepatan terminal kelereng berbanding terbalik
dengan viskositas zat cair
3. Dengan menggunakan video analisis tracker dapat
dianalisis kecepatan terminal benda yang jatuh di
dalam zat cair dan viskositas zat cair.
4. Ketepatan dalam penelitian ini sangat bergantung
pada kualitas video hasil rekaman dan ketelitian
dalam melakukan tracking hasil rekaman.
UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis mengucapkan terima kasih kepada Drs.
Suharno, M.Si, dosen pembimbing yang telah membantu
penelitian ini.
Tabel 1. Karakteristik bahan
Zat Cair
Air
Massa Jenis
Suhu
3
PUSTAKA
0
970 kg/m
24 C
Minyak goreng
(Bimoli)
879,6 kg/m3
250C
Oli (SAE 20W-50)
838,6 kg/m3
250C
Tabel 2. Gaya Archimedes dan gaya gesek yang dialami
kelereng
Gaya Archimedes
Zat Cair
Gaya Stokes (Fs)
(FA)
Air
0,021 N
0,032 N
Minyak goreng
0,019 N
0,034 N
Oli
0,018 N
0,035 N
Tabel 3. Kecepatan terminal Kelereng dan viskositas zat cair
Zat Cair
Kecepatan Terminal
(v) (m/s)
Viskositas (η)
(poise)
Air
0,532
0,398
Minyak goreng
0,475
0,473
Oli
0,159
1,448
[1] C. SirisathitkulI; P. Glawtanong; T. Eadkong; Y.
Sirisathitkul, Digital video analysis of falling
objects in air and liquid using Tracker, 2013.
Website:
http://www.scielo.br/scielo.php?pid=S180611172013000100020&script=sci_arttext,diakses
tanggal 3 Desember 2013
[2] Douglas Brown, Video Modelling with tracker,
2009. Website:
www.cabrillo.edu/~dbrown/tracker/AAPT_video_m
odeling_2009.pdf, diakses tranggal 3 Desember
2013
[3] Wikipedia.org, Viskositas, 2013. Website:
http://id.wikipedia.org/wiki/Viskositas,
diakses
tanggal 3 Desember 2013
[4] Wikipedia.org, Stoke’s law, 2013. Website:
http://en.wikipedia.org/wiki/Stoke’s_law,
diakses
tanggal 3 Desember 2013
[5] Wikipedia.org, Terminal_velocity, 2013. Website:
http://en.wikipedia.org/wiki/Terminal_velocity
[6] SEARS & ZEMANSKY, Fisika Universitas,
Penerbit Bina Cipta, Bandung, 1982.
[7] Batchelor,G.K, An introduction to Fluid dynamics,
Cambridge University Press, 2000.
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVIII HFI Jateng & DIY, Yogyakarta, 26 April 2014
ISSN : 0853-0823