Pembuatan Media Pembelajaran Untuk Pengukuran Viskositas

Pembuatan Media Pembelajaran Untuk Pengukuran
Viskositas dengan Menggunakan Viskometer Dua
Kumparan
Angi Oktaviara1,*, Nur Aji Wibowo 1,2, Made Rai Suci Shanti 1,2
1
Program Studi Pendidikan Fisika, Fakultas Sains dan Matematika
2
Program Studi Fisika, Fakultas Sains dan Matematika
Universitas Kristen Satya Wacana
Jl. Diponegoro 52 – 60 Salatiga 50711, Jawa Tengah, Indonesia
e-mail : [email protected](*)
Abstrak
Banyak cara pengukuran viskositas yang pernah
dilakukan, pada penelitian ini digunakan metode dua
kumparan untuk mengukur viskositas pada bola
jatuh. Metode ini dilakukan dengan mengukur
kekentalan cairan dengan menggunakan dua buah
kumparan yang dihubungkan dengan osiloskop dan
software freewave3. Dengan memberikan sinyal
sinusoidal pada kumparan dan menjatuhkkan bola
kedalam tabung yang berisi fluida, akan didapatkan
informasi perubahan tegangan dan waktu saat bola
tepat melewati kumparan. Dari data tersebut dapat
dihitung besar kecepatan terminal bola. Kecepatan
terminal bola ditentukan menghitung gradient dari
grafik jarak terhadap waktu. Sehingga didapatkan
nilai viskositas oli sebesar
. Lembar
kerja siswa diuji cobakan pada beberapa mahasiswa
dan didapatkan 91.7% mahasiswa menganggap
bahwa pengukuran viskositas dengan menggunakan
viskometer dua kumparan adalah hal baru bagi
mereka, mudah diikuti, mempermudah dalam
memahami dan menghitung viskositas fluida, dan
memotivasi mereka dalam belajar fisika.
Kata kunci : viskositas, kecepatan terminal, dua
kumparan , fluida
1. Pendahuluan
Percobaan fisika dalam perkuliahan sangat membantu dalam memahami
materi yang disampaikan, salah satunya viskositas zat cair. Salah satu sifat zat
cair adalah kental (viscous) di mana zat cair memiliki koefisien kekentalan
yang berbeda-beda, misalnya kekentalan minyak goreng berbeda dengan
kekentalan oli. Dengan sifat ini zat cair banyak digunakan dalam dunia
otomotif yaitu sebagai pelumas mesin. Telah diketahui bahwa pelumas yang
dibutuhkan tiap-tiap tipe mesin membutuhkan kekentalan yang berbedabeda. Sehingga sebelum menggunakan pelumas merek tertentu harus
1
diperhatikan terlebih dahulu koefisien kekentalan pelumas sesuai atau tidak
dengan tipe mesin1.
Kekentalan fluida yang dapat ditentukan secara kuantitatif dengan
besaran yang disebut koefisien viskositas ( ). Pada dasarnya viskositas hanya
berkaitan dengan cairan. Alat pengukur viskositas suatu cairan disebut
viskometer2.
Ada beberapa metode untuk mengukur suatu viskositas cairan yaitu
metode bola jatuh , bola bergulir, pipa kapiler, rotasi silinder kosentris, dan
rotasi kerucut plat2.
Diantara metode tersebut, metode bola jatuh adalah metode yang sering
digunakan karena kesederhanaannya pengukuran metode bola jatuh
dilakukan menggunakan camera digital dilakukan oleh Carles Viktor N.S,
menggunakan jarum suntik dilakukan oleh Eunike R Dade dan menggunakan
program mikrokontroler dilakukan oleh Stefanus Hermawan. Kesederhanaan
pengukuran ini karena pengukuran dilakukan hanya menghitung kecepatan
bola jatuh di dalam fluida. Pengukuran viskositas dalam penelitian kali ini
dilakukan dengan dua kumparan karena kumparan mudah dijumpai dan
mudah dibuat. Selain itu kelebihan dari alat ini adalah memanfaatkan alatalat yang sederhana yang tersedia seperti selang plastik , kumparan, bola
besi, osiloskop, alat ukur arus atau tegangan.
Adapun tujuan dalam penelitian ini adalah pembuatan media
pembelajaran dengan memanfaatkan dua kumparan untuk mengukur
viskositas. Penelitian ini dibatasi pada pengukuran viskositas bola jatuh pada
salah satu fluida saja yaitu oli. Manfaat dari penelitian ini adalah melatih
mahasiswa bekerja ilmiah, membantu mahasiswa memahami konsepkonsep dasar viskositas dan menghitung nilai viskositas fluida.
2. Tinjauan pustaka
2.1 Viskositas
Sebuah benda yang bergerak jatuh didalam fluida bekerja tiga macam
gaya antara lain gaya gravitasi atau gaya berat
dimana gaya ini yang
menyebabkan benda bergerak ke bawah dengan suatu percepatan, gaya
apung
dimana arah gaya ini ke atas besarnya sama dengan berat fluida
dimana arah
yang dipindahkan oleh benda itu, dan gaya gesek
gayanya keatas. Benda yang jatuh mempunyai kecepatan yang semakin lama
semakin besar tetapi dalam medium ada gaya gesek yang semakin besar bila
kecepatan benda jatuh semakin besar. Fluida yang viskositasnya besar akan
menghasilkan harga k yang besar pula5. K adalah konstanta yang bergantung
pada bentuk geometris benda. Berdasarkan perhitungan pada tahun 1845
oleh Sir George Stokes menunjukkan bahwa untuk benda yang bentuk
3
geometrisnya bola nilai
. Arah ketiga gaya tersebut ditunjukkan
pada Gambar 1.
2
Gambar 1. Gaya-gaya yang bekerja pada sebuah benda yang
bergerak jatuh didalam fluida
Suatu gaya yang bekerja didalam fluida ditunjukkan oleh Gambar 2.
Tegangan vektor adalah gaya yang dibagi dengan luas area tempat gaya
bekerja tegak lurus terhadap area tersebut
bekerja. Tegangan normal
bekerja tangensial terhadap area tersebut. Tegangan
dan tegangan geser
geser inilah yang menghasilkan pergerakan fluida4. Tegangan geser ini
dihitung dengan persamaan :
(1)
Gambar 2. Gaya-gaya yang bekerja pada fluida
Viskositas (kekentalan fluida) dari suatu fluida menghasilkan tegangan
geser didalam suatu aliran yang menyebabkan terhambatnya suatu benda
bergerak didalam fluida. Bergeraknya benda dalam fluida mengalami
kecepatan dimana kita meyebutnya
sebagai gradien kecepatan dan
r di ukur tegak lurus terhadap suatu permukaan. Koefisien viskositas
( adalah tangensial terhadap permukaan tersebut. Secara matematis
dituliskan sebagai berikut :
(2)
Maka koefisien Viskositas merupakan perbandingan antara tegangan geser
dengan kecepatan
3
(3)
Viskositas merupakan ukuran kekentalan fluida yang menyatakan besar
kecilnya gesekan di dalam fluida. Semakin tinggi viskositas suatu fluida maka
semakin besar hambatanya dan semakin sulit suatu benda bergerak di dalam
fluida tersebut
Benda yang bergerak dalam fluida kental mengalami gaya gesek yang
besarnya dinyatakan dengan persamaan :
(4)
Untuk benda berbentuk bola
Maka besarnya gaya gesek (
) dapat dirumuskan sebagai berikut :
=6
(5)
Jika sebuah benda berbentuk bola bergerak jatuh dalam suatu fluida
kental, kecepatannya akan bertambah karena pengaruh gravitasi bumi yang
lebih besar dari pada kedua gaya penghambatnya ( +
). Percepatan
bola secara berangsur-angsur akan berkurang karena pengaruh perubahan
yang semakin besar seiring dengan semakin besarnya kecepatan bola
hingga resultan gaya yang bekerja pada bola sama dengan nol. Tepat
sehingga mencapai kecepatan terbesar yang tetap (kecepatan terminal).
-W=0
6
(6)
Pada benda berbentuk bola, volumenya Vbola =
4
(7)
(8)
dan untuk massa jenis fluida
Untuk mencari massa jenis benda
Dengan adalah koefisien viskositas (Ns/m2), adalah jari- jari bola (m),
adalah massa jenis bola besi (kg/m3), 1 adalah massa jenis zat cair (kg/m3),
adalah kecepatan terminal (m/s) dan g adalah percepatan gravitasi (m/s2)
2.2 GGL Induksi
Jika sebuah batang magnet digerakkan menuju kumparan, jarum
akan bergerak dan jika gerakan dihentikan, jarum
galvanometer
galvanometer akan diam5 (Gambar 3). Demikian pula sebaliknya, jika batang
magnet di ubah arah gerakannya (ditarik), jarum galvanometer akan
bergerak sesaat dan kembali diam jika gerakan batang magnet dihentikan
dan gerakan jarum galvanometer mempunyai arah yang berlawanan dengan
arah gerakan semula.
Gambar 3. GGl induksi pada percobaan Faraday
Bergeraknya jarum galvanometer tersebut disebabkan oleh adanya GGL
induksi pada kumparan dan besar GGL induksi yang terjadi sesuai dengan
Hukum Faraday II adalah :
Besarnya GGL induksi yang terjadi dalam suatu penghantar atau rangkaian
berbanding lurus dengan kecepatan perubahan fluks magnet yang
dilingkupinya. Secara matematis dituliskan :
(9)
Jika penghantar tersebut merupakan sebuah kumparan dengan lilitan N
lilitan, maka besar GGL induksi yang terjadi adalah :
5
(10)
Tanda negatif pada persamaan diatas menunjukkan pesesuaian dengan
Hukum
Lenz
sebagai
berikut:
“arah arus induksi dalam penghantar sedemikian rupa sehingga medan
magnet yang dihasilkan melawan perubahan garis-garis gaya magnet yang
menimbulkannya”.
Dengan
adalah perubahan garis-garis gaya magnet,
adalah perubahan
waktu dan adalah jumlah lilitan.
3. Metodologi Penelitian
Pada penelitian ini alat dan bahan yang digunakan adalah dua buah
kumparan 1600 Wdg, laptop dengan software Freewave3, digital storage
oscilloscope, sinyal generator, kabel, selang transparan dan oli. Adapun
rancangan alat dalam penelitian ditunjukkan pada Gambar 4 .
Gambar 4. Rancangan alat
Proses penyusunan alat dilakukan dengan memasang kumparan pada
paralon dengan jarak masing-masing kumparan 10 cm dengan posisi dari
atas, positif kumparan 1 dipasang pada positif osiloskop dan sinyal generator,
negatif kumparan 2 dipasang pada negatif osiloskop dan sinyal generator.
Jarak kumparan 1 dari mulut tabung adalah 0.23 m. Untuk melihat hasil
percobaannya direkam mengunakan laptop dengan software freewave3
yang disambungkan melalui osiloskop dan data yang diperoleh berupa grafik
sinusoidal. Pengukuran dilakukan dengan memasang sinyal generator pada
frekuensi 60 Hz. Pada osiloskop Volt/Div pada 200 mV dan Time/Div pada 1
ms. Kemudian bola besi pada tabung dan waktu jatuhnya diukur dengan klik
tombol record untuk merekam perubahan amplitudo pada grafik sinusoidal
pada osiloskop kemudian setelah bola besi sampai di dasar wadah klik
tombol off dan save . Percobaan dilakukan dengan mengubah jarak yang
berbeda - beda dari jarak 10 cm - 90 cm dari atas sampai ke bawah . Untuk
tiap masing - masing jarak, bola besi dijatuhkan dan direkam perubahannya
sebanyak 4 kali. Data yang berupa grafik yang sudah direkam melalui laptop
dengan software Freewave3 dilihat kembali dan dicatat waktu saat bola besi
6
melewati kumparan 1 sebagai dan saat melewati kumparan 2 adalah .
Fungsi sinyal generator adalah sebagai penghasil sinyal sinusiodal. Hasil
percobaan yang didapatkan dalam bentuk video seperti yang ditunjukkan
pada Gambar 5.
Gambar 5. Hasil percobaan
4. Hasil dan analisa data
4.1 Proses pembelajaran (praktikum)
Setelah melakukan praktikum hasil pengukuran yang tercatat pada
osiloskop didapatkan data sebagai berikut :
Tabel I. Hasil percobaan
s
(m)
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
t
(s)
4
5
7
8
9
10
12
Dari Tabel I data diatas didapatkan grafik sebagai berikut :
7
Gambar 5. Grafik jarak terhadap waktu
Dari Gambar tersebut kecepatan terminal bola besi saat bergerak dalam
fluida (oli) adalah 0.076 m/s Selanjutnya mahasiswa diminta untuk
menghitung
dan
dengan terlebih dahulu mencari besaran
seperti jari-jari bola besi
, massa bola besi
kg,
, massa fluida 0.34071 kg dan
volume bola besi sebesar
. Kemudian mahasiwa mencari massa jenis
volume fluida (oli)
massa jenis bola besi didapat
oli mesran didapat sebesar
. Kemudian siswa diminta untuk menghitung
sebesar 9214.60
besarnya viskositas minyak goreng. Dari hasil perhitungan diperoleh
besarnya viskositas oli mesran sebesar
. Sebagian besar
mahasiswa dapat menghitung viskositas oli mesran.
4.2. Tanggapan mahasiswa
Tanggapan mahasiswa setelah mengikuti praktikum pengukuran viskositas
menggunakan viscometer dua kumparan ditunjukkan dalam Tabel II.
Tabel II. Tanggapan siswa terhadap kegiatan praktikum
mengunakan viscometer dua kumparan
No
1
2
3
4
Pertanyaan
Apakah mengukur viskositas dengan
menggunakan viskometer dua kumparan
merupakan hal yang baru bagi anda?
Apakah menggunakan viskometer dua
kumparan untuk mengukur viskositas fluida
menarik bagi anda ?
Apakah penggunaan viskometer dua
kumparan mempermudah anda dalam
menentukan kecepatan terminal untuk
menghitung viskositas fluida?
Apakah penggunaan viskometer dua
kumparan mempermudah anda dalam
8
Tanggapan
Hal baru
Bukan hal baru
Presentase
100%
0%
Menarik
Tidak menarik
87.5%
12.5%
Mudah
Sulit
100%
0%
Mudah
Sulit
87.5%
12.5%
5
6
memahami pengertian viskositas?
Apakah langkah-langkah pembelajarn yang
dibuat dalam LKS untuk mengukur viskositas
mudah anda pahami?
Apakah setelah belajar menentukan
viskositas fluida dengan menggunakan
viskometer dua kumparan anda termotivasi
untuk belajar fisika
Mudah
Sulit
75%
25%
Termotivasi
Tidak termotivasi
100%
0%
Berdasarkan Tabel II, sebanyak 100% mahasiswa menjawab bahwa
pengukuran viskositas dua kumparan merupakan hal baru dengan alasan
belum pernah mengukur viskositas mengunakan dua kumparan. Sebanyak
87.5 % mahasiswa menjawab bahwa pengukuran viskositas menggunakan
dua kumparan merupakan hal yang menarik dengan alasan karena hal baru
dan mudah untuk menentukan kecepatan bola saat bergerak didalam fluida
dan sebanyak 12.5 % mahasiswa menjawab tidak menarik dengan alasan
terlalu rumit dalam melihat variabel waktu. Sebanyak 100 % mahasiswa
menjawab pengukuran viskositas dua kumparan mempermudah dalam
menentukan kecepatan terminal dengan alasan dibantu dengan alat-alat
yang mendukung dan bisa langsung merekam jika tidak maka sangat sulit
untuk menentukan waktu jatuhnya bola karena perubahan grafik
sinusiodalnya kecil. Sebanyak 87.5 % mahasiswa menjawab bahwa
pengukuran viskositas dua kumparan mempermudah untuk memahami
materi viskositas dengan alasan praktikum langsung akan mempermudah
pemahaman dan sebanyak 12.5 % mahasiswa menjawab tidak memahami
secara langsung dengan alasan teori harus dipahami secara mendalam dulu
baru praktikum. Sebanyak 75 % mahasiswa menjawab bahwa langkahlangkah pembelajaran yang dibuat dalam LKS mudah untuk dipahami dengan
alasan Karena langkah-langkah dalam LKS petunjuknya tidak berbeli-belit dan
lansung ada sedikit materi sehingga mudah dipahami dan sebanyak 25 %
mahasiswa menjawab tidak mudah dipahami dengan alasan karena lebih
paham jika dijelaskan lansung daripada membaca langkah-langkah di LKS.
Sebanyak 100 % mahasiswa menjawab bahwa termotivasi belajar fisika
dengan alasan bahwa melalui praktikum maka percobaan-percobaan fisika
mudah dipahami dan menarik.
5. Kesimpulan
Mahasiswa bisa mengukur viskositas menggunakan viskometer dua
kumparan dan 91.7% mahasiswa menganggap bahwa pengukuran viskositas
dengan menggunakan viskometer dua kumparan adalah hal baru bagi
mereka, mudah diikuti, mempermudah dalam memahami dan menghitung
viskositas fluida, dan memotivasi mereka dalam belajar fisika.
6. Saran Penelitian
Hal yang perlu diperhatikan dalam penelitian ini peralatan praktikum
sebaiknya lengkap sehingga bisa menghemat waktu dalam praktikum.
7. Daftar Pustaka
9
[1]. Budianto, A. 2008. Metode Kekentalan Zat Cair dengan menggunakan
Regresi Linear Hukum Stokes. Disajikan dalam Seminar Nasional IV SDM
Teknologi Nuklir Yogyakarta tanggal 25-26 Agustus.
[2]. Suciati, Wahyu S dan Surtono, Arif. 2009. Pemanfaatan Sensor Koil
Sebagai SetektorPencatat Waktu Pada Viscometer Metode Bola Jatuh
Berbasis Komputer. Jurnal sains dan teknologi, Universitas Lampung.
[3]. W. Aisyah, Apriliani Emeliana, Briyanti Fila, DA. Gestiadzatta dan Rosa
Ria. 2011. Praktikum zat cair kelas XI IPA. SMA Negeri 8 Bandung.
[4]. Wiggert David dan Potter Merle. 2008. Mekanika Fluida. Jakarta:
Erlangga.
[5]. Harjono Mangunwiyoto Widagdo. 1999. Pokok-pokok Fisika SLTP untuk
Kelas 3. Jakarta:Erlangga.
[6]. Viktor Carles. 2011. Pemanfaatan Kamera Digital Sebagai Media
Pembelajaran. Skripsi Universitas Kristen Satya Wacana, Salatiga.
10