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
