sederhana untuk mengukur nilai viskositas mengunakan metode “capillary tube” dengan alat suntik (spoit) sebagai tabung dan pipa kapilernya, mouse optik sebagai pengukur kecepatan waktunya. Berdasarkan latar belakang diatas rumusan masalah pada penelitian ini yaitu apakah alat suntik (spoit) dan mouse optik dapat digunakan sebagai alat ukur viskositas sederhana. Penelitian bertujuan untuk merancang alat sederhana untuk mengukur viskositas suatu larutan dengan mengunakan alat suntik (spoit) dan mouse optik. Dalam penelitian ini pengukuran viskositasnya hanya terbatas pada sampel larutan gula, dimana variabel yang diukur yaitu massa gula dan air. 2. Dasar Teori Viskositas Teknik pengukuran viskositas antara lain terdiri dari “falling ball viscometer” digunakan untuk memperoleh nilai viskostas dengan cara mengukur waktu yang dibutuhkan oleh sebuah bola jatuh melalui sampel pada jarak tertentu, “cup-type viscometer” digunakan untuk memperoleh nilai viskositas dengan mengukur waktu yang diperlukan oleh suatu sampel untuk mengalir pada suatu celah sempit (orifice), “vibro viscometer” digunakan untuk memperoleh nilai viskositas dengan cara mengendalikan amplitudo sebuah pelat sensor yang dicelupkan ke dalam sampel dan mengukur arus listrik yang diperlukan untuk menggerakkan sensor tersebut, “Capillary tube viscometer” digunakan untuk memperoleh nilai viskositas dengan cara membiarkan sampel mengalir di dalam sebuah pipa kapiler dan mengukur beda tekanan di kedua ujung pipa kapiler tersebut, “rotational viscometer”, digunakan untuk memperoleh viskositas dengan mengukur gaya punter sebuah rotor silinder (spidenle) yang dicelupkan ke dalam sampel. Pemodelan Matematika Pada prinsipnya viskositas yang diukur memakai metode kapiler akan mempunyai bentuk empiris [4] t (1) dengan merupakan kerapatan fluida, t waktu pengosongan fluida, dan adalah konstanta yang bergantung pada panjang dan diameter kapiler. Dalam Persamaan (1) t adalah waktu yang dibutuhkan bagi fluida untuk keluar dari wadah (lihat Gambar 1), dengan kata lain fluida tersebut harus menempuh jarak (ketinggian) sebesar x. dalam penelitian ini, jarak x tersebut tidak berupa tinggi wadah total, namun hanya sebagian saja, dengan tujuan mempersingkat waktu t. Dengan demikian Persamaan (1) bisa di kembangkan sebagai berikut. Dianggap bahwa kecepatan fluida adalah v = x/t (linear), sehingga Persamaan (1) dapat ditulis dengan cara
x v
(2)
Andaikan suatu fluida acuan membutuhkan waktu t0 untuk menempuh jarak sejauh x0, maka kecepatannya adalah v = x0/t0 . Fluida lain yang lebih kental akan mempunyai waktu yang lebih lama untuk menempuh jarak tersebut, yaitu sebesar t>t0. Atau, jika ditentukan waktu ukur tetap selama t0, maka fluida ini akan menempuh jarak x<x0,
yang lebih pendek dari jarak tempuh fluida acuan. Cara pandang yang kedua ini lebih mudah direalisasikan dalam percobaan. Caranya adalah dengan mengukur kecepatan fluida dalam waktu t0 tertentu dan membandingkan kecepatannya dengan fluida acuan, dengan menganggap x=x0 pada Persamaan (2) adalah konstanta. Jika dianggap
konstan juga selain x0, maka x0 ' berupa konstanta, sehingga persamaan (2) dapat ditulis
' v
(3)
Profil viskositas pada kondisi ekstrim harus dimodelkan juga. Pada Persamaan (1), fluida yang sangat encer akan mempunyai viskositas kecil (karena t akan bernilai kecil). Namun demikian tidak mungkin ada fluida ideal yang mempunyai waktu pengosongan t=0, sehingga persamaan (1) semestinya mempunyai nilai konstanta tambahan (misalnya t a ) . Demikian juga untuk persamaan (3). Untuk fluida ideal, maka akan diperoleh kecepatan v=0 yang membuat viskositas menjadi tak berhingga, yang tidak sesuai dengan kenyataan. Untuk menanggulangi masalah seperti itu maka dituliskan persamaan yang lebih umum, yaitu :
k' b v
(4)
Nilai ' dan b harus dicari melalui eksperimen dan pencocokan kurva dengan datadata referensi. Pada percobaan, pengukuran kecepatan dilakukan dengan mencatat selisih posisi mouse di antara waktu t=0 sampai t=t0, dan akan tercatat sebanyak N data. Dari pasangan data (ti, xi) dapat dihitung kecepatan v dengan cara regresi linear, yang dapat ditulis secara matematis secara
N 2 v arg min vti xi v i 1
(5)
Persamaan (5) dapat dihitung dengan perintah polyfit pada matlab. Pada Gambar 1 ditunjukkan skema alat ukur viskositas dengan pipa kapiler yang disebut sebagai viskometer dan perbandingannya dengan alat suntik.
x x wadah
Pipa kapiler
Gambar 1. (a) Alat ukur viskostas dengan bagian c adalah tabung kapilernya dan R pipa kapilernya[4]. (b) alat suntik sebagai tabung kapiler dan jarum suntik sebagai pipa kapilernya
Prinsip kerja viskometer yang ditunjukkan pada Gambar. 1 adalah sebagai berikut larutan di masukkan melalui pipa L sampai ketinggian dibawah tabung B, tutup pipa M dan naikkan level larutan di pipa N sampai 8mm di atas tanda E, pertahankan level larutan dengan menutup pipa N dan membuka pipa M. kemudian buka pipa N lalu biarkan cairan mengalir dari dari D ke C (tanda E ke F) dan hitung waktu start cairan mulai mengalir dari D ke C dengan menggunakan stopwatch. Alat suntik (spoit) Alat suntik merupakan pompa piston sederhana untuk menyuntikkan atau menghisap cairan atau gas. Alat suntik terdiri dari tabung dengan piston didalamnya yang keluar dari ujung belakang. Adapun ujung depannya dapat dilengkapi dengan jarum hipodermik atau selang untuk membantu mengarahkan aliran ke dalam atau keluar tabung. Alat suntik beserta jarum suntik umumnya dijual dalam satu paket. Kapasitas alat suntik antara lain 1 ml, 3 ml, 10 ml, dan yang lainnya. dalam penelitian ini digunakan alat suntik yang tabungnya berdiameter 50 ml, dan jarumnya berdiameter 18 ml. dalam penelitian ini digunakan alat suntik yang berdiameter 50 ml sebagai wadah, 30 ml sebagai pengapungnya dan diameter jarum suntik yang digunakan yaitu 18ml sebagai pipa kapilernya. Mouse optik Pengukuran waktunya biasa menggunakan stopwatch tetapi dalam penelitian ini penulis menggunakan mouse optik sebagai pengganti stopwatch untuk mengukur kecepatan yang bisa dilihat dari rekaman kursornya. Mouse, atau yang dalam bahasa Indonesianya disebut tetikus, sering kita gunakan sehari-hari. Mouse pertama ditemukan oleh Douglas Engelbart dari Stanford Research Institute pada tahun 1963. Mouse adalah satu dari beberapa alat penunjuk (pointing device) yang dikembangkan untuk oN Line System (NLS) milik Engelbard. Mouse pertama berukuran besar, dan menggunakan dua buah roda yang saling tegak lurus untuk mendeteksi gerakan ke sumbu X dan sumbu Y. Mouse optik bekerja menggunakan LED (light emitting diode) dan photo dioda untuk mendeteksi gerakan mouse Mouse optik menggunakan sebuah LED merah sebagai pengganti bola mouse. Cahaya LED ini akan dipantulkan oleh permukaan meja/alas ke sensor CMOS (Complimentary Metal-Oxide Semi konductor). Sensor ini kemudian mengirimkan gambaran permukaan ke Digital Signal Processor (DSP). DSP akan menganalisis gambaran tadi dan menentukan jarak penggeseran
mouse yang kemudian dikirimkan ke komputer. Berdasarkan data tersebut, komputer akan menggeser posisi kursor mouse pada layar. 3. Metode pengukuran Rancangan alat Alat dan bahan berupa: air gula, alat suntik , mouse optik, timbangan digital dan statip. Alat dan bahan perlu diseleksi terlebih dahulu, terutama mouse optik karena mempunyai kesensitifan terhadap gerak yang beragam. Perancangan alat ini terdiri dari dua bagian yaitu yang pertama perancangan alat berupa alat suntik (spoit) yang telah dimodifikasi dan yang kedua perancangan program untuk merekam data. Setelah alat dan bahan terkumpul, dilakukan perancangan alat untuk mengukur viskositas pada zat cair (larutan air gula). Ada pun susunan alat tersebut dapat lihat pada Gambar 3.
rekam reka
=1 Ukur X(i)
Ukur t(i)
jeda
i>N
ya Hitung v polyfit ( t , x ,1) k'
= +
tidak
Gambar 2. Diagram alir proses pengukuran
Pertama-tama masukkan larutan gula pada alat suntik , pada posisi yang telah ditentukan tombol rekam ditekan untuk memulai proses perekamannya,posis awal i=1 dengan dibiarkan larutan tersebut mengalir, pada saat larutan mengalir pita pada mouse optik akan mulai bergerak dan komputer mulai menghitung nilai x i dan t i sampai t i t 0 (atau i>N) kemudian dihitung kecepatannya (v). Data tentang kecepatan, konsentrasi dan nilai viskositas referensi untuk selanjutnya dianalisa dengan Excel, yaitu dengan memanfaatkan fungsi trendline linear untuk memperoleh nilai ' dan b. Nilai-nilai kemudian digunakan dalam perangkat lunak untuk mencari viskositas fluida. Instrumen yang digunakan untuk mengukur viskositas dari larutan gula adalah mouse optik dan jarum suntik (spoit) yang digantung pada statip, kemudian pada mouse optik diselipkan sebuah pita yang terbuat dari bahan yang kaku yang direkatkan pada spoit berukuran kecil sebagai pengapung dan dimasukkan pada spoit berukuran besar . Gerakan pita kemudian direkam dengan program perekaman mouse yang dibuat menggunakan program matlab .
STATIP
MOUSE
LAPTOP
PITA PADA MOUSE
SPOIT
WADAH
Gambar 3. Rancangan alat ukur viskositas dengan mouse optik dan jarum suntik
Metode pengukuran Pertama-tama harus dicari terlebih dahulu konstanta ' dan b sesuai dengan Persamaan (4), yaitu dengan mengukur kecepatan larutan gula dengan program yang telah disiapkan seperti pada Gambar 3. Setelah nilai tersebut dihitung, nilai tersebut dikalibrasikan ke dalam program untuk menghitung viskositas air gula dengan berbagai konsentrasi.
Gambar 4. Interface untuk mengukur viskositas. Tombol REKAM ditekan pada saat pelampung bergerak kira-kira di bagian tengah tabung suntik. Program akan menghitung viskositas sesuai dengan Persamaan (4)
4. Data dan Analisa Dari hasil eksperimen yang dilakukan, didapatkan grafik yang ditunjukkan pada gambar 5.
viskositas h : [centipoise]
Grafik kalibrasi viskositas terhadap 1/v 1 η = -16.51/v + 1.370 R² = 0.962
0.95 0.9 0.85 0.8 0.024
0.026
0.028
0.03
0.032
1/v : [detik/pixel] Gambar 5. Grafik kalibrasi viskositas terhadap 1/V
Dari grafik diatas dapat di lihat hasil garis trendlinenya bernilai
16.51 1.370 v
dimana nilai ini merupakan hasil eksperimen yang peneliti lakukan dengan menggunakan persamaan (4) yang hasilnya dihitung menggunakan excel. Konsentrasi gula yang digunakan adalah diantara 0 brix sampai 5 brix (0 gram sampai 5 gram).
viskositas (centipoise)
Grafik viskositas Literatur terhadap viskositas eksperimen 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0
viskositas ukur viskositas lit 0
2
4
6
8
10
12
brix (gr/100 ml air)
Gambar 6. Grafik viskositas literatur terhadap viskositas eksperimen
Setelah diperoleh persamaan empirisnya, maka alat diujicobakan dengan mengukur viskositas larutan gula dari 1.5 brix sampai 10.5 brix, dan hasilnya digambarkan pada Gambar 6. Dari Gambar 6 diatas dapat dilihat bahwa nilai viskositas dari larutan gula ini yang dibandingkan dengan nilai viskositas literatur, yang mana hasilnya hampir mendekati nilai viskositas literatur hanya pada konsentrasi dibawah 6. Namun pada 6 brix ke atas nilai viskositasnya mulai melengkung dan berbeda dari nilai viskositas literatur. Penyebab dari ketidaksesuaian ini perlu diselidiki lebih lanjut. 5. Kesimpulan Prinsip metode kapiler dapat dimanfaatkan untuk mengukur viskositas suatu fluida atau kekentalan suatu zat dengan menggunakan jarum suntik dan mouse optik, dimana pada experimen yang dilakukan oleh peneliti diperoleh nilai viskositas eksperimen pada 1.5 brix sampai 6 brix mendekati nilai viskositas literatur, namun pada 6 brix keatas nilai viskositasnya mulai melengkung dan berbeda dari nilai viskositas literatur, hal ini perlu diselidiki lebih lanjut, namun diperkirakan karena diamater jarum suntik sebagai pipa kapilernya yang kecil. Daftar pustaka [1] Arun Saldanha, 2007. Psychelic White. Goa Trance the Viscosity of Race Psycdhelic white. University of Minnesota press Kaito, Akira, Nakayama, Kasuo. Karakteristik Polimer Serat Poliester dari polietilen tereftalat dan polibutilan tereftalat . Munson dkk.2003.Mekanika Fluida.Edisi keempat. Erlangga. Jakarta [4] Dieter O.Hummel, 2000, European Pharmacopeai. Physical and physicochemical methods. Wiley [5] D.H.Bacon, R.C.Stephens. Fluid Mechanics For Technicians.Butterworth [6] A.Soedrajat.1983.Mekanika Fluida dan Hidrolika. Bandung [7] http://www.sugartech.co.za/viscosty/index.php
