Viskositas

Viskositas dinamis dan geser

Untuk fluida Newtonian, tegangan geser berbanding lurus dengan gradien kecepatan yang tegak lurus aliran: τ=η du/dy. τ adalah tegangan geser, η viskositas dinamis, dan du/dy gradien kecepatan. Satuan SI η adalah Pa·s. Bedakan viskositas dinamis η dari viskositas kinematik ν=η/ρ dengan satuan m²·s⁻¹. Keduanya dipakai dalam mekanika fluida tetapi mewakili besaran yang berbeda.

Aliran laminar dalam tabung

Aliran laminar dalam pipa memiliki gradien kecepatan. Untuk fluida Newtonian dalam tabung melingkar, profil kecepatan berbentuk parabola dan fluida di pusat bergerak paling cepat. Pada dinding padat biasanya berlaku kondisi tanpa selip (no-slip), yakni kecepatan fluida yang menempel sama dengan kecepatan dinding. Hukum Poiseuille memberi Q=πΔp r⁴/(8ηL). Asumsinya: aliran laminar tunak, fluida Newtonian, tabung melingkar kaku, dan tanpa selip. Untuk debit tetap, fluida lebih kental, pipa lebih panjang, atau radius lebih kecil memerlukan penurunan tekanan lebih besar; gesekan viskos mengubah energi mekanik menjadi energi internal.

Mengapa radius pipa sangat berpengaruh

Dengan Δp, L, dan η yang sama pada aliran Poiseuille ideal, Q∝r⁴. Perubahan radius yang tidak besar dapat mengubah debit secara drastis.

Hambat viskos pada bilangan Reynolds rendah

Untuk bola kecil yang bergerak cukup lambat sehingga kondisi creeping flow berlaku, hukum Stokes memberi F_d=6πηrv. Hambat sebanding dengan v, bukan v². Bola jatuh dapat mencapai kecepatan terminal saat berat, gaya apung, dan hambat viskos seimbang. Perbandingan pengaruh viskos dan inersia sering diringkas oleh Re=ρvD/η. Re rendah mendukung aliran halus yang didominasi viskositas; Re lebih besar membuat inersia dan turbulensi makin penting. Nilai transisi bergantung pada geometri dan gangguan, bukan satu ambang universal.

Suhu mengubah viskositas

Untuk kebanyakan cairan, viskositas menurun saat suhu naik karena molekul lebih mudah tersusun ulang. Pada gas, viskositas umumnya meningkat dengan suhu karena molekul yang lebih cepat memindahkan momentum antarlapisan lebih efektif. Arah yang berlawanan ini mengingatkan bahwa viskositas bukan sekadar “kekentalan”, melainkan sifat transport dengan asal mikroskopik yang berbeda pada cairan rapat dan gas encer.

Tidak semua fluida bersifat Newtonian

Pada fluida non-Newtonian, hubungan antara tegangan geser dan laju geser tidak dapat digambarkan oleh satu η konstan. Saus tomat dan beberapa larutan polimer dapat shear-thinning; suspensi pekat dapat shear-thickening; beberapa bahan juga bergantung pada riwayat aliran. Sebelum memakai rumus Poiseuille atau Stokes, periksa apakah rezim aliran, geometri, dan perilaku bahan memenuhi asumsi.

Contoh terarah

1. Tegangan geser

Fluida Newtonian memiliki η=0,80 Pa·s dan du/dy=3,0 s⁻¹. Hitung tegangan geser.

2. Mengubah radius tabung

Dalam aliran Poiseuille laminar ideal, radius tabung digandakan sementara penurunan tekanan, panjang, dan viskositas tetap. Berapa kali debit berubah?

3. Hambat Stokes

Bola kecil berjari-jari 1,0 mm bergerak lambat 0,020 m·s⁻¹ dalam fluida dengan viskositas 0,50 Pa·s. Perkirakan hambat Stokes.