Anda menuangkan madu. Ini menempel. Tebal. Lambat. Air menghantam wastafel dengan cipratan. Cepat. Kacau.
Perbedaannya bukan hanya teksturnya saja. Itu fisika. Secara khusus, ini viskositas.
Kebanyakan orang menganggap viskositas sebagai “ketebalan”. Hampir saja, tapi tidak tepat sasaran. Viskositas adalah resistensi yang ditunjukkan cairan dan gas terhadap aliran dan deformasi. Ini adalah ukuran seberapa kuat cairan melawan ketika Anda mencoba memindahkannya.
Cara Kerja Viskositas pada Tingkat Molekuler
Hal ini disebabkan oleh gesekan internal.
Bayangkan partikel-partikel di dalam fluida. Mereka tidak hanya mengambang bebas. Mereka berinteraksi. Menarik. Mendorong. Kekuatan ikatan antara atom dan molekul menentukan seberapa mudah lapisan-lapisan cairan tersebut dapat meluncur melewati satu sama lain.
Jika ikatan tersebut lemah, molekul akan terlepas satu sama lain dengan sedikit usaha. Cairan mengalir. Jika ikatannya kuat, molekul-molekulnya akan menempel satu sama lain. Mereka menolak pemisahan. Mereka menolak deformasi.
Semakin tinggi gaya tarik menarik antarmolekul, semakin tinggi pula viskositasnya.
Ini adalah trade-off langsung. Daya tarik yang lebih kuat berarti lebih banyak perlawanan. Lebih banyak resistensi berarti cairan lebih kental.
Mengapa Ini Penting untuk Gas dan Cairan
Kami biasanya membicarakan hal ini dengan cairan. Minyak. Sirup. Susu. Tapi gas juga mempunyai kekentalan. Udara mempunyai kekentalan. Hanya saja, angkanya jauh lebih rendah karena jarak molekul-molekulnya lebih jauh dan interaksinya lebih jarang.
Viskositas adalah salah satu karakteristik utama fluida. Anda tidak dapat mendefinisikan suatu fluida tanpa mendefinisikan bagaimana fluida tersebut menolak aliran.
Pikirkan seperti ini:
- Viskositas rendah : Cairan mengalir dengan mudah. Sedikit gesekan internal. Pikirkan air atau alkohol.
- Viskositas tinggi : Cairan menahan aliran. Gesekan internal yang tinggi. Pikirkan molase atau oli motor berat.
Hambatan sepenuhnya bergantung pada seberapa keras molekul atau partikel tersebut mencoba untuk tetap bersatu ketika Anda memaksanya untuk berpisah.
Jadi ketika Anda melihat cairan bergerak, Anda sebenarnya sedang menyaksikan sebuah pertempuran. Anda sedang menyaksikan kekuatan eksternal mencoba mengatasi daya tarik molekuler internal. Siapa yang menang menentukan kecepatannya.
Cara mengukur viskositas tanpa menebak-nebak
Anda tidak bisa hanya melihatnya saja. Tidak terlalu. Anda membutuhkan alat. Khususnya, viskometer atau rheometer. Perangkat ini tidak hanya memantau cairan; mereka mengukur resistensi. Hasilnya? Angka yang diwakili dengan huruf Yunani μ (mu). Itu adalah simbol viskositas dinamis.
Tapi bagaimana cara menghitungnya? Anda kembali ke Newton. Hukum viskositasnya memberi Anda rumus:
𝞽 = μ(u/y)
Kelihatannya sederhana. Bukan itu. Inilah arti sebenarnya dari variabel di dunia nyata:
- 𝞽 adalah tegangan geser. Anggap saja sebagai tekanan tangensial yang mendorong permukaan.
- μ adalah viskositas dinamis itu sendiri.
- u adalah kecepatan fluida.
- y adalah jarak atau deformasi antar lapisan fluida.
Dalam sistem SI, satuannya adalah pascal-detik (Pa·s). Namun para insinyur dan ilmuwan seringkali berbicara dalam bahasa lain. ketenangan (P) berasal dari sistem CGS dan sama dengan 0,1 Pa·s. Anda mungkin akan lebih sering melihat sentipoise (cP)—yaitu 0,01 poise, atau 10 Pa·s. Lalu ada gram per sentimeter-detik (g/cm·s), yang merupakan cara lain untuk menyatakan 1 ketenangan. Newton per detik per meter persegi (N·s/m²) dan kilogram per meter-detik (kg/m·s) keduanya sama dengan 1 Pa·s. Unit-unitnya berantakan, tetapi semuanya dipetakan ke realitas fisik yang sama.
Mengapa perilaku yogurt berbeda dengan air
Viskositas bukanlah sifat yang tetap. Itu tergantung pada cairannya. Dan suhunya.
Ambil air. Panaskan, dan itu mengalir lebih cepat. Viskositasnya turun. Kebanyakan cairan melakukan hal ini. Tapi gas? Mereka melakukan yang sebaliknya. Panaskan gas, dan viskositasnya meningkat. Mengapa? Karena partikel lebih sering bertabrakan pada suhu yang lebih tinggi, sehingga menimbulkan lebih banyak gesekan internal. Ini berlawanan dengan intuisi jika Anda terbiasa hanya memikirkan tentang cairan.
Lalu ada jenis cairannya. Apakah Anda berurusan dengan fluida Newtonian atau non-Newtonian?
Air dan sebagian besar gas bersifat Newtonian. Aduk dengan keras atau perlahan, dan kekentalannya tetap sama. Hambatan internal adalah konstan terlepas dari gaya yang Anda terapkan.
Yogur, cat, dan gelatin tidak. Mereka adalah fluida non-Newtonian. Viskositasnya berubah saat Anda menerapkan gaya. Yogur duduk kental dan masih di atas sendok. Aduk, dan tiba-tiba mengalir. Berhenti mengaduk, dan mengental lagi. Perilaku ini menciptakan gradien kecepatan di seluruh lapisan fluida. Bagian-bagian zat cair yang berbeda bergerak dengan kecepatan yang berbeda-beda karena gesekan internal yang bervariasi.
Kekuatan molekul penting di sini. Daya tarik antarmolekul yang kuat berarti viskositas yang lebih tinggi. Daya tarik yang lemah berarti cairan mudah lepas. Fluida dengan viskositas nol merupakan konstruksi teoretis yang disebut fluida ideal atau superfluida. Itu tidak ada di dapur Anda, tapi penting dalam fisika.
Viskositas dinamis vs. kinematik: apa bedanya?
Anda perlu tahu yang mana yang sedang Anda bicarakan.
Viskositas dinamis (atau viskositas absolut) adalah hambatan internal antar molekul. Inilah yang membuat cairan tetap menyatu dan bukannya menyebar. Kita telah membahas simbolnya, μ, dan satuannya, pascal-sekon.
Viskositas kinematik berbeda. Ini menghubungkan viskositas dinamis dengan kepadatan. Simbolnya adalah ν (nu). Rumusnya adalah:
= μ / ρ
Dimana ρ adalah massa jenis fluida.
Karena menyangkut massa jenis, maka satuannya berubah. Dalam sistem CGS, satuannya adalah stoke (St), yang sama dengan sentimeter kuadrat per detik (cm²/s). Anda akan sering melihat centistoke (cSt), yaitu 0,01 stokes. Dalam SI, satuannya adalah meter persegi per detik, meskipun itu adalah angka yang besar untuk sebagian besar fluida umum.
Mengapa membedakannya? Karena viskositas dinamis memberi tahu Anda tentang gaya yang dibutuhkan untuk menggerakkan fluida. Viskositas kinematik memberi tahu Anda bagaimana fluida mengalir di bawah gravitasi. Yang pertama adalah tentang usaha; yang lainnya adalah tentang laju aliran.
Viskositas zat sehari-hari
Air pada suhu 20°C memiliki viskositas 1 centipoise. Itu rendah. Itu mengalir dengan mudah. Ini adalah salah satu cairan umum yang paling tidak kental.
Bandingkan dengan minyak. Baik itu minyak goreng dari biji-bijian atau bahan bakar minyak dari minyak bumi olahan, minyak bersifat kental. Bahan bakar minyak sangat kental. Ia menolak aliran, itulah sebabnya mesin membutuhkan pompa dan tekanan untuk menggerakkannya.
Gel rambut dan sampo juga sangat kental. Molekul mereka menolak gerakan. Kocok botolnya, dan hasilnya akan encer. Biarkan mereka duduk, dan mereka mungkin tampak kokoh. Dalam praktiknya, mereka non-Newtonian, mengubah tekstur berdasarkan agitasi.
Gliserin adalah contoh lainnya. Ditemukan dalam lemak hewani dan nabati, ia digunakan dalam sabun dan kosmetik karena sifatnya yang kental dan lengket. Itu tidak mengalir seperti air.
Merkurius adalah logam cair. Ini padat dan memiliki profil viskositas spesifiknya sendiri, digunakan dalam proses industri dan secara historis dalam peralatan medis. Ia berperilaku berbeda dari cairan organik karena ikatan logamnya.
Sirup kental karena kandungan gulanya. Tingginya konsentrasi padatan terlarut menciptakan gaya tarik antar molekul. Mereka mengalir perlahan, dengan sengaja.
Memahami viskositas bukan hanya tentang mengetahui seberapa tebal suatu benda. Ini tentang memprediksi bagaimana perilakunya saat Anda mendorong, memanaskan, atau membiarkannya.
