5 Contoh Soal Viskositas Mapel Fisika dan Jawaban Lengkapnya

tirto.id - Dalam dunia fisika, salah satu konsep penting yang sering dibahas adalah viskositas. Konsep ini dipelajari pada Mapel Fisika SMA kelas XI. Agar para siswa bisa berlatih mandiri di rumah, berikut ini contoh soal viskositas dan jawaban lengkapnya.

Istilah viskositas ini menggambarkan tingkat kekentalan suatu fluida, baik itu cairan maupun gas. Viskositas berperan besar dalam banyak aspek kehidupan, mulai dari aliran minyak di mesin kendaraan, pergerakan darah dalam tubuh manusia, hingga perancangan pipa industri.

Memahami viskositas tidak hanya penting bagi siswa SMA yang mempelajari Fisika, tetapi juga bagi siapa pun yang ingin tahu bagaimana fluida bergerak di sekitar kita. Untuk itu, artikel ini akan mengulas pengertian viskositas, rumus, dan beberapa contoh soal viskositas beserta jawabannya agar lebih mudah dipahami.

Pengertian Viskositas

Dalam fisika, viskositas atau kekentalan adalah ukuran ketahanan suatu fluida terhadap gaya geser atau tegangan yang bekerja padanya. Sifat ini muncul karena adanya gaya kohesi, yaitu gaya tarik-menarik antarpartikel sejenis dalam fluida. Semakin besar gaya kohesi antarpartikel, semakin tinggi pula tingkat kekentalan atau viskositas fluida tersebut.

Contoh sederhana dapat ditemukan pada perbandingan antara air dan oli. Ketika kelereng dimasukkan ke dalam kedua cairan tersebut, kelereng di air akan lebih cepat mencapai dasar karena air memiliki viskositas yang lebih rendah dibandingkan oli. Fenomena ini menunjukkan bagaimana tingkat kekentalan memengaruhi kecepatan benda yang bergerak di dalam fluida.

Viskositas juga dipengaruhi oleh beberapa faktor utama seperti suhu, tekanan, dan penambahan gas. Ketika suhu meningkat, viskositas fluida cenderung menurun karena partikel-partikelnya bergerak lebih bebas. Sebaliknya, peningkatan tekanan akan menaikkan viskositas, sementara penambahan gas dapat memperbesar gaya kohesi antarpartikel sehingga membuat fluida menjadi lebih kental.

Rumus Viskositas

Secara umum, viskositas dijelaskan dengan hukum Newton tentang viskositas, yang dinyatakan sebagai:

η = (F × L) / (A × v)

Keterangan:

η (eta) = koefisien viskositas (N·s/m² atau Pa·s)

F = gaya geser yang bekerja (N)

L = jarak antara dua lapisan fluida (m)

A = luas permukaan lapisan (m²)

v = perbedaan kecepatan antar lapisan (m/s)

Lalu menurut Hukum Stokes, dalam suatu fluida, jika ada benda yang melaju, maka benda akan memperoleh gaya hambat. Besar gaya hambat dirumuskan sebagai berikut:

Fs = 6π n r v

Keterangan:

Fs = gaya hambat (N)

n = koefisien viskositas (kg/ms)

r = jari-jari bola (m)

v = kelajuan bola (m/s)

Contoh Soal Viskositas

Berikut adalah beberapa contoh soal Viskositas yang bisa menjadi bahan belajar siswa agar lebih memahami secara kalkulasi.

1. Sebuah bola kecil dengan jari-jari 0,002 m dijatuhkan ke dalam cairan yang memiliki koefisien viskositas 0,8 N·s/m². Jika bola bergerak dengan kelajuan 0,05 m/s, berapakah besar gaya hambat yang dialami bola tersebut?

Diketahui:

r = 0,002 m

n = 0,8 N·s/m²

v = 0,05 m/s

Jawaban:

Gunakan rumus gaya hambat menurut Hukum Stokes:

Fs = 6π n r v

Substitusikan nilai yang diketahui:

Fs = 6 × 3,14 × 0,8 × 0,002 × 0,05

Fs = 6 × 3,14 × 0,00008

Fs = 6 × 0,0002512

Fs = 0,0015072 N

Jadi, gaya hambat yang dialami bola adalah sekitar 0,0015 N.

2. Sebuah fluida memiliki dua lapisan yang berjarak 0,02 meter. Luas bidang tiap lapisan adalah 0,5 m². Lapisan atas bergerak dengan kecepatan 0,3 m/s, sedangkan lapisan bawah diam. Jika gaya geser yang diperlukan untuk menjaga gerakan lapisan atas adalah 3 newton, hitunglah koefisien viskositas fluida tersebut!

Diketahui:

F = 3 N

L = 0,02 m

A = 0,5 m²

v = 0,3 m/s

Jawaban:

Gunakan rumus hukum Newton tentang viskositas:

η = (F × L) / (A × v)

Masukkan nilai yang diketahui:

η = (3 × 0,02) / (0,5 × 0,3)

η = 0,06 / 0,15

η = 0,4 N·s/m²

Jadi, koefisien viskositas fluida tersebut adalah 0,4 N·s/m².

3. Dua lapisan minyak dipisahkan oleh jarak 0,01 meter. Lapisan bawah diam, sedangkan lapisan atas bergerak dengan kecepatan 0,2 m/s. Jika koefisien viskositas minyak adalah 0,5 N·s/m² dan luas permukaan lapisan 0,25 m², berapa besar gaya geser yang bekerja pada lapisan atas?

Diketahui:

η = 0,5 N·s/m²

L = 0,01 m

v = 0,2 m/s

A = 0,25 m²

Jawaban:

Gunakan rumus viskositas:

η = (F × L) / (A × v)

Maka, F = (η × A × v) / L

Masukkan nilai yang diketahui:

F = (0,5 × 0,25 × 0,2) / 0,01

F = (0,025) / 0,01

F = 2,5 N

Jadi, gaya geser yang bekerja pada lapisan atas adalah 2,5 N.

4. Sebuah bola baja kecil dengan jari-jari 0,0015 m dijatuhkan dalam cairan yang memiliki viskositas 0,9 N·s/m². Jika gaya hambat yang dialami bola adalah 0,00255 N, berapa kecepatan bola tersebut di dalam cairan?

Diketahui:

Fs = 0,00255 N

n = 0,9 N·s/m²

r = 0,0015 m

Jawaban:

Gunakan rumus gaya hambat menurut Hukum Stokes:

Fs = 6π n r v

Maka, v = Fs / (6π n r)

Masukkan nilai yang diketahui:

v = 0,00255 / (6 × 3,14 × 0,9 × 0,0015)

v = 0,00255 / (0,025434)

v ≈ 0,1002 m/s

Jadi, kecepatan bola di dalam fluida adalah sekitar 0,1 m/s.

5. Dalam suatu percobaan, lapisan atas dari suatu fluida seluas 0,4 m² bergerak dengan kecepatan 0,5 m/s, sedangkan lapisan bawah diam. Jarak antar lapisan adalah 0,02 m, dan gaya geser yang dibutuhkan sebesar 4 N. Hitung koefisien viskositas fluida tersebut!

Diketahui:

F = 4 N

A = 0,4 m²

v = 0,5 m/s

L = 0,02 m

Jawaban:

Gunakan rumus:

η = (F × L) / (A × v)

Masukkan nilai yang diketahui:

η = (4 × 0,02) / (0,4 × 0,5)

η = 0,08 / 0,2

η = 0,4 N·s/m²

Jadi, koefisien viskositas fluida tersebut adalah 0,4 N·s/m²

Melalui berbagai contoh soal viskositas di atas, kita dapat memahami bagaimana gaya, kecepatan, dan kekentalan fluida saling berhubungan dalam memengaruhi gerak suatu benda. Konsep ini tidak hanya penting secara teoretis, tetapi juga memiliki penerapan luas dalam kehidupan sehari-hari, mulai dari teknologi mesin hingga sistem biologis manusia.

Dengan memahami viskositas secara mendalam, siswa dapat melihat bahwa ilmu fisika bekerja nyata di sekitar kita, bahkan dalam hal yang tampak sederhana seperti aliran air atau oli.

Ingin membaca artikel Tirto lainnya seputar contoh soal? Jika iya, silakan cek tautan berikut: Link Kumpulan Artikel Contoh Soal