Hukum Archimedes

Penerapan Hukum Archimedes- Anda tentunya sering melihat kapal yang berlayar di laut, benda-benda yang terapung di permukaan air, atau batuan-batuan yang tenggelam di dasar sungai. Konsep terapung, melayang, atau tenggelamnya suatu benda di dalam fluida, kali pertama diteliti oleh Archimedes. Menurut Archimedes, benda yang dicelupkan sebagian atau seluruhnya ke dalam fluida, akan mengalami gaya ke atas. Besar gaya ke atas tersebut besarnya sama dengan berat fluida yang dipindahkan oleh benda. Secara matematis, Hukum Archimedes dituliskan sebagai berikut.

dengan: FA = gaya ke atas (N),

ρ_f = massa jenis fluida (kg/m³),

V_f = volume fluida yang dipindahkan (m³), dan

g = percepatan gravitasi (m/s²).

Dapat dilihat bahwa besarnya gaya ke atas yang dialami benda di dalam fluida bergantung pada massa jenis fluida, volume fluida yang dipindahkan, dan percepatan gravitasi Bumi. Anda telah mengetahui bahwa suatu benda yang berada di dalam fluida dapat terapung, melayang, atau tenggelam, berikut uraiannya.

a. Terapung

Benda yang dicelupkan ke dalam fluida akan terapung jika massa jenis benda lebih kecil daripada massa jenis fluida (ρ_b < ρ_f). Massa jenis benda yang terapung dalam fluida memenuhi persamaan berikut.

atau

dengan: V_bf = volume benda yang tercelup dalam fluida (m³),

V_b = volume benda (m³),

h_bf = tinggi benda yang tercelup dalam fluida (m),

h_b = tinggi benda (m),

ρ_b = massa jenis benda (kg/m³), dan

ρ_f = massa jenis fluida (kg/m³).

Gambar 7.13 Balok kayu bervolume 100 cm³ dimasukkan ke dalam air.

Sebuah balok kayu ( ρ = 0,6 kg/m³) bermassa 60 g dan volume 100 cm³dimasukkan ke dalam air. Ternyata, 60 cm3 kayu tenggelam sehingga volume air yang dipindahkan sebesar 60 cm³ ( 0,6 N ).

b. Melayang

Benda yang dicelupkan ke dalam fluida akan melayang jika massa jenis benda sama dengan massa jenis fluida (ρ_b= ρ_f). Dapatkah Anda memberikan contoh benda-benda yang melayang di dalam zat cair?

c. Tenggelam

Benda yang dicelupkan ke dalam fluida akan tenggelam jika massa jenis benda lebih besar daripada massa jenis fluida (ρ_b > ρ_f). Jika benda yang dapat tenggelam dalam fluida ditimbang di dalam fluida tersebut, berat benda akan menjadi

atau

dengan: w_bf = berat benda dalam fluida (N), dan

w = berat benda di udara (N).

Gambar 7.14 (a) Balok aluminium dengan volume 100 cm³ di udara. (b) Balok aluminium dengan volume 100 cm3 ditimbang di dalam air Apakah beratnya sama?

Perhatikanlah Gambar 7.14. Aluminium (ρ = 2,7 g/cm³) yang bermassa 270 g dan memiliki volume 100 cm³, ditimbang di udara. Berat aluminium tersebut sebesar 2,7 N. Ketika penimbangan dilakukan di dalam air, volume air yang dipindahkan adalah 100 cm³ dan menyebabkan berat air yang dipindahkan sebesar 1 N (m = ρV dan w= mg). Dengan demikian, gaya ke atas FA yang dialami aluminium sama dengan berat air yang dipindahkan, yaitu sebesar 1 N. Berat aluminium di dalam air menjadi

w_bf = w – FA

= 2,7 N – 1 N

= 1,7 N

Contoh soal penerapan hukum Archemedes

1. Sebuah batu memiliki berat 30 N Jika ditimbang di udara. Jika batu tersebut ditimbang di dalam air beratnya = 21 N. Jika massa jenis air adalah 1 g/cm³, tentukanlah:

a. gaya ke atas yang diterima batu,

b. volume batu, dan

c. massa jenis batu tersebut.

Jawab

Diketahui: w = 30 N, w_bf = 21 N, dan ρ_air = 1 g/cm³.

ρ_air = 1 g/cm³ = 1.000 kg/m³

a. w_bf = w – FA

21 N = 30 N – FA

FA = 9 N

b. FA = ρ_airV_batu g

9 N = (1.000 kg/m³) (Vbatu) (10 m/s²)

V_batu = 9 × 10^–4 m³

c.

2. Sebuah bola logam padat seberat 20 N diikatkan pada seutas kawat dan dicelupkan ke dalam minyak ( ρ_minyak = 0,8 g/cm³). Jika massa jenis logam 5 g/cm³, berapakah tegangan kawat?

Jawab

Diketahui: w_bola = 20 N, ρ minyak = 0,8 g/cm³, dan ρ logam = 5 g/cm³.

Berdasarkan uraian gaya-gaya yang bekerja pada bola, dapat dituliskan persamaan

T + FA = w

T = w – FA = w – ρ_minyakV_bola g

T = 16,8 N.

3. Sebuah benda memiliki volume 20 m³ dan massa jenisnya = 800 kg/m³. Jika benda tersebut dimasukkan ke dalam air yang massa jenisnya 1.000 kg/m³, tentukanlah volume benda yang berada di atas permukaan air.

Jawab

Diketahui: V_benda = 20 m³, ρ benda = 800 kg/m³, dan ρ air = 1.000 kg/m³.

Volume air yang dipindahkan = volume benda yang tercelup

FA = ρ_air V_air-pindah g = berat benda

= ρ_air V_{bagian tercelup} g = mg

ρ_air V_{bagian tercelup} = ρ_benda V_benda

(1 kg/m³) (V_{bagian tercelup}) = (800 kg/m³) (20 m³)

V_{bagian tercelup} = 16 m³

V_muncul = 20 m³ – 16 m³ = 4 m³.

4. Sebuah benda dimasukkan ke dalam air. Ternyata, 25% dari volume benda terapung di atas permukaan air. Berapakah massa jenis benda tersebut?

Jawab:

Diketahui: Vbenda terapung = 25%.

w_benda = FA

mg = ρ_airV_{benda tercelup} g

ρ_airVbenda g = ρ_airV_{benda tercelup} g

Aplikasi Hukum Archimedes

Hukum Archimedes banyak diterapkan dalam kehidupan sehari-hari, di antaranya pada hidrometer, kapal laut, kapal selam, balon udara, dan galangan kapal. Berikut ini prinsip kerja alat-alat tersebut.

a. Hukum Archimedes pada Hidrometer

Gambar 7.15 Hidrometer

Hidrometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur massa jenis zat cair. Proses pengukuran massa jenis zat cair menggunakan hidrometer dilakukan dengan cara memasukkan hidrometer ke dalam zat cair tersebut. Angka yang ditunjukkan oleh hidrometer telah dikalibrasi sehingga akan menunjukkan nilai massa jenis zat cair yang diukur. Berikut ini prinsip kerja hidrometer.

Gaya ke atas = berat hidrometer

FA = w_hidrometer

ρ₁V₁ g = mg

Oleh karena volume fluida yang dipindahkan oleh hidrometer sama dengan luas tangkai hidrometer dikalikan dengan tinggi yang tercelup maka dapat dituliskan

ρ₁ (Ah₁) = m

dengan: m = massa hidrometer (kg),

A = luas tangkai (m²),

h_f = tinggi hidrometer yang tercelup dalam zat cair (m), dan

ρ_f = massa jenis zat cair (kg/m³).

Hidrometer digunakan untuk memeriksa muatan akumulator mobil dengan cara membenamkan hidrometer ke dalam larutan asam akumulator. Massa jenis asam untuk muatan akumulator penuh kira-kira = 1,25 kg/m³ dan mendekati 1 kg/m3 untuk muatan akumulator kosong.

b. Kapal Laut dan Kapal Selam

Mengapa kapal yang terbuat dari baja dapat terapung di laut? Peristiwa ini berhubungan dengan gaya apung yang dihasilkan oleh kapal baja tersebut. Perhatikan Gambar 7.16 berikut.

Gambar 7.16 Kapal yang sama pada saat kosong dan penuh muatan. Volume air yang di pindahkan oleh kapal ditandai dengan tenggelamnya kapal hingga batas garis yang ditunjukkan oleh tanda panah.

Balok besi yang dicelupkan ke dalam air akan tenggelam, sedangkan balok besi yang sama jika dibentuk menyerupai perahu akan terapung. Hal ini disebabkan oleh jumlah fluida yang dipindahkan besi yang berbentuk perahu lebih besar daripada jumlah fluida yang dipindahkan balok besi. Besarnya gaya angkat yang dihasilkan perahu besi sebanding dengan volume perahu yang tercelup dan volume fluida yang dipindahkannya. Apabila gaya angkat yang dihasilkan sama besar dengan berat perahu maka perahu akan terapung. Oleh karena itu, kapal baja didesain cukup lebar agar dapat memindahkan volume fluida yang sama besar dengan berat kapal itu sendiri.

Gambar 7.17 Penampang kapal selam ketika (a) terapung, (b) melayang, dan (c) tenggelam.

Tahukah Anda apa yang menyebabkan kapal selam dapat terapung, melayang, dan menyelam? Kapal selam memiliki tangki pemberat di dalam lambungnya yang berfungsi mengatur kapal selam agar dapat terapung, melayang, atau tenggelam. Untuk menyelam, kapal selam mengisi tangki pemberatnya dengan air sehingga berat kapal selam akan lebih besar daripada volume air yang dipindahkannya. Akibatnya, kapal selam akan tenggelam. Sebaliknya, jika tangki pemberat terisi penuh dengan udara (air laut dipompakan keluar dari tangki pemberat), berat kapal selam akan lebih kecil daripada volume kecil yang dipindahkannya sehingga kapal selam akan terapung. Agar dapat bergerak di bawah permukaan air laut dan melayang, jumlah air laut yang dimasukkan ke dalam tangki pemberat disesuaikan dengan jumlah air laut yang dipindahkannya pada kedalaman yang diinginkan.

c. Balon Udara

Balon berisi udara panas kali pertama diterbangkan pada tanggal 21 November 1783. Udara panas dalam balon memberikan gaya angkat karena udara panas di dalam balon lebih ringan daripada udara di luar balon. Balon udara bekerja berdasarkan prinsip Hukum Archimedes. Menurut prinsip ini, dapat dinyatakan bahwa sebuah benda yang dikelilingi udara akan mengalami gaya angkat yang besarnya sama dengan volume udara yang dipindahkan oleh benda tersebut.

Gambar 7.18 Balon udara dapat mengambang di udara karena memanfaatkanprinsip Hukum Archimedes.

Tegangan permukaan adalah properti dari permukaan cairan yang memungkinkan untuk melawan kekuatan eksternal. Hal ini terungkap, misalnya, di beberapa objek mengambang di permukaan air, meskipun mereka lebih padat daripada air, dan dalam kemampuan beberapa serangga (misalnya striders air ) untuk berjalan di permukaan air. Properti ini disebabkan oleh kohesi molekul serupa, dan bertanggung jawab untuk banyak perilaku cairan.

Tegangan permukaan memiliki dimensi dari gaya per satuan panjang , atau energi per satuan luas . Keduanya setara-tapi ketika mengacu pada energi per unit areal, orang menggunakan istilah energi permukaan -yang merupakan istilah yang lebih umum dalam arti bahwa hal itu berlaku juga untuk makanan padat dan tidak hanya cairan.

Dua definisi

Menunjukkan diagram, dalam penampang, jarum mengambang di permukaan air. Bobotnya, M _w, menekan permukaan, dan seimbang dengan kekuatan tegangan permukaan di kedua sisi, F _s, yang sejajar setiap permukaan air pada titik-titik di mana kontak jarum. Perhatikan bahwa komponen horizontal dari titik dua F _s panah ke arah yang berlawanan, sehingga mereka membatalkan satu sama lain, tetapi titik komponen vertikal dalam arah yang sama dan karena itu menambah ^[1]untuk menyeimbangkan F _w.

Tegangan permukaan, yang diwakili oleh simbol γ didefinisikan sebagai kekuatan sepanjang garis dari satuan panjang, di mana gaya adalah sejajar dengan permukaan tetapi tegak lurus terhadap garis. Salah satu cara untuk gambar ini adalah dengan membayangkan sebuah film sabun datar yang dibatasi pada satu sisi oleh thread kencang panjang, L.Thread akan ditarik ke bagian dalam film dengan kekuatan sama dengan 2  L (faktor 2 adalah karena film sabun memiliki dua sisi, maka dua permukaan). ^[4] tegangan permukaan karena itu diukur dalam pasukan per satuan panjang .Its SI unit adalah newton per meter tetapi cgs unit dyne per cm juga digunakan. ^[5] Satu dyn / cm sesuai dengan 0,001 N / m.

Definisi setara, yang berguna dalam termodinamika , adalah pekerjaan dilakukan per satuan luas. Dengan demikian, untuk meningkatkan luas permukaan massa cair dengan nilai, δA, sejumlah pekerjaan,  δA, diperlukan. ^[4] Pekerjaan ini disimpan sebagai energi potensial. Akibatnya tegangan permukaan dapat juga diukur dalam sistem SI sebagai joule per meter persegi dan dalam cgs sistem sebagai ergs per cm ^2. Karena sistem mekanik mencoba untuk menemukan keadaan energi potensial minimum, tetesan cairan bebas secara alami mengasumsikan bentuk bola, yang memiliki luas permukaan minimum untuk volume tertentu.

Kesetaraan pengukuran energi per satuan luas untuk memaksa per satuan panjang dapat dibuktikan dengan analisa dimensi . ^[4]

[ sunting ]Permukaan kelengkungan dan tekanan

Kekuatan tegangan permukaan yang bekerja pada sebuah patch (diferensial) kecil dari permukaan δθ _x. Dan δθ _y menunjukkan jumlah tikungan lebih dimensi patch. Menyeimbangkan kekuatan ketegangan dengan tekanan mengarah pada persamaan Laplace Young-

Jika tidak ada gaya bertindak normal ke permukaan dikencangkan, permukaan harus tetap datar. Tapi jika tekanan pada satu sisi permukaan berbeda dari tekanan di sisi lain, perbedaan tekanan kali luas permukaan menghasilkan gaya normal. Agar kekuatan tegangan permukaan untuk membatalkan kekuatan karena tekanan, permukaan harus melengkung. Diagram menunjukkan bagaimana lengkung permukaan dari sebuah patch kecil dari permukaan menyebabkan komponen bersih kekuatan tegangan permukaan bertindak normal terhadap pusat patch. Ketika semua kekuatan yang seimbang, persamaan yang dihasilkan dikenal sebagai persamaan Laplace-Young : ^[6]

dimana:

§  Δ p adalah perbedaan tekanan.

§   adalah tegangan permukaan.

§  R _x dan R _y adalah jari-jari kelengkungan di setiap sumbu yang sejajar dengan permukaan.

Jumlah dalam kurung pada sisi kanan sebenarnya (dua kali) yang berarti kelengkungan permukaan (tergantung pada normalisasi).

Solusi untuk persamaan ini menentukan bentuk tetes air, genangan air, menisci, gelembung sabun, dan segala bentuk lain yang ditentukan oleh tegangan permukaan (seperti bentuk tayangan yang kaki strider air kita membuat di permukaan kolam).

Tabel di bawah menunjukkan bagaimana tekanan internal tetesan air meningkat dengan menurunnya radius. Karena tidak tetes sangat kecil efeknya halus, tapi perbedaan tekanan menjadi sangat besar ketika ukuran penurunan mendekati ukuran molekul. (Dalam batas satu molekul konsep tersebut menjadi tidak berarti.)

Δ p untuk tetes air dari jari-jari yang berbeda pada STP
Droplet radius	1 mm	0,1 mm	1 pM	10 nm
Δ p ( atm )	0.0014	0.0144	1.436	143.6

[ mengedit ]permukaan Cair

Minimal permukaan

Untuk menemukan bentuk permukaan minimal dibatasi oleh beberapa frame berbentuk sewenang-wenang menggunakan cara ketat matematika dapat menjadi tugas menakutkan. Namun dengan Penciptaan kerangka dari kawat dan mencelupkannya dalam sabun-solusi, permukaan lokal minimal akan muncul dalam film sabun yang dihasilkan dalam hitungan detik. ^[4] [7]

Alasan untuk ini adalah bahwa perbedaan tekanan di antarmuka cairan sebanding dengan kelengkungan rata-rata , seperti terlihat dalampersamaan Young-Laplace . Untuk film sabun terbuka, perbedaan tekanan adalah nol, maka kelengkungan rata-rata adalah nol, dan minimal permukaan memiliki sifat nol kelengkungan berarti.

[ sunting ]sudut Kontak

Artikel utama: sudut Kontak

Permukaan cairan apapun adalah sebuah antarmuka antara yang cair dan beberapa media lainnya. ^{[catatan 1]} Permukaan atas kolam, misalnya, adalah sebuah antarmuka antara air kolam dan udara. Tegangan permukaan, maka, bukan properti dari cairan saja, tetapi milik antarmuka cair dengan media lain. Jika cairan dalam wadah, kemudian selain antarmuka cairan / udara pada permukaan atas, ada juga sebuah antarmuka antara cairan dan dinding wadah. Tegangan permukaan antara cairan dan udara biasanya berbeda (lebih dari) tegangan permukaan dengan dinding wadah. Dan di mana dua permukaan bertemu, geometri mereka harus sedemikian rupa sehingga semua kekuatan keseimbangan. ^[4] [6]

Pasukan pada titik kontak ditampilkan untuk sudut kontak lebih besar dari 90 ° (kiri) dan kurang dari 90 ° (kanan)

Dimana dua permukaan bertemu, mereka membentuk sudut kontak ,  , Yang merupakan sudut tangen ke permukaan membuat dengan permukaan padat. Diagram ke kanan menunjukkan dua contoh. Kekuatan ketegangan ditunjukkan untuk antarmuka cairan-udara, antarmuka cair-padat, dan antarmuka padat-udara. Contoh di sebelah kiri adalah di mana perbedaan antara tegangan permukaan cair-padat dan padat-udara,  , Kurang dari tegangan permukaan cairan-udara,  , Tapi ini tetap positif, yaitu

Dalam diagram, baik gaya vertikal dan horizontal harus membatalkan tepat pada titik kontak, yang dikenal sebagai keseimbangan .Komponen horizontal  dibatalkan oleh kekuatan perekat,  . ^[4]

Saldo lebih menceritakan kekuatan, meskipun, adalah dalam arah vertikal. Komponen vertikal  persis harus membatalkan gaya,  .^[4]

Cair	Padat	Hubungi sudut
air	soda-kapur kaca menyebabkan kaca menyatu kuarsa	0 °
etanol
dietil eter
karbon tetraklorida
gliserin
asam asetat
air	parafin	107 °
	perak	90 °
metil iodida	soda-kapur kaca	29 °
	menyebabkan kaca	30 °
	menyatu kuarsa	33 °
air raksa	soda-kapur kaca	140 °
Beberapa sudut kontak cair-padat [4]

Sejak pasukan berada dalam proporsi langsung dengan ketegangan masing-masing permukaan, kami juga memiliki: ^[6]

dimana

§   adalah tegangan permukaan cair-padat,

§   adalah tegangan permukaan cairan-udara,

§   adalah tegangan permukaan padat-udara,

§   adalah sudut kontak, di mana cekung meniskus memiliki menghubungi sudut kurang dari 90 ° dan meniskus cembung memiliki sudut kontak lebih besar dari 90 °. ^[4]

Ini berarti bahwa meskipun perbedaan antara tegangan permukaan cair-padat dan padat-udara,  , Adalah sulit untuk mengukur secara langsung, dapat disimpulkan dari tegangan permukaan cairan-udara,  , Dan sudut kontak kesetimbangan,  , Yang merupakan fungsi dari sudut kontak dapat diukur dengan mudah maju dan surut (lihat artikel utama sudut kontak ).

Hubungan yang sama ada dalam diagram di sebelah kanan. Tapi dalam kasus ini kita melihat bahwa karena sudut kontak kurang dari 90 °, permukaan liquid-solid/solid-air perbedaan ketegangan harus negatif:

[ sunting ]sudut kontak khusus

Perhatikan bahwa dalam kasus khusus dari antarmuka air-perak mana sudut kontak sama dengan 90 °, permukaan liquid-solid/solid-air perbedaan ketegangan persis nol.

Kasus khusus lainnya adalah di mana sudut kontak persis 180 °. Air dengan khusus disiapkan Teflon pendekatan ini. ^[6] Kontak sudut 180 ° terjadi ketika tegangan permukaan cair-padat persis sama dengan tegangan permukaan cairan-udara.

cair dalam tabung vertikal

Artikel utama: aksi kapiler

Diagram barometer raksa

Sebuah gaya lama merkuri barometer terdiri dari tabung gelas vertikal sekitar 1 cm diameter sebagian diisi dengan air raksa, dan dengan vakum (disebutTorricelli itu vakum) dalam volume terisi (lihat diagram ke kanan). Perhatikan bahwa kadar merkuri di pusat tabung lebih tinggi dari pada tepi, membuat permukaan atas dari merkuri berbentuk kubah. Pusat massa dari seluruh kolom air raksa akan sedikit lebih rendah jika permukaan atas merkuri yang datar selama crossection seluruh tabung. Tapi bagian atas berbentuk kubah memberikan luas permukaan sedikit kurang untuk seluruh massa air raksa.Sekali lagi dua efek bergabung untuk meminimalkan energi potensial total. Seperti bentuk permukaan dikenal sebagai meniskus cembung.

Alasan kita mempertimbangkan luas permukaan seluruh massa air raksa, termasuk bagian dari permukaan yang bersentuhan dengan kaca, ini karena merkuri tidak mematuhi sama sekali untuk kaca. Jadi tegangan permukaan air raksa bertindak atas wilayah seluruh permukaan, termasuk di mana ia bersentuhan dengan kaca. Jika bukan kaca, tabung terbuat dari tembaga, situasinya akan sangat berbeda. Merkurius agresif mematuhi tembaga. Jadi dalam tabung tembaga, tingkat merkuri di pusat tabung akan lebih rendah dari pada tepi (yaitu, itu akan menjadi meniskus cekung). Dalam situasi di mana mematuhi cair pada dinding wadah, kami mempertimbangkan bagian dari luas permukaan fluida yang bersentuhan dengan wadah untuk memiliki tegangan permukaan negatif. Cairan kemudian bekerja untuk memaksimalkan luas permukaan kontak. Jadi dalam hal ini meningkatkan luas dalam kontak dengan wadah menurun daripada meningkatkan energi potensial. Itu penurunan cukup untuk mengkompensasi energi potensial meningkat terkait dengan mengangkat fluida dekat dinding wadah.

Ilustrasi kenaikan kapiler dan gugur. Merah = sudut kontak kurang dari 90 °; biru = sudut kontak lebih besar dari 90 °

Jika tabung cukup sempit dan adhesi cair untuk dindingnya cukup kuat, tegangan permukaan dapat menarik cairan ke atas pipa dalam fenomena yang dikenal sebagai kapiler . Ketinggian kolom akan naik untuk diberikan oleh: ^[4]

dimana

§   adalah ketinggian cairan tersebut diangkat,

§   adalah tegangan permukaan cairan-udara,

§   adalah densitas cairan,

§   adalah jari-jari kapiler,

§   adalah percepatan karena gravitasi,

§   adalah sudut kontak dijelaskan di atas. Jika  lebih besar dari 90 °, seperti merkuri dalam wadah kaca, cairan ini akan tertekan daripada diangkat.

[ sunting ]Genangan air pada permukaan

Profil kurva dari tepi genangan di mana sudut kontak adalah 180 °. Kurva diberikan oleh rumus: ^[6] dimana 

Genangan kecil air pada permukaan yang bersih halus memiliki ketebalan mencolok.

Menuangkan merkuri ke lembaran datar horizontal hasil kaca dalam genangan yang memiliki ketebalan mencolok.Genangan ini akan menyebar hanya ke titik di mana itu adalah sedikit di bawah setengah sentimeter tebal, dan tidak tipis. Sekali lagi ini adalah karena aksi dari tegangan permukaan yang kuat merkuri. Massa cair mendatar karena yang membawa sebanyak merkuri sebagai tingkat serendah mungkin, tapi tegangan permukaan, pada saat yang sama, bertindak untuk mengurangi total luas permukaan. Hasilnya adalah kompromi dari genangan ketebalan hampir tetap.

Demonstrasi ketegangan permukaan yang sama dapat dilakukan dengan air, air jeruk nipis atau bahkan garam, tetapi hanya pada permukaan yang terbuat dari zat yang air tidak mematuhi. Wax adalah seperti zat. Air dituangkan ke permukaan, halus datar, lilin horisontal, mengatakan lembaran lilin dari kaca, akan berperilaku sama seperti merkuri dituangkan ke gelas.

Ketebalan genangan cairan pada permukaan yang kontak sudut 180 ° diberikan oleh: ^[6]

dimana

adalah kedalaman genangan dalam sentimeter atau meter.

adalah tegangan permukaan cairan dalam dyne per sentimeter atau newton per meter.

adalah percepatan gravitasi dan sama dengan 980 cm / s 2 atau 9,8 m / s 2

adalah densitas cairan dalam gram per sentimeter kubik atau kilogram per meter kubik

Ilustrasi bagaimana sudut kontak lebih rendah menyebabkan penurunan kedalaman genangan

Pada kenyataannya, ketebalan dari genangan air akan sedikit kurang dari apa yang diperkirakan oleh rumus di atas permukaan karena sangat sedikit memiliki sudut kontak dari 180 ° dengan cairan apa pun. Ketika sudut kontak kurang dari 180 °, ketebalan diberikan oleh: ^[6]

Untuk merkuri pada kaca, γ _Hg = 487 dyn / cm, ρ _Hg = 13,5 g / cm ³ dan θ = 140 °, yang memberikan h _Hg = 0,36 cm. Untuk air pada parafin pada 25 ° C, γ = 72 dyn / cm, ρ = 1,0 g / cm ^3, dan θ = 107 ° yang memberikan h _{H 2 O} = 0,44 cm.

Rumus juga memprediksi bahwa ketika sudut kontak adalah 0 °, cairan akan menyebar ke lapisan mikro-tipis di atas permukaan. Seperti permukaan dikatakan sepenuhnya dapat dibasahi oleh cairan.

[ sunting ]Pemecahan aliran ke tetes

Tahap peralihan dari jet membobol tetes.Radius kelengkungan dalam arah aksial yang akan ditampilkan. Persamaan untuk radius sungai adalah  , Di mana adalah jari-jari dari aliran gentar,  adalah amplitudo perturbasi,  adalah jarak sepanjang sumbu sungai, dan  adalah jumlah gelombang

Artikel utama: Plateau-Rayleigh ketidakstabilan

Pada hari-hari kehidupan kita semua mengamati bahwa aliran air muncul dari keran akan memecah menjadi tetesan, tidak peduli seberapa lancar sungai dipancarkan dari kran. Hal ini disebabkan oleh fenomena yang disebut ketidakstabilan Plateau-Rayleigh , ^[6] yang seluruhnya akibat dari efek tegangan permukaan.

Penjelasan dari ketidakstabilan ini dimulai dengan adanya gangguan kecil di sungai. Ini selalu hadir, tidak peduli seberapa halus sungai adalah. Jika gangguan yang dipecahkan menjadi sinusoidal komponen, kita menemukan bahwa beberapa komponen tumbuh dengan waktu sementara yang lain peluruhan dengan waktu. Di antara mereka yang tumbuh dengan waktu, beberapa tumbuh pada tingkat lebih cepat dari yang lain. Apakah komponen meluruh atau tumbuh, dan seberapa cepat tumbuh adalah sepenuhnya fungsi dari bilangan gelombang nya (ukuran seberapa banyak puncak dan palung per sentimeter) dan jari-jari dari aliran silinder asli.

[ sunting ]Termodinamika

Sebagaimana dinyatakan di atas, pekerjaan mekanik dibutuhkan untuk meningkatkan permukaan adalah  . Oleh karena itu pada suhu dan tekanan tetap, tegangan permukaan sama dengan energi bebas Gibbs per luas permukaan: ^[6]

dimana  adalah energi bebas Gibbs dan  adalah daerah tersebut.

Termodinamika mengharuskan semua perubahan spontan negara disertai dengan penurunan energi bebas Gibbs.

Dari sini mudah untuk memahami mengapa penurunan luas permukaan massa cair selalu spontan (  ), Asalkan tidak digabungkan dengan perubahan energi lainnya. Oleh karena itu, untuk meningkatkan luas permukaan, sejumlah energi harus ditambahkan.

Energi bebas Gibbs didefinisikan oleh persamaan, ^[14]  , Di mana  adalah entalpi dan  adalah entropi . Berdasarkan ini dan fakta bahwa tegangan permukaan adalah energi bebas Gibbs per satuan luas, adalah mungkin untuk mendapatkan ekspresi berikut untuk entropi per satuan luas:

Kelvin Persamaan untuk permukaan muncul dengan menyusun kembali persamaan sebelumnya. Ini menyatakan bahwa permukaan entalpi atau energi permukaan (berbeda dari energi permukaan bebas ) tergantung baik tegangan permukaan dan turunannya dengan suhu pada tekanan konstan oleh hubungan. ^[15]

[ sunting ]Termodinamika gelembung sabun

Tekanan di dalam sebuah gelembung (satu permukaan) yang ideal sabun dapat diturunkan dari pertimbangan termodinamika energi bebas. Pada suhu konstan dan jumlah partikel,  , Perbedaan energi bebas Helmholtz diberikan oleh

dimana  adalah perbedaan tekanan di dalam dan di luar gelembung, dan  adalah tegangan permukaan. Pada kesetimbangan,  , Dan sebagainya,

 .

Untuk gelembung bulat, volume dan luas permukaan yang diberikan hanya dengan

 ,

dan

 .

Mengganti hubungan ini ke dalam ekspresi sebelumnya, kita menemukan

 ,

yang setara dengan persamaan Laplace Young- bila R = R _{x y.} Untuk gelembung sabun nyata, tekanan dua kali lipat karena adanya dua interface, satu di dalam dan satu di luar.

[ sunting ]Pengaruh suhu