Kapilaritas
Munculé kapilaritas
Yen pipa kaca sing sempit dicelupake ing wadhah isi banyu meneng tanpa aliran, banyu ing pipa bakal munggah nganti dhuwuré hk ing ndhuwur tingkat N ing wadhah, lan permukaan banyu ing pipa bakal mbentuk meniskus m (woro-woro 1_a_). Yen pipa luwih sempit, mula dhuwuré munggah kapiler banyu hk luwih gedhé.
Munggahé banyu kanthi kapiler dianggep amarga gaya munggah saka meniskus m, lan diterangake déning gaya tarik intermolekul antarane molekul banyu lan kaca lan tegangan permukaan antarane tembok pipa sing sempit lan permukaan banyu.
Ing titik kontak antarané tembok pipa kaca lan permukaan banyu tumindak gaya kapiler R ing arah garis tangensial marang permukaan meniskus m, sing diungkapaké kanthi siji bobot saben siji dawa, ing p/cm. Kanthi misahaké gaya R dadi komponen J sing podo karo permukaan tembok lan komponen P sing jejeg marang tembok, kita oleh gaya munggah meniskus (gambar 1_a_): J = R cosα.
Sudut α sing dibentuk déning gaya R marang permukaan tembok diarani sudut kapilaritas lan nilainé antara 0 nganti 90O. Yen banyu ing pipa kapiler lan temboké resik banget, mula α=0, permukaan meniskus setengah bunder, gaya angkat J = R maksimal (gambar 1_b_). Yen banyu ngandhut lemak utawa asam organik utawa yen temboké lengo, mula α = 90°, ora ana pambentukan meniskus, mula ora ana uga munggah kapiler banyu.
Gbr. 1. Munggahé banyu kanthi kapiler lan pangaribawane gaya kapiler
Gaya munggah J = R cos α dipikolehi saka kahanan keseimbangan, miturut ngendi gaya munggah total J ing sakabehé keliling meniskus, yaiku pipa kapiler kanthi radius r, nyangga kolom banyu ing pipa dhuwuré h__ₖ:
R cos α · 2π_r_ = π_r_² h__ₖ γ__w
ing ngendi γ__w yaiku bobot volume banyu.
Saka persamaan sadurunge dipikolehi gaya kapiler sing ngangkat:
R cos α = (r · h__ₖ · γ__w) / 2
yaiku dhuwuré munggah kapiler:
h__ₖ = (2_R_) / (r · γ__w) · cos α [cm].
Banyu kapiler anget munggah ing pipa kapiler nganti dhuwur sing luwih gedhe tinimbang banyu adhem amarga viskositasé luwih gedhe. Mula, kanggo dhuwuré munggah kapiler h__ₖ sing padha, gaya R cos α luwih cilik kanggo banyu kapiler anget tinimbang kanggo banyu adhem. Miturut uji coba sing wis ditindakake kanggo macem-macem suhu banyu t kanthi kahanan sing padha, dipikolehi nilai gaya ngangkat R cos α kaya ing ngisor iki:
t =
0°
10°
20°
40°
R cos α =
0,0756
0,0742
0,0727
0,0695 p/cm
Banyu ing pipa kapiler kena tegangan tarik, amarga gaya R cos α ngangkat munggah, déné gaya gravitasi narik mudhun. Nanging tembok pipa kapiler kena tegangan tekan ing pengaruh gaya kapiler R.
Kapilaritas ing lemah
Kapilaritas uga ana ing lemah, ing ngendi tabung-tabung kapiler mbentuk pori-pori, sing saling nyambung ing kabeh arah. Yen lemah luwih alus butire, pori-porine saya alus lan dhuwuré munggah kapiler luwih gedhe. Dhuwur iki uga gumantung marang struktur lemah. Nanging pori ing lemah bisa beda-beda ukurane, lan ing kasus kuwi dhuwuré munggah kapiler uga beda. Yen banyu kapiler nalika munggah tekan “panggonan sing luwih amba”, yaiku nganti pori sing luwih gedhe tinimbang sing cocog karo gaya angkat kanggo diameter pori sing luwih sempit ing dhuwur sing wis ditempuh, mula munggah kapiler luwih lanjut gumantung marang ukuran pori sing luwih gedhe kuwi. Ing kasus iki kita nduweni dhuwuré munggah kapiler aktif h__ₖₐ sing gumantung marang pori-pori paling gedhe. Kosok baline, nalika wektu mudhune tingkat banyu lemah banyu kapiler sing mudhun saka ndhuwur menyang ngisor nemoni “panggonan sing luwih sempit”, banyu kuwi bakal tetep ana ing jeroné lan ora bakal mudhun luwih adoh. Ing kasus iki kita nduweni dhuwuré kapiler pasif h__ₖₚ, sing gumantung marang pori-pori paling cilik.
Miturut porositas lan struktur lemah dibedakake banyu kapiler tertutup lan banyu kapiler mbukak.
Banyu kapiler sing katutup ana gandhengane karo kaca banyu lemah lan nalika munggah nyurung hawa ing ngarepé menyang zona ndhuwur lemah. Akibate jumlah hawa ing zona ndhuwur mundhak, lan kanthi mangkono tekanan hawa, ing pori-pori zona kuwi. Tekanan hawa sing kawangun iki nentang munggahnè kapiler, mula dhuwuré munggahnè kapiler luwih cilik. Kahanan iki dumadi ing lapisan lemah sing luwih ngisor, pas ing ndhuwur permukaan banyu lemah, ing ngendi pori-poriné cilik lan nalika munggahnè kapiler banyu kanthi lengkap ngisi kabeh pori.
Banyu kapiler mbukak uga gegayutan karo permukaan banyu lemah, nanging ana ing jejere pori-pori sing kebak hawa. Kahanan iki dumadi ing bagean ndhuwur lemah, ing ngendi pori-pori ukurane beda-beda saengga banyu mung kebak ing pori-pori cilik, dene ing pori-pori gedhe sing jejere ana hawa. Nalika kapiler munggah, banyu nyurung hawa saka pori-pori cilik menyang pori-pori gedhe ing jejere, mula ing zona ndhuwur ing ndhuwur kolom banyu ing kapiler ora kawangun tekanan hawa, dadi banyu kapiler mbukak munggah luwih dhuwur tinimbang sing tertutup.
Zona ing ngendi ana banyu kapiler sing ketutup utawa mbukak ditemtokaké adhedhasar jumlah banyu w ing lemah.
Ing banyu kapiler sing tertutup, kabeh pori kebak banyu, tegese jumlah banyu ing lemah w = wZ, yaiku derajat kejenuhan S__ᵣ = 1,0.
Ing banyu kapiler mbukak, pori-pori cilik kebak banyu kabèh, déné pori-pori sing luwih gedhé kebak banyu mung sebagean, yaiku kanthi film banyu sing mbungkus partikel padhet lan banyu pojok (gambar 2) ing titik-titik kontak antarane partikel padhet, lan sebagean karo hawa, mula ing kasus iki w < wZ, yaiku S__ᵣ < 1,0.
Dhuwuré kenaikan kapiler h__ₖ kanggo saben jinis lemah ditemtokake liwat uji laboratorium. Dhuwuré rata-rata h__ₖ kanggo saben jinis lemah ana ing watesan iki:
Jinis lemah
h****ₖ
wedhi alus
hₖ = 0,05 – 0,5 m
bledug
hₖ = 0,5 – 5,0 m
lemah lempungan
hₖ = 5,0 – 15,0 m
lempung
hₖ = 15,0 – 50,0 m lan luwih
Gbr. 2. Lapisan banyu lan banyu permukaan ing pojok
Ing lemah, gaya kapiler R tumindak kanthi tekanan marang partikel padhet, saéngga ing antarané kawangun sing diarani kohesi semu, sing tumindak kaya daya ikat tartamtu ing antarane partikel padhet. Nanging kohesi semu mung ana nganti isih ana munggahé banyu sacara kapiler ing pori-pori lemah. Nalika lemah dicemplungaké ing banyu, pori-pori kebak banyu lan kohesi semu mandheg ana.
Kohe si semu nerangaké kedadeyan nalika pasir alus, sing ing kahanan garing gembur, ing kahanan teles éntuk sawijiné daya perekatan supaya bisa dibentuk, sing ora bisa ditindakake nganggo pasir garing.
Wis dikenal, yen wedhi (yen dudu lendhut utawa bledug) ing pantai segara sing teles amarga ombak nduwèni daya nahan sing apik banget, nganti bisa dienggoni kanggo numpak sepeda utawa mobil, dene luwih adoh, ing panggonan ombak ora tekan, wedhi sing padha ing kahanan garing lan roda bakal klelep ing kono, saéngga saben nyopir dadi ora bisa.
KAPARABILITAS
Aliran banyu liwat massa sing permeabel
Ayo kita mirsani bejana sing nyambung A, B, C, D, lan E (gambar 3), sing salah siji bagéyan saka a nganti b kanthi dawa L kapenuhan massa sing permeabel, umpamané pasir. Yen ing salah siji ujung bejana sing nyambung kita tuang banyu nganti tingkat N₁, mula tingkat banyu ing bejana sing nyambung bakal béda-béda, yaiku bakal mudhun miturut dawa dalan sing ditempuh banyu.
Sl. 3. Aliran banyu liwat massa sing permeabel
Nalika dhuwuré kolom banyu h₁ wis tekan ing ngarep saringan, ing mburine saringan bakal dadi h₂. Selisih antarane tingkat N₁ lan N₂ wektu kuwi yaiku:
h = h₁ − h₂
Beda h makili tekanan hidrostatis sing ilang, sing digunakaké kanggo ngalahaké tahanan aliran banyu liwat saringan. Fenomena iki ditemokaké déning ilmuwan Prancis Darcy wis 1856. taun. Wektu kuwi dhèwèké uga netepaké rumus iki kanggo ngitung kecepatan aliran banyu liwat massa sing permeabel:
V = k × (dh/dL) = ki
ngendi iku:
- V = kecepatan aliran banyu liwat massa sing permeabel, [cm/sec],
- k = koefisien permeabilitas sing gumantung marang sipat lemah [cm/sec],
- dh = dawa sing dipikolehi nalika dhuwur h dipérang dadi akèh lapisan tipis [cm],
- dL = dawa sing dipikoleh nalika dawa L dipérang dadi cacah dawa sing padha karo dhuwuré h, [cm].
Rasio dh/dL = i iku rasio dhuwur sing ilang amarga mlebu banyu marang jarak sing ditempuh banyu lan diarani tundhakan hidraulik, gradien hidraulik utawa uga kemiringan piezometrik. Jeneng pungkasan iki asalé saka pipa B, C lan D, sing diarani pipa piezometrik. Rumus ing ndhuwur diarani Ukum Darcye kanggo gerakan banyu liwat saringan.
Jumlah banyu total q, sing ing wektu tartamtu t liwat saringan kanthi area penampang A yaiku
q = kAti,
saka ngendi iku
k = q / (Ati), utawa k = qL / Ath,
ing endi i = h / L = penurunan hidraulik ing dawa L (yen garisé lurus).
Koefisien k nyatakake dayatahan lemah nalika suhu 10°C.
k = V / i [cm/sec]
Kacepetan aliran banyu liwat lemah dipikolehi saka rumus
V = q / A [cm/sec],
yaiku q = jumlah banyu sing mili liwat lemah ing cm³ saben detik, ing suhu 10°C, A = area penampang lemah sing diliwati banyu, [cm²].
Ukum Darcye ditrapaké kanggo gerakan aliran laminar banyu, yaiku gerakan sing tentrem, tanpa pusaran lan kanthi kacepetan cilik.
Kacepetan filtrasi V iku kacepetan rata-rata geraké banyu liwat lemah lan ora padha karo kacepetan aliran banyu sing nyata, sing luwih gedhé. Nalika banyu mili liwat saringan, unsur proran dh sing padha asring digunakaké ing dawa lintasan banyu dL sing ora padha, mula gradien hidraulik owah saka siji titik lemah menyang titik liyane.
Kebolehtembusan lemah gumantung marang gedhene pori-pori ing njero. Yen lemah diwenehi beban, pori-pori saya cilik lan kebolehtembusan dadi luwih sithik. Mula, kanggo lemah sing padha, koefisien kebolehtembusan k langsung sebanding karo gedhene porositas, yaiku karo koefisien porositasé e. Nanging, kanggo macem-macem jinis lemah, porositas sing diwenehake nganggo koefisien porositas e ora bisa dadi ukuran kanggo kebolehtembusan, amarga kebolehtembusan iki ora mung gumantung marang porositas total lemah, nanging luwih marang gedhene pori-pori ing njero. Mula contone pasir kerikil sing porositasé e = 0,25, nduweni kebolehtembusan sing banget gedhe, k = 2–3 cm/sec, dene lempung alus, sing porositasé 60%, koefisien porositas e = 1,50, nduweni kebolehtembusan cilik, k = 10_⁻⁶ nganti 10⁻_¹¹ cm/sec.
Koefisien permeabilitas k bisa ditemtokaké kanthi cara itungan, uji laboratorium lan uji lapangan.
Nemtokake koefisien kanthi cara hitungan adhedhasar komposisi granulometri lemah. Kanggo nemtokake koefisien k dianggep yen partikel padhet lemah wujude sferis, sing ora cocog karo kasunyatan, utamane ing lemah kohesif. Mula, nilai koefisien k sing ditemtokake kanthi cara iki ora dianggep akurat.
Penentuan koefisien k kanthi uji laboratorium paling akeh digunakaké lan ditindakake ing conto lemah sing ora kaganggu. Nanging, akurasi koefisien k sing ditemtokaké kanthi cara iki gumantung marang pirang-pirang faktor, kayata apa lan sepira adoh conto sing diuji iku makili lapisan sing bisa ngliwati banyu ing lemah, banjur saka kahanan ora kaganggu saka conto ing piranti kanggo nindakake uji lan saka cara nindakake uji. Kanthi nguji jumlah conto sing cukup kanggo makili lemah tartamtu, njupuk conto ing lapangan ing silinder saka piranti uji iku dhewe lan kanthi cara nindakake uji sing cocog, bisa dipikolehi nilai koefisien k sing kira-kira akurat lan bisa digunakaké minangka cukup nyukupi.
Nemtokake koefisien k kanthi uji lapangan menehi nilai sing paling tliti, amarga cocog banget karo komposisi lan lapisan lemah ing panggonan lemah iku ana. Nanging cara nemtokake koefisien k iki mbutuhake wektu akeh lan biaya gedhé, mula arang ditindakake lan mung ing kasus nalika nilai sing banget tepat pancèn dibutuhaké.
Miturut peraturan kita kanggo pondasi dianggep manawa lemah sing koefisien tembusé:
- k < 10_⁻_¹¹ cm/sec — meh ora tembus
- k < 10_⁻_⁹ — banget ora permeabel
- k < 10_⁻_⁷ — rada permeabel
- k < 10_⁻_⁵ — cukup gampang tembus
- k < 10_⁻_³ — luwih gampang nembus
- k > 10_⁻_³ — banget permeabel