Tegangan Permukaan & Kapilaritas — Fisika Kelas 11–12

Setelah ini kamu bisa menjelaskan tegangan permukaan sebagai gaya kohesi pada permukaan cairan dan menghitung kenaikan kolom cairan di pipa kapiler.

Caplak air berjalan di atas permukaan kolam tanpa tenggelam, padahal lebih berat dari daya apung murninya. Kertas tisus menyerap air ke atas melawan gravitasi, dan darah naik tipis di pembuluh kapiler tubuhmu. Semua ini karya tegangan permukaan dan kapilaritas — dua gejala yang lahir karena molekul cairan saling menarik di batas udara. Geser slider jari-jari pipa di bawah dan lihat sendiri bagaimana tinggi kolom cairan berubah.

Geser slider jari-jari pipa r pada grafik di bawah, lalu perhatikan ketinggian kolom cairan yang naik-turun.

Permukaan cairan seperti selaput elastis

Molekul di dalam cairan dikelilingi tetangga di segala arah, sehingga gaya tarik-menarik (kohesi) saling meniadakan. Tapi molekul di permukaan hanya ditarik oleh tetangga di bawah dan sampingnya, bukan dari atas (udara). Tarikan tidak seimbang ini menciptakan gaya ke dalam yang membuat permukaan cairan berperilaku seperti selaput elastis yang menahan benda.

Tegangan permukaan ( $\gamma$ ) adalah gaya kohesi per satuan panjang pada permukaan cairan, dengan satuan newton per meter (N/m). Permukaan cairan berperilaku seperti selaput yang tahan terhadap robekan kecil.

Inilah sebabnya caplak bisa berdiri di air (permukaannya tidak jebol menahan kaki yang sangat ringan), tetesan air berbentuk hampir bola (permukaan mengecil luasnya), dan jarum baja bisa mengambang sejenak sebelum tenggelam. Tegangan permukaan air murni pada suhu kamar kira-kira $\gamma = 0,072$ N/m — terdengar kecil, namun cukup menahan benda bermassa miligram.

Bayangkan permukaan air sebagai trampoline yang sangat kencang. Benda ringan (caplak, jarum) menekuk “trampoline” itu tanpa menembusnya; benda berat menembus karena gayanya melebihi daya tahan selaput. Deterjen membuat trampoline ini “kendur” — itulah sebabnya sabun membantu air membersihkan kain.

Kapilaritas: cairan merambat naik di pipa sempit

Saat pipa sempit (kapiler) dicelupkan ke cairan, permukaan cairan melengkung membentuk meniskus. Cairan yang membasahi dinding (seperti air pada gelas) membentuk meniskus cekung (cekung ke bawah); cairan yang tidak membasahi (seperti raksa) membentuk meniskus cembung. Tekanan di bawah meniskus cekung lebih kecil dari tekanan atmosfer, sehingga atmosfer mendorong cairan naik di pipa hingga tercapai keseimbangan dengan berat kolom.

$h = \frac{2 \gamma \cos\theta}{\rho g r}$

Arti tiap simbol: $h$ = ketinggian kolom di atas permukaan bebas (m), $\gamma$ = tegangan permukaan cairan (N/m), $\theta$ = sudut kontak antara cairan dan dinding, $\rho$ = massa jenis cairan (kg/m³), $g$ = percepatan gravitasi (m/s²), $r$ = jari-jari pipa (m). Untuk air yang membasahi gelas, $\theta \approx 0$ sehingga $\cos\theta = 1$ .

Dari rumus ini muncul dua kunci penting. Pertama, $h$ berbanding terbalik dengan $r$ : makin sempit pipa, makin tinggi cairan naik. Itulah mengapa darah merambat jauh di pembuluh kapiler tubuh yang berdiameter mikro. Kedua, $h$ berbanding lurus dengan $\gamma$ dan $\cos\theta$ : cairan dengan tegangan permukaan besar dan sudut kontak kecil naik paling tinggi.

Membandingkan tiga cairan

Air, alkohol, dan raksa merespons kapiler dengan sangat berbeda. Air memiliki $\gamma \approx 0,072$ N/m dan membasahi gelas ( $\cos\theta \approx 1$ ), sehingga naik tinggi. Alkohol punya $\gamma$ lebih kecil ( $\approx 0,022$ N/m) sehingga naik lebih rendah. Raksa punya $\gamma$ besar ( $\approx 0{,}465$ N/m) tetapi tidak membasahi gelas ( $\theta \approx 140^\circ$ , $\cos\theta$ negatif), sehingga kolomnya turun di bawah permukaan bebas, bukan naik.

Cairan	$\gamma$ (N/m)	$\theta$	Akibat di pipa gelas
Air	$0{,}072$	$\approx 0^\circ$	Naik, meniskus cekung
Alkohol	$0{,}022$	$\approx 0^\circ$	Naik rendah
Raksa	$0{,}465$	$\approx 140^\circ$	Turun, meniskus cembung

Akar dari tekanan: lengkungan meniskus

Mengapa meniskus cekung membuat cairan naik? Kuncinya adalah tekanan. Permukaan lengkung meniskus menciptakan selisih tekanan antara dua sisi permukaan (Persamaan Laplace). Pada meniskus cekung, tekanan cairan tepat di bawah permukaan lebih kecil daripada tekanan udara di atasnya — sehingga atmosfer mendorong kolom naik. Pada grafik tekanan di bawah, perhatikan bahwa tekanan di dalam fluida bertambah linier dengan kedalaman — dan meniskus cekung menggeser titik mula tekanan itu sedikit ke bawah.

Berlatih menghitung tinggi kolom

Sebelum hafal seluk-beluknya, kuasai dulu rumus utama $h = \frac{2\gamma\cos\theta}{\rho g r}$ . Berlatihlah sampai refleks menghitung tinggi kolom air di pipa kapiler.

Tegangan permukaan dan kapilaritas termasuk elemen fluida kerangka TKA Fisika 045/H/AN/2025. Soal paling sering: (1) menghitung $h$ dari $\gamma$ , $\rho$ , $r$ ; (2) menjelaskan mengapa raksa turun sedangkan air naik; (3) efek penambahan deterjen (menurunkan $\gamma$ , sehingga $h$ turun). Jebakan klasik: lupa satuan (mm pipa harus diubah ke m), atau keliru memasukkan sudut kontak raksa sebagai cos positif padahal $\cos 140^\circ < 0$ .

Coba dulu di kertas, baru buka.

Soal. Pipa kapiler berjari-jari $0{,}25$ mm dicelupkan ke dalam air ( $\gamma = 0{,}072$ N/m, $\rho = 1000$ kg/m³, $\theta \approx 0^\circ$ , $g = 9{,}8$ m/s²). (a) Berapa tinggi kolom air yang naik? (b) Bagaimana jika jari-jari dijadikan setengahnya?

$r = 0{,}25$ mm $= 0{,}25 \times 10^{-3}$ m. $\cos 0^\circ = 1$ . $h = \dfrac{2 \times 0{,}072 \times 1}{1000 \times 9{,}8 \times 0{,}25 \times 10^{-3}}$ .

Penyebut $= 1000 \times 9{,}8 \times 2{,}5 \times 10^{-4} = 2{,}45$ . Pembilang $= 0{,}144$ . Maka $h = \dfrac{0{,}144}{2{,}45} \approx 0{,}0588$ m $\approx 5{,}9$ cm.

Karena $h$ berbanding terbalik dengan $r$ , memperkecil $r$ menjadi setengahnya membuat $h$ menjadi dua kalinya, yaitu $\approx 11{,}8$ cm. Makin sempit pipa, makin tinggi air merambat naik.

Jebakan: mengira raksa naik seperti air di pipa kapiler. Yang benar: raksa tidak membasahi gelas ( $\theta \approx 140^\circ$ ), sehingga $\cos\theta$ negatif dan kolomnya turun di bawah permukaan bebas, bukan naik.

Jebakan: lupa mengubah jari-jari pipa dari milimeter ke meter. Yang benar: rumus memakai SI — $r$ dalam meter ( $1$ mm $= 10^{-3}$ m). Lupa konversi membuat jawaban meleset ribuan kali.

Jebakan: menyamakan tegangan permukaan dengan kekentalan (viskositas). Yang benar: tegangan permukaan adalah gaya kohesi di permukaan (N/m); viskositas adalah gesekan internal yang melawan aliran (Pa·s). Dua hal berbeda, meski keduanya sifat cairan.

Tegangan permukaan $\gamma$ (N/m) = gaya kohesi per panjang pada permukaan cairan; permukaan berperilaku seperti selaput elastis.
Kapilaritas: $h = \dfrac{2 \gamma \cos\theta}{\rho g r}$ — cairan merambat di pipa sempit.
$h$ berbanding terbalik dengan $r$ : makin sempit pipa, makin tinggi (atau rendah) kolom.
Air membasahi gelas ( $\theta \approx 0$ , naik); raksa tidak membasahi ( $\theta \approx 140^\circ$ , turun).
Detergen menurunkan $\gamma$ ; itulah sebab sabun membantu pembersihan.