JIPI (Jurnal IPA dan Pembelajaran IPA), 3(2), 62-74, 2019
http://jurnal.unsyiah.ac.id/jipi
p-ISSN: 2614-0500 e-ISSN: 2620-553X
FENOMENA PUSARAN AIR PADA KAJIAN KONVEKSI RAYLEIGH BENARD SEBAGAI REPRESENTASI PEMBELAJARAN TERJADINYA ANGIN PUTING BELIUNG

## M. H. Rohman
Departemen Agama RI, Institut Agama Islam Negeri Salatiga, Jawa Tengah, Indonesia
Corresponding Author: mustdayat80@gmail.com
DOI: 10.24815/jipi.v3i2.14707
Received: 26 September 2019        Revised: 29 Oktober 2019          Accepted: 8 November 2019
Abstrak. Telah  dilakukan  penelitian  dengan  suatu  perangkat  pengamatan  fenomena  konveksi Rayleigh Benard . Perangkat pengamatan terbuat dari kotak kaca yang dibatasi oleh dua plat, yaitu plat bawah dan plat atas. Plat bawah lebih panas dari plat atas yang berfungsi untuk memanaskan lapisan horisontal fluida dari bawah. Media yang digunakan untuk mengamati dinamika fluida adalah air  yang  dicampur  dengan  serbuk  gergaji  kayu  jati  sebagai  representasi  dari  partikel  air  dengan massa jenis reratanya ρ rerata =0,99 g/cm 3 . Variasi ketebalan air ( d ) yang digunakan 5 cm dan 6 cm dengan variasi perbedaan suhu (  T) rata-rata kenaikan 5 o C. Penelitian ini bertujuan untuk mengamati fenomena pusaran air. Pengambilan data dilakukan dengan handycam dan dijalankan dengan shoftware windows movie maker yang meiliki ketelitian waktu sampai 0,01 sekon. Hasil pengamatan diperoleh bahwa peningkatan  perbedaan  suhu  (  T )  antara  dua  plat  berakibat  pada  peningkatan  kecepatan  gerak partikel  air  dalam  konveksi  yang  digambarkan  dengan  sebuah  diagram  percabangan.  Fenomena pusaran air teramati pada saat  T  30°C, d =5 cm dan  T  20°C, d =6 cm, dengan nilai R  10 7 . Selanjutnya fenomena ini digunakan sebagai representasi pembelajaran terjadinya angin puting beliung sebagai suatu peristiwa akibat perbedaan suhu dan tekanan dari suatu fluida.
Kata Kunci: konveksi Rayleigh Benard , laminer dan turbulen, diagram bifurkasi, pusaran air, angin puting beliung
Abstract. This research was conducted with a Rayleigh Benard convection phenomenon observation device.  Observation set up made from glass box limited by two plates, i.e, bottom and top plates. The bottom plate is hotter than the top plate which has function to heat horizontal layers of fluid from below. The used media to observe fluid dynamics is water which mixed by teak saw dust as representation of water particles with average density ρ rerata =0,99 g/cm 3 . Variations in water thickness (d) used 5 cm and 6 cm with variations in temperature difference (  T) average increase of 5 o C.  The purpose of this research  is observe the phenomenon of whirlpools. Data retrieval is done by handycam and run with Windows Movie Maker software which has a time accuracy of up to 0.01 seconds. The observations obtained that raising of temperature difference (  T ) between two plates causes raising of the velocity of the water particle motion at the convection ilustrated by the bifurcation diagram. The whirlpool phenomenon observed when  T  30°C, d =5 cm and  T  20°C, d =6 cm, with a value of R  10 7 . Furthermore, it is used as a learning representation of a cyclone as an event due to the temperature and pressure difference of a fluid.
Keywords: Rayleigh  Benard  Convection ( RBC ),  laminar  and  turbulent,  bifurcation  diagram,  whirlpool, cyclone

## PENDAHULUAN
Fenomena konveksi merupakan salah satu contoh masalah ketidakstabilan panas pada lapisan  fluida  yang  disebabkan  oleh  adanya  perbedaan  suhu  (Chandrasekhar,  1961).  Untuk konveksi  yang  terjadi  pada  lapisan  horizontal  fluida  dikenal  dengan  nama Rayleigh  Benard Convection (RBC)  (Getling,  1997).  RBC  merupakan  fenomena  penting  untuk  mengetahui
dinamika fluida yang diakibatkan pemanasan dari bawah (Getling, 1997), aliran terjadi antara dua pelat paralel dengan suhu berbeda, yaitu pada saat suhu pelat bawah lebih tinggi dari pada pelat atas (Ayed, dkk., 2017). Perhatian utama RBC adalah mempelajari tentang ketidakstabilan dalam fluida yang disebabkan oleh adanya muai panas, sehinga ada peningkatan dan penurunan suhu fluida (fluida bawah lebih panas dari fluida atas) (Rothman, 1989). Fenomena konveksi suatu  fluida  dipengaruhi  oleh  sifat-sifatnya,  yaitu  viskositas  ( viscosity ),  kerapatan  ( density ), muai panas ( thermal expansivity ), dan difusi panas ( thermal diffusivity ) atau konduktifitas panas ( heat conductivity ). Koefisien perpindahan panas konveksi sangat  dipengaruhi hidrodinamika aliran. Perubahan pola maupun kecepatan aliran akan mempengaruhi kemampuan fluida untuk memindahkan panas (energi) (Sudia, 2017). Konveksi juga ditentukan oleh ketebalan fluida ( d ) dan perbadaan suhu antara dua plat (  T ) (Rothman, 1989).
Kajian-kajian  mengenai  RBC  telah  banyak  dilakukan  oleh  para  ilmuan,  baik  secara eksperimental  maupun  teoritik.  Secara  eksperimental  telah  berhasil  dibuat  perangkat pengamatan  RBC  (Rohman,  2009;  Suparso,  2009;  Tiwow  &  Mansur,  2011).  Selanjutnya, pengamatan  RBC  juga  dilakukan  terhadap  fluida  minyak  (Yustin  &  Yusuf,  2013).  Perangkat pengamatan terbuat dari kotak kaca yang dibatasi oleh dua plat, yaitu plat bawah dan plat atas.  Plat  bawah  lebih  panas  dari  plat  atas  yang  berfungsi  untuk  memanaskan  lapisan horisontal  fluida  dari  bawah.  Media  yang  digunakan  untuk  mengamati  dinamika  fluida adalah air yang dicampur dengan serbuk gergaji kayu jati (SGKJ) sebagai representasi dari partikel air. Dinamika fluida yang diperoleh dari kajian RBC dapat digunakan untuk menjelaskan fenomena  alam  yang  berkaitan  dengan  perpindahan  panas  secara  konveksi,  misalnya perubahan  cuaca  dan  iklim.  Pada  kondisi  perbedaan  suhu  semakin  meningkat  akan mengakibatkan perpindahan panas semakin cepat, yang ditandai peningkatan gerak partikel- partikel air semakin acak sehingga teramati fenomena pusaran air.
Ilmuan pertama yang menjelaskan  tentang RBC secara eksperimental maupun teoritik adalah  Henri  Benard  tahun  1900  dan  Lord  Rayleigh  tahun  1916.  Kedua  ilmuan  tersebut menghasilkan Benard cell yang merupakan gejala konveksi dalam fluida (air) yang diamati dari atas  (Gambar  1),  dan  parameter  tidak  berdimensi  bilangan Rayleigh (persamaan  1) (Chandrasekhar, 1961;  Ahlers, 2006;  Balasubramanian  & Ecke, 2013; Ayed  &  Tomic, 2017; Klein, dkk., 2018; Klein & Schmidt, 2019 ), dengan  adalah koefisien muai panas,  koefisien difusi panas,  koefisien viskositas kinematik, d jarak antar dua plat, g percepatan gravitasi,  T perbedaan suhu dan R dikenal dengan sebutan bilangan Rayleigh ( Rayleigh Number ).
  T gd R   3 , (1)
Rayleigh juga menjelaskan bahwa konveksi terjadi pada saat bilangan Rayleigh ( R ) lebih besar dari  pada  bilangan Rayleigh kritis  ( R c ),  dengan R c =1708  (Chandrasekhar,  1961;  Ayed,  dkk. 2016), atau  mempunyai orde 10 3 (Aurnou  & Olson, 2001). Jenis aliran partikel suatu fluida dapat ditinjau dari nilai bilangan Rayleigh (R), yaitu Untuk R<Rc, belum ada aliaran partikel atau belum terjadi konveksi (Rothman, 1989). Untuk R>Rc, tetapi tidak terlalu besar, sebuah struktur yang teratur dari bentuk-bentuk lingkaran konveksi (Gambar 1) dengan fluida panas ke atas
Gambar 1. Benard cell (Chandrasekhar, 1961)
dan fluida  dingin ke bawah (Rothman,  1989). Aliran  partikel secara konveksi termasuk  jenis aliran laminer (Jiji, 2006). dan Untuk R>>Rc, terjadi aliran turbulen, yaitu R  4  10 7 (Julien, dkk., 1996, Ahlers, dkk., 2017, Klein, dkk., 2018). Secara garis besar, aliran partikel fluida hanya terbagi menjadi dua, yaitu laminer dan turbulen (Jiji, 2006). Akan tetapi, terdapat fase antara laminer dan turbulen yang sering disebut fase transisi (Krisnamurti, 1970a dan 1970b). Nilai bilangan Rayleigh (R) untuk fase transisi berkisar antara 10 5 sampai 10 6 (Krisnamurti, 1970a dan 1970b). Dalam fase turbulen juga terdapat fase transisi  antara turbulen lemah dan kuat, nilainya berkisar antara R = 10 7 dan 4 ×10 7 (Hui Peng, dkk., 2006).
Gambar 2 . Skema konveksi (Rothman, 1989)
Penelitian ini merupakan bagian dari pengamatan fenomena RBC yang penulis lakukan. Penelitian  dilakukan  dengan  menggunakan  perangkat pengamatan  RBC  seperti  yang diterangkan di atas dengan plat bawah sebagai pemanas terbuat dari plat alumunium yang ditempeli  elemen  pemanas.  Plat  atas  dengan  menggunakan  air  pada  suhu  kamar  yang diwadahi dalam kotak kaca. Peningkatan perbedaan suhu antara dua plat berakibat pada peningkatan kecepatan gerak partikel air pada konveksi yang digambarkan dengan sebuah diagram percabangan ( bifurcation ) (Rohman, 2009; Yustin & Yusuf, 2013; Tiwow & Yusuf, 2014). Peningkatan  T juga berakibat pada ukuran jari-jari konveksi (Tiwow, dkk., 2011). Selanjutnya,  fase transisi antara laminer dan turbulen pada nilai R antara  10 6 sampai  10 7 (Shia-Hui Peng, dkk., 2006; Krisnamurti, 1970; Gayen, dkk., 2014 dan Berdnikov, dkk., 2018). Dalam penelitian ini akan diamati pola laminer dan turbulen akibat  T yang semakin besar, sehingga  akan  disampaikan  informasi  secara  lengkap  setiap  fase  dengan  gambar  pola gerakan partikel air yang direpresentasikan oleh SGKJ. Penelitian ini akan selesai jika telah teramati munculnya fenomena pusaran partikel air. Fenomena pusaran air tersebut selanjutnya bisa  digunakan  sebagai  representasi  pembelajaran  terjadinya  fenomena  alam  angin  puting beliung dalam pelajaran IPA untuk peserta didik SD/SMP/SMA maupun perguruan tinggi. Untuk menyederhanakan masalah, maka beberapa batasan digunakan dalam penelitian ini. Batasan tersebut antara lain, fluida yang digunakan adalah air yang dicampur dengan SGKJ, perhitungan kecepatan  partikel  air  menggunakan  kecepatan  reratanya  dan  ditampilkan  dalam  diagram percabangan,  sedangkan  pola  aliran  partikel  air  setiap  fase  akan  ditampilkan  dengan menggambarkan  arah  gerak  partikel  air  pada  setiap  peningkatan  perbedaan  suhu  (  T ). Selanjutnya, fluida air ini digunakan sebagai representasi fluida udara atau angin.
Sebagaimana  tujuan  pada  penelitian  ini  adalah  untuk  mengamati  menomena munculnya  pusaran  air  yang  akan  digunakan  sebagai  representasi  untuk  menjelaskan fenomena alam angin puting beliung, maka akan diuraikan definisi tentang angin puting beliung. Angin puting beliung didefinisikan sebagai angin kencang yang datang secara tiba- tiba,  mempunyai  pusat,  bergerak  melingkar  menyerupai  spiral  dengan  kecepatan  40-50 km/jam hingga menyentuh permukaan bumi dan akan hilang dalam waktu singkat (3-5 menit)  (Utomo,  2016),  atau  angin  kencang  yang  berputar  yang  keluar  dari  awan Cumulonimbus  dengan  kecepatan  lebih  dari  34,8  Knots  atau  64,4  km/jam  dan  terjadi dalam  waktu  singkat  (Marselina,  2015).  Angin  puting  beliung  disebabkan  oleh  adanya perbedaan  tekanan  dalam  suatu  sistem  cuaca  akibat  perbedaan  suhu udara.  Perbedaan tekanan ini menghasilkan gradient tekanan yang memicu terjadinya angin. Udara bergerak
dari  tekanan  tinggi  ke  tekanan  rendah  dan  semakin  tinggi  perbedaan  tekanan  akan semakin cepat udara bergerak (Handoko, 1995).
Proses terjadinya angin puting beliung biasanya terjadi pada musim pancaroba yang mana pada siang hari suhu udara panas, pengap, dan awan hitam mengumpul, akibat dari radiasi  matahari  di  siang  hari  timbuh  awan  secara  vertikal  (konvektif)  yang  pusatnya bertekanan  rendah,  selanjutnya  dalam  awan  tersebut  terjadi  pergolakan  atau  tidak stabilnya arus udara naik dan turun dengan kecepatan yang cukup tinggi. Arus udara yang turun dengan kecepatan tinggi menghembuskan ke permukaan bumi secara tiba-tiba dan berjalan  secara  acak  (Utomo,  2016).  Terjadinya  angin  puting  beliung  melalui  tiga  fase, yaitu; Fase Tumbuh , dalam awan terjadi arus udara naik ke atas yang kuat. Hujan belum turun, titik-titik air maupun kristal es masih tertahan oleh arus udara yang naik ke atas puncak  awan. Fase  dewasa/masak ,  titik-titik  air  tidak  tertahan  lagi  oleh  udara  naik  ke puncak  awan.  Hujan turun  menimbulkan  gaya  gesek  antara  arus  udara  naik  dan  turun. Temperatur massa udara yang turun ini lebih dingin dari udara sekelilingnya. Antara arus udara yang naik dan turun dapat timbul arus geser yang memuntir, membentuk pusaran. Arus udara ini berputar semakin cepat, mirip sebuah siklon yang “menjilat” bumi sebagai angin puting beliung. Angin ini terkadang disertai hujan deras yang membentuk pancaran air  ( water  spout )  (Utomo,  2016).  Dengan  membandingkan  kemiripan  proses  terjadinya pusaran  air  uang  muncul  pada  penelitian  ini  dengan  proses  terjadinya  angin  putting beliung, maka diharapkan bahwa penelitian ini representatif.

## METODE
Penelitian  fenomena  RBC  ini  dilakukan  dengan  beberapa  tahapan,  diantaranya merancang (Gambar 3), menguji, dan men- set up perangkat pengamatan (Gambar 4). Setelah alat  dipastikan  dapat  memperlihatkan  fenomena  konveksi,  tahapan  berikutnya  adalah melakukan pengamatan fenomena RBC.
1 3 7 6 5 5 9 4 4 8 8 Gambar 3 . Skema alat pengamatan RBC Gambar 4. Skema set-up alat pengamatan RBC
2 3 1
Secara  detil  pengamatan  ini  dapat  dijelaskan  dengan  memperhatikan  Gambar  2  dan Gambar 3. Langkah-langkah awal yang dilakukan dapat dijelaskan dengan Gambar 2. Pertama, mengambil  air  pada  suhu  kamar  dan  mengisikannya  pada  bagian  1,  2,  dan  3.  Air  bagian  1 dicampur dengan SGKJ yang telah diketahui massa jenis reratanya ( ρ rerata = 0,99 g/cm 3 ) dan membiarkan air kembali dalam keadaan tenang. Kedua , memastikan suhu air dalam keadaan sama (pada suhu kamar) pada bagian 2 dan 3 dengan termometer (8), selanjutnya termometer digunakan sebagai pengontrol perbedaan suhu selama pengamatan. Ketiga, menghubungkan steker pada  arus  listrik  untuk  memanaskan  elemen  strika,  sehingga  suhu  air  bagian  3  lebih panas  dari  bagian  2  dan  akan  diperoleh  perbadaan  suhu  antara  plat  bawah  dan  plat  atas. Perbedaan suhu dapat diketahui dengan melihat angka yang muncul pada termometer yang dipasang pada bagian  2 dan  3. Kemudian untuk mengatur suhu yang diinginkan, bagian 3 diatur dengan menggunakan saklar, sedangkan bagian 2 distabilkan pada suhu kamar dengan menggunakan es. Keempat, melakukan pengamatan terhadap perubahan dinamika fluida air pada bagian 1 untuk beberapa perbedaan suhu, kemudian perubahan tersebut direkam dengan handycam (Gambar 4). Pada saat dilakukan perekaman, perbedaan suhu dipastikan stabil, yaitu dengan cara memutus arus yang mengalir pada elemen strika dan dilakukan perekaman selama  1,5  menit.  Hal  ini  dilakukan  karena  mengingat  sifat  air  yang  dapat  menghantarkan  panas secara  merata  dan  relatif  lama  dalam  mempertahankan  suhunya. Kelima, Mengamati  hasil perekaman  dengan  menggunakan  komputer  (Gambar  3),  selanjutnya  mengambil  dan menganalisa  data  yang  diperoleh  dari  hasil  perekaman  tersebut.  Data  yang  diambil  adalah kecepatan  gerak  partikel  air  dan  jari-jari  koveksi  sebagai  fungsi  perbedaan  suhu,  sehingga gerakannya dapat diketahui pengelompokan pola aliran partikel air (laminer dan turbulen).
Pengambilan  data  tersebut  dilakukan  dengan  menjalankan shoftware  windows  movie maker yang  meiliki  ketelitian  waktu  sampai  0,01  sekon.  Setelah shoftware  windows  movie maker dijalankan, kemudian diambil data untuk kecepatan dan pola aliran partikel air, caranya memberi tanda titik-titik pada layar komputer dengan menggunakan spidol saat windows movie maker- nya  dihentikan  dengan  cara  menekan  tombol pause .  Data  yang  diperoleh  dari pengamatan dapat  berupa data kualitatif dan  kuantitatif, sehingga analisisnya akan memiliki teknik  yang  berbeda.  Untuk  data  kualitatif,  analisisnya  dilakukan  dengan  cara menginterpretasikan  data  yang  diperoleh,  sedangkan  untuk  data  kuantitatif  dianalisis berdasarkan rumus-rumus yang bersesuaian dengan kebutuhan. Untuk data kecepatan, langkah yang ditempuh adalah mencatat jarak perpindahan dan selang waktunya, kemudian dilakukan pembagian  jarak  perpindahan  oleh  selang  waktu.  Agar  diperoleh  kecepatan  rata-rata  yang representatif,  maka  pada  setiap  partikel  dilakukan  tiga  kali  perhitungan    pada  posisi  yang berbeda. Selanjutnya, untuk pola aliran partikel air dapat diamati dengan menginterpretasikan garis-garis hasil menghubungkan titik-titik pada layar komputer, seperti langkah yang dilakukan pada  pengamatan  kecepatan  dan  jari-jari  konveksi.  Aliran  laminer  adalah  pola  aliran  yang teratur,  ditandai  dengan  pola  aliran  konveksi.  Titik-titik  yang  terhubung  membentuk  bagian lingkaran (setengah lingkaran atau juring), atau ellips , atau yang tampak garis lurus vertikal, merupakan  tanda  pola  aliran  konveksi.  Untuk  pola  aliran  turbulen  ditandai  dengan  adanya lingkaran-lingkaran yang tidak teratur, serta gerakan partikelnya sangat cepat.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Penelitian ini menggunakan sebuah alat untuk pengamatan fenomena konveksi Rayleigh Benard seperti  Gambar  5,  berbentuk  kotak  yang  terbuat  dari  bahan  kaca  dengan  media pengamatan air yang dicampur dengan SGKJ. Masa jenis reratanya diukur dengan automatic densimeter ,  dengan  hasil ρ rerata =  0,99  g/cm 3 ,  dan  diamati  menggunakan handycam. Hasil rekaman kemudian dianalisis dengan komputer seperti yang terlihat pada Gambar 6. Setelah
terdapat pebedaan suhu partikel air mulai bergerak yang direpresetasikan oleh gerakan SGKJ seperti terlihat pada Gambar 7.
Gambar 5. Foto alat pengamatan RBC
Seperti yang telah disebutkan di atas bahwa perhatian utama RBC adalah mempelajari tentang ketidakstabilan dalam fluida yang disebabkan oleh adanya muai panas, sehinga ada peningkatan dan penurunan suhu fluida (fluida bawah lebih panas dari fluida atas) (Rothman, 1989; Ayed, dkk. 2017)
Gambar 6. Foto set up alat pengamatan RBC
Gambar 7. Snapshot salah satu hasil pengamatan RBC
Gambar  7  menunjukkan  pengamatan  yang  telah  dilakukan  terhadap  fenomena  RBC  dengan menggunakan  alat  pengamatan  RBC,  diperoleh  informasi  tentang  pengaruh  bertambahnya perbedaan suhu antara plat atas dan plat bawah terhadap kecepatan gerak partikel air dan pola aliran  partikel  air.  Pada  saat  pengamatan  terhadap  pola  aliran  partikel  air  inilah  kemudian teramati munculnya fenomena pusaran partikel air. Sebagaiman diketahui bahwa jenis aliran partikel suatu fluida dapat ditinjau dari nilai bilangan Rayleigh (R), yaitu Untuk R<Rc, belum ada aliaran partikel atau belum terjadi konveksi (Rothman, 1989). Untuk R>Rc, tetapi tidak terlalu besar, sebuah struktur yang teratur dari bentuk-bentuk lingkaran konveksi (Gambar 1) dengan fluida panas ke atas dan fluida dingin ke bawah (Rothman, 1989). Aliran partikel secara konveksi termasuk jenis aliran laminer (Jiji, 2006). dan Untuk R>>Rc, terjadi aliran turbulen, yaitu R  4  10 7 (Julien,  dkk.,  1996;  Ahlers,  dkk.,  2017;  Klein,  dkk.,  2018).  Pengamatan  RBC  pada penelitian ini menggunakan variasi  T dengan rata-rata kenaikan 5 o C, sedangakan ketebalan air yang digunakan adalah 5 cm dan sebagai pembanding diamati juga ketebalan air 6 cm.

## Pengamatan kecepatan gerak partikel air
Pengamatan terhadap kecepatan gerak partikel air diperoleh grafik hubungan antara v dan  T yang merupakan diagram percabangan (gambar 8). Peningkatan  perbedaan  suhu antara  dua  plat  berakibat  pada  peningkatan  kecepatan  gerak  partikel  air  pada  konveksi yang  digambarkan  dengan  sebuah  diagram  percabangan  ( bifurcation )  (Rohman,  2009; Yustin & Yusuf, 2013; Tiwow & Yusuf, 2014).
Gambar 8 . Diagram percabangan untuk ketebalan air 5 cm dan 6 cm.
Berdasarkan Gambar 8 dapat diketahui bahwa kecepatan gerak partikel air mengalami peningkatan akibat bertambahnya perbedaan suhu. Fitting terhadap grafik di atas menunjukkan bahwa peningkatan kecepatan gerak partikel air mengikuti suatu persamaan v (d=5)  1,4(  T ) 0,59 dan v (d=6)  1,3(  T ) 0,58 . Hasil ini dapat dibandingkan dengan teori diagram percabangan yang menunjukkan bahwa peningkatan kecepatan bersesuaian dengan persamaan v  R 0,5 (Drazin, 2002). Dari persamaan 1 diketahui bahwa bilangan R sebanding dengan nilai  T. Oleh karena itu, suatu pendekatan teori diagram percabangan  dapat diterapkan  untuk peningkatan v oleh  T dengan suatu  persamaan v  (  T ) 0,5 .  Hasil fitting grafik menunjukkan untuk ketebalan air 5  cm  dan  6  cm,  masing-masing  memiliki  kesesuaian  persamaan  yang  hampir  sama  untuk peningkatan  kecepatanya,  yaitu v  (  T ) 0,6 .  Perbandingan  yang  dilakukan  memperlihatkan bahwa hasil pengamatan mendekati teori.
Tabel 1. Sifat-sifat fisis air
T ( ° C) ρ (g/cm 3 ) c v  10 -7 (ergs/g °C)   10 4 (cm 2 /s)  (cm 2 /s)   10 3 (°C) -1 20 40 0,998 0,992 4,19 4,18 14,33 15,11 1,006  10 -2 6,58  10 -3 2,0 3,8
(Sumber: Chandrasekhar, 1961; Welty, 2001)
Interpretasi  terhadap  perbedaan  suhu  kritis  (  T c )  juga  dapat  dilakukan  dengan menggunakan diagram percabangan pada Gambar 8. Dengan menggunakan persamaan dalam grafik (Gambar 8) dan pendekatan nilai v = 0,05 mm/s dapat  diketahui nilai  T c untuk ketebalan air 5 cm dan 6 cm, masing-masing adalah 0,00363°C dan 0,00353°C. Hasil interpretasi dapat dibandingkan dengan hasil perhitungan dengan menggunakan persamaan 2 yang merupakan parameter  tidak  berdimensi  bilangan Rayleigh (Chandrasekhar,  1961,  dan  Ahlers,  2006; Balasubramanian & Ecke, 2013; Ayed & Tomic, 2017; Klein, dkk., 2018; Klein & Schmidt, 2019 );
  T gd R   3 , (2)
v = 1,3(  T) 0,58 v = 1,4(  T) 0,59 K ec epat an ( v ) dal am ( m m /s ) Perbedaan suhu (  T) dalam °C tebal 5 cm tebal 6 cm
dengan  adalah   koefisien   muai   panas,  koefisien   difusi   panas,  koefisien viskositas kinematik, d jarak antar dua plat, g percepatan gravitasi,  T perbedaan suhu dan R dikenal dengan  sebutan  bilangan Rayleigh ( Rayleigh  Number ).  Rayleigh  juga  menjelaskan  bahwa konveksi terjadi pada saat bilangan Rayleigh ( R ) lebih besar dari pada bilangan Rayleigh kritis ( R c ), dengan R c =1708 (Chandrasekhar, 1961; Ayed, dkk., 2016), atau  mempunyai orde 10 3 (Aurnou & Olson, 2001). Diketahui bilangan Rayleigh kritis ( R c ) untuk terjadinya konveksi adalah 1708.  Kemudian dilakukan pendekatan nilai-nilai sifat fisis seperti yang terdapat dalam Tabel 1. Nilai  fisis  yang  digunakan  disekitar  suhu  30°C  atau  nilai  antara  suhu  20 ° C  dan  40 ° C,  dan diperoleh  nilai  = 14,73  10 4 cm 2 /s,  = 8,32  10 -3 cm 2 /s, dan  = 2,9  10 3 (°C) -1 . Dari hasil perhitungannya diketahui bahwa  nilai  T c untuk ketebalan d =5 cm dan d =6 cm adalah 0,00589°C  dan  0,00341°C.  Dengan  demikian,  nilai  T c hasil  pengamatan  mendekati  hasil perhitungan (teori).
Pengamatan pola aliran partikel air
(a)
(b)
Gambar 9 . Skema pola aliran  partikel air, (a) pola aliran pada ketebalan air 5 cm, dan (b) pola aliran pada ketebalan air 6 cm
Gambar  9  menunjukkan  skema  pola  aliran  partikel  air.  Peneliti  menunjukkan  pola aliran partikel air sengaja digambarkan secara manual disesuaikan dengan yang teramati pada layar komputer. Hal ini dikarenakan sulit untuk membuat program animasi pola aliran partikel air. Masalah ketidakstabilan panas dalam suatu  fluida (air) yang disebabkan karena pemanasan dari  bawah  dapat  juga  diamati  dengan  memperhatikan  pola  aliran  partikel  air  tersebut. Ketidakstabilan panas pada air akan menyebabkan terjadinya perpindahan panas yang diikuti oleh partikel air yang membentuk suatu pola aliran tertentu. Partikel air mengalir mengikuti dua pola aliran, yaitu laminer dan turbulen  (Jiji, 2006). Dalam penelitian ini aliran laminer ditandai adanya  fenomena  konveksi  dan  gerak  partikel  air  yang  tidak  begitu  cepat.  Aliran  turbulen
(konveksi) (konveksi) 0,005 0, 003
ditandai  oleh  aliran  partikel  air  yang  tidak  beraturan  ( chaos ).  Keadaan chaos dapat  diamati dengan memperhatikan gerak partikel yang berubah secara tiba-tiba, dramatis dan cenderung fluktuatif yang ditandai munculnya gejala pusaran air dengan frekuensi kemunculan yang tidak dapat  diprediksi.  Keadaan  seperti  diatas  jika  dibandingkan  dengan  proses  terjadinya  angin puting beliung, maka bisa menjadi representasi pembelajaran tehadap angin puting beliung tersebut. Angin puting biasanya terjadi pada musim pancaroba yang mana pada siang hari suhu udara panas, pengap, dan awan hitam mengumpul, akibat dari radiasi matahari di siang  hari  timbuh  awan  secara  vertikal  (konvektif)  yang  pusatnya  bertekanan  rendah, selanjutnya dalam awan tersebut terjadi pergolakan atau tidak stabilnya arus udara naik dan turun dengan kecepatan yang cukup tinggi. Arus udara yang turun dengan kecepatan tinggi  menghembuskan  ke  permukaan  bumi  secara  tiba-tiba  dan  berjalan  secara  acak (Utomo, 2016)
Gambar 9 menunjukkan bahwa pola aliran partikel air dapat digolongkan menjadi dua, yaitu  aliran laminer dan turbulen. Secara garis besar, aliran partikel fluida hanya terbagi menjadi dua, yaitu laminer dan turbulen (Jiji, 2006). Antara pola aliran laminer dan turbulen terdapat keadaan transisi yang ditandai dengan kecepatan aliran partikel air semakin cepat,  arah aliran partikel mulai tidak beraturan dan terkadang muncul tanda-tanda pusaran air. Informasi lain yang diperoleh dari Gambar 9 adalah pada ketebalan yang berbeda, fase transisi antara aliran laminer dan turbulen juga berbeda. Perbedaan tersebut dapat diperhatikan  untuk  ketebalan air 6 cm mengalami fase transisi lebih cepat dibanding dengan ketebalan air 5 cm. Oleh karena itu, ketebalan air 6 cm akan mengalami fase turbulensi lebih cepat dibanding ketebalan 5 cm. Hal ini sesuai yang disampaikan oleh Krisnamurti (1970); Shia-Hui Peng, dkk. (2006); Gayen, dkk., (2014) dan Berdnikov, dkk. (2018) bahwa nilai R untuk transisi antara laminer dan turbulen berkisar pada R =10 6 dan R =10 7 . Dengan menggunakan Tabel 1 dan pendekatan nilai sifat-sifat fisis air pada suhu 40°C, diperoleh nilai R  10 7 pada saat  T  30°C untuk ketebalan air 5 cm, sedangkan untuk ketebalan air 6 cm pada saat  T  20°C. Jika Gambar 9 diperhatikan, maka akan menunjukkan bahwa hasil pengamatan sesuai dengan teori.
Gambar 10. Visualisasi fenomena pusaran air
Gambar 10 menggambarkan visualisasi fenomena pusaran air yang muncul pada fase transisi  dan  turbulen  (Gambar  9).  Pada  Gambar  10  terlihat  bahwa  fenomena  pusaran  air memiliki ciri-ciri, arah aliran partikelnya horisontal, ukuran lingkaran pusaran airnya membesar ke atas, dan putarannya berlawanan arah jarum jam atau putar kiri (Gambar 10). Frekuensi kemunculannya tidak dapat dipredikasi, secara tiba-tiba dan dalam waktu singkat. Pusaran air ini muncul diakibatkan perbedaan tekanan air akibat perbedaan suhu antara partikel air bagian bawah  dan  bagian  atas.  Sebelum  munculnya  pusaran  air,  teramati  bahwa  SGKJ  sebagai representasi partikel air, bergerak sangat cepat naik turun dan acak. SGKJ naik bertumbukan dengan  yang  turun.  Semakin  tinggi  perbedaan  suhu,  semakin  sering  muncul  pusaran  air. Fenomena pusaran air yang terlihat memiliki ciri-ciri yaitu.  Adapun yang tejadi pada fenomena angin puting beliung yaitu pada awan terjadi pergolakan atau tidak stabilnya arus udara naik
dan turun dengan kecepatan yang cukup tinggi. Arus udara yang turun dengan kecepatan tinggi  menghembuskan  ke  permukaan  bumi  secara  tiba-tiba  dan  berjalan  secara  acak (Utomo, 2016). Dengan membandingkan kedua peristiwa di atas, maka yang terjadi dalam fluida  air  dapat  digunakan  untuk  mejelaskan  fenomena  yang  terjadi  pada  fluida  angin, sebagai contoh munculnya fenomena angin puting. Sedangkan mengenai Peristiwa putaran pusaran air yang berlawanan arah jarum jam atau putar kiri, hal ini juga sesuai Hukum Buys Ballot  bahwa  gerakan  angin  puting  beliung  di  belahan  bumi  utara  berlawanan  dengan  arah putaran  jarum jam, dan  gerakan  siklon di belahan  bumi  selatan adalah searah dengan arah putaran  jarum  jam  (Dyahwathi,  2007).  Sebagaimana  batasan  tentang  fluida  di  atas  dan perbandingan antara pusaran air dan angin puting beliung, maka fluida air dianggap sebagai representasi  dari  fluida  udara/angin.  Dengan  kata  lain  bahwa  fenomena  pusaran  air  dapat digunakan sebagai representasi pembelajaran terjadinya fenomena alam angin puting beliung.

## KESIMPULAN
Berdasarakan hasil penelitian dan pembahasan dapat disimpulkan bahwa pengamatan terhadap  fenomena  pusaran  air dengan  perangkat  pengamatan  RBC dapat  digunakan  sebagai representasi  pembelajaran  terjadinya  fenomena  alam  angin  puting  beliung. Penggunaan perangkat  pengamatan  tersebut  sebaiknya  dipersiapkan dengan sensor  suhu  dan cam  recorder yang mempunyai resolusi tinggi, sehingga fenomena bisa teramati dengan jelas. Informasi lain yang didapatkan dari  penelitian  adalah perbedaan  suhu  antara  dua  plat  berakibat  pada  peningkatan  kecepatan gerak partikel air dan membentuk sebuah diagram percabangan ( bifurcation ). Pola aliran partikel air  juga  ditemukan  akibat  perbedaan  suhu  dua  plat,  yaitu  laminer  dan  turbulen,  serta  fase transisi antara keduanya.

## DAFTAR PUSTAKA
Ahlers,  G.,  Bodenschatz,  E.  &  He,  X.  (2017).  Ultimate  state  transition  of  turbulent  Rayleigh Benard convection. Physical Review Fluids , 2( 054603 ):1-6.
Ahlers, G. (2006). Experiments with Rayleigh-Benard convection. In book: dynamics of spatio- temporal cellular structures. Springer Tracts in Modern Physics , 207:67-94.
Aurnou,  J.M.  &  Olson,  P.L.  (2001).  Experiments  on  Rayleigh  Benard  convection, magnetoconvection  and  rotating  magnetoconvection  in  liquid  gallium. Journal  of Fluid Mechanics , 430:283-307.
Ayed, S.K. & Tomic, M.A. (2017). Experiment study of Rayleigh-Bernard convection with upper heat plate  effects. International Journal  of Computation and  Applied  Sciences ,  3(3):261- 270.
Ayed, S.K., Zivkovic, P. & Tomic, M.A. (2017). Experimental and analytical solution for Rayleigh- Bernard convection. International Journal of Computation and Applied Sciences, 3(2):224- 232.
Ayed, S.K., Zivkovic, P., Tomic, M.A., Jovanovic, M.,  Ilic, G.,  Vukic, M. & Dobrnjac, M. (2016). Instability  of  Rayleigh-Bernard  convection  affected  by  inclined  wall  temperature variation. International Journal of Engineering , 14(2):165-168.
Balasubramanian, S. & Ecke, R.E. (2013). Experimental study of Rayleigh-Bénard convection in the  presence  of  rotation. International  Journal  of  Materials,  Mechanics  and Manufacturing , 1(2):148-152.
Berdnikov,  V.S.,  Vinokurov,  V.A.,  Vinokurov,  V.V.,  Grishkov,  V.A.,  &  Mitin,  K.A.,  (2018). Laminar-Turbulent transitions at natural convection in flat and  annular vertical fluid layers. Journal of Physics , 1105: 1-6.
Chandrasekhar,  S.  (1961). Hidrodynamic  and  Hydromagnetic  Stability .  London:  Oxford University Press.
Drazin, P.G. (2002). Introduction to hidrodynamic stability . New York: Chambridge University Press.
Dyahwathi, N., Effendy, S., & Adiningsih, E.S. (2007). Karakteristik badai tropis dan dampaknya terhadap  anomali hujan di Indonesia. Jurnal Agromet Indonesia, 21(2):61 – 72.
Gayen,  B. ,  Griﬀiths ,  R.W.,  &  Hughes,  G.O.  (2014).  Stability  transitions  and  turbulence  in horizontal convection. Journal of Fluid Mechanics , 751:698 – 724.
Getling, A.V. (1997). Rayleigh Benard Convection; Structures and Dynamics .  Moscow: Word Scientific.
Handoko. (1995). Klimatologi Dasar, Landasan Pemahaman Fisika Atmosfer Dan Unsur Unsur Iklim . Bogor: Pustaka jaya
Hui Peng, S., Davidson, L., & Hanjali, K. (2006). Large Eddy simulation and deduced scaling analysis of Rayleigh Benard convection up to Ra=10 9 . Journal of Turbulence, 7(66):1- 29.
Jiji, L.M. (2006). Heat Convection . New York: Springer-Verlag Berlin Heidelberg.
Klein, M. & Schmidt, H. (2019). Investigating Rayleigh Benard convection at low Prandtl numbers using  one-dimensional  turbulence  modeling. 11 th International  Symposium  on Turbulence and Shear Flow Phenomena, Southampton, UK, July 30 to August 2 :1-6.
Klein,  M.,  Schmidt,  H.  &  Lignell,  D.O.  (2018)  Map-based  modeling  of  high-Rayleigh-number turbulent convection in planar and spherical confinements. Conference on Modelling Fluid Flow (CMFF’18) , The 17 th International Conference on Fluid Flow Technologies . Budapest, Hungary, September 4-7, ISBN 978-963313297-5:1-8.
Krisnamurti, R. (1970) On the transition to turbulent convection. Part 1 : the transition from two to three dimensional flow. Journal of Fluid Mechanics , 42(2):295-307.
Krisnamurti, R. (1970). On the transition to turbulent convection. Part 2 : the transition from two to three dimensional flow. Journal of Fluid Mechanics , 42(2):309-320.
Mansur, M. (2011). Pengamatan konveksi Rayleigh-Benard sebagai fungsi ketebalan air. Tesis . Yogyakarta: Jurusan Fisika FMIPA UGM.
Marselina, D.S. & Widodo, E. (2015). Analisis statistika terhadap penyebab angin kencang dan puting  beliung  di  Daerah  Istimewa  Yogyakarta  Tahun  2011-2014. Jurnal  Dialog Penanggulangan Bencana , 6(2):65-80.
Poluakan C., Yusuf Y., & Tiwow V.A. (2012). Study of Rayleigh Benard convection by pattern of water molecular flow observation as function of difference temperature in International Conference  on  Physics  and  its  applications-2011. AIP  Conference  Proceedings , 1454:294-297.
Rohman, M.H. (2009). Kajian konveksi Rayleigh Benard melalui pengamatan gerak aliran air sebagai fungsi perbedaan suhu. Tesis . Yogyakarta: Jurusan Fisika FMIPA UGM.
Rothman  D.H.  (1989). Nonlinear  Dynamics  I:  Chaos .  USA:  Massachusetts  Institute  of Technology.
Sudia,  B.  (2017).  Konveksi paksa aliran Laminer isotermal di atas plat datar pada berbagai kondisi profil kecepatan. Dinamika: Jurnal Ilmiah Teknik Mesin , 9(1):6-11.
Suparso,  E.  (2009).  Kajian  konveksi  Rayleigh  Benard  melalui  pengamatan  gerak  aliran  air sebagai fungsi ketebalan air. Tesis . Yogyakarta: Jurusan Fisika FMIPA UGM.
Tiwow, V.A. & Yusuf, Y. (2014). Konveksi Rayleigh Benard melalui pengamatan kecepatan gerak molekul air dan jari-jari konveksi. Simposium Fisika Nasional (SFN  XXVII), 112:99- 103.
Tiwow, V.A., Yusuf, Y.,  &  Poluakan, C. (2011). Pengamatan  gerak konveksi Rayleigh-Benard sebagai fungsi perbedaan suhu. Jurnal Fisika Himpunan Fisika Indonesia , 11(1):12-17.
Tiwow,  V.A.  (2011).  Pengamatan  gerak  konveksi  Rayleigh-Benard  sebagai  fungsi  perbedaan suhu. Tesis . Yogyakarta: Jurusan Fisika FMIPA Universitas Gajah Mada.
Utomo, D.H. (2016). Meteorologi Klimatologi . Bantul: Magnum Pustaka Utama.
Welty, J.R., Wicks, C.E., Wilson, R.E., & Rorrer, G. (2001) Fundamentals of Momentum, Heat, and Mass Transfer, 4 th Ed . New York: John Wiley & Sons Inc.
Yustin,  R.  &  Yusuf,  Y.  (2013).  Pengamatan  Gerak  Konveksi  Rayleigh-Benard  pada  Lapisan Minyak Goreng sebagai Fungsi Ketebalan Lapisan. Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVII HFI Jateng & DIY , ISSN: 0853-0823:35-39.