Fluida Statik Dan Dinamis
Fluida
memiliki sifat tidak menolak terhadap perubahan bentuk dan kemampuan untuk
mengalir (atau umumnya kemampuannya untuk mengambil bentuk dari wadah mereka).
Sifat ini biasanya dikarenakan sebuah fungsi dari ketidakmampuan mereka
mengadakan tegangan geser (shear stress) dalam ekuilibrium statik. Konsekuensi dari sifat ini
adalahhukum Pascal yang menekankan pentingnya tekanan dalam mengarakterisasi bentuk fluid.
Dapat disimpulkan bahwa fluida adalah zat atau entitas yang terdeformasi secara
berkesinambungan apabila diberi tegangan geser walau sekecil apapun tegangan
geser itu.
Fluida adalah zat yang dapat mengalir. Kata Fluida mencakup zat car, air dan gas karena kedua zat ini dapat mengalir, sebaliknya batu dan benda-benda keras atau seluruh zat padat tidak digolongkan kedalam fluida karena tidak bisa mengalir.
Susu, minyak pelumas, dan air merupakan contoh zat cair. dan Semua zat cair itu dapat dikelompokan ke dalam fluida karena sifatnya yang dapat mengalir dari satu tempat ke tempat yang lain. Selain zat cair, zat gas juga termasuk fluida. Zat gas juga dapat mengalir dari satu satu tempat ke tempat lain. Hembusan angin merupakan contoh udara yang berpindah dari satu tempat ke tempat lain.
Fluida merupakan salah satu aspek yang penting dalam kehidupan sehari-hari. Setiap hari manusia menghirupnya, meminumnya, terapung atau tenggelam di dalamnya. Setiap hari pesawat udara terbang melaluinya dan kapal laut mengapung di atasnya. Demikian juga kapal selam dapat mengapung atau melayang di dalamnya. Air yang diminum dan udara yang dihirup juga bersirkulasi di dalam tubuh manusia setiap saat meskipun sering tidak disadari.
Fluida ini dapat kita
bagi menjadi dua bagian yakni:
1. Fluida statis
2. Fluida Dinamis
1. FLUIDA STATIS
Fluida Statis adalah fluida yang berada dalam fase tidak bergerak (diam) atau fluida dalam keadaan bergerak tetapi tak ada perbedaan kecepatan antar partikel fluida tersebut atau bisa dikatakan bahwa partikel-partikel fluida tersebut bergerak dengan kecepatan seragam sehingga tidak memiliki gaya geser.
Contoh fenomena fluida statis dapat dibagi menjadi statis sederhana dan tidak sederhana. Contoh fluida yang diam secara sederhana adalah air di bak yang tidak dikenai gaya oleh gaya apapun, seperti gaya angin, panas, dan lain-lain yang mengakibatkan air tersebut bergerak. Contoh fluida statis yang tidak sederhana adalah air sungai yang memiliki kecepatan seragam pada tiap partikel di berbagai lapisan dari permukaan sampai dasar sungai.
Cairan yang berada dalam bejana mengalami gaya-gaya yang seimbang sehingga cairan itu tidak mengalir. Gaya dari sebelah kiri diimbangi dengan gaya dari sebelah kanan, gaya dari atas ditahan dari bawah. Cairan yang massanya M menekan dasar bejana dengan gaya sebesar Mg. Gaya ini tersebar merata pada seluruh permukaan dasar bejana. Selama cairan itu tidak mengalir (dalam keadaan statis), pada cairan tidak ada gaya geseran sehingga hanya melakukan gaya ke bawah oleh akibat berat cairan dalam kolom tersebut.
1. FLUIDA STATIS
Fluida Statis adalah fluida yang berada dalam fase tidak bergerak (diam) atau fluida dalam keadaan bergerak tetapi tak ada perbedaan kecepatan antar partikel fluida tersebut atau bisa dikatakan bahwa partikel-partikel fluida tersebut bergerak dengan kecepatan seragam sehingga tidak memiliki gaya geser.
Contoh fenomena fluida statis dapat dibagi menjadi statis sederhana dan tidak sederhana. Contoh fluida yang diam secara sederhana adalah air di bak yang tidak dikenai gaya oleh gaya apapun, seperti gaya angin, panas, dan lain-lain yang mengakibatkan air tersebut bergerak. Contoh fluida statis yang tidak sederhana adalah air sungai yang memiliki kecepatan seragam pada tiap partikel di berbagai lapisan dari permukaan sampai dasar sungai.
Cairan yang berada dalam bejana mengalami gaya-gaya yang seimbang sehingga cairan itu tidak mengalir. Gaya dari sebelah kiri diimbangi dengan gaya dari sebelah kanan, gaya dari atas ditahan dari bawah. Cairan yang massanya M menekan dasar bejana dengan gaya sebesar Mg. Gaya ini tersebar merata pada seluruh permukaan dasar bejana. Selama cairan itu tidak mengalir (dalam keadaan statis), pada cairan tidak ada gaya geseran sehingga hanya melakukan gaya ke bawah oleh akibat berat cairan dalam kolom tersebut.
Sifat- Sifat Fluida
Sifat fisis fluida dapat
ditentukan dan dipahami lebih jelas saat fluida berada dalam keadaan diam (statis).
Sifat-sifat fisis fluida statis ini di antaranya, massa jenis, tegangan
permukaan, kapilaritas, dan viskositas.
1. Massa Jenis
Pernahkah Anda
membandingkan berat antara kayu dan besi? Benarkah pernyataan bahwa besi lebih
berat daripada kayu? Pernyataan tersebut tentunya kurang tepat, karena
segelondong kayu yang besar jauh lebih berat daripada sebuah bola besi.
Pernyataan yang tepat untuk perbandingan antara kayu dan besi tersebut, yaitu
besi lebih padat daripada kayu. Anda tentu masih ingat, bahwa setiap benda
memiliki kerapatan massa yang berbeda-beda serta merupakan sifat alami dari
benda tersebut. Dalam Fisika, ukuran kepadatan (densitas) benda homogen disebut
massa jenis, yaitu massa per satuan volume. Jadi massa jenis adalah pengukuran massa setiap satuan volume benda. Semakin tinggi massa jenis suatu
benda, maka semakin besar pula massa setiap volumenya. Massa jenis rata-rata
setiap benda merupakan total massa dibagi dengan total volumenya. Sebuah benda
yang memiliki massa jenis lebih tinggi (misalnya besi) akan memiliki volume yang lebih rendah
daripada benda bermassa sama yang memiliki massa jenis lebih rendah (misalnya air).
Satuan SI massa jenis adalah kilogram per meter kubik (kg·m-3)
Massa jenis berfungsi untuk menentukan zat. Setiap zat memiliki massa jenis yang berbeda. Dan satu zat berapapun massanya berapapun volumenya akan memiliki massa jenis yang sama.
Massa jenis berfungsi untuk menentukan zat. Setiap zat memiliki massa jenis yang berbeda. Dan satu zat berapapun massanya berapapun volumenya akan memiliki massa jenis yang sama.
Secara matematis, massa
jenis dituliskan sebagai berikut.
dengan: m = massa (kg atau g),
V = volume (m3 atau cm3), dan
ρ = massa jenis (kg/m3 atau g/cm3).
Jenis beberapa bahan dan massa jenisnya dapat dilihat pada Tabel berikut.
Tabel Massa Jenis atau Kerapatan Massa (Density)
Bahan
|
Massa Jenis (g/cm3)
|
Nama Bahan
|
Massa Jenis (g/cm3)
|
Air
|
1,00
|
Gliserin
|
1,26
|
Aluminium
|
2,7
|
Kuningan
|
8,6
|
Baja
|
7,8
|
Perak
|
10,5
|
Benzena
|
0,9
|
Platina
|
21,4
|
Besi
|
7,8
|
Raksa
|
13,6
|
Emas
|
19,3
|
Tembaga
|
8,9
|
Es
|
0,92
|
Timah Hitam
|
11,3
|
Etil Alkohol
|
0,81
|
Udara
|
0,0012
|
2. Tegangan permukaan
Mari kita amati sebatang
jarum atau sebuah silet yang kita buat terapung di permukaan air sebagai benda
yang mengalami tegangan permukaan. Tegangan permukaan disebabkan oleh interaksi
molekul-molekul zat cair dipermukaan zat cair. Di bagian dalam cairan sebuah
molekul dikelilingi oleh molekul lain disekitarnya, tetapi di permukaan cairan
tidak ada molekul lain dibagian atas molekul cairan itu. Hal ini menyebabkan
timbulnya gaya pemulih yang menarik molekul apabila molekul itu dinaikan
menjauhi permukaan, oleh molekul yang ada di bagian bawah permukaan cairan.
Sebaliknya jika molekul di permukaan cairan ditekan, dalam hal ini diberi jarum atau silet, molekul bagian bawah permukaan akan memberikan gaya pemulih yang arahnya ke atas, sehingga gaya pemulih ke atas ini dapat menopang jarum atau silet tetap di permukaan air tanpa tenggelam.
Gaya ke atas untuk menopang jarum atau silet agar tidak tenggelam merupakan perkalian koefisien tegangan permukaan dengan dua kali panjang jarum. Panjang jarum disini adalah permukaan yang bersentuhan dengan zat cair.
Sebaliknya jika molekul di permukaan cairan ditekan, dalam hal ini diberi jarum atau silet, molekul bagian bawah permukaan akan memberikan gaya pemulih yang arahnya ke atas, sehingga gaya pemulih ke atas ini dapat menopang jarum atau silet tetap di permukaan air tanpa tenggelam.
Gaya ke atas untuk menopang jarum atau silet agar tidak tenggelam merupakan perkalian koefisien tegangan permukaan dengan dua kali panjang jarum. Panjang jarum disini adalah permukaan yang bersentuhan dengan zat cair.
Jadi dapat kita
simpulkan bahwa pengertian dari tegangan permukaan adalahkecenderungan permukaan zat cair untuk menegang,
sehingga permukaannya seperti ditutupi oleh suatu lapisan elastis.
3. Kapilaritas
Tegangan permukaan
ternyata juga mempunyai peranan pada fenomena menarik, yaitu kapilaritas.
Contoh peristiwa yang menunjukkan kapilaritas adalah minyak tanah, yang dapat
naik melalui sumbu kompor. Selain itu, dinding rumah kita pada musim hujan
dapat basah juga terjadi karena adanya gejala kapilaritas.
Untuk membahas
kapilaritas, kita perhatikan sebuah pipa kaca dengan diameter kecil (pipa
kapiler) yang ujungnya terbuka saat dimasukkan ke dalam bejana berisi air. Kita
dapat menyaksikan bahwa permukaan air dalam pipa akan naik. Lain hasilnya jika
kita mencelupkan pipa tersebut ke dalam bejana berisi air raksa. Permukaan air
raksa dalam tabung akan turun atau lebih rendah daripada permukaan air raksa dalam
bejana. Gejala inilah yang disebut dengan gejala kapilaritas.
Pada kejadian ini, pipa
yang digunakan adalah pipa kapiler. Oleh karena itu, gejala kapilaritas adalah
gejala naik turunnya zat cair dalam pipa kapiler. Permukaan zat cair yang
berbentuk cekung atau cembung disebut meniskus. Permukaan air pada dinding kaca
yang berbentuk cekung disebut meniskus cekung, sedangkan permukaan air raksa
yang berbentuk cembung disebut meniskus cembung.
Penyebab dari gejala
kapiler adalah adanya adhesi dan kohesi. Kohesi adalah gaya tarik menarik antar
molekul yang sama jenisnya. Gaya ini menyebabkan antara zat yang satu dengan
yang lain tidak dapat menempel karena molekulnya saling tolak menolak.
sedangkan adhesi adalah gaya tarik menarik antar molekul yang berbeda jenisnya. Gaya ini menyebabkan antara zat yang satu dengan yang lain dapat menempel dengan baik karena molekulnya saling tarik menarik atau merekat.
sedangkan adhesi adalah gaya tarik menarik antar molekul yang berbeda jenisnya. Gaya ini menyebabkan antara zat yang satu dengan yang lain dapat menempel dengan baik karena molekulnya saling tarik menarik atau merekat.
Pada gejala kapilaritas
pada air, air dalam pipa kapiler naik karena adhesi antara partikel air dengan
kaca lebih besar daripada kohesi antar partikel airnya. Sebaliknya, pada gejala
kapilaritas air raksa, adhesi air raksa dengan kaca lebih kecil daripada kohesi
antar partikel air raksa. Oleh karena itu, sudut kontak antara air raksa dengan
dinding kaca akan lebih besar daripada sudut kontak air dengan dinding kaca.
Kenaikan atau penurunan
zat cair pada pipa kapiler disebabkan oleh adanya tegangan permukaan yang
bekerja pada keliling persentuhan zat cair dengan pipa.
Berikut ini beberapa
contoh yang menunjukkan gejala kapilaritas dalam kehidupan sehari-hari:
a. Naiknya minyak tanah
melalui sumbu kompor sehingga kompor bisa dinyalakan.
b. Kain dan kertas isap
dapat menghisap cairan.
c. Air dari akar dapat
naik pada batang pohon melalui pembuluh kayu.
Selain keuntungan,
kapilaritas dapat menimbulkan beberapa masalah berikut ini :
Air hujan merembes dari
dinding luar, sehingga dinding dalam juga basah.
Air dari dinding bawah
rumah merembes naik melalui batu bata menuju ke atas sehingga dinding
rumah lembab.
4. Viskositas
Viskositas merupakan pengukuran dari ketahanan fluida yang diubah baik dengan tekananmaupun tegangan. Pada masalah sehari-hari (dan hanya untuk fluida), viskositas
adalah "Ketebalan" atau "pergesekan internal". Oleh karena
itu, air yang "tipis", memiliki viskositas lebih rendah,
sedangkan madu yang "tebal", memiliki viskositas yang lebih
tinggi. Sederhananya, semakin rendah viskositas suatu fluida, semakin besar
juga pergerakan dari fluida tersebut. Viskositas menjelaskan ketahanan internal
fluida untuk mengalir dan mungkin dapat dipikirkan sebagai pengukuran dari pergeseran fluida.
Seluruh fluida (kecuali
superfluida) memiliki ketahanan dari tekanan dan oleh karena itu disebut
kental, tetapi fluida yang tidak memiliki ketahanan tekanan dan tegangan
disebut fluide ideal.
Tekanan Hidrostatis
Masih ingatkah Anda
definisi tekanan? Tekanan adalah gaya yang bekerja tegak lurus pada suatu
permukaan bidang dan dibagi luas permukaan bidang tersebut. Secara matematis,
persamaan tekanan dituliskan sebagai berikut.
p= F/ A
dengan: F = gaya (N),
A = luas permukaan (m2), dan
p = tekanan (N/m2 = Pascal).
Persamaan diatas menyatakan bahwa tekanan p berbanding
terbalik dengan luas permukaan bidang tempat gaya bekerja. Jadi, untuk besar
gaya yang sama, luas bidang yang kecil akan mendapatkan tekanan yang lebih
besar daripada luas bidang yang besar.
Tekanan Hidrostatis
adalah tekanan yang terjadi di bawah air. Tekanan hidrostatis disebabkan oleh fluida tak bergerak.
Tekanan hidrostatis yang dialami oleh suatu titik di dalam fluida diakibatkan
oleh gaya berat fluida yang berada di atas titik tersebut. Jika besarnya
tekanan hidrostatis pada dasar tabung adalah p, menurut konsep
tekanan, besarnya p dapat dihitung dari perbandingan antara
gaya berat fluida (F) dan luas permukaan bejana (A).
p= F/A
Gaya berat fluida
merupakan perkalian antara massa fluida dengan percepatan gravitasi Bumi,
ditulis
p= massa x gravitasi bumi / A
Oleh karena m = ρ V, persamaan
tekanan oleh fluida dituliskan sebagai
p = ρVg / A
Volume fluida di dalam
bejana merupakan hasil perkalian antara luas permukaan bejana (A) dan
tinggi fluida dalam bejana (h). Oleh karena itu, persamaan tekanan di
dasar bejana akibat fluida setinggi h dapat dituliskan menjadi
p= ρ(Ah) g / A = ρ
h g
Jika tekanan hidrostatis dilambangkan dengan ph,
persamaannya dituliskan sebagai berikut.
Ph
= ρ g h
|
ph = tekanan hidrostatis (N/m2),
ρ = massa jenis fluida
(kg/m3),
g = percepatan gravitasi (m/s2), dan
h = kedalaman titik dari permukaan fluida (m).
Semakin tinggi dari
permukaan Bumi, tekanan udara akan semakin berkurang. Sebaliknya, semakin dalam
Anda menyelam dari permukaan laut atau danau, tekanan hidrostatis akan semakin
bertambah. Mengapa demikian? Hal tersebut disebabkan oleh gaya berat yang
dihasilkan oleh udara dan zat cair. Anda telah mengetahui bahwa lapisan udara
akan semakin tipis seiring bertambahnya ketinggian dari permukaan Bumi sehingga
tekanan udara akan berkurang jika ketinggian bertambah. Adapun untuk zat cair,
massanya akan semakin besar seiring dengan bertambahnya kedalaman. Oleh karena
itu, tekanan hidrostatis akan bertambah jika kedalaman bertambah.
Contoh menghitung tekanan hidrostatis
Tabung setinggi 30 cm
diisi penuh dengan fluida. Tentukanlah tekanan hidrostatis pada dasar tabung,
jika g = 10 m/s2 dan tabung berisi:
a. air,
b. raksa, dan
c.
gliserin.
Gunakan data massa jenis
pada Tabel
Jawab
Diketahui: h = 30 cm dan g = 10
m/s2.
Ditanya : a. Ph air
b. Ph
raksa
c. Ph
gliserin
Jawab :
a. Tekanan hidrostatis
pada dasar tabung yang berisi air:
Ph = ρ gh = (1.000 kg/m3)
(10 m/s2) (0,3 m) = 3.000 N/m2
b. Tekanan hidrostatis
pada dasar tabung yang berisi air raksa:
Ph = ρ gh = (13.600 kg/m3) (10 m/s2) (0,3 m) = 40.800 N/m2
c. Tekanan hidrostatis pada dasar tabung yang berisi gliserin:
Ph = ρ gh = (1.260 kg/m3) (10 m/s2) (0,3 m) = 3.780 N/m2
Prinsip tekanan hidrostatis ini digunakan pada alat-alat pengukur tekanan. Alat-alat pengukur tekanan yang digunakan untuk mengukur tekanan gas, di antaranya sebagai berikut.
a. Manometer Pipa Terbuka
Manometer pipa terbuka adalah alat pengukur tekanan gas yang paling sederhana. Alat ini berupa pipa berbentuk U yang berisi zat cair. Ujung yang satu mendapat tekanan sebesar p(dari gas yang hendak diukur tekanannya) dan ujung lainnya berhubungan dengan tekanan atmosfir (p0).
b. Barometer
Barometer raksa ini ditemukan pada 1643 oleh Evangelista Torricelli, seorang ahli Fisika dan Matematika dari Italia. Barometer adalah alat untuk mengukur tekanan udara. Barometer umum digunakan dalam peramalan cuaca, dimana tekanan udara yang tinggi menandakan cuaca bersahabat, sedangkan tekanan udara rendah menandakan kemungkinan badai. Ia mendefinisikan tekanan atmosfir dalam bukunya yang berjudul “A Unit of Measurement, The Torr” Tekanan atmosfer (1 atm) sama dengan tekanan hidrostatis raksa (mercury) yang tingginya 760 mm. Cara mengonversikan satuannya adalah sebagai berikut.
Ph = ρ gh = (13.600 kg/m3) (10 m/s2) (0,3 m) = 40.800 N/m2
c. Tekanan hidrostatis pada dasar tabung yang berisi gliserin:
Ph = ρ gh = (1.260 kg/m3) (10 m/s2) (0,3 m) = 3.780 N/m2
Prinsip tekanan hidrostatis ini digunakan pada alat-alat pengukur tekanan. Alat-alat pengukur tekanan yang digunakan untuk mengukur tekanan gas, di antaranya sebagai berikut.
a. Manometer Pipa Terbuka
Manometer pipa terbuka adalah alat pengukur tekanan gas yang paling sederhana. Alat ini berupa pipa berbentuk U yang berisi zat cair. Ujung yang satu mendapat tekanan sebesar p(dari gas yang hendak diukur tekanannya) dan ujung lainnya berhubungan dengan tekanan atmosfir (p0).
b. Barometer
Barometer raksa ini ditemukan pada 1643 oleh Evangelista Torricelli, seorang ahli Fisika dan Matematika dari Italia. Barometer adalah alat untuk mengukur tekanan udara. Barometer umum digunakan dalam peramalan cuaca, dimana tekanan udara yang tinggi menandakan cuaca bersahabat, sedangkan tekanan udara rendah menandakan kemungkinan badai. Ia mendefinisikan tekanan atmosfir dalam bukunya yang berjudul “A Unit of Measurement, The Torr” Tekanan atmosfer (1 atm) sama dengan tekanan hidrostatis raksa (mercury) yang tingginya 760 mm. Cara mengonversikan satuannya adalah sebagai berikut.
ρ raksa × percepatan gravitasi Bumi × panjang
raksa dalam tabung atau
(13.600 kg/cm3 )(9,8 m/s2)(0,76 m) =
1,103 × 105 N/m2
Jadi, 1 atm = 76 cmHg = 1,013 × 105 N/m2
c. Pengukur Tekanan Ban
Alat ini digunakan untuk mengukur tekanan udara di dalam ban. Bentuknya berupa silinder panjang yang di dalamnya terdapat pegas. Saat ujungnya ditekankan pada pentil ban, tekanan udara dari dalam ban akan masuk ke dalam silinder dan menekan pegas. Besarnya tekanan yang diterima oleh pegas akan diteruskan ke ujung lain dari silinder yang dihubungkan dengan skala. Skala ini telah dikalibrasi sehingga dapat menunjukkan nilai selisih tekanan udara luar (atmosfer) dengan tekanan udara dalam ban.
Alat ini digunakan untuk mengukur tekanan udara di dalam ban. Bentuknya berupa silinder panjang yang di dalamnya terdapat pegas. Saat ujungnya ditekankan pada pentil ban, tekanan udara dari dalam ban akan masuk ke dalam silinder dan menekan pegas. Besarnya tekanan yang diterima oleh pegas akan diteruskan ke ujung lain dari silinder yang dihubungkan dengan skala. Skala ini telah dikalibrasi sehingga dapat menunjukkan nilai selisih tekanan udara luar (atmosfer) dengan tekanan udara dalam ban.
MEKANIKA FLUIDA
Mekanika fluida adalah subdisiplin dari mekanika kontinum yang mempelajari fluida (yang dapat berupa cairan dan gas). Mekanika fluida dapat dibagi menjadi fluida statik dan fluida dinamik. Fluida statis mempelajari fluida pada keadaan diam sementara fluida dinamis mempelajari fluida yang bergerak.
Mekanika fluida adalah subdisiplin dari mekanika kontinum yang mempelajari fluida (yang dapat berupa cairan dan gas). Mekanika fluida dapat dibagi menjadi fluida statik dan fluida dinamik. Fluida statis mempelajari fluida pada keadaan diam sementara fluida dinamis mempelajari fluida yang bergerak.
Fluida Newtonian vs.
non-Newtonian
Sebuah Fluida
Newtonian (dinamakan dari Isaac Newton) didefinisikan sebagai fluida yang
tegangan gesernya berbanding lurus secara linier dengan gradien kecepatan pada
arah tegak lurus dengan bidang geser. Definisi ini memiliki arti bahwa fluida
newtonian akan mengalir terus tanpa dipengaruhi gaya-gaya yang bekerja pada
fluida. Sebagai contoh, air adalah fluida Newtonian karena air memiliki
properti fluida sekalipun pada keadaan diaduk. Sebaliknya, bila fluida
non-Newtonian diaduk, akan tersisa suatu "lubang". Lubang ini akan terisi
seiring dengan berjalannya waktu. Sifat seperti ini dapat teramati pada
material-material seperti puding. Peristiwa lain yang terjadi saat fluida
non-Newtonian diaduk adalah penurunan viskositas yang menyebabkan fluida tampak
"lebih tipis" (dapat dilihat pada cat). Ada banyak tipe fluida
non-Newtonian yang kesemuanya memiliki properti tertentu yang berubah pada
keadaan tertentu.
Persamaan pada fluida
Newtonian
Konstanta yang
menghubungkan tegangan geser dan gradien kecepatan secara linier dikenal dengan
istilah viskositas. Persamaan yang menggambarkan perlakuan fluida Newtonian
adalah:
di mana
τ adalah tegangan
geser yang dihasilkan oleh fluida
μ adalah viskositas
fluida-sebuah konstanta proporsionalitas
adalah gradien
kecepatan yang tegak lurus dengan arah geseran
Viskositas pada fluida
Newtonian secara definisi hanya bergantung pada temperatur dan tekanan dan
tidak bergantung pada gaya-gaya yang bekerja pada fluida. Jika fluida bersifat
inkompresibel dan viskositas bernilai tetap di seluruh bagian fluida, persamaan
yang menggambarkan tegangan geser (dalam koordinat kartesian) adalah
di mana
τij adalah tegangan
geser pada bidang ith dengan arah jth
vi adalah kecepatan
pada arah ith
xj adalah koordinat
berarah jth
Jika suatu fluida
tidak memenuhi hubungan ini, fluida ini disebut fluida non-Newtonian.
ALIRAN FLUIDA
Aliran fluida dapat
diaktegorikan:
1. Aliran laminar
Aliran dengan fluida
yang bergerak dalam lapisan – lapisan, atau lamina – lamina dengan satu lapisan
meluncur secara lancar . Dalam aliran laminar ini viskositas berfungsi untuk
meredam kecendrungan terjadinya gerakan relative antara lapisan. Sehingga
aliran laminar memenuhi hukum viskositas Newton
2. Aliran turbulen
Aliran dimana
pergerakan dari partikel – partikel fluida sangat tidak menentu karena
mengalami percampuran serta putaran partikel antar lapisan, yang mengakibatkan
saling tukar momentum dari satu bagian fluida kebagian fluida yang lain dalam
skala yang besar. Dalam keadaan aliran turbulen maka turbulensi yang terjadi
membangkitkan tegangan geser yang merata diseluruh fluida sehingga menghasilkan
kerugian – kerugian aliran.
3. Aliran transisi
Aliran transisi
merupakan aliran peralihan dari aliran laminar ke aliran turbulen.
KONSEP DASAR
Bilangan Reynolds
Bilangan Reynolds
merupakan bilangan tak berdimensi yang dapat membedakan suatu Dilihat dari
kecepatan aliran, menurut (Mr. Reynolds) diasumsikan/dikategorikanlaminar bila
aliran tersebut mempunyai bilangan Re kurang dari 2300, Untuk aliran transisi
berada pada pada bilangan Re 2300 dan 4000 biasa juga disebut sebagai bilangan.
Viskositas
Viskositas fluida
merupakan ukuran ketahanan sebuah fluida terhadap deformasi atau perubahan
bentuk. Viskositas dipengaruhi oleh temperatur, tekanan, kohesi dan laju
perpindahan momentum molekularnya. Viskositas zat cair cenderung menurun dengan
seiring bertambahnya kenaikan temperatur hal ini disebabkan gaya – gaya kohesi
pada zat cair bila dipanaskan akan mengalami penurunan dengan semakin
bertambahnya temperatur pada zat cair yang menyebabkan berturunya viskositas
dari zat cair tersebut.
Rapat jenis (density )
Density atau rapat
jenis (ρ) suatu zat adalah ukuran untuk konsentrasi zat tersebut dan dinyatakan
dalam massa persatuan volume; sifat ini ditentukan dengan cara menghitung nilai
density dapat dipengaruhi oleh temperatur semakin tinggi temperatur maka
kerapatan suatu fluida semakin berkurang karena disebabkan gaya kohesi dari
molekul – molekul fluida semakin berkurang.
Koefisien Gesek
Koefisien gesek
dipengaruhi oleh kecepatan, karena distribusi kecepatan pada aliran laminar dan
aliran turbulen berbeda, maka koefisien gesek erbeda pula untuk masing – masing
jenis aliran. Reynolds kritis, sedangkan aliran turbulen mempunyai bilangan Re
lebih dari 4000.
TEKANAN DALAM FLUIDA
Misalkan kita sedang berendam di dalam air, apa yang kita rasakan? Seolah-olah air menekan seluruh tubuh kita yang bersentuhan dengan air. Tekanan ini semakin besar apabila kita masuk lebih dalam ke dalam air. Fenomena apa yang ada dibalik peristiwa ini. Pernyataan ini mengandung pengertian bahwa fluida memberikan tekanan terhadap benda yang berada di dalamnya. Pengertian ini diperluas menjadi tekanan pada fluida tergantung pada ketebalannya atau lebih tepatnya kedalamannya. Udara/atmosfer terdiri dari gas-gas yang juga merupakan bentuk dari fluida. Maka udara juga akan memiliki tekanan seperti definisi di atas. Tekanan udara kita anggap sama untuk ketinggian tertentu di atas bumi namun untuk ketinggian yang sangat tinggi di atas permukaan bumi besarnya menjadi berbeda.
Misalkan kita sedang berendam di dalam air, apa yang kita rasakan? Seolah-olah air menekan seluruh tubuh kita yang bersentuhan dengan air. Tekanan ini semakin besar apabila kita masuk lebih dalam ke dalam air. Fenomena apa yang ada dibalik peristiwa ini. Pernyataan ini mengandung pengertian bahwa fluida memberikan tekanan terhadap benda yang berada di dalamnya. Pengertian ini diperluas menjadi tekanan pada fluida tergantung pada ketebalannya atau lebih tepatnya kedalamannya. Udara/atmosfer terdiri dari gas-gas yang juga merupakan bentuk dari fluida. Maka udara juga akan memiliki tekanan seperti definisi di atas. Tekanan udara kita anggap sama untuk ketinggian tertentu di atas bumi namun untuk ketinggian yang sangat tinggi di atas permukaan bumi besarnya menjadi berbeda.
FLUIDA ELEKTRO-REOLOGI
Mungkin, yang pertama kali melakukan percobaan pembuatan dan penerapan cairan fluida yang merespon kondisi luarnya adalah Pak Winslow pada tahun 1940. Kenapa saya awali dengan “mungkin”? Sebab ide atau niatan membuat fluida pintar ini sudah ada sejak 150 tahun yang lalu. Lalu Pak Winslow lah yang berhasil melakukan percobaan pembuatannya. Kebanyakan fluida elektro-reologi merupakan dispersi dari partikel dielectric yang tersuspensi pada non-conducting liquid (cairan yang bersifat bukan konduksi, alias tidak mampu hantar listrik). Mudahnya, anda punya partikel (bulet kecil-kecil) dari bahan dielectrik kemudian dicampur dengan cairan tak mampu hantar listrik, misal silicone-oils, hingga sifat campuran seperti suspensi. Itulah fluida elektro-reologi.
Mungkin, yang pertama kali melakukan percobaan pembuatan dan penerapan cairan fluida yang merespon kondisi luarnya adalah Pak Winslow pada tahun 1940. Kenapa saya awali dengan “mungkin”? Sebab ide atau niatan membuat fluida pintar ini sudah ada sejak 150 tahun yang lalu. Lalu Pak Winslow lah yang berhasil melakukan percobaan pembuatannya. Kebanyakan fluida elektro-reologi merupakan dispersi dari partikel dielectric yang tersuspensi pada non-conducting liquid (cairan yang bersifat bukan konduksi, alias tidak mampu hantar listrik). Mudahnya, anda punya partikel (bulet kecil-kecil) dari bahan dielectrik kemudian dicampur dengan cairan tak mampu hantar listrik, misal silicone-oils, hingga sifat campuran seperti suspensi. Itulah fluida elektro-reologi.
Yield stress, tegangan
geser, yaitu gaya luar yang diperlukan untuk menggeser fluida tersebut, dari
keadaan diam kemudian mengalir. Fluida elektro-reologi mula-mula mempunyai
nilai yield stress relatif kecil, ya iyalah…cairan gitu loh… Namun ketika medan
listrik dari luar diaplikasikan, nilai yield stress-nya menjadi meningkat
dengan drastis, alias susah untuk mengalir. Mekanisme yang sering digunakan
untuk menjelaskan fenomena ini adalah ketika medan listrik luar (ordenya sekitar
kV/mm) diaplikasikan kepada fluida elektro-reologi, menimbulkan efek dipole
(pe-dua-kutub-an) dari dielektrik partikel yang tersuspensi dalam cairan tsb.
Berubahnya sifat dialektrik partikel hingga mempunyai kutub ini menyebabkan
partikel kecil-kecil saling mendekat satu sama lainnya, sesusai sifat kutub
masing-masing.
Sehingga terciptalah
rantai/susunan partikel searah dengan medan listrik. Lihat animasi diawal
artikel. Bentuk daripada susunan rapi jajaran partikel yang berbentuk seperti
rantai inilah yang menyebabkan nilai yield stress menjadi naik secara dramatis.
Definisi pendahuluan tentang fluida pintar jenis ini dicukupkan sampai disini,
ntar disambung lagi yang lebih dalam jika memungkinkan.
Kini, aplikasi dari
fluida elektro-reologi telah mempunyai pangsa pasar tersendiri, diantaranya:
- controllable valve
and shakers
- controllable
machinery and engine mount
- controllable clutch
and brakes
- controllable dampers
Mungkin ada sebagian
peralatan ini pernah anda lihat, sekilas lihat, bahkan anda pakai dan
operasikan terutama di perusahaan-perusahaan besar. Namun yang tampak nyata di
depan anda hanyalah kemudah-aturan dan kecanggihan peralatan tersebut. Siapa
sangka dibalik produk-produk tersebut tersimpan keruwetan dan keunikan aspek
science dan teknologi yang membikin dahi berkerut, kening melebar, dan otak
berputar sekian banyak peneliti dan sekian lama waktu yang diperlukan.
FLUIDA BERMAGNET
Pada tahun 1960-an,
Pak Rosensweig menjadi pelopor penelitian pembuatan dan aplikasi dari fluida
bermagnet. Kemudian setelah beberapa saat setelah penelitiannya berkembang,
beliau mendirikan perusahaan yang dikenal dengan Perusahaan Ferrofluidics.
Fluida bermagnet terdiri atas partikel bermagnet (superparamagnetic particle)
berukuran sangan kecil (skala nano, < 10 nm) yang terdispersi dalam cairan
pembawa. Tahukan seberapa kecil ukuran nano-meter itu? Iya benar, sepersejuta
meter. Suangaat kecil bukan. Campuran dispersi antara partikel magnet dan cairan
pembawa cenderung bersifat stabil (tidak terjadi sedimentasi/pengendapan),
disebabkan pergerakan Brownian (Brownian motion) yang terjadi ketika kita
mencampur partikel sangat kecil kedalam suatu cairan. Mudahnya, ketika anda
mengaduk gula dalam segelas air, gulanya tidak akan mengendap dibawah jika
adukannya merata. Artinya gula berubah jadi partikel sangat kecil sekali lalu
tersuspensi kedalam air, dan cenderung stabil. Para peneliti juga berhasil
menaikkan performa stabilitas fluida bermagnet dengan menambahkan surfactant,
suatu zat yang mencegah menempelnya partikel magnet satu sama lainnya, sehingga
penggumpalan bisa dihindari. Sehingga stabilitas fluida bermagnet dapat
dipertahankan lebih lama lagi.
Fluida bermagnet akan
berubah sifat dan karakternya ketika dikenakan medan magnet. Viskositas adalah
salah satu parameter yang bisa diatur pada fluida bermagnet. Karena waktu
respon yang diperlukan sangat pendek (dalam orde mili-second), maka kemampuan
mudah-aturnya cepat mendapat perhatian pangsa pasar. High-pressure seal dan
media pendingin loudspeaker adalah salah dua produk yang digemari pasar saat
ini.
FLUIDA MAGNET-REOLOGI
Tibalah saatnya kita mengenal fluida pintar jenis ketiga yaitu fluida magnet-reologi. Secara umum komposisinya sama dengan fluida bermagnet, yaitu: partikel magnet + cairan pembawa + surfactant. Cuma bedanya adalah ukuran partikel magnet dalam orde mikro-meter (seperseribu meter) dan peran surfactant yang sangat besar untuk mencegah proses pengendapan. Pergerakan Brownian tidak terjadi pada fluida jenis ini, karena ukuran partikel relatif besar. Hal yang menakjubkan dari sifat fluida magnet-reologi ini adalah kemampuannya berubah fase menjadi semi-padat bahkan cukup padat hingga dapat dikategorikan fase padat (solid phase).
2. FLUIDA DINAMIS
Tibalah saatnya kita mengenal fluida pintar jenis ketiga yaitu fluida magnet-reologi. Secara umum komposisinya sama dengan fluida bermagnet, yaitu: partikel magnet + cairan pembawa + surfactant. Cuma bedanya adalah ukuran partikel magnet dalam orde mikro-meter (seperseribu meter) dan peran surfactant yang sangat besar untuk mencegah proses pengendapan. Pergerakan Brownian tidak terjadi pada fluida jenis ini, karena ukuran partikel relatif besar. Hal yang menakjubkan dari sifat fluida magnet-reologi ini adalah kemampuannya berubah fase menjadi semi-padat bahkan cukup padat hingga dapat dikategorikan fase padat (solid phase).
2. FLUIDA DINAMIS
Pengertian Fluida
Dinamis
Fluida dinamis adalah
fluida (bisa berupa zat cair, gas) yang bergerak. Untuk memudahkan dalam
mempelajari, fluida disini dianggap steady (mempunyai kecepatan yang konstan
terhadap waktu), tak termampatkan (tidak mengalami perubahan volume), tidak
kental, tidak turbulen (tidak mengalami putaran-putaran).
Dalam kehidupan
sehari-hari, banyak sekali hal yang berkaitan dengan fluida dinamis ini.
Besaran-besaran dalam fluida dinamis
Debit aliran (Q)
Jumlah volume fluida
yang mengalir persatuan waktu, atau:
Dimana :
Q
= debit aliran (m3/s)
A
= luas penampang (m2)
V
= laju aliran fluida (m/s)
Aliran fluida sering
dinyatakan dalam debit aliran
Dimana :
Q
= debit aliran (m3/s)
V
= volume (m3)
t
= selang waktu (s)
Air yang mengalir di
dalam pipa air dianggap mempunyai debit yang sama di sembarang titik. Atau jika
ditinjau 2 tempat, maka:
Debit aliran 1 = Debit
aliran 2, atau :
Hukum Bernoulli
Hukum Bernoulli adalah
hukum yang berlandaskan pada hukum kekekalan energi yang dialami oleh aliran
fluida. Hukum ini menyatakan bahwa jumlah tekanan (p), energi kinetik per
satuan volume, dan energi potensial per satuan volume memiliki nilai yang sama
pada setiap titik sepanjang suatu garis arus. Jika dinyatakan dalam persamaan
menjadi :
Dimana :
p = tekanan air
(Pa)
v = kecepatan
air (m/s)
g = percepatan
gravitasi
h =
ketinggian air
Penerapan dalam teknologi
Pesawat Terbang
Gaya angkat pesawat
terbang bukan karena mesin, tetapi pesawat bisa terbang karena memanfaatkan
hukum bernoulli yang membuat laju aliran udara tepat di bawah sayap, karena
laju aliran di atas lebih besar maka mengakibatkan tekanan di atas pesawat
lebih kecil daripada tekanan pesawat di bawah.
Akibatnya terjadi gaya
angkat pesawat dari hasil selisih antara tekanan di atas dan di bawah di kali
dengan luas efektif pesawat.
Keterangan:
ρ = massa jenis
udara (kg/m3)
va=
kecepatan aliran udara pada bagian atas pesawat (m/s)
vb=
kecepatan aliran udara pada bagian bawah pesawat (m/s)
F = Gaya angkat pesawat (N)
Penyemprot Parfum dan
Obat Nyamuk
Prinsip kerja yang dilakukan dengan
menghasilkan laju yang lebih besar pada ujung atas selang botol sehingga
membuat tekanan di atas lebih kecil daripada tekanan di bawah. Akibatnya cairan
dalam wadah tersebut terdesak ke atas selang dan lama kelamaan akan menyembur
keluar.
Comments
Post a Comment