Senin, 07 November 2011

Fluida (Statik dan Dinamik)

A. Statik Fluida (Hidrostatik)

Ada 3 macam keadaan atau fase, yaitu padat, cair, dan gas. Pada fase padat, zat akan mempertahankan bentuk dan ukurannya yang tetap. Pada fase cair, zat memiliki volume tertentu tetapi memiliki bentuk yang berubah-ubah sesuai wadahnya. Pada fase gas, zat tidak memiliki bentuk dan volume yang tetap. Gas memiliki kecendurangan untuk menyebar dan memenuhi ruang atau wadahnya.

Zat cair dan gas memiliki kemampuan untuk mengalir. Oleh karena itu, keduanya sering disebut fluida atau zat alir. Fluida dibedakan menjadi 2 yaitu, fluida hidrostatik (diam) dan fluida hidrodinamika (bergerak).

Massa Jenis (
)
Massa jenis suatu zat didefinisikan sebagai perbandingan antara massa zat (m) dan volume zat (V). Yang dirumuskan sebagai berikut:
Dalam SI, satuan massa jenis adalah kg/m3 , sedangkan dalam sistem cgs satuan massa jenis adalah g/cm3 .

Tekanan (P)
a. Definisi Tekanan
Takanan didefinisikan sebagai gaya F bekerja secara tegak lurus terhadap luas permukaan A. Yang dirumuskan sebagai berikut:
Satuan SI untuk tekanan adalah pascal (Pa), dengan 1 Pa = 1 N/m2 .

b. Tekanan Atmosfer dan Tekanan Ukur
Tekanan Atmosfer diakibatkan oleh berat udara di atas kita. Nilai dan Satuan SI untuk tekanan atmosfer itu adalah:
Po = 1,01 x 10 N/m
Dalam beberapa kasus, kita kadang mengukur tekanan udara dalam benda tertentu dengan menghitung selisih tekanannya dengan tekanan udara luar (tekanan atmosfer).

Untuk memompa ban mobil hingga tekanan udara di dalamnya bernilai 241 kPa jika di ukur, tekanan udara di dalam mobil itu harus lebih besar lagi daripada tekanan udara luar, yaitu sebesar : P= 124 kPa + Po = 302 kPa. Tekanan sebesar 241 kPa yang nantinya terukur itu disebut tekanan taksiran atau tekanan ukur (gauge pressure, P g) yang secara umum dirumuskan sebagai berikut:
c. Tekanan Zat Cair dalam Fluida Statik
Hasil eksperimen menunjukkan bahwa fluida menekan kesegala arah. Seseorang yang menyelam ke dalam air akan merasakan tekanan air di seluruh bagian tubuhnya. Arah gaya tekan oleh fluida statik selalu tegak lurus terhadap permukaan sentuhnya.
Tekanan pada dasar bejana yang luas permukaanya A adalah:
Prinsip Pascal
Prinsip Pascal atau sering disebut hukum pascal ditemukan oleh seorang filsuf dan ilmuwan Perancis, Blaise Pascal, yang menyatakan bahwa:

Tekanan yang diberikan pada fluida dalam ruang tertutup akan diteruskan kesegala arah dengan sama besar.

Salah satu penerapan hukum Pascal adalah pengangkatan hidrolik. Oleh karena tekanan pada kedua piston pengangkatan hidrolik sama besar, maka berlaku:
F1/A1 = F2/A2

Hukum Archimedes
Jika benda dicelupkan ke dalam air, zat cair memberikan gaya angkat pada benda itu. Gaya ini menyebabkan berat benda seakan-akan berkurang. Fakta ini pertama kali ditemukan oleh Archimedes sehingga dikenal sebagai hukum Archimedes, yang menyatakan bahwa:

Bila sebuah benda kita masukkan kedalam air, baik sebagian atau seluruhnya, benda tersebut akan mendapat gaya keatas (gaya Archimedes atau gaya apung) yang besarnya sama dengan berat zat cair yang dipindhkan.

Secara matematis, hukum Archimedes dirumuskan sebagai:
Dengan FA adalah gaya apung (gaya Archimedes), rho adalah massa jenis fluida, dan V1 adalah volume benda yang tercelup.

Ada 3 keadaan benda dalam zat cair, yaitu terapung, melayang, dan tenggelam. Dengan menggunakan hukum I Newton dan hukum Archimedes, kita dapat menentukan syarat benda terapung, melayang, dan tenggelem.

Terapung
Benda dikatakan terapung apabila sebagian dari benda tercelup atau berada di bawah permukaan air, sedangkan bagian yang lain berada di atas permukaan air. Volume benda yang tercelup V1 selalu lebih kecil daripada volume benda Vb . Jadi, massa jenis benda yang terapung lebih kecil daripada massa jenis fluida.
Melayang
Pada benda melayang, besarnya gaya Archimedes FA sama dengan berat benda w , akan tetapi volume benda yang tercelup sama dengan volume benda Vb . Jadi, syarat benda melayang adalah massa jenis benda sama dengan massa jenis zat cair.
Tenggelam
Pada saat tenggelam, besar gaya Archimedes FA lebih kecil daripda berat benda mg. Dalam hal ini volume benda yang tercelup V1 sama dengan volume benda Vb . Akan tetapi, benda bertumpu pada dasar bejana sehingga ada gaya normal N sehingga berlaku :
Benda akan tenggelam dalam fluida jika massa jenis benda itu lebih besar daripada massa jenis fluida .

Prinsip Archimedes banyak diterapkan baik dalam teknologi maupun sains. Beberapa contoh peralatan yang bekerja berdasarkan hukum Archimedes adalah : hidrometer, kapal laut, galangan kapal, kapal selam, dan balon udara.

Viskositas
Fluida yang mengalir melalui suatu permukaan yang diam akan mengalami gesekan yang berlawanan arah dengan arah alirnya. Kecenderungan untuk menghambat aliran dalam fluida ini disebut viskositas. Fluida seperti udara memiliki viskositas rendah, fluida yang lebih rapat seperti air memiliki viskositas lebih tinggi daripada udara, sedangkan fluida seperti madu dan sirup dicirikan dengan viskositasnya yang tinggi.

Pada zat cair, viskositas disebabkan terutama oleh gaya kohesi antar molekul, sedangkan pada gas, viskositas muncul karena tumbukan antarmolekul.

Viskositas Beberapa Fluida


Nilai viskositas beberapa fluida ditunjukkan pada tabel diatas. Gejala viskositas dapat diamati ketika kita menjatuhkan sebutir kelereng ke dalam gelas kaca yang berisi minyak goreng. Kelereng akan diperlambat akibat gesekan dengan fluida. Hal yang berhubungan dengan viskositas banyak dijumpai dalam teknik, terutama dalam sistem pelumasan. Meinyak pelumas memiliki spesifikasi yang berhubungan dengan kekentalannya yang tercentum dalam kemasannya.

Tegangan Permukaan
Serangga tertentu dapat berjalan pada permukaan air. Hal ini terjadi karena adanya tegangan permukaan air. Karena adanya gaya tarik-menarik antarmolekul, permukaan zat cair berperilaku sebagai selaput yang tegang. Gaya molekul di dalam selaput cenderung memperkecil luas permukaan. Itulah sebabnya tetesan air selalu berbentuk mendekati permukaan; bentuk dengan luas permukaan terkecil daripada sembarang bentuk lain untuk volume yang sama. Jika diletakkan didalam wadah, permukaannya akan berbentuk datar (luas permukaannya minimum).

Tegangan permukaan didefinisikan sebagai gaya pada permukaan fluida tiap satuan panjang. Besar tegangan permukaan untuk benda yang memiliki satu permukaan adalah:
Dengan F = gaya permukaan (N); L = panjang benda (m); dan gama= tegangan permukaan (N/m). Untuk benda sepanjang L yang memiliki dua permukaan, dengan L = 2 L.maka:
Besarnya tegangan permukaan zat cair juga dipengaruhi oleh keadaan permukaan zat cair, misalnya suhu zat cair. Semakin tinggi suhu zat cair, semakin kecil tegangan permukaannya, dan sebaliknya.

Apabila dua partikel berdekatan, gaya kohesinya besar, tetapi apabila berjauhan gaya kohesinya kecil. Tegangan permukaan kadang tidak menguntungkan kita, misalnya dalam proses mencuci pakaian, maka dapat diatasi dengan penggunaan sabun atau detergen. Sabun dan detergen mempunyai efek mengurangi tegangan permukaan.

Gejala Kapilaritas
Kapilaritas merupakan gejala naik atau turunnya suatu zat cair (fluida) pada suatu pipa kapiler. Contoh dalam kehidupan sehari-hari, yaitu: naiknya tanah pada sumbu kompor, meresapnya air pada dinding tombok pada musim hujan, dan naiknya air dari akar tanaman sampai ke daun.
Gejala kapilaritas dipengaruhi oleh gaya kohesi, adhesi, dan tegangan permukaan. Ketinggian yang dicapai fluida dalam pipa kapiler tergantung pada besar tegangan permukaan. Tegangan permukaan fluida dihasilkan oleh gaya permukaan (F) yang bekerja disekeliling permukaan fluida (L=2 pi r). Tegangan permukaan itu sebesar
dengan demikian, gaya permukaan fluida sebesar :
Ketinggian fluida dalam pipa kapiler juga bergantung pada berat fluida (w) yang akan didorong ke atas oleh gaya permukaan. Jika rho adalah massa jenis fluida, berlaku persamaan:
ketinggian fluida dalam pipa kapiler ( h) dapat ditentukan dengan rumus:Namun ingat bahwa gaya adhesi dab kohesi mengakibatkan sifat meniskus permukaan fluida sehingga besar komponen gaya permukaan dalam arah vertikal dipengaruhi oleh sudut kontak . Dengan demikian , ketinggian fluida dalam pipa kapiler secara umum dapat ditentukan dengan rumus:
dengan gama= tegangan permukaan; teta= sudut kontak; rho= massa jenis fluida; g = percepatan gravitasi; dan r = jari-jari pipa kapiler.

B. Dinamika Fluida
Di dalam fluida dinamis, besar tegangan permukaan dipengaruhi oleh kecepatan aliran, massa jenis fluida, serta ketinggiannya. Aliran fluida ideal bersifat linear (streamline), artinya: aliran fluida tidak berputar-putar (mengepul) seperti asap rokok. Sifat laminer aliran fluida berarti aliran partikel-partikel fluida mengikuti garis alir. Partikel di belakang selalu mengikuti lintasan partikel di depannya sehingga lintasannya berupa garis dan gerak partikel teratur (tidak acak).

Persamaan Kontinuitas
Dalam dinamika fluida, salah satu besaran yang dipelajari adalah laju aliran volume atau debit. Debit (Q) disefinisikan sebagai banyaknya (volume) fluida yang mengalir tiap satu satuan waktu. Secara matematis, debit dirumuskan dengan:
dalam SI, satuan debit adalah m3 /s.
Apabila aliran fluida di dalam pipa yang luas penampang A dengan kelajuan v. Dalam waktu t , fluida menempuh jarak s sehingga volume fluida yang berpindah adalah V=AS=Avt. Dengan demikian, besaran debit juga bisa dinyatakan dengan:
dalam aliran fluida inkompresible (ideal), nilai debit selalu konstan. Jadi,
Persamaan diatas disebuy persamaan kontinuitas yang menyatakan bahwa debit aliran fluida selalu konstan. Aliran akan makin cepat jika melalui penampang yang lebih sempit.

Persamaan Bernoulli
Gaya yang bekerja pada elemen fluida sepanjang delta S1 adalah F1=P1 A1 . Dengan mengingat bahwa w=F x s , kita peroleh usaha yang dilakukan terhadap elemen fluida adalah:
Volume elemen fluida itu adalah delta V1=A1deltaS1 sehingga usaha yang dilakukan oleh tekanan P1adalah :
Di posisi 2, fluida menerima gaya yang berlawanan arah dengan arah aliran akibat tekanan P2 . Jadi,P2 melakukan usaha negatif pada elemen fluida. Dengan langkah yang sama seperti pada perhitungan delta W1 , kita peroleh besar usaha pada fluida akibat tekanan P2 adalah:
Pada fluida inkompresibel, volume elemen fluida tidak berubah saat berpindah dari posisi 1 ke posisi 2. Jadi,
Dengan hasil diatas, kita peroleh besar usaaha total yang dilakukan pada fluida adalah:
Berdasarkan toerema usaha-energi, usaha didefinisikan sebagaiBerdasarkan toerema usaha-energi, usaha didefinisikan sebagai perubahan energi kinetik, delta Wtotal=delta Ek atau
Massa elemen fluid dapat dihitung dengan rumus:
dengan rho= massa jenis fluida.

Energi kinetik elemen fluida itu adalah:
Berdasarkan persamaan diatas kita peroleh:
Persamaan diatas dapat dinyatakan sebagai:
Pernyataan diatas menyatakan bahwa nilai P+1/2pvkuadrat konstan. Persamaan ini berlaku jika ketinggian pada posisi 1 dan posisi 2 sama.

Usaha total yang dilakukan pada elemen fluida merupakan hasil penjumlahan usaha yang diakibatkan oleh tekanan pada masing-masing posisi ditambah usaha yang dilakukan oleh tekanan adalah:
Oleh karena fluida bergerak naik, gaya gravitasi melakukan usaha negatif terhadap elemen fluida itu. Dengan mengingat massa elemen fluida itu adalah delta m=rho delta V ;usaha yang dilakukan gaya gravitasi adalah:
Usaha total bernilai nol (karena delta Ek= 0), sehingga
Persamaan diatas dapat dinyatakan dalam bentuk
Persamaan diatas menunjukkan bahwa P+rho g h konstan. Dapat disimpulkan bahwa tekanan akan menurun jika ketinggian fluida meningkat.
Dalam bentuk yang lebih umum, di mana baik laju aliran maupun ketinggian fluida berubah, kita dapat menerapkan bentuk lengkap dari persamaan Bernoulli, yaitu:
Menurut persamaan diatas, jika v1 lebih besar dari v2 maka P1 kecil dari P2 . Artinya, di tempat yang laju alirannya besar, tekannya kecil. Sebaliknya, di tempat yang laju alirannya kecil, tekannya besar.

Aplikasi Asas Bernoulli
Dalam kehidupan sehari-hari , asas Bernoulli diterapkan pada karburator mobil, venturimeter, pipa pitot, botol penyemprot parfum, dan alat semprot serangga. Asas Bernoulli juga dapat digunakan untuk melakukan kalkulasi pada tangki air.

a. Kebocoran pada Tangki Air
Sebuah drum berpenampang luas yang diisi air sampai kedalaman h1 . Pada dinding drum terdapat lubang kebocoran yang terletak pada ketinggian h2 diukur dari dasar drum. Berapakah laju keluarnya air dari lubang ini? Gerakan turunnya air di dalam drum ( v1) sangat kecil jika dibandingkan dengan laju aliran air yang keluar dari lubang v2 . Jadi, kita dapat menganggap v1= 0. Permukaan air dari lubang kebocoran berhubungan dengan udara luar, sehingga P1=P2=P0 , maka diperoleh:
b. Pipa Benturi
Pipa venturi atau venturimeter dapat digunakan untuk mengukur laju aliran fluida dalam sebuah pipa. Ada dua tipe venturimeter yaitu venturimeter tanpa manometer dan venturimeter yang dilengkapi manometer

c. Pipa Pitot
Pipa pitot digunakan untuk mengukur kecepatan aliran udara dalam sebuah pipa.

d. Parfum Semprot
Ketika tombol parfum semprot ditekan, udara dipaksa keluar dan bola karet termampatkan melalui lubang sempit di atas tabung silinder yang memanjang ke bawah sehingga tercelup cairan parfum. Semburan udara yang bergerak cepat menurunkan tekanan udara di bagian atas tabung sehingga memaksa cairan itu naik ke atas tabung. Semprotan udara berkelajuan tinggi meniup cairan parfum sehingga cairan dikeluarkan sebagai semburan kabut halus.

e. Penyemprot Racun Serangga
Pada dasarnya prinsip kerja penyemprot racun serangga sama dengan penyemprot parfum. Pada parfum semprot kita menekan tombol, sedangkan pada penyemprot racun serangga kita menekan masuk batang penghisap.

f. Sayap Pesawat Terbang
Sayap pesawat terbang didesain sedemikian rupa sehingga aliran udara diatasnya lebih cepat daripada aliran udara dibawahnya. Sebagai hasilnya, tekanan diatas pesawat lebih rendah daripada tekanan udara di bawah pesawat sehingga timbul gaya angkat pada pesawat.

Tidak ada komentar:

Poskan Komentar