Fluida & Sifat-sifat Fluida

Learning ObjectiveMenjelaskan sifat-sifat alamiah fluidaMenunjukkan kesamaan konsep antara mekanika fluida dan mekanika zat padat dan perbedaan-perbedaan yang mendasarMemperkenalkan tentang kekentalan dan menunjukkan apa yang dimaksud dengan fluida Newton dan fluida bukan NewtonMendefinisikan sifat-sifat fisik dan menunjukkan bagaimana sifat-sifat ini berbeda antara zat padat dan fluida sebagaimana antara zat cair dan gas

Apa yang membedakanmekanika fluida denganmekanika benda padat?

Perhatikan gambar di bawah ini:Zat padatZat cairGas

Apa yang dapat kita simpulkan dari gambar-gambar tersebut?Zat padat mempunyai bentuk tertentu, dimanapun benda tersebut ditempatkan bentuknya tidak berubahZat cair akan mengikuti bentuk wadah yang ditempatinya dan akan menghasilkan suatu permukaan horizontalGas akan mengisi seluruh ruang wadah tempatnya berada

Sifat alami fluida berbeda dengan sifat alami benda padatPada fluida kita bekerja dengan arus kontinyu fluida, pada benda padat kita hanya mempertimbangkan elemen individuMari kita perhatikanmakaZat padat berbeda dengan zat cair dan gasZat cair dan gas termasuk dalam fluida

Apa yang dimaksud dengan sifat alami fluida?Perhatikan ilustrasi berikut ini

Jadi, perbedaan fluida dan benda padat adalah:Fluida tidak mampu untuk melawan perubahan Fluida mengalir akibat gaya yang bekerjaFluida berubah bentuk sepanjang gaya bekerjaBenda padat dapat menahan perubahan bentuk dalam keadaan diam. Benda padat dapat mengalami perpindahan akibat gaya yang bekerja tetapi tidak terus bergerak tanpa batas.

Gaya-gaya bekerja sepanjang sudut , F, dikenal sebagai GAYA GESER

Fluida adalahsubstansi yang berubah bentuk secara kontinyu atau mengalir apabila suatu gaya geser bekerja padanya

atau

zat yang tidak memberi perlawanan terhadap perubahan bentuk

Fluida bergerakBayangkan suatu fluida mengalir dekat sebuah dinding contohnya dalam sebuah pipa-Fluida yang berada dekat dengan dinding akan mempunyai kecepatan = nolFluida tsb melekat pada dindingBergerak menjauh dari dinding kecepatan meningkat menjadi maksimum

Gambar kecepatan melintang penampang pipa memberikan profil kecepatanPerubahan kecepatan terhadap jarak adalah gradien kecepatan = dv/dyPada kondisi normal satu partikel fluida mempunyai kecepatan yang berbeda dengan tetangganyaPartikel-partikel yang bersebelahan dengan kecepatan yang berbeda menimbulkan gaya satu sama lain (akibat aksi intermolekular)

Bagaimana kalau tidak dekat dinding?Tidak ada gradien kecepatan, tidak ada gaya geserContohnya:gaya-gaya geser terjadi dalam suatu fluida yang bergerak dekat dengan sebuah dinding.

Hukum Kekentalan Newton Perhatikan elemen fluida berbentuk segiempat 3 dimensi berikut ini:

Gaya geser F bekerja pada sisi atas dari elemen. Luas sisi ini diberikan sebagai A = z x x. Tegangan geser dapat dihitung sebagai gaya dibagi luas

Perubahan bentuk yang diakibatkan oleh tegangan geser diukur sebagai ukuran sudut dan dikenal sebagai regangan geser.Regangan geser zat padat, , tetap untuk sebuah tegangan geser, , tertentu.Regangan geser fluida, , meningkat sepanjang tegangan geser, , bekerja, fluida akan mengalir

Secara eksperimental telah ditemukan bahwa laju tegangan geser (tegangan geser per satuan waktu, /waktu) proporsional dengan regangan geser.

Regangan geser ,

Laju regangan geser Apabila partikel pada titik E bergerak akibat tegangan geser ke titik E dan memerlukan waktu t, sejauh jarak x. Untuk perubahan yang kecil dapat ditulis:

Dengan menggunakan hasil eksperimen bahwa tegangan geser proporsional terhadap laju regangan geser maka

Suku (u/y) merupakan perubahan kecepatan terhadap y atau gradien kecepatan dan dapat ditulis dalam bentuk diferensial (dv/dy). Konstanta proporsionalitas dikenal sebagai kekentalan dinamik, , dari fluida sehingga persamaan menjadi

Persamaan ini dikenal sebagai hukum Newton tentang kekentalan.

SIFAT-SIFAT FLUIDA

Rapat Massa (mass density)Massa zat cair tiap satuan volume pada temperatur dan tekanan tertentuDilambangkan dengan notasi (rho)Satuan, kg/m3

Pengaruh temperatur terhadap rapat massaPerbedaan rapat massa air tawar dan air laut

T

[oC]

0

4

12

16

20

30

40

(

[kg/m3]

999,87

1000

999,5

999,0

998,3

995,7

992,3

kg/m3

lb/ft3

slug/ft3

Air tawar

1000

62,40

1,94

Air laut

1025

62,90

1,99

Berat Jenis (spesific weight)Berat benda tiap satuan volume pada temperatur dan tekanan tertentuDisebut juga spesific gravityDilambangkan dengan notasi (gamma)Satuan, N/m3

Rapat Relatif Perbandingan antara rapat massa suatu zat dan rapat massa airPerbandingan antara berat jenis suatu zat dan berat jenis air pada 4oC dan tekanan atmosferBilangan tak berdimensi dengan notasi s.

Contoh soalSuatu tangki berisi zat cair dengan massa 1650 kg dan volume 0,75 m3. Hitunglah berat, rapat massa, berat jenis dan kerapatan relatif zat cair!Penyelesaian:Diketahui:m= 1650 kg V = 0,75 m3Ditanya: W, , dan s?Jawab: W = m.g = 1650 kg x 9,81 m2/det= 16186,6 N

Kemampatan Zat CairPerubahan volume karena adanya perubahan tekananModulus elastisitas: perbandingan antara perubahan tekanan dan perubahan volume terhadap volume awal

Kekentalan Zat CairSifat zat cair untuk melawan tegangan geser yang disebabkan oleh kohesi antar partikelKekentalan (dinamik) absolut, (eta) atau (mu)Kekentalan kinematik, (nu)

Untuk tiap satuan luas:

Hubungan antara kekentalan absolut, kekentalan kinematik dan rapat massa dinyatakan sebagai: Kekentalan kinematik sangat dipengaruhi suhu:

Contoh soal:Hitung viskositas kinematik zat cair yang mempunyai kerapatan relatif 0,95 dan viskositas dinamik 0,0011 Ndet/m2!Penyelesaian:Diketahui: s = 0,95 = 0,0011 Ndet/m2Ditanya: ?Jawab:

Tegangan PermukaanKerja yang dilakukan oleh molekul-molekul pada permukaan untuk membentuk permukaan zat cair dan melawan gaya tarik ke bawahTegangan permukaan, (sigma), bekerja sama besar di semua titikdipengaruhi oleh suhu

air-udara 0,074 N/m2 air-minyak 0,021 N/m2 air-raksa 0,4 N/m2 udara-minyak 0,033 N/m2 udara-raksa 0,5 N/m2 minyak-raksa 0,3 N/m2

KapilaritasDisebabkan oleh gaya kohesi dan adhesiKohesi < adhesi zat cair naikKohesi > adhesi zat cair turun

dimana:h =kenaikan muka air (m)=tegangan permukaan (N/m2)=sudut kontak (o)=kerapatan (kg/m3)g=gravitas (m/det2)D=diameter pipa kapiler (m)

Contoh soal:Tabung gelas berdiameter 3 mm dimasukkan secara vertikal ke dalam air. Keadaan tabung bersih. Hitunglah kenaikan kapiler apabila tegangan permukaan 0,0736 N/m!Penyelesaian:Diketahui: d = 3 mm = 0o (tabung bersih) = 0,0736 N/m g = 9,81 m/det2 Ditanya: h ?

Soal-soal Latihan

ReferensiBambang Trihatmodjo, Hidraulika IStreeter, Fluid MechanicsYati Muliati, Mekanika FluidaYiniarti EK, Mekanika Fluida

*