Apa Itu Mekanika Kekuatan Material?

Mekanika kekuatan material adalah ilmu yang membicarakan masalah kesetimbangan gaya

(mekanika) yang bekerja pada suatu struktur.

Beban titik (terpusat) yaitu beban yang arah kerjanya terpusat (bekerja) pada satu titik.

Beban merata (q) yaitu bean luar yang bekerja merata pada suatu panjang tertentu (tidak

didukung oleh satu titik tetapi sepanjang muatan tersebut).

Adapun unsur pokok yang haus dipakai dalam suatu praktikum atau pengujian adalah

pengetahuan dan keterampilan sera peralatan standar. Meskipun didukung oleh pengetahuan dan

keterampilan yang bagus namun tidak didukung oleh peralatan memadai maka hal tersebut tidak

akn mendapatkan hasil yang sesuai dan berhasil, begitu juga sebaliknya.

Praktikum Mekanika Kekuatan Material ada tiga macam perobaan, yaitu:

1. Forces in a Truss

2. Portal Frame

3. Beam Apparatus

Mekanika zat cair dan gas

Mekanika fluida adalah studi tentang cairan dan kekuatan pada mereka. (Cairan termasuk cairan , gas ,

dan plasma .) Mekanika Fluida dapat dibagi menjadi statika fluida , studi tentang fluida diam, fluida

kinematika , studi cairan dalam gerakan, dan dinamika fluida , studi tentang efek gaya pada fluida gerak.

Ini adalah cabang dari mekanika kontinum , subjek yang model materi tanpa menggunakan informasi

yang terbuat dari atom, yaitu, model peduli dari sudut pandang makroskopik bukan dari sudut pandang

mikroskopis. Mekanika fluida, dinamika fluida terutama, adalah bidang penelitian aktif dengan masalah

yang belum terpecahkan atau sebagian memecahkan banyak. Mekanika fluida dapat matematis

kompleks. Kadang-kadang terbaik dapat diselesaikan dengan metode numerik , biasanya menggunakan

komputer. Sebuah disiplin modern, yang disebut komputasi dinamika fluida (CFD), yang dikhususkan

untuk pendekatan ini untuk memecahkan masalah mekanika fluida. Juga mengambil keuntungan dari

sifat yang sangat visual dari aliran fluida adalah partikel velocimetry gambar , metode eksperimen untuk

memvisualisasikan dan menganalisa aliran fluida.

Sejarah Singkat

Studi tentang mekanika fluida akan kembali setidaknya ke zaman Yunani kuno , ketika Archimedes

diselidiki statika fluida dan daya apung dan merumuskan hukum terkenal sekarang dikenal sebagai

Prinsip Archimedes . Kemajuan pesat dalam mekanika fluida dimulai dengan Leonardo da Vinci

(observasi dan percobaan), Evangelista Torricelli ( barometer ), Isaac Newton ( viskositas ) dan Blaise

Pascal ( hidrostatika ), dan dilanjutkan oleh Daniel Bernoulli dengan pengenalan dinamika fluida

matematika di Hydrodynamica ( 1738). Inviscid aliran itu dianalisa lebih lanjut oleh berbagai hebat

matematika ( Leonhard Euler , d'Alembert , Lagrange , Laplace , Hahahaha ) dan aliran viskos kemudian

dieksplorasi oleh banyak insinyur termasuk Poiseuille dan Gotthilf Heinrich Ludwig Hagen . Pembenaran

lebih lanjut matematika diberikan oleh Claude-Louis Navier dan George Gabriel Stokes dalam persamaan

Navier-Stokes , dan lapisan batas yang diselidiki ( Ludwig Prandtl , Theodore von Kármán ), sementara

berbagai ilmuwan ( Osborne Reynolds , Andrey Kolmogorov , Geoffrey Ingram Taylor ) canggih

pemahaman viskositas cairan dan turbulensi .

Hubungan dengan mekanika kontinum

Mekanika fluida adalah vak dari mekanika kontinum , seperti yang diilustrasikan pada tabel

berikut.

Continuum

mekanika Studi fisika dari

material kontinu

Padat mekanik Studi fisika dari material kontinu

dengan bentuk istirahat

didefinisikan.

Elastisitas Menjelaskan bahan yang kembali ke bentuk istirahat mereka

setelah diterapkan stres .

Keliatan Menjelaskan bahan yang

merusak secara permanen setelah

tegangan cukup.

Reologi Studi bahan dengan

karakteristik solid dan

fluida baik. Mekanika zat cair dan

gas Studi fisika dari material kontinu

yang mengambil bentuk wadah

mereka.

Non-Newtonian cairan

Newtonian cairan

Dalam tampilan mekanik, fluida adalah zat yang tidak mendukung tegangan geser , itu sebabnya

cairan saat istirahat memiliki bentuk kapal yang memuat. Sebuah cairan pada saat istirahat tidak

memiliki tegangan geser.

Asumsi

Seperti model matematika dari dunia nyata, mekanika fluida membuat beberapa asumsi dasar

tentang materi yang sedang dipelajari. Asumsi ini berubah menjadi persamaan yang harus

dipenuhi jika asumsi-asumsi harus diadakan benar. Sebagai contoh, pertimbangkan sebuah fluida

inkompresibel dalam tiga dimensi. Asumsi bahwa massa adalah kekal berarti bahwa untuk setiap

permukaan tetap tertutup (seperti bola) tingkat kelulusan massa dari luar ke dalam permukaan

harus sama sebagai tingkat massa melewati jalan lain. (Atau, di dalam massa tetap konstan,

seperti halnya di luar massa). Hal ini dapat diubah menjadi persamaan integral atas permukaan.

Mekanika fluida mengasumsikan bahwa setiap cairan mematuhi berikut:

Kekekalan massa

Konservasi energi

Kekekalan momentum

Hipotesis kontinum, rinci di bawah ini.

Selanjutnya, sering berguna (di subsonik kondisi) untuk mengasumsikan fluida inkompresibel -

yaitu, kepadatan cairan tidak berubah.

Demikian pula, kadang-kadang dapat diasumsikan bahwa viskositas dari fluida adalah nol (fluida

inviscid). Gas sering dapat dianggap inviscid. Jika fluida kental, dan aliran yang terkandung

dalam beberapa cara (misalnya dalam pipa ), maka aliran pada batas harus memiliki kecepatan

nol. Untuk cairan kental, jika batas tidak berpori, maka gaya geser antara fluida dan batas hasil

juga dalam kecepatan nol untuk cairan pada batas. Ini disebut kondisi tanpa slip . Untuk media

berpori sebaliknya, di perbatasan kapal berisi, kondisi tidak slip kecepatan nol, dan cairan

memiliki medan kecepatan terputus antara cairan bebas dan cairan di media berpori (ini

berkaitan dengan Beavers dan Joseph kondisi ).

Hipotesis kontinum

Cairan terdiri dari molekul yang bertabrakan satu sama lain dan benda padat. Asumsi kontinum,

bagaimanapun, menganggap cairan yang akan terus-menerus . Artinya, properti seperti densitas,

tekanan, temperatur, dan kecepatan dianggap terdefinisi pada "tak terhingga" poin kecil,

mendefinisikan REV (Referensi Elemen Volume), di urutan geometris jarak antara dua molekul

yang berdekatan dari cairan. Properti diasumsikan bervariasi terus menerus dari satu titik ke titik

lain, dan rata-rata nilai dalam REV. Fakta bahwa fluida terdiri dari molekul diskrit diabaikan.

Hipotesis kontinum pada dasarnya adalah sebuah pendekatan, di planet cara yang sama didekati

oleh partikel titik ketika berhadapan dengan mekanika langit, dan karena itu menghasilkan solusi

perkiraan. Akibatnya, asumsi hipotesis kontinum dapat menyebabkan hasil yang tidak akurasi

yang diinginkan. Yang mengatakan, di bawah situasi yang tepat, hipotesis kontinum

menghasilkan hasil yang sangat akurat.

Masalah-masalah yang hipotesis kontinum tidak memungkinkan solusi akurasi yang diinginkan

dipecahkan menggunakan mekanika statistik . Untuk menentukan apakah atau tidak untuk

menggunakan dinamika fluida konvensional atau mekanika statistik, angka Knudsen dievaluasi

untuk masalah tersebut. Jumlah Knudsen didefinisikan sebagai rasio dari molekul berarti bebas

jalan panjang untuk seorang wakil panjang tertentu fisik skala . Skala ini panjang bisa berupa,

misalnya, jari-jari tubuh dalam cairan. (Lebih sederhana, jumlah Knudsen adalah berapa kali

diameter partikel sendiri akan melakukan perjalanan rata-rata sebelum memukul partikel lain).

Masalah dengan angka Knudsen pada atau di atas kesatuan terbaik dievaluasi menggunakan

mekanika statistik untuk solusi handal.

persamaan Navier-Stokes

Navier-Stokes persamaan (bernama setelah Claude-Louis Navier dan George Gabriel Stokes )

adalah serangkaian persamaan yang menjelaskan gerakan fluida zat-zat seperti cairan dan gas.

Persamaan ini menyatakan bahwa perubahan dalam momentum ( kekuatan ) dari partikel-

partikel fluida bergantung hanya pada eksternal tekanan dan pasukan viskos internal (mirip

dengan gesekan ) yang bekerja pada fluida. Dengan demikian, persamaan Navier-Stokes

menjelaskan keseimbangan gaya yang bekerja pada setiap wilayah tertentu dari fluida.

Navier-Stokes persamaan adalah persamaan diferensial yang menerangkan pergerakan dari suatu

fluida. Persamaan seperti membangun hubungan antara tingkat perubahan variabel bunga.

Sebagai contoh, persamaan Navier-Stokes untuk suatu fluida ideal dengan viskositas bernilai nol

menyatakan bahwa percepatan (laju perubahan kecepatan) adalah sebanding dengan derivatif

tekanan internal.

Ini berarti bahwa solusi dari persamaan Navier-Stokes untuk suatu masalah fisik yang diberikan

harus dicari dengan bantuan kalkulus . Dalam istilah praktis, hanya kasus yang paling sederhana

dapat diselesaikan tepat dengan cara ini. Kasus-kasus ini umumnya melibatkan non-turbulen,

aliran tunak (aliran tidak berubah dengan waktu) di mana bilangan Reynold kecil.

Untuk situasi yang lebih kompleks, seperti sistem cuaca global seperti El Niño atau lift di sayap,

solusi dari persamaan Navier-Stokes saat ini hanya dapat ditemukan dengan bantuan komputer.

Ini adalah bidang ilmu oleh sendiri yang disebut dengan komputasi dinamika fluida .

[ sunting ] Bentuk Umum dari persamaan

Bentuk umum dari persamaan Navier-Stokes untuk kekekalan momentum adalah:

mana

adalah densitas fluida,

adalah derivatif substantif (juga disebut turunan material),

adalah vektor kecepatan,

adalah vektor gaya tubuh, dan

adalah tensor yang mewakili kekuatan-kekuatan permukaan diterapkan pada partikel

fluida (yang tensor stres ).

Kecuali fluida terdiri dari derajat kebebasan yang berputar seperti vortisitas, adalah tensor

simetris. Secara umum, (dalam tiga dimensi) memiliki bentuk:

mana

adalah tegangan normal,

adalah tegangan tangensial (tegangan geser).

Di atas adalah sebenarnya satu set dari tiga persamaan, satu per dimensi. Dengan sendiri, hal ini

tidak memadai untuk menghasilkan solusi. Namun, menambahkan kondisi batas konservasi

massa dan sesuai dengan sistem persamaan menghasilkan himpunan persamaan dipecahkan.

[ sunting ] Newton versus non-Newtonian cairan

Sebuah cairan Newtonian (dinamakan setelah Isaac Newton ) didefinisikan sebagai suatu cairan

yang geser stres adalah linear sebanding dengan kecepatan gradien dalam arah tegak lurus

terhadap bidang geser. Definisi ini berarti terlepas dari gaya yang bekerja pada fluida, itu terus

mengalir. Sebagai contoh, air adalah fluida Newtonian, karena terus menampilkan sifat cairan

tidak peduli berapa banyak itu diaduk atau dicampur. Definisi sedikit kurang ketat adalah bahwa

tarik dari sebuah benda kecil yang bergerak perlahan melalui cairan adalah sebanding dengan

gaya yang diterapkan pada objek. (Bandingkan gesekan ). Cairan penting, seperti air serta gas

yang paling, berperilaku - untuk pendekatan yang baik - sebagai fluida Newtonian dalam kondisi

normal di Bumi. [1]

Sebaliknya, mengaduk fluida non-Newtonian dapat meninggalkan "lubang" di belakang. Ini

secara bertahap akan mengisi dari waktu ke waktu - perilaku ini terlihat pada bahan seperti

puding, oobleck , atau pasir (walaupun tidak sepenuhnya pasir fluida). Atau, aduk cairan non-

Newtonian dapat menyebabkan viskositas menurun, sehingga fluida tampak "lebih tipis" (ini

terlihat di non-tetes cat ). Ada banyak jenis non-Newtonian cairan, seperti yang didefinisikan

sebagai sesuatu yang gagal untuk mematuhi properti tertentu - misalnya, sebagian besar cairan

dengan rantai molekular panjang dapat bereaksi dengan cara yang non-Newtonian. [1]

Konstanta proporsionalitas antara tegangan geser dan gradien kecepatan dikenal sebagai

viskositas . Sebuah persamaan sederhana untuk menggambarkan perilaku fluida Newtonian

mana

τ adalah tegangan geser yang diberikan oleh fluida (" tarik ")

μ adalah viskositas fluida - suatu konstanta proporsionalitas

adalah gradien kecepatan tegak lurus dengan arah geser.

Untuk fluida Newtonian, viskositas, menurut definisi, tergantung hanya pada suhu dan tekanan ,

bukan pada gaya yang bekerja di atasnya. Jika fluida inkompresibel dan viskositas konstan di

seluruh cairan, persamaan yang mengatur tegangan geser (dalam koordinat Cartesian ) adalah

mana

τ i j adalah tegangan geser pada wajah t i

h elemen fluida dalam arah

t j

h

v i adalah kecepatan dalam arah t i

h

x j adalah j t h

koordinat arah.

Jika cairan tidak mematuhi relasi ini, itu disebut suatu fluida non-Newtonian , yang ada beberapa

jenis.

Di antara cairan, dua divisi yang luas kasar dapat dibuat: cairan ideal dan non-ideal. Sebuah

fluida ideal benar-benar tidak ada, tetapi dalam beberapa perhitungan, asumsi adalah dibenarkan.

Suatu fluida ideal adalah non viskos-menawarkan apapun untuk tidak melawan kekuatan geser.

Satu dapat kelompok cairan nyata ke Newtonian dan non-Newtonian. Fluida Newtonian setuju

dengan hukum Newton tentang viskositas. Non-Newtonian cairan dapat berupa plastik, plastik

Bingham, pseudoplastic, dilatant, thixotropic, rheopectic, viscoelatic.