babi fluida dan 31fa t-sifatny a - elearning … · pipa air, baik yang dialiri air bersih maupun...
TRANSCRIPT
1
BABI
FLUIDA DAN 31FAT-SIFATNYA
1.1 .Definisi Fluida
Definisi yang Jebih tepat unt~k membedakan zat padat dengan fluida adaJah dari
karskteristik deforma.c;ibahan-ballan tersebut. Zat padat dianggap sebagai bahan yang
menutYukk3JIreaksi deformasi yang terbatas ketika menerima atau mengaJami snatu gaya
geser (shear). Sedangkan fluida ,memperlihatkan penomena sebagai zat yang teros
meneros berubah bentuk apabila mengalami tekanan geser; dengan kata lain yang
dikategorikan sebagai fluida adaIah suatu zat yang tidak mampu mcnahan tekanan geser
tanpa berubah bentuk.
1-2. Plaida dalam kehidapao sehari-hari
Setiap hari kita selalu berhobungall del1gan fluida hampir tBnpa sadar. Banyak
gejaJa alam yang indah dan menakjubkan, seperti bukit-bukit pasir dan ngarai-ngarai
yang dalam, terjadi skibat gaya-gaya yang ditimbulkan oleh aJiran udara atan air serta
perilaku aliran fuida itu ketika me~umpai halangan.
Pipa air, baik yang dialiri air bersih maupun air limbah, sarna sekali bukan barang
yang aneh. Boleh jadi kita sadar bahwa pipa air minum, misalnya, harns mempunyai
diameter yang lebih besar dari suatu harga minimum agar aJiran air di keran-keran dapat
mencukupi kebutuhan. Kita mungkin juga terbiasa dengan benturan antara air dan pipa
ketika keran air ditutup secara tiba-tiba. PUS8f811air yang kita tihat ketika air dalam bak
mandi dikeluarkan melalui lobang pembuangannya pOOadasamya 8ama dengan pusaran
tornado atau pusaran air di batik jembatan. Radiator air atau uap panas untuk
memanaskan rumab de radiator pendingin dalam sebuah Mobil bergantung pada alinm
fluida agar dapat memindahkan panas dengan efektiL
Hambatan aerodinamik bilamana kita sedang berjalan atau berlcendara menentang
angin yang cukup kencang. Kalan kita sedang berlmyuh dengan perahu terasn bahwa kitn
harns mengayuh lebih keras agar dapat melaju lebih cepat, bukun hanya untuk
mempercepat laju perahu tet~pi juga untuk mempert3hankan kecepatan yang tinggi.
Pennukaan lambung kapal dan sayap serta badan pesnwat terbang dibuat rata agar dapat
2
mengurangi hambatan, bola golf justru diberi pennukann kasar guna me.nguraogi
hambatan dalam geraknya.
Babkan pakar fisiologi pun berkepentingan dengan konsep-konsep mekallika
fluida. Jantung adalah sebuM pompa yang mendorong sebuM fluida (dm-aIl)melalui
sebuah sistim pipa (pembuluh-pembuluh darah). Pendek kata kita selalu berurusan
dengan fluida baik yang diam maupun yang bergerak.
Kemajuan yang dicapai selama abad ini meliputi studi-studi baik secara analitik.
numerik (komputer). maupun eksperimen tentang aliran dan pengendalian lapisan batas,
smlktur turbulensi, kemantapan aJiran, aliran multifase. pemindahan panas ke dan dari
fluida yang mengaIir serta banyak masalah daIam penerapan.
1.2 Beberapa Istilah Dalam Mekanika Fluida
. Kerapatan(dellsity): adalah jum)ah / kwantitas suatu zat pada suatu unit volume
density dapat dinyatakan dalwn 6ga bentuk :
1. Mass density (p) satuan dalam SI adalah (kglm\
2. Berat spesifik (specific weight) (y) = p . g satuan dalam 31 = N/m3 dimana g=
percepatan gravitasi (~9,81 mls2)
3. Spesifik gravity (s.g) merupakan perbandin053I1antara density dengan berat
spesifik suatu zat terhadap density atau bera~ spesifik suatu standard zat(
umumnya terhadap air). Jadi s.g tidak mempunyai satuan.
. Viskositns. Viskositas suatu fluida merupakan UkW-Sllketuh811ansmuu fluida
terhadap deformasi stau perubahan bentuk
Dalam sistim SI tegangan ('t)= ~l(duldy), atau dengan kata lain tegangan geser
diekspresikan dalam N/m2 (Pa) dan gradien kecepatan (duldy) dalam (mIs)/m,
karena itu satuan 31untuk viskositm;dinamik adalah :N.s/m2 atau kg/m.s.
Sedang viskositas kinematik (v) didefernisikan Eebagaiperbandingan viskositas
dinamik t~hadap kerapatan (density) v = J.l/p dalam SI viskositas
kinematik mempunyai satuan m2ls.
3
Contoh :
Suatu fluida dengan viskositas dinamik J.1=0,080 kg/m.s dan kerapatan p =825 kg/m3
mengalir sepanjang sebuah permukaan dengan profil kecepatan yang diberikall melalui
persamaan J.l= 50 y - 10 4 Y2 (m/s),dimana y jarak dari pennukaan batas daJam meter.
Hitung tegangan geser di permukaan batas itu?
Jawab: Gradien kecepatan pOOay =0 OOalah(duldy}y:o= 50 (m/s)/m jOOi:
(1:)=J.l(duldy) y=o= (0,080)(50) =4 Pa.
Dalam menganalisa fluids, sering diperlukan konsep penyederhanaan. Salah satu
konsep demikian adalah konsep fluida ideal, yaitu fluida yang tak viskous. Dengau
demikian fluida ideal sarna sekali tidak dapat menahan gaya geser. Anggapan bahwa
suatu fluida tidak viskous sanga! menyederhanakan analisa, dan dalam banyak hal
membantu penyelesaian persoalan-persoalan teknik yang lebih rumit sebagai sebagai
pendekatan pertama. Selain itu penyederhanaan demikian masih dapat diterima selama
penyederhanaan tersebut memberikan pedoman untuk memperolehjawaban yang masuk
akal.
1 KOBsepKontiBum
Dalam zat yang bersifat bersifat kontinum, p~ titik sebarang orang dapat
mendefinisikan suatu sifat atau suatu besaran. Misalnyn, massa jenis adaJah fungsi dari
kedudukanjOOi:
P = p(x,y,z,t)
Disini kita menjumpai apa yang disebut medan, yaitu suatu besaran yang merupakao
fungsi dari kedudukan atau ruang.:
Ada tiga macam medan yaitu :
1. Medan skalar, misalnya massajenis, temperatur, viskositas
2. Medan vektor, misalnya kecepatan, percepatan; gaya
3. Medan tensor, misalnya tegangan pada suatu titik.
4
Selwn itu, dalarn fluida yang bersifat kontinuum, dapat dijumpai tiga macarn
gaya, yaitu :
1. Gaya permukaan, misalnya tekanan, tegangan geser, yang bekerja pada titik
pada pennukaan
2. Gaya badan, rnisalnya gaya elektrostatik~ elektromegnetik. gaya Lorentz, dan
gaya sentrifugal. Gaya ini merupakan akibatdari adanya.medan potensial
3. Te.ganganpermukaan, gaya yang hanya bekerja pada pennukaan yaitu bidang
pertemuan antara dua macanl atau lebih zat atau fasa).
1.5. Tegallgan Permukaan.
Tegangan permukaan adalah gaya perentang yang diperlukan untuk membentuk
selaput, yang diperoleh dengan membagi suku energi permukaan denga.npanjang sutuRn
selaput dalam kesetimbangan. Tegangan permukaan ini terjadi akibat perbedaan tarik
menarik timbal-baJik antara. molekul-molekul zat cair dekat permukaan dan molekul-
molekul yang terletak agak lebihjauh dari permukaan dalarn zat cair yang sarna.
Untuk tetes kecil yang berbentuk bola denganjari-jari r dimana, tekanall p yang
perIu untuk mengimbangi gaya tarik yang disebabkan oleh tegangan permukaan a
dihitung sebagai berikut :
Gaya akibat tekanan dalam (pn~ ) = gaya akibat tegangan permukaan yang
mengelilinginya(2onr), sehingga dapat ditulis p = 2alr ,
Untuk sebuah persamaall lengkuug yang umumnya dengan 1'1dun r2 sebagai jm-i-jari
utama , persamaan tersebut berbentuk :
untuk sebuah siIinder, salah satujari-jari bidang lengkungnya tak terhingg~ maka berlaku
p = air
Persamaan tersebut menUl~ukkanbahwa tekanan mel~adi lebih besar bagi jari-jHri tetes
atan sHinderyang arnat kecil.
5
Apabila suaiu antard. muka zat cair-gas bersinggungan dengan sebuah permukaan
zat pOOat,berarti disitu terdapat tiga buah gaya antar muka; antara gas dan zat eair, antara
gas dan zat pOOat, serta antara zm eair dan zat pOOat (lihat garnbar 1-1).keseimbangan
yang tet:jadi menghasilkan hubungan skalar sebagai berikut :
0' ~ = 0' &1 + O'gl eose
Gas
IT,)
la! cair
lat padat
Gambar: 1-1: Sudut korstak.untuk antar r.ouka 8lis-zat cair-zat padat
Dari sini sudut kontak e dapat dihitung. Sebuah zat emr di udara disebut membasahi
sebuah permukaan bila e < 1t/2, dan tingkat kebasahan itu meningkat sejalan dengan
berkurangnya e hingga nilainya sarna dengan nol. Sudut kontak e untuk air, udara, dan
pennukaan kaca yang bersih pada dasrnya adalah nol. Apabila e > 1t12.zat eair disebut
tidak membasahi permukaan.
Gejala Kapiler.
Naiknya kolom zat eair dalam suatu pipa keeil adalah akibat tegangan permukaan
clandisebut gejala kapiler.
--r ."
~-Gas
-la! cairo kerapatan p
Gambar: 1-2: Kenaibn kapiler suatu zal cair
6
Padagambar 1-2 memperlibatkan berat kolom zat eair dalam pip~ yaitu gaya dari selisih
tekanan antara seberang-menyeberang antar muka zat eair kali luas penampang sebanding
gaya periferal di seputar lingkaran tabung. Secara matematik ditulis :
pgh (7tr2)=Ap7tr2=o27tf cos e
sehingga kenaikan akibat gejala kapiler adalah :
2crh=- cose
grp
apabila e < 1f.f2.kenaikankapiler akan terjadi. apabila e = 7t12.baik kenakan maupul1
penurunan tidal<:akan dialami oleh zat eair dalam tabun& dan bila mana e > 7t/2.zat em
dalam tabung akan meng~ami pemU11nan(depresi), untuk jelasnya Hhat gambar 1-3.
Persamaan terakhir ini berlaku untuk diameter pipa relatifkecil ( dibawah 1 em).
-Zat cair Zat cair o
"'-.,
(a) 8 <.!!:2 (b) 0 =.!!:2 Ic) 0 >~
Gambar: 1-3 . Pengaruh sudut kontak pada kapil&ritasdaJamsuatu pipa keciJ
Dengan bertambahnya diameter pipa, jari-jari lengkung semakin besar dan kenmkan
kapiler berkurang. Pada penggunaan alat ukur seperti manometer seJaJu dibindari
terjadinya efek-efek tegangan permukaan. Maka dipakai cairan yang mempunyai
tegangan permukaan yang tinggi seperti air raksa.
Contoh :
Sampai keinggian h berapa air pada temperatur kamsr akan naik dalam sebuah pipa kaca
bersih berdiameter. 2.5 mm. ( jika diketahui tegangan permukaan air di udara sekitar
0,073 N/m).
Jawab :
7
2cr
h = .-- cos6 dengane =0 0
grp
( 2)(O,073Xl)h=
(9,81 )(O,OOI25XI000)
h = 0,012 m = 12 mID