BAB II

TINJAUAN PUSTAKA2.1 Pengertian Mekanika Fluida

Mekanika Fluida adalah suatu ilmu yang mempelajari atau menganalisa tentang sifat-sifat fluida baik dalam keadaan diam maupun bergerak. Sedangkan fluida sendiri adalah suatu zat yang bentuknya dapat berubah secara terus-menerus akibat adanya suatu gaya geser seberapapun kecilnya (Chow, 1959).

Fluidamerupakan istilah untuk zat alir. Zat alir dibatasi pada zat mengalirkan seluruh bagian-bagiannya ke tempat lain dalam waktu yang bersamaan. Zat alir mencakup zat yang dalam wujud cair dan gas. Fluida statik meninjau fluida yang tidak bergerak. Misalnya air di gelas, air di kolam renang, air dalam kolam, air danau, dan sebagainya. Sifat fluida yang dapat mengalir, atau mudah berubah bentuk disebabkan ikatan antar molekulnya yang relatif lemah jika dibandingkan dengan zat padat. Bahkan pada gas, ikatan antar molekulnya sangat kecil sehingga dapat diabaikan. Dalam modul ini pembahasan lebih terfokus ke fluida cair, atau zat cair, dengan sedikit tambahan untuk gas. Tekanan adalah besaran skalar yang didefinisikan sebagai gaya persatuan luas, atau dituliskan (Chow, 1959).

Dimana:

P = Tekanan (Pa)

F = Gaya Tekan (N)

A = Luas Penampang (m2)Dengan P menyatakan tekanan, F adalah gaya tekan dan A adalah luas penampang. Satuan tekanan dalam SI adalah pascal (Pa), dimana 1 Pa = 1 N/m2. Gaya yang dimaksud pada persamaan di atas adalah gaya yang tegak lurus pada bidang tekan. Jika gaya F tidak tegak lurus pada bidang tekan, maka yang menjadi gaya tekan adalah komponen gaya F, yaitu F cos (, arahnya tegak lurus bidang tekan, sehingga untuk tekanan dituliskan sebagai berikut:

Dimana:

P = Tekanan (Pa)

F = Gaya Tekan (N)

A = Luas Penampang (m2)

2.2 Klasifikasi Fluida

Secara garis besar fluida dapat diklasifikasikan menjadi dua bagian, yaitu:

1. Fluida NewtonianFluida Newtonian adalah suatu jenis fluida yang memiliki kurva shear strees dan gradien kecepatan yang linier, yang digolongkan ke dalam fluida ini antara lain: air, udara, etanol, benzena, dan sebagainya. Fluida Newtonian akan terus menerus mengalir sekalipun terdapat gaya yang bekerja pada fluida, karena viskositas fluida ini berubah ketika mendapat gaya yang bekerja pada fluida tersebut, viskositas akan berubah jika terjadi perubahan temperatur. Dengan kata lain fluida Newtonian adalah fluida yang mengikuti hukum Newton tentang aliran dan dapat dituliskan dengan persamaan berikut ini:

Dimana:

= tegangan geser pada fluida (Pa)

= viskositas fluida(Pa.s)

= gradien kecepatan fluida (m/s)2. Fluida non-NewtonianFluida non-Newtonian adalah fluida yang tidak tahan terhadap tegangan geser (shear strees), gradien kecepatan (shear rate), dan temperatur. Dengan kata lain kekentalan (viscousity) merupakan fingsi daripada waktu. Fluida non-Newtonian ini tidak mengikuti hukum Newton tentang aliran. Contoh dari fluida non-Newtonian ini antara lain: cat, minyak, pelumas, lumpur, darah, obat-obatan cair, bubur kertas, dan sebagainya. Metode pendekatan untuk fluida non-Newtonian yaitu:

a. Bingham plastic adalah suatu model pendekatan fluida non-Newtonian dimana viskositasnya akan sangat tergantung pada shear strees dari fluida tersebut, dimana semakin lama viskositasnya akan menjadi konstan.

b. PseudoplasticPseudoplastic adalah suatu model pendekatan fluida non-Newtonian dimana viskositasnya cenderung menurun tetapi shear strees dari fluida ini akan semakin meningkat (Ridwan, 1999).Penggolongan lainnya untuk fluida non-Newtonian adalah:

a. Thixotropic (Shear thining), fluida dimana viskositasnya seolah-olah semakin lama semakin berkurang meskipun laju gesernya tetap. Apabila terdapat gaya yang bekerja pada fluida ini maka viskositasnya akan menurun, contoh fluida ini adalah cat, campuran tanah liat (clay) dan berbagai jenis jel.

b. Rheopectic (shear thickening), adalah fluida yang viskositasnya seolah-olah makin lama makin besar. Sebagai contoh adalah minyak pelumas dimana viskositasnya akan bertambah besar saat minyak pelumas tersebut mengalami guncangan. Dalam hal ini fluida rheopectic jika ada suatu gaya yang bekerja padanya maka viskositas fluida ini akan bertambah (Setiawan, 2008).

Penggolongan fluida menurut sifat-sifatnya dibedakan menjadi dua, yaitu:

a. Fluida ideal

Ciri-ciri Fluida ideal adalah:

1. Fluida yang tidak kompresibel (volumenya tidak berubah karena perubahan tekanan)

2. Berpindah tanpa mengalami gesekanb. Fluida sejati

Ciri-ciri Fluida sejati adalah:

1. Kompresibel

2. Berpindah dengan mengalami gesekan (Utomo, 2010)2.3 Hukum Bernoulli

Salah satu persamaan fundamental dalam persoalan dinamika fluida adalah persamaan Bernoulli. Fluida dinamika yang memenuhi hukum Bernoulli adalah fluida ideal yang karakteristiknya mengalir dengan garis-garis arus atau aliran tunak, tak kompresibel dan tak kental. Prinsip Bernoulli adalah sebuah istilah di dalam mekanika fluida yang menyatakan bahwa pada suatu aliran fluida, peningkatan pada kecepatan fluida akan menimbulkan penurunan tekanan pada aliran tersebut. Prinsip ini sebenarnya merupakan penyederhanaan dari Persamaan Bernoulli yang menyatakan bahwa jumlah energi pada suatu titik di dalam suatu aliran tertutup sama besarnya dengan jumlah energi di titik lain pada jalur aliran yang sama. Prinsip ini diambil dari nama ilmuwan Belanda/Swiss yang bernama Daniel Bernoulli (Ridwan, 1999).Hukum Bernoulli menyatakan bahwa, Jumlah tinggi tempat, tinggi tekanan dan tinggi kecepatan pada setiap titik dari suatu aliran zat cair ideal selalu mempunyai harga konstan. Persamaan ini memberi hubungan antara tekanan, kecepatan dan ketinggianpada titik-titik sepanjang garis alir (Maryono, 2003).

Penurunan persamaan Bernoulli dapat dilakukan dengan menggunakan hukum kekekalan energi, dalam hal ini kerja total sama dengan perubahan energi mekanik total yaitu perubahan energi kinetik ditambah perubahan energi potensial. Fluida dinamika yang memenuhi hukum Bernoulli adalah fluida ideal yang karakteristiknya mengalir dengan garis-garis arus atau aliran tunak, tak kompresibel dan tak kental (Maryono, 2003).

Gambar 2.1 Aliran fluida dengan ketinggian berbeda

2.3.1 Aliran Tak Termampatkan

Aliran tak-termampatkan adalah aliran fluida yang dicirikan dengan tidak berubahnya besaran kerapatan massa (densitas) dari fluida di sepanjang aliran tersebut. Contoh fluida tak-termampatkan adalah: air, berbagai jenis minyak, emulsi, dll. Bentuk Persamaan Bernoulli untuk aliran tak-termampatkan adalah sebagai berikut:

Dimana:

v = kecepatan fluida

g = percepatan gravitasi bumih = ketinggian relatif terhadap suatu referensi

p = tekanan fluida

= densitas fluida

Persamaan di atas berlaku untuk aliran tak-termampatkan dengan asumsi-asumsi sebagai berikut:

a. Aliran bersifat tunak (steady state)

b. Tidak terdapat gesekan (inviscid)

Dalam bentuk lain, Persamaan Bernoulli dapat dituliskan sebagai berikut:

2.3.2 Aliran Termampatkan

Aliran termampatkan adalah aliran fluida yang dicirikan dengan berubahnya besaran kerapatan massa (densitas) dari fluida di sepanjang aliran tersebut. Contoh fluida termampatkan adalah: udara, gas alam, dll. Persamaan Bernoulli untuk aliran termampatkan adalah sebagai berikut:

Dimana:

= energi potensial gravitasi per satuan massa = entalpi fluida per satuan massa = adalah energi termodinamika per satuan massa, juga disebut sebagai energi internal spesifik2.3.3Aliran Laminer

Laminer adalah aliran fluida yang ditunjukkan dengan gerak partikel-partikel fluidanya sejajar dan garis-garis arusnya halus. Dalam aliran laminer, partikel-partikel fluida seolah-olah bergerak sepanjang lintasan-lintasan yang halus dan lancar, dengan satu lapisan meluncur secara mulus pada lapisan yang bersebelahan. Sifat kekentalan zat cair berperan penting dalam pembentukan aliran laminer. Aliran laminer bersifat steady maksudnya alirannya tetap. Tetap menunjukkan bahwa di seluruh aliran air, debit alirannya tetap atau kecepatan aliran tidak berubah menurut waktu (Ridwan, 1999).

Aliran fluida pada pipa, diawali dengan aliran laminer kemudian pada fase berikutnya aliran berubah menjadi aliran turbulen. Fase antara laminer menjadi turbulen disebut aliran transisi. Aliran laminar mengikuti hukum Newton tentang viskositas yang menghubungkan tegangan geser dengan laju perubahan bentuk sudut. Tetapi pada viskositas yang rendah dan kecepatan yang tinggi aliran laminar tidak stabil dan berubah menjadi aliran turbulen. Bisa diambil kesimpulan mengenai ciri- ciri aliran laminar yaitu: fluida bergerak mengikuti garis lurus, kecepatan fluidanya rendah, viskositasnya tinggi dan lintasan gerak fluida teratur antara satu dengan yang lain (Ridwan, 1999).2.3.4 Aliran Turbulen

Turbulen merupakan kecepatan aliran yang relatif besar akan menghasilakan aliran yang tidak laminar melainkan komplek, lintasan gerak partikel saling tidak teratur antara satu dengan yang lain. Sehingga didapatkan Ciri dari aliran turbulen adalah tidak adanya keteraturan dalam lintasan fluidanya, aliran banyak bercampur, kecepatan fluida tinggi, panjang skala aliran besar dan viskositasnya rendah. Karakteristik aliran turbulen ditunjukkan oleh terbentuknya pusaran-pusaran dalam aliran, yang menghasilkan percampuran terus menerus antara partikel partikel cairan di seluruh penampang aliran (Chow, 1959).

Untuk membedakan aliran apakah turbulen atau laminer, terdapat suatu angka tidak bersatuan yang disebut Angka Reynold (Reynolds Number). Angka ini dihitung dengan persamaan sebagai berikut:

Dimana: Re = Angka Reynold (tanpa satuan)V = Kecepatan rata-rata (ft/s atau m/s)

R = Jari-jari hydraulik (ft atau m)

= Viskositas kinematis, tersedia dalam tabel sifat cairan (ft2/s atau m2/s)

Menurut hasil percobaan oleh Reynold, apabila angka Reynold kurang daripada 2000, aliran biasanya merupakan aliran laminer. Apabila angka Reynold lebih besar daripada 4000, aliran biasanya adalah turbulen. Sedang antara 2000 dan 4000 aliran dapat laminer atau turbulen tergantung pada faktor-faktor lain yang mempengaruhi (Chow, 1959).

2.4 Fluida Statik

2.4.1 Kerapatan dan Berat Jenis

Kerapatan (densitas) suatu benda, ( didefinisikan sebagai massa per satuan volume: dengan m adalah massa benda dan V adalah volume benda.

Dengan demikian, Satuan Internasional untuk kerapatan adalah kg/m3, dan dalam cgs adalah g/cm3. Selain kerapatan, besaran lain yang sering digunakan dalam menangani persoalan fluidaadalah berat jenis. Berat jenis suatu benda didefinisikan sebagai perbandingan kerapatan benda tersebut terhadap kerapatan air pada suhu 4 oC. Dengan demikian berat jenis merupakan besaran murni tanpa dimensi maupun satuan (Radianta, 2009).

2.4.2 Tekanan Fluida

Gaya merupakan unsur utama dalam kajian mekanika benda titik. Dalam mekanika fluida, unsur yang paling utama tersebut adalah tekanan. Tekanan adalah gaya yang dialami oleh suatu titik pada suatu permukaan fluida persatuan luas dalam arah tegak lurus permukaan tersebut. Secara matematis, tekanan p didefinisikan melalui hubungan:

dimana dF adalah gaya yang dialami oleh elemen luas dA dari permukaan fluida. Satuantekanan adalah N/m2 atau pascal (Pa). Secara mikroskopis, gaya merupakan pertambahan momentum per satuan waktu yangdisebabkan oleh tumbukan molekul-molekul fluida di permukaan tersebut.

Permukaan ini bisa berupa permukaan batas antara fluida dengan wadahnya, tetapi fluida bisa pulaberbentuk permukaan imajiner yang dibuat pada fluida. Tekanan merupakan besaranskalar, bukan suatu besaran vektor seperti halnya gaya (Dwiyantoro, 2004).

Tekanan hidrostatis adalah tekanan yang disebabkan oleh berat zat cair. Tiap titik di dalam fluida tidak memiliki tekanan yang sama besar, tetapi berbeda-beda sesuai dengan ketinggian titik tersebut dari suatu titik acuan.Dasar bejana akan mendapat tekanan sebesar:P = tekanan udara luar + tekanan oleh gaya berat zat cair (Tekanan Hidrostatik).

p = po +

p = po + = po +

jadi tekanan hidrostatis dapat didefinisikan ; Ph = .g.h

Untuk bidang miring dalam mencari h maka dicari lebih dahulu titik tengahnya. Tiap titik yang memiliki kedalaman sama diukur dari permukaan zat cair akan memiliki tekanan hidrostatik sama (Ridwan, 1999).

2.4.3 Hubungan Tekanan dan Kedalaman

Dengan menggunakan hukum newton, persamaan dapat diturunkan dengan menghubungkan tekanan dengan kedalaman fluida:

P0 adalah tekanan di permukaan.Dengan memahami bahwa tekanan pada kedalaman h disebabkan oleh tekanan udara luardan juga oleh gaya (berat) cairan yang berada di atasnya (Dwiyantoro, 2004).

Gambar 2.3 Tekanan pada kedalaman hPersamaan tersebut menyatakan hubungan antara tekanan p dan kedalaman h. Hubungan inijuga menyatakan bahwa tempat-tempat yang mempunyai posisi vertikal sama akan mempunyai tekanan yang sama (Dwiyantoro, 2004).

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

Gambar 2.2 Pada kedalaman yang sama tekanan hidrostatis bernilai sama asal zat cair sejenis p1 = p2 = p3

p = po + ( . g . h

Re = (4 v R)/

_1490860949.unknown

_1490860950.unknown

_1490863362.unknown

_1490860948.unknown

_1490839543.unknown