Fisika untuk Teknik Sipil Sifat-sifat Fisis Fluida

(1)

Sifat-sifat Fisis

Fluida

Fisika untuk Teknik Sipil

Fisik a u n tu k Tek n ik Sip il 1 -F eb -19

(2)

▪ White, Frank M., 2011, Fluid Mechanics, 7

th

_{Edition, The McGraw-Hill Book}

Co., New York.

•

Chapter 1, Section 1.4 to 1.9, pp. 6-39.

▪ Young, D.F., Muncon, B.R., Okiishi, T.H., Huebsch, W.W., 2011, A Brief

Introduction to Fluid Mechanics, 5

th

_{Edition, J. Wiley & Sons, Inc., NJ.}

•

Chapter 1, pp. 3-23. 1 -F eb -19 2 Fisik a u n tu k Tek n ik Sip il

Acuan

(3)

1 -F eb -19 Fisik a u n tu k Tek n ik Sip il

Pengantar

(4)

▪ Apakah itu:

• Fisika?

• Teknik sipil?

▪ Beri contoh atau ilustrasi!

• Fisika di bidang teknik sipil, atau

• kaitan fisika dan teknik sipil

1 -F eb -19 4 Fisik a u n tu k Tek n ik Sip il

(5)

Fisika dan Teknik Sipil

Teknik Si

pil

(U

GM)

Basah

Kering

Hidro

Struktur (d/h

Konstruksi)

Transportasi

Hidro

Struktur

Transportasi

Geoteknik

Hidro

Struktur

Transportasi

Geoteknik

Lingkungan

SDA Teknik Sungai Teknik Pantai Struktur Bahan Mankon Sistem Transportasi Teknik Transportasi

…

2001-sekarang s.d. 1970-an 1970-1990 1990-2000

(6)

▪ Fisika di bidang hidro

• mempelajari fluida dalam keadaan diam atau bergerak

Fisika dan Teknik Sipil Hidro

statika fluida

(fluid statics)

dinamika fluida

(fluid dynamics)

• fluida  fluid {Cambridge dictionary: [noun, c or u] a substance that flows

and is not solid}

(7)

Fluida,

Dimensi dan Satuan

(8)

Zat

1 -F eb -19 Fisik a u n tu k Tek n ik Sip il 8

padat

cair

gas

fluida

flui

da

tak

-mampa

t

(i

nc

ompress

ibl

e

flui

d

)

flui

da

mamp

at

(c

ompress

ibl

e

flui

d

)

Apa ciri pembeda zat padat

dan fluida?

zat – sesuatu yang memiliki

massa dan menempati ruang

(9)

Zat Padat vs Fluida

• Cara yang lebih saintifik dalam pembedaan antara zat padat dan fluida adalah

menilik perilaku keduanya terhadap gaya (gaya luar) yang bekerja terhadapnya

F

sebuah batang baja (tulangan beton) ditarik di ujung; pangkalnya ditahan → batang mengalami

F

gaya bekerja pada permukaan fluida (timbul tegangan geser) → fluida bergerak (mengalir)

fluida so lid gaya (force) vektor permukaan fluida

gaya tangensial yang bekerja pada permukaan fluida → menimbulkan tegangan geser (shear stress)

(10)

Batang baja ditarik

Fluida di antara dua pelat

▪ https://www.youtube.com/

watch?v=67fSwIjYJ-E

▪ https://youtu.be/XVn-Yyu10Bg?t=46

Zat Padat vs Fluida

(11)

▪ Telah dipaparkan pada slide #4 bahwa fisika di bidang hidro

mempelajari fluida diam atau bergerak

• Parameter untuk mendeskripsikan fluida yang bergerak

• ukuran/dimensi →

• tekanan → p

• kecepatan aliran → v

Fluida Bergerak (Mengalir)

(12)

▪ Fisika untuk Teknik Sipil di bidang hidro mempelajari fluida

dalam keadaan diam atau bergerak (Slide #4)

• akan banyak membahas sifat-sifat fluida (fisis, mekanis)

• maka perlu cara untuk mendeskripsikan sifat-sifat fluida

• baik deskripsi kualitatif, maupun kuantitatif

• deskripsi kualitatif sifat-sifat fluida → dikenal sebagai dimensi

– massa → M

– panjang → L

– waktu → T

– temperatur → Θ

Dimensi

dimensi utama,

dimensi dasar

(13)

▪ Dari dimensi dasar, dapat dilakukan deskripsi kualitatif yang

merupakan gabungan dimensi dasar, misal

• kecepatan gerak adalah panjang dibagi waktu,

dim[v] = LT

−1

• percepatan gerak adalah perubahan kecepatan terhadap waktu,

dim[a] = LT

−2

• gaya adalah massa dikalikan percepatan gerak,

dim[F] = MLT

−2 1 -F eb -19 Fisik a u n tu k Tek n ik Sip il

Dimensi

(14)

▪ Tuliskanlah dimensi beberapa parameter di bawah ini

• debit aliran, Q

• tekanan, p

• tegangan geser,

t

• dll.

Dimensi

(15)

▪ Dimensi, yang merupakan deskripsi kualitatif sifat fluida, perlu dilengkapi dengan

satuan yang merupakan deskripsi kuantitatif

▪ Dalam fisika, sistem satuan yang banyak diikuti adalah sistem satuan metrik yang

dikenal pula sebagai sistem satuan SI (Système International) atau International System

of Units

•

Ada 7 satuan dasar dalam sistem satuan SI

•

massa → kilogram, kg

•

panjang → meter, m

•

waktu → detik, s (Perhatikan: bukan det, dtk, dt)

•

temperatur → kelvin, K (Perhatikan: tanpa notasi derajat, °)

•

arus listrik → ampere, A

•

jumlah molekul → mol, mol

•

intensitas cahaya → candela, cd

Satuan

(16)

▪ Dari satuan dasar, dapat dilakukan deskripsi kuantitatif yang

merupakan gabungan satuan dasar, misal

• satuan gaya adalah newton (N), diperoleh dari hukum Newton II

F = m a

1 N = 1 kg m/s

2 1 -F eb -19 16 Fisik a u n tu k Tek n ik Sip il

Satuan

Perhatikan: newton (tidak diawali dengan huruf kapital), notasi N (ditulis dengan huruf kapital).

Perhatikan: variabel massa, m, ditulis dengan huruf miring, satuan panjang meter, m, ditulis dengan huruf tegak.

Ini bukan sebuah keharusan, tetapi sangat disarankan untuk menghindari salah baca.

Catatan: dalam kasus tulis tangan, variabel ditulis dengan huruf tegak dan satuan ditulis di dalam kurung kotak, misal 1 [N] = 1 [kg m/s2_].

(17)

• satuan usaha adalah joule (J), diperoleh dari definisi usaha, yaitu

usaha (work) yang dilakukan oleh sebuah gaya 1 N untuk bergerak

sejauh 1 m dalam arah gaya tersebut,

W = F Δx

1 J = 1 N m

• satuan daya adalah watt (W), yaitu usaha per satuan waktu

P = W/T

1 W = 1 J/s

Satuan

(18)

Satuan

Fisik a u n tu k Tek n ik Sip il 18 1 -F eb

-19

▪ Awalan (prefix) dipakai untuk penyebutan angka yang merupakan kelipatan

sepuluh untuk penyederhanaan (pengurangan) jumlah angka

Awalan

Simbol

Kelipatan

Awalan

Simbol

Kelipatan

exa

E

10

18

_deci

_d

₁₀

−1

peta

P

10

15

_centi

_c

₁₀

−2

tera

T

10

12

_milli

_m

₁₀

−3

giga

G

10

9

_micro

_μ

₁₀

−6

mega

M

10

6

_nano

_n

₁₀

−9

kilo

k

10

3

_pico

_p

₁₀

−12

hecto

h

10

2

_femto

_f

₁₀

−15

deka

da

10 atto

a

10

−18

(19)

Sifat-sifat Fisis

Fluida

(20)

Sifat-sifat Fisis Fluida

▪ Massa dan bobot

• Rapat massa

• Berat volume

• Berat jenis

▪ Fluida gas

▪ Kekentalan (viskositas)

• Kekentalan dinamik

• Kekentalan kinematik

▪ Kompresibilitas fluida

▪ Tekanan uap

▪ Tegangan permukaan

(21)

Rapat Massa

▪ Rapat massa fluida

•

Rapat massa fluida adalah massa fluida per satuan volume fluida

•

Simbol ρ

•

Satuan kg/m3

•

Nilai ρ berubah terhadap perubahan tekanan atau temperatur

• khususnya pada fluida gas → fluida mampat (compressible fluid)

• nilai ρ fluida cair tidak banyak berubah terhadap perubahan tekanan atau temperatur → fluida tak-mampat (incompressible fluid)

▪ Rapat massa air dan gas

•

ρ_air≈ 103 _ρ

gaspada tekanan 1 atm

•

ρ_air= 1000 kg/m3 _{pada 4°C dan hanya}

meningkat 1% pada kenaikan tekanan 220 kali

•

Pada temperatur 20°C:

• ρ_hidrogen = 0.0838 kg/m3

• ρ_air = 998 kg/m3

• ρ_merkuri = 13580 kg/m3

• Fluida paling ringan: hidrogen

(22)

▪ Berat volume, berat isi, bobot volume (specific weight)

• Berat volume fluida adalah bobot fluida per satuan volume fluida

• Simbol γ

• Satuan N/m

3

• Berat volume air pada 20°C: γ

_air

= 998 × 9.81 N/m

3

_{= 9.79 kN/m}

3

• Mekanika tanah

• berat volume (berat isi) adalah bobot tanah per satuan volume tanah

• berat jenis adalah bobot tanah kering per satuan volume bagian padat tanah (tidak termasuk volume rongga)

• volume tanah terdiri dari volume bagian padat (V_s= V_solid) dan volume rongga (V_v= V_void)

Berat Volume

γ = ρ g [kg/m

3

_m/s

2

_{] = ρ g [N/m}

3

_]

(23)

▪ Berat jenis (specific gravity)

• Adalah rasio antara rapat massa fluida dan rapat massa fluida acuan (air untuk

fluida cair dan udara untuk fluida gas) pada temperatur tertentu

• Simbol, SG atau G

_s

atau BJ

• Tidak bersatuan

• Contoh, berat jenis merkuri pada temperatur 20°C adalah

Berat Jenis

SG

_merkuri

= 13580 kg/m

3

1000 kg/m

3

=13.58

(24)

▪ Pada fluida gas ideal, berlaku hubungan antara rapat massa, tekanan, dan

temperatur sbb.

•

p = ρRT atau

•

p tekanan absolut, ρ rapat massa, T temperatur absolut, dan R konstanta gas

•

tekanan absolut adalah tekanan yang diukur terhadap tekanan nol

•

tekanan nol adalah tekanan pada ruang hampa

▪ Tekanan absolut dan tekanan relatif

•

Di bidang enjiniring, tekanan biasa dinyatakan sebagai tekanan relatif terhadap tekanan atmosfir setempat

•

Tekanan atmosfir di permukaan laut adalah 101.325 kPa ≈ 101 kPa atau 14.7 psi (1 atm = 101 kPa = 14.7 psi)

•

1 Pa = 1 N/m2 1 -F eb -19 24 Fisik a u n tu k Tek n ik Sip il

Fluida Gas

r = p

RT

(25)

▪ Viskositas, kekentalan (viscosity)

• Viskositas mencerminkan kemampuan fluida untuk menahan atau melawan gerak

(aliran)

• Viskositas fluida menentukan laju regangan fluida akibat tegangan geser yang

bekerja pada fluida

▪ Contoh

• Kita dapat bergerak (berjalan) dengan mudah melalui udara

• Di dalam air, pergerakan menjadi lebih sulit; viskositas air adalah 50 kali viskositas

udara

• Ketika kita menggerakkan tangan dalam pelumas SAE 30, kita merasakan tahanan

oleh pelumas; viskositas pelumas SAE 30 adalah 300 kali lebih besar daripada

viskositas air

• Demikian pula, gerak tangan akan lebih sulit dalam gliserin yang memiliki viskositas

5 kali lebih besar daripada viskositas pelumas SAE 30

Viskositas

(26)

Viskositas

Fisik a u n tu k Tek n ik Sip il 26 1 -F eb -19

_▪

_Situasi

• fluida ditempatkan di antara dua pelat

• pelat bawah diam, pelat atas bergerak dengan kecepatan konstan

• di pelat bawah, fluida tidak bergerak, kecepatan nol (no slip condition)

(27)

Viskositas

▪ Pada fluida seperti udara, air,

minyak

• berlaku hubungan linear antara

tegangan yang bekerja pada

permukaan fluida dan laju

regangan

• dari gambar a (gambar kiri),

tampak

• jika δ sangat kecil, maka

• sehingga

• Dengan mengenalkan viskositas

dinamik μ

tµ dq

dt

tandq =

dudt

dy

dq

dt

= du

dy

tµ du

dy

t =m du

dy

Fluida Newton (newtonian fluid)

(28)

▪ Angka Reynolds

• Parameter yang menggambarkan perilaku fluida berkaitan dengan kekentalan

fluida newtonian

• Angka tak berdimensi

• V adalah kecepatan aliran dan L adalah skala panjang aliran

• ν adalah kekentalan kinematik

Viskositas

Re =

rVL

m

= VL

n

n = m

r

dim[μ] = ML

_{dim[ν] = L}

₂

_T

₋₁−1

T

−1

→ Ns/m

_{→ m}

₂

_/s

2

(29)

▪ Kompresibilitas fluida

• Mencerminkan perilaku fluida terhadap perubahan tekanan

• Fluida yang mudah mampat, volume dan rapat massa mudah berubah,

terhadap perubahan tekanan dinamai fluida mampat (compressible fluid),

misal udara

• Fluida yang volumenya tidak atau sulit berubah terhadap perubahan tekanan

disebut fluida tak-mampat (incompressible fluid)

• Parameter yang dipakai untuk mendeskripsikan kompresibilitas fluida adalah

bulk modulus (modulus elastisitas), E

_v

Kompresibilitas Fluida

E

_v

= - dp

dV V

= dp

dr r

(30)

Kompresibilitas Fluida

1 -F eb -19 Fisik a u n tu k Tek n ik Sip il 30 p + dp p + dp V − dV ρ + dρ

p

V

E

_v

= - dp

dV V

E

v

= dp

dr r

dim[Ev] = ML −1_T−2_→ N/m2_{atau Pa}

tanda negatif karena peningkatan tekanan berakibat pada pengurangan volume

(31)

▪ Tekanan uap (vapor pressure)

• Fluida cair, misal air, akan menguap apabila air ditempatkan di wadah

terbuka (contoh: penguapan atau evaporasi air di waduk)

• Evaporasi terjadi karena molekul-molekul zat cair di permukaan

mengandung momentum yang dapat mengalahkan gaya kohesi antar

molekul sehingga molekul zat cair lepas ke atmosfir

• Di bidang teknik sipil hidro, tekanan uap ini penting karena berkaitan

dengan kavitasi

Tekanan Uap

(32)

Tekanan Uap

▪

Sebuah bejana diisi zat cair, ditutup dengan sumbat sehingga tak ada udara di dalamnya.

▪

Sumbat digeser ke atas pelan-pelan sedemikian sehingga tidak ada udara yang masuk.

▪

Ada ruang di antara zat cair dan sumbat.

▪

Timbul tekanan dalam ruang tsb karena adanya uap

yang timbul akibat pelepasan molekul-molekul zat cair.

▪

Saat keseimbangan, yaitu jumlah molekul zat cair yang meninggalkan permukaan sama dengan jumlah molekul zat cair yang masuk ke permukaan, maka uap menjadi jenuh.

▪

Tekanan pada uap jenuh tsb disebut tekanan uap (vapor pressure), p_v.

▪

Tekanan uap bergantung pada temperatur.

zat cair sumbat

zat cair sumbat uap, p_v

(33)

▪ Kavitasi

•

Pada aliran air dalam pipa atau di saluran terbuka, kecepatan aliran menurunkan tekanan

•

Jika kecepatan aliran sangat besar, tekanan mengecil

•

Jika tekanan mencapai tekanan uap, maka terjadi boiling, yaitu terbentuknya gelembung udara dalam aliran air

•

Gelembung udara ini terbawa aliran

•

Ketika sampai di tempat yang bertekanan tinggi, gelembung udara pecah secara tiba-tiba

•

Ini disebut kavitasi

•

Kavitas dapat merusak pipa atau permukaan saluran

▪ Contoh kasus

•

Aliran dalam pipa pesat, turbin PLTA

•

Aliran di saluran pelimpah (spillway) bendungan

(34)

▪ https://www.youtube.com/watch?v=U-uUYCFDTrc

(35)

▪ Tegangan permukaan (surface tension)

• Tegangan terbentuk di bidang kontak antara zat cair dan gas, atau

antara dua fluida tak-campur (immiscible fluids).

• Bidang kontak ini berperilaku seperti sebuah lapis membran.

• Tegangan permukaan terjadi karena adanya ketidak-seimbangan

gaya-gaya kohesif yang bekerja pada permukaan kedua fluida.

• Simbol σ

• Satuan N/m

Tegangan Permukaan

(36)

Gaya Kapiler

▪

Sebuah tabung kecil, terbuka di pangkal dan ujungnya, dimasukkan dalam air (Gbr.

a).

▪

Muka air dalam tabung naik, menjadi lebih tinggi daripada muka air di luar tabung.

▪

Tinggi kenaikan muka air dalam tabung, h, bergantung pada tegangan permukaan, σ, radius tabung, R, berat volume air, γ, dan sudut kontak antara air dan tabung, θ.

▪

Dari free body diagram (Gbr. b), dapat diketahui imbangan gaya-gaya arah

vertikal, yaitu komponen vertikal tegangan permukaan dan berat air.

Dicuplik dari: Young, D.F., Muncon, B.R., Okiishi, T.H., Huebsch, W.W., 2011, A Brief Introdunction to Fluid Mechanics, 5th

(37)

Gaya Kapiler

gpR

2

h =2pscosq

h =

2s cosq

gR

Dicuplik dari: Young, D.F., Muncon, B.R., Okiishi, T.H., Huebsch, W.W., 2011, A Brief Introdunction to Fluid Mechanics, 5th

(38)

Fluida Temperatur [°C] Rapat massa, ρ [kg/m3_] Berat volume γ [kN/m3_] Kekentalan dinamik, μ [Ns/m2_] Kekentalan kinematik, ν [m2_/s] Tegangan permukaan1)_, σ [N/m] Tekanan uap (abs), pv[N/m2] Modulus2) (bulk), Ev[N/m2] Air laut 15.6 1030 10.1 1.20×10−3 _1.17×10−6 _7.34×10−2 _1.77×103 _2.34×109 Air tawar 15.6 999 9.8 1.12×10−3 _1.12×10−6 _7.34×10−2 _1.77×103 _2.15×109 Air raksa 20 13600 133 1.57×10−3 _1.15×10−7 _4.66×10−1 _1.6×10−1 _2.85×1010 1 -F eb -19 38 Fisik a u n tu k Tek n ik Sip il

Sifat-sifat Fisis Fluida Cair

*)

1)_{Tegangan permukaan pada bidang kontak dengan udara.} 2)_{Isentropic bulk modulus dihitung dari kecepatan suara.}

*) _{Dicuplik dari: Young, D.F., Muncon, B.R., Okiishi, T.H., Huebsch, W.W., 2011, A Brief Introdunction to Fluid Mechanics,}

(39)

Fluida Temperatur [°C] Rapat massa, ρ [kg/m3_] Berat volume γ [N/m3_] Kekentalan dinamik, μ [Ns/m2_] Kekentalan kinematik, ν [m2_/s] Konstanta gas1)_, R [J/kg/K] Specific heat ratio2)_, k Udara 15 1.23 12 1.79×10−5 _1.46×10−5 _2.869×102 _1.40 Karbon dioksida 20 1.83 18 1.47×10−5 _8.03×10−6 _1.889×102 _1.30 Hidrogen 20 8.38×10−2 _8.22×10−1 _8.84×10−6 _1.05×10−4 _4.124×103 _1.41 Nitrogen 20 1.16 11.4 1.76×10−5 _1.52×10−5 _2.968×102 _1.40 Oksigen 20 1.33 13 2.04×10−5 _1.53×10−5 _2.598×102 _1.40 1 -F eb -19 Fisik a u n tu k Tek n ik Sip il

Sifat-sifat Fisis Fluida Gas

*)

*) _{Dicuplik dari: Young, D.F., Muncon, B.R., Okiishi, T.H., Huebsch, W.W., 2011, A Brief Introdunction to Fluid Mechanics,} 1)_{Konstanta gas tidak bergantung pada temperatur.}

(40)

Tekanan Fluida

•

Tekanan fluida dinyatakan dalam dua cara, yaitu tekanan absolut (absolute pressure) atau tekanan

ukur (gage pressure).

•

Tekanan absolut adalah tekanan relatif terhadap tekanan hampa udara (tekanan nol absolut).

•

Tekanan ukur adalah tekanan relatif terhadap tekanan atmosfir setempat.

•

Tekanan absolut selalu bernilai positif, tekanan ukur bernilai positif (lebih besar daripada tekanan atmosfir) atau negatif (lebih kecil daripada tekanan atmosfir).

(41)

Alat Ukur Tekanan

Prinsip pengukuran tekanan:

(1) Barometer air raksa (2) Piezometer

Barometer air raksa

Piezometer

p

_atm

= g

_Hg

h+ p

_vapor

p

_vapor

<< Þ p

_atm

= g

_Hg

h

γ_Hg (T = 20°C) = 133 kN/m3

Piezometer

Barometer

p

_A

= p

₁

= g

₁

h

₁

p

_A

g

₁

=

p

₁

g

₁

= h

1

(42)

Alat Ukur Tekanan

Manometer tabung tipe U

p

_A

-p

_B

= g

₂

h

₂

+g

₃

h

₃

-g

₁

h

₁

p

_A

= g

₂

h

₂

-g

₁

h

₁

(43)

Alat Ukur Tekanan

Manometer tabung miring

(44)