Sifat-sifat Fisis Fluida

(1)

Universitas Gadjah Mada

Departemen Teknik Sipil dan Lingkungan Prodi Sarjana Teknik Sipil

Sifat-sifat Fisis

Fluida

Fisika untuk Teknik Sipil

Fi si ka un tu k Te kn ik S ip il 1-F eb -17

(2)

§

 

White, Frank M., 2011,

Fluid Mechanics

, 7

th

_{EdiGon, The McGraw-Hill Book}

Co., New York.

•  

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

§

 

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

A Brief

Introduc5on to Fluid Mechanics

, 5

th

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

•  

Chapter 1, pp. 3-23. 1-F eb -17 2 Fi si ka un tu k Te kn ik S ip il

Acuan

(3)

1-F eb -17 Fi si ka un tu k Te kn ik S ip 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 -17 4 Fi si ka un tu k Te kn ik S ip il

(5)

Fisika dan Teknik Sipil

Te

kn

ik

S

ip

il

(U

G

M)

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

staGka ﬂuida

(

ﬂuid sta5cs

)

(

dinamika ﬂuida

ﬂuid dynamics

)

• ﬂuida

ß

ﬂuid {Cambridge dicGonary: [noun, c or u] a substance that ﬂows

and is not solid}

(7)

Fluida,

Dimensi dan Satuan

(8)

Zat

1-F eb -17 Fi si ka un tu k Te kn ik S ip il 8

padat

cair

gas

ﬂuida

ﬂu

id

a

tak

-m

am

pat

(

in

co

mp

re

ss

ib

le

ﬂ

ui

d

)

ﬂu

id

a

m

am

pat

(

co

mp

re

ss

ib

le

ﬂ

ui

d

)

Apa ciri pembeda zat padat

dan ﬂuida?

zat

–

sesuatu yang memiliki

massa dan menempaG ruang

(9)

Zat Padat

vs

Fluida

• Cara yang lebih sainGﬁk 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 à batang mengalami

F

gaya bekerja pada permukaan ﬂuida (Gmbul tegangan geser) à ﬂuida bergerak (mengalir)

ﬂuida

solid

gaya (force) vektor

permukaan ﬂuida

gaya tangensial yang bekerja pada permukaan ﬂuida à

menimbulkan tegangan geser (shear stress)

(10)

Batang baja ditarik

Fluida di antara dua pelat

§

 

hlps://www.youtube.com/

watch?v=67fSwIjYJ-E

§

 

hlps://youtu.be/XVn-

Yyu10Bg?t=46

(11)

§

 

Telah dipaparkan pada slide #4 bahwa ﬁsika di bidang hidro

mempelajari ﬂuida diam atau bergerak

• Parameter untuk mendeskripsikan ﬂuida yang bergerak

• ukuran/dimensi

à

• tekanan

à

p

• kecepatan aliran

à

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

kualitaEf

, maupun

kuanEtaEf

• deskripsi kualitaGf sifat-sifat ﬂuida

à

dikenal sebagai dimensi

–

 

massa

à

M

–

 

panjang

à

L

–

 

waktu

à

T

–

 

temperatur

à

Θ

Dimensi

dimensi utama,

dimensi dasar

(13)

§

 

Dari dimensi dasar, dapat dilakukan deskripsi kualitaGf 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 -17 Fi si ka un tu k Te kn ik S ip il

Dimensi

(14)

§

 

Tuliskanlah dimensi beberapa parameter di bawah ini

• debit aliran,

Q

• tekanan,

p

• tegangan geser,

τ

• dll.

Dimensi

(15)

§

 

Dimensi, yang merupakan deskripsi kualitaGf sifat ﬂuida, perlu dilengkapi dengan

satuan yang merupakan deskripsi kuanGtaGf

§

 

Dalam ﬁsika, sistem satuan yang banyak diikuG adalah sistem satuan metrik yang

dikenal pula sebagai sistem satuan SI (Système Interna5onal) atau Interna5onal System

of Units

•  Ada 7 satuan dasar dalam sistem satuan SI

•  massa à kilogram, kg

•  panjang à meter, m

•  waktu à deGk, s (PerhaGkan: bukan det, dtk, dt)

•  temperatur à kelvin, K (PerhaGkan: tanpa notasi derajat, °)

•  arus listrik à ampere, A

•  jumlah molekul à mol, mol

•  intensitas cahaya à candela, cd

Satuan

(16)

§

 

Dari satuan dasar, dapat dilakukan deskripsi kuanGtaGf 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 -17 16 Fi si ka un tu k Te kn ik S ip il

Satuan

PerhaGkan: newton (Gdak diawali dengan huruf

kapital), notasi N (ditulis dengan huruf kapital).

PerhaGkan: 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

Δ

x

1 J = 1 N m

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

P

=

W

/

T

1 W = 1 J/s

Satuan

(18)

Satuan

Fi si ka un tu k Te kn ik S ip il 18 1-F eb

-17

§

 

Awalan (

preﬁx

) dipakai untuk penyebutan angka yang merupakan kelipatan

sepuluh untuk penyederhanaan (pengurangan) jumlah angka

Awalan

Simbol

deka

da

10 alo

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 kinemaGk

§

 

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 à ﬂuida

mampat (compressible ﬂuid) •  nilai ρ ﬂuida cair Gdak banyak

berubah terhadap perubahan tekanan atau temperatur à ﬂuida tak-mampat (incompressible ﬂuid)

§

 

Rapat massa air dan gas

•  

ρ_air ≈ 103_ρ

gas pada 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

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

(V_v = V_void) 1-F eb -17 22 Fi si ka un tu k Te kn ik S ip il

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

=

ρ

_gas

ρ

_udara

=

ρ

_gas

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 relaGf

•  

Di bidang enjiniring, tekanan biasa dinyatakan sebagai tekanan relaGf 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 -17 24 Fi si ka un tu k Te kn ik S ip il

Fluida Gas

ρ= 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

•  

KeGka 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

§

 

Pada ﬂuida seperG 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

τ ∝

δθ

δt

tanδθ

=

δuδt

δy

d

θ

d

t

=

d

u

d

y

τ ∝

d

u

d

y

τ

=µ

d

u

d

y

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 kinemaGk

Viskositas

Re

=

ρ

VL

µ

=

VL

ν

=

µ

ρ

dim[μ] =

ML

−1

_T

−1

_à

• 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 Gdak atau sulit berubah terhadap perubahan tekanan

disebut ﬂuida tak-mampat (

incompressible ﬂuid

)

• Parameter yang dipakai untuk mendeskripsikan kompresibilitas ﬂuida adalah

bulk modulus (modulus elasGsitas),

E

_v

Kompresibilitas Fluida

E

_v

=

−

dp

dV V

=

dp

d

ρ ρ

(30)

Kompresibilitas Fluida

1-F eb -17 Fi si ka un tu k Te kn ik S ip il 30 p + dp p + dp V − dV ρ + dρ

p

V

E

_v

=

−

d

p

d

V V

E

v

=

dp

dρ ρ

dim[Ev] = _N/mML₂_{atau Pa}−1T−2 à

tanda negaGf 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 penGng 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 Gdak ada udara yang masuk.

§  Ada ruang di antara zat cair dan sumbat.

§  Timbul tekanan dalam ruang tsb karena adanya uap yang Gmbul 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

Contoh kasus

•  

Aliran dalam pipa pesat, turbin PLTA

•  

Aliran di saluran pelimpah (spillway) bendungan

(34)

§

 

hlps://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 seperG sebuah lapis membran.

• Tegangan permukaan terjadi karena adanya keGdak-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 Gnggi 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 verGkal, yaitu komponen verGkal tegangan permukaan dan berat air. Dicuplik dari: Young, D.F., Muncon, B.R., Okiishi, T.H., Huebsch,

W.W., 2011, A Brief Introdunc5on to Fluid Mechanics, 5th

(37)

Gaya Kapiler

γπR

2

_h

=

2 πσ

cos

θ

h

=

2 σ

cos

θ

γ

R

Dicuplik dari: Young, D.F., Muncon, B.R., Okiishi, T.H., Huebsch, W.W., 2011, A Brief Introdunc5on to Fluid Mechanics, 5th

(38)

Fluida Temperatur [°C] Rapat massa, ρ [kg/m3_] Berat volume γ [kN/m3_] Kekentalan dinamik, μ [Ns/m2_] Kekentalan kinemaEk, 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 -17 38 Fi si ka un tu k Te kn ik S ip 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 Introdunc5on to Fluid Mechanics}_,

(39)

Fluida Temperatur [°C] Rapat massa, ρ [kg/m3_] Berat volume γ [N/m3_] Kekentalan dinamik, μ [Ns/m2_] Kekentalan kinemaEk, ν [m2_/s] Konstanta gas1)_, R [J/kg/K] Speciﬁc heat ra0o2)_, 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 -17 Fi si ka un tu k Te kn ik S ip il

Sifat-sifat Fisis Fluida Gas

*)

*)_{Dicuplik dari: Young, D.F., Muncon, B.R., Okiishi, T.H., Huebsch, W.W., 2011,}_{A Brief Introdunc5on to Fluid Mechanics}_, 1)_{Konstanta gas Gdak 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 relaGf terhadap tekanan hampa udara (tekanan nol absolut).

•  Tekanan ukur adalah tekanan relaGf terhadap tekanan atmosﬁr setempat.

•  Tekanan absolut selalu bernilai posiGf, tekanan ukur bernilai posiGf (lebih besar daripada tekanan atmosﬁr) atau negaGf (lebih kecil daripada tekanan atmosﬁr).