FLUIDA STATIS DAN DINAMIS
FLUIDA STATIS DAN DINAMIS
1. FLUIDA
Fluida adalah zat yang dapat mengalir. Kata Fluida mencakup zat car, air dan gas karena kedua zat ini dapat mengalir, sebaliknya batu dan benda-benda keras atau seluruh zat padat tidak digolongkan kedalam fluida karena tidak bisa mengalir. Susu, minyak pelumas, dan air merupakan contoh zat cair. dan Semua zat cair itu dapat dikelompokan ke dalam fluida karena sifatnya yang dapat mengalir dari satu tempat ke tempat yang lain. Selain zat cair, zat gas juga termasuk fluida. Zat gas juga dapat mengalir dari satu satu tempat ke tempat lain. Hembusan angin merupakan contoh udara yang berpindah dari satu tempat ke tempat lain. Fluida merupakan salah satu aspek yang penting dalam kehidupan sehari- hari. Setiap hari manusia menghirup, meminum, terapungatau tenggelam didalamnya. Setiap hari pesawat udara terbang melaluinya dan kapal laut mengapung di atasnya. Demikian juga kapal selam dapat mengapung atau melayang di dalamnya. Air yang diminum dan udara yang dihirup juga bersirkulasi di dalam tubuh manusia setiap saat meskipun sering tidak disadari.
1. sifat – sifat fluida dibagi menjadi tiga adalah
a. tidak dapat melawan secara tetap stress geser.
b. Mempunyai komprebilitas.
c. Mempunyai kekentalan atau viskositas.
2. Fluida ini dapat kita bagi menjadi dua bagian yakni:
tidak memiliki gaya geser. Contoh fenomena fluida statis dapat dibagi menjadi statis sederhana dan tidak sederhana. Contoh fluida yang diam secara sederhana adalah air di bak yang tidak dikenai gaya oleh gaya apapun, seperti gaya angin, panas, dan lain-lain yang mengakibatkan air tersebut bergerak. Contoh fluida statis yang tidak sederhana adalah air sungai yang memiliki kecepatan seragam pada tiap partikel di berbagai lapisan dari permukaan sampai dasar sungai.Cairan yang berada dalam bejana mengalami gaya-gaya yang seimbang sehingga cairan itu tidak mengalir. Gaya dari sebelah kiri diimbangi dengan gaya dari sebelah kanan, gaya dari atas ditahan dari bawah. Cairan yang massanya M menekan dasar bejana dengan gaya sebesar Mg. Gaya ini tersebar merata pada seluruh permukaan dasar bejana. Selama cairan itu tidak mengalir (dalam keadaan statis), pada cairan tidak ada gaya geseran sehingga hanya melakukan gaya ke bawah oleh akibat berat cairan dalam kolom tersebut.
1. Tekanan
Besar tekanan di definisikan sebagai gaya tiap satuan luas. Apabila gaya sebesar F bekerja secara tegak lurus dan merata pada permukaan bidang seluas A, tekanan pada permukaan itu dapat di rumuskan tekanan sebagai berikut:
Keterangan : P = tekanan (N/m2)
F = gaya (N) A = luas (m2)
Satuan tekanan dalam SI adalah N/m2 atau disebut juga Pascal (Pa). untuk tekanan udara kadang-kadang digunakan satuan atmosfer (atm), cm raksa (cmHg), mmHg (atau torr dari Torricelli) atau milibar (mb).
Aturan konversinya adalah sebagai berikut : 1 mb = 10-3 bar
1 bar = 105 Pa
1 atm = 76 cmHg = 1,01 x 105 Pa
1 mmHg = 1 torr = 1,316 x 10-3 atm = 133,3 Pa
Tekanan hidrostatis adalah tekanan pada zat cair yang diam. Besarnya tekanan hidrostatis tergantung pada jenis dan kedalaman zat cair, tidak tergantung pada bentuk wadahnya (asalkan wadahnya terbuka).
Besarnya tekanan hidrostatis dirumuskan dengan : P = p g h
Keterangan:
P = tekanan (Pa atau N/m2)) p = massa jenis zat cair (kg/m3)
g = perepatan gravitasi bumi (m/s2 atau N/kg) h = kedalaman (m)
Sehingga besar tekanan pada alas bejana adalah
Jadi, besarnya tekanan hidrostatik secara umum di rumuskan sebagai berikut Gaya hidrostatik pada alas bejana ditentukan dengan rumus sebagai berikut
Pernyataan di atas dikenal sebagai hukum utama hidrostatika. Perhatikan gambar berikut:
"Tekanan hidrostatik pada sembarang titik yang terletak pada satu bidang datar di dalam satu jenis zat cair yang diam, besarnya sama."
Berdasarkan hukum utama hidrostatika dapat dirumuskan : PA = PB = PC
PD = PE
Hukum utama hidrostatika dapat diterapkan untuk menentukan masa jenis zat cair dengan menggunakan pipa U. Perhatikanlah gambar berikut!
Dalam hal ini, dua cairan yang digunakan tidak akan tercampur. Pipa U mula-mula diisi dengan zat cair yang sudah diketahui massa jenisnya, kemudian salah satu kaki dituangi zat cair yang di cari massa jenisnya hingga setinggi h1. Kemudian, tarik garis mendatar AB sepanjang pipa. Ukur
tinggi zat cair mula-mula di atas garis AB (misal : h2)Menurut hukum utama hidrostatika,
1. Tekanan Gauge
Tekanan Gauge adalah selisih antara tekanan yang tidak diketahui dengan tekanan atmosfer (tekanan udara luar).Nilai tekanan yang diukur oleh alat pengukur tekanan adalah tekanan gauge.Adapun tekanan sesungguhnya disebut dengan tekanan mutlak.
Tekanan mutlak = tekanan gauge + tekanan atmosfer P = Pgauge + Patm
2. Tekanan Mutlak Pada Suatu Kedalaman Zat Cair
Tekanan hidrostatis zat cair dapat kita miripkan dengan tekanan gauge.Dengan demikian,tekanan mutlak pada kedalam h dirumuskan sebagai berikut.
P =P0 + ρgh Keterangan :
P = Tekanan Hidrostatika (Pa)
P0 = Tekanan Atmosfer (0,01 x 105 Pa) ρ = Massa jenis (kg/m3)
g = Percepatan gravitasi 9,8 m/s2 h = Kedalaman (m)
Pemahaman tekanan gauge dengan melakukan percobaan yang menggunakan sebuah
kaleng/wadah yang diberikan dua lubang pada sisinya kemudian diisi dengan air hingga penuh. Pabsolut = Patmosfer + Phidrostatis
P = p atm + p gh
Air terpancar dari lubang-lubang kedua sisi kaleng.Ketika kaleng diangkat dan dipercepat keatas maka jarak pancaran air dari kedua lubang semakin jauh dengan lubang.Tapi,ketika kaleng dijatuhkan dari suatu ketinggian,jarak pancaran air dari kedua lubang menjadi dekat dengan lubang.
2. Hukum pascal
besarnya sama dengan p1. Tekanan ini menimbulkan gaya pada luas bidang tekan pengisap kedua (A2) sebesar F2 sehingga kamu dapat menuliskan persamaan sebagai berikut.
Keterangan :
Jadi, gaya yang ditimbulkan pada pengisap besar adalah:
Dari Persamaan , dapat disimpulkan bahwa untuk mendapatkan efek gaya yang besar dari gaya yang kecil, maka luas penampangnya harus diperbesar. Inilah prinsip kerja sederhana dari alat teknik pengangkat mobil yang disebut pompa hidrolik.
1. Bejana Berhubungan
Prinsip bejana berhubungan adalah sebuah peristiwa di mana permukaan air selalu rata. Dalam hal ini, tidak dipengaruhi oleh bentuk permukan dasar atau bentuk tabungnya, dengan syarat tempat air tersebut berhubungan.aplikasi bejana berhubungan dalam kehidupan sehari – hari.
a. Tukang Bangunan
Tukang bangunan menggunakan konsep bejana berhubungan untuk membuat titik yang sama tingginya. Kedua titik yang sama ketinggiannya ini digunakan untuk membuat garis lurus yang datar. Biasanya, garis ini digunakan sebagai patokan untuk memasang ubin supaya permukaan ubin menjadi rata dan memasang jendela-jendela supaya antara jendela satu dan jendela lainnya sejajar. Tukang bangunan menggunakan slang kecil yang diisi air dan kedua ujungnya diarahkan ke atas. Akan dihasilkan dua permukaan air, yaitu permukaan air kedua ujung slang. Kemudian, seutas benang dibentangkan menghubungkan dua permukaan air pada kedua ujung slang. Dengan cara ini, tukang bangunan akan memperoleh permukaan datar.
b. Teko Air
Perhatikan teko air di rumahmu. Teko tersebut merupakan sebuah bejana berhubungan. Teko air yang baik harus mempunyai mulut yang lebih tinggi daripada tabung tempat menyimpan air.
c. Tempat Penampungan Air
dihubungkan dengan kran tempat keluarnya air menggunakan pipa-pipa. Jika bentuk bejana berhubungan pada penjelasan sebelumnya membentuk huruf U, bejana pada penampungan air ini tidak berbentuk demikian. Hal ini sengaja dirancang demikian karena sistem ini bertujuan untuk mengalirkan air ke tempat yang lebih rendah dengan kekuatan pancaran yang cukup besar. 2.2 pengertian fluida dinamis
Fluida dinamis adalah fluida (bisa berupa zat cair, gas) yang bergerak. Untuk memudahkan dalam mempelajari, fluida disini dianggap steady (mempunyai kecepatan yang konstan terhadap waktu), tak termampatkan (tidak mengalami perubahan volume), tidak kental, tidak turbulen (tidak mengalami putaran-putaran). Dalam kehidupan sehari-hari, banyak sekali hal yang berkaitan dengan fluida dinamis ini.
1.Macam – macam fluida dinamis :
a. Aliran steady (stasioner)
b. Aliran viscous
c. Aliran turbulen
1. Persamaan kontinitas dan benoulli
Persamaan kontinuitas menyatakan hubungan anatar kecepatan fluida yang masuk pada suatu pipa terhadap kecepatan fluida yang keluar. Hubungan tersebut dinyatakan sebagai berikut : v1A1 = v2A2 = Q
a. Debit aliran (Q) Jumlah volume fluida yang mengalir persatuan waktu.
Dimana :
Q = debit aliran (m3/s)
A = luas penampang (m2)
V = laju aliran fluida (m/s)
Dimana :
Q = debit aliran (m3/s)
V = volume (m3)
t = selang waktu (s)
2. Persamaan bernoulli
Hukum Bernoulli adalah hukum yang berlandaskan pada hukum kekekalan energi yang dialami oleh aliran fluida. Hukum ini menyatakan bahwa jumlah tekanan (p), energi kinetik per satuan volume, dan energi potensial per satuan volume memiliki nilai yang sama pada setiap titik
sepanjang suatu garis arus. Jika dinyatakan dalam persamaan menjadi :
Dimana :
p = tekanan air (Pa)
v = kecepatan air (m/s) g = percepatan gravitasi
h = ketinggian air
a. Dua kasus persamaan bernoulli
1. Kasus untuk fluida tak bergerak (fluida statis) untuk fluida tak bergerak ,kecepatan v1 = v2.
Persamaan ini adalah persamaan tekanan hidrostatis sebagai berikut .
P1 + g h1+0 = P2+ g h2+0
P1 – P2 = (h1- h2)
2. Kasus untuk fluida yang mengalir (fluida statis) dalam pipa mendatar dalam pipa mendatar
(horizontal) tidak terdapat perbedaan ketinggian dianatara bagian – bagian fluida. Ini berarti ketinggian h1- h2
P1 + g V1 2+0 = P2+ g V2 2+0
Menyatakan bahwa jika V2 V1 maka P1 P2 ini berarti bahwa temapat yang kelajuan aliran besar,
tekanan kecil. Ebaliknya ditempat ditempat yang kelajuannya aliran kecil, tekanan besar. pernyataan ini dikenal asas bernoulli.
b. Teorema torricelli
Salah satu penggunaan persamaan Bernoulli adalah menghitung kecepatan zat cair yang keluar dari dasar sebuah wadah (lihat gambar di bawah).
Kita terapkan persamaan Bernoulli pada titik 1 (permukaan wadah) dan titik 2 (permukaan lubang). Karena diameter kran/lubang pada dasar wadah jauh lebih kecil dari diameter wadah, maka kecepatan zat cair di permukaan wadah dianggap nol (v1 = 0). Permukaan wadah dan permukaan lubang/kran terbuka sehingga tekanannya sama dengan tekanan atmosfir (P1 = P2). Dengan demikian, persamaan Bernoulli untuk kasus ini adalah :
p + 1 ρv + ρgh = p + ρv + ρgh
ρgh1 = ρv2 2+ ρgh2
Jika kita ingin menghitung kecepatan aliran zat cair pada lubang di dasar wadah, maka persamaan ini menjadi :
ρgh1 = ( v2 2+ gh2) ρ
Massa jenis zat cair sama sehinggaρ dilenyapkan :
gh1= v22 + gh2
v22= gh1 - gh2
v22= v2 =
v2 =
berdasarkan persamaan ini, tampak bahwa laju aliran air pada lubang yang berjarak h dari permukaan wadah sama dengan laju aliran air yang jatuh bebas sejauh h (bandingkan gerak jatuh bebas). Ini dikenal dengan teorema torricceli.
3. Viskositas
