Fisika fluida - fisinstunjani

Fisika fluida
Fisika fluida
Fisika fluida
Apakah fluida itu ?
Suatu fluida adalah semua benda yang dapat
mengisi sebuah tempat atau yang dapat
mengambang apabila ia tidak berada di
sebuah tempat (kecuali ukurannya terlalu
besar untuk dipersatukan oleh gaya gravitasi,
seperti misalnya sebuah bintang)
Bila Anda dapat mengaduk fluida dengan,
misalnya, sebuah sendok atau dapat
meniupnya dengan pipa , maka ia adalah
fluida.
Artinya disini baik udara atau air adalah
fluida. Dan pada kenyataannya semua benda
cair dan gas adalah fluida. Di angkasa dan di
dalam bintang terdapat jenis fluida lain yang
disebut dengan plasma.
FLUIDA
Fluida merupakan sesuatu yang dapat
mengalir sehingga sering disebut sebagai
zat alir. Fasa zat cair dan gas termasuk ke
dalam jenis fluida
DINAMIK
STATIK
FENOMENA FLUIDA
Kenapa kayu-kayu yang besar dan banyak lebih
mudah diangkat dalam air ?
Mengapa balon gas bisa naik ke atas ?
Mengapa telur bisa mengapung dalam air garam
sementara dalam air murni tenggelam?
Kenapa serangga kecil bisa bergerak diatas air
dan tidak tenggelam?
Bagaimana pesawat yang massanya besar dapat
terbang?
FLUIDA STATIK
fluida selalu mempunyai bentuk yang
dapat berubah secara kontinyu mengikuti
bentuk wadahnya karena fluida tidak
dapat menahan gaya geser
Massa jenis
Suatu sifat penting dari zat adalah rasio massa terhadap
volumenya yang dinamakan massa jenis
m
ρ=
V
Beberapa buah batu bermassa total 3kg kg dimasukkan
dalam bejana (luas penampang 0.025 m2) yang berisi air
dengan ketinggian permukaan air mula-mula 0,5 m,
sehingga tinggi permukaan air meningkat 0.06 m.
Berapakah massa jenis batu-batu tersebut?
TEKANAN
• Kenapa ayam sulit berjalan di tanah yang
lembek sedangkan itik relatif lebih mudah?
• kalau tangan kita ditekan oleh ujung pena
yang bagian runcingnya terasa lebih sakit
daripada oleh ujung yang bagian tumpulnya.
Tekanan didefinisikan sebagai
gaya normal persatuan luas
permukaan
p
F
A
TEKANAN UDARA
Suatu permukaan di udara akan mendapatkan tekanan
udara akibat adanya gaya tumbukan molekul-molekul
udara pada permukaan tersebut
Tekanan udara di permukaan laut adalah sekitar 1 atm
= 101 kN/m2 = 101 kPa
Contoh:
seorang turis sedang berbaring tertelungkup di tepi pantai.
Hitunglah gaya yang diberikan molekul-molekul udara pada
permukaan punggung turis tersebut dengan mengganggap luas
permukaan punggung sebesar 0.2 m2.
Jawab: F = pA = (101 kPa)(0.2 m2)=20.2 kN
(luar biasa!!! Ini sama dengan membebani punggung orang
tersebut dengan beban sebesar kira-kira 2 ton!!) Bagaimana dia
dapat menahan beban sebesar itu?
TEKANAN DALAM ZAT CAIR
P = Po +ρhg
P0
Contoh
h
P
Hitunglah tekanan total yang dialami
sebuah benda yang tercelup dalam sumur
pada ke dalaman 10 m dari permukaan air
sumur. Jika percepatan gravitasi di daerah
itu adalah sebesar10 m/s2
Berapa tekanan yang dialami penyelam
yang berada pada posisi 100 m di atas
dasar laut ? ( kedalaman laut =1 km.
massa jenis air laut : 1,025
103
kg/m3)?
Prinsip Pascal
Tekanan yang diberikan pada suatu cairan
yang tertutup akan diteruskan tanpa berkurang
ke segala titik dalam fluida dan ke dinding
bejana (Blaise Pascal 1623-1662)
Tekanan adalah sama di setiap titik pada
kedalaman yang sama
Paradoks hidrostatik
A1
F1
A2
F2
Dongkrak Hidrolik
Contoh
Sebuah pipa berbentuk u yang memiliki luas
penampang kakinya berbeda digunakan
untuk mengangkat beban. Berapakah beban
maksimum yang dapat diangkat olehnya jika
luas penampang yang kecil, A = 1 m2,
diberikan gaya 104 N dengan luas
penampang yang besar adalah 5 m2?
Although he lived more than 2,000
years ago, Archimedes, a Greek
philosopher and mathematician (287212 B.C.) is still regarded as one of the
greatest physical scientists of all time.
Perhaps you have heard the story of the
King's crown. It is told that, while
talking a bath, he discovered a method
for figuring out whether the crown had
been made of pure gold or a cheaper
metal. Archimedes was so excited
about his discovery, he ran straight
from the tub through the streets
shouting, "Eureka!" We now call his
discovery Archimedes' Principle, which
states that an object placed in a fluid is
buoyed upward by a force equal in
weight to the fluid displaced (pushed
out of the way) by the object
PRINSIP ARCHIMEDES
Sebuah benda yang tenggelam seluruhnya
atau sebagian dalam suatu fluida akan
mendapatkan gaya angkat ke atas yang
sama besar dengan berat fluida yang
dipindahkan
Fa = ρVg
Fa = gaya apung
ρ= rapat massa fluida
V = volume fluida yang dipindahkan,
volume bagian benda yang tercelup
G = percepatan gravitasi
PRINSIP ARCHIMEDES( lanjut…)
Tenggelam
Terapung
Melayang
Apa syarat benda tenggelam, terapung atau
melayang dalam fluida?
Fenomena Archimedes
Anak yang terapung
dengan bantuan perahu
ringan
Anak yang terapung di laut
yang kadar garamnya
tinggi sekali
Contoh
Sebuah kayu papan kayu ( dengan luas
penampang 40 cm2 dan panjang 2,5 m )
tercelup ¾ bagiannya dalam air. Hitung
gaya apung yang dialami oleh kayu
tersebut?
Sekeranjang buah mangga bermassa 15
kg, bila ditimbang dalam air angka yang
terbaca pada timbangan adalah 5 kg.
Berapakah massa jenis mangga tersebut (
abaikan massa wadahnya) ?
Fenomena Fulida Diam Lainnya:
Tegangan Permukaan dan
Kapilaritas
r
w
2r
r
FLUIDA BERGERAK
Karakteristik Aliran
Laminer ~ kecepatan aliran rendah
Turbulen ~ kecepatan aliran tinggi
Permukaan laut
Pada kedalaman tertentu
Kontinuitas
v2
A1
v1
A2
A1 v1 = A2 v2
Kecepatan darah melalui pembuluh aorta berjari-jari 1
cm adalah 30 cm/s. Hitunglah kecepatan rata-rata
darah tersebut ketika melalui pembuluh kapiler yang
masing-masing berjari-jari 4 x 10-4 cm dan luas
permukaan total 2000 cm2.
Persamaan Bernoulli
Kecepatan rendah
tekanan tinggi
Kecepatan tinggi
tekanan rendah
kenapa Selembar kain
tipis ditiup dari bagian
atasnya, ternyata kain
tersebut naik ke atas?
Persamaan Bernoulli (lanjutan)
P2
v2
P1
h1
Berdasar konsep kerja – energi
v1
h2
P + ½ v2 + gh = konstan
P1 + ½ρv12 + ρgh1 =P2 + ½ρv22 + ρgh2
Air dipompa dengan kecepatan 0,5 m/s melalui pipa
dengan luas penampang 4 cm di lantai dasar dengan
tekanan 3 atm. Berapakah kecepatan dan tekanan air di
dalam pipa berdiameter 2 cm di lantai atas yang
tingginya 5 m ?
Aliran Viskos
Kenapa aliran sungai
terdapat perbedaan
kecepatan aliran pada titik
tengah dengan pinggir
sungai ?
Adanya gaya gesek antara
fluida dan dinding
Dengan adanya gaya
gesekan ini maka persamaan
Bernoulli perlu direvisi (tidak
dibahas di sini)
Fluida ideal
Fluida real
Sifat fluida
Molekul molekul dalam sebuah benda padat saling mengikat dengan erat,
tetapi pada fluida molekul molekul tersebut dapat lebih bebas bergerak
sehingga dapat melawati satu terhadap lainnya.
Bila pada benda padat kita menyatakan hukum Newton dalam terminologi
massa dan gaya, maka pada fluida kita menyatakannya dalam terminologi
rapatan (densitas) dan tekanan.
Tekanan adalah besar gaya yang diberlakukan pada suatu luas
permukaan tertentu.
 HIRDROSTATIKA
Adalah ilmu perihal zat alir (fluid) yang diam tidak bergerak. Zat alir
adalah zat yang dapat mengalir (cair dan gas). Kerapatan zat alir
( ) dinyatakan dengan massa persatuan volume.
•
• 1. TEKANAN
= m/V, m = V
 Tekanan P adalah gaya normal F persatuan elemen luas S yang
dikena-kan secara tegak lurus pada permukaan.S
P = dF / dS Jika tekanan sama pada semua bidang maka : p =
F/S
atau F = pS
F
Satuan P = Pascal (Pa)
1 Pa = N/m2 ,
S
1 atm = 1,013 x 105 Pa
1 Bar = 105 Pa
Des-11
Fluida/ON/02
27
1
Prinsip Pascal dan Archimedes
 Jika suatu cairan mempunyai permukaan bebas, maka batas inilah
yang merupakan permukaan alami dari mana jarak akan diukur.
Untuk mengubah permukaan referensi ke permukaan puncak,
maka diambil y2 sebagai elevasi permukaan dengan tekanan p2
adalah tekanan atmosfer bumi (po). Sehingga diperoleh :
 po - p = - r g (y2 - y1)
 p = po + r g h ( tekanan sama pada titik pada kedalaman sama)
 Jika tekanan luar pada suatu cairan po dan diperbesar ( po), maka
perubahan tekanan pada seluruh bagian cairan adalah sama
dengan po. Hasil ini dinamakan Prinsip Pascal, sebagai
konsekuensi hukum-hukum mekanika fluida.
 Benda yang sebagian atau seluruhnya dicelupkan di dalam suatu
fluida yang diam, maka fluida akan mengerahkan tekanan pada
tiap-tiap bagian permukaan benda yang bersentuhan dengan fluida.
Benda akan mengalami gaya apung sebesar berat fluida yang
dipindahkan (Prinsip Archimedes).
3
DINAMIKA FLUIDA
 Gerak fluida dipresentasikan dengan melihat massa jenis
(x,y,z,t) dan kecepatan v(x,y,z,t) di titik (x,y,z) pada waktu t.
 Karakteristik aliran fluida
Aliran Tunak (Steady) : kecepatan setiap partikel fluida
sama
Aliran Berolah (rotational) :
Aliran Termampatkan (compressible) :
Aliran Kental (viscous) : adanya gaya gesek di dalam
gerak relatif benda padat yang merupakan gaya-gaya
tangensial diantara lapisan fluida.
 Dalam dinamika fluida dibatasi pada sifat aliran tunak, tak
berolah, tak termampatkan dan tak kental.
5




Gaya dan kerja pada sistem :
F1 = P1 A1 ; W1 = P1 A1 L1 ,
F2 = - P2 A2
F3 = m g
; W3 = m g (y2 - y1)
W = P1 A1 L1- P2 A2 L2 + mg (y2 - y1)
; W2 = - P2 A2 L2
 Sifat kontinuitas : A1 L1 = A2 L2 , A L = m/ [ konstan]
Tenaga Potensialnya : W = m/ (P2 - P1 ) - mg (y2 - y1),
Tenaga Kinetiknya : K = 1/2 m v2 2 - 1/2 m v1 2
 Menurut asas kekekalan tenaga diperoleh :
 m/ (P2 - P1 ) - mg (y2 - y1) = 1/2 m v2 2 - 1/2 m v1 2
 P1 + - 1/2 v12 + gy1 = P2 + 1/2 v2 2 + gy2
atau :

 Fluida diam :

P + 1/2
v2 + gy = konstan [ Persamaan Bernoulli]
P1 + gy1 = P2 + gy2
8