BAB 1 PENDAHULUAN Latar Belakang Perpindahan fluida (cairan atau

BAB 1
PENDAHULUAN
I.
Latar Belakang
Perpindahan fluida (cairan atau gas) di dalam sebuah saluran
tertutup (biasanya disebut sebuah pipa jika penampangnya bundar atau
saluran duct jika bukan) sangat penting di dalam kehidupan sehari-hari.
Jika kita sejenak memerhatian keadaan di sekeliling kita, maka kita akan
menemukan variasi penerapan dari aliran pipa. Penerapan-penerapan
tersebut mencakup berbagai skala penerapan, baik skala kecil maupun
skala besar. Dalam penerapannya yang berkaitan dengan perpindahan
fluida pada pipa dengan skala yang kecil dan kompleks dapat kita temukan
pada sistem peredaran darah manusia dimana penyaluran darah ke seluruh
tubuh serta penyaluran udara keluar ataupun masuk paru-paru yang
dilakukan oleh pembuluh darah manusia. Terdapat juga penerapan pada
pipa buatan manusia seperti pada jalur pipa besar Alaska yang
menyalurkan minyak mentah hampir sejauh 800 mil melintasi Alaska.
Penerapan yang pastinya sering kita lihat adalah penyaluran air di
sepanjang pipa yang terdapat di rumah kita dan sistem distribusi yang
mengirimkan air dari sumur kota ke rumah-rumah. Selain itu, banyak
selang-selang dan pipa-pipa menyalurkan fluida hidrolik atau fluida lainnya
ke berbagai komponen kendaraan-kendaraan dan mesin-mesin. Kualitas
udara di dalam gedung-gedung dijaga pada tingkat yang nyaman dengan
distribusi udara yang terkondisi (dipanaskan, didinginkan, dilembabkan,
atau dikeringkan) melalui suatu jaringan pipa atau saluran duct yang rumit.
Meskipun sistem-sistem tersebut berbeda, prinsip-prinsip mekanika fluida
yang mengatur gerakan fluidanya tetaplah sama. Asumsi-asumsi yang
diberlakukan pada saluran pipa manapun tetaplah sama. Namun, terdapat
beberapa faktor yang mempengaruhi aliran yang terjadi pada suatu
jaringan pipa atau saluran duct. Sebagai contoh yang akan kita bahas
berikut ini merupakan pengaruh viskositas fluida yang mengalir pada suatu
jaringan pipa atau saluran duct.
Tujuan dari penganalisisan pengaruh dari viskositas fluida yang
mengalir pada suatu jaringan pipa atau saluran duct yaitu agar kita dapat
memahami beberapa hal atau fenomena yang terjadi pada aliran fluida
sepanjang suatu jaringan pipa atau saluran duct bila terdapat berbagai
macam fluida dengan berbagai macam sifatnya yang berkenaan dengan
viskositasnya yang mengalir di sepanjang pipa sehingga kita dapat
memberikan beberapa perlakuan, baik pada fluida maupun pada pipa, agar
aliran yang terjadi pada suatu jaringan pipa yang ingin kita instalasi dapat
sesuai dengan keinginan kita dan juga agar penurunan tekanan yang terjadi
pada saluran pipa dapat terjaga dengan baik. Kita akan menggunakan suatu
analisis eksak dari aliran pipa yang paling sederhana (misalnya aliran
laminar di dalam pipa-pipa yang panjang, lurus, dan berdiameter konstan).
II.
Dasar Teori
Seluruh aliran yang terlibat dalam hal ini merupakan aliran pada pipa
yang terisi penuh oleh fluida yang sedang dipindahkan. Jadi, kita tidak
akan meninjau sebuah pipa beton yang dilalui air hujan yang mengalir tanpa
mengisi penuh pipa tersebut, seperti yang ditunjukkan dalam gambar 1.
Gambar 1. (a) Aliran pipa. (b) Aliran kanal-terbuka
Perbedaan antara aliran kanal-terbuka dan aliran pipa adalah pada
mekanisme dasar yang menggerakkan aliran. Untuk aliran kanal-terbuka,
hanya gravitasi yang menjadi gaya penggeraknya (air mengalir menuruni
sebuah lereng). Untuk aliran pipa, gravitasi mungkin memiliki arti penting,
tetapi gaya penggerak utamanya adalah gradien tekanan sepanjang pipa.
Jika pipa tidak terisi penuh dengan fluida, tidaklah mungkin untuk menjaga
perbedaan tekanan, P1 – P2, ini.
Terdapat dua macam aliran fluida pada sepanjang suatu jaringan
pipa atau saluran duct, yaitu aliran laminar dan aliran turbulen. Aliran yang
terjadi pada suatu fluida termasuk laminar atau turbulen dipengaruhi oleh
rasio gaya inersia pada suatu elemen fluida terhadap gaya viskositas pada
elemen fluida tersebut, atau lebih sering dikenal dengan Bilangan
Reynolds. Osborne Reynolds (1842-1912), ilmuwan dan ahli matematika
Inggris, adalah orang yang pertama kali membedakan dua klasifikasi aliran
ini dengan menggunakan sebuah peralatan sederhana seperti yang
ditunjukkan pada gambar 2.
Gambar 2. (a) Eksperimen untuk mengilustrasikan jenis aliran. (b) Guratan zat
pewarna yang khas
Setiap fluida yang mengalir dalam sebuah pipa harus memasuki pipa pada
suatu lokasi. Daerah aliran di dekat lokasi fluida memasuki pipa disebut
sebagai daerah masuk (entrance region) dan diilustrasikan pada gambar 3
berikut ini.
Gambar 3. Daerah masuk aliran sedang berkembang (developing flow) dan aliran berkembang penuh
(fully developed flow) di dalam sebuah pipa
Sebagaimana ditunjukkan pada gambar 3, fluida biasanya memasuki pipa
dengan profil kecepatan yang hampir seragam pada bagian (1). Saat fluida
bergerak melewati pipa, efek viskos menyebabkannya tetap menempel
pada dinding pipa (kondisi lapisan batas tanpa slip). Hal ini berlaku baik
jika fluidanya adalah udara yang relatif inviscid ataupun minyak yang
sangat viskos. Jadi, sebuah lapisan batas (boundary layer) di mana efek
viskos menjadi penting timbul di sepanjang dinding pipa sedemikian hingga
profil kecepatan awal berubah menurut jarak sepanjang pipa sampai fluida
mencapai ujung akhir dari panjang daerah masuk, bagian (2), di mana
setelah di luar itu profil kecepatan tidak berubah lagi.
Aliran tunak berkembang penuh (fully developed steady flow) di
dalam pipa berdiameter konstan mungkin digerakkan oleh gaya-gaya
gravitasi dan atau tekanan. Untuk aliran pipa horizontal, gravitasi tidak
memberikan pengaruh penting kecuali terhadap variasi tekanan hidrostatik
pada pipa yang biasanya diabaikan. Beda tekanan antara satu bagian pipa
horizontal dengan bagian lainnya yang mendorong fluida mengalir melewati
pipa. Efek viskos memberikan efek gaya penghambat yang mengimbangi
gaya tekan secara tepat sehingga memungkinkan fluida mengalir melalui
pipa tanpa percepatan. Dalam hal ini, kita menganalisis aliran tunak
berkembang penuh (fully developed steady flow) pada saluran pipa.