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 ρ = m 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 P h Contoh 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 (287-212 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 r w 2r
FLUIDA BERGERAK
Karakteristik Aliran Laminer ~ kecepatan aliran rendah Turbulen ~ kecepatan aliran tinggi Permukaan laut Pada kedalaman tertentu
Kontinuitas A1 v1 v2 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 Kecepatan tinggi tekanan tinggi tekanan rendah kenapa Selembar kain tipis ditiup dari bagian atasnya, ternyata kain tersebut naik ke atas?
Persamaan Bernoulli (lanjutan) P2 P1 h1 v1 h2 v2 Berdasar konsep kerja energi 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. = m/v, m = V 1. TEKANAN Tekanan P adalah gaya normal F persatuan elemen luas S yang S dikena-kan secara tegak lurus pada permukaan. P = df / ds Jika tekanan sama pada semua bidang maka : p = F/S atau F = ps Satuan P = Pascal (Pa) 1 Pa = N/m 2, 1 atm = 1,013 x 10 5 Pa 1 Bar = 10 5 Pa Des-11 Fluida/ON/02 27 1 F S
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 y 2 sebagai elevasi permukaan dengan tekanan p 2 adalah tekanan atmosfer bumi (p o ). Sehingga diperoleh : p o - p = - r g (y 2 - y 1 ) p = p o + r g h ( tekanan sama pada titik pada kedalaman sama) Jika tekanan luar pada suatu cairan p o dan diperbesar ( p o ), maka perubahan tekanan pada seluruh bagian cairan adalah sama dengan p o. 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 : F 1 = P 1 A 1 ; W 1 = P 1 A 1 L 1, F 2 = - P 2 A 2 ; W 2 = - P 2 A 2 L 2 F 3 = m g ; W 3 = m g (y 2 - y 1 ) W = P 1 A 1 L 1 - P 2 A 2 L 2 + mg (y 2 - y 1 ) Sifat kontinuitas : A 1 L 1 = A 2 L 2, A L = m/ [ konstan] Tenaga Potensialnya : W = m/ (P 2 - P 1 ) - mg (y 2 - y 1 ), Tenaga Kinetiknya : K = 1/2 m v 2 2-1/2 m v 2 1 Menurut asas kekekalan tenaga diperoleh : m/ (P 2 - P 1 ) - mg (y 2 - y 1 ) = 1/2 m v 2 2-1/2 m v 1 2 P 1 + - 1/2 v 1 2 + gy 1 = P 2 + 1/2 v 2 2 + gy 2 atau : P + 1/2 v 2 + gy = konstan [ Persamaan Bernoulli] Fluida diam : P 1 + gy 1 = P 2 + gy 2 8