Pertemuan 1 PENDAHULUAN Konsep Mekanika Fluida dan Hidrolika OLEH : ENUNG, ST.,M.Eng TEKNIK SIPIL POLITEKNIK NEGERI BANDUNG 2012 1
SILABUS PERTEMUAN MATERI METODE I -PENDAHULUAN -DEFINISI FLUIDA -SIFAT-SIFAT FLUIDA -DIMENSI DAN SISTEM SATUAN -CERAMAH -DISKUSI 2 -TEKANAN FLUIDA -ALAT UKUR MANOMETER 3 -HIDROSTATIK PADA BIDANG VERTIKAL -HIDROSTATIK PADA BIDANG HORIZONTAL -HIDROSTATIK PADA BIDANG MIRING -HIDROSTATIK PADA BIDANG LENGKUNG -CERAMAH -LATIHAN SOAL -CERAMAH -LATIHAN SOAL 4 -BUOYANCY DAN STABILITAS BENDA MENGAPUNG -CERAMAH -LATIHAN SOAL 5 UTS 6 PRAKTIKUM PRAKTIKUM DI LAB HIDROLIKA 7 PRAKTIKUM PRAKTIKUM DI LAB HIDROLIKA
PERTEMUAN MATERI METODE 8 MATERI HIDRODINAMIKA 9 (IIN KARNASIH,ST.,MT) 10 11 12 13 3
PENILAIAN TUGAS/QUIZ : 10% UTS : 30% UAS : 35% PRAKTIKUM : 25% 4
Objektif Perilaku Siswa Pada akhir pertemuan ini mahasiswa dapat menjelaskan definisi fluida,sifat-sifat fluida, dimensi dan sistem satuan di kelas dengan tepat dan benar 5
Outline Materi - PENDAHULUAN - DEFINISI FLUIDA - SIFAT-SIFAT FLUIDA - DIMENSI DAN SISTEM SATUAN 6
DEFINISI - Fluida adalah zat yang berubah bentuk secara terus menerus apabila terkena tegangan geser. - Gaya geser adalah komponen gaya yang menyinggung permukaan, dan gaya ini yang dibagi dengan luas permukaan tersebut 7
MEKANIKA FLUIDA HIDROLIKA HIDROLIKA SALURAN TERTUTUP (PEMIPAAN) HIDROLIKA SALURAN TERBUKA 8
MEKANIKA FLUIDA STATIKA FLUIDA DINAMIKA FLUIDA 9
Mekanika Fluida : Cabang ilmu mekanika yang mempelajari fluida dalam keadaan diam atau bergerak. Mekanika Fluida : Pengembangan dari ilmu hidrodinamika klasik dengan hidrolika eksperimen. Hidrolika Klasik : Aplikasi ilmu matematika untuk menganalisis aliran fluida. Ilmu ini mempelajari tentang gerak zat cair ideal yang tidak mempunyai kekentalan. 10
Hidrodinamika : ilmu yang mempelajari tentang gerakan air dan gaya yang ditimbulkannya Hidrolika : ilmu terapan dari hidrodinamika, sifatnya empiris. 11
Definisi hidrolika Hidrolika : Hydor berasal dari bahasa Yunani yaitu cabang ilmu teknik yang mempelajari perilaku air dalam keadaan diam dan bergerak. Dalam hidrolika dipelajari : - aliran pada saluran tertutup - Aliran saluran terbuka/ Open channel flow 12
Mekanika Fluida : lebih luas; mempelajari perilaku cair dan gas Pada mekanika fluida : dipelajari perilaku fluida dalam keadaan diam (statistika fluida) dan fluida dalam keadaan bergerak (dinamika fluida). 13
Pada statika fluida : Fluida adalam dalam keadaan diam dimana tidak ada tegangan geser yang bekerja pada partikel fluida tersebut 14
Dinamika fluida : mempelajari tentang gerak partikel zat cair karena adanya gaya-gaya luar yang bekerja padanya. Contoh aplikasi dinamika fluida adalah aliran melalui pipa dan saluran terbuka, pembangkit tenaga mekanis pada turbin air, uap dan gas, pompa hidralis dan kompresor, gerak pesawat di atmosfer, dan sebagainya. Analisis perilaku aliran fluida didasarkan pada hukum dasar mekanika terapan tentang konsevasi massa, energi, momentum, dan beberapa konsep serta persamaan lainnya. Seperti: hukum newton tentang kekentalan, konsep panjang campur (Mixing Length) dan sebagainya. 15
SIFAT-SIFAT FLUIDA 1.Kemampatan cairan ( Modulus Elastisitas, E), adalah : Perbandingan perubahan tekanan satuan terhadap perubahan volume yang terjadi persatuan volume, satuannya [N/m 2 ]. ΔP PΔP ΔV VVvV V air Keterangan : E = modulus elastisitas air [N/m 2 ] ΔP = perubahan tekanan [N/m 2 ] ΔV= perubahan volume [m 3 ] V = Volume [m 3 ]
2. Rapat Massa (ρ) adalah massa air persatuan volume, satuannya adalah [kg/m 3 ]. Keterangan : ρ = rapat massa [kg/m 3 ] m = massa [kg] V = Volume [m 3 ] 3. Berat Jenis /Berat Spesifik (γ) adalah : berat air persatuan volume atau fungsi langsung dari percepatan grafitasi setempat, satuannya adalah [N/m 3 ]. Keterangan : γ = berat jenis [N/m 3 ] ρ = rapat massa [kg/m 3 ] g = grafitasi bumi [= 9,81m/detik 2 ] 17
4. Rapat relatif (rp rl) adalah bilangan murni yang menunjukkan perbandingan antara massa suatu benda dengan massa air Keterangan : rp rl = rapat relative suatu zat ρs = rapat zat [kg/m 3 ]. ρa = rapat air [kg/m 3 ]. 5. Kekentalan absolut/dinamik (μ) adalah sifat yang menentukan besar daya tahannya terhadap gaya geser, satuannya [Pa.detik]. v F v dv Lempengan bergerak s ds s Lempengan diam Keterangan : τ = tegangan geser [N/m 2 =Pa] dv = perubahan kecepatan [m/detik] ds = perubahan jarak [m] μ = kekentalan absolut/dinamik [Pa.detik] Gambar 1.2 Lempengan pelat Newton 18
6. Kekentalan kinematik (ν) adalah perbandingan kekentalan absolut/dinamik dengan kerapatan massa, satuannya [m 2 /detik]. Keterangan : μ = kekentalan absolut/dinamik [Pa.detik] ρ = rapat massa [kg/m 3 ] ν = kekentalan kinematik [m 2 /detik] 7. Tarikan Permukaan (σ), adalah kerja yang harus dilakukan untuk membawa molekul dari dalam cairan ke permukaan, satuannya adalah [N/m] udara Air Air raksa Gambar. Tarikan Permukaan pada air dan air raksa 19
8. Kapilaritas, adalah naik/turunnya cairan dalam suatu tabung kapiler (zat yang berpori) yang disebabkan oleh tarikan permukaan, adhesi dan kohesi. Contoh : Aliran air tanah, batu bata yang direndam dalam air, dll. 20
DIMENSI DAN SATUAN Dimensi : besaran terukur, yang menunjukkan karakteristik suatu obyek, seperti: massa, panjang, waktu, temperatur, dan sebagainya. Satuan adalah suatu standar untuk mengukur dimensi. Misalnya: satuan untuk: massa, panjang dan waktu adalah kilogram (Kg), meter (m) dan detik (dt). 21
Di Indonesia masih sering digunakan sistem satuan MKS, dimana ukuran dasar untuk: Panjang : m Massa : kg Waktu : detik Satuan yang diturunkan dari satuan-satuan tersebut di atas antara lain : Gaya : Newton Volume : m 3 Percepatan : m/det 2 Tekanan : N/m 2 = Paskal (Pa) Energi/Kerja : Nm = Joule (J) 22
Suatu variabel dapat dibedakan berdasarkan dimensinya menjadi : geometrik dengan dimensi L kinematik dengan dimensi L,T dinamik dengan dimensi M,L,T dan variable tak berdimensi. 23
Contoh : Variabel panjang mempunyai dimensi L dengan satuan dalam SI adalah m, sedangkan luas mempunyai dimensi L 2 dengan satuan dalam SI adalah m 2. Kedua variabel tersebut termasuk variabel geometrik karena dimensinya hanya berupa L. Untuk kecepatan mempunyai dimensi L/T dengan satuan SI adalah m/detik, variabel ini termasuk dalam katagori variabel kinematik. Kerapatan massa (density) mempunyai dimensi M/L 3 dengan satuan dalam SI adalah kg/m 3, termasuk variabel dinamis. Bilangan Froude termasuk variable tak berdimensi. Secara lebih lengkap variable geometrik, kinematik, dinamik, dan tak berdimensi ditunjukkan pada tabel berikut ini. 24
Variabel Simbol Dimensi Satuan SI Geometrik (L) Panjang l, x, y, dst. L m Luas A L 2 m 2 Volume V L 3 m 3 Kinematik (L,T) Kecepatan V L / T m/detik Percepatan a, g L / T 2 m/detik 2 Debit spesifik q L 2 / T m 2 /detik Debit Q L 3 / T m 3 /detik Kekentalan kinematik L 2 / T m 2 /detik Dinamik (M,L,T) Massa m M kg Gaya F M.L / T 2 kg.m/detik 2 = Newton Tekanan p M / (L.T 2 ) N/m 2 = Paskal Tegangan t M / (L.T 2 ) N/m 2 = Paskal Energi/Kerja E M.L 2 / T 2 N.m = Joule Tenaga/Kekuatan P M.L 2 / T 3 N.m/detik = Watt Kerapatan massa M / L 3 kg/m 3 Berat jenis g M / (L 2. T 2 ) N/m 3 Kekentalan dinamis M / (L.T) kg/(m.detik) Tak berdimensi Kemiringan S - - Kerapan relatif s - - Bilangan Reynolds Re - - Bilangan Reynolds geser Re* - - Bilangan Froude Fr - - Parameter Shields t * - - Konsentrasi C - - 25
FAKTOR-FAKTOR KONVERSI SATUAN Untuk mengkonversi satuan Inggris Luas in 2 645,2 mm 2 ft 2 0,0929 m 2 acre 0,4047 hektar (ha) = 10 4 m 2 Kerapatan slug/ft 2 515,4 kg/m 2 Energi (kerja atau kuantitas kalor) ft.lb 1,356 joule (J) = N.m ft.lb 3,77 x 10-7 kwhr Btu = 778 ft.lb 1055 joule (J) = N.m Kerapatan aliran cfs 0,0283 m 3 /detik = 10 3 ltr/detik mgd = 1,55 cfs 0,0438 m 3 /detik = 10 3 ltr/detik 1000 gpm = 2,23 cfs 0,0631 m 3 /detik = 10 3 ltr/detik Gaya lb 4,448 newton (N) Viskositas kinematik ft 2 /detik 0,0929 m 2 /detik = 104St Panjang in 25,4 mm ft 0,3048 mm mil 1,609 km Massa slug 14,59 kg lb (massa) 453,6 g (massa) Daya ft. Lb/detik 1,356 W = J/detik = N.m/detik hp = 550 ft. Lb/det 745,7 W Tekanan psi 6895 N/m 2 = Pa psf 47,88 N/m 2 Kalor spesifik ft. Lb/(slug) ( o R) 0,1672 N.m/(kg) ( o K) Berat spesifik lb/ft 3 157,1 N/m 2 Kecepatan fps 0,3048 m/detik mph 1,609 km/hr Viskositas lb. Detik/ft2 47,88 N. detik/m 2 = 10 P Volume ft 3 m 3 KUANTITAS PENTING Faktor pengali U.S. gallon = 0,1337 ft 3 g = 10-3 m 3 Satuan Inggris atau US Menjadi satuan SI Satuan SI Percepatan gravitasi 32,2 ft/detik 2 9,81 m/detik 2 Kerapatan air (39,4 o F, o C) 1,34 slug/ft 3 1000 kg/m 3 = g/cm 3 = 1,94 lb.ft 2.detik -4 atau 1,0 Mg/m 3 Berat air spesifik (39,4 o F, o C) 62,4 lb/ft 3 9810 N/m 3 = 9,810 kn/m 3 Atmosfir level laut standar 14,7 psia 101,32 kn/m 2, abs 29,92 in. Hg 760 mm.hg 33,9 ft.h 2 O 10,33 m H 2 O 33,9 ft.h 2 O 1013,2 milibars 26
Aplikasi Hukum Newton II Mempelajari/ menjelaskan semua gerak yang ada di alam yang menyatakan bahwa laju perubahan momentum (massa m x kecepatan v ) adalah berbanding langsung dengan gaya yang bekerja dan dalam arah yang sama dengan gaya tersebut. apabila; m =konstan, maka gaya akan sebanding dengan perkalian antara massa dan laju perubahan kecepatan (v), yaitu percepatan (a); 27
Dalam sistem MKS, satuan massa adalah kilogram massa (Kgm). Satuan gaya adalah kilogram gaya (Kgf). Kedua satuan tersebut mempunyai hubungan dalam bentuk: 28
Selain sistem satuan Mks, digunakan juga bahasa satuan internasional tunggal yang disebut System International Unite (SI). Pada sistem SI : satuan massa adalah Kilogram, Satuan gaya adalah Newton (N) 1 (satu) Newton adalah gaya yang bekerja pada benda dengan massa 1 Kg dan menimbulkan percepatan 1 m/d2. 29
Konversi satuan gaya antara sistem MKS dan SI 30
Contoh : Berapakah gaya yang bekerja yang harus diberikan pada benda dengan massa 100 Kg dan percepatan 10m/d2. Penyelesaian: Dihitung berdasarkan hukum Newton II: 31