Daftar isi
Pengertian Mekanika Fluida
Mekanika fluida merupakan carabang ilmu mekanika yang mendalami pembahasan mengenai pergerakan dari fluida. Pergerakan ini dapat diamati baik dalam bentuk cairan maupun bentuk gas. Ilmu ini juga mempelajari fluida yang tidak dalam keadaan bergerak ataupun diam.
Mekanika fluida juga dapat didefinisikan sebagai cabanag dari ilmu yang menelaah gaya dan gerakan yang terjadi dalam fluida. Gaya tersebut dapat memproduksi gerakan, begitu pula sebaliknya, gerakan mampu memproduksi gaya.
Gaya dan gerakan selalu berhubungan dengan momentum dan energi. Sebagai contoh kincir angin merupakan mesin fluida atau fluid machinery yang dapat melakukan ekstraksi energi kinetik yang dipunyai oleh udara yang bergerak, kemudian disimpan dalam bentuk energi listrik.
Gaya tersebut juga dapat dikonversi secara langsung menjadi energi mekanis untuk memompa air. Begitu pula sebaliknya, yang terjadi pada kipas angin, yang merupakan mesin fluida yang melakukan konversi dari energi listrik menjadi gerakan udara.
Udara dapat digerakan oleh kipas angin melalui sudu-sudu dengan desain yang sedemikian rupa sehingga fluida dapat dialirkan dan diarahkan dengan baik dalam jumlah sesuai yang diperlukan. Fluida yang tidak bergerak, gaya yang terjadi adalah akibat dari tekanan fluida yang terbatas.
Dalam pengertian awal mengenai mekanika fluida, kajiannya tidak diarahkan pada struktur molekul. Fluida dianggap sebagai satu kesatuan materi yang kontinum atau fluid as continuum yang dapat dibagi menjadi tanpa batasan dengan mengabaikan perubahan perilaku molekul secara individual.
Mekanika kontinum merupakan kajian fisik dari materi kontinum yang terdiri dari mekanika fluida dan mekanika material padat. Kajian ini mengenai materi yang mempunyai dua karakteristik antara fluida dan material padat yang dapat disebut sebagai rheology.
Material tersebut hanya dapat mengalir apabila tegangan geser mencapai nilai kritis untuk material tersebut, sebagai contoh benda di kehidupan sehari-hari adalah pasta gigi dan bahan dempul.
Secara terpisah, fluida sendiri dapat didefinisikan sebagai zat yang dapat bergerak dan mengalami perubahan secara kontinu apabila dikenai tegangan geser atau shear stress. Perubahan yang dimaksud adalah perubahan struktur zat atau deformasi.
Sebagian besar kajian mengenai mekanika fluida berkaitan dengan mekanika kontinum. Secara garis besar, mekanika fluida terbagi menjadi dua yaitu statika fluida yang mempelajari fluida dalam keadaan diam, dan dinamika fluida yang mempelajari fluida dalam keadaan bergerak.
Adapun pendekatan yang digunakan oleh mekanika fluida adalah pendekatan matematika dan bukti empiris guna penyelesaian masalah. Sebagai contoh aplikasi dari mekanika fluida adalah artesis. Artesis merupakan mata air yang keluar sendiri tanpa perlu dipompa.
Contoh lainnya pada pantulan pasca-gletser yang merupakan kenaikan permukaan bumi akibat permukaan salju yang menutupinya menjadi hilang, peristiwa ini sering terjadi di daerah Skandinavia.
Sejarah Mekanika Fluida
Perkembangan teori mekanika fluida terus berkembang, sejak zaman prasejarah manusia bahkan telah memanfaatkan konsep-konsep dasar mekanika fluida. Konsep-konsep ini mulai digunakan pada masa kegiatan manusia dapat mengadakan kegiatan perburuan.
Pada saat itu alat yang digunakan untuk memanfaatkan konsep fluida antara lain pelontar batu, lembing, dan panah. Dalam beberapa kebudayaan prasejarah seperti Mesir dan Mesopotamia, mekanika fluida juga digunakan untuk mengatasi irigasi pertanian dan penggunaan dayung untuk berlayar.
Standar mekanika fluida mempengaruhi ukuran dan bentuk dari benda yang dimanfaatkan untuk alat kebutuhan manusia pada masa itu. Ilmu mekanika fluida pun mulai dikonsepkan secara ilmiah pada beberapa abad sebelum masehi, salah satu tokohnya adalah Aristoteles.
Awal mula mekanika fluida muncul juga dipengaruhi oleh kemunculan ilmu-ilmu sebelumnya. Salah satunya ilmu hidrolika yang melahirkan berbagai penemuan lain yang mempunyai hubungan dengan keseimbangan dan gerakan fluida.
Sekitar tahun 1401 hingga 1500 Masehi, seorang ilmuwan bernama Leonardo da Vinci menjadi orang pertama yang mendalami kajian mengenai ilmu hidrolika. Hasil kajiannya tertulis dalam karya tulis yang berjudul On The Flow of Water and River Structure.
Dalam karyanya, Leonardo da Vinci menuliskan mengenai eksperimen dalam melakukan observasi dan memperoleh pengalaman membangun instalasi hidrolika di Italia dan juga di Florence. Kajian ilmu hidrolika kemudian dilanjutkan oleh seorang tokoh bernama Galileo yang mendalami mengenai dasar-dasar sistematik hidrostatika.
Galileo memiliki murid yang bernama Torricelli yang pada tahun 1643 memperkenalkan hukum mengenai aliran bebas zat cair melewati celah. Lalu, pada tahun 1650, Isaac Newton memperkenalkan hukum pascal.
Hukum pascal merupakan hukum distribusi tekanan dalam zat cair dan dapat dipahami sebagai hukum mengenai gesekan dalam fluida yang mengalir. Selain itu, Isaac Newton juga memperkenalkan teori viskositas dan dasar teori tentang similaritas hidrodinamik.
Namun hukum tersebut hingga pertengahan abad ke-18 dianggap tidak pasti sebab tidak ada ilmu yang benar-benar mendalami kajian sifat fluida. Hingga pada akhirnya, seorang ilmuwan bernama Daniel Bernoulli dan Leonhard Euler memperkenalkan ilmu mengenai dasar teori fluida dan hidrolika.
Mereka bagaikan membawa angin segar bagi perkembangan teori fluida. Daniel Bernoulli merupakan seorang ahli kelahiran Swiss yang memiliki 11 murid menjadi ahli matematik dan teknik. Bernoulli pernah menjadi staff akademik dalam ilmu pengetahuan Rusia yang kemudian menetap di St. Petersburg.
Pada tahun 1738, Daniel Bernoulli membuat karya tulis mengenai hidrodinamika yang merupakan dasar hukum aliran fluida yang menyatakan bahwa terdapat hubungan antara tekanan (p), kecepatan (v), dan head (h) dari fluida. Rumusan tersebut yang kemudian menjadi persamaan dalam prinsip teori mekanika fluida secara umum.
Pada sekitar tahun 1707 seorang pakar bernama Leonhard Euler kelahiran Switzerland. Euler merupakan seorang ahli matematika yang menemukan persamaan diferensial umum aliran fluida ideal, bila diintegralkan menjadi persamaan Bernoulli, yang menjadi tonggak awal metode analisa teoritis dalam bidang mekanika fluida.
Pengkategorian Dalam Mekanika Fluida
Mekanika fluida terbagi menjadi dua macam yaitu fluida statis dan fluida dinamis. Pengkategorian dalam mekanika fluida dapat digambarkan pada diagram di bawah ini.
Fluida statis memiliki sifat diam dan tidak bergerak, sedangkan fluida dinamis dapat bergerak. Dalam fluida dinamis terbagi menjadi dua aliran, yaitu fluida inviscid dan fluida viskos.
Aliran fluida inviscid merupakan aliran dengan viskositas nol atau dianggap nol, dan memiliki perbedaan tegangan geser antara lapisan fluida noe dengan gradien kecepatan arah vertikal sudah tidak terjadi.
Fluida inviscid sering digunakan dalam mekanika fluida yang murni teoritis atau hidrodinamika. Beberapa persamaan yang ada dalam hidrodinamika cenderung mengabaikan viskositas. Pada aliran ini kecepatan fluida tidak dipengaruhi oleh permukaan padat.
Permukaan padat tidak dapat mempengaruhi kecepatan fluida dalam aliran inviscid. Sementara itu dalam fluida statis tidak terjadi tegangan geser, sehingga fluida ini dapat disamakan dengan fluida inviscid.
Sedangkan aliran fluida viskos memiliki kecepatan tepat pada permukaan padat yang tidak bergerak atau nol. Maka dari itu, dapat dikatakan bahwa tidak terjadi slip pada permukaan benda tempat fluida mengalir atau no slip condition.
Hingga batas ketebalan tertentu mulai dari permukaan tempat mengalir terjadi gradien kecepatan hingga jarak vertikal tertentu, yang mana kecepatannya sama dengan kecepatan aliran bebas. Fluida dapat dianggap inviscid ketika bagian kecepatan fluida sudah sama dengan kecepatan aliran bebas.
Turun ke bawah terdapat aliran laminer. Aliran ini merupakan aliran yang mana partikel fluida dapat bergerak sejajar dengan layer atau serat aliran fluida. Sementara itu pada aliran turbulen merupakan aliran yang mana partikel fluida bergerak ke segala arah dengan kecepatan sama atau berbeda terhadap proyeksi sumbu x, y, dan z.
Pada saat partikel mengalami pergerakan, arah perpindahan partikel berpindah dari satu layer ke layer lainnya dengan gerakan yang acak. Profil kecepatan aliran laminer lebih timbul bila dibandingkan dengan aliran turbulen yang memiliki kecepatan lebih datar sebab adanya keseragaman kecepatan pada aliran tersebut.
Selanjutnya fluida compressible merupakan fluida yang densitasnya tau kerapatan massanya dapat berubah-ubah, densitas meningkat apabila menerima tekanan, dan bisa saja menurun apabila mengalami ekspansi.
Sementara itu fluida incompressible merupakan fluida yang apabila dikenai tekanan perubahan kerapatan massanya sangat kecil sehingga diabaikan dan dianggap tidak dapat berubah densitasnya. Kompresor mampu memampatkan udara, sedangkan inkompresibel dapat dicontohkan pada udara yang mengalir di sekitar bodi mobil atau kipas angin.
Kompresi dapat terjadi apabila udara bergerak cepat, meskipun demikian biasanya baru dianggap kompresibel apabila kecepatannya melebihi sepertiga dari kecepatan suara. Air pun dalam berbagai macam aplikasi selalu dikatakan inkompresibel karena perubahan densitasnya sangat kecil.
Selanjutnya lebih ke bawah terdapat aliran internal. Aliran ini merupakan aliran fluida yang dibatasi oleh permukaan padat, sebagai contoh aliran dalam pipa. Sedangkan, aliran eksternal merupakan aliran fluida di sekitar benda padat, benda tersebut direndam oleh aliran fluida.
Sebagai contoh, aliran yang ada pada sekitar bodi mobil dan aliran yang melewati gedung atau bangunan. Adapun aliran dalam saluran terbuka atau open channel flow, merupakan aliran yang tidak termasuk dalam aliran internal maupun eksternal, sebagai contoh aliran yang melewati sungai.
Konsep Mekanika Fluida
Fluida dapat dipahami sebagai suatu zat yang dapat bergerak dan mengalami perubahan secara terus menerus apabila dikenai tegangan geser atau shear stress. Tegangan geser atau shear stress merupakan tegangan pada arah paralel atau yang menyinggung sisi atau permukaan material.
Tegangan tersebut kebalikan dari tegangan normal yang tegak lurus pada permukaan. Pada tegangan geser menyatakan bahwa gaya geser per satuan luas dengan satuan N/m², dengan rumus tegangan geser yang dapat dinyatakan seperti di bawah ini.
Dengan keterangan simbol:
F = gaya geser (N)
A = luasan yang paralel dengan gaya geser (m²)
τ = tegangan geser
Shear strength atau kekuatan geser merupakan batas kekuatan dari suatu material untuk menerima tegangan geser. Shear strength memiliki satuan yang sama dengan shear stress yakni N/m². Istilah stress digunakan untuk menyebut gaya yang bekerja pada luasan tertentu.
Gaya tersebut antara lain tensila stress (tegangan tarik), compressive stres (tegangan tekan), dan shear stress (tegangan geser). Sementara itu, istilah strength digunakan untuk menyatakan batas kekuatan material untuk menahan jenis gaya tertentu tanpa mengalami deformasi permanen.
Gata dalam istilah strength tersebut antara lain yaitu yield strength (kekuatan luluh), tensile strength (kekuatan tarik), fatigue strength (kekuatan lelah), dan compressive strength (kekuatan tekan).
Rumus Mekanika Fluida
Berikut beberapa rumus mekanika fluida.
1. Massa Jenis
ρ = m/V
Dengan keterangan simbol:
m = massa (kg atau g),
V = volume (m3 atau cm3)
ρ = massa jenis (kg/m3 atau g/cm3)
2. Tekanan Hidrostatis
Ph= ρ.g.h
Dengan keterangan simbol:
ρ = massa jenis air (untuk air tawar, ρ = 1.000 kg/m3)
g = besar percepatan gravitasi (percepatan gravitasi di permukaan bumi sebesar g=9,8 atau 10 m/s2)
h = titik kedalaman yang diukur dari permukaan air.
3. Hukum Pascal
P = FA
Dengan keterangan simbol:
F = besarnya gaya (Newton)
A = luasan penampang (m2)