Pengertian Fluida Dinamis

Pengertian Secara Umum

Fluida merupakan salah satu hal yang penting dalam kehidupan sehari-hari. Susu, minyak, air termasuk zat cair dan dapat dikelompokan dalam fluida.

Zat gas juga termasuk dalam fluida karena dapat mengalir dari satu tempat ke tempat yang lain. Salah satu kajian mekanika fluida yaitu fluida dinamis.

Fluida dinamis dapat diartikan sebagai suatu zat yang dapat bergerak dan memiliki kecepatan yang beragam serta tidak mengalami perubahan volume.

Pengertian Menurut Kamus Besar Bahasa Indonesia

Menurut Kamus Besar Bahasa Indonesia (KBBI) fluida adalah suatu benda seperti air atau gas yang berubah bentuknya oleh pengaruh gaya geser.

Sedangkan dinamis memiliki makna cepat bergerak dan mudah menyesuaikan diri dengan keadaan dan sebagainya.   

Sifat Fluida Dinamis

Fluida dinamis merupakan fluida yang dapat bergerak secara dinamis dan memiliki kecepatan. Fluida dinamis memiliki sifat yang membedakan dengan fluida lainnya.

Terdapat beberapa sifat fluida dinamis, diantarnya yaitu tidak kompresibel, tidak mengalami gesekan, memiliki aliran stasioner dan tunak (steady).

Fluida dinamis memiliki kerapatan yang tidak berubah-ubah. Pada fluida dinamis, gerakan antar partikel fluida dibiarkan, sehingga tidak menimbulkan gesekan.

Kecepatan pada fluida dinamis memiliki sifat tunak, yaitu kecepatan masing-masing partikel fluida pada setiap titik biasanya konstan. Fluida dinamis tidak memiliki rotasi atau momentum sudut.

Jenis Aliran Fluida Dinamis

Fluida dinamis yang dapat bergerak mempunyai dua jenis aliran. Aliran fluida dinamis diantaranya yaitu aliran laminer (steady) dan aliran turbulen (turbulent).

Pada fluida dinamis, masing-masing partikel yang memiliki aliran laminer (steady) akan mengalir secara sistematis dan teratur. Aliran laminer yang konstan biasanya dialami oleh aliran fluida pada kecepatan rendah.

Partikel dalam aliran laminer juga tidak berubah. Kebalikan dari sifat aliran laminer yang tidak berubah, fluida dinamis aliran turbulen (turbulent) memiliki aliran yang tidak sistematis serta jalan partikel-partikel yang berubah-ubah dan beragam.

Ketika fluida mengalami kecepatan aliran yang tinggi, aliran turbulen (turbulent) menimbulkan pusaran-pusaran air.

Hukum Fluida Dinamis

Fluida memiliki hukum yang mendasari fluida itu sendiri. Hukum tersebut digunakan sebagai landasan untuk menopang dan membuktikan cara kerja dari fluida.

Fluida dinamis memiliki dua jenis hukum yang berlaku, diantaranya yaitu Hukum Kontinuitas dan Hukum Bernoulli.

Hukum Kontinuitas berpendapat bahwa debit air yang mengalir di setiap titik memiliki sifat konstan dan tidak berubah.

Fenomena Hukum Kontinuitas dalam kehidupan sehari-hari misalnya aliran air yang mengalir pada selang air.

Hukum Bernoulli merupakan hukum yang berdasarkan pada hukum kekekalan energi yang dialami oleh aliran fluida. Hukum Bernoulli ditemukan oleh ilmuwan asal Jerman yaitu Daniel Benoulli.

Hukum Bernoulli memiliki hitungan jumlah tekanan, energi kinetik dan energi potensial per satuan volume mempunyai nilai yang sama pada setiap titik suatu garis arus.

Hukum Bernoulli memiliki beberapa syarat yang dapat digunakan pada berbagai jenis fluida. Syarat-syarat tersebut yaitu:

• Fluida memiliki sifat incompressible
• Fluida tidak memiliki viskositas
• Aliran fluida tetap
• Tidak adanya gesekan dan hilang energi
• Tidak ada transfer energi kalor

Fenomena Hukum Bernoulli dalam kehidupan sehari-hari dapat ditemui pada alat semprot parfum dan disinfektan serangga.

Rumus Fluida Dinamis

Rumus digunakan untuk mengukur suatu ketepatan pada fluida. Rumus pada fluida dinamis yaitu rumus debit, rumus persamaan kontinuitas, dan rumus persamaan Bernoulli.

Rumus Debit

Rumus debit digunakan untuk mengukur jumlah volume fluida yang mengalir dalam satuan waktu.

Rumusnya adalah:

Q = V/t dan Q = Av. 

Q: debit (m³/s)
V: volume (m³)
t: waktu (s)
A: luas penampang (m²)
v : kecepatan aliran (m/s).

Rumus Persamaan Kontinuitas

Rumus persamaan kontinuitas merupakan rumus yang digunakan untuk mengukur persamaan yang menghubungkan kecepatan fluida dari satu tempat ke tempat yang lain.

Rumusnya adalah:

Q1 = Q2 dan A1v1 = A2v2

Rumus Persamaan Bernoulli

Rumus persamaan Bernoulli merupakan rumus yang digunakan untuk mengukur bahwa jumlah tekanan, energi kinetik dan energi potensial adalah sama.

Rumusnya adalah:

P + 1/2  pv2 + pgh = konstan
P1 + 1/2   pv12 + pgh1 = P2 + 1/2  pv22 + pgh2. 

Keterangan:
P₁ : tekanan pipa 1 (N/m²)
P₂ : tekanan pipa 2 (N/m2)
p₁ : massa jenis pipa 1 (kg/m³)
p₂ : massa jenis pipa 2 (kg/m³)
v₁ : kecepatan fluida di pipa 1 (m/s)
v₂ : kecepatan fluida di pipa 2 (m/s)
h₁ : ketinggian penampang pipa 1 dari titik acuan (m)
h₂ : ketinggian penampang pipa 2 dari titik acuan (m)
g : percepatan gravitasi (m/s²).

Contoh Soal Fluida Dinamis

Berikut merupakan contoh soal dari fluida dinamis beserta pembahasannya.

1. Suatu pipa mengalirkan air dengan debit 0,5 m³/s. Massa air yang keluar dari pipa tersebut selama 10 detik adalah….

Pembahasan:

Q   = V / t
0,5 = V / 10
V   = 5 m2

Massa air yang keluar selama 10 detik adalah

p = m / V
5.000 = m / 5
m      = 1000 kg.

Jadi, massa air yang keluar selama 10 detik yaitu 1.000 kg.

2. Tekanan yang dibutuhkan oleh sebuah pompa yang diletakkan di atas tanah untuk menghantarkan air pada ketinggian 5 meter di atas tanah agar dapat keluar dengan kecepatan 2 m/s adalah sebesar….

Pembahasan:

P1  = pgh2  + 1/2  pv2/2
= 1000 . 10 . 5 + 1/2  . 1000 . 22 
= 50.000 + 2.000
= 5,2 x 104

Jadi, tekanan yang dibutuhkan sebesar 5,2 x 10⁴  Pa.

The post Fluida Dinamis: Pengertian – Rumus dan Contoh Soal appeared first on HaloEdukasi.com.

Fluida merupakan zat yang bisa mengalir dan berubah bentuk atau bisa dimampatkan apabila diberi tekanan. Zat yang termasuk ke dalam fluida adalah zat cair dan gas.

Jenis Fluida

Fluida ada dua jenis, yaitu fluida yang tidak mengalir (statis) dan fluida yang mengalir (dinamis)

Fluida Tak Mengalir (Statis)

Fluida statis adalah fluida yang berada dalam kondisi diam atau tidak bergerak atau dalam keadaan bergerak tetapi dengan kecepatan yang sama sehingga tidak terjadi gaya geser antar partikel-partikelnya.

Contoh dari fluida statis adalah air diam yang berada di dalam bak mandi.

Fluida memiliki sifat-sifat fisis yang mudah diamati ketika fluida dalam keadaat statis. Sifat-sifat fisis fluida antara lain:

• Massa jenis
• Tegangan permukaan
• Kapilaritas
• Viskositas

Beberapa perlu diketahui  terkait dengan fluida statis antara lain:

Tekanan Hidrostatis

Tekanan hidrostatis terjadi akibat gaya berat fluida yang ada di atas suatu titik di dalam fluida. Rumus dari tekanan hidrostatis adalah: 

Keterangan:

Ph = tekanan hidrostatis (N/m’)
ρ =  massa jenis fluida (kg/m³)
g = percepatan gravitasi (m/s²)
h =  kedalaman titik dari permukaan fluida (m).

Contoh soal:

Sebuah tabung setinggi 20 cm penuh berisi air dengan massa jenis 1.000 kg/m³. Hitunglah tekanan hidrostatis di dasar tabung bila percepatan gravitasi adalah 10 m/s².

Jawab:

h = 20 cm = 0,2 m
ρ = 1000 kg/m³
g = 10 m/s²
P_{h =} ρ x g xh = 1000 x 10 x 0,2 = 2.000 N/m²

Tekanan Total

Tekanan total adalah tekanan yang melibatkan perhitungan udara luar. Tekanan total biasa juga disebut dengan tekanan mutlak. Rumusnya adalah:

Keterangan :

P_o adalah tekanan udara luar (1 atm = 1,013 x 10⁵ N/m²)
P_A adalah tekanan total / tekanan mutlak di titik A

Contoh soal :

Tentukanlah tekanan total di bawah permukaan air dengan kedalaman 10 cm jika tekanan udara luar adalah 1 atm dan percepatan gravitasi adalah 10 m/s².

Jawab:

P_A = P_o + ρ x g xh = 1,013 x 10⁵ + 1000 x 10 x 0,1 = 1,023 x 10⁵ N/m²

Hukum Pascal

Hukum Pascal menyatakan bahwa :

“Tekanan yang diberikan pada zat cair di dalam ruang tertutup akan diteruskan oleh zat cair itu ke segala arah dengan sama besar”

Secara matematis, rumus hukum pascal adalah:

Dimana:

F₁ adalah gaya pada pipa 1
A₁ adalah luas penampang pipa 1
F₂ adalah gaya pada pipa 2
A₂ luas penampang pipa 2

Contoh pemanfaatan hukum pascal adalah pada alat dongkrak hidrolik, mesin pres hidrolik, rem hidrolik, dan mesin hidrolik untuk mengangkat mobil.

Contoh soal:

Dua buah penghisap dari alat hidrolik mempunyai luas penampang masing-masing sebesar 2x 10^-1 m² dan 4 x 10^-4 m². Alat tersebut akan digunakan untuk mengangkat sebuah mobil yang beratnya 3 x 10⁴ N. Hitunglah gaya yang harus diberikan kepada penghisap yang lebih kecil!

Jawab:

Hukum Archimedes

Berdasar hukum archimedes yang berbunyi:

“Sebuah benda dicelupkan pada zat cair maka benda tersebut akan mendapatkan gaya ke atas atau gaya apung sebesar berat zat cair yang dipindahkan”. 

Maka persamaan hukum ini bisa dituliskan sebagai berikut :

Dimana:

F_A adalah gaya tekan ke atas (N)
ρ_t adalah massa jenis fluida (kg/m³)
V_bf adalah volume benda yang tercelup ke dalam fluida (m³)
g adalah percepatan gravitasi (m/s²)

Ada tiga kondisi benda yang tercelup ke dalam fluida, yaitu:

• Terapung, yaitu apabila benda yang tercelup ke dalam fluida memiliki massa jenis lebih kecil daripada massa jenis fluida ( ρ_{b <}  ρ_f).
• Melayang, yaitu apabila massa jenis benda yang dicelupkan ke dalam fluida sama dengan massa jenis fluida tersebut ( ρ_{b =} ρ_f).
• Tenggelam, yaitu apabila massa jenis benda yang dicelupkan ke dalam fluida lebih besar dibandingkan massa jenis fluida tersebut (ρ_{b >} ρ_f).

Adapun persamaannya adalah sebagai berikut :

Keterangan :

V_bf = Volume benda yang tercelup ke dalam fluida (m³)
V_b = Volume benda (m³)
h_bf = tinggi benda yang tercelup ke dalam fluida (m)
h_b = tinggi benda (m)
ρ_b = massa jenis benda (kg/m³)
ρ_f = massa jenis fluida (kg/m³)

Contoh soal:

Sebuah balok dimasukkan ke dalam air sehingga menenggelamkan ¾ bagian dari balok. Tentukan massa jenis dari balok tersebut!

Jawab:

Kapilaritas

kapilaritas merupakan peristiwa naik turunnya permukaan zat cair dalam sebuah pipa kapiler.

Persamaan dari kapilaritas adalah sebagai berikut:

Keterangan:

h = kenaikan atau penurunan zat cair dalam pipa kapiler (m)
ɤ= tegangan permukaan zat cair (N/m)
g = percepatan gravitasi (m/s²)
r = jari-jari alas pipa (m)

Contoh Soal:

Sebuah pipa dengan jari-jari 0,5 cm dimasukkan dengan posisi vertikal ke dalam air dengan sudut kontak 60˚. Apabila tegangan permukaan pada air adalah 0,5 N/m dan percepatan gravitasi adalah 10 m/s². Tentukanlah ketinggian air yang naik ke dalam pipa tersebut!

Jawab:

Fluida Mengalir (Dinamis)

Fluida dinamis adalah fluida yang mengalami pergerakan secara kontinyu atau terus menerus terhadap sekitarnya.

Fluida ideal adalah fluida yang:

• Incompressible (tidak kompresibel), yakni massa jenis dan volumenya tidak berubah akibat tekanan yang diberikan.
• Fluida berpindah tanpa mengalami gesekan dengan dinding pipa dimana fluida mengalir.
• Aliran fluida bersifat stasioner, yakni kecepatan alirannya di sembarang titik berubah terhadap waktu. Dengan kata lain selama mengalir tidak ada fluida yang akan mendahului atau memotong titik lainnya.

Beberapa hal yang perlu diketahui terkait dengan fluida dinamis adalah:

Debit dan Persamaan Kontinuitas

Debit adalah banyaknya volume fluida yang mengalir melalui sebuah penampang tiap satuan waktu.

Persamaan debit secara matematis adalah:

Keterangan:

Q = Debit aliran fluida (m³/s)
V = Volume fluida yang mengalir (m³)
t = waktu (s)
A = Luas penampang fluida (m²)

Adapun persamaan perbandingan antara dua penampang adalah :

Contoh soal:

Sebuah pipa memiliki ujung-ujung penampang yang masing-masing ukurannya adalah 100 mm² dan 200 mm². Pipa tersebut dialiri air dari penampang yang lebar ke penampang yang kecil. Jika kecepatan aliran air pada saat di penampang besar adalah 2 m/s, maka tentukan:

1. Berapa kecepatan aliran air saat di penampang kecil?
2. Berapa banyaknya volume air yang mengalir tiap menit?

Jawab :

1. Kecepatan aliran air

A₁ x V₁ = A₂ x V₂

200 x 2 = 100 x V₂

Maka  = 4 m/s

2. Volume air

Hukum Bernoulli

Hukum Bernoulli menyebutkan bahwa jumlah tekanan, energi potensial, dan energi kinetik per satuan volume mempunyai nilai yang sama di tiap titik di sepanjang aliran fluida ideal.

Adapun persamaannya bisa dituliskan sebagai berikut:

Keterangan :

P = tekanan (N/m²)
V = kecepatan aliran fluida (m/s)
g = percepatan gravitasi (m/s²)
h = ketinggian pipa dari tanah (m)
ρ = massa jenis fluida (kg/m³)

Terkait dengan hukum Bernoulli, perlu juga diketahui tentang gaya angkat pada sayap pesawat dan teorema Toricelli.

• Gaya angkat pada sayap pesawat

Besarnya gaya angkat sayap pesawat terbang dirumuskan sebagai berikut:

Keterangan :

F₁-F₂ = Gaya angkat pesawat terbang (N)
A = Luas penampang pesawat (m²)
V₁ = Kecepatan udara di bagian bawah sayap pesawat (m/s)
V₂ = Kecepatan udara di bagian atas sayap (m/s)
ρ = Massa jenis fluida (kg/m³)

Contoh soal:

Sebuah pesawat terbang dengan luas permukaan sayap 50 m² dengan kecepatan tertentu sehingga udara mengalir melalui bagian atas sayap dengan kelajuan 320 m/s dan melalui bagian bawah sayap dengan kelajuan 300 m/s. Tentukan besar gaya angkat pada sayap pesawat tersebut jika massa jenis udara adalah 1,3 kg/m³

Jawab:

• Teorema Toricelli

Dalam teorema toricelli dinyatakan bahwa diameter lubang kebocoran pada dinding suatu tangki sangat kecil dibandingkan dengan diameter tangki, kelajuan air yang keluar dari lubang tersebut sama dengan kelajuan yang didapat jika air jatuh bebas dari ketinggian “h”.

Persamaannya adalah sebagai berikut:

Untuk kecepatan aliran air saat pertama kali keluar adalah:

Adapun jarak horizontal jatuhnya air ke tanah adalah:

Contoh Soal:

Sebuah tempat penampungan air yang diletakkan dengan ketinggian 6,8 m dari tanah mengalami kebocoran pada bagian dasarnya. Jika jarak kebocoran dengan tanah adalah 5m dan percepatan gravitasi adalah 10 m/s². Maka tentukanlah kecepatan aliran air yang bocor serta jarak maksimal pancaran air di tanah!

Jawab:

The post Fluida: Pengertian, Jenis dan Contoh Soalnya appeared first on HaloEdukasi.com.