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)

The post Mekanika Fluida: Pengertian, Rumus dan Konsep appeared first on HaloEdukasi.com.

Pascal menyatakan bahwa perubahan tekanan yang terjadi pada fluida, yang berada di dalam ruang tertutup, akan disalurkan ke segala arah.

Sejarah Penemuan Hukum Pascal

Sejarah penemuan Hukum Pascal tidak dapat dilepaskan dari beberapa penemuan yang telah dilakukan oleh para ilmuwan sebelumnya.

Menilik lahirnya Hukum Pascal sekitar tahun 1647-1648an, saat itu, para ilmuwan di Eropa tengah getol-getolnya mengkaji tentang tekanan pada gas.

Gas merupakan fluida yang dapat mengalir sebagaimana halnya air, minyak, susu, uap, bensin, solar, dan asap.

Dipelopori oleh Evangelista Torricelli yang menemukan barometer dengan menggunakan tabung merkuri, kajian terus diikuti oleh ilmuwan lainnya seperti Blaise pascal, Otto von Guericke, Daniel Bernoulli, dan Robert Boyle.

Eksperimen yang dilakukan oleh Torricelli jugalah yang mendorong Blaise Pascal melakukan eksperimen tentang fluida statis yakni salah satu jenis fluida yang memiliki sifat-sifat sebagai berikut.

• Tidak kompresibel, dalam arti tidak akan mengalami perubahan ketika mendapat tekanan
• Tidak mengalami gesekan ketika bergerak
• Aliran fluida bersifat stasioner atau konstan.

Ketika fluida statis tidak mengalir dapat dikatakan bahwa fluida tersebut berada dalam keadaan seimbang statis.

Pada keadaan seimbang statis, gaya yang diberikan di beberapa tempat atau bagian dari  fluida adalah sama dengan nol kecuali jika fluida mulai mengalir.

Untuk menyelidiki hal ini, Pascal kemudian melakukan uji eksperimen dengan menggunakan seperangkat alat dan bahan eksperimen berupa tabung berlubang dengan diameter yang sama.

Tabung yang kemudian dikenal dengan tabung Pascal ini memiliki bagian-bagian berupa piston dan tangkai piston.

Piston berfungsi sebagai pengisap sedangkan tangkai piston berfungsi sebagai pendorong.

Langkah pertama yang dilakukan Pascal adalah mengisi penuh tabung tersebut dengan zat cair. Kemudian, pada piston diberi gaya tekan melalui tangkai piston.

Setelah melakukan pengamatan beberapa kali, hasil eksperimen menunjukkan bahwa tekanan yang diberikan kepada piston diteruskan secara merata ke dalam zat cair di dalam tabung.

Pascal juga mendapati bahwa perubahan tekanan yang diterapkan dalam fluida di ruang tertutup akan diteruskan ke segala arah melalui fluida, termasuk ke dinding tabung.  

Dengan kata lain, jika terjadi perubahan tekanan udara luar pada permukaan zat cair maka tekanan di setiap titik di dalam zat cair akan mendapat tambahan tekanan dalam jumlah yang sama.

Peristiwa ini membuat Pascal menarik kesimpulan sebagai berikut.

Tekanan yang diberikan pada zat cair dalam ruang tertutup akan diteruskan ke segala arah dengan sama besar.

Blaise Pascal

Kesimpulan inilah yang kemudian dikenal sebagai Hukum Pascal.

Pengertian Hukum Pascal

Dengan demikian, yang dimaksud dengan Hukum Pascal adalah salah satu hukum mengenai tekanan fluida statis zat cair dalam ruang tertutup yang dirumuskan oleh seorang ilmuwan berkebangsaan Perancis bernama Blaise Pascal (1623-1662).

Bunyi Hukum Pascal

Adapun bunyi Hukum Pascal adalah sebagai berikut.

Tekanan yang diberikan pada zat cair dalam ruang tertutup akan diteruskan ke segala arah dengan sama besar.

Rumus Hukum Pascal

Hukum Pascal menyatakan bahwa tekanan yang diberikan pada zat cair dalam ruang tertutup akan diteruskan ke segala arah dengan sama besar.

Tekanan adalah gaya tekan yang bekerja pada suatu bidang persatuan luas bidang. Atau secara matematis dinyatakan sebagai berikut.

Keterangan :
P = tekanan (N/m²) atau Pascal (Pa)
F = gaya (N)
A = luas bidang tekan (m²)

Pada ruang tertutup, terdapat dua bidang tekan yakni bidang pengisap dan penghisap.

Yang dimaksud bidang tekan adalah bidang atau permukaan yang dikenai gaya tekan.

Ketika pengisap pertama diberi gaya tekan sebesar F₁ maka zat cair akan menekan atau memberikan tekanan ke atas sebesar pA₁.

Tekanan inilah yang diteruskan secara merata ke segala arah dan ke setiap sudut ruang tertutup, termasuk ke penghisap kedua yang besarnya pA₂ .

Dikarenakan tekanannya sama ke segala arah, maka rumus Hukum Pascal adalah sebagai berikut.

dengan :
F₁ = gaya yang dikerjakan pada pengisap 1 (N)
F₂ = gaya yang dikerjakan pada penghisap 2 (N)
A₁ = luas pengisap 1 (m²)
A₂ = luas penghisap 2 (m²) .

Manfaat Hukum Pascal

Para insinyur menggunakan Hukum Pascal ketika merancang sistem hidrolik yang menggunakan kekuatan cairan untuk melakukan usaha.

Karena itu, manfaat Hukum Pascal secara umum adalah kita dapat mengangkat benda yang memiliki beban yang besar hanya dengan menggunakan gaya yang kecil.

Misalnya:

• Untuk membersihkan mobil di bengkel, mobil diangkat dengan menggunakan pompa hidrolik sehingga mobil dapat dibersihkan secara menyeluruh
• Untuk mengganti ban mobil, biasanya menggunakan dongkrak hidrolik untuk mengangkat mobil sehingga proses penggantian ban mobil dapat dilakukan
• Untuk membantu sistem pengereman pada kendaraan bermotor agar lebih aman digunakan rem hidrolik
• Untuk menggerakkan air ke seluruh jaringan pipa air digunakan sistem distribusi air yang bekerja berdasarkan Hukum Pascal
• Untuk memompa ban, baik ban sepeda, motor, atau mobil biasanya menggunakan pompa hidrolik ban
• Untuk menjelaskan tekanan darah pada pembuluh darah yang bekerja sesuai dengan Hukum Pascal.

Contoh Penerapan Hukum Pascal

Contoh penerapan hukum Pascal dalam kehidupan sehari-hari dapat kita temui dalam berbagai macam perangkat hidrolik.

Perangkat-perangkat hidrolik yang dimaksud di antaranya adalah bejana berhubungan, dongkrak hidrolik, pompa hidrolik, mesin hidrolik pengangkat mobil, mesin penggerak hidrolik, dan rem hidrolik pada mobil.

Adapun prinsip kerja berbagai perangkat hidrolik tersebut adalah sebagai berikut.   

Jika pada permukaan A₁ ditekan dengan gaya F₁ maka zat cair dalam perangkat hidrolik akan mengalami tekanan yang besarnya sebagai berikut.

Menurut Hukum Pascal, tekanan yang diberikan pada zat cair dalam ruangan tertutup akan diteruskan ke segala arah sama besar.

Karena itu, pada ujung permukaan A₂ akan mendapat tambahan tekanan yang sama. Akibatnya, gaya F₂ yang dihasilkan ke atas permukaan A₂ adalah sebesar :

Karena P₁ = P₂, maka :

dengan :
F₁ = gaya yang dikerjakan pada pengisap 1 (N)
F₂ = gaya yang dikerjakan pada penghisap 2 (N)
A₁ = luas pengisap 1 (m²)
A₂ = luas penghisap 2 (m²)

Jika permukaan A₂ lebih luas daripada permukaan A₁, maka gaya dorong pada permukaan A₂ lebih besar daripada gaya yang diberikan di A₁.

Jadi kita dapat mengangkat beban yang beratnya jauh lebih besar yang ditempatkan di permukaan A₂ hanya dengan gaya yang kecil di A₁.

Hal ini dikarenakan adanya gaya jauh lebih besar dan cukup untuk mengangkatnya.

Untuk perangkat hidrolik dengan penampang berbentuk silinder, maka luas permukaan A₁ adalah sebagai berikut.

Adapun luas permukaan A₂ adalah sebagai berikut.

Dari dua persamaan di atas, maka tekanan A₁ dan A₂ adalah sebagai berikut.

Keterangan:
F₁ = gaya pada piston pertama
F₂ = gaya pada psiton kedua
A₁ = luas penampang piston pertama
A₂ = luas penampang piston kedua
d₁ = diameter piston pertama
d₂ = diameter piston kedua.

Contoh Soal dan Pembahasannya

1. Sebuah pompa hidrolik memiliki pipa kecil berjari-jari 4 cm, sedangkan pipa besar berjari-jari 20 cm. Agar beban yang beratnya 4000 N naik setinggi 4 cm, tentukanlah :

a. Gaya yang dikerjakan pada pipa kecil
b. Jarak yang ditempuh pengisap pipa kecil

Penyelesaian:

Diketahui :
r₁ = 4 cm
r₂ = 20 cm
F₂ = 4000 N
h₂ = 4 cm

Ditanya :
a. F₁ = …
b. h₁ = …

Jawab:

Jadi dibutuhkan gaya sebesar 160 N untuk menempuh jarak sejauh 100 cm pada pipa kecil.

2. Bejana berhubungan memiliki luas penampang 15 cm² dan 450 cm². Jika pada penampang kecil ditekan dengan gaya 10 N, maka berapakah massa beban yang dapat diangkat pada penampang besar?

Penyelesaian :

Diketahui :
A₁ = 15 cm²
A₂ = 450 cm²
F₁ = 10 N
g = 10m/s

Ditanya : m =

Jawab :

3. Sebuah dongkrak hidrolik masing-masing penampangnya berdiameter 3 cm dan 120 cm. Berapakah gaya minimal yang harus dikerjakan pada penampang kecil untuk mengangkat mobil yang beratnya 8000 N?

Penyelesaian :

Diketahui :
d₁ = 3 cm = 0,03 m
d₂ = 120 cm = 1,2 m
F₂ = 8000 N

Ditanya : F₁  = …

Jawab :

The post Hukum Pascal: Bunyi – Rumus dan Contoh Soal appeared first on HaloEdukasi.com.