fluida

NAMA            : WAHYU AGUNG PRASETYO

NIM                : 2016.012.0080

KELAS           : TEKNIK 1 C

FLUIDA

Fluida adalah zat yang dapat mengalir. Kata Fluida mencakup zat car, air dan gas karena kedua zat ini dapat mengalir, sebaliknya batu dan benda-benda keras atau seluruh zat padat tidak digolongkan kedalam fluida karena tidak bisa mengalir.
Susu, minyak pelumas, dan air merupakan contoh zat cair. dan Semua zat cair itu dapat dikelompokan ke dalam fluida karena sifatnya yang dapat mengalir dari satu tempat ke tempat yang lain. Selain zat cair, zat gas juga termasuk fluida. Zat gas juga dapat mengalir dari satu satu tempat ke tempat lain. Hembusan angin merupakan contoh udara yang berpindah dari satu tempat ke tempat lain. 
            Fluida merupakan salah satu aspek yang penting dalam kehidupan sehari-hari. Setiap hari manusia menghirupnya, meminumnya, terapung atau tenggelam di dalamnya. Setiap hari pesawat udara terbang melaluinya dan kapal laut mengapung di atasnya. Demikian juga kapal selam dapat mengapung atau melayang di dalamnya. Air yang diminum dan udara yang dihirup juga bersirkulasi di dalam tubuh manusia setiap saat meskipun sering tidak disadari. 

Fluida ini dapat kita bagi menjadi dua bagian yakni:

1.  Fluida Statis (Fluida Diam)

2.  Fluida Dinamis (Fluida Bergerak)

A.   Fluida Statis

Fluida Statis adalah fluida yang berada dalam fase tidak bergerak (diam) atau fluida dalam keadaan bergerak tetapi tak ada perbedaan kecepatan antar partikel fluida tersebut atau bisa dikatakan bahwa partikel-partikel fluida tersebut bergerak dengan kecepatan seragam sehingga tidak memiliki gaya geser.

Ø Massa Jenis

Dalam Fisika, ukuran kepadatan (densitas) benda homogen disebut massa jenis, yaitu massa per satuan volume. Secara matematis, massa jenis dituliskan sebagai berikut.

ρ = m / V

dengan: 

m = massa (kg atau g),

V = volume (m³ atau cm³), dan

ρ = massa jenis (kg/m³ atau g/cm³)

Jenis beberapa bahan dan massa jenisnya dapat dilihat pada Tabel 1. berikut.

Tabel 1. Massa Jenis atau Kerapatan Massa (Density)

Bahan	Massa Jenis (g/cm3)	Nama Bahan	Massa Jenis (g/cm3)
Air	1,00	Gliserin	1,26
Aluminium	2,7	Kuningan	8,6
Baja	7,8	Perak	10,5
Benzena	0,9	Platina	21,4
Besi	7,8	Raksa	13,6
Emas	19,3	Tembaga	8,9
Es	0,92	Timah Hitam	11,3
Etil Alkohol	0,81
Sumber : College Physics, 1980

Ø Tekanan

Tekanan adalah gaya yang bekerja tegak lurus pada suatu permukaan bidang dan dibagi luas permukaan bidang tersebut. Secara matematis, persamaan tekanan dituliskan sebagai berikut.

p = F / A

dengan: 

F = gaya (N),

A = luas permukaan (m²), dan

p = tekanan (N/m² = Pascal).

Persamaanmenyatakan bahwa tekanan p berbanding terbalik dengan luas permukaan bidang tempat gaya bekerja. Jadi, untuk besar gaya yang sama, luas bidang yang kecil akan mendapatkan tekanan yang lebih besar daripada luas bidang yang besar.

Tekanan hidrostatis disebabkan oleh fluida tak bergerak. Tekanan hidrostatis yang dialami oleh suatu titik di dalam fluida diakibatkan oleh gaya berat fluida yang berada di atas titik tersebut. Perhatikanlah Gambar 1.

Gambar 1. Dasar bejana yang terisi dengan fluida setinggi h akan mengalami tekanan hidrostatis sebesar  p.

Jika besarnya tekanan hidrostatis pada dasar tabung adalah p, menurut konsep tekanan, besarnya p dapat dihitung dari perbandingan antara gaya berat fluida (F) dan luas permukaan bejana (A).

p = F / A = gaya berat fluida / luas permukaan bejana

Gaya berat fluida merupakan perkalian antara massa fluida dengan p = (m_fluida x g) / A. Oleh karena m = ρV, persamaan tekanan oleh fluida dituliskan sebagai p = ρVg / A.

Volume fluida di dalam bejana merupakan hasil perkalian antara luas permukaan bejana (A) dan tinggi fluida dalam bejana (h). Oleh karena itu, persamaan tekanan di dasar bejana akibat fluida setinggi h dapat dituliskan menjadi :

p = ρ (Ah)g / A = ρhg

Jika tekanan hidrostatis dilambangkan dengan ph, persamaannya dituliskan sebagai berikut.

p_h = ρ gh

dengan:

ph = tekanan hidrostatis (N/m²),

ρ = massa jenis fluida (kg/m³),

g = percepatan gravitasi (m/s²), dan

h = kedalaman titik dari permukaan fluida (m).

Prinsip tekanan hidrostatis ini digunakan pada alat-alat pengukur tekanan. Alat-alat pengukur tekanan yang digunakan untuk mengukur tekanan gas, di antaranya sebagai berikut.

a)       Manometer Pipa Terbuka

b)       Barometer

c)       Pengukur Tekanan Ban

Ø Tekanan Total

Gambar 6. Tekanan total atau tekanan mutlak yang dialami oleh titik A yang berada di dalam suatu fluida adalah sebesar pA.

Pada permukaan fluida yang terkena udara luar, bekerja tekanan udara luar yang dinyatakan dengan p. Jika tekanan udara luar ikut diperhitungkan, besarnya tekanan total atau tekanan mutlak pada satu titik di dalam fluida adalah

p_A = p₀ + ρ gh

dengan: 

p₀ = tekanan udara luar = 1,013 × 10⁵ N/m², dan

p_A = tekanan total di titik A (tekanan mutlak).

Ø Hukum Utama Hidrostatis

 Gambar tersebut memperlihatkan sebuah bejana berhubungan yang diisi dengan fluida, misalnya air. Anda dapat melihat bahwa tinggi permukaan air di setiap tabung adalah sama, walaupun bentuk setiap tabung berbeda. Hukum Utama Hidrostatis menyatakan bahwa semua titik yang berada pada bidang datar yang sama dalam fluida homogen, memiliki tekanan total yang sama. Jadi, walaupun bentuk penampang tabung berbeda, besarnya tekanan total di titik A, B, C, dan D adalah sama.

Tekanan total di titik A dan titik B sama besar. Menurut persamaan tekanan hidrostatis, besarnya tekanan di titik A dan titik B bergantung pada massa jenis fluida dan ketinggian fluida di dalam tabung. Secara matematis, persamaannya dapat dituliskan sebagai berikut.

p_A = p_B

p₀ + ρ₁gh₁ = p₀ + ρ₂gh₂

ρ₁h₁ = ρ₂h₂

dengan: 

h₁ = jarak titik A terhadap permukaan fluida 1,

h₂ = jarak titik B terhadap permukaan fluida 2,

ρ₁ = massa jenis fluida satu, dan

ρ₂ = massa jenis fluida dua.

Ø Hukum Pascal

Hukum Pascal dapat digambarkan seperti pada Gambar 9.

Gambar 9. Tekanan F1 di pipa satu sama besar dengan gaya angkat di pipa dua.

Tekanan oleh gaya sebesar F₁ terhadap pipa 1 yang memiliki luas penampang pipa A₁ , akan diteruskan oleh fluida menjadi gaya angkat sebesar F₂ pada pipa 2 yang memiliki luas penampang pipa A₂ dengan besar tekanan yang sama. Oleh karena itu, secara matematis Hukum Pascal ditulis sebagai berikut.

p₁ = p₂

F₁ / A₁ = F₂ / A₂          

dengan:

F₁ = gaya pada pengisap pipa 1,

A₁ = luas penampang pengisap pipa 1,

F₂ = gaya pada pengisap pipa 2, dan

A₂ = luas penampang pengisap pipa 2.

Ø Hukum Archimedes

Menurut Archimedes, benda yang dicelupkan sebagian atau seluruhnya ke dalam fluida, akan mengalami gaya ke atas. Besar gaya ke atas tersebut besarnya sama dengan berat fluida yang dipindahkan oleh benda. Secara matematis, Hukum Archimedes dituliskan sebagai berikut.

F_A = ρ_fV_fg

dengan: 

F_A = gaya ke atas (N),

ρ_f = massa jenis fluida (kg/m³),

V_f = volume fluida yang dipindahkan (m³), dan

g = percepatan gravitasi (m/s³).

a.       Terapung

Benda yang dicelupkan ke dalam fluida akan terapung jika massa jenis benda lebih kecil daripada massa jenis fluida (ρ_b < ρ_f). Massa jenis benda yang terapung dalam fluida memenuhi persamaan berikut.

                 atau                

  dengan : 

V_bf = volume benda yang tercelup dalam fluida (m³),

V_b = volume benda (m³),

h_bf = tinggi benda yang tercelup dalam fluida (m),

h_b = tinggi benda (m),

ρ_b = massa jenis benda (kg/m³), dan

ρ_f = massa jenis fluida (kg/m³).

b.       Melayang

Benda yang dicelupkan ke dalam fluida akan melayang jika massa jenis benda sama dengan massa jenis fluida (ρ_b = ρ_f). 

c.       Tenggelam

Benda yang dicelupkan ke dalam fluida akan tenggelam jika massa jenis benda lebih besar daripada massa jenis fluida (ρ_b > ρ_f). Jika benda yang dapat tenggelam dalam fluida ditimbang di dalam fluida tersebut, berat benda akan menjadi

w_bf = w – F_A                     atau         w_bf = (ρ_b – ρ_f) V_bg              dengan: 

w_bf = berat benda dalam fluida (N), dan

w = berat benda di udara (N).

Ø Tegangan Permukaan

Tegangan permukaan didefinisikan sebagai gaya pada permukaan fluida tiap satuan panjang. Besar tegangan permukaan untuk benda yang memiliki satu permukaan adalah:

Dengan F = gaya permukaan (N); L = panjang benda (m); dan gama= tegangan permukaan (N/m). Untuk benda sepanjang L yang memiliki dua permukaan, dengan L = 2 L.maka:

Besarnya tegangan permukaan zat cair juga dipengaruhi oleh keadaan permukaan zat cair, misalnya suhu zat cair. Semakin tinggi suhu zat cair, semakin kecil tegangan permukaannya, dan sebaliknya.

γ = F/d

dengan γ = tegangan permukaan (N/m atay Dyne/cm)
d = panjang permukaan (m atau cm) dimana dilai d adalah = 2l

 Atau

Ø  Kapilaritas

Kapilaritas adalah peristiwa naik atau turunnya permukaan zat cair pada pipa kapiler .

Naik atau turunnya permukaan zat cair dapat ditentukan dengan persamaan berikut.

mg  = F cosθ

ρ Vg  = γ l cosθ

ρ π r2hg = γ 2π r cosθ

dengan: 

h = kenaikan atau penurunan zat cair (m),

γ = tegangan permukaan (N/m),

g = percepatan gravitasi (m/s²), dan

r = jari-jari alas tabung/pipa (m).

Ø Viskositas

   Viskositas merupakan ukuran kekentalan fluida yang menyatakan besar kecilnya gesekan dalam fluida. Semakin besar viskositas fluida, maka semakin sulit suatu fluida untuk mengalir dan juga semakin suatu benda bergerak di dalam fluida tersebut. Koefesien viskositas dinyatakan dalam simbol h yang harga ketetapannya untuk fluida kental adalah  110 x 10^-3 Pa s, sedangkan untuk fluida tidak kental adalah 1.0 x 10^-3 Pas.

      Apabila suatu benda bergerak dengan kelajuan v dalam suatu fluida kental yang koefesien viskositasnya h, maka benda tersebut akan mengalami gaya gesekan fluida sebesar ;

F = k  v

      Dengan k adalah konstanta yang bergantung pada bentuk giometris benda. Berdasarkan perhitungan laboratorium, pada tahun 1845 Sir George Stokes menunjukkan bahwa untuk benda yng bentuk giometrisnya berupa bola, nilai k = 6r. Bila disubtitusikan ke dalam persamaan diatas, maka dapat di peroleh ;

F_x = 6r v

Dengan :

             F_s   = gaya gesekan stokes (N)

          = koefesien viskositas fluida (Pa S)

             r     = jari-jari bola (m)

             v     = kelajuan bola (m/s)

B.    Fluida Dinamis

Fluida dinamis adalah fluida (bisa berupa zat cair, gas) yang bergerak. Untuk memudahkan dalam mempelajari, fluida disini dianggap steady (mempunyai kecepatan yang konstan terhadap waktu), tak termampatkan (tidak mengalami perubahan volume), tidak kental, tidak turbulen (tidak mengalami putaran-putaran).

Ø Debit Aliran

Jumlah volume fluida yang mengalir persatuan waktu, atau:

Dimana :

Q   =    debit aliran (m³/s)

A   =    luas penampang (m²)

V   =    laju aliran fluida (m/s)

Aliran fluida sering dinyatakan dalam debit aliran

 

Dimana :

Q   =    debit aliran (m³/s)

V   =    volume (m³)

t     =    selang waktu (s)

Ø Persamaan Kontinuitas

Air yang mengalir di dalam pipa air dianggap mempunyai debit yang sama di sembarang titik. Atau jika ditinjau 2 tempat, maka:

Debit aliran 1 = Debit aliran 2, atau :

        Q₁ = Q₂

Ø Hukum Bernoulli

Hukum Bernoulli adalah hukum yang berlandaskan pada hukum kekekalan energi yang dialami oleh aliran fluida. Hukum ini menyatakan bahwa jumlah tekanan (p), energi kinetik per satuan volume, dan energi potensial per satuan volume memiliki nilai yang sama pada setiap titik sepanjang aliran fluida ideal. Jika dinyatakan dalam persamaan menjadi :

Dimana :

p   = tekanan air (Pa)

v    = kecepatan air (m/s)

g   = percepatan gravitasi

h    = ketinggian air

Ø Penerapan Hukum Bernoulli

a.       Alat Ukur Venturi

Kecepatan aliran zat cair di dalam pipa dapat diukur dengan persamaan.

                           

b.      Tabung Pitot(Pipa Prandtl)

Tabung pitot digunakan untuk mengukur kelajuan aliran suatu gas di dalam sebuah pipa. Misalnya udara, mengalir melalui tabung A dengan kecepatan v. Kelajuan udara v di dalam pipa dapat ditentukan dengan persamaan :

                     

c.       Gaya Angkat Pada Sayap Pesawat Terbang

Sayap pesawat terbang didesain sedemikian rupa sehingga aliran udara diatasnya lebih cepat daripada aliran udara dibawahnya. Sebagai hasilnya, tekanan diatas pesawat lebih rendah daripada tekanan udara di bawah pesawat sehingga timbul gaya angkat pada pesawat.

Keterangan:              

ρ  = massa jenis udara (kg/m³)

v_a= kecepatan aliran udara pada bagian atas pesawat (m/s)

v_b= kecepatan aliran udara pada bagian bawah pesawat (m/s)

 F = Gaya angkat pesawat (N)

CONTOH SOAL :

1.Sebuah pesawat terbang bergerak dengan kecepatan tertentu sehingga udara yang melalui bagian atas dan bagian bawah sayap pesawat yang luas permukaannya 50 m2 bergerak dengan kelajuan masing-masing 320 m/s dan 300 m/s. Berapakah besarnya gaya angkat pada sayap pesawat terbang tersebut? (ρ udara = 1,3 kg/m3)

Diketahui: A = A = 50 m2, v2 = 320 m/s, v1 = 300 m/s, dan ρ udara = 1,3 kg/m3.

F1 – F2 = 1/2 ρ A (v22 - v11)

½ (1,3 kg/m3)(50 m2)(320 m/s)2 – (300 m/s)2 = 403.000 N

d.       Penyemprotan Parfum dan Obat Nyamuk

Prinsip kerja yang dilakukan dengan menghasilkan laju yang lebih besar pada ujung atas selang botol sehingga membuat tekanan di atas lebih kecil daripada tekanan di bawah. Akibatnya cairan dalam wadah tersebut terdesak ke atas selang dan lama kelamaan akan menyembur keluar.

e.       Kebocoran Pada tangki Dinding

Menurut Hukum Toricelli, jika diameter lubang kebocoran pada dinding tangki sangat kecil dibandingkan diameter tangki, kelajuan air yang keluar dari lubang sama dengan kelajuan yang diperoleh jika air tersebut jatuh bebas dari ketinggian h.

Kecepatan aliran air pada saat kali pertama keluar dari lubang adalah :

Jarak horizontal tibanya air di tanah adalah :

t = √(2H/g)

Keterangan :
v = kecepatan keluar cairan dari lubang
X = jarak mendatar jatuhnya cairan
h = jarak permukaan cairan ke lubang bocor
H = jarak tempat jatuh cairan (tanah) ke lubang bocor
t = waktu yang diperlukan cairan menyentuh tanah