1
BABI FLUIDA DAN 31FAT-SIFATNYA 1.1 .Definisi Fluida Definisi yang Jebih tepat unt~k membedakan zat padat dengan fluida adaJah dari karskteristik deforma.c;ibahan-ballan tersebut. Zat padat dianggap sebagai bahan yang menutYukk3JIreaksi deformasi yang terbatas ketika menerima atau mengaJami snatu gaya geser (shear). Sedangkan fluida ,memperlihatkan penomena sebagai zat yang teros meneros berubah bentuk apabila mengalami tekanan geser; dengan kata lain yang dikategorikan sebagai fluida adaIah suatu zat yang tidak mampu mcnahan tekanan geser tanpa berubah bentuk. 1-2. Plaida dalam kehidapao sehari-hari Setiap hari kita selalu berhobungall del1gan fluida hampir tBnpa sadar. Banyak gejaJa alam yang indah dan menakjubkan, seperti bukit-bukit pasir dan ngarai-ngarai yang dalam, terjadi skibat gaya-gaya yang ditimbulkan oleh aJiran udara atan air serta perilaku aliran fuida itu ketika me~umpai halangan. Pipa air, baik yang dialiri air bersih maupun air limbah, sarna sekali bukan barang yang aneh. Boleh jadi kita sadar bahwa pipa air minum, misalnya, harns mempunyai diameter yang lebih besar dari suatu harga minimum agar aJiran air di keran-keran dapat mencukupi kebutuhan. Kita mungkin juga terbiasa dengan benturan antara air dan pipa ketika keran air ditutup secara tiba-tiba. PUS8f811 air yang kita tihat ketika air dalam bak mandi dikeluarkan melalui lobang pembuangannya pOOadasamya 8ama dengan pusaran tornado atau pusaran air di batik jembatan. Radiator air atau uap panas untuk memanaskan rumab de radiator pendingin dalam sebuah Mobil bergantung pada alinm fluida agar dapat memindahkan panas dengan efektiL Hambatan aerodinamik bilamana kita sedang berjalan atau berlcendara menentang angin yang cukup kencang. Kalan kita sedang berlmyuh dengan perahu terasn bahwa kitn harns mengayuh lebih keras agar dapat melaju lebih cepat, bukun hanya untuk mempercepat laju perahu tet~pi juga untuk mempert3hankan kecepatan yang tinggi. Pennukaan lambung kapal dan sayap serta badan pesnwat terbang dibuat rata agar dapat
2
mengurangi hambatan, bola golf justru diberi pennukann kasar guna me.nguraogi hambatan dalam geraknya. Babkan pakar fisiologi pun berkepentingan dengan konsep-konsep mekallika fluida. Jantung adalah sebuM pompa yang mendorong sebuM fluida (dm-aIl)melalui sebuah sistim pipa (pembuluh-pembuluh darah). Pendek kata kita selalu berurusan dengan fluida baik yang diam maupun yang bergerak. Kemajuan yang dicapai selama abad ini meliputi studi-studi baik secara analitik. numerik (komputer). maupun eksperimen tentang aliran dan pengendalian lapisan batas, smlktur turbulensi, kemantapan aJiran, aliran multifase. pemindahan panas ke dan dari fluida yang mengaIir serta banyak masalah daIam penerapan. 1.2 Beberapa Istilah Dalam Mekanika Fluida
.
Kerapatan(dellsity): adalah jum)ah / kwantitas suatu zat pada suatu unit volume density dapat dinyatakan dalwn 6ga bentuk : 1. Mass density (p) satuan dalam SI adalah (kglm\ 2. Berat spesifik (specific weight) (y) = p . g satuan dalam 31 = N/m3 dimana g= percepatan gravitasi (~9,81 mls2) 3. Spesifik gravity (s.g)
merupakan perbandin053I1antara density dengan
berat
spesifik suatu zat terhadap density atau bera~ spesifik suatu standard zat( umumnya terhadap air). Jadi s.g tidak mempunyai satuan.
.
Viskositns. Viskositas suatu fluida merupakan UkW-Sllketuh811ansmuu fluida
terhadap deformasi stau perubahan bentuk Dalam sistim SI tegangan ('t)= ~l(duldy), atau dengan kata lain tegangan geser diekspresikan dalam N/m2 (Pa) dan gradien kecepatan (duldy) dalam (mIs)/m, karena itu satuan 31 untuk viskositm;dinamik adalah : N.s/m2 atau kg/m.s. Sedang viskositas kinematik (v) didefernisikan Eebagaiperbandingan viskositas dinamik t~hadap kerapatan (density) kinematik mempunyai satuan m2ls.
v = J.l/p dalam SI viskositas
3
Contoh : Suatu fluida dengan viskositas dinamik J.1=0,080 kg/m.s dan kerapatan p =825 kg/m3 mengalir sepanjang sebuah permukaan dengan profil kecepatan yang diberikall melalui persamaan J.l= 50 y - 10 4 Y2 (m/s),dimana y jarak dari pennukaan batas daJam meter. Hitung tegangan geser di permukaan batas itu? Jawab: Gradien kecepatan pOOay = 0 OOalah(duldy}y:o= 50 (m/s)/m jOOi: (1:)=J.l(duldy) y=o= (0,080)(50) =4 Pa.
Dalam menganalisa fluids, sering diperlukan konsep penyederhanaan. Salah satu konsep demikian adalah konsep fluida ideal, yaitu fluida yang tak viskous. Dengau demikian fluida ideal sarna sekali tidak dapat menahan gaya geser. Anggapan bahwa suatu fluida tidak viskous sanga! menyederhanakan analisa, dan dalam banyak hal membantu penyelesaian persoalan-persoalan teknik yang lebih rumit sebagai sebagai pendekatan pertama. Selain itu penyederhanaan demikian masih dapat diterima selama penyederhanaan tersebut memberikan pedoman untuk memperolehjawaban yang masuk akal.
1
KOBsepKontiBum
Dalam zat yang bersifat bersifat kontinum, p~ titik sebarang orang dapat mendefinisikan suatu sifat atau suatu besaran. Misalnyn, massa jenis adaJah fungsi dari kedudukanjOOi: P
= p(x,y,z,t)
Disini kita menjumpai apa yang disebut medan, yaitu suatu besaran yang merupakao fungsi dari kedudukan atau ruang.: Ada tiga macam medan yaitu : 1. Medan skalar, misalnya massajenis, temperatur, viskositas 2. Medan vektor, misalnya kecepatan, percepatan; gaya 3. Medan tensor, misalnya tegangan pada suatu titik.
4
Selwn itu, dalarn fluida yang bersifat kontinuum, dapat dijumpai tiga macarn gaya, yaitu : 1. Gaya permukaan, misalnya tekanan, tegangan geser, yang bekerja pada titik pada pennukaan 2. Gaya badan, rnisalnya gaya elektrostatik~ elektromegnetik. gaya Lorentz, dan gaya sentrifugal. Gaya ini merupakan akibatdari adanya.medan potensial 3. Te.ganganpermukaan, gaya yang hanya bekerja pada pennukaan yaitu bidang pertemuan antara dua macanl atau lebih zat atau fasa). 1.5. Tegallgan Permukaan. Tegangan permukaan adalah gaya perentang yang diperlukan untuk membentuk selaput, yang diperoleh dengan membagi suku energi permukaan denga.npanjang sutuRn selaput dalam kesetimbangan. Tegangan permukaan ini terjadi akibat perbedaan tarik menarik timbal-baJik antara. molekul-molekul zat cair dekat permukaan dan molekulmolekul yang terletak agak lebihjauh dari permukaan dalarn zat cair yang sarna. Untuk tetes kecil yang berbentuk bola dengan jari-jari r dimana, tekanall p yang perIu untuk mengimbangi gaya tarik yang disebabkan oleh tegangan permukaan a dihitung sebagai berikut : Gaya akibat tekanan dalam (pn~ ) = gaya akibat tegangan permukaan yang mengelilinginya(2onr), sehingga dapat ditulis p = 2alr
,
Untuk sebuah persamaall lengkuug yang umumnya dengan 1'1dun r2 sebagai jm-i-jari utama , persamaan tersebut berbentuk :
untuk sebuah siIinder, salah satujari-jari bidang lengkungnya tak terhingg~ maka berlaku
p = air Persamaan tersebut menUl~ukkanbahwa tekanan mel~adi lebih besar bagi jari-jHri tetes atan sHinderyang arnat kecil.
5
Apabila suaiu antard. muka zat cair-gas bersinggungan dengan sebuah permukaan zat pOOat,berarti disitu terdapat tiga buah gaya antar muka; antara gas dan zat eair, antara gas dan zat pOOat, serta antara zm eair dan zat pOOat (lihat garnbar 1-1 ).keseimbangan yang tet:jadi menghasilkan hubungan skalar sebagai berikut : 0' ~
= 0'
&1
+ O'gl eose
la! cair
Gas
IT,)
lat padat
Gambar: 1-1: Sudut korstak.untuk antar r.ouka 8lis-zat cair-zat padat
Dari sini sudut kontak e dapat dihitung. Sebuah zat emr di udara disebut membasahi sebuah permukaan bila e < 1t/2, dan tingkat kebasahan itu meningkat sejalan dengan berkurangnya e hingga nilainya sarna dengan nol. Sudut kontak e untuk air, udara, dan pennukaan kaca yang bersih pada dasrnya adalah nol. Apabila e > 1t12.zat eair disebut tidak membasahi permukaan.
Gejala Kapiler. Naiknya kolom zat eair dalam suatu pipa keeil adalah akibat tegangan permukaan clandisebut gejala kapiler.
--r" ~-
.
Gas
la! cairo kerapatan p
Gambar: 1-2: Kenaibn kapiler suatu zal cair
6 Padagambar 1-2 memperlibatkan berat kolom zat eair dalam pip~ yaitu gaya dari selisih tekanan antara seberang-menyeberang antar muka zat eair kali luas penampang sebanding gaya periferal di seputar lingkaran tabung. Secara matematik ditulis : pgh (7tr2)=Ap7tr2=o27tf cos e sehingga kenaikan akibat gejala kapiler adalah : 2cr h=-
cose grp
apabila e < 1f.f2.kenaikankapiler akan terjadi. apabila e = 7t12.baik kenakan maupul1 penurunan tidal<:akan dialami oleh zat eair dalam tabun& dan bila mana e > 7t/2.zat em dalam tabung akan meng~ami pemU11nan(depresi), untuk jelasnya Hhat gambar 1-3. Persamaan terakhir ini berlaku untuk diameter pipa relatifkecil ( dibawah 1 em).
Zat cair
(a) 8 <.!!: 2
o "'-.,
Zat cair
(b) 0 =.!!: 2
Ic) 0 >~
Gambar: 1-3 . Pengaruh sudut kontak pada kapil&ritasdaJamsuatu pipa keciJ
Dengan bertambahnya diameter pipa, jari-jari lengkung semakin besar dan kenmkan kapiler berkurang. Pada penggunaan alat ukur
seperti manometer seJaJu dibindari
terjadinya efek-efek tegangan permukaan. Maka dipakai cairan yang mempunyai tegangan permukaan yang tinggi seperti air raksa. Contoh : Sampai keinggian h berapa air pada temperatur kamsr akan naik dalam sebuah pipa kaca bersih berdiameter. 2.5 mm. ( jika diketahui tegangan permukaan air di udara sekitar 0,073 N/m). Jawab :
7
2cr
h = .--
cos6
dengane = 0 0
grp
( 2)(O,073Xl)
h= (9,81 )(O,OOI25XI000) h = 0,012 m = 12 mID
