Sifat-sifat Fisis Fluida

Fisika untuk Teknik Sipil

1-Feb-17

Universitas Gadjah Mada Departemen Teknik Sipil dan Lingkungan Prodi Sarjana Teknik Sipil

1


Sifat-sifat Fisis Fluida

1-Feb-17

Acuan §  White, Frank M., 2011, Fluid Mechanics, 7th EdiGon, The McGraw-Hill Book


Co., New York.

2

•  Chapter 1, SecGon 1.4 to 1.9, pp. 6-39.

§  Young, D.F., Muncon, B.R., Okiishi, T.H., Huebsch, W.W., 2011, A Brief Introduc5on to Fluid Mechanics, 5th EdiGon, J. Wiley & Sons, Inc., NJ. •  Chapter 1, pp. 3-23.

1-Feb-17 Fisika untuk Teknik Sipil

3


Pengantar


4

Fisika dan Teknik Sipil §  Apakah itu: •  Fisika? •  Teknik sipil? §  Beri contoh atau ilustrasi! •  Fisika di bidang teknik sipil, atau •  kaitan fisika dan teknik sipil

1-Feb-17

Fisika dan Teknik Sipil s.d. 1970-an

1970-1990

Teknik Sipil (UGM)


2001-sekarang SDA

Hidro

5

1990-2000

Hidro

Hidro

Teknik Sungai Teknik Pantai Struktur

Basah

Struktur Struktur Struktur (d/h Konstruksi)

Transportasi Transportasi

Kering Transportasi

Geoteknik

Geoteknik Lingkungan

Bahan Mankon

Sistem Transportasi Teknik Transportasi

… … … …

§  Fisika di bidang hidro •  mempelajari fluida dalam keadaan diam atau bergerak


1-Feb-17

Fisika dan Teknik Sipil Hidro

staGka fluida (fluid sta5cs)

•  6

dinamika fluida (fluid dynamics)

fluida ß fluid {Cambridge dicGonary: [noun, c or u] a substance that flows and is not solid}


7


Fluida, Dimensi dan Satuan

Zat

Apa ciri pembeda zat padat dan fluida?

padat

cair

gas fluida mampat (compressible fluid)

8

zat – sesuatu yang memiliki massa dan menempaG ruang

fluida tak-mampat (incompressible fluid)


1-Feb-17

fluida

•  Cara yang lebih sainGfik dalam pembedaan antara zat padat dan fluida adalah menilik perilaku keduanya terhadap gaya (gaya luar) yang bekerja terhadapnya F

F

gaya (force) vektor

solid


9

Zat Padat vs Fluida

sebuah batang baja (tulangan beton) ditarik di ujung; pangkalnya ditahan à batang mengalami deformasi; pada suatu GGk, deformasi berhenG

permukaan fluida

F fluida

gaya tangensial yang bekerja pada permukaan fluida à menimbulkan tegangan geser (shear stress)

gaya bekerja pada permukaan fluida (Gmbul tegangan geser) à fluida bergerak (mengalir) terus-menerus


10

Zat Padat vs Fluida Batang baja ditarik §  hlps://www.youtube.com/ watch?v=67fSwIjYJ-E

Fluida di antara dua pelat §  hlps://youtu.be/XVnYyu10Bg?t=46


11

Fluida Bergerak (Mengalir) §  Telah dipaparkan pada slide #4 bahwa fisika di bidang hidro mempelajari fluida diam atau bergerak •  Parameter untuk mendeskripsikan fluida yang bergerak •  ukuran/dimensi à ℓ •  tekanan à p •  kecepatan aliran à v


12

Dimensi §  Fisika untuk Teknik Sipil di bidang hidro mempelajari fluida dalam keadaan diam atau bergerak (Slide #4) •  akan banyak membahas sifat-sifat fluida (fisis, mekanis) •  maka perlu cara untuk mendeskripsikan sifat-sifat fluida •  baik deskripsi kualitaEf, maupun kuanEtaEf

•  deskripsi kualitaGf sifat-sifat fluida à dikenal sebagai dimensi –  massa à M dimensi utama, –  panjang à L dimensi dasar –  waktu à T –  temperatur à Θ


13

Dimensi §  Dari dimensi dasar, dapat dilakukan deskripsi kualitaGf yang merupakan gabungan dimensi dasar, misal •  kecepatan gerak adalah panjang dibagi waktu, dim[v] = LT−1

•  percepatan gerak adalah perubahan kecepatan terhadap waktu, dim[a] = LT−2

•  gaya adalah massa dikalikan percepatan gerak, dim[F] = MLT−2


14

Dimensi §  Tuliskanlah dimensi beberapa parameter di bawah ini •  •  •  • 

debit aliran, Q tekanan, p tegangan geser, τ dll.


15

Satuan §  Dimensi, yang merupakan deskripsi kualitaGf sifat fluida, perlu dilengkapi dengan

satuan yang merupakan deskripsi kuanGtaGf §  Dalam fisika, sistem satuan yang banyak diikuG adalah sistem satuan metrik yang dikenal pula sebagai sistem satuan SI (Système Interna5onal) atau Interna5onal System of Units •  Ada 7 satuan dasar dalam sistem satuan SI •  massa à kilogram, kg •  panjang à meter, m •  waktu à deGk, s (PerhaGkan: bukan det, dtk, dt) •  •  •  • 

banyak dipakai di bidang teknik sipil hidro

temperatur à kelvin, K (PerhaGkan: tanpa notasi derajat, °) arus listrik à ampere, A jumlah molekul à mol, mol intensitas cahaya à candela, cd


16

Satuan §  Dari satuan dasar, dapat dilakukan deskripsi kuanGtaGf yang merupakan gabungan satuan dasar, misal •  satuan gaya adalah newton (N), diperoleh dari hukum Newton II F = m a 1 N = 1 kg m/s2

PerhaGkan: newton (Gdak diawali dengan huruf kapital), notasi N (ditulis dengan huruf kapital). PerhaGkan: variabel massa, m, ditulis dengan huruf miring, satuan panjang meter, m, ditulis dengan huruf tegak. Ini bukan sebuah keharusan, tetapi sangat disarankan untuk menghindari salah baca. Catatan: dalam kasus tulis tangan, variabel ditulis dengan huruf tegak dan satuan ditulis di dalam kurung kotak, misal 1 [N] = 1 [kg m/s2].


17

Satuan •  satuan usaha adalah joule (J), diperoleh dari definisi usaha, yaitu usaha (work) yang dilakukan oleh sebuah gaya 1 N untuk bergerak sejauh 1 m dalam arah gaya tersebut, W = F Δx 1 J = 1 N m

•  satuan daya adalah wal (W), yaitu usaha per satuan waktu P = W/T 1 W = 1 J/s


18

Satuan

§  Awalan (prefix) dipakai untuk penyebutan angka yang merupakan kelipatan sepuluh untuk penyederhanaan (pengurangan) jumlah angka

Awalan

Simbol

Kelipatan

Awalan

Simbol

Kelipatan

exa

E

1018

deci

d

10−1

peta

P

1015

cenG

c

10−2

tera

T

1012

milli

m

10−3

giga

G

109

micro

μ

10−6

mega

M

106

nano

n

10−9

kilo

k

103

pico

p

10−12

hecto

h

102

femto

f

10−15

deka

da

10

alo

a

10−18


19




1-Feb-17


20

§  Massa dan bobot •  Rapat massa •  Berat volume •  Berat jenis §  Fluida gas §  Kekentalan (viskositas) •  Kekentalan dinamik •  Kekentalan kinemaGk

§  Kompresibilitas fluida §  Tekanan uap §  Tegangan permukaan


21

Rapat Massa §  Rapat massa fluida •  Rapat massa fluida adalah massa

fluida per satuan volume fluida •  Simbol ρ •  Satuan kg/m3 •  Nilai ρ berubah terhadap perubahan tekanan atau temperatur •  khususnya pada fluida gas à fluida mampat (compressible fluid) •  nilai ρ fluida cair Gdak banyak berubah terhadap perubahan tekanan atau temperatur à fluida tak-mampat (incompressible fluid)

§  Rapat massa air dan gas •  ρair ≈ 103 ρgas pada tekanan 1 atm •  ρair = 1000 kg/m3 pada 4°C dan hanya meningkat 1% pada kenaikan tekanan 220 kali •  Pada temperatur 20°C: •  ρhidrogen = 0.0838 kg/m3 •  ρair = 998 kg/m3 •  ρmerkuri = 13580 kg/m3

•  Fluida paling ringan: hidrogen •  Fluida paling berat: merkuri


22

Berat Volume §  Berat volume, berat isi, bobot volume (specific weight)

•  Berat volume fluida adalah bobot fluida per satuan volume fluida •  Simbol γ γ = ρ g [kg/m3 m/s2] = ρ g [N/m3] 3 •  Satuan N/m •  Berat volume air pada 20°C: γair = 998 × 9.81 N/m3 = 9.79 kN/m3 •  Mekanika tanah

•  berat volume (berat isi) adalah bobot tanah per satuan volume tanah •  berat jenis adalah bobot tanah kering per satuan volume bagian padat tanah (Gdak termasuk volume rongga) •  volume tanah terdiri dari volume bagian padat (Vs = Vsolid) dan volume rongga (Vv = Vvoid)


23

Berat Jenis §  Berat jenis (specific gravity) •  Adalah rasio antara rapat massa fluida dan rapat massa fluida acuan (air untuk fluida cair dan udara untuk fluida gas) pada temperatur tertentu •  Simbol, SG atau Gs atau BJ •  Tidak bersatuan ρ fluida ρ fluida ρgas ρgas SG fluida cair = = , SGgas = = 3 ρair @4! C 1000 kg/m ρudara 1.205 kg/m3

•  Contoh, berat jenis merkuri pada temperatur 20°C adalah 13580 kg/m3 SGmerkuri = =13.58 3 1000 kg/m


24

Fluida Gas §  Pada fluida gas ideal, berlaku hubungan antara rapat massa, tekanan, dan temperatur sbb. p •  p = ρRT atau ρ =

RT •  p tekanan absolut, ρ rapat massa, T temperatur absolut, dan R konstanta gas •  tekanan absolut adalah tekanan yang diukur terhadap tekanan nol •  tekanan nol adalah tekanan pada ruang hampa

§  Tekanan absolut dan tekanan relaGf

•  Di bidang enjiniring, tekanan biasa dinyatakan sebagai tekanan relaGf terhadap tekanan atmosfir setempat •  Tekanan atmosfir di permukaan laut adalah 101.325 kPa ≈ 101 kPa atau 14.7 psi (1 atm = 101 kPa = 14.7 psi) •  1 Pa = 1 N/m2


25

Viskositas §  Viskositas, kekentalan (viscosity)

•  Viskositas mencerminkan kemampuan fluida untuk menahan atau melawan gerak (aliran) •  Viskositas fluida menentukan laju regangan fluida akibat tegangan geser yang bekerja pada fluida

§  Contoh

•  Kita dapat bergerak (berjalan) dengan mudah melalui udara •  Di dalam air, pergerakan menjadi lebih sulit; viskositas air adalah 50 kali viskositas

udara •  KeGka kita menggerakkan tangan dalam pelumas SAE 30, kita merasakan tahanan oleh pelumas; viskositas pelumas SAE 30 adalah 300 kali lebih besar daripada viskositas air •  Demikian pula, gerak tangan akan lebih sulit dalam gliserin yang memiliki viskositas 5 kali lebih besar daripada viskositas pelumas SAE 30

§  Situasi

•  fluida ditempatkan di antara dua pelat •  pelat bawah diam, pelat atas bergerak dengan kecepatan konstan •  di pelat bawah, fluida Gdak bergerak, kecepatan nol (no slip condi5on)


1-Feb-17

Viskositas

26 Diambil dari: White, Frank M., 2011, Fluid Mechanics, 7th ediGon, The McGraw-Hill Book Co., New York, hlm 26.

1-Feb-17

Viskositas §  Pada fluida seperG udara, air,

•  jika δ sangat kecil, maka dθ

minyak


•  berlaku hubungan linear antara

27

tegangan yang bekerja pada permukaan fluida dan laju regangan δθ τ∝ δt •  dari gambar a (gambar kiri), tampak tanδθ = δuδt δy

dt

=

du dy

•  sehingga

du τ∝ dy

•  Dengan mengenalkan viskositas dinamik μ du τ =µ dy

Fluida Newton (newtonian fluid)


1-Feb-17

Viskositas §  Angka Reynolds •  Parameter yang menggambarkan perilaku fluida berkaitan dengan kekentalan fluida newtonian •  Angka tak berdimensi ρVL VL Re = = µ ν

•  V adalah kecepatan aliran dan L adalah skala panjang aliran •  ν adalah kekentalan kinemaGk ν=

28

µ ρ

dim[μ] = ML−1T−1 à Ns/m2 dim[ν] = L2T−1 à m2/s


1-Feb-17

Kompresibilitas Fluida

29

§  Kompresibilitas fluida •  Mencerminkan perilaku fluida terhadap perubahan tekanan •  Fluida yang mudah mampat, volume dan rapat massa mudah berubah,

terhadap perubahan tekanan dinamai fluida mampat (compressible fluid), misal udara •  Fluida yang volumenya Gdak atau sulit berubah terhadap perubahan tekanan disebut fluida tak-mampat (incompressible fluid) •  Parameter yang dipakai untuk mendeskripsikan kompresibilitas fluida adalah bulk modulus (modulus elasGsitas), Ev

dp dp Ev = − = dV V dρ ρ


1-Feb-17

Kompresibilitas Fluida

30

p V

p + dp

p + dp

V − dV

ρ + dρ

dp Ev = − dV V

dp Ev = dρ ρ

dim[Ev] = ML−1T−2 à N/m2 atau Pa

tanda negaGf karena peningkatan tekanan berakibat pada pengurangan volume


1-Feb-17

Tekanan Uap §  Tekanan uap (vapor pressure) •  Fluida cair, misal air, akan menguap apabila air ditempatkan di wadah • 

terbuka (contoh: penguapan atau evaporasi air di waduk) Evaporasi terjadi karena molekul-molekul zat cair di permukaan mengandung momentum yang dapat mengalahkan gaya kohesi antar molekul sehingga molekul zat cair lepas ke atmosfir

•  Di bidang teknik sipil hidro, tekanan uap ini penGng karena berkaitan dengan kavitasi

31


1-Feb-17

Tekanan Uap § 

sumbat

sumbat uap, pv

zat cair

zat cair

§  §  §  § 

§  32

§ 

Sebuah bejana diisi zat cair, ditutup dengan sumbat sehingga tak ada udara di dalamnya. Sumbat digeser ke atas pelan-pelan sedemikian sehingga Gdak ada udara yang masuk. Ada ruang di antara zat cair dan sumbat. Timbul tekanan dalam ruang tsb karena adanya uap yang Gmbul akibat pelepasan molekul-molekul zat cair. Saat keseimbangan, yaitu jumlah molekul zat cair yang meninggalkan permukaan sama dengan jumlah molekul zat cair yang masuk ke permukaan, maka uap menjadi jenuh. Tekanan pada uap jenuh tsb disebut tekanan uap (vapor pressure), pv. Tekanan uap bergantung pada temperatur.


1-Feb-17

Tekanan Uap dan Kavitasi

33

§  Kavitasi

•  Pada aliran air dalam pipa atau di saluran terbuka, kecepatan aliran menurunkan •  •  •  • 

tekanan Jika kecepatan aliran sangat besar, tekanan mengecil Jika tekanan mencapai tekanan uap, maka terjadi boiling, yaitu terbentuknya gelembung udara dalam aliran air Gelembung udara ini terbawa aliran KeGka sampai di tempat yang bertekanan Gnggi, gelembung udara pecah secara GbaGba Ini disebut kavitasi Kavitas dapat merusak pipa atau permukaan saluran

•  •  §  Contoh kasus •  Aliran dalam pipa pesat, turbin PLTA •  Aliran di saluran pelimpah (spillway) bendungan


34

Tekanan Uap vs Kavitasi §  hlps://www.youtube.com/watch?v=U-uUYCFDTrc


1-Feb-17

Tegangan Permukaan

35

§  Tegangan permukaan (surface tension) •  Tegangan terbentuk di bidang kontak antara zat cair dan gas, atau •  •  •  • 

antara dua fluida tak-campur (immiscible fluids). Bidang kontak ini berperilaku seperG sebuah lapis membran. Tegangan permukaan terjadi karena adanya keGdak-seimbangan gayagaya kohesif yang bekerja pada permukaan kedua fluida. Simbol σ Satuan N/m

1-Feb-17

Gaya Kapiler Fisika untuk Teknik Sipil

§  Sebuah tabung kecil, terbuka di pangkal

36

Dicuplik dari: Young, D.F., Muncon, B.R., Okiishi, T.H., Huebsch, W.W., 2011, A Brief Introdunc5on to Fluid Mechanics, 5th EdiGon, J. Wiley & Sons, Inc., NJ.

dan ujungnya, dimasukkan dalam air (Gbr. a). §  Muka air dalam tabung naik, menjadi lebih Gnggi daripada muka air di luar tabung. §  Tinggi kenaikan muka air dalam tabung, h, bergantung pada tegangan permukaan, σ, radius tabung, R, berat volume air, γ, dan sudut kontak antara air dan tabung, θ. §  Dari free body diagram (Gbr. b), dapat diketahui imbangan gaya-gaya arah verGkal, yaitu komponen verGkal tegangan permukaan dan berat air.

1-Feb-17

Gaya Kapiler Fisika untuk Teknik Sipil

2 γπR h = 2πσ cosθ

37

h=

Dicuplik dari: Young, D.F., Muncon, B.R., Okiishi, T.H., Huebsch, W.W., 2011, A Brief Introdunc5on to Fluid Mechanics, 5th EdiGon, J. Wiley & Sons, Inc., NJ.

2σ cosθ γR


38

*) Sifat-sifat Fisis Fluida Cair Fluida

Temperatur [°C]

Rapat massa, ρ [kg/m3]

Berat volume γ [kN/m3]

Kekentalan dinamik, μ [Ns/m2]

Kekentalan kinemaEk, ν [m2/s]

Tegangan permukaan1), σ [N/m]

Tekanan uap (abs), pv [N/m2]

Modulus2) (bulk), Ev [N/m2]

Air laut

15.6

1030

10.1

1.20×10−3

1.17×10−6

7.34×10−2

1.77×103

2.34×109

Air tawar

15.6

999

9.8

1.12×10−3

1.12×10−6

7.34×10−2

1.77×103

2.15×109

Air raksa

20

13600

133

1.57×10−3

1.15×10−7

4.66×10−1

1.6×10−1

2.85×1010

1) Tegangan permukaan pada bidang kontak dengan udara. 2) Isentropic bulk modulus dihitung dari kecepatan suara.

*) Dicuplik dari: Young, D.F., Muncon, B.R., Okiishi, T.H., Huebsch, W.W., 2011, A Brief Introdunc5on to Fluid Mechanics,

5th EdiGon, J. Wiley & Sons, Inc., NJ.


39

*) Sifat-sifat Fisis Fluida Gas Fluida

Temperatur [°C]

Rapat massa, ρ [kg/m3]

Berat volume γ [N/m3]

Kekentalan dinamik, μ [Ns/m2]

Kekentalan kinemaEk, ν [m2/s]

Konstanta gas1), R [J/kg/K]

Specific heat ra0o2), k

Udara

15

1.23

12

1.79×10−5

1.46×10−5

2.869×102

1.40

Karbon dioksida

20

1.83

18

1.47×10−5

8.03×10−6

1.889×102

1.30

Hidrogen

20

8.38×10−2

8.22×10−1

8.84×10−6

1.05×10−4

4.124×103

1.41

Nitrogen

20

1.16

11.4

1.76×10−5

1.52×10−5

2.968×102

1.40

Oksigen

20

1.33

13

2.04×10−5

1.53×10−5

2.598×102

1.40

1) Konstanta gas Gdak bergantung pada temperatur.

2) Specific heat ra5o bergantung sedikit pada temperatur. *) Dicuplik dari: Young, D.F., Muncon, B.R., Okiishi, T.H., Huebsch, W.W., 2011, A Brief Introdunc5on to Fluid Mechanics,

5th EdiGon, J. Wiley & Sons, Inc., NJ.


40

Tekanan Fluida •  Tekanan fluida dinyatakan dalam

dua cara, yaitu tekanan absolut (absolute pressure) atau tekanan ukur (gage pressure). •  Tekanan absolut adalah tekanan relaGf terhadap tekanan hampa udara (tekanan nol absolut). •  Tekanan ukur adalah tekanan relaGf terhadap tekanan atmosfir setempat. •  Tekanan absolut selalu bernilai posiGf, tekanan ukur bernilai posiGf (lebih besar daripada tekanan atmosfir) atau negaGf (lebih kecil daripada tekanan atmosfir).

Prinsip pengukuran tekanan: (1)  Barometer air raksa (2)  Piezometer

Barometer patm = γHgh+ pvapor


1-Feb-17

Alat Ukur Tekanan

pvapor << ⇒ patm = γHgh γHg

(T = 20°C) = 133 kN/m3

Piezometer

pA = p1 = γ1h1 pA γ1

=

p1 γ1

= h1

41

Barometer air raksa

Piezometer

p =γ h −γ h A 2 2 1 1

p −p =γ h +γ h −γ h A B 2 2 3 3 1 1


1-Feb-17

Alat Ukur Tekanan

42

Manometer tabung Gpe U

Manometer tabung Gpe U


Alat Ukur Tekanan

p − p = γ ℓ sinθ+ γ3h3 − γ1h1 A B 2 2 Manometer tabung miring

43


1-Feb-17

Tugas §  Buat tulisan yang memaparkan

•  Contoh fisika di bidang teknik sipil hidro, transportasi, struktur •  Dimensi dan satuan besaran fisis: debit aliran, tekanan, gaya geser •  Kavitasi, contoh kasus kavitasi •  Newtonian fluid, non-newtonian fluid §  Naskah •  Format ditetapkan sendiri •  TaaG kaidah bahasa Indonesia yang baik dan benar •  IkuG kaidah tulisan ilmiah •  Pakailah program aplikasi document processor, misal MSWord, dengan baik, efekGf, efisien

§  Tenggat penyerahan tugas 44

•  Rabu, 15 Februari 2017

45 Fisika untuk Teknik Sipil 1-Feb-17

Sifat-sifat Fisis Fluida

Recommend Documents