FLUIDA STATIS DAN DINAMIS

                                             FLUIDA STATIS  DAN DINAMIS

1.      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 menghirup, meminum, terapungatau tenggelam didalamnya.  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.

1.      sifat – sifat fluida dibagi menjadi tiga adalah

a.    tidak dapat melawan secara tetap stress geser.

b.   Mempunyai komprebilitas.

c.    Mempunyai kekentalan atau viskositas.

2.      Fluida ini dapat kita bagi menjadi dua bagian yakni:

1.      Materi fluida statis terdiri dari :

a.  Tekanan

b.Tegangan permukaan

c. Kapilaritas

2.      Materi fluida dinamis terdiri dari :

a. Persamaan Kontinuitas

b.Persamaan Bernaoulli

c.  Viskositas

1.1     Pengertian  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. Contoh fenomena fluida statis dapat dibagi menjadi statis sederhana dan tidak sederhana. Contoh fluida yang diam secara sederhana adalah air di bak yang tidak dikenai gaya oleh gaya apapun, seperti gaya angin, panas, dan lain-lain yang mengakibatkan air tersebut bergerak. Contoh fluida statis yang tidak sederhana adalah air sungai yang memiliki kecepatan seragam pada tiap partikel di berbagai lapisan dari permukaan sampai dasar sungai.Cairan yang berada dalam bejana mengalami gaya-gaya yang seimbang sehingga cairan itu tidak mengalir. Gaya dari sebelah kiri diimbangi dengan gaya dari sebelah kanan, gaya dari atas ditahan dari bawah. Cairan yang massanya M menekan dasar bejana dengan gaya sebesar Mg. Gaya ini tersebar merata pada seluruh permukaan dasar bejana. Selama cairan itu tidak mengalir (dalam keadaan statis), pada cairan tidak ada gaya geseran sehingga hanya melakukan gaya ke bawah oleh akibat berat cairan dalam kolom tersebut.

1.      Tekanan                       

                      Besar tekanan di definisikan sebagai gaya tiap satuan luas. Apabila gaya sebesar F   bekerja secara tegak lurus dan merata pada permukaan bidang seluas A, tekanan pada permukaan itu dapat di rumuskan tekanan  sebagai berikut:

                                       

Keterangan :

P = tekanan (N/m²)

F = gaya (N)

A = luas (m²)

   Satuan tekanan dalam SI adalah N/m²  atau disebut juga Pascal (Pa). untuk tekanan udara kadang-kadang digunakan satuan atmosfer (atm), cm raksa (cmHg), mmHg (atau torr dari Torricelli) atau milibar (mb).

Aturan konversinya adalah sebagai berikut :

1 mb = 10^-3 bar

1 bar = 10⁵ Pa

1 atm = 76 cmHg = 1,01 x 10⁵ Pa

1 mmHg = 1 torr = 1,316 x 10^-3 atm = 133,3 Pa

1.        Tekanan Hidrostatik

                Tekanan hidrostatis adalah tekanan pada zat cair yang diam. Besarnya tekanan hidrostatis tergantung pada jenis dan kedalaman zat cair, tidak tergantung pada bentuk wadahnya (asalkan wadahnya terbuka).

 Besarnya tekanan hidrostatis dirumuskan dengan :

                                       P = p g h

Keterangan:
P = tekanan (Pa atau N/m2))
p = massa jenis zat cair (kg/m3)
g = perepatan gravitasi bumi (m/s2 atau N/kg)
h = kedalaman (m)

                         Sehingga besar tekanan pada alas bejana adalah

                                                       

      Jadi, besarnya tekanan hidrostatik secara umum di rumuskan sebagai berikut

   Gaya hidrostatik pada alas bejana ditentukan dengan rumus sebagai berikut

Pernyataan di atas dikenal sebagai hukum utama hidrostatika. Perhatikan gambar berikut:

"Tekanan hidrostatik pada sembarang titik yang terletak pada satu bidang datar di dalam satu jenis zat cair yang diam, besarnya sama."

Berdasarkan hukum utama hidrostatika dapat dirumuskan :

P_A = P_B = P_C

P_D = P_E

Hukum utama hidrostatika dapat diterapkan untuk menentukan masa jenis zat cair dengan menggunakan pipa U. Perhatikanlah gambar berikut!

Dalam hal ini, dua cairan yang digunakan tidak akan tercampur. Pipa U mula-mula diisi dengan zat cair yang sudah diketahui massa jenisnya, kemudian salah satu kaki dituangi zat cair yang di cari massa jenisnya hingga setinggi h₁. Kemudian, tarik garis mendatar AB sepanjang pipa. Ukur tinggi zat cair mula-mula di atas garis AB (misal : h₂)Menurut hukum utama hidrostatika, tekanan di A sama dengan di B.

1.      Tekanan Gauge
   Tekanan Gauge adalah selisih antara tekanan yang tidak diketahui dengan tekanan atmosfer (tekanan udara luar).Nilai tekanan yang diukur oleh alat pengukur tekanan adalah tekanan gauge.Adapun tekanan sesungguhnya disebut dengan tekanan mutlak.

            Tekanan mutlak = tekanan gauge + tekanan atmosfer
             P = Pgauge + Patm

2.      Tekanan Mutlak Pada Suatu Kedalaman Zat Cair
   Tekanan hidrostatis zat cair dapat kita miripkan dengan tekanan gauge.Dengan demikian,tekanan mutlak pada kedalam h dirumuskan sebagai berikut.

                                    P =P0 + ρgh
Keterangan :
P = Tekanan Hidrostatika (Pa)
P0 = Tekanan Atmosfer (0,01 x 105 Pa)
ρ = Massa jenis (kg/m3)
g = Percepatan gravitasi 9,8 m/s2
h = Kedalaman (m)
Pemahaman tekanan gauge dengan melakukan percobaan yang menggunakan sebuah kaleng/wadah yang diberikan dua lubang pada sisinya kemudian diisi dengan air hingga penuh.
Pabsolut = Patmosfer + Phidrostatis
P = p atm + p gh
Air terpancar dari lubang-lubang kedua sisi kaleng.Ketika kaleng diangkat dan dipercepat keatas maka jarak pancaran air dari kedua lubang semakin jauh dengan lubang.Tapi,ketika kaleng dijatuhkan dari suatu ketinggian,jarak pancaran air dari kedua lubang menjadi dekat dengan lubang.

2.  Hukum pascal

                    

     Ketika pengisap kecil kamu dorong maka pengisap tersebut diberikan gaya sebesar F1 terhadap luas bidang A1, akibatnya timbul tekanan sebesar p1. Menurut Pascal, tekanan ini akan diteruskan ke segala arah dengan sama rata sehingga tekanan akan diteruskan ke pengisap besar dengan sama besar. Dengan demikian, pada pengisap yang besar pun terjadi tekanan yang besarnya sama dengan p1. Tekanan ini menimbulkan gaya pada luas bidang tekan pengisap kedua (A2) sebesar F2 sehingga kamu dapat menuliskan persamaan sebagai berikut.

 Keterangan :

P₁=   tekanan (pa)

P₂ =  tekanan (pa)

F₁ =  gaya      (N)

F₂ =  gaya      (N)

A₁ = luas        (cm²)

A₂ = luas        (cm²)

Jadi, gaya yang ditimbulkan pada pengisap besar adalah:

Dari Persamaan , dapat disimpulkan bahwa untuk mendapatkan efek gaya yang besar dari gaya yang kecil, maka luas penampangnya harus diperbesar. Inilah prinsip kerja sederhana dari alat teknik pengangkat mobil yang disebut pompa hidrolik.

1.      Bejana Berhubungan

Prinsip bejana berhubungan adalah sebuah peristiwa di mana permukaan air selalu rata. Dalam hal ini, tidak dipengaruhi oleh bentuk permukan  dasar atau bentuk tabungnya, dengan syarat tempat air tersebut berhubungan.aplikasi bejana berhubungan dalam kehidupan sehari – hari.

a.       Tukang Bangunan

   Tukang bangunan menggunakan konsep bejana berhubungan untuk membuat titik yang sama tingginya. Kedua titik yang sama ketinggiannya ini digunakan untuk membuat garis lurus yang datar. Biasanya, garis ini digunakan sebagai patokan untuk memasang ubin supaya permukaan ubin menjadi rata dan memasang jendela-jendela supaya antara jendela satu dan jendela lainnya sejajar. Tukang bangunan menggunakan slang kecil yang diisi air dan kedua ujungnya diarahkan ke atas. Akan dihasilkan dua permukaan air, yaitu permukaan air kedua ujung slang. Kemudian, seutas benang dibentangkan menghubungkan dua permukaan air pada kedua ujung slang. Dengan cara ini, tukang bangunan akan memperoleh permukaan datar.

b.      Teko Air

   Perhatikan teko air di rumahmu. Teko tersebut merupakan sebuah bejana berhubungan. Teko air yang baik harus mempunyai mulut yang lebih tinggi daripada tabung tempat menyimpan air.

c.       Tempat Penampungan Air

   Biasanya, setiap rumah mempunyai tempat penampungan air. Tempat penampungan air ini ditempatkan di tempat tinggi misalnya atap rumah. Jika diamati, wadah air yang cukup besar dihubungkan dengan kran tempat keluarnya air menggunakan pipa-pipa. Jika bentuk bejana berhubungan pada penjelasan sebelumnya membentuk huruf U, bejana pada penampungan air ini tidak berbentuk demikian. Hal ini sengaja dirancang demikian karena sistem ini bertujuan untuk mengalirkan air ke tempat yang lebih rendah dengan kekuatan pancaran yang cukup besar.

2.2   pengertian 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). Dalam kehidupan sehari-hari, banyak sekali hal yang berkaitan dengan fluida dinamis ini.

                              

1.Macam – macam fluida dinamis :

a.       Aliran steady (stasioner)

b.      Aliran viscous

c.       Aliran turbulen

1.      Persamaan kontinitas dan benoulli

Persamaan kontinuitas menyatakan hubungan anatar kecepatan fluida yang masuk pada suatu pipa terhadap kecepatan fluida yang keluar. Hubungan tersebut dinyatakan sebagai berikut :

                                    v1A1 = v2A2 = Q

a.        Debit aliran (Q) Jumlah volume fluida yang mengalir persatuan waktu.

              

  Dimana :

Q   =    debit aliran (m³/s)

A   =    luas penampang (m²)

V   =    laju aliran fluida (m/s)

b.      Debit aliran (Q) Aliran fluida sering dinyatakan dalam debit aliran

 

  

        Dimana :

Q   =    debit aliran (m³/s)

V   =    volume (m³)

t     =    selang waktu (s)

2.      Persamaan 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 suatu garis arus. Jika dinyatakan dalam persamaan menjadi :

                   

      Dimana :

      p   = tekanan air (Pa)

      v    = kecepatan air (m/s)

      g   = percepatan gravitasi

      h    = ketinggian air

a.   Dua kasus persamaan bernoulli

1.       Kasus untuk fluida tak bergerak (fluida statis) untuk fluida tak bergerak ,kecepatan v₁ = v₂. Persamaan ini adalah persamaan tekanan  hidrostatis sebagai berikut .

          P₁ +  g h₁+0 = P₂+  g h₂+0

          P₁ – P₂ =  (h₁- h₂)

2.      Kasus untuk fluida yang mengalir (fluida statis) dalam pipa mendatar dalam pipa mendatar (horizontal) tidak terdapat perbedaan ketinggian dianatara bagian – bagian fluida. Ini berarti ketinggian h₁- h₂

           P₁ +  g V₁ ²+0 = P₂+  g V₂ ²+0

          P₁ – P₂ =    (V₁²- V₂ ²)

Menyatakan bahwa jika V₂  V₁ maka  P₁  P₂ ini berarti bahwa temapat yang kelajuan aliran besar, tekanan kecil. Ebaliknya ditempat ditempat yang kelajuannya aliran kecil, tekanan besar. pernyataan ini dikenal asas bernoulli.

b.      Teorema torricelli

   Salah satu penggunaan persamaan Bernoulli adalah menghitung kecepatan zat cair yang keluar dari dasar sebuah wadah (lihat gambar di bawah).

 Kita terapkan persamaan Bernoulli pada titik 1 (permukaan wadah) dan titik 2 (permukaan lubang). Karena diameter kran/lubang pada dasar wadah jauh lebih kecil dari diameter wadah, maka kecepatan zat cair di permukaan wadah dianggap nol (v1 = 0). Permukaan wadah dan permukaan lubang/kran terbuka sehingga tekanannya sama dengan tekanan atmosfir (P1 = P2). Dengan demikian, persamaan Bernoulli untuk kasus ini adalah :

p + 1 ρv + ρgh = p + ρv + ρgh

ρgh₁ =  ρv₂ ² + ρgh₂

Jika kita ingin menghitung kecepatan aliran zat cair pada lubang di dasar wadah, maka persamaan ini menjadi :

ρgh₁ = (  v₂ ² + gh₂) ρ

Massa jenis zat cair sama sehinggaρ dilenyapkan :

gh₁ =  v₂²  + gh₂

                                      v₂² = gh₁ - gh₂

   v₂² = 

   v₂ =

   v₂ =

berdasarkan persamaan ini, tampak bahwa laju aliran air pada lubang yang berjarak h dari permukaan wadah sama dengan laju aliran air yang jatuh bebas sejauh h (bandingkan gerak jatuh bebas). Ini dikenal dengan teorema torricceli.

3.      Viskositas

Viskositas berhubungan dengan fluida yang tidak encer  yaitu adanya gaya gesekan atau friksi anatara lapisan – lapisan fluida menyebabkan kehilangan energi. Arus tidak lagi stasioner dan beda kecepatan tiap arus sehingga disebut aliran laminar. Lapisan akan menarik lapisan dibawah dengan gaya f.