Bab 14 Mekanika Fluida Diktat

7/27/2019 Bab 14 Mekanika Fluida Diktat

http://slidepdf.com/reader/full/bab-14-mekanika-fluida-diktat 1/38

•Densitas

(Massa

Jenis)A

•Tekanan

dalam

FluidaB

•Gaya Apungdan Prinsip

ArchimedesC

•Aliran FluidaD

•Persamaan

BernoulliE

•Viskositas

dan

Turbulensi

F

Mekanika Fluida



Mesin Kalor, Entropi, dan Hukum 2Termodinamika

Mekanika Fluida

•Densitas

(Massa

Jenis)A

•Tekanan

dalam

FluidaB


ArchimedesC

•Aliran FluidaD

•Persamaan

BernoulliE

•Viskositas

dan

Turbulensi

F

Menjelaskan rapat massa dan rapat massa rata-

rata suatu benda

Menjelaskan tekanan dalam fluida dan cara

mengukurnya Menghitung gaya apung yang diberikan fluida

pada benda yang masuk ke dalam fluida

Perbedaanaliran laminar dan turbulensi serta

bagaimana kecepatan aliran dalam tabungbergantung pada ukuran tabung

Menggunakan persamaan Bernoulli yang

menghubungkan tekanan dan kecepatan aliran

pada titik yang berbeda

Tujuan Pembelajaran




Mekanika Fluida

•Densitas

(Massa

Jenis)A

•Tekanan

dalam

FluidaB


ArchimedesC

•Aliran FluidaD

•Persamaan

BernoulliE

•Viskositas

dan

Turbulensi

F

Rapat Jenis

Tekanan dalam Fluida

Gaya Apung

Aliran Fluida

Persamaan Bernoulli

Viskositas dan Turbulensi

Bab yang akan dipelajari




Mekanika Fluida

•Densitas

(Massa

Jenis)A

•Tekanan

dalam

FluidaB


ArchimedesC

•Aliran FluidaD

•Persamaan

BernoulliE

•Viskositas

dan

Turbulensi

F

Bebek memiliki kaki yang berselaput yang sangat

berguna ketika bebek berada di air. Selain

digunakan untuk mengayuh di air, kaki berselaput

mencegah bebek tenggelam. Tidak semua jenisbinatang dapat mengambang di air.

Jika Anda menjatuhkan batu ke air maka batu

tersebut akan tenggelam. Lain halnya jika yang

Anda jatuhkan adalah gabus (stereoform). Gabus

tersebut akan mengambang di permukaan air.

Besaran apa saja yang mempengaruhi keadaan-

keadaan tersebut? Pada bab ini kita akan

mempelajari sifat-sifat fluida diam dan bergerak

dan interaksinya dengan benda-benda.

Pendahuluan




Mekanika Fluida

•Densitas

(Massa

Jenis)A

•Tekanan

dalam

FluidaB


ArchimedesC

•Aliran FluidaD

•Persamaan

BernoulliE

•Viskositas

dan

Turbulensi

F

Salah satu karakteristik zat yang fundamental

adalah memiliki massa dan volume.

Kita dapat mendefinisikan satu besaran lagi

dimana untuk sebagian besar benda dari setiap jenis zat besaran tersebut memiliki nilai yang

sama, tidak peduli berapa massa dan volume

benda tersebut. Besaran tersebut adalah massa

jenis (densitas) yang menyatakan perbandingan

massa dan volume.

Densitas (Massa Jenis)

V

m




Mekanika Fluida

•Densitas

(Massa

Jenis)A

•Tekanan

dalam

FluidaB


ArchimedesC

•Aliran FluidaD

•Persamaan

BernoulliE

•Viskositas

dan

Turbulensi

F

Massa jenis dapat berubah-ubah sesuai dengan

lingkungan dimana benda tersebut berada.

Karena dalam suatu sistem yang tertutup massa

benda selalu tetap maka besaran yang berubahdari benda tersebut adalah volume.

Setiap jenis zat akan memberikan reaksi terhadap

perubahan suhu dan tekanan.

Misalnya untuk jenis benda yang tergolong plastikmaka ketika dipanaskan benda tersebut akan

menyusut.



Mesin Kalor, Entropi, dan Hukum 2TermodinamikaMekanika Fluida

•Densitas

(Massa

Jenis)A

•Tekanan

dalam

FluidaB


ArchimedesC

•Aliran FluidaD

•Persamaan

BernoulliE

•Viskositas

dan

Turbulensi

F

Untuk jenis benda yang bersifat bukan plastik,

kecuali untuk air pada suhu 00 hingga 40C, Ukuran

benda akan bertambah ketika benda tersebut

dipanaskan. Ketika benda diberi tekanan yang cukup besar

maka benda akan mengalami perubahan ukuran,

bergantung pada arah tekanan yang diberikan.




•Densitas

(Massa

Jenis)A

•Tekanan

dalam

FluidaB


ArchimedesC

•Aliran FluidaD

•Persamaan

BernoulliE

•Viskositas

dan

Turbulensi

F

Perubahan ukuran ini berhubungan dengan

perubahan bentuk benda sehingga terkadang efek

semacam itu disebut sebagai deformasi.

Lain halnya dengan zat gas, karena sifat fisisnyayang sangat fleksibel terhadap perubahan

temperatur dan tekanan maka perubahan volume

akibat dua faktor itu tidak dapat diabaikan begitu

saja.




•Densitas

(Massa

Jenis)A

•Tekanan

dalam

FluidaB


ArchimedesC

•Aliran FluidaD

•Persamaan

BernoulliE

•Viskositas

dan

Turbulensi

F

Berat Jenis

Dalam bidang Hidrolika, Para ahli bidang tersebut lebih

sering menggunakan besaran yang disebut berat jenis

yaitu besaran yang menyatakan perbandingan berat

suatu zat terhadap volumenya.

g w

V mV

mg w




•Densitas

(Massa

Jenis)A

•Tekanan

dalam

FluidaB


ArchimedesC

•Aliran FluidaD

•Persamaan

BernoulliE

•Viskositas

dan

Turbulensi

F

Massa Jenis Relatif

Massa jenis relatif menyatakan perbandingan massa

jenis suatu benda terhadap massa jenis air.

Massa jenis relatif ini merupakan sebuah bilangan tidak

berdimensi yang jika rasio tersebut lebih kecil dari 1

berarti massa jenis benda lebih kecil dibanding dengan

massa jenis air dan sebaliknya.

air

benda

rel




•Densitas

(Massa

Jenis)A

•Tekanan

dalam

FluidaB


ArchimedesC

•Aliran FluidaD

•Persamaan

BernoulliE

•Viskositas

dan

Turbulensi

F

Perhatikan Gambar disamping:

Fluida, baik dalam keadaanbergerak maupun diam, selalumenghasilkan tekanan.

Ketika Anda berenang,semakin dalam Andamenyelam maka semakin

besar tekanan yang Andarasakan.

Gaya penghasil tekanan inidapat diklasifikasikan menjadidua yaitu gaya berat zat dan

gaya permukaan.

Tekanan dalam Fluida




•Densitas

(Massa

Jenis)A

•Tekanan

dalam

FluidaB


ArchimedesC

•Aliran FluidaD

•Persamaan

BernoulliE

•Viskositas

dan

Turbulensi

F

Untuk fluida yang berada dalam

keadaan diam gaya tersebut

biasanya diisitilahkan sebagai

gaya hidrostatik.

Gaya permukaan adalah gaya

yang bekerja pada permukaan

kontak suatu zat terhadap zat

lain di sekitarnya.

Tekanan yang dihasilkan oleh air merupakan hasil interaksi antara

percepatan gravitasi yang

bekerja pada setiap elemen

massa air dan juga oleh gaya

permukaan.




•Densitas

(Massa

Jenis)A

•Tekanan

dalam

FluidaB


ArchimedesC

•Aliran FluidaD

•Persamaan

BernoulliE

•Viskositas

dan

Turbulensi

F

Besarnya tekanan yang dikerjakan oleh fluida

terhadap benda yang memiliki luas permukaan A

adalah:

0

0

p A

mg

mg F p A

F p




•Densitas

(MassaJenis)

A

•Tekanan

dalam

FluidaB


ArchimedesC

•Aliran FluidaD

•Persamaan

BernoulliE

•Viskositas

dan

Turbulensi

F

Pengalaman sehari-hari menunjukkan bahwa

benda yang berada dalam keadaan seperti pada

Gambar dibawah rata-rata tidak mengalami

pergeseran pada arah horisontal.




•Densitas

(MassaJenis)

A

•Tekanan

dalam

FluidaB


ArchimedesC

•Aliran FluidaD

•Persamaan

BernoulliE

•Viskositas

dan

Turbulensi

F

Pada keadaan setimbang maka komponen gaya

vertikal ke bawah dan ke atas adalah sama besar

sehingga:

udara gravitasi shidrostati

bawahatas

F F F

F F




•Densitas

(MassaJenis)

A

•Tekanan

dalam

FluidaB


ArchimedesC

•Aliran FluidaD

•Persamaan

BernoulliE

•Viskositas

dan

TurbulensiF

Untuk sementara, kita memiliki sebuah petunjuk

mengenai kebergantungan tekanan terhadap

kedalaman yaitu bahwa semakin dalam letak

suatu benda, diukur relatif terhadap permukaanfluida, maka semakin besar tekanan yang bekerja

padanya.

p maka p2 = p1 + p.

mg A p F

A p p F

bawah

atas

1

1

y g p

y gA A p A p p

y y Ammg A p A p p

AF F bawahatas

0

0

0

11

1211




•Densitas

(MassaJenis)

A

•Tekanan

dalam

FluidaB


ArchimedesC

•Aliran FluidaD

•Persamaan

BernoulliE

•Viskositas

dan

TurbulensiF

Tekanan atmosfer di permukaan bumi adalah

sekitar 1 atm, ekuivalen dengan 101,325 kPa.

Pertambahan tekanan yang diberikan terhadap

sembarang titik pada fluida akan disebarkansecara merata pada seluruh bagian fluida

tersebut. Pernyataan ini biasa disebut sebagai

prinsip Pascal .




•Densitas

(MassaJenis)

A

•Tekanan

dalam

FluidaB


ArchimedesC

•Aliran FluidaD

•Persamaan

BernoulliE

•Viskositas

dan

TurbulensiF

Paradoks Hidrostatis

Gambar disamping

Persamaan

sebelumnya

menunjukkan pada kitabahwa tekanan yang

bekerja pada suatu

fluida tidak bergantung

pada posisi horisontal

fluida melainkan posisivertikalnya saja.




•Densitas

(MassaJenis)

A

•Tekanan

dalam

FluidaB


ArchimedesC

•Aliran FluidaD

•Persamaan

BernoulliE

•Viskositas

dan

TurbulensiF

Alat yang digunakan untuk mengukur tekanan

disebut dengan manometer.

Gambar skematik prinsip kerja manometer.




•Densitas

(MassaJenis)

A

•Tekanan

dalam

FluidaB


ArchimedesC

•Aliran FluidaD

•Persamaan

BernoulliE

•Viskositas

dan

TurbulensiF

Ketika bongkahan es batu kita masukkan satu per

satu, terlihat bahwa ketinggian air dalam gelas

makin lama makin naik. Tentu saja hal ini

dikarenakan es batu yang kita masukkan tadimendesak volume air yang ada dalam gelas.

Perubahan ketinggian air dalam gelas terjadi

secara merata. Hal ini bersesuaian dengan prinsip

Pascal.

Prinsip ini banyak diaplikasikan terutama untuk

mengukur volume benda-benda yang memiliki

bentuk tidak beraturan.

Gaya Apung dan Prinsip Archimedes




•Densitas

(MassaJenis)

A

•Tekanan

dalam

FluidaB


ArchimedesC

•Aliran FluidaD

•Persamaan

BernoulliE

•Viskositas

dan

TurbulensiF

Fenomena lainnya yang mengesankan adalah,

kadang, ada benda-benda yang dimasukkan ke

dalam air namun benda tersebut tidak tenggelam,

tidak juga mengapung. Sebuah benda yang berada pada fluida dapat

mengalami tiga keadaan yaitu mengapung,

tenggelam dan melayang.

Faktor apa yang mempengaruhi keadaan benda-benda tersebut?




•Densitas

(MassaJenis)

A

•Tekanan

dalam

FluidaB


ArchimedesC

•Aliran FluidaD

•Persamaan

BernoulliE

•Viskositas

dan

TurbulensiF

Perhatikan Gambar dibawah, pada keadaan

dimana balok kayu tidak dipercepat atau diam

maka jumlah total gaya yang bekerja pada balok

tersebut adalah nol.




•Densitas

(MassaJenis)

A

•Tekanan

dalam

FluidaB


ArchimedesC

•Aliran FluidaD

•Persamaan

BernoulliE

•Viskositas

dan

TurbulensiF

Karena gaya ke atas harus sama dengan gaya ke

bawah maka berlaku:

y

h

gAy ghA

Aym g m ghA

A p g m ghA A p

F F

b

b

bbb

b

bh

00




•Densitas

(MassaJenis)

A

•Tekanan

dalam

FluidaB


ArchimedesC

•Aliran FluidaD

•Persamaan

BernoulliE

•Viskositas

dan

TurbulensiF

Bagaimana seandainya massa jenis benda yang

tercelup dalam fluida lebih besar dibanding massa

jenis fluida itu sendiri?

Untuk sistem dimana volume fluida jauh lebihbesar dibanding dengan volume benda maka

seluruh bagian benda, tentu saja, masuk ke dalam

fluida seluruhnya. Keadaan semacam inilah yang

disebut dengan tenggelam.

Hal inilah yang menjelaskan mengapa sebatang

paku yang berukuran kecil dapat tenggelam di

lautan sedangkan sebatang kayu berukuran besar

mengapung.




•Densitas

(MassaJenis)

A

•Tekanan

dalam

FluidaB


ArchimedesC

•Aliran FluidaD

•Persamaan

BernoulliE

•Viskositas

dan

TurbulensiF

Besarnya gaya hirdrostatik adalah selisih antara

gaya gravitasi dan gaya netto sistem.

F h = F g – F netto

Kesimpulan penting tersebut adalah bahwa gayahidrostatik yang dihasilkan oleh fluida adalah

sebanding dengan jumlah massa fluida yang

dipindahkan atau jumlah volume benda yang

tercelup pada fluida.

F h = ρgV tercelup

Gaya hidrostatis yang dihasilkan oleh fluida

sebanding dengan massa fluida yang dipindahkan




•Densitas

(MassaJenis)

A

•Tekanan

dalam

FluidaB


ArchimedesC

•Aliran FluidaD

•Persamaan

BernoulliE

•Viskositas

dan

TurbulensiF

Salah satu cabang ilmu pengetahuan yang

berkecimpung dalam bidang fluida bergerak

adalah hidrodinamika.

Gerak fluida tersebut sering kita istilahkan sebagaimengalir. Aliran fluida ada yang teratur dan ada

pula yang tidak.

Aliran fluida secara umum dapat dikelompokkan

menjadi dua yaitu: Aliran laminar

Aliran turbulens

Aliran Fluida




•Densitas

(MassaJenis)

A

•Tekanan

dalam

FluidaB


ArchimedesC

•Aliran FluidaD

•Persamaan

BernoulliE

•Viskositas

dan

TurbulensiF

Persamaan Kontinuitas

Perhatikan Gambar dibawah, dalam selang waktu t

fluida pada luas penampang A1 bergerak dengan

kecepatan v 1 menempuh lintasan sepanjang x 1.




•Densitas

(MassaJenis)

A

•Tekanan

dalam

FluidaB


ArchimedesC

•Aliran FluidaD

•Persamaan

BernoulliE

•Viskositas

dan

TurbulensiF

Karena massa jenis fluida adalah konstan maka

jumlah massa per detik yang masuk melalui luas

penampang A1 haruslah sama dengan jumlah

massa yang masuk melalui luas penampang A2.

V 1 = V 2 A1v 1t = A2v 2t

A1v 1 = A2v 2

Besaran A1v 1 dan A2v 2 tidak lain adalah jumlah

volume yang mengalir tiap detik yang biasa

disebut dengan debit, Q.

1

2

2

1

A

A

v

v




•Densitas

(MassaJenis)

A

•Tekanan

dalam

FluidaB


ArchimedesC

•Aliran FluidaD

•Persamaan

BernoulliE

•Viskositas

dan

TurbulensiF

Perhatikan Gambar dibawah, titik 1 berada pada

ketinggian y 1 diukur relatif terhadap tanah

sedangkan titik 2 berada pada ketinggian y 2.

Persamaan Bernoulli




•Densitas

(MassaJenis)

A

•Tekanan

dalam

FluidaB


ArchimedesC

•Aliran FluidaD

•Persamaan

BernoulliE

•Viskositas

dan

TurbulensiF

Gaya F 1 dan F 2 mendorong fluida sejauh x dan

dengan demikian menghasilkan kerja masing-

masing sebesar:

W 1 = F 1 x 1 = p1 A1v 1t

W 2 = –F 2 x 2 = – p2 A2v 2t

Tanda ( –

) pada W 2 adalah karena arah kerja gayaF 2 berlawanan arah relatif terhadap arah kerja

gaya F 1.




•Densitas

(MassaJenis)

A

•Tekanan

dalam

FluidaB


ArchimedesC

•Aliran FluidaD

•Persamaan

BernoulliE

•Viskositas

dan

TurbulensiF

Perbedaan letak ketinggian mengingatkan kita

pada perubahan energi potensial fluida.

EP = mg y EP = Avdt (y 2 –y 1)

Jika perubahan energi kinetik kita tuliskan sebagai

EK maka besarnya EK adalah:

21

2

22

1vvvAdt EK

l d k




•Densitas

(MassaJenis)

A

•Tekanan

dalam

FluidaB


ArchimedesC

•Aliran FluidaD

•Persamaan

BernoulliE

•Viskositas

dan

TurbulensiF

Selisih kerja yang dihasilkan sistem sama dengan

perubahan energi mekanik sistem sehingga W =

EP + EK .

Persamaan diatas disebut dengan persamaan

Bernoulli.

2

222

2

111

2

1

2

21221

2

1

2

21221

2

1

2

1

2

1

2

1

v y pv y p

vv y y p p

vv Avdt y y Avdt Avdt p p

EK EP W

i l i d k




•Densitas

(MassaJenis)

A

•Tekanan

dalam

FluidaB


ArchimedesC

•Aliran FluidaD

•Persamaan

BernoulliE

•Viskositas

dan

TurbulensiF

Perhatikan Gambar disamping. Gambar (a)adalah sistem fluida laminar ideal yang baru saja kita

bahas. Gambar (b)menunjukkan representasialiran fluida laminar dimanagaya gesek diperhitungkan.

Aliran fluida seperti tampak

pada Gambar (b) dikenaldengan nama aliranPoiseuille.

Fluida memiliki sifatkekentalan yang disebutviskositas.

Viskositas dan Turbulensi

M i K l E i d H k 2




•Densitas

(MassaJenis)

A

•Tekanan

dalam

FluidaB


ArchimedesC

•Aliran FluidaD

•Persamaan

BernoulliE

•Viskositas

dan

TurbulensiF

Hambatan oleh viskositas dipengaruhi oleh suatu

variabel yang disebut koefisien viskositas, .

Gaya yang dikerjakan pada fluida sebanding

dengan , luas bidang kontak dan berbandingterbalik terhadap ketebalan fluida.

M i K l E i d H k 2




•Densitas

(MassaJenis)

A

•Tekanan

dalam

FluidaB


ArchimedesC

•Aliran FluidaD

•Persamaan

BernoulliE

•Viskositas

dan

TurbulensiF

Perhatikan Gambar dibawah, dalam ilustrasi

tersebut terlihat bahwa fluida yang dekat dengan

plat yang bergerak memiliki kecepatan yang lebih

besar dibanding fluida di bagian yang lain.

M i K l E t i d H k 2




•Densitas

(MassaJenis)

A

•Tekanan

dalam

FluidaB


ArchimedesC

•Aliran FluidaD

•Persamaan

BernoulliE

•Viskositas

dan

TurbulensiF

Besarnya gaya yang menggerakkan plat tersebut

dapat dirumuskan sebagai berikut:

d

Av F





•Densitas

(MassaJenis)

A

•Tekanan

dalam

FluidaB


ArchimedesC

•Aliran FluidaD

•Persamaan

BernoulliE

•Viskositas

dan

TurbulensiF

Secara sederhana kita dapat menyatakan bahwa

perubahan energi karaena gesekan termanifestasi

dalam bentuk penurunan tekanan.

p = p1 – p2 Qf R

Dimana Q menyatakan debit fluida dan f R

menyatakan faktor resistensi akibat gesekan.





•Densitas

(MassaJenis)

A

•Tekanan

dalam

FluidaB


ArchimedesC

•Aliran FluidaD

•Persamaan

BernoulliE

•Viskositas

dan

TurbulensiF

Untuk fluida laminar yang mengalir melalui pipa

yang memiliki ukuran jari-jari sama di setiap

segmen, nilai f R adalah:

Karakter aliran fluida dinyatakan dengan sebuah

bilangan tak berdimensi yang disebut denganbilangan Reynolds, NR.

vr N R

2

4

4

8

8

r

LQr

LQ p

Documents

Bab 14 Mekanika Fluida Diktat