Makalah Mekanika Fluida [PDF]

Citation preview

I. Pendahuluan Fluida adalah zat alir adalah zat dalam keadaan bisa mengalir dan memberikan sedikit hambatan terhadap perubahan bentuk ketika ditekan. Ada dua macam fluida yaitu cairan dan gas.Salah satu ciri fluida adalah kenyataan bahwa jarak antara dua molekulnya tidak tetap, bergantung pada waktu. Ini disebabkan oleh lemahnya ikatan antara molekul yang disebut kohesi. Gaya kohesi antara molekul gas sangat kecil jika dibandingkan gaya kohesi antar molekul zat cair. Ini mnyebabkan molekul-molekul gas menjadi relatif bebas sehingga gas selalu memenuhi ruang. Sebaliknya molekul-molekul zat cair terikat satu sama lainnya sehingga membentuk suatu kesatuan yang jelas meskipun bentuknya sebagian ditentukan oleh wadahnya. Akibat yang lainnya adalah sifat kemampuannya untuk dimampatkan.Gas bersifat mudah dimampatkan sedangkan zat cair sulit. Gas jika dimampatkan dengan tekanan yang cukup besar akan berubah manjadi zat cair. Mekanika gas dan zat cair yang bergerak mempunyai perbedaan dalam beberapa hal, tetapi dalam keadaan diam keduanya mempunyai perilaku yang sama dan ini dipelajari dalam statika fluida. Fluida terbagi atas dua jenis, yakni fluida tak mengalir (hidrostatika) dan flida mengalir (hidrodinamika). Penerapannya dalam peralatan teknik di kehidupan sehari-hari saat ini banyaklah sekali contohnya dari mulai yang sangat sederhana seperti pompa angin hingga sistem pengeboran minyak lepas pantai. II. Terapan dalam Kehidupan 1. Dongkrak hidrolik Prinsip



kerja dongkrak hidrolik adalah penerapan darihukum Paskal yang



berbunyi ”tekanan yang diberikan pada zat cair di dalam ruang tertutup diteruskan sama besar ke segala arah”.



Gambar model sederhana dongkrak hirolik



Tekanan yang kita berikan pada pengisap yang penampangnya kecil diteruskan oleh minyak (zat cair) melalui pipa menuju ke pengisap yang penampangnya besar. Pada pengisap besar dihasilkan gaya angkat yang mampu menggangkat beban. 2. Pompa Hidrolik Ban Sepeda Prinsip dari pompa ini juga menerapkan hukum Paskal,pada pompa hidrolik ini kita memberi gaya yang kecil pada pengisap kecil sehingga pada pengisap besar akan dihasilkan gaya yang cukup besar, dengan demikian pekerjaan memompa akan menjadi lebih ringan, bahkan dapat dilakukan oleh seorang anak kecil sekalipun.



Gambar pompa hidrolik ban sepeda



3. Mesin hidrolik pengangkat mobil Mesin hidrolik pengangkat mobil juga menerapkan prinsip hukum Paskal. Prinsip kerjanya adalah sebagai berikut.



Gambar Mesin Hidrolik Pengangkat Mobil



Udara dengan tekanan tinggi masuk melalui keran K1.Udara ini dimampatkan dalam tabung A. Tekanan udara yang tinggi ini diteruskan oleh minyak (fluida) ke pengisap B. Pada pengisap B dihasilkan gaya angkat yang besar sehingga mampu mengangkat beban mobil. 4. Rem Piringan Hidrolik Ide tekanan zat cair diteruskan melalui zat cair juga digunakan pada mobil untuk sistem pengereman. Setiap rem mobil dihubungkan oleh pipa-pipa menuju ke master silinder. Pipa-pipa penghubung dan master silinder diisi penuh dengan minyak rem.



Gambar rem piringan hidrolik



Ketika kita menekan pedal rem, master silinder tertekan.Tekanannya diteruskan oleh minyak rem ke setiap silinder rem.Gaya tekan pada silinder rem menekan sepasang sepatu rem sehingga menjepit piringan logam. Akibat jepitan ini, timbul gesekan pada piringan yang melawan arah gerak piringan hingga akhirnya dapat menghentikan putan roda. Sepasang sepatu dapat menjepit piringan dengan gaya yang besar karena sepasang sepatu tersebut dihubungkan ke pedal rem melalui sistem hidrolik. Disini kita menekan silinder yang luas pengisapnya lebih kecil daripada luas pengisap rem, sehingga pada rem dihasilkan gaya yang lebih besar. Jika luas pengisap rem dua kali luas pengisap master, maka dihasilkan gaya rem yang dua kali lebih besar dari gaya tekan kaki pada pedal rem. Gesekan sepasang sepatu terhadap piringan menimbulkan panas. Oleh karena permukaan piringan sangat luas jika dibandingkan terhadap luas sepasang sepatu, maka panas yang timbul pada piringan segera dipindahkan ke udara sekitarnya. Ini mengakibatkan suhu sepasang sepatu rem hampir tetap (tidak panas).



5. Hidrometer Hidrometer adalah alat yang dipakai untuk mengukur massa jenis zat cair. Nilai massa jenis zat dapat diketahui dengan membaca skala pada hidrometer yang ditempatkan mengapung pada zat cair.Hidrometer terbuat dari tabung kaca dan desainnya memiliki tiga bagian. Pada alat ini diterapkan hukum Archimedes



Gambar hidrometer



Agar tabung kaca terapung tegak didalam zat cair, bagian bawah tabung dibebani dengan butiran timbal. Diameter bagian bawah tabung kaca dibuat lebih besar supaya volume zat cair yang dipindahkan ke hidrometer dapat mengapung di dalam zat cair Tangkai tabung kaca didesain supaya perubahan kecil dalam berat benda yang dipindahkan (sama artinya dengan perubahan kecil dalam massa jenis zat cair) menghasilkan perubahan besar pada kedalaman tangkai yang tercelup di dalam zat cair. Ini berarti perbedaan bacaan pada skala untuk berbagai jenis zat cair menjadi lebih jelas. Dasar matematis prinsip kerja hidrometer adalah sebagai berikut: Hidrometer terapung di dalam zat cair, sehingga berlaku : Gaya keatas = berat hidrometer



Massa hirometer m dan luas tangkai A adalah tetap, sehingga tinggi tangkai yang tercelup didalam zat cair hf berbanding terbalik dengan massa jenis zat cair ρf. Jika massa



jenis zat cair kecil ( ρf kecil), maka tinggi hidrometer yang tercelup didalam zat cair besar ( hf besar). Akan didapt bacaan skala yang menunjukan angka yang lebih kecil. Jika massa jenis zat cair besar ( ρf besar), maka tinggi hidrometer yang tercelup di dalam zat cair kecil ( hfkecil). Akan didapat bacaan skala yang menunjukan angka yang lebih besar. 6. Kapal Laut Badan kapal yang terbuat dari besi dibuat berongga. Hal ini menyebabkan volum air laut yang dipindahkan oleh badan kapal menjadi sangat besar. Gaya keatas sebanding dengan volum air yang dipindahkan, sehingga gaya keatas menjadi sangat besar. Gaya keatas ini mampu mengatasi berat total kapal, sehingga kapal laut mengapung di permukaan laut



Gambar pemodelan kapal laut terlihat dari depan



Kapal laut di desain di pabrik dengan kapasitas muatan maksimum tertentu sedemikian rupa sehingga kapal laut tetap mengapung dengan permukaan air masih jauh dari bagian geladak.Gambar diatas menunjukan bagian kapal laut yang terbenam dalam air laut untuk kapal yang sama tetapi berbeda muatan. Gambar kiri untuk berat kapal kosong (tidak bermuatan) dan kapal kanan untuk yang bermuatan. Tampak bahwa untuk berat kapal yang bertambah karena muatan harus diimbangi oleh gaya keatas yang harus bertambah besar oleh karena itu, kapal lebih terbenam di dalam air laut agar volum air yang digantikan oleh kapal itu bertambah. 7. Kapal Selam



Penerapan hukum Archimedes juga dilakukan pada prinsip kapal selam. Dimana sebuah kapal selam memiliki tangki pemberat, yang terletak diantara lambung sebelah dalam dan lambung sebelah luar. Tangki ini dapat diisi dengan udara atau air.



Gambar sebuah kapal selam



Terlihat pada gambar diatas gaya-gaya yang bekerja pada sebuah kapal selam. Jika gaya keatas Fa lebih besar daripada berat total kapal selam, maka kapal selam terapung. Untuk dapat membuat kapal selam terbenam kedalam air laut, beratnya harus ditambah sehingga lebih besar daripada gaya keatas (w>Fa). Hal ini dilakukan dengan membuka



katup-



katup



yang



memungkinkan



air



laut



masuk



kedalam



tangki



pemberat.Sewaktu air laut masuk melalui katup-katup yang terletak di bagian bawah tangki pemberat, air laut tersebut mendorong udara dalam tangki keluar melalui katup-katup yang terletak di bagian atas. Air laut jauh lebih berat daripada udara, sehingga berat total kapalselam menjadi lebih besar dan membuat kapal selam terbenam. Jika kapal selam dikehendaki menyelam pada kedalaman tertentu, maka awak kapal harus mengatur volum air laut dalam tangki pemberat sedemikian sehingga berat total sama dengan gaya keatas. Pada saat tersebut kapal selam melayang pada kedalaman tertentu dibawah permukaan laut. Untuk membuat kapal selam mengapung kembali, udara dipompakan ke dalam tangki pemberat. Udara ini menekan air laut sehingga air laut keluar melalui katup-katup bagian bawah. Udara jauh lebih ringan daripada air laut sehingga berat total kapal selam menjadi lebih ringan dan kapal selam mengapung kembali. 8. Balon Udara Hukum Archimedes juga diterapkan pada balon udara.Seperti halnya zat cair, udara (yang termasuk fluida) juga melakukan gaya keatas pada benda. Gaya keatas yang dilakukan udara pada benda sama dengan berat udara yang dipindahkan oleh benda itu.Rumus gaya



keatas yang dilakukan udara tetap seperti persamaan sebelumnya tetapi ρf disini adalah massa jenis udara. Prinsip gaya keatas yang dikerjakan udara inilah yang dimanfaatkan pada balon udara.



Gambar balon udara yang naik keatas berdasarkan prinsip gaya keatas yang dikerjakan udara.



Mula-mula balon diisi dengan gas panas sehingga balon menggelembung dan volumnya bertambah. Bertambahnya volume balon berarti bertambah pula volum udara yang dipindahkan oleh balon. Ini berarti gaya keatas bertambah besar. Suatu saat gaya keatas sudah lebih besar daripada berat total balon (berat balon dan muatan), sehingga balon mulai bergerak naik. Awak balon udara terus menambah gas panas sampai balon itu mencapai ketinggian tertentu. Setelah ketinggian yangdiinginkan tercapai, awak balon mengurangi gas panas sampai tercapai gaya keatas sama dengan berat balon. Pada saat itulah balon melayang di udara. Sewaktu awk ingin menurunkan ketinggian maka sebagian isi gas panas dikeluarkan dari balon. Ini menyebabkan volum balon berkurang, yang berarti gaya keatas berkurang . akibatnya, gaya keatas lebih kecil daripada berat balon, dan balon bergerak turun. 9. Karburator Fungsi karburator adalah untuk menghasilkan campuran bahan bakar dengan udara, kemudian campuran ini dimasukan kedalam silinder-silinder mesin untuk tujuan pembakaran.



Gambar karburator



Penampang bagian atas menyempit sehingga udara yang mengalir pada bagian ini bergerak dengan kelajuan yang tinggi.Sesuai asas Bernoulli, tekanan pada bagian ini rendah. Tekanan didalam tangki bensin sama dengan tekanan atmosfer. Tekanan atmosfer memaksa bahan bakar tersembur keluar melalui jet sehingga bahan bakar bercampur dengan udara sebelum memasuki silinder mesin. 10. Sayap Pesawat Terbang Penerapan lain dari asas Bernoulli adalah pada gaya angkat sayap pesawat terbang. Pesawat terbang dapat terangkat ke udara karena kelajuan udara yang melalui sayap pesawat. Jika tidak ada udara maka pesawat terbang tidak akan terangkat. Gaya angkat terbangkitkan karena ada perbedaan tekanan di permukaan atas dan permukaan bawah sayap. Bentuk airfoil sayap diciptakan sedemikian rupa agar tercipta karakteristik aliran yang sesuai dengan keinginan. Singkatnya, gaya angkat akan ada jika tekanan dibawah permukaan sayap lebih tinggi dari tekanan diatas permukaan sayap. Perbedaan tekanan ini dapat terjadi karena perbedaan kecepatan aliran udara diatas dan dibawah permukaan sayap. Sesuai hukum Bernoulli semakin cepat kecepatan aliran maka tekanannya makin rendah. Besarnya gaya angkat yang dibangkitkan berbanding lurus dengan Luas permukaan sayap, kerapatan udara, kuadrat kecepatan, dan koefisien gaya angkat. Jadi, untuk pesawat udara, engine berfungsi memberikan gaya dorong agar pesawat dapat bergerak maju. Akibat gerak maju pesawat maka terjadi gerakan relatif udara di permukaan sayap. Dengan bentuk geometri airfoil tertentu dan sudut serang sayap (angel of attack) tertentu maka akan menghasilkan suatu karakteristik aliran udara dipermukaan sayap



yang kemudian akan menciptakan beda tekanan dipermukaan atas dan permukaan bawah sayap yang kemudian membangkitkan gaya angkat yang dibutuhkan untuk terbang. Penampang sayap pesawat terbang mempunyai bagian belakang yang lebih tajam dan sisi bagian atas yang lebih melengkung daripada sisi bagian bawahnya. Bentuk ini menyebabkan garis arus seperti gambar di bawah



Gambar garis arus pada sayap pesawat



Gambar garis arus pada sayap pesawat



Garis arus pada sisi bagian atas lebih rapat dari sisi bagian bawahnya; yang berarti kelajuan aliran udara pada sisi bagian atas pesawat (v2) lebih besar daripada sisi bagian bawah sayap (v1).Sesuai dengan asas Bernoulli, tekanan pada sisi bagian atas (P2) lebih kecil daripada sisi bagian bawah (P1) karena kelajuan udaranya lebih besar.



Jika pesawat hendak bergerak mendatar dengan suatu percepatan, maka gaya kedepan harus lebih besar daripada gaya hambatan, dan gaya angkat harus sama dengan berat pesawat. Jika pesawat hendak menambah ketinggian, maka gaya angkat harus lebih besar daripada berat pesawat. Jika pesawat hendak terbang dengan kelajuan tetap pada ketinggian yang tetap, maka resultan gaya mendatar dan gaya vertikal harus sama dengan nol. Ini berarti bahwa gaya kedepan sama denmgan gaya hambatan, dan gaya angkat sama dengan berat pesawat.



Fenomena Angin Angin adalah udara yang bergerak yang diakibatkan olehrotasi bumi dan juga karena adanya perbedaan tekanan udara(tekanan tinggi ke tekanan rendah) di sekitarnya. Apabila dipanaskan, maka udara memuai. Udara yang telah memuai menjadi lebih ringan sehingga naik. Apabila hal ini terjadi, tekanan udara turun kerena udaranya berkurang. Udara dingin disekitarnya mengalir ke tempat yang bertekanan rendah tadi. Udara menyusut menjadi lebih berat dan turun ke tanah. Diatas tanah udara menjadi pAnas lagi dan naik kembali. Aliran naiknya udara panasdan turunnya udara dingin ini dinamakan konveksi.



Kecepatan angin di dekat khatulistiwa lebih cepat dari lainnya. Semakin tinggi tempat, semakin kencang pula angin yang bertiup. Di siang hari, angin bergerak lebih cepat bila diandingkan dengan malam hari. Sedang angin darat dan angin laut terjadi karena perbedaan tekanan udara antara permukaan laut dan daerah daratan di sekitar pantai. Sebagai akibat adanya sinar matahari yang meninari kawasan tersebut. Terjadinya Tsunami Tsunami adalah istilah dalam bahasa Jepang yang pada dasarnya menyatakan suatu gelombang laut yang terjadi akibat gempa bumi tektonik di dasar laut. Magnitudo Tsunami yang terjadi di Indonesia berkisar antara 1,5-4,5 skala Imamura, dengan tinggi gelombang Tsunami maksimum yang mencapai pantai berkisar antara 4 - 24 meter dan jangkauan gelombang ke daratan berkisar antara 50 sampai 200 meter dari garis pantai. Berdasarkan Katalog gempa (1629 - 2002) di Indonesia pernah terjadi Tsunami sebanyak 109 kali , yakni 1 kali akibat longsoran (landslide), 9 kali akibat gunung berapi dan



98 kali akibat gempa bumi tektonik. Dan yang terakhir terjadi adalah di Aceh dan kawasan pantai selatan Yang paling mungkin dapat menimbulkan tsunami adalah : gempa yang terjadi di dasarkan laut, kedalaman pusat gempa kurang dari 60 km, magnitudo gempa lebih besar dari 6,0 skala Richter, serta jenis pensesaran gempa tergolong sesar naik atau sesar turun. Hal diatas yang memicu terjadinya tsunami di daerah Kepulauan Seram, Ambon, Kepulauan Banda dan Kepulauan Kai. Gempa yang menimbulkan tsunami sebagian besar berupa gempa yang mempunyai mekanisme fokus dengan komponen dip-slip, yang terbanyak adalah tipe thrust (Flores 1992) dan sebagian kecil tipe normal (Sumba 1977).Gempa dengan mekanisme fokus strike slip kecil sekali kemungkinan untuk menimbulkan tsunami



Visualisasi bagaimana gelombang tsunami dapat terjadi



Tsunami dapat terjadi jika terjadi gangguan yang menyebabkan perpindahan sejumlah besar air, seperti letusangunung api, gempa bumi, longsor maupun meteor yang jatuh ke bumi. Namun, 90% tsunami adalah akibat gempa bumi bawah laut. Dalam rekaman sejarah beberapa tsunami diakibatkan oleh gunung meletus, misalnya ketika meletusnya Gunung Krakatau.



Gerakan vertikal pada kerak bumi, dapat mengakibatkan dasar laut naik atau turun secara tiba-tiba, yang mengakibatkan gangguan kesetimbangan air yang berada di atasnya. Hal ini mengakibatkan terjadinya aliran energi air laut, yang ketika sampai di pantai menjadi gelombang besar yang mengakibatkan terjadinya tsunami. Gerakan vertikal ini dapat terjadi pada patahan bumi atau sesar. Gempa bumi juga banyak terjadi di daerah subduksi, dimana lempeng samudera menelusup ke bawah lempeng benua. Kejadian gempa bumi yang menimbulkan gelombang tsunami sehingga menyapu sejumlah negara dan menimbulkan korban jiwa puluhan ribu jiwa, bermula dari pergeseran lempeng bumi pada lapisan litosfir di bawah laut. Pergeseran lempeng tersebut terjadi akibat pertemuan lempeng Australia di bagian Selatan dengan Lempeng Euroasia di bagian Utara. Pertemuan antarkedua lempeng tersebut menimbulkan salah satu lempeng terdorong ke bawah. Pergeseran lempeng menimbulkan getaran yang disebut gelombang seismik. Gelombang tersebut bergerak ke segala arah menjauhi sumber getaran di dalam bumi. Ketika gelombang tersebut mencapai permukaan bumi, maka getarannya menimbulkan kerusakan, dan sangat dipengaruhi kekuatan dan jarak dari sumber gempa. Gerakan vertikal dari dasar laut akan menaikkan atau menurunkan air yang berada di atasnya. Kejadian itu akan mendorong gelombang bergerak keluar. Gerakan yang semula tidak terasa dari dalam laut, tiba-tiba muncul sebagai tsunami yang menghantam pinggir pantai. Tanah longsor yang terjadi di dasar laut serta runtuhan gunung api juga dapat mengakibatkan gangguan air laut yang dapat menghasilkan tsunami. Demikian pula halnya dengan benda kosmis atau meteor yang jatuh dari atas. Jika ukuran meteor atau longsor ini cukup besar, dapat terjadi mega tsunami yang tingginya mencapai ratusan meter.



Jadi, pada dasarnya terdapat dua hukum yang berlaku dalam mekanika fluida, yaitu: statika dan dimanika. Contonya air, patuh pada hukum Hidrostatika (misalnya hukum Archimedes) dan juga patuh pada hukum Hidrodinamika. Dalam gas/udara berlaku hukum aerosatika dan hukum aerodinamika. Contoh pemanfaatan hukum: a. Hidro statika: transportasi dengan kapal laut. b. Aerstatika: balon udara, Zepellin. c. Aerodinamika: pesawat udara, peluru kendali.



d. Hydrodinamika: turbin air dan baling-baling kapal laut, permainan selancar diair. Yang termasuk dalam Fluida adalah : a.benda cair: air,minyak,bensin,olie, dsb b. gas: udara, oksigin, hidrogin, nitrogin, dsb e. gas yang dijadikan cair: LPG, LNG,dsb f. gas yang mengembun atau zat cair berbentuk uap: uap air, uap spiritus, uap bensin.dsb Dari contoh kita dapat memperkirakan apa manfaat fluida dan perannya bagi kehidupan sehari-hari. Tanpa ada fulida (misalnya air) maka tak mungkin terjadi kehidupan (living organisme). tanpa oksigen juga manusia akan segera punah.



Daftar Pustaka Tersedia : http://aeroblog.wordpress.com/2006/12/06/bagaimana-pesawat-udara- bisaterbang/ Tersedia : http://www.fi.itb.ac.id/courses/fi111/Fluida-Statik/statik/statika.html Tersedia : http://fisikasic.blogspot.com/2007/03/rujukan-umum.html Tersedia : http://sora9n.wordpress.com/2006/11/15/fisika-sampai-nanti/ Kanginan, Martheen. Ir. 1996. Fisika SMU. Edisi kedua. Jilid 1C. Penerbit Erlangga: Jakarta. Tipler, Paul A. 1999. Fisika Untuk Sains dan teknik. Edisi ketiga. Jilid I. Erlangga: Jakarta. Tersedia : http://www.bmg.go.id/anti_tsu.asp