MEKANIKA FLUIDA
Mekanika fluida adalah cabang ilmu dari mekanika yang mempelajari fluida (yang dapat berupa cairan dan gas). Mekanika fluida dapat dibagi menjadi fluida statik dan fluida dinamik. Fluida statis mempelajari fluida pada keadaan diam sementara fluida dinamis mempelajari fluida yang bergerak dan interaksi fluida dengan padatan atau fluida lain pada permukaan batasnya.
KONSEP DASAR DALAM MEKANIKA FLUIDA
LAMINER dan TURBULEN
Laminer
Adalah aliran fluida yang ditunjukkan dengan gerak partikel-partikel fluidanya sejajar dan garis-garis arusnya halus. Dalam aliran laminer, partikel-partikel fluida seolah-olah bergerak sepanjang lintasan-lintasan yang halus dan lancar, dengan satu lapisan meluncur secara mulus pada lapisan yang bersebelahan. Sifat kekentalan zat cair berperan penting dalam pembentukan aliran laminer. Aliran laminer bersifat steady maksudnya alirannya tetap. “Tetap” menunjukkan bahwa di seluruh aliran air, debit alirannya tetap atau kecepatan aliran tidak berubah menurut waktu.
Aliran fluida pada pipa, diawali dengan aliran laminer kemudian pada fase berikutnya aliran berubah menjadi aliran turbulen. Fase antara laminer menjadi turbulen disebut aliran transisi. Aliran laminar mengikuti hukum Newton tentang viskositas yang menghubungkan tegangan geser dengan laju perubahan bentuk sudut. Tetapi pada viskositas yang rendah dan kecepatan yang tinggi aliran laminar tidak stabil dan berubah menjadi aliran turbulen.
Bisa diambil kesimpulan mengenai ciri- ciri aliran laminar yaitu: fluida bergerak mengikuti garis lurus, kecepatan fluidanya rendah, viskositasnya tinggi dan lintasan gerak fluida teratur antara satu dengan yang lain.
Turbulen
Kecepatan aliran yang relatif besar akan menghasilakan aliran yang tidak laminar melainkan komplek, lintasan gerak partikel saling tidak teratur antara satu dengan yang lain. Sehingga didapatkan Ciri dari lairan turbulen: tidak adanya keteraturan dalam lintasan fluidanya, aliran banyak bercampur, kecepatan fluida tinggi, panjang skala aliran besar dan viskositasnya rendah. Karakteristik aliran turbulen ditunjukkan oleh terbentuknya pusaran-pusaran dalam aliran, yang menghasilkan percampuran terus menerus antara partikel partikel cairan di seluruh penampang aliran.
Untuk membedakan aliran apakah turbulen atau laminer, terdapat suatu angka tidak bersatuan yang disebut Angka Reynold (Reynolds Number). Angka ini dihitung dengan persamaan sebagai berikut:
Re = (4 v R)/ϑ
Dimana:
Re = Angka Reynold (tanpa satuan)
V = Kecepatan rata-rata (ft/s atau m/s)
R = Jari-jari hydraulik (ft atau m)
ϑ = Viskositas kinematis, tersedia dalam tabel sifat-sifat cairan (ft2/s atau m2/s
Menurut hasil percobaan oleh Reynold, apabila angka Reynold kurang daripada 2000, aliran biasanya merupakan aliran laminer. Apabila angka Reynold lebih besar daripada 4000, aliran biasanya adalah turbulen. Sedang antara 2000 dan 4000 aliran dapat laminer atau turbulen tergantung pada faktor-faktor lain yang mempengaruhi.
NEWTONIAN DAN NON NEWTONIAN
Newtonian
Adalah fluida yang tegangan gesernya berbanding lurus secara linier dengan gradien kecepatan pada arah tegak lurus dengan bidang geser. Definisi ini memiliki arti bahwa fluida newtonian akan mengalir terus tanpa dipengaruhi gaya-gaya yang bekerja pada fluida. Konstanta yang menghubungkan tegangan geser dan gradien kecepatan secara linier dikenal dengan istilah viskositas. Persamaan yang menggambarkan fluida Newtonian adalah:
τ= μ dv/dx .................(1)
di mana
τ = tegangan geser yang dihasilkan oleh fluida
μ = viskositas fluida-sebuah konstanta proporsionalitas
dv/dx = gradien kecepatan yang tegak lurus dengan arah geseran
Viskositas pada fluida Newtonian secara definisi hanya bergantung pada temperatur dan tekanan dan tidak bergantung pada gaya-gaya yang bekerja pada fluida.
Non Newtonian
Sedangkan fluida non newtonian adalah fluida non-newtonian akan mengalir terus tanpa dipengaruhi gaya-gaya yang bekerja pada fluida. Bila fluida non-Newtonian diaduk, akan tersisa seperti suatu "lubang". Lubang ini akan terisi seiring dengan berjalannya waktu. Sifat seperti ini dapat teramati pada material-material seperti puding. Peristiwa lain yang terjadi saat fluida non-Newtonian diaduk adalah penurunan viskositas yang menyebabkan fluida tampak "lebih tipis" (dapat dilihat pada cat).
COMPRESSIBLE DAN NON COMPRESSIBEL
Compressibel (kemampatan)
Aliran termampatkan adalah aliran fluida yang dicirikan dengan berubahnya besaran kerapatan massa (densitas) dari fluida di sepanjang aliran tersebut, atau bisa dikatakan fluida yang massa jenisnya tidak konstan atau dapat berubah-ubah, contohnya ialah fluida gas, yang massa jenisnya dapat berubah-ubah. Kemampatan dinyatakan dengan K.
Non Compressibel (tidak termampatkan)
Sedangkan fluida yang incompresible ialah fluida yang massa jenisnya konstan, contohnya ialah air.
INVISCID dan VISCOUS
Inviscid (Aliran tak termampatkan tanpa gesekan)
Inviscid adalah aliran nonkompresibel yang tidak mengalami gesekan. Aliran tanpa gesekan adalah aliran fluida yang pengaruh gesekannya diabaikan atau pengaruh kekentalan (viskositas) fluida tidak mempengaruhi aliran fluida. Meskipun pada kenyataannya semua fluida mempunyai viskositas namun pada kondisi tertentu pengaruh viskositas tidak mempengaruhi sifat fluida sehingga dapat diabaikan.
Dapat disimpulakan bahwa fluida yang inviscid ialah fluida yang dianggap tiadak mempunyai viskositas(hambatan) atau kekentalan.
Viscous
Viscous adalah fluida yang masih dipengaruhi oleh viskositas(hambatan) atau kekentalan. Dan merupakan sifat yang yang ada dalam fluida yang menentukan karakteritas fluida tersebut. Viskositas juga merupakan hasil dari gaya-gaya yang dihasilkan saat lapisan fluida tersebut bergesekan dengan benda lain. Aliran viscous adalah aliran yang terjadi pada fluida yang pekat atau kental, kepekatan atau kekentalan fluida ini tergantung oleh gesekan antara passtikel penyusun fluida tersebut. Aliran viscous dapat di klasifikasikan menjadi 2 yaitu aliran laminar dan aliran turbulen.
Satuan viskositas adalah kg/(m.s) atau Pa.s,
dan g/(cm.s) atau dikenal sebagai poise (P).
a.1 Pa.s = 10 poise
b.1 Pa.s = 103 cP
c.1 centipoise (cP) = 10-2 poise.
d.1 centipoise (cP) = 10-3 Pa.s.
STEADY DAN UNSTEADY FLOW
Steady Flow
Aliran Steady terjadi di titik manapun bila kondisi seperti kecepatan, tekanan dan kondisi lintasan partikel di dalam fluida tidak terjadi perubahan terhadap waktu. Tetapi dalam kenyataannya, kecepatan dan tekanan dalam fluida selalu bervariasi dari waktu ke waktu dan dari satu tempat ke tempat lain. Apabila rata- rata kecepatan dan tekanan tersebut adalah konstan, maka aliran tersebut dimasukkan ke aliran steady. Sehingga didapatkan macam-macam aliran steady yaitu:
Aliran uniform steady adalah aliran yang mempunyai kondisi tidak berubah terhadap posisi dan waktu. Kecepatan dan penampang aliran fluida sama dalam satu bentuk penampang. Misalnya, aliran dalam pipauniform dengan kecepatan konstan.
Aliran non-uniform steady adalah aliran yang kondisinya berubah dari satu posisi ke posisi yang lain tetapi tetap terhadap waktu. Kecepatan dan penampang aliran fluida sama dalam beberapa bentuk penampang aliran yang berbeda tetapi tidak berbeda terhadap waktu. Contohnya, aliran fluida dalam pipa yang berbentuk tangga dengan kecepatan yang konstan.
Dimana aliran dikatakan uniform, bila kecepatan aliran fluida sama dari titik satu ke titik yang lain dan sebaliknya.
Dalam rumusan matematis aliran steady dapat dirumuskan:
∂μ/∂t = 0
∂μ yaitu perubahan kondisi fluida, misal kecepatan, dan ∂t adalah perubahan waktu.
Unsteady Flow
Apabila aliran pada suatu titik dalam suatu aliran mempunyai kondisi yang berubah terhadap waktu. Contohnya adalah seperti aliran banjir. Dalam rumusan matematis aliran steady dapat dirumuskan:
∂v/∂t≠0 dan ∂Q/∂t≠0
Q=A.V=tdak konstan(Qin≠Qout)
∂v yaitu perubahan kondisi fluida, misal kecepatan, dan ∂t adalah perubahan waktu.
Macam-macam aliran unsteady sebagai berikut :
Unsteady uniform, aliran pada saat tertentu mempunyai kecepatan pada setiap posisi yang sama, tetapi kecepatan akan berubah terhadap waktu. Contohnya, seperti pipa pada saat mulai dipompa.
Unsteady non-uniform, aliran yang mempunyai model aliran dan kecepatan yang bervariasi dari satu posisi ke posisi yang lain dan juga berubah terhadap waktu. Contohnya, pada gelombang air yang menjalar pada kanal.
Keterangan:
Aliran seragam (uniform flow) adalah merupakan aliran jenis yang lain, kata “tetap” menunjukkan kecepatan aliran di sepanjang saluran adalah tetap, dalam hal kecepatan lairan tidak tergantung pada tempat atau bisa dikatakan tidak tergantung pada tempat. Bila dirumuskan:
∂v/∂s = 0
Aliran tidak seragam (non-uniform flow),merupakan kebalikan dari lairan uniform. Yaitu kecepatan aliran berubah menurut tempatnya.
Penulisan rumus matematisnya:
∂v/∂s ≠ 0
One Phase and Multiphase Dimensi Flow
One Phase Dimensi Flow
Aliran satu dimensi adalah suatu aliran yang sederhana, dalam hali ini parameter- parameter aliran dapat dinyatakan sebagai fungsi waktu dan tempat pada satu arah koordinat saja. Biasanya satu arah tersebut diambil pada arah aliran. Aliran ini mengabaikan variasi atau perubahan kecepatan, tekanan, kerapatan dan sifat-sifat lainnya. Biasanya aliran ini dijumpai pada pipa.
Multiphase Dimensi Flow
Sedangkan multiphase dimensi flow, parameter-parameter aliran dinyatakan sebagai fungsi waktu dan tempat pada beberapa arah koordinat, yaitu arah sumbu x, y,z dan t. Dimana t merupakan fungsi koordinat waktu.
Internal Flow and External Flow
Internal Flow
Aliran internal ialah suatu aliran yang dilingkupi oleh permukaan suatu zat padat.
External Flow
aliran eksternal ialah aliran yang terjadi pada fluida yang tidak terlingkupi. Baik internal maupun eksternal, dapat berupa laminer ataupun turbulen, kompresibel ataupun inkompresibel. Contohnya, jika sebuah cairan di alirkan ke sebuah papan yang datar maka aliran tersebut dapat mengalir ke berbagai arah tanpa batas.
Rotational and Irrotational Flow
Rotational Flow
Jika ditinjau dari partikel, maka aliran dikatakan rotasional jika partikel fluida bergerak dalam arah aliran mengitari sumbunya.
Irrotational Flow
Bila ditinjau dari partikelnya adalah jika partikel fluida mengalir dalam bentuk laminer tidak berputar disekitar sumbunya, kemudian aliran dikatakan tidak berputar (irrotational flow)
Mekanika fluida adalah cabang ilmu dari mekanika yang mempelajari fluida (yang dapat berupa cairan dan gas). Mekanika fluida dapat dibagi menjadi fluida statik dan fluida dinamik. Fluida statis mempelajari fluida pada keadaan diam sementara fluida dinamis mempelajari fluida yang bergerak dan interaksi fluida dengan padatan atau fluida lain pada permukaan batasnya.
KONSEP DASAR DALAM MEKANIKA FLUIDA
LAMINER dan TURBULEN
Laminer
Adalah aliran fluida yang ditunjukkan dengan gerak partikel-partikel fluidanya sejajar dan garis-garis arusnya halus. Dalam aliran laminer, partikel-partikel fluida seolah-olah bergerak sepanjang lintasan-lintasan yang halus dan lancar, dengan satu lapisan meluncur secara mulus pada lapisan yang bersebelahan. Sifat kekentalan zat cair berperan penting dalam pembentukan aliran laminer. Aliran laminer bersifat steady maksudnya alirannya tetap. “Tetap” menunjukkan bahwa di seluruh aliran air, debit alirannya tetap atau kecepatan aliran tidak berubah menurut waktu.
Aliran fluida pada pipa, diawali dengan aliran laminer kemudian pada fase berikutnya aliran berubah menjadi aliran turbulen. Fase antara laminer menjadi turbulen disebut aliran transisi. Aliran laminar mengikuti hukum Newton tentang viskositas yang menghubungkan tegangan geser dengan laju perubahan bentuk sudut. Tetapi pada viskositas yang rendah dan kecepatan yang tinggi aliran laminar tidak stabil dan berubah menjadi aliran turbulen.
Bisa diambil kesimpulan mengenai ciri- ciri aliran laminar yaitu: fluida bergerak mengikuti garis lurus, kecepatan fluidanya rendah, viskositasnya tinggi dan lintasan gerak fluida teratur antara satu dengan yang lain.
Turbulen
Kecepatan aliran yang relatif besar akan menghasilakan aliran yang tidak laminar melainkan komplek, lintasan gerak partikel saling tidak teratur antara satu dengan yang lain. Sehingga didapatkan Ciri dari lairan turbulen: tidak adanya keteraturan dalam lintasan fluidanya, aliran banyak bercampur, kecepatan fluida tinggi, panjang skala aliran besar dan viskositasnya rendah. Karakteristik aliran turbulen ditunjukkan oleh terbentuknya pusaran-pusaran dalam aliran, yang menghasilkan percampuran terus menerus antara partikel partikel cairan di seluruh penampang aliran.
Untuk membedakan aliran apakah turbulen atau laminer, terdapat suatu angka tidak bersatuan yang disebut Angka Reynold (Reynolds Number). Angka ini dihitung dengan persamaan sebagai berikut:
Re = (4 v R)/ϑ
Dimana:
Re = Angka Reynold (tanpa satuan)
V = Kecepatan rata-rata (ft/s atau m/s)
R = Jari-jari hydraulik (ft atau m)
ϑ = Viskositas kinematis, tersedia dalam tabel sifat-sifat cairan (ft2/s atau m2/s
Menurut hasil percobaan oleh Reynold, apabila angka Reynold kurang daripada 2000, aliran biasanya merupakan aliran laminer. Apabila angka Reynold lebih besar daripada 4000, aliran biasanya adalah turbulen. Sedang antara 2000 dan 4000 aliran dapat laminer atau turbulen tergantung pada faktor-faktor lain yang mempengaruhi.
NEWTONIAN DAN NON NEWTONIAN
Newtonian
Adalah fluida yang tegangan gesernya berbanding lurus secara linier dengan gradien kecepatan pada arah tegak lurus dengan bidang geser. Definisi ini memiliki arti bahwa fluida newtonian akan mengalir terus tanpa dipengaruhi gaya-gaya yang bekerja pada fluida. Konstanta yang menghubungkan tegangan geser dan gradien kecepatan secara linier dikenal dengan istilah viskositas. Persamaan yang menggambarkan fluida Newtonian adalah:
τ= μ dv/dx .................(1)
di mana
τ = tegangan geser yang dihasilkan oleh fluida
μ = viskositas fluida-sebuah konstanta proporsionalitas
dv/dx = gradien kecepatan yang tegak lurus dengan arah geseran
Viskositas pada fluida Newtonian secara definisi hanya bergantung pada temperatur dan tekanan dan tidak bergantung pada gaya-gaya yang bekerja pada fluida.
Non Newtonian
Sedangkan fluida non newtonian adalah fluida non-newtonian akan mengalir terus tanpa dipengaruhi gaya-gaya yang bekerja pada fluida. Bila fluida non-Newtonian diaduk, akan tersisa seperti suatu "lubang". Lubang ini akan terisi seiring dengan berjalannya waktu. Sifat seperti ini dapat teramati pada material-material seperti puding. Peristiwa lain yang terjadi saat fluida non-Newtonian diaduk adalah penurunan viskositas yang menyebabkan fluida tampak "lebih tipis" (dapat dilihat pada cat).
COMPRESSIBLE DAN NON COMPRESSIBEL
Compressibel (kemampatan)
Aliran termampatkan adalah aliran fluida yang dicirikan dengan berubahnya besaran kerapatan massa (densitas) dari fluida di sepanjang aliran tersebut, atau bisa dikatakan fluida yang massa jenisnya tidak konstan atau dapat berubah-ubah, contohnya ialah fluida gas, yang massa jenisnya dapat berubah-ubah. Kemampatan dinyatakan dengan K.
Non Compressibel (tidak termampatkan)
Sedangkan fluida yang incompresible ialah fluida yang massa jenisnya konstan, contohnya ialah air.
INVISCID dan VISCOUS
Inviscid (Aliran tak termampatkan tanpa gesekan)
Inviscid adalah aliran nonkompresibel yang tidak mengalami gesekan. Aliran tanpa gesekan adalah aliran fluida yang pengaruh gesekannya diabaikan atau pengaruh kekentalan (viskositas) fluida tidak mempengaruhi aliran fluida. Meskipun pada kenyataannya semua fluida mempunyai viskositas namun pada kondisi tertentu pengaruh viskositas tidak mempengaruhi sifat fluida sehingga dapat diabaikan.
Dapat disimpulakan bahwa fluida yang inviscid ialah fluida yang dianggap tiadak mempunyai viskositas(hambatan) atau kekentalan.
Viscous
Viscous adalah fluida yang masih dipengaruhi oleh viskositas(hambatan) atau kekentalan. Dan merupakan sifat yang yang ada dalam fluida yang menentukan karakteritas fluida tersebut. Viskositas juga merupakan hasil dari gaya-gaya yang dihasilkan saat lapisan fluida tersebut bergesekan dengan benda lain. Aliran viscous adalah aliran yang terjadi pada fluida yang pekat atau kental, kepekatan atau kekentalan fluida ini tergantung oleh gesekan antara passtikel penyusun fluida tersebut. Aliran viscous dapat di klasifikasikan menjadi 2 yaitu aliran laminar dan aliran turbulen.
Satuan viskositas adalah kg/(m.s) atau Pa.s,
dan g/(cm.s) atau dikenal sebagai poise (P).
a.1 Pa.s = 10 poise
b.1 Pa.s = 103 cP
c.1 centipoise (cP) = 10-2 poise.
d.1 centipoise (cP) = 10-3 Pa.s.
STEADY DAN UNSTEADY FLOW
Steady Flow
Aliran Steady terjadi di titik manapun bila kondisi seperti kecepatan, tekanan dan kondisi lintasan partikel di dalam fluida tidak terjadi perubahan terhadap waktu. Tetapi dalam kenyataannya, kecepatan dan tekanan dalam fluida selalu bervariasi dari waktu ke waktu dan dari satu tempat ke tempat lain. Apabila rata- rata kecepatan dan tekanan tersebut adalah konstan, maka aliran tersebut dimasukkan ke aliran steady. Sehingga didapatkan macam-macam aliran steady yaitu:
Aliran uniform steady adalah aliran yang mempunyai kondisi tidak berubah terhadap posisi dan waktu. Kecepatan dan penampang aliran fluida sama dalam satu bentuk penampang. Misalnya, aliran dalam pipauniform dengan kecepatan konstan.
Aliran non-uniform steady adalah aliran yang kondisinya berubah dari satu posisi ke posisi yang lain tetapi tetap terhadap waktu. Kecepatan dan penampang aliran fluida sama dalam beberapa bentuk penampang aliran yang berbeda tetapi tidak berbeda terhadap waktu. Contohnya, aliran fluida dalam pipa yang berbentuk tangga dengan kecepatan yang konstan.
Dimana aliran dikatakan uniform, bila kecepatan aliran fluida sama dari titik satu ke titik yang lain dan sebaliknya.
Dalam rumusan matematis aliran steady dapat dirumuskan:
∂μ/∂t = 0
∂μ yaitu perubahan kondisi fluida, misal kecepatan, dan ∂t adalah perubahan waktu.
Unsteady Flow
Apabila aliran pada suatu titik dalam suatu aliran mempunyai kondisi yang berubah terhadap waktu. Contohnya adalah seperti aliran banjir. Dalam rumusan matematis aliran steady dapat dirumuskan:
∂v/∂t≠0 dan ∂Q/∂t≠0
Q=A.V=tdak konstan(Qin≠Qout)
∂v yaitu perubahan kondisi fluida, misal kecepatan, dan ∂t adalah perubahan waktu.
Macam-macam aliran unsteady sebagai berikut :
Unsteady uniform, aliran pada saat tertentu mempunyai kecepatan pada setiap posisi yang sama, tetapi kecepatan akan berubah terhadap waktu. Contohnya, seperti pipa pada saat mulai dipompa.
Unsteady non-uniform, aliran yang mempunyai model aliran dan kecepatan yang bervariasi dari satu posisi ke posisi yang lain dan juga berubah terhadap waktu. Contohnya, pada gelombang air yang menjalar pada kanal.
Keterangan:
Aliran seragam (uniform flow) adalah merupakan aliran jenis yang lain, kata “tetap” menunjukkan kecepatan aliran di sepanjang saluran adalah tetap, dalam hal kecepatan lairan tidak tergantung pada tempat atau bisa dikatakan tidak tergantung pada tempat. Bila dirumuskan:
∂v/∂s = 0
Aliran tidak seragam (non-uniform flow),merupakan kebalikan dari lairan uniform. Yaitu kecepatan aliran berubah menurut tempatnya.
Penulisan rumus matematisnya:
∂v/∂s ≠ 0
One Phase and Multiphase Dimensi Flow
One Phase Dimensi Flow
Aliran satu dimensi adalah suatu aliran yang sederhana, dalam hali ini parameter- parameter aliran dapat dinyatakan sebagai fungsi waktu dan tempat pada satu arah koordinat saja. Biasanya satu arah tersebut diambil pada arah aliran. Aliran ini mengabaikan variasi atau perubahan kecepatan, tekanan, kerapatan dan sifat-sifat lainnya. Biasanya aliran ini dijumpai pada pipa.
Multiphase Dimensi Flow
Sedangkan multiphase dimensi flow, parameter-parameter aliran dinyatakan sebagai fungsi waktu dan tempat pada beberapa arah koordinat, yaitu arah sumbu x, y,z dan t. Dimana t merupakan fungsi koordinat waktu.
Internal Flow and External Flow
Internal Flow
Aliran internal ialah suatu aliran yang dilingkupi oleh permukaan suatu zat padat.
External Flow
aliran eksternal ialah aliran yang terjadi pada fluida yang tidak terlingkupi. Baik internal maupun eksternal, dapat berupa laminer ataupun turbulen, kompresibel ataupun inkompresibel. Contohnya, jika sebuah cairan di alirkan ke sebuah papan yang datar maka aliran tersebut dapat mengalir ke berbagai arah tanpa batas.
Rotational and Irrotational Flow
Rotational Flow
Jika ditinjau dari partikel, maka aliran dikatakan rotasional jika partikel fluida bergerak dalam arah aliran mengitari sumbunya.
Irrotational Flow
Bila ditinjau dari partikelnya adalah jika partikel fluida mengalir dalam bentuk laminer tidak berputar disekitar sumbunya, kemudian aliran dikatakan tidak berputar (irrotational flow)
