Fluida Dinamis - Penjelasan Jenis Aliran Fluida Dinamis Dan Pembahasan Contoh Soal

Hidrodinamika merupakan ilmu yang mempelajari tentang fluida bergerak. Sebelum mempelajari fluida bergerak perlu diketahui fluida ideal dan jenis-jenis aliran fluida.

Fluida Ideal

Fluida ideal adalah fluida yang tidak kompresibel, berpindah tanpa mengalami gesekan, dan alirannya stasioner.

Tidak kompresibel, artinya bahwa dengan adanya perubahan tekanan, volume fluida tidak berubah.
Tidak mengalami gesekan, artinya bahwa pada saat fluida mengalir, gesekan antara fluida dengan dinding tempat mengalir dapat diabaikan.
Aliran stasioner, artinya tiap partikel fluida mempunyai garis alir tertentu dan untuk luas penampang yang sama mempunyai laju aliran yang sama.

Jenis Aliran Fluida

Ada beberapa jenis aliran fluida. Lintasanyang ditempuh suatu fluida yang sedang bergerak disebut garis alir. Berikut ini beberapa jenis aliran fluida.

Aliran lurus atau laminer yaitu aliran fluida mulus. Lapisan-lapisan yang bersebelahan meluncur satu sama lain dengan mulus. Pada aliran ini partikel fluida mengikuti lintasan yang mulus dan lintasan ini tidak saling bersilangan. Aliran laminer dijumpai pada air yang dialirkan melalui pipa atau slang.
Aliran turbulen yaitu aliran yang ditandai dengan adanya lingkaran-lingkaran tak menentu dan menyerupai pusaran. Aliran turbulen sering dijumpai di sungai-sungai dan selokan-selokan.

Persamaan Kontinuitas

Debit aliran yaitu besaran ybng merupakan laju volume atau jumlah volume fluida yang mengalir persatuan waktu

keterangan :
Q = debit aliran (m³/s)
∆V = perubahan volume fluida (m³)
∆t = selang waktu (s)

Mengingat volume fluida yang mengalir merupa-kan perkalian antara luas penampang dengan jarak aliran fluida debit dapat dirumuskan sebagai berikut.

Q = AV

Keterangan:
A = luas penampang pipa (m²)
V = laju aliran fluida (m/s)

Hukum Bernoulli

Hukum Bernoulli menyatakan hubungan besaran fluida dalam pipa antara tekanan, ketinggian, dan laju dinamika. Hukum Bernoulli dirumuskan sebagai berikut.

ρ = ρgh + ½ ρV² = konstan

Keterangan:
ρ = tekanan (Pa)
ρ = massa jenis fluida (kg/m³)
h = tinggi pipa (m)
v = laju fluida (m/s)
g = percepatan gravitasi bumi (m/s²)

Penerapan Hukum Dasar Fluida Dinamis

1. Persamaan Kontinuitas

Slang Penyemprotan
Ujung slang ditekan yang berarti memperkecil penampang agardiperoleh laju aliran yang lebih besar.
Penyempitan Pembuluh Darah
Pada pembuluh darah yang mengalami penyempitan, laju aliran darah pada pembuluh yang menyempit akan lebih besar daripada laju aliran pada pembuluh normal.

2. Penerapan Hukum Bernoulli

a. Teorema Tori celli (laju efflux)

Keterangan:
V = laju air (m/s)
h = ketinggian (m)
g = percepatan gravitasi bumi (m/s²)

Laju air yang menyembur dari lubang sama dengan air yang jatuh bebas dari ketinggian h. Laju air yang menyembur dari lubang dinamakan laju efflux. Fenomena ini dinamakan dengan teorema Toricelli.

b. Efek Venturi

Efek Venturi terjadi pada fluida yang mengalir melalui sebuah pipa yang menyempit kemudian melebarlagi pada ketinggian yang sama.

Efek Venturi menyatakan: Jika laju fluida bertambah, tekanan berkurang. Efek Venturi dirumuskan sebagai berikut.

P + ½ ρv² = konstan

Keterangan:
p = tekanan (Pa)
ρ = massa jenis fluida (kg/m3)
v = laju fluida (m/s)

c. Venturimeter

Venturimeter merupakan alat pengukur laju aliran suatu fluida dalam sebuah pipa.

Venturimeter dengan manometer
Laju fluida yang mengalir dapat dihitung dengan persamaan berikut.

Keterangan:

v₁ = laju fluida pada penampang besar (m/s)
A₁= luas penampang besar (m²)
A₂ = luas penampang kecil (m²)
ρ_F = massa jenis fluida (kg/m³)
p_Hg = massa jenis Hg (kg/m³)
h = selisih tinggi permukaan Hg (m)

Venturimeter tanpa manometer
Laju fluida yang mengalir dihitung dengan persamaan berikut.

Keterangan:
v₁ = laju fluida pada penampang besar (m/s)
p_F = massa jenis fluida (kg/m³)
∆p = selisih tekanan (N/m²)
A₁ = luas penampang besar (m²)
A₂ = luas penampang kecil (m²)

d. Tabung Pitot

Tabung pitot merupakan alat yang diguna- kan untuk mengukur laju aliran suatu gas atau udara. Alat ini dilengkapi dengan manometer raksa. Dengan mengetahui perbedaan ketinggian raksa pada kedua kaki manometer, aliran gas dapat ditentukan kelajuannya.

Keterangan:
v = kecepatan aliran udara (m/s)
g = percepatan gravitasi (m/s²)
h = beda tinggi zat cair dalam kaki manometer (m)
p = massa jenis udara yang mengalir (kg/m³)
ρ’ = massa jenis zat cair dalam manometer (kg/m³)

e. Penyemprot

Pada alat penyemprot obat antinyamuk dan parfum, saat batang pengisap ditekan, udara akan mengalir dengan kecepatan tinggi dan melewati di mulut pipa. Akibatnya, tekanan di ujung menjadi kecil. Perbedaan tekanan ini mengakibatkan cairan di dalam tangki naik dan dihamburkan dengan halus oleh aliran udara dari tabung pengisap.

f. Gaya Angkat pada Pesawat Terbang

Pesawat terbang dapat terangkat ke udara karena kelajuan udara yang melalui sayap pesawat bagian sisi atas lebih besar daripada bagian sisi bawah. Pada penampang sayap pesawat terbang, bagian belakang lebih datar dan sisi bagian atas lebih melengkung daripada sisi bagian bawahnya. Keadaan ini mengakibatkan garis arus bagian atas lebih rapat daripada bagian bawahnya. Hal ini berarti kecepatan aliran udara pada bagian sisi atas (v₂) lebih besar daripada sisi bagian bawah sayap (v₁). Sehingga tekanan bagian atas (p₂) lebih kecil daripada tekanan pada bagian bawah (p₁). Perbedaan tekanan ini (p₁ – p₂) menimbulkan gaya angkat, yang besarnya dirumuskan dengan persamaan sebagai berikut.

F₁ – F₂ = (p₁ – P₂)A

Oleh karena p₁ – P₂= ½ p(V₂² – V₁²), persamaan diatas ditulis sebagai berikut

F₁ – F₂ = ½ p(V₂² – V₁²)A

Keterangan:
F₁ = gaya pada bagian bawah sayap (N)
F₂ = gaya pada bagian atas sayap (N)
p = massa jenis udara (kg/m3)
v₁ = kelajuan udara bagian bawah sayap (m/s)
v₂ = kelajuan udara bagian atas sayap (m/s)
A = luas penampang sayap (m²)

Contoh Soal!

1. Air mengalir melalui pipa yang berdiameter 10 cm dengan kelajuan 2 m/s. Berapakah debit air tersebut?

Penyelesaian:
Diketahui:
d =10 cm
r = 5 cm = 0,05 m
v =2 m/s

Ditanyakan: Q

Jawab:

Q = Av
= (πr²)v
= (3,14)(O,05 m)²(2 m/s)
= 0,0157 m³/s

Jadi, debit air yang mengalir sebesar 0,0157 m³/s.

2. Air mengalir melalui pipa mendatar dari penampang besar ke kecil dengan kecepatan 4 m/s. Apabila diketahui diameter d₁= 5 cm, d₂ = 2 cm, dan tekanan p₁ = 16 x 10⁵ N/m², tentukan kecepatan (v₂) dan tekanan di A₂ (p₂)!

Penyelesaian:

Diketahui:
h₁ = h₂
p = 1.000 kg/m³
d₁ = 5 cm = 5 x 10^-2 m
d₂ = 2 cm = 2 x 10^-2 m
v₁ = 4 m/s
p₁ = 16 x 10⁵ N/m²

Ditanyakan:
a. kecepatan di A₂ (v₂)
b. tekanan di A₂(p₂)

Jawab :

a. Digunakan persamaan kontinuitas

Jadi, kecepatan aliran air A₂ sebesar 25 m/s

b. Tekanan di A₂(p₂)

P₂ + p g h₂ + ½ pv₂² = p₁ + p g h₁ + ½ pv₁²P₂ = p₁ + p g h(h₁-h₂) + ½ p(v₁² + v₂²)
= 16 x 10⁵ + 0 + ½ (1.000) (16-625)
= 16 x 10⁵ – 30,5 x 10⁴= 160 x 10⁴ – 30,5 x 10⁴= 129,5 x 10⁴= 1,295 x 10⁶Jadi, tekanan air A₂ sebesar 1,295 x 10⁶

Demikian penjelasan yang bisa kami sampaikan tentang Fluida Dinamis – Penjelasan Jenis Aliran Fluida Dinamis Dan Pembahasan Contoh Soal. Semoga postingan ini bermanfaat bagi pembaca dan bisa dijadikan sumber literatur untuk mengerjakan tugas. Sampai jumpa pada postingan selanjutnya.