Fluida PDF

03. FLUIDA SRI HERWININGSIH, PH.D 1 Capaian pembelajaran Mahasiswa dapat menjelaskan tentang konsep masa jenis bahan Mahasiswa dapat menjelaskan perilaku fluida statis dan fluida dinamis 2 Jenis-jeni...

03. FLUIDA SRI HERWININGSIH, PH.D 1 Capaian pembelajaran Mahasiswa dapat menjelaskan tentang konsep masa jenis bahan Mahasiswa dapat menjelaskan perilaku fluida statis dan fluida dinamis 2 Jenis-jenis fase/keadaan bahan ▪ Fase padat : memiliki ukuran dan bentuk yang tetap, diperlukan gaya yang besar untuk merubah volume atau bentuk dari sebuah benda padat ▪ Fase cair : tidak mempertahankan bentuk yang tetap, bentuknya mengikuti wadahnya, volumenya bisa dirubah dengan gaya yang besar ▪ Fase gas : tidak memiliki bentuk dan volume yang tetap, gas akan mengembang mengisi wadahnya Zat cair dan gas karena tidak memiliki bentuk yang tetap, sehingga keduanya dapat mengalir dan disebut dengan Fluida Fase plasma : terjadi pada suhu yang sangat tinggi dan terdiri dari atom-atom yang terionisasi 3 Densitas (masa jenis) ▪ Densitas adalah masa benda per satuan volume, dinyatakan dalam kg.m-3 𝑚 ▪𝜌 = 𝑉 ▪ Densitas merupakan karakteristik khas dari suatu benda. Kita dapat membedakan antara besi dengan emas, meski keduanya beratnya sama, dari masa jenisnya. ▪ Satuan yang lain densitas: ▪ g/cm3, dimana 1 kg/m3 = 10-3 g/cm3 4 5 Berat jenis (specific gravity) Berat jenis didefinisikan sebagai rasio densitas suatu bahan dengan densitas air pada suhu 4.00 C 𝜌𝑏 𝐵𝐽 = 𝜌𝑎 Dimana 𝜌𝑏 densitas suatu benda, 𝜌𝑎 densitas air 6 Tekanan pada Fluida Tekanan didefinisikan sebagai gaya per satuan luas, dimana F adalah besarnya gaya yang tegak lurus dengan permukaan luasan (A) 𝐹 𝑃= 𝐴 Tekanan merupakan besaran scalar Satuan tekanan dalam SI adalah N/m2, dengan nama lain pascal (Pa) 1 Pa = 1 N/m2 7 Satuan-satuan tekanan dan konversinya 8 Tekanan hidrostatik Pada fluida yang statis, fluida memberikan tekanan ke segara arah dengan besar yang sama. Gaya yang disebabkan oleh tekanan fluida selalu bekerja tegak lurus terhadap permukaan benda yang bersentuhan dengan fluida Tekanan dalam fluida yang memiliki kerapatan (ρ) yang sama tergantung pada kedalaman (h) di bawah permukaan fluida 𝐹 𝜌𝐴ℎ𝑔 𝑃= = = 𝜌𝑔ℎ 𝐴 𝐴 9 Perubahan tekanan fluida Perbedaan kedalaman fluida akan menyebabkan perbedaan tekanan Tinjau sebuah balok dengan ketebalan Δh = h2 – h1 Tekanan pada bagian atas balok pada kedalaman h1 adalah 𝑃1 = 𝜌𝑔ℎ1 Tekanan pada bagian bawah balok pada kedalaman h2 adalah 𝑃2 = 𝜌𝑔ℎ2 Perbedaan tekanan: ∆𝑃 = 𝑃2 − 𝑃1 = 𝜌𝑔 ℎ2 − ℎ1 = 𝜌𝑔∆ℎ 10 Tekanan atmosfer Tekanan atmosfer berubah dengan kedalaman Tekanan atmosfer pada permukaan laut, 1 atm = 1,013 x 105N/m2 = 101,3 kPa Satuan tekanan lainnya, bar, dimana 1 bar = 1,000 x 105 N/m2 11 Prinsip Pascal “ Jika suatu tekanan luar diberikan pada fluida dalam bejana tertutup maka tekanan pada setiap titik dalam fluida akan bertambah sebesar jumlah tekanan luar tersebut” Alat-alat yang menggunakan prinsip Pascal: Dongkrak hidrolik Rem hidrolik Pout = Pin 𝐹𝑜𝑢𝑡 𝐹𝑖𝑛 𝐹𝑜𝑢𝑡 𝐴𝑜𝑢𝑡 = atau = Gaya yang kecil menghasilkan gaya output yang 𝐴𝑜𝑢𝑡 𝐴𝑖𝑛 𝐹𝑖𝑛 𝐴𝑖𝑛 besar, dengan memperbesar diameter output 12 Gaya Apung dan Prinsip Archimedes Manakah yang lebih berat, mengangkat batu di udara ataukah mengangkat batu di dalam air? Benda yang diangkat di dalam air, terasa lebih ringan. Kita juga mendapati benda-benda seperti kayu, stereofom mengapung di air. Hal ini karena adanya gaya apung, gaya ke atas yang dikerjakan oleh fluida terhadap benda 𝐹1 = 𝑃1 𝐴 = 𝜌𝐹 𝑔ℎ1 𝐴 𝐹2 = 𝑃2 𝐴 = 𝜌𝐹 𝑔ℎ2 𝐴 Besarnya gaya apung: 13 Prinsip Archimedes Gaya apung pada benda yang dicelupkan ke dalam fluida sama dengan berat fluida yang dipindahkan oleh benda itu Berat fluida yang dipindah = volume fluida yang dipindahkan sama dengan volume benda yang tercelup dalam fluida Prinsip Archimedes dapat digunakan untuk menyelidiki keaslian suatu bahan, missal emas. Dengan prinsip arcimedes, masa jenis dari suatu benda dapat ditentukan 14 Contoh penerapan prinsip Archimedes 𝑊𝑢 𝜌𝑜 𝑉𝑔 𝜌𝑜 Sebuah benda ketika dicelupkan di air = = masanya 13,4 kg, sedangkan ketika ditimbang 𝑊𝑢 −𝑊′ 𝜌𝐹 𝑉𝑔 𝜌𝐹 di udara masanya adalah 14,7 kg. Apakah benda tersebut terbuat dari emas? 𝜌𝑜 14,7 𝑘𝑔 𝑔 14,7 = = = 11,3 𝜌𝐹 14,7 𝑘𝑔 −13,4 𝑘𝑔 𝑔 1,3 Jawab: berat jenis emas adalah 19,3 Dengan demikian masa jenis benda adalah 11,3 x 103 kg/m3,sehingga benda ini tidak terbuat dari Wu adalah berat benda di udara dan W’ adalah emas, tapi terbuat dari timbal berat benda di dalam air W’ = Wu – FB Wu – W’ = FB W = mg = ρo V g Wu – W’= FB = ρF V g 15 Persamaan kontinuitas Fluida memiliki sifat dapat mengalir Aliran fluida dibedakan menjadi: - Aliran laminar (streamline flow) (a) - Aliran turbulen (b) Laju aliran konstan Persamaan Kontinuitas Jika densitas konstan 16  Latihan Darah mengalir dari pembuluh besar yang berjari-jari 0,3 cm dengan kelajuan 10 cm/s, ke dalam pembuluh menyempit dengan jari-jari 0,2 cm karena penebalan dinding pembuluh darah. Berapakah kelajuan darah pada bagian pembuluh yang mengalami penyempitan? Air mengalir pada kecepatan 12 m/s dalam pipa horizontal. Jika pipa melebar dua kali diameter semula, berapakah kelajuan aliran pada bagian yang lebar? 17 Persamaan Bernoulli Bila kecepatan fluida tinggi, tekanannya fluida kompresibel akan rendah dan bila kecepatan fluida tinggi, tekanannya akan tinggi Persamaan Bernoulli dikembangkan untuk fluida yang alirannya laminar dan stabil, fluida tidak dapat dimampatkan dan viskositasnya kecil sehingga dapat diabaikan Persamaan Bernoulli merupakan bentuk lain dari prinsip kekekalan energy, karena diturunkan dari prinsip usaha-energi 18  Persamaan Bernoulli Kerja yang dilakukan pada titik 1 dan titik 2 Usaha yang disebabkan dari perubahan energy potensial Kerja total yang dilakukan pada fluida: Dari prinsip usaha-energy, usaha neto sistem sama dengan perubahan energy kinetiknya FISIKA 1 GANJIL 2019 19 19 Persamaan Bernoulli Volume dari massa m adalah Sehingga, m: Dan dibagi dengan, Persamaan di atas menjadi: Yang dapat dituliskan: tekanan EK/Volume EP/Volume 20 Penerapan hukum Bernoulli Bunsen burner Lubang kebocoran Sayap pesawat terbang Penyemprot 21 Viskositas/kekentalan Viskositas dijumpai pada zat cair ataupun gas, yang merupakan gaya gesek di antara lapisan- lapisan fluida yang bersebelahan ketika bergerak berpapasan Pada zat cair, viskositas muncul dari gaya kohesif diantara molekul-molekul Pada gas, viskositas muncul dari tumbukan antara molekul-molekul Gaya yang diperlukan untuk menggerakkan pelat: Dimana, η adalah konstanta kesebandingan yang disebut dengan koefisien viskositas, satuannya N.s/m2 = Pa.s (Pascal detik). Dalam sistem cgs satuannya dyne.s/cm2 disebut dengan poise (P). Dapat juga dinyatakan dengan senti.poise , 1 cP = 10-2 P = 10-3 Pa.s Semakin kental suatu fluida, maka semakin besar gaya yang dibutuhkan untuk menggerakkannya 22 Koefisien Viskositas dari beberapa bahan 23 Persamaan Poiseuille Fluida yang tidak kental dapat mengalir dalam tabung tanpa membutuhkan gaya Pada cairan yang kental, seperti darah manusia, (obat berbentuk sirup juga kental!!), laju aliran volume zat cair (Q) diberikan dengan persamaan Poiseuille: Berlaku untuk aliran laminar Dimana, P1 – P2 = beda tekanan pada kedua ujung tabung, l adalah panjang tabung, R adalah jari-jari bagian dalam tabung, η adalah koefisien viskositas, dan Q adalah laju aliran fluida (volume fluida per satuan waktu, m3/s). Semakin besar jari-jari tabung, nilai Q akan semakin besar. Jika jari-jari tabung berkurang setengahnya, laju aliran akan berkurang menjadi 1/16 kalinya. Bayangkan jika terjadi penyempitan pada pembuluh darah kita, bagaimana dengan laju aliran darah dalam tubuh kita!! 24 Tegangan permukaan Permukaan zat cair yang diam berperilaku dalam keadaan tegang karena tertarik, akibat gaya tarik-menarik di antara molekul-molekul cairan. Gaya tegangan ini disebut dengan tegangan permukaan, γ, (baca=gamma). Besarnya sama dengan gaya per satuan panjang, 25 Nilai tegangan permukaan dari beberapa zat 26  Kapilaritas Air dalam wadah kaca sedikit berbentuk cekung, karena sedikit naik pada bagian tepian kaca Raksa dalam wadah kaca sedikit berbentuk cembung, karena sedikit turun pada tepian kaca Perilaku ini ditentukan oleh kekuatan gaya kohesif antara molekul-molekul cairan relative terhadap gaya adhesive antara molekul cairan dengan molekul wadahnya Pada air, gaya adhesive lebih besar daripada gaya kohesif antara molekul- molekul air Pada raksa, gaya kohesi antara molekul-molekul raksa lebih kuat dari gaya adhesi Kapilaritas merupakan fenomena pada sebuah tabung yang memiliki garis tengah sangat kecil, cairan dapat naik lebih tinggi atau rutun lebih rendah daripada permukaan cairan yang ada di sekeliling tabung 27 Latihan Sebuah alat viscometer terdiri dari dua buah silinder konsentris (sepusat), yang masing- masingnya berdiameter 10,20 cm dan 10,60 cm. Suatu cairan mengisi ruang di antara kedua silinder ini hingga sedalam/setinggi 12,0 cm. Silinder bagian luar dibuat diam, dan torsi sebesar 0,024 m N menjadikan silinder bagian dalam tetap berputar dengan kecepatan rotasi tetap sebesar 57 putaran per menit. Berapakah viskositas cairan tersebut? 28