Apa Itu Mekanika Kekuatan Material?Mekanika kekuatan material adalah ilmu yang membicarakan masalah kesetimbangan gaya (mekanika) yang bekerja pada suatu struktur. Beban titik (terpusat) yaitu beban yang arah kerjanya terpusat (bekerja) pada satu titik. Beban merata (q) yaitu bean luar yang bekerja merata pada suatu panjang tertentu (tidak didukung oleh satu titik tetapi sepanjang muatan tersebut). Adapun unsur pokok yang haus dipakai dalam suatu praktikum atau pengujian adalah pengetahuan dan keterampilan sera peralatan standar. Meskipun didukung oleh pengetahuan dan keterampilan yang bagus namun tidak didukung oleh peralatan memadai maka hal tersebut tidak akn mendapatkan hasil yang sesuai dan berhasil, begitu juga sebaliknya. Praktikum Mekanika Kekuatan Material ada tiga macam perobaan, yaitu: 1. Forces in a Truss 2. Portal Frame 3. Beam Apparatus

Mekanika zat cair dan gasMekanika fluida adalah studi tentang cairan dan kekuatan pada mereka. (Cairan termasuk cairan , gas , dan plasma .) Mekanika Fluida dapat dibagi menjadi statika fluida , studi tentang fluida diam, fluida kinematika , studi cairan dalam gerakan, dan dinamika fluida , studi tentang efek gaya pada fluida gerak. Ini adalah cabang dari mekanika kontinum , subjek yang model materi tanpa menggunakan informasi yang terbuat dari atom, yaitu, model peduli dari sudut pandang makroskopik bukan dari sudut pandang mikroskopis. Mekanika fluida, dinamika fluida terutama, adalah bidang penelitian aktif dengan masalah yang belum terpecahkan atau sebagian memecahkan banyak. Mekanika fluida dapat matematis kompleks. Kadang-kadang terbaik dapat diselesaikan dengan metode numerik , biasanya menggunakan komputer. Sebuah disiplin modern, yang disebut komputasi dinamika fluida (CFD), yang dikhususkan untuk pendekatan ini untuk memecahkan masalah mekanika fluida. Juga mengambil keuntungan dari sifat yang sangat visual dari aliran fluida adalah partikel velocimetry gambar , metode eksperimen untuk memvisualisasikan dan menganalisa aliran fluida.

Sejarah SingkatStudi tentang mekanika fluida akan kembali setidaknya ke zaman Yunani kuno , ketika Archimedes diselidiki statika fluida dan daya apung dan merumuskan hukum terkenal sekarang dikenal sebagai Prinsip Archimedes . Kemajuan pesat dalam mekanika fluida dimulai dengan Leonardo da Vinci (observasi dan percobaan), Evangelista Torricelli ( barometer ), Isaac Newton ( viskositas ) dan Blaise Pascal ( hidrostatika ), dan dilanjutkan oleh Daniel Bernoulli dengan pengenalan dinamika fluida matematika di Hydrodynamica ( 1738). Inviscid aliran itu dianalisa lebih lanjut oleh berbagai hebat matematika ( Leonhard Euler , d'Alembert , Lagrange , Laplace , Hahahaha ) dan aliran viskos kemudian dieksplorasi oleh banyak insinyur termasuk Poiseuille dan Gotthilf Heinrich Ludwig Hagen . Pembenaran lebih lanjut matematika diberikan oleh Claude-Louis Navier dan George Gabriel Stokes dalam persamaan

Navier-Stokes , dan lapisan batas yang diselidiki ( Ludwig Prandtl , Theodore von Krmn ), sementara berbagai ilmuwan ( Osborne Reynolds , Andrey Kolmogorov , Geoffrey Ingram Taylor ) canggih pemahaman viskositas cairan dan turbulensi .

Hubungan dengan mekanika kontinumMekanika fluida adalah vak dari mekanika kontinum , seperti yang diilustrasikan pada tabel berikut. Elastisitas Padat mekanik Continuum mekanikaStudi fisika dari material kontinu Menjelaskan bahan yang kembali ke bentuk istirahat mereka setelah diterapkan stres . Studi fisika dari material kontinu Keliatan dengan bentuk istirahat Reologi Menjelaskan bahan yang didefinisikan. merusak secara permanen setelah Studi bahan dengan karakteristik solid dan tegangan cukup. fluida baik.

Mekanika zat cair dan gas

Non-Newtonian cairan Newtonian cairan

Studi fisika dari material kontinu yang mengambil bentuk wadah mereka.

Dalam tampilan mekanik, fluida adalah zat yang tidak mendukung tegangan geser , itu sebabnya cairan saat istirahat memiliki bentuk kapal yang memuat. Sebuah cairan pada saat istirahat tidak memiliki tegangan geser.

AsumsiSeperti model matematika dari dunia nyata, mekanika fluida membuat beberapa asumsi dasar tentang materi yang sedang dipelajari. Asumsi ini berubah menjadi persamaan yang harus dipenuhi jika asumsi-asumsi harus diadakan benar. Sebagai contoh, pertimbangkan sebuah fluida inkompresibel dalam tiga dimensi. Asumsi bahwa massa adalah kekal berarti bahwa untuk setiap permukaan tetap tertutup (seperti bola) tingkat kelulusan massa dari luar ke dalam permukaan harus sama sebagai tingkat massa melewati jalan lain. (Atau, di dalam massa tetap konstan, seperti halnya di luar massa). Hal ini dapat diubah menjadi persamaan integral atas permukaan. Mekanika fluida mengasumsikan bahwa setiap cairan mematuhi berikut:

Kekekalan massa Konservasi energi Kekekalan momentum Hipotesis kontinum, rinci di bawah ini.

Selanjutnya, sering berguna (di subsonik kondisi) untuk mengasumsikan fluida inkompresibel yaitu, kepadatan cairan tidak berubah.

Demikian pula, kadang-kadang dapat diasumsikan bahwa viskositas dari fluida adalah nol (fluida inviscid). Gas sering dapat dianggap inviscid. Jika fluida kental, dan aliran yang terkandung dalam beberapa cara (misalnya dalam pipa ), maka aliran pada batas harus memiliki kecepatan nol. Untuk cairan kental, jika batas tidak berpori, maka gaya geser antara fluida dan batas hasil juga dalam kecepatan nol untuk cairan pada batas. Ini disebut kondisi tanpa slip . Untuk media berpori sebaliknya, di perbatasan kapal berisi, kondisi tidak slip kecepatan nol, dan cairan memiliki medan kecepatan terputus antara cairan bebas dan cairan di media berpori (ini berkaitan dengan Beavers dan Joseph kondisi ).

Hipotesis kontinumCairan terdiri dari molekul yang bertabrakan satu sama lain dan benda padat. Asumsi kontinum, bagaimanapun, menganggap cairan yang akan terus-menerus . Artinya, properti seperti densitas, tekanan, temperatur, dan kecepatan dianggap terdefinisi pada "tak terhingga" poin kecil, mendefinisikan REV (Referensi Elemen Volume), di urutan geometris jarak antara dua molekul yang berdekatan dari cairan. Properti diasumsikan bervariasi terus menerus dari satu titik ke titik lain, dan rata-rata nilai dalam REV. Fakta bahwa fluida terdiri dari molekul diskrit diabaikan. Hipotesis kontinum pada dasarnya adalah sebuah pendekatan, di planet cara yang sama didekati oleh partikel titik ketika berhadapan dengan mekanika langit, dan karena itu menghasilkan solusi perkiraan. Akibatnya, asumsi hipotesis kontinum dapat menyebabkan hasil yang tidak akurasi yang diinginkan. Yang mengatakan, di bawah situasi yang tepat, hipotesis kontinum menghasilkan hasil yang sangat akurat. Masalah-masalah yang hipotesis kontinum tidak memungkinkan solusi akurasi yang diinginkan dipecahkan menggunakan mekanika statistik . Untuk menentukan apakah atau tidak untuk menggunakan dinamika fluida konvensional atau mekanika statistik, angka Knudsen dievaluasi untuk masalah tersebut. Jumlah Knudsen didefinisikan sebagai rasio dari molekul berarti bebas jalan panjang untuk seorang wakil panjang tertentu fisik skala . Skala ini panjang bisa berupa, misalnya, jari-jari tubuh dalam cairan. (Lebih sederhana, jumlah Knudsen adalah berapa kali diameter partikel sendiri akan melakukan perjalanan rata-rata sebelum memukul partikel lain). Masalah dengan angka Knudsen pada atau di atas kesatuan terbaik dievaluasi menggunakan mekanika statistik untuk solusi handal.

persamaan Navier-StokesNavier-Stokes persamaan (bernama setelah Claude-Louis Navier dan George Gabriel Stokes ) adalah serangkaian persamaan yang menjelaskan gerakan fluida zat-zat seperti cairan dan gas. Persamaan ini menyatakan bahwa perubahan dalam momentum ( kekuatan ) dari partikelpartikel fluida bergantung hanya pada eksternal tekanan dan pasukan viskos internal (mirip dengan gesekan ) yang bekerja pada fluida. Dengan demikian, persamaan Navier-Stokes menjelaskan keseimbangan gaya yang bekerja pada setiap wilayah tertentu dari fluida. Navier-Stokes persamaan adalah persamaan diferensial yang menerangkan pergerakan dari suatu fluida. Persamaan seperti membangun hubungan antara tingkat perubahan variabel bunga. Sebagai contoh, persamaan Navier-Stokes untuk suatu fluida ideal dengan viskositas bernilai nol

menyatakan bahwa percepatan (laju perubahan kecepatan) adalah sebanding dengan derivatif tekanan internal. Ini berarti bahwa solusi dari persamaan Navier-Stokes untuk suatu masalah fisik yang diberikan harus dicari dengan bantuan kalkulus . Dalam istilah praktis, hanya kasus yang paling sederhana dapat diselesaikan tepat dengan cara ini. Kasus-kasus ini umumnya melibatkan non-turbulen, aliran tunak (aliran tidak berubah dengan waktu) di mana bilangan Reynold kecil. Untuk situasi yang lebih kompleks, seperti sistem cuaca global seperti El Nio atau lift di sayap, solusi dari persamaan Navier-Stokes saat ini hanya dapat ditemukan dengan bantuan komputer. Ini adalah bidang ilmu oleh sendiri yang disebut dengan komputasi dinamika fluida .

[ sunting ] Bentuk Umum dari persamaanBentuk umum dari persamaan Navier-Stokes untuk kekekalan momentum adalah:

mana

adalah densitas fluida, adalah derivatif substantif (juga disebut turunan material), adalah vektor kecepatan, adalah vektor gaya tubuh, dan adalah tensor yang mewakili kekuatan-kekuatan permukaan diterapkan pada partikel fluida (yang tensor stres ). adalah tensor

Kecuali fluida terdiri dari derajat kebebasan yang berputar seperti vortisitas, simetris. Secara umum, (dalam tiga dimensi) memiliki bentuk:

mana

adalah tegangan normal, adalah tegangan tangensial (tegangan geser).

Di atas adalah sebenarnya satu set dari tiga persamaan, satu per dimensi. Dengan sendiri, hal ini tidak memadai untuk menghasilkan solusi. Namun, menambahkan kondisi batas konservasi massa dan sesuai dengan sistem persamaan menghasilkan himpunan persamaan dipecahkan.

[ sunting ] Newton versus non-Newtonian cairanSebuah cairan Newtonian (dinamakan setelah Isaac Newton ) didefinisikan sebagai suatu cairan yang geser stres adalah linear sebanding dengan kecepatan gradien dalam arah tegak lurus terhadap bidang geser. Definisi ini berarti terlepas dari gaya yang bekerja pada fluida, itu terus mengalir. Sebagai contoh, air adalah fluida Newtonian, karena terus menampilkan sifat cairan tidak peduli berapa banyak itu diaduk atau dicampur. Definisi sedikit kurang ketat adalah bahwa tarik dari sebuah benda kecil yang bergerak perlahan melalui cairan adalah sebanding dengan gaya yang diterapkan pada objek. (Bandingkan gesekan ). Cairan penting, seperti air serta gas yang paling, berperilaku - untuk pendekatan yang baik - sebagai fluida Newtonian dalam kondisi normal di Bumi. [1] Sebaliknya, mengaduk fluida non-Newtonian dapat meninggalkan "lubang" di belakang. Ini secara bertahap akan mengisi dari waktu ke waktu - perilaku ini terlihat pada bahan seperti puding, oobleck , atau pasir (walaupun tidak sepenuhnya pasir fluida). Atau, aduk cairan nonNewtonian dapat menyebabkan viskositas menurun, sehingga fluida tampak "lebih tipis" (ini terlihat di non-tetes cat ). Ada banyak jenis non-Newtonian cairan, seperti yang didefinisikan sebagai sesuatu yang gagal untuk mematuhi properti tertentu - misalnya, sebagian besar cairan dengan rantai molekular panjang dapat bereaksi dengan cara yang non-Newtonian. [1] Konstanta proporsionalitas antara tegangan geser dan gradien kecepatan dikenal sebagai viskositas . Sebuah persamaan sederhana untuk menggambarkan perilaku fluida Newtonian

mana adalah tegangan geser yang diberikan oleh fluida (" tarik ") adalah viskositas fluida - suatu konstanta proporsionalitas adalah gradien kecepatan tegak lurus dengan arah geser. Untuk fluida Newtonian, viskositas, menurut definisi, tergantung hanya pada suhu dan tekanan , bukan pada gaya yang bekerja di atasnya. Jika fluida inkompresibel dan viskositas konstan di seluruh cairan, persamaan yang mengatur tegangan geser (dalam koordinat Cartesian ) adalah

mana i j adalah tegangan geser pada wajah t i h elemen fluida dalam arah t j h v i adalah kecepatan dalam arah t i h

x j adalah j t h koordinat arah. Jika cairan tidak mematuhi relasi ini, itu disebut suatu fluida non-Newtonian , yang ada beberapa jenis. Di antara cairan, dua divisi yang luas kasar dapat dibuat: cairan ideal dan non-ideal. Sebuah fluida ideal benar-benar tidak ada, tetapi dalam beberapa perhitungan, asumsi adalah dibenarkan. Suatu fluida ideal adalah non viskos-menawarkan apapun untuk tidak melawan kekuatan geser. Satu dapat kelompok cairan nyata ke Newtonian dan non-Newtonian. Fluida Newtonian setuju dengan hukum Newton tentang viskositas. Non-Newtonian cairan dapat berupa plastik, plastik Bingham, pseudoplastic, dilatant, thixotropic, rheopectic, viscoelatic.