BAB I

PENDAHULUAN

A. LATAR BELAKANG

Aliran fluida yang melingkupi sebuah benda secara penuh akan menimbulkan

tegangan pada benda tersebut, baik tegangan normal maupun tegangan geser.

Tegangan normal disebabkan karena adanya tekanan dari fluida, sedangkan tegangan

geser timbul akibat adanya viskositas fluida. Jika kita tinjau pada aliran dua dimensi,

aliran yang mengalir secara horizontal akan menimbulkan gaya drag atau gaya hambat

karena arah dari gaya ini berlawanan dengan arah aliran, sedangkan aliran yang

mengalir secara vertikal menimbulkan gaya lift atau gaya angkat. Gaya drag sering

dianggap mengganggu, tetapi dalam situasi tertentu gaya drag justru diharapkan.

Aplikasi gaya lift dapat dilihat pada penggunaan pesawat terbang dan mobil balap.

Pada pesawat terbang gaya lift yang diharapkan adalah gaya lift positif, artinya gaya

angkat positif. Sedangkan pada aplikasi mobil balap, gaya lift yang diharapkan adalah

gaya lift negatif agar mobil tetap melaju di atas tanah.

BAB II

PEMBAHASAN

A. DEFINISI FLUIDA

Yang kita maksud dengan fluida disini adalah suatu bentuk materi yang mudah

mengalir misalnya zat cair dan gas. Sifat kemudahan mengalir dan kemampuan untuk

menyesuaikan dengan tempatnya berada merupakan aspek yang membedakan fluida

dengan zat benda tegar. Meskipun demikian hukum-hukum yang berlaku pada dua

sistem ini tidak berbeda. Pada bagian ini kita akan meninjau fluida dalam keadaan

tidak mengalir, contohnya air di dalam suatu wadah atau air di danau/waduk. Aspek

pertama yang kita dapati ketika kita berada dalam suatu fluida (zat cair) yaitu tekanan.

Kita merasakan ada tekanan pada tubuh kita yang berada di dalam zat cair.

B. TEKANAN

Pengertian tekanan akan mudah kita pahami setelah kita menjawab pertanyaan-

pertanyaan di bawah ini. Mengapa pisau yang tajam lebih mudah memotong dari pada

pisau yang tumpul? Mengapa paku yang runcing lebih mudah menancap kedalam

benda dibandingkan paku yang kurang runcing? Pertanyaan diatas sangat

berhubungan dengan konsep tekanan. Konsep tekanan identik dengan gaya, gaya

selalu menyertai pengertian tekanan. Tekanan yang besar dihasilkan dari gaya yang

besar pula, sebaliknya tekanan yang kecil dihasilkan dari gaya yang kecil. Dari

pernyataan di atas dapat dikatakan bahwa tekanan sebanding dengan gaya. Mari kita

lihat orang memukul paku sebagai contoh. Orang menancapkan paku dengan gaya

yang besar menghasilkan paku yang menancap lebih dalam dibandingkan dengan

gaya yang kecil.

Pengertian tekanan tidak cukup sampai disini. Terdapat perbedaan hasil tancapan

paku bila paku runcing dan paku tumpul. Paku runcing menancap lebih dalam dari

pada paku yang tumpul walaupun dipukul dengan gaya yang sama besar. Dari sini

terlihat bahwa luas permukaan yang terkena gaya berpengaruh terhadap tekanan. Luas

permukaan yang sempit/kecil menghasilkan tekanan yang lebih besar daripada luas

permukaan yang lebar. Artinya tekanan berbanding terbalik dengan luas permukaan.

Penjelasan di atas memberikan bukti yang sangat nyata pada pengertian tekanan. Jadi,

tekanan dinyatakan sebagai gaya per satuan luas. Pengertian tekanan ini digunakan

secara luas dan lebih khusus lagi untuk Fluida. Satuan untuk tekanan dapat diperoleh

dari rumus di atas yaitu 1 Newton/m2 atau disebut dengan pascal. Jadi 1 N/m2=1 Pa

(pascal). Bila suatu cairan diberi tekanan dari luar, tekanan ini akan menekan ke

seluruh bagian cairan dengan sama prinsip ini dikenal sebagai hukum Pascal.

C. FLUIDA STATIS

Suatu zat yang mempunyai kemampuan mengalir dinamakan fluida. Cairan adalah

salah satu jenis fluida yang mempunyai kerapatan mendekati zat padat. Letak

partikelnya lebih merenggang karena gaya interaksi antar partikelnya lemah. Gas juga

merupakan fluida yang interaksi antar partikelnya sangat lemah sehingga diabaikan.

Dengan demikian kerapatannya akan lebih kecil.

Karena itu, fluida dapat ditinjau sebagai sistem partikel dan kita dapat menelaah

sifatnya dengan menggunakan konsep mekanika partikel. Apabila fluida mengalami

gaya geser maka akan siap untuk mengalir. Jika kita mengamati fluida statik, misalnya

air di tempayan. Sistem ini tidak mengalami gaya geser tetapi mempunyai tekanan

pada dinding tempayan.

• Berdasarkan uraian di atas, maka pada materi ini akan dibahas dulu mengenai fluida

statik. Pada kegiatan berikutnya akan dibahas secara khusus fluida dinamik.

Pembahasan sering menggunakan konsep umum maupun prinsip mekanika partikel.

Dengan mempelajari materi ini berarti Anda akan dapat mengkaji sifat fluida statik

dan fluida dinamik dengan menggunakan mekanika partikel. Setelah Anda

mempelajari materi ini, Anda dapat: Menjelaskan makna hukum utama hidrostatik.

Menggunakan hukum utama hidrostatik untuk menjelaskan sifat-sifat khusus fluida

statik. Membedakan macam-macam aliran fluida.

Menghitung debit aliran fluida. Menjelaskan makna hukum Bernoulli.

Menggunakan hukum Bernoulli untuk menjelaskan sifat-sifat aliran fluida.

Menjelaskan masalah fluida pada kehidupan sehari-hari dengan menggunakan konsep

fisika.

D. MEKANIKA FLUIDA

Mekanika fluida adalah subdisiplin dari mekanika kontinum 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.

Fluida Newtonian vs. non-NewtonianSebuah Fluida Newtonian (dinamakan dari Isaac Newton) didefinisikan sebagai 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.

Sebagai contoh, air adalah fluida Newtonian karena air memiliki properti fluida

sekalipun pada keadaan diaduk. Sebaliknya, bila fluida non-Newtonian diaduk, akan

tersisa 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). Ada banyak tipe

fluida non-Newtonian yang kesemuanya memiliki properti tertentu yang berubah pada

keadaan tertentu.

Persamaan pada fluida NewtonianKonstanta yang menghubungkan tegangan geser dan gradien kecepatan secara linier

dikenal dengan istilah viskositas. Persamaan yang menggambarkan perlakuan fluida

Newtonian adalah:

di mana

τ adalah tegangan geser yang dihasilkan oleh fluida

μ adalah viskositas fluida-sebuah konstanta proporsionalitas

adalah 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. Jika

fluida bersifat inkompresibel dan viskositas bernilai tetap di seluruh bagian fluida,

persamaan yang menggambarkan tegangan geser (dalam koordinat kartesian) adalah

di mana

τij adalah tegangan geser pada bidang ith dengan arah jth

vi adalah kecepatan pada arah ith

xj adalah koordinat berarah jth

Jika suatu fluida tidak memenuhi hubungan ini, fluida ini disebut fluida non-

Newtonian.

E. ALIRAN FLUIDA

Aliran fluida dapat diaktegorikan:

1. Aliran laminar

Aliran dengan fluida yang bergerak dalam lapisan – lapisan, atau lamina –

lamina dengan satu lapisan meluncur secara lancar . Dalam aliran laminar ini

viskositas berfungsi untuk meredam kecendrungan terjadinya gerakan relative

antara lapisan. Sehi ngga aliran laminar memenuhi hukum viskositas Newton

2. Aliran turbulen

Aliran dimana pergerakan dari partikel – partikel fluida sangat tidak menentu

karena mengalami percampuran serta putaran partikel antar lapisan, yang

mengakibatkan saling tukar momentum dari satu bagian fluida kebagian fluida

yang lain dalam skala yang besar. Dalam keadaan aliran turbulen maka

turbulensi yang terjadi membangkitkan tegangan geser yang merata diseluruh

fluida sehingga menghasilkan kerugian – kerugian aliran.

3. Aliran transisi

Aliran transisi merupakan aliran peralihan dari aliran laminar ke aliran

turbulen.

F. KONSEP DASAR

Bilangan Reynolds

Bilangan Reynolds merupakan bilangan tak berdimensi yang dapat membedakan

suatu Dilihat dari kecepatan aliran, menurut (Mr. Reynolds)

diasumsikan/dikategorikanlaminar bila aliran tersebut mempunyai bilangan Re kurang

dari 2300, Untuk aliran transisi berada pada pada bilangan Re 2300 dan 4000 biasa

juga disebut sebagai bilangan

Viskositas

Viskositas fluida merupakan ukuran ketahanan sebuah fluida terhadap deformasi atau

perubahan bentuk. Viskositas dipengaruhi oleh temperatur, tekanan, kohesi dan laju

perpindahan momentum molekularnya. Viskositas zat cair cenderung menurun

dengan seiring bertambahnya kenaikan temperatur hal ini disebabkan gaya – gaya

kohesi pada zat cair bila dipanaskan akan mengalami penurunan dengan semakin

bertambahnya temperatur pada zat cair yang menyebabkan berturunya viskositas dari

zat cair tersebut.

Rapat jenis (density )

Density atau rapat jenis (ρ) suatu zat adalah ukuran untuk konsentrasi zat tersebut dan

dinyatakan dalam massa persatuan volume; sifat ini ditentukan dengan cara

menghitung nilai density dapat dipengaruhi oleh temperatur semakin tinggi

temperatur maka kerapatan suatu fluida semakin berkurang karena disebabkan gaya

kohesi dari molekul – molekul fluida semakin berkurang.

Koefisien Gesek

Koefisien gesek dipengaruhi oleh kecepatan, karena distribusi kecepatan pada aliran

laminar dan aliran turbulen berbeda, maka koefisien gesek erbeda pula untuk masing

– masing jenis aliran. Reynolds kritis, sedangkan aliran turbulen mempunyai bilangan

Re lebih dari 4000.

G. TEKANAN DALAM FLUIDA

Misalkan kita sedang berendam di dalam air, apa yang kita rasakan? Seolah-olah air

menekan seluruh tubuh kita yang bersentuhan dengan air. Tekanan ini semakin besar

apabila kita masuk lebih dalam ke dalam air. Fenomena apa yang ada dibalik

peristiwa ini. Pernyataan ini mengandung pengertian bahwa fluida memberikan

tekanan terhadap benda yang berada di dalamnya. Pengertian ini diperluas menjadi

tekanan pada fluida tergantung pada ketebalannya atau lebih tepatnya kedalamannya.

Udara/atmosfer terdiri dari gas-gas yang juga merupakan bentuk dari fluida. Maka

udara juga akan memiliki tekanan seperti definisi di atas. Tekanan udara kita anggap

sama untuk ketinggian tertentu di atas bumi namun untuk ketinggian yang sangat

tinggi di atas permukaan bumi besarnya menjadi berbeda.

H. FLUIDA ELEKTRO-REOLOGI

Mungkin, yang pertama kali melakukan percobaan pembuatan dan penerapan cairan

fluida yang merespon kondisi luarnya adalah Pak Winslow pada tahun 1940. Kenapa

saya awali dengan “mungkin”? Sebab ide atau niatan membuat fluida pintar ini sudah

ada sejak 150 tahun yang lalu. Lalu Pak Winslow lah yang berhasil melakukan

percobaan pembuatannya. Kebanyakan fluida elektro-reologi merupakan dispersi dari

partikel dielectric yang tersuspensi pada non-conducting liquid (cairan yang bersifat

bukan konduksi, alias tidak mampu hantar listrik). Mudahnya, anda punya partikel

(bulet kecil-kecil) dari bahan dielectrik kemudian dicampur dengan cairan tak mampu

hantar listrik, misal silicone-oils, hingga sifat campuran seperti suspensi. Itulah fluida

elektro-reologi.

Yield stress, tegangan geser, yaitu gaya luar yang diperlukan untuk menggeser fluida

tersebut, dari keadaan diam kemudian mengalir. Fluida elektro-reologi mula-mula

mempunyai nilai yield stress relatif kecil, ya iyalah…cairan gitu loh… Namun ketika

medan listrik dari luar diaplikasikan, nilai yield stress-nya menjadi meningkat dengan

drastis, alias susah untuk mengalir. Mekanisme yang sering digunakan untuk

menjelaskan fenomena ini adalah ketika medan listrik luar (ordenya sekitar kV/mm)

diaplikasikan kepada fluida elektro-reologi, menimbulkan efek dipole (pe-dua-kutub-

an) dari dielektrik partikel yang tersuspensi dalam cairan tsb. Berubahnya sifat

dialektrik partikel hingga mempunyai kutub ini menyebabkan partikel kecil-kecil

saling mendekat satu sama lainnya, sesusai sifat kutub masing-masing.

Sehingga terciptalah rantai/susunan partikel searah dengan medan listrik. Lihat

animasi diawal artikel. Bentuk daripada susunan rapi jajaran partikel yang berbentuk

seperti rantai inilah yang menyebabkan nilai yield stress menjadi naik secara dramatis.

Definisi pendahuluan tentang fluida pintar jenis ini dicukupkan sampai disini, ntar

disambung lagi yang lebih dalam jika memungkinkan.

Kini, aplikasi dari fluida elektro-reologi telah mempunyai pangsa pasar tersendiri,

diantaranya:

- controllable valve and shakers

- controllable machinery and engine mount

- controllable clutch and brakes

- controllable dampers

Mungkin ada sebagian peralatan ini pernah anda lihat, sekilas lihat, bahkan anda pakai

dan operasikan terutama di perusahaan-perusahaan besar. Namun yang tampak nyata

di depan anda hanyalah kemudah-aturan dan kecanggihan peralatan tersebut. Siapa

sangka dibalik produk-produk tersebut tersimpan keruwetan dan keunikan aspek

science dan teknologi yang membikin dahi berkerut, kening melebar, dan otak

berputar sekian banyak peneliti dan sekian lama waktu yang diperlukan.

I. FLUIDA BERMAGNET

Pada tahun 1960-an, Pak Rosensweig menjadi pelopor penelitian pembuatan dan

aplikasi dari fluida bermagnet. Kemudian setelah beberapa saat setelah penelitiannya

berkembang, beliau mendirikan perusahaan yang dikenal dengan Perusahaan

Ferrofluidics. Fluida bermagnet terdiri atas partikel bermagnet (superparamagnetic

particle) berukuran sangan kecil (skala nano, < 10 nm) yang terdispersi dalam cairan

pembawa. Tahukan seberapa kecil ukuran nano-meter itu? Iya benar, sepersejuta

meter. Suangaat kecil bukan. Campuran dispersi antara partikel magnet dan cairan

pembawa cenderung bersifat stabil (tidak terjadi sedimentasi/pengendapan),

disebabkan pergerakan Brownian (Brownian motion) yang terjadi ketika kita

mencampur partikel sangat kecil kedalam suatu cairan. Mudahnya, ketika anda

mengaduk gula dalam segelas air, gulanya tidak akan mengendap dibawah jika

adukannya merata. Artinya gula berubah jadi partikel sangat kecil sekali lalu

tersuspensi kedalam air, dan cenderung stabil. Para peneliti juga berhasil menaikkan

performa stabilitas fluida bermagnet dengan menambahkan surfactant, suatu zat yang

mencegah menempelnya partikel magnet satu sama lainnya, sehingga penggumpalan

bisa dihindari. Sehingga stabilitas fluida bermagnet dapat dipertahankan lebih lama

lagi.

Fluida bermagnet akan berubah sifat dan karakternya ketika dikenakan medan

magnet. Viskositas adalah salah satu parameter yang bisa diatur pada fluida

bermagnet. Karena waktu respon yang diperlukan sangat pendek (dalam orde mili-

second), maka kemampuan mudah-aturnya cepat mendapat perhatian pangsa pasar.

High-pressure seal dan media pendingin loudspeaker adalah salah dua produk yang

digemari pasar saat ini.

J. FLUIDA MAGNET-REOLOGI

Tibalah saatnya kita mengenal fluida pintar jenis ketiga yaitu fluida magnet-reologi.

Secara umum komposisinya sama dengan fluida bermagnet, yaitu: partikel magnet +

cairan pembawa + surfactant. Cuma bedanya adalah ukuran partikel magnet dalam

orde mikro-meter (seperseribu meter) dan peran surfactant yang sangat besar untuk

mencegah proses pengendapan. Pergerakan Brownian tidak terjadi pada fluida jenis

ini, karena ukuran partikel relatif besar. Hal yang menakjubkan dari sifat fluida

magnet-reologi ini adalah kemampuannya berubah fase menjadi semi-padat bahkan

cukup padat hingga dapat dikategorikan fase padat (solid phase).

BAB III

PENUTUP

A. KESIMPULAN

Yang kita maksud dengan fluida disini adalah suatu bentuk materi yang mudah

mengalir misalnya zat cair dan gas. Sifat kemudahan mengalir dan kemampuan untuk

menyesuaikan dengan tempatnya berada merupakan aspek yang membedakan fluida

dengan zat benda tegar. Meskipun demikian hukum-hukum yang berlaku pada dua

sistem ini tidak berbeda. Pada bagian ini kita akan meninjau fluida dalam keadaan

tidak mengalir, contohnya air di dalam suatu wadah atau air di danau/waduk. Aspek

pertama yang kita dapati ketika kita berada dalam suatu fluida (zat cair) yaitu tekanan.

Kita merasakan ada tekanan pada tubuh kita yang berada di dalam zat cair.

DAFTAR PUSTAKA

http://id.wikipedia.org/wiki/Fluida

Gibbs, K, 1990. Advanced Physics. New York: Cambridge University Press.

Martin Kanginan, 2000. Fisika SMU. Jakarta: Penerbit Erlangga.

Tim Dosen Fisika ITS, 2002. Fisika I. Surabaya: Penerbit ITS.