1

BABI

FLUIDA DAN 31FAT-SIFATNYA

1.1 .Definisi Fluida

Definisi yang Jebih tepat unt~k membedakan zat padat dengan fluida adaJah dari

karskteristik deforma.c;ibahan-ballan tersebut. Zat padat dianggap sebagai bahan yang

menutYukk3JIreaksi deformasi yang terbatas ketika menerima atau mengaJami snatu gaya

geser (shear). Sedangkan fluida ,memperlihatkan penomena sebagai zat yang teros

meneros berubah bentuk apabila mengalami tekanan geser; dengan kata lain yang

dikategorikan sebagai fluida adaIah suatu zat yang tidak mampu mcnahan tekanan geser

tanpa berubah bentuk.

1-2. Plaida dalam kehidapao sehari-hari

Setiap hari kita selalu berhobungall del1gan fluida hampir tBnpa sadar. Banyak

gejaJa alam yang indah dan menakjubkan, seperti bukit-bukit pasir dan ngarai-ngarai

yang dalam, terjadi skibat gaya-gaya yang ditimbulkan oleh aJiran udara atan air serta

perilaku aliran fuida itu ketika me~umpai halangan.

Pipa air, baik yang dialiri air bersih maupun air limbah, sarna sekali bukan barang

yang aneh. Boleh jadi kita sadar bahwa pipa air minum, misalnya, harns mempunyai

diameter yang lebih besar dari suatu harga minimum agar aJiran air di keran-keran dapat

mencukupi kebutuhan. Kita mungkin juga terbiasa dengan benturan antara air dan pipa

ketika keran air ditutup secara tiba-tiba. PUS8f811air yang kita tihat ketika air dalam bak

mandi dikeluarkan melalui lobang pembuangannya pOOadasamya 8ama dengan pusaran

tornado atau pusaran air di batik jembatan. Radiator air atau uap panas untuk

memanaskan rumab de radiator pendingin dalam sebuah Mobil bergantung pada alinm

fluida agar dapat memindahkan panas dengan efektiL

Hambatan aerodinamik bilamana kita sedang berjalan atau berlcendara menentang

angin yang cukup kencang. Kalan kita sedang berlmyuh dengan perahu terasn bahwa kitn

harns mengayuh lebih keras agar dapat melaju lebih cepat, bukun hanya untuk

mempercepat laju perahu tet~pi juga untuk mempert3hankan kecepatan yang tinggi.

Pennukaan lambung kapal dan sayap serta badan pesnwat terbang dibuat rata agar dapat

2

mengurangi hambatan, bola golf justru diberi pennukann kasar guna me.nguraogi

hambatan dalam geraknya.

Babkan pakar fisiologi pun berkepentingan dengan konsep-konsep mekallika

fluida. Jantung adalah sebuM pompa yang mendorong sebuM fluida (dm-aIl)melalui

sebuah sistim pipa (pembuluh-pembuluh darah). Pendek kata kita selalu berurusan

dengan fluida baik yang diam maupun yang bergerak.

Kemajuan yang dicapai selama abad ini meliputi studi-studi baik secara analitik.

numerik (komputer). maupun eksperimen tentang aliran dan pengendalian lapisan batas,

smlktur turbulensi, kemantapan aJiran, aliran multifase. pemindahan panas ke dan dari

fluida yang mengaIir serta banyak masalah daIam penerapan.

1.2 Beberapa Istilah Dalam Mekanika Fluida

. Kerapatan(dellsity): adalah jum)ah / kwantitas suatu zat pada suatu unit volume

density dapat dinyatakan dalwn 6ga bentuk :

1. Mass density (p) satuan dalam SI adalah (kglm\

2. Berat spesifik (specific weight) (y) = p . g satuan dalam 31 = N/m3 dimana g=

percepatan gravitasi (~9,81 mls2)

3. Spesifik gravity (s.g) merupakan perbandin053I1antara density dengan berat

spesifik suatu zat terhadap density atau bera~ spesifik suatu standard zat(

umumnya terhadap air). Jadi s.g tidak mempunyai satuan.

. Viskositns. Viskositas suatu fluida merupakan UkW-Sllketuh811ansmuu fluida

terhadap deformasi stau perubahan bentuk

Dalam sistim SI tegangan ('t)= ~l(duldy), atau dengan kata lain tegangan geser

diekspresikan dalam N/m2 (Pa) dan gradien kecepatan (duldy) dalam (mIs)/m,

karena itu satuan 31untuk viskositm;dinamik adalah :N.s/m2 atau kg/m.s.

Sedang viskositas kinematik (v) didefernisikan Eebagaiperbandingan viskositas

dinamik t~hadap kerapatan (density) v = J.l/p dalam SI viskositas

kinematik mempunyai satuan m2ls.

3

Contoh :

Suatu fluida dengan viskositas dinamik J.1=0,080 kg/m.s dan kerapatan p =825 kg/m3

mengalir sepanjang sebuah permukaan dengan profil kecepatan yang diberikall melalui

persamaan J.l= 50 y - 10 4 Y2 (m/s),dimana y jarak dari pennukaan batas daJam meter.

Hitung tegangan geser di permukaan batas itu?

Jawab: Gradien kecepatan pOOay =0 OOalah(duldy}y:o= 50 (m/s)/m jOOi:

(1:)=J.l(duldy) y=o= (0,080)(50) =4 Pa.

Dalam menganalisa fluids, sering diperlukan konsep penyederhanaan. Salah satu

konsep demikian adalah konsep fluida ideal, yaitu fluida yang tak viskous. Dengau

demikian fluida ideal sarna sekali tidak dapat menahan gaya geser. Anggapan bahwa

suatu fluida tidak viskous sanga! menyederhanakan analisa, dan dalam banyak hal

membantu penyelesaian persoalan-persoalan teknik yang lebih rumit sebagai sebagai

pendekatan pertama. Selain itu penyederhanaan demikian masih dapat diterima selama

penyederhanaan tersebut memberikan pedoman untuk memperolehjawaban yang masuk

akal.

1 KOBsepKontiBum

Dalam zat yang bersifat bersifat kontinum, p~ titik sebarang orang dapat

mendefinisikan suatu sifat atau suatu besaran. Misalnyn, massa jenis adaJah fungsi dari

kedudukanjOOi:

P = p(x,y,z,t)

Disini kita menjumpai apa yang disebut medan, yaitu suatu besaran yang merupakao

fungsi dari kedudukan atau ruang.:

Ada tiga macam medan yaitu :

1. Medan skalar, misalnya massajenis, temperatur, viskositas

2. Medan vektor, misalnya kecepatan, percepatan; gaya

3. Medan tensor, misalnya tegangan pada suatu titik.

4

Selwn itu, dalarn fluida yang bersifat kontinuum, dapat dijumpai tiga macarn

gaya, yaitu :

1. Gaya permukaan, misalnya tekanan, tegangan geser, yang bekerja pada titik

pada pennukaan

2. Gaya badan, rnisalnya gaya elektrostatik~ elektromegnetik. gaya Lorentz, dan

gaya sentrifugal. Gaya ini merupakan akibatdari adanya.medan potensial

3. Te.ganganpermukaan, gaya yang hanya bekerja pada pennukaan yaitu bidang

pertemuan antara dua macanl atau lebih zat atau fasa).

1.5. Tegallgan Permukaan.

Tegangan permukaan adalah gaya perentang yang diperlukan untuk membentuk

selaput, yang diperoleh dengan membagi suku energi permukaan denga.npanjang sutuRn

selaput dalam kesetimbangan. Tegangan permukaan ini terjadi akibat perbedaan tarik

menarik timbal-baJik antara. molekul-molekul zat cair dekat permukaan dan molekul-

molekul yang terletak agak lebihjauh dari permukaan dalarn zat cair yang sarna.

Untuk tetes kecil yang berbentuk bola denganjari-jari r dimana, tekanall p yang

perIu untuk mengimbangi gaya tarik yang disebabkan oleh tegangan permukaan a

dihitung sebagai berikut :

Gaya akibat tekanan dalam (pn~ ) = gaya akibat tegangan permukaan yang

mengelilinginya(2onr), sehingga dapat ditulis p = 2alr ,

Untuk sebuah persamaall lengkuug yang umumnya dengan 1'1dun r2 sebagai jm-i-jari

utama , persamaan tersebut berbentuk :

untuk sebuah siIinder, salah satujari-jari bidang lengkungnya tak terhingg~ maka berlaku

p = air

Persamaan tersebut menUl~ukkanbahwa tekanan mel~adi lebih besar bagi jari-jHri tetes

atan sHinderyang arnat kecil.

5

Apabila suaiu antard. muka zat cair-gas bersinggungan dengan sebuah permukaan

zat pOOat,berarti disitu terdapat tiga buah gaya antar muka; antara gas dan zat eair, antara

gas dan zat pOOat, serta antara zm eair dan zat pOOat (lihat garnbar 1-1).keseimbangan

yang tet:jadi menghasilkan hubungan skalar sebagai berikut :

0' ~ = 0' &1 + O'gl eose

Gas

IT,)

la! cair

lat padat

Gambar: 1-1: Sudut korstak.untuk antar r.ouka 8lis-zat cair-zat padat

Dari sini sudut kontak e dapat dihitung. Sebuah zat emr di udara disebut membasahi

sebuah permukaan bila e < 1t/2, dan tingkat kebasahan itu meningkat sejalan dengan

berkurangnya e hingga nilainya sarna dengan nol. Sudut kontak e untuk air, udara, dan

pennukaan kaca yang bersih pada dasrnya adalah nol. Apabila e > 1t12.zat eair disebut

tidak membasahi permukaan.

Gejala Kapiler.

Naiknya kolom zat eair dalam suatu pipa keeil adalah akibat tegangan permukaan

clandisebut gejala kapiler.

--r ."

~-Gas

-la! cairo kerapatan p

Gambar: 1-2: Kenaibn kapiler suatu zal cair

6

Padagambar 1-2 memperlibatkan berat kolom zat eair dalam pip~ yaitu gaya dari selisih

tekanan antara seberang-menyeberang antar muka zat eair kali luas penampang sebanding

gaya periferal di seputar lingkaran tabung. Secara matematik ditulis :

pgh (7tr2)=Ap7tr2=o27tf cos e

sehingga kenaikan akibat gejala kapiler adalah :

2crh=- cose

grp

apabila e < 1f.f2.kenaikankapiler akan terjadi. apabila e = 7t12.baik kenakan maupul1

penurunan tidal<:akan dialami oleh zat eair dalam tabun& dan bila mana e > 7t/2.zat em

dalam tabung akan meng~ami pemU11nan(depresi), untuk jelasnya Hhat gambar 1-3.

Persamaan terakhir ini berlaku untuk diameter pipa relatifkecil ( dibawah 1 em).

-Zat cair Zat cair o

"'-.,

(a) 8 <.!!:2 (b) 0 =.!!:2 Ic) 0 >~

Gambar: 1-3 . Pengaruh sudut kontak pada kapil&ritasdaJamsuatu pipa keciJ

Dengan bertambahnya diameter pipa, jari-jari lengkung semakin besar dan kenmkan

kapiler berkurang. Pada penggunaan alat ukur seperti manometer seJaJu dibindari

terjadinya efek-efek tegangan permukaan. Maka dipakai cairan yang mempunyai

tegangan permukaan yang tinggi seperti air raksa.

Contoh :

Sampai keinggian h berapa air pada temperatur kamsr akan naik dalam sebuah pipa kaca

bersih berdiameter. 2.5 mm. ( jika diketahui tegangan permukaan air di udara sekitar

0,073 N/m).

Jawab :

7

2cr

h = .-- cos6 dengane =0 0

grp

( 2)(O,073Xl)h=

(9,81 )(O,OOI25XI000)

h = 0,012 m = 12 mID