1. Apa yang dapat anda jelaskan mengenai konsep gaya angkat, gaya dorong, dan lapisan batas?

Pengetahuan mengenai gaya-gaya yang dikerjakan oleh fluida yang bergerak mempunyai arti penting dalam analisis dan rancangan alat-alat seperti pompa, turbin, pesawat terbang, roket, baling-baling, kapal, badan automobile, bangunan dan berbagai peralatan hidraulik. Hubungan energy tidak cukup untuk menjawab sebagian besar dari masalah-masalah tersebut. Satu tambahan alat mekanika yang paling penting adalah prinsip momentum. Teori lapisan batas memberikan dasar analisis selanjutnya. Percobaan yang luas dan terus menerus menambah data mengenai hukum-hukum variasi koefisien-koefisien dasar.

PRINSIP IMPLUS MOMENTUM, dari mekanika kinetic, menyatakan bahwa

Implus Linier = perubahan momentum linier

atau

(∑F)t = M (∆V)

Besaran besaran dalam persamaan ini merupakan besaran-besaran vector dan harus dijumlahkan dan dikurangkan secara vector. Yang paling mudah biasanya dengan komponen-komponen, dan untuk menghindari kesalahan tanda, maka disarankan bentuk-bentuk berikut ini:

a) Dalam arah-X,Momentum linier awal ± implus linier = momentum linier akhir

b) Dalam arah-Y

di mana M= massa yang momentumnya berubah dalam waktu t

Pernyataan-pernyataan ini bisa dituliskan, dengan tanda-tanda x, y, atau z yang sesuai dalam bentuk berikut:

dan seterusnya

FAKTOR KOREKSI MOMENTUM adalah

Untuk aliran laminar dalam pipa, = 1,33. Untuk aliran turbulen dalam pipa, berubah-ubah

dari 1.01 sampai 1.07. Dalam kebanyakan hal dapat dianggap satu.

GAYA SERET

Gaya seret adalah komponen gaya resultan yang dikerjakan oleh fluida pada suatu benda yang sejajar gerak relative fluida itu. Persamaanya yang biasa adalah:

Gaya Seret dalam N =

GAYA ANGKAT

Gaya angkat adalah komponen gaya resultan yang dikerjakan oleh fluida pada suatu benda yang tegak lurus pada gerak relative fluida tersebut. Persamaan yang biasa adalah

Gaya Seret dalam N =

Dimana = koefisien seret yang tidak berdimensi

= koefisien angkat, yang tidak berdimensi

= kerapatan fluida dalam kg/m3

A = besarnya luas karakteristik dalam m2 , biasanya luas yang diproyeksikan pada sebuah bidang yang tegak lurus ke gerak relative fluidanya

V= kecepatan relative fluida terhadap bendanya dalam m/dtk

GAYA SERET

Gaya seret adalah komponen gaya resultan yang dikerjakan oleh fluida pada suatu benda yang sejajar gerak relative fluida itu. Persamaanya yang biasa adalah:

Gaya Seret dalam N =

GAYA SERET TOTAL

Gaya seret total terdiri dari gaya seret gesekan dan gaya seret tekanan. Meskipun demikian, secara serempak jarang sekali kedua efek ini mempunyai harga yang cukup besar. Untuk obyek-obyek yang tidak menunjukan gaya angkat, gaya seret profil sinonim dengan gaya seret total. Tabulasi berikut akan menggambarkan hal ini

Benda Gaya seret gesekan Gaya seret tekanan

Gaya seret total

Bola Kecil sekali + Gaya seret tekanan = Gaya seret total

Silinder (sumbu tegak lurus pada

kecepatan)

Kecil sekali + Gaya seret tekanan = Gaya seret total

Cakram dan lempengan (tegak lurus pada

kecepatan)

nol + Gaya seret tekanan = Gaya seret total

Lempengan tipis (sejajar dengan

kecepatan)

Gaya seret gesekan + Kecil sekali sampai nol = Gaya seret total

Benda-benda bergaris arus bagus Gaya seret gesekan + Kecil sekali sampai nol = Gaya seret total

KOEFISIEN SERET

Koefisien seret tergantung pada bilangan Reynolds pada kecepatan-kecepatan rendah dan menengah, tetapi tidak bergantung pada bilangan Reynolds pada kevepatan tinggi. Akan tetapi, pada kecepatan tinggi koefisien seret berhubungan dengan Bilangan Mach yang mempunyai efek kecil sekali pada kecepatan rendah.

Untuk lempengan datar dan sayap-kemudi, koefisien seretnya biasa ditabulasikan masing-masing untuk luas lempengan dan untuk hasilkali lebar-panjang

KOEFISIEN ANGKAT

Kutta memberikan harga maksimum teoritis dari koefisien angkat untuk lempengan-lempengan tipis yang tegaklurus pada kecepatan relative fluidanya sebagai

Dimana =sudut serangan atau sudut antara lempengan dengan kecepatan relative fluidanya. Di

daerah kerja biasa, bagian-bagian dari foil udara sekarang ini mempunyai harga kira-kira 90%

dari harga maksimum teoritis ini. Sudut tidak boleh kira-kira 25◦

BILANGAN MACH

Bilangan Mach adalah perbandingan tak berdimensi dari kecepatan fluida terhadap kecepatan (kadang-kadang disebut kepesatan) akustik

Bilangan Mach=

Untuk gas-gas, c=

Harga-harga V/c sampai dengan harga kritis yang besarnya 1,0 menunjukan aliran sub-sonikpada 1.0, aliran sonic; dan harga-harga di atas 1.0 menunjukan aliran supersonic

Konsep Lapisan Batas

Konsep lapisan atas pertama kali dikembangkan oleh Prandtl. Beliau memperlihatkan bahwa, untuk fluida yang bergerak semua rugi-rugi gesekan terjadi di dalam suatu lapisan tipis yang berdekatan dengan batas sebuah benda padat (disebut lapisan batas), dan bahwa aliran di luar lapisan ini bisa dianggap tanpa gesekan. Kecepatan di dekat batas tersebut dipengaruhi oleh geseran batas. Pada umumnya, lapisan batas pada batas sebelah hulu dari sebuah benda yang terendam amat tipis, tetapi ketebalannya bertambah akibat kerja terus menerus dari tegangan geser.

Pada bilangan-bilangan Reynolds yang rendah, keseluruhan lapisan batas diatur oleh gaya-gaya kental dan aliran laminar yang terjadi di situ. Untuk harga-harga bilangan Reynolds menengah lapisan batasnya laminar di dekat permukaan batas dan turbulen di tempat yang jauh. Untuk bilangan-bilangan Reynolds tinggi, keseluruhan lapisan batasnya turbulen.

Lempengan Datar

Untuk lempengan datar yang panjangnya L meter, yang di tahan sejajar dengan gerak relative suatu fluida, persamaan-persamaan berikut ini bisa diterapkan

1. Lapisan Batas Laminar (sampai bilangan Reynolds sekitar 500.000).

a. Koefisien seret rata-rata (CD) = =

b. Ketebalan lapisan batas (dalam m) pada setiap jarak x diberikan oleh

=

c. Tegangan geser = 0.33 ρ = 0.33 (μV/x) =

Diamana V = kecepatan fluida yang mendekati batas itu (kecepatan sekitar) x = jarak dari tepi paling muka dalam m

L = panjang total lempengan dalam m

= bilangan Reynolds setempat, untuk jarak x

Dapat dilihat bahwa ketebalan lapisan batas akan bertambah jika akar dimensi x

bertambah dan juga akar kekentalan kinematiknya bertambah, sedangkan akan berkurang jika

akar kecepatannya bertambah. Demikian pula, geseran batas akan bertambah jika akar ρ dan μ bertambah, akan berkuarng jika akar x bertambah, dan akar bertambah apabila daya V pangkat tiga perduanya bertambah.

2. Lapisan Batas Turbulen

a. Koefisien seret rata-rata (CD) = untuk 2 x 105 < 106

= untuk 106 109

Untuk suatu batas kasar, koefisien seretnya berubah-ubah bersama kekasaran relatif dan

tidak berubah bersama bilangan Reynolds.

K.E. Schonheer menyarankan rumus 1/ = 4.13 log ( ) yaitu persamaan yang

dianggap lebih teliti khususnya untuk bilangan Reynolds yang lebih besar dari 2x107

b. Ketebalan lapisan batas diperkirakan dengan

untuk 5 x 105 < 106

= untuk 106 < 5x108

c. Tegangan geser diperkirakan dengan

= 0.0587

3. Lapisan Batas Beralih dari laminar ke turbulen pada permukaan lempengan (RE dari kira-kira 500 000 sampai 20 000 000).

a. Koefisien seret rata-rata (CD) = -

Diagram G menggambarkan variasi CD bersama bilangan Reynoldsuntuk ketiga syarat aliran itu