MEKANIKA FLUIDA

MODUL 1 (PENDAHULUAN)

DEFINISI

Mekanika fluida adalah disiplin

ilmu bagian dari bidang mekanika

terapan yang mengkaji dari zat-

zat cair dan gas dalam keadaan

diam ataupun bergerak.

BEBERAPA SIFAT FLUIDA

Secara umum sebuah benda padat “keras” dan tidak mudah dideformasi, sementara sebuah fluida “lunak”

dan mudah dideformasi.

Secara sudut pandang ilmiah atau keteknikan :

1. Benda padat (seperti beton, baja dll) memiliki jarak antar molekul yang rapat dengan gaya-gaya kohesi antar

molekul yang besar yang memungkinkan sebuah benda padat mempertahankan bentuknya dan tidak mudah

untuk dideformasi.

2. Benda cair (air, minyak, dll) molekul-molekulnya agak terpisah , gaya antar molekulnya lebih lemah daripada

benda-benda padat dan molekul-molekul tersebut mempunyai pergerakan yang lebih bebas, jadi zat cair dapat

dengan mudah dideformasi (tetapi tidak mudah dimampatkan) dan dapat dituangkan ke dalam bejana atau

dipaksa melalui sebuah tabung.

3. Gas-gas (udara, oksigen, dll) memiliki jarak molekul yang lebih besar dan gerakan yang bebas dengan gaya antar

molekul yang dapat diabaikan, sehingga gas sangat mudah dideformasi (dan dimampatkan) dan akan mengisi

secara penuh volume suatu bejana di mana gas tersebut.

DIMENSI, KEHOMOGENAN DIMENSI DAN SATUAN

Karena di dalam kajian mengenai mekanika fluida kita akan

menangani berbagai karakteristik fluida, maka kita perlu

mengembangkan sebuah sistem untuk mengambarkan

karakteristik-karakteristik ini secara kualitatif dan kuantitatif.

1. Aspek kualitatif berfungsi untuk mengidentifikasi sifat

dasar atau jenis dari karakteristik tersebut (seperti

panjang, waktu, tegangan, dan kecepatan).

2. Aspek kuantitatif memberikan ukuran numerik dari

karakteristik tersebut.

Tabel 1.1. Dimensi-dimensi yang berkaitan dengan besaran-besaran fisik yang umum

SISTEM-SISTEM SATUAN

Terdapat beberapa sistem satuan yang digunakan

dan kita akan meninjau tiga sistem yang umum

digunakan di bidang teknik :

1. Sistem Gravitasi Inggris (British Gravitational

(BG) System)

2. Sistem Internasional (System International (SI))

3. Sistem Teknik Inggris (English Engineering (EE)

System)

SISTEM GRAVITASI INGGRIS

Di dalam sistem BG satuan panjang adalah kaki (ft),

satuan waktu adalah detik (s), satuan gaya adalah

pound (lb), satuan massa adalah slug dan satuan

temperatur adalah derajat Fahrenheit (0F) atau

satuan mutlak adalah Rankine (R).

Untuk gravitasi standar bumi, g = 32,174 ft/s2.

SISTEM INTERNASIONAL

Di dalam sistem SI satuan panjang adalah meter (m),

satuan waktu adalah detik (s), satuan gaya adalah

Newton (N), satuan massa adalah kilogram (kg) dan

satuan temperatur adalah derajat Celcius (0C) atau

satuan mutlak adalah Kelvin (K). Gravitasi standar

adalah g = 9,807 m/s2.

SISTEM TEKNIK INGGRIS

Di dalam sistem sistem EE, satuan-satuan untuk gaya dan massa didefinisikan

secara terpisah, jadi harus diberikan perhatian khusus ketika kita

menggunakan sistem ini dalam kaitannya dengan hukum kedua newton. Satuan

dasar dari massa adalah pound massa (lbm), satuan gaya adalah pound/pound

gaya (lb/lbf). Untuk sistem EE, gaya 1 lb didefinisikan sebagai gaya yang

memberikan massa lbm percepatan gravitasi standar yang besarnya diambil

sebagai 32,174 ft/s2.

1 Slug = 32,174 lbm

Pada umumnya yang banyak digunakan sistem BG dan SI. Sistem EE

digunakan sangat terbatas dan hanya pada hal-hal konvensi menghendaki

penggunaannya.

Tabel.1.2. Awalan dalam satuan S1

Faktor Pengali Awalan Simbol

ANALISIS PERILAKU FLUIDA

Di dalam mekanika fluida secara umum dapat dibagi menjadi :

1. Statika fluida di mana fluida dalam keadaan diam

2. Dinamika fluida di mana fluida bergerak

Beberapa sifat fluida yang sangat berkaitan dengan perilaku

fluida, jelas bahwa yang berbeda secara umum mempunyai sifat

yang berbeda pula. Misalnya, gas-gas bersifat ringan dan dapat

dimampatkan (mampu-mampat), sementara zat cair berat (jika

diperbandingkan) dan relatif tidak dapat dimampatkan.

UKURAN-UKURAN MASSA, BERAT FLUIDA , BERAT DAN GRAVITASI

JENIS

Kerapatan/massa jenis (density) merupakan massa fluida per satuan

volume.

(dalam SI : kg/m3)

Volume jenis merupakan volume per satuan massa.

(dalam SI : m3/kg)

Berat jenis merupakan berat fluida per satuan volume.

(dalam SI : N/m3)

Gravitasi jenis merupakan perbandingan kerapatan fluida tersebut

dengan kerapatan air pada sebuah temperatur tertentu.

(tak berdimensi)

HUKUM GAS IDEAL

Gas-gas sangat mudah dimampatkan (sangat mampu-

mampat) dibandingkan dengan zat cair, di mana

perubahan kerapatan gas berhubungan langsung dengan

perubahan tekanan dan temperatur melalui persamaan :

Di mana p adalah tekanan mutlak, adalah kerapatan, T 𝜌

temperatur mutlak dan R konstanta gas

VISKOSITAS

Sangat sering dalam persoalan aliran fluida, viskositas muncul

dalam bentuk yang dikombinasikan dengan kerapatan sebagai

berikut :

υ= viskositas kinematik (dalam SI m2/s) kadang dalam satuan

stoke (cm2/s)

𝜇 = viskositas dinamik (dalam SI N. s/m2) kadang satuan

poise (dyne. s/m2)

KEMAMPU-MAMPATAN FLUIDA (COMPRESSIBIL ITY OF FLUIDA )

Modulus Borongan/modulus elastisitas borongan (Bulk Modulus)

Seberapa mudah volume (demikian juga kerapatan) dari suatu

fluida dapat diubah apabila terjadi perubahan tekanan.

(dalam satuan SI : N/m2 (Pa))

Zat-zat cair dapat dianggap sebagai tak mampu-mampat

(incompressible) untuk kebanyakan penerapan di bidang

keteknikan.

PEMAMPATAN DAN PENGEMBANGAN GAS

Jika pemampatan atau pengembangan gas berlangsung dalam

kondisi temperatur yang konstan (isothermal).

Jika pemampatan atau pengembangan berlangsung tanpa gesekan dan

tidak ada pertukaran kalor dengan lingkungan (proses isentropik), maka

(k merupakan rasio dari kalor jenis pada tekanan konstan terhadap

kalor

jenis pada volume konstan).

KECEPATAN SUARA

Kecepatan suara/kecepatan akustik adalah kecepatan menjalarnya

gangguan kecil pada sebuah fluida.

(dalam satuan SI : m/s2)

Bilangan Mach adalah parameter tak berdimensi aliran gas pada

kecepatan tinggi antara

kecepatan pesawat jet di udara dengan kecepatan suara.

Jika Ma < 1, pesawat tersebut terbang dengan kecepatan subsonik.

Jika Ma > 1, Pesawat tersebut terbang dengan kecepatan supersonik.

TEKANAN UAP

Ketika suatu kondisi kesetimbangan tercapai sedemikian hingga

jumlah molekul yang meninggalkan permukaan sama dengan

jumlahnya yang masuk, uap tersebut dikatakan telah jenuh dan

tekanan yang diberikan oleh uap pada permukaan zat cair disebut

sebagai tekanan uap.

Pendidihan dapat dimulai pada suatu tekanan yang bekerja pada

fluida yang nilai telah diketahui dengan menaikkan

temperaturnya, atau pada suatu temperatur fluida yang diketahui

dengan menurunkan tekananya.

TEGANGAN PERMUKAAN

Sebuah gaya tarik dapat dianggap bekerja pada bidang permukaan

sepanjang suatu garis di permukaan. Intensitas gaya tarik molekuler

per satuan panjang sepanjang suatu garis di permukaan ini disebut

tegangan permukaan.

Pengaruh tegangan permukaan berperan di dalam banyak persoalan

mekanika fluida termasuk dalam pergerakan cairan melewati tanah

dan media-media berpori-pori lainnya, aliran melalui film tipis,

pembentukan butir tetesan dan gelembung serta pecahnya jet cairan.

CONTOH SOAL 1

Sebuah tangki udara bertekanan memiliki tekanan volume 0,84 ft3.

Apabila tangki diisi dengan udara pada tekanan ukur 50 Psi, tentukan

kerapatan air dan berat air di dalam tangki. Asumsikan temperatur

adalah 700F dan tekanan atmosfer 14,7 psi (abs).

Penyelesaian :

(0,0102 slug/ft3)(32,2 ft/s2)(0,84 ft3)

karena 1 lb = 1 slug ft/s2

maka : w = 0,276 lb

CONTOH SOAL 2

Sebuah kombinasi tak berdimensi dari variabel-variabel yang

penting dalam kajian aliran viskos melalui pipa disebut sebagai

bilangan Reynolds, Re, yang didefinisikan sebagai di mana 𝜌

adalah kerapatan fluida, V kecepatan rata-rata fluida, D

diameter pipa dan viskositas fluida. Sebuah fluida non-𝜇

Newtonian yang memiliki viskositas 0,38 N.s/m2 dan gravitasi

jenis 0,91 mengalir melalui pipa dengan dengan diameter 25

mm dengan kecepatan 2,6 m/s. Tentukan nilai dari bilangan

Reynoldnya ?

Penyelesaian :

= SG H𝜌 2O@40C = 0,91 (1000 kg/m3) =

910 kg/m3

= 156

LATIHAN SOAL

1. Tentukan dimensi dalam sistem FLT dan sistem MLT untuk :

a. Produk dari massa dikalikan kecepatan

b. Produk dari gaya dikalikan volume

c. Energi kinetik dibagi luas

2. Jika p adalah sebuah tekanan, V sebuah kecepatan, dan

adalah kerapatan fluida. Apakah dimensi (dalam sistem

MLT) daripada :

a. p/ b. pV c. p/ V𝜌 𝜌 𝜌 2

3. Suatu zat cair jika dituangkan ke dalam bejana gelas ukur diketahui

mempunyai berat 8 N ketika mengisi volume 500 ml (mili liter).

Tentukan berat jenis, kerapatan dan gravitasi jenisnya ?

4. Sebuah tangki air dengan massa total 36 kg terletak di atas lantai

sebuah lift. Tentukan gaya (dalam Newton) yang diberikan oleh

tangki kepada lantai ketika lift mengalami percepatan ke atas

sebesar 7 ft/s2.

DAFTAR PUSTAKA

Bruce R. Munson, Donald F. Young & Theodore H.

Okiishi, “

Mekanika Fluida” Edisi Keempat, Penerbit

Erlangga.