Pertemuan 1

PENDAHULUANKonsep Mekanika Fluida dan Hidrolika

1

OLEH : ENUNG, ST.,M.Eng

TEKNIK SIPIL POLITEKNIK NEGERI BANDUNG

2012

SILABUSPERTEMUAN MATERI METODE

I -PENDAHULUAN-DEFINISI FLUIDA-SIFAT-SIFAT FLUIDA-DIMENSI DAN SISTEM SATUAN

-CERAMAH-DISKUSI

2 -TEKANAN FLUIDA-ALAT UKUR MANOMETER

-CERAMAH-LATIHAN SOAL

3 -HIDROSTATIK PADA BIDANG VERTIKAL-HIDROSTATIK PADA BIDANG HORIZONTAL-HIDROSTATIK PADA BIDANG MIRING-HIDROSTATIK PADA BIDANG LENGKUNG

-CERAMAH-LATIHAN SOAL

4 -BUOYANCY DAN STABILITAS BENDA MENGAPUNG -CERAMAH-LATIHAN SOAL

5 UTS

6 PRAKTIKUM PRAKTIKUM DI LAB HIDROLIKA

7 PRAKTIKUM PRAKTIKUM DI LAB HIDROLIKA

3

PERTEMUAN MATERI METODE

8 MATERI HIDRODINAMIKA(IIN KARNASIH,ST.,MT)9

10

11

12

13

PENILAIAN

• TUGAS/QUIZ : 10%

• UTS : 30%

• UAS : 35%

• PRAKTIKUM : 25%

4

Objektif Perilaku Siswa

Pada akhir pertemuan ini mahasiswa dapatmenjelaskan definisi fluida,sifat-sifat fluida, dimensi dan sistem satuan di kelas dengan tepat dan benar

5

Outline Materi

- PENDAHULUAN

- DEFINISI FLUIDA

- SIFAT-SIFAT FLUIDA

- DIMENSI DAN SISTEM SATUAN

6

DEFINISI

- Fluida adalah zat yang berubah bentuk secara terus menerus apabila terkena tegangan geser.

- Gaya geser adalah komponen gaya yangmenyinggung permukaan, dan gaya ini yang dibagidengan luas permukaan tersebut

7

8

MEKANIKA FLUIDA

HIDROLIKA

HIDROLIKA SALURAN TERTUTUP

(PEMIPAAN)

HIDROLIKA SALURAN TERBUKA

9

MEKANIKA

FLUIDA

STATIKA

FLUIDA

DINAMIKA

FLUIDA

Mekanika Fluida : Cabang ilmu mekanika yangmempelajari fluida dalam keadaan diam ataubergerak.

Mekanika Fluida : Pengembangan dari ilmuhidrodinamika klasik dengan hidrolikaeksperimen.

Hidrolika Klasik : Aplikasi ilmu matematika untukmenganalisis aliran fluida.

Ilmu ini mempelajari tentang gerak zat cair idealyang tidak mempunyai kekentalan.

10

• Hidrodinamika : ilmu yang mempelajaritentang gerakan air dan gaya yangditimbulkannya

• Hidrolika : ilmu terapan dari hidrodinamika,sifatnya empiris.

11

Definisi hidrolika

Hidrolika : Hydor berasal dari bahasa Yunani yaitu cabang ilmu teknik yang mempelajari perilaku air dalam keadaan diam dan bergerak.

Dalam hidrolika dipelajari :

- aliran pada saluran tertutup

- Aliran saluran terbuka/ Open channel flow

12

• Mekanika Fluida : lebih luas; mempelajari perilaku cair dan gas

• Pada mekanika fluida : dipelajari perilaku fluida dalam keadaan diam (statistika fluida) dan fluida dalam keadaan bergerak (dinamika fluida).

13

• Pada statika fluida : Fluida adalam dalam keadaan diam dimana tidak ada tegangan geser yang bekerja pada partikel fluida tersebut

14

Dinamika fluida : mempelajari tentang gerak partikel zatcair karena adanya gaya-gaya luar yang bekerja padanya.

Contoh aplikasi dinamika fluida adalah aliran melalui pipadan saluran terbuka, pembangkit tenaga mekanis padaturbin air, uap dan gas, pompa hidralis dan kompresor, gerak pesawat di atmosfer, dan sebagainya.

Analisis perilaku aliran fluida didasarkan pada hukum dasarmekanika terapan tentang konsevasi massa, energi, momentum, dan beberapa konsep serta persamaan lainnya. Seperti: hukum newton tentang kekentalan, konsep panjang campur (Mixing Length) dan sebagainya.

15

SIFAT-SIFAT FLUIDA1.Kemampatan cairan ( Modulus Elastisitas, E), adalah : Perbandinganperubahan tekanan satuan terhadap perubahan volume yang terjadi

persatuan volume, satuannya [N/m2].

V

ΔV VVvV

ΔP PΔP

air

Keterangan :

E = modulus elastisitas air [N/m2

]

ΔP = perubahan tekanan [N/m2

]

ΔV= perubahan volume [m3

]

V = Volume [m3

]

17

2. Rapat Massa (ρ) adalah massa air

persatuan volume, satuannya adalah [kg/m3].

Keterangan :

ρ = rapat massa [kg/m3

]

m = massa [kg]

V = Volume [m3

]

3. Berat Jenis /Berat Spesifik (γ) adalah : berat air

persatuan volume atau fungsi langsung dari percepatan

grafitasi setempat, satuannya adalah [N/m3

].

Keterangan :

γ = berat jenis [N/m3

]

ρ = rapat massa [kg/m3

]

g = grafitasi bumi [= 9,81m/detik2]

18

4. Rapat relatif (rp rl) adalah bilangan murni yang

menunjukkan perbandingan antara massa suatu benda

dengan massa air

Keterangan :

rp rl = rapat relative suatu zat

ρs = rapat zat [kg/m3

].

ρa = rapat air [kg/m3

].

5. Kekentalan absolut/dinamik (μ) adalah sifat yang menentukan

besar daya tahannya terhadap gaya geser, satuannya [Pa.detik].

s

s

ds

v

F

vdv

Lempengan diam

Lempengan bergerak

Gambar 1.2 Lempengan pelat Newton

Keterangan :

τ = tegangan geser [N/m2

=Pa]

dv = perubahan kecepatan [m/detik]

ds = perubahan jarak [m]

μ = kekentalan absolut/dinamik [Pa.detik]

19

6. Kekentalan kinematik (ν) adalah perbandingan

kekentalan absolut/dinamik dengan kerapatan massa,

satuannya [m2

/detik].

Keterangan :

μ = kekentalan absolut/dinamik [Pa.detik]

ρ = rapat massa [kg/m3

]

ν = kekentalan kinematik [m2

/detik]

7. Tarikan Permukaan (σ), adalah kerja yang harus dilakukan

untuk membawa molekul dari dalam cairan ke permukaan ,

satuannya adalah [N/m]

Air Air

raksa

udara

Gambar . Tarikan Permukaan pada air dan air raksa

8. Kapilaritas, adalah naik/turunnya cairan dalam suatu tabung kapiler (zat yang berpori) yang disebabkan oleh tarikan permukaan, adhesi dan kohesi.

Contoh :

Aliran air tanah, batu bata yang direndam dalam air, dll.

20

DIMENSI DAN SATUAN

Dimensi : besaran terukur, yang menunjukkankarakteristik suatu obyek,

seperti: massa, panjang, waktu, temperatur,dan sebagainya.

Satuan adalah suatu standar untuk mengukur ‘dimensi’.

Misalnya: satuan untuk: massa, panjang dan waktu adalah kilogram (Kg), meter (m) dan

detik (dt).

21

Di Indonesia masih sering digunakan sistem satuan MKS, dimana ukuran dasar untuk:Panjang : m

Massa : kg

Waktu : detik

Satuan yang diturunkan dari satuan-satuan tersebut di atas antara lain :Gaya : Newton

Volume : m3

Percepatan : m/det2

Tekanan : N/m2 = Paskal (Pa)

Energi/Kerja : Nm = Joule (J)

22

Suatu variabel dapat dibedakan berdasarkandimensinya menjadi :

geometrik dengan dimensi L

kinematik dengan dimensi L,T

dinamik dengan dimensi M,L,T

dan variable tak berdimensi.

23

• Contoh :

• Variabel panjang mempunyai dimensi L dengan satuan dalam SI adalah m, sedangkan luas mempunyai dimensi L2 dengan satuan dalam SI adalah m2. Kedua variabel tersebut termasuk variabel geometrik karena dimensinya hanya berupa L.

• Untuk kecepatan mempunyai dimensi L/T dengan satuan SI adalah m/detik, variabel ini termasuk dalam katagori variabel kinematik.

• Kerapatan massa (density) mempunyai dimensi M/L3 dengan satuan dalam SI adalah kg/m3, termasuk variabel dinamis. Bilangan Froude termasuk variable tak berdimensi.

• Secara lebih lengkap variable geometrik, kinematik, dinamik, dan tak berdimensi ditunjukkan pada tabel berikut ini.

24

25

Variabel Simbol Dimensi Satuan SI

Geometrik (L)

Panjang l, x, y, dst. L m

Luas A L2

m2

Volume V L3

m3

Kinematik (L,T)

Kecepatan V L / T m/detik

Percepatan a, g L / T2

m/detik2

Debit spesifik q L2

/ T m2/detik

Debit Q L3

/ T m3/detik

Kekentalan kinematik L2

/ T m2/detik

Dinamik (M,L,T)

Massa m M kg

Gaya F M.L / T2

kg.m/detik2 = Newton

Tekanan p M / (L.T2) N/m

2 = Paskal

Tegangan t M / (L.T2) N/m

2 = Paskal

Energi/Kerja E M.L2

/ T2

N.m = Joule

Tenaga/Kekuatan P M.L2

/ T3

N.m/detik = Watt

Kerapatan massa M / L3

kg/m3

Berat jenis g M / (L2.

T2) N/m

3

Kekentalan dinamis M / (L.T) kg/(m.detik)

Tak berdimensi

Kemiringan S - -

Kerapan relatif s - -

Bilangan Reynolds Re - -

Bilangan Reynolds geser Re* - -

Bilangan Froude Fr - -

Parameter Shields t* - -

Konsentrasi C - -

26

FAKTOR-FAKTOR KONVERSI SATUAN

Untuk mengkonversi

satuan Inggris

Luas in2

645,2 mm2

ft2

0,0929 m2

acre 0,4047 hektar (ha) = 104 m

2

Kerapatan slug/ft2

515,4 kg/m2

Energi (kerja atau kuantitas kalor) ft.lb 1,356 joule (J) = N.m

ft.lb 3,77 x 10-7

kwhr

Btu = 778 ft.lb 1055 joule (J) = N.m

Kerapatan aliran cfs 0,0283 m3/detik = 10

3 ltr/detik

mgd = 1,55 cfs 0,0438 m3/detik = 10

3 ltr/detik

1000 gpm = 2,23 cfs 0,0631 m3/detik = 10

3 ltr/detik

Gaya lb 4,448 newton (N)

Viskositas kinematik ft2/detik 0,0929 m

2/detik = 104St

Panjang in 25,4 mm

ft 0,3048 mm

mil 1,609 km

Massa slug 14,59 kg

lb (massa) 453,6 g (massa)

Daya ft . Lb/detik 1,356 W = J/detik = N.m/detik

hp = 550 ft . Lb/det 745,7 W

Tekanan psi 6895 N/m2 = Pa

psf 47,88 N/m2

Kalor spesifik ft . Lb/(slug) (oR) 0,1672 N.m/(kg) (

oK)

Berat spesifik lb/ft3

157,1 N/m2

Kecepatan fps 0,3048 m/detik

mph 1,609 km/hr

Viskositas lb . Detik/ft2 47,88 N . detik/m2 = 10 P

Volume ft3

m3

U.S. gallon = 0,1337 ft3

g = 10-3

m3

KUANTITAS PENTING

Satuan Inggris atau US Satuan SI

Percepatan gravitasi 32,2 ft/detik2

9,81 m/detik2

Kerapatan air (39,4 oF,

oC) 1,34 slug/ft

31000 kg/m

3 = g/cm

3

= 1,94 lb.ft2.detik

-4atau 1,0 Mg/m

3

Berat air spesifik (39,4 oF,

oC) 62,4 lb/ft

39810 N/m

3

= 9,810 kN/m3

Atmosfir level laut standar 14,7 psia 101,32 kN/m2, abs

29,92 in. Hg 760 mm.Hg

33,9 ft.H2O 10,33 m H2O

33,9 ft.H2O 1013,2 milibars

Faktor pengali Menjadi satuan SI

Aplikasi Hukum Newton II

• Mempelajari/ menjelaskan semua gerak yang ada di alam yangmenyatakan bahwa laju perubahan momentum (massa ‘m’ x kecepatan‘v’) adalah berbanding langsung dengan gaya yang bekerja dan dalam arahyang sama dengan gaya tersebut.

apabila; m =konstan, maka gaya akan sebanding dengan perkalian antara massa dan laju perubahan kecepatan (v), yaitu percepatan (a);

27

• Dalam sistem MKS, satuan massa adalah kilogram massa(Kgm). Satuan gaya adalah kilogram gaya (Kgf).

• Kedua satuan tersebut mempunyai hubungan dalam bentuk:

28

• Selain sistem satuan Mks, digunakan juga bahasa satuan internasional tunggal yang disebut System International Unite (SI).

• Pada sistem SI : satuan massa adalah Kilogram, Satuan gaya adalah Newton (N)

• 1 (satu) Newton adalah gaya yang bekerja pada benda dengan massa 1 Kg dan menimbulkan percepatan 1 m/d2.

29

30

Konversi satuan gaya antara sistem

MKS dan SI

Contoh :

Berapakah gaya yang bekerja yang harus diberikan pada benda denganmassa 100 Kg dan percepatan 10m/d2.

Penyelesaian:

Dihitung berdasarkan hukum Newton II:

31