Fluida dinamis

PENGERTIAN FLUIDA 

Fluida adalah zat yang dapat mengalir. Kata Fluida mencakup zat car, air dan gas karena kedua zat ini dapat mengalir, sebaliknya batu dan benda-benda keras atau seluruh zat padat tidak digolongkan kedalam fluida karena tidak bisa mengalir.

Susu, minyak pelumas, dan air merupakan contoh zat cair. dan Semua zat cair itu dapat dikelompokan ke dalam fluida karena sifatnya yang dapat mengalir dari satu tempat ke tempat yang lain. Selain zat cair, zat gas juga termasuk fluida. Zat gas juga dapat mengalir dari satu satu tempat ke tempat lain. Hembusan angin merupakan contoh udara yang berpindah dari satu tempat ke tempat lain. 

Fluida merupakan salah satu aspek yang penting dalam kehidupan sehari-hari. Setiap hari manusia menghirupnya, meminumnya, terapung atau tenggelam di dalamnya. Setiap hari pesawat udara terbang melaluinya dan kapal laut mengapung di atasnya. Demikian juga kapal selam dapat mengapung atau melayang di dalamnya. Air yang diminum dan udara yang dihirup juga bersirkulasi di dalam tubuh manusia setiap saat meskipun sering tidak disadari. 

Fluida ini dapat kita bagi menjadi dua bagian yakni:

     1.  Fluida Statis

2.  Fluida Dinamis

2. FLUIDA DINAMIS

Pengertian Fluida Dinamis

Fluida dinamis adalah fluida (bisa berupa zat cair, gas) yang bergerak. Untuk memudahkan dalam mempelajari, fluida disini dianggap steady (mempunyai kecepatan yang konstan terhadap waktu), tak termampatkan (tidak mengalami perubahan volume), tidak kental, tidak turbulen (tidak mengalami putaran-putaran).

Dalam kehidupan sehari-hari, banyak sekali hal yang berkaitan dengan fluida dinamis ini.

Besaran-besaran dalam fluida dinamis

Debit aliran (Q)

Jumlah volume fluida yang mengalir persatuan waktu, atau:

Dimana :

Q   =    debit aliran (m3/s)

A   =    luas penampang (m2)

V   =    laju aliran fluida (m/s)

Aliran fluida sering dinyatakan dalam debit aliran

Dimana :

Q   =    debit aliran (m3/s)

V   =    volume (m3)

t     =    selang waktu (s)

  

Persamaan Kontinuitas

Air yang mengalir di dalam pipa air dianggap mempunyai debit yang sama di sembarang titik. Atau jika ditinjau 2 tempat, maka:

Debit aliran 1 = Debit aliran 2, atau :

Hukum Bernoulli

Hukum Bernoulli adalah hukum yang berlandaskan pada hukum kekekalan energi yang dialami oleh aliran fluida. Hukum ini menyatakan bahwa jumlah tekanan (p), energi kinetik per satuan volume, dan energi potensial per satuan volume memiliki nilai yang sama pada setiap titik sepanjang suatu garis arus. Jika dinyatakan dalam persamaan menjadi :

Dimana :

p   = tekanan air (Pa)

v    = kecepatan air (m/s)

g   = percepatan gravitasi

h    = ketinggian air

Penerapan dalam teknologi

Pesawat Terbang 

Gaya angkat pesawat terbang bukan karena mesin, tetapi pesawat bisa terbang karena memanfaatkan hukum bernoulli yang membuat laju aliran udara tepat di bawah sayap, karena laju aliran di atas lebih besar maka mengakibatkan tekanan di atas pesawat lebih kecil daripada tekanan pesawat di bawah.

Akibatnya terjadi gaya angkat pesawat dari hasil selisih antara tekanan di atas dan di bawah di kali dengan luas efektif pesawat.

Keterangan:              

ρ  = massa jenis udara (kg/m3)

va= kecepatan aliran udara pada bagian atas pesawat (m/s)

vb= kecepatan aliran udara pada bagian bawah pesawat (m/s)

 F = Gaya angkat pesawat (N)

Penyemprot Parfum dan Obat Nyamuk

Prinsip kerja yang dilakukan dengan menghasilkan laju yang lebih besar pada ujung atas selang botol sehingga membuat tekanan di atas lebih kecil daripada tekanan di bawah. Akibatnya cairan dalam wadah tersebut terdesak ke atas selang dan lama kelamaan akan menyembur keluar.

Fisikastudycenter.com- Contoh Soal dan Pembahasan tentang Fluida Dinamis, Materi Fisika kelas 2 SMA. Mencakup debit, persamaan kontinuitas, Hukum Bernoulli dan Toricelli dan gaya angkat pada sayap pesawat.

Soal dan pembahasan : Fluida Dinamis

Contoh Soal dan Pembahasan tentang Fluida Dinamis, Materi Fisika kelas 2 SMA. Mencakup debit, persamaan kontinuitas, Hukum Bernoulli dan Toricelli. 

Rumus Minimal

Debit

Q = V/t

Q = Av

Keterangan :

Q = debit (m3/s)

V = volume (m3)

t = waktu (s)

A = luas penampang (m2)

v = kecepatan aliran (m/s)

1 liter = 1 dm3 = 10−3 m3

Persamaan Kontinuitas

Q1 = Q2 

A1v1 = A2v2 

Persamaan Bernoulli

P + 1/2 ρv2 + ρgh = Konstant

P1 + 1/2 ρv12 + ρgh1 = P2 + 1/2 ρv22 + ρgh2

Keterangan :

P = tekanan (Pascal = Pa = N/m2)

ρ = massa jenis cairan (kg/m3)

g = percepatan gravitasi (m/s2)

Tangki Bocor Mendatar

v = √(2gh)

X = 2√(hH)

t = √(2H/g)

Keterangan :

v = kecepatan keluar cairan dari lubang

X = jarak mendatar jatuhnya cairan

h = jarak permukaan cairan ke lubang bocor

H = jarak tempat jatuh cairan (tanah) ke lubang bocor

t = waktu yang diperlukan cairan menyentuh tanah

Soal No. 1

Ahmad mengisi ember yang memiliki kapasitas 20 liter dengan air dari sebuah kran seperti gambar berikut! 

Jika luas penampang kran dengan diameter D2 adalah 2 cm2 dan kecepatan aliran air di kran adalah 10 m/s tentukan:

a) Debit air

b) Waktu yang diperlukan untuk mengisi ember

Pembahasan

Data :

A2 = 2 cm2 = 2 x 10−4 m2

v2 = 10 m/s

a) Debit air

Q = A2v2 = (2 x 10−4)(10) 

Q = 2 x 10−3 m3/s 

b) Waktu yang diperlukan untuk mengisi ember

Data :

V = 20 liter = 20 x 10−3 m3

Q = 2 x 10−3 m3/s 

t = V / Q 

t = ( 20 x 10−3 m3)/(2 x 10−3 m3/s )

t = 10 sekon

Soal No. 2

Pipa saluran air bawah tanah memiliki bentuk seperti gambar berikut! 

Jika luas penampang pipa besar adalah 5 m2 , luas penampang pipa kecil adalah 2 m2 dan kecepatan aliran air pada pipa besar adalah 15 m/s, tentukan kecepatan air saat mengalir pada pipa kecil!

Pembahasan

Persamaan kontinuitas

A1v1 = A2v2 

(5)(15) = (2)v2 

v2 = 37,5 m/s

Soal No. 3

Tangki air dengan lubang kebocoran diperlihatkan gambar berikut! 

Jarak lubang ke tanah adalah 10 m dan jarak lubang ke permukaan air adalah 3,2 m. Tentukan :

a) Kecepatan keluarnya air 

b) Jarak mendatar terjauh yang dicapai air

c) Waktu yang diperlukan bocoran air untuk menyentuh tanah

Pembahasan

a) Kecepatan keluarnya air 

v = √(2gh)

v = √(2 x 10 x 3,2) = 8 m/s

b) Jarak mendatar terjauh yang dicapai air

X = 2√(hH)

X = 2√(3,2 x 10) = 8√2 m

c) Waktu yang diperlukan bocoran air untuk menyentuh tanah

t = √(2H/g)

t = √(2(10)/(10)) = √2 sekon

Soal No. 4

Untuk mengukur kecepatan aliran air pada sebuah pipa horizontal digunakan alat seperti diperlihatkan gambar berikut ini! 

Jika luas penampang pipa besar adalah 5 cm2 dan luas penampang pipa kecil adalah 3 cm2 serta perbedaan ketinggian air pada dua pipa vertikal adalah 20 cm tentukan :

a) kecepatan air saat mengalir pada pipa besar

b) kecepatan air saat mengalir pada pipa kecil

Pembahasan

a) kecepatan air saat mengalir pada pipa besar

v1 = A2√ [(2gh) : (A12 − A22) ]

v1 = (3) √ [ (2 x 10 x 0,2) : (52 − 32) ]

v1 = 3 √ [ (4) : (16) ]

v1 = 1,5 m/s

Tips :

Satuan A biarkan dalam cm2 , g dan h harus dalam m/s2 dan m. v akan memiliki satuan m/s.

b) kecepatan air saat mengalir pada pipa kecil

A1v1 = A2v2 

(3 / 2)(5) = (v2)(3)

v2 = 2,5 m/s

Soal No. 5

Pipa untuk menyalurkan air menempel pada sebuah dinding rumah seperti terlihat pada gambar berikut! Perbandingan luas penampang pipa besar dan pipa kecil adalah 4 : 1. 

Posisi pipa besar adalah 5 m diatas tanah dan pipa kecil 1 m diatas tanah. Kecepatan aliran air pada pipa besar adalah 36 km/jam dengan tekanan 9,1 x 105 Pa. Tentukan :

a) Kecepatan air pada pipa kecil

b) Selisih tekanan pada kedua pipa 

c) Tekanan pada pipa kecil

(ρair = 1000 kg/m3)

Pembahasan

Data :

h1 = 5 m

h2 = 1 m

v1 = 36 km/jam = 10 m/s

P1 = 9,1 x 105 Pa

A1 : A2 = 4 : 1

a) Kecepatan air pada pipa kecil

Persamaan Kontinuitas :

A1v1 = A2v2 

(4)(10) = (1)(v2)

v2 = 40 m/s

b) Selisih tekanan pada kedua pipa 

Dari Persamaan Bernoulli :

P1 + 1/2 ρv12 + ρgh1 = P2 + 1/2 ρv22 + ρgh2

P1 − P2 = 1/2 ρ(v22 − v12) + ρg(h2 − h1)

P1 − P2 = 1/2(1000)(402 − 102) + (1000)(10)(1 − 5) 

P1 − P2 = (500)(1500) − 40000 = 750000 − 40000

P1 − P2 = 710000 Pa = 7,1 x 105 Pa

c) Tekanan pada pipa kecil

P1 − P2 = 7,1 x 105

9,1 x 105 − P2 = 7,1 x 105

P2 = 2,0 x 105 Pa