RumusHitung.com – Halo guys bertemu lagi dengan rumushitung, apa kabar kalian? Semoga tetap sehat dan tetap semangat yaa.. Pada kesempatan kali ini, rumushitung akan membahas materi fisika mengenai besaran fluida dinamis. Pada bab ini, kalian akan mempelajari hukum-hukum Fisika yang berlaku pada fluida dinamis. Tahukah kalian besaran-besaran yang berperan pada fluida dinamis? Jika ingin mengetahuinya, simak penjelasan pada bab ini.
Persamaan Kontinuitas
Dalam pelajaran materi fluida dinamis, suatu fluida dianggap sebagai fluida ideal. Fluida ideal ini mempunyai ciri-ciri sebagai berikut.
- Fluida tidak bisa dimampatkan, volume dan massa jenis fluida tidak berubah akibat tekanan.
- Fluida tidak mengalami gesekan dengan dinding tempat dimana fluida tersebut mengalir.
- Kecepatan aliran fluida bersifat laminer, maksudnya kecepatan aliran fluida di sembarang titik berubah terhadap waktu sehingga tidak ada fluida yang memotong atau mendahului titik lainnya.
Jika lintasan pada sebuah titik dalam aliran fluida ideal dilukiskan, maka akan didapat suatu garis yang dinamakan garis aliran (streamline). Pada gambar 1.0, suatu fluida ideal mengalir di dalam pipa. Setiap partikel fluida akan mengalir mengikuti garis aliran streamline nya dan tidak bisa berpindah ke garis aliran lainnya.
Sebagian besar aliran fluida di alam bersifat turbulen. Garis aliran turbulen mempunyai kecepatan aliran yang berbeda di tiap titik.
Debit aliran didefinisikan, besaran yang menunjukkan volume fluida yang mengalir melalui suatu penampang tiap satuan waktu. Secara matematis, dapat dirumuskan sebagai berikut.
Keterangan :
- V = volume fluida (m3)
- t = waktu (s)
- A = luas penampang (m2)
- v = kecepatan aliran (m/s)
- Q = debit aliran fluida (m3/s)
Untuk fluida ideal, zat aliran yang tidak bisa dimampatkan dan tidak mempunyai kekentalan (viskositas), hasil kali laju aliran fluida dengan luas penampangnya akan selalu tetap. Secara sistematis , dirumuskan sebagai berikut.
Persamaan pada rumus tersebut adalah persamaan kontinuitas.
Contoh Soal :
Sebuah pipa lurus mempunyai dua macam penampang, luas penampang keduanya sebesar 150 mm2 dan 50 mm2. Pipa kemudian diletakkan secara horizontal, dan air di dalamnya mengalir dari penampang besar ke penampang kecil. Jika kecepatan arus pada penampang besar 5 m/s, tentukan kecepatan arus air pada penampang kecil dan volume air yang mengalir setiap menit !
Jawab :
Diketahui :
- A1 = 150 mm2
- A2 = 50 mm2
- v1 = 5 m/s
Dicari v2 =….?
Jadi, kecepatan arus air pada penampang kecil adalah 15 m/s
Persamaan Bernoulli
Pada gambar 1.2, suatu fluida bergerak dari titik A dengan ketinggian sebesar h1 dari permukaan tanah ke titik B dengan ketinggian sebesar h2 dari permukaan tanah. Berdasarkan dari penelitian Bernoulli, fluida yang bergerak mengubah energinya menjadi tekanan.
Secara lengkap, hukum Bernoulli menyatakan bahwa jumlah tekanan, energi potensial per satuan volume, dan energi kinetik per satuan volume, mempunyai nilai yang sama di setiap titik sepanjang aliran fluida ideal. Secara sistematis, dirumuskan sebagai berikut :
Atau
Keterangan :
- p = tekanan (N/m2)
- v = kecepatan aliran (m/s)
- g = percepatan gravitasi (m/s2)
- h = ketinggian pipa dari tanah (m)
- ρ = massa jenis fluida
Penerapan Persamaan Bernoulli
Cara kerja alat yang menerapkan hukum Bernoulli dapat diuraikan sebagai berikut.
a. Alat Ukur Venturi
Alat ukur venturi (venturimeter) dipasang di dalam pipa yang luas penampangnya sebesar A1 daerah 1. Kemudian di daerah 2, luas penampang mengecil menjadi A2. Suatu tabung manometer berisi zat cair lain (misal, raksa) dengan massa jenis ρ’ dipasang di pipa. Pada gambar 1.3, kecepatan aliran zat cair dalam pipa bisa diukur dengan persamaan.
Contoh Soal :
Pipa venturimeter mempunyai luas penampang A1 sebesar 8 x 10-2 m2 dan A2 sebesar 5 x 10-3 m2 dipakai untuk mengukur kelajuan air. Jika ketinggian air raksa di kedua manometer 0,2 m dan percepatan gravitasinya 10 m/s2, tentukan kelajuan air tersebut ! (ρ raksa = 13.600 kg/m3)
Jawab :
Diketahui :
- A1 = 8 x 10-2 m2
- A2 = 5 x 10-3 m2
- h = 0,2 meter
- g = 10 m/s2
- ρ’ = 13.600 kg/m3
Dicari : v =….?
b. Tabung Pitot
Tabung pitot dipakai untuk mengukur kelajuan aliran suatu gas di dalam pipa. Pada gambar 1.4, misalnya udara, mengalir melalui tabung A dengan kecepatan v. Kelajuan udara v di dalam pipa bisa ditentukan dengan rumus :
c. Gaya Angkat pada Sayap Pesawat terbang
Penampang pada sayap pesawat terbang mempunyai bagian belakang yang tajam dan sisi bagian atasnya lebih melengkung dibandingkan dengan sisi bagian bawahnya. Bentuk sayap pesawat itu menyebabkan kecepatan aliran udara bagian atas lebih besar daripada bagian bawah sehingga tekanan udara di bawah sayap lebih besar daripada bagian atas sayap. Hal ini menyebabkan timbulnya daya angkat pada bagian sayap pesawat. Supaya daya angkat yang ditimbulkan pada pesawat semakin besar, sayap pesawat harus dimiringkan sesuai sudut tertentu terhadap arah aliran udara.
Contoh Soal :
Sebuah pesawat terbang bergerak dengan kecepatan tertentu sehingga udara yang melalui bagian atas dan bagian bawah sayap pesawat memiliki luas permukaannya 50 m2 kemudian bergerak dengan kelajuan v2 = 320 m/s dan v1 = 300 m/s. Hitung berapa besar gaya angkat pada sayap pesawat terbang tersebut ! (ρ udara = 1,3 kg/m3)
Jawab :
Diketahui :
- A = 50 m2
- v2 = 320 m/s
- v1 = 300 m/s
- ρ udara = 1,3 kg/m3
Dicari : F1 – F2 =….?
d. Penyemprot Nyamuk
Alat penyemprot nyamuk juga bekerja berdasarkan hukum Bernoulli. Bila pompa penghisapnya ditekan, udara yang melewati pipa sempit itu akan memperoleh kelajuan besar dan tekanan kecil. Hal itu menyebabkan cairan obat nyamuk menjadi naik dan terdorong keluar bersama udara yang tertekan oleh pompa penghisap.
e. Kebocoran pada Dinding Tangki
Bila air di dalam tangki mengalami kebocoran yang mengakibatkan lubang di dinding tangki, seperti pada gambar 1.5, kelajuan air yang memancar keluar dari lubang tersebut bisa dihitung dengan hukum Toricelli.
Menurut hukum Toricelli, jika diameter lubang kebocoran pada dinding tangki sangat kecil dibandingkan diameter tangki, kelajuan air yang keluar dari lubang sama dengan kelajuan yang didapat jika air tersebut jatuh bebas dari ketinggian h. Pada gambar 1.5 menunjukkan bahwa jarak permukaan air yang berada di dalam tangki ke lubang kebocoran dinyatakan sebagai h1, sedangkan jarak lubang kebocoran ke dasar tangki dinyatakan sebagai h2. Maka untuk menentukan kecepatan dapat dirumuskan sebagai berikut.
Kecepatan aliran air ketika pertama kali keluar dari lubang :
Jarak horizontal setibanya air di tanah :
Contoh Soal :
Gambar di samping menunjukkan sebuah reservoir yang terdapat air. Pada dinding bagian bawah reservoir mengalami kebocoran sehingga air memancar sampai di tanah. Jika g = 10 m/s2, tentukan :
- Kecepatan air keluar dari bagian bocor
- Jarak pancaran maksimum tanah diukur dari titik P
Jawab :
Diketahui :
- h1 = 1,8 meter
- h2 = 5 meter
- g = 10 m/s2
Dicari :
- v =….?
- x =….?
Demikian pembahasan mengenai besaran fluida dinamis kita akhiri sampai disini. Semoga bermanfaat.
BACA JUGA :