Fluida Dinamis

Fluida adalah suatu zat yang dapat mengalir baik itu zat cair maupun gas, sedangkan zat padat tidak dapat dikategorikan sebagai fluida.  Fluida dinamis adalah fluida (bisa berupa zat cair, gas) yang bergerak.

§  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

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 Prinsip Bernoulli dalam Kehidupan Sehari-hari

Efek Venturi

Persamaan Bernoulli  bisa diterapkan pada kasus khusus lain yakni ketika fluida mengalir dalam bagian pipa yang ketinggiannya ha

mpir sama (perbedaan ketinggian kecil). Untuk memahami penjelasan ini, amati gambar di bawah.

Pada gambar di atas tampak bahwa ketinggian pipa, baik bagian pipa yang penampangnya besar maupun bagian pipa yang penampangnya kecil, hampir sama sehingga diangap ketinggian alias h sama. Jika diterapkan pada kasus ini, maka persamaan Bernoulli berubah menjadi :

Ketika fluida melewati bagian pipa yang penampangnya kecil (A2), maka laju fluida bertambah (ingat persamaan kontinuitas). Menurut prinsip Bernoulli, jika kelajuan fluida bertambah, maka tekanan fluida tersebut menjadi kecil. Jadi tekanan fluida di bagian pipa yang sempit lebih kecil tetapi laju aliran fluida lebih besar.
Ini dikenal dengan julukan efek Venturi dan menujukkan secara kuantitatif bahwa jika laju aliran fluida tinggi, maka tekanan fluida menjadi kecil. Demikian pula sebaliknya, jika laju aliran fluida rendah maka tekanan fluida menjadi besar.

Penyemprot Parfum
Prinsip kerja penyemprot parfum juga menggunakan prinsip  Bernoulli. Perhatikan gambar di bawah

Secara garis besar, prinsip kerja penyemprot parfum bisa digambarkan sebagai berikut (sambil lihat gambar ya). Ketika bola karet diremas, udara yang ada di dalam bola karet meluncur keluar melalui pipa 1. Karenanya, udara dalam pipa 1 mempunyai laju yang lebih tinggi. Karena laju udara tinggi, maka tekanan udara pada pipa 1 menjadi rendah. Sebaliknya, udara dalam pipa 2 mempunyai laju yang lebih rendah. Tekanan udara dalam pipa 2 lebih tinggi. Akibatnya, cairan parfum didorong ke atas. Ketika si cairan parfum tiba di pipa 1, udara yang meluncur dari dalam bola karet mendorongnya keluar… si cairan parfum akhirnya menyembur membasahi tubuh…
Biasanya lubang berukuran kecil, sehingga parfum meluncur dengan cepat… ingat persamaan kontinuitas, kalau luas penampang kecil, maka fluida bergerak lebih cepat. Sebaliknya, kalau luas penampang pipa besar, maka fluida bergerak pelan.

Contoh Soal

Soal 1
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
 −V12)
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
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
)2) + ρg(h2 − h1)
P1 − P2 = 1/2(1000)((40)2 − (10)2) + (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

Untuk mengukur kelajuan aliran minyak yang memiliki massa jenis 800 kg/m³ digunakan venturimeter yang dihubungkan dengan manometer ditunjukkan gambar berikut. 

Luas penampang pipa besar adalah 5 cm² sedangkan luas penampang pipa yang lebih kecil 3 cm². Jika beda ketinggian Hg pada manometer adalah 20 cm, tentukan kelajuan minyak saat memasuki pipa, gunakan g = 10 m/s² dan massa jenis Hg adalah 13600 kg/m³.

Jawab:

Diketahui

A1 = 5 cm²

A2 = 3 cm²

∆h = 20 cm

g = 10 m/s²

r = 13600 kg/m³

Ditanyakan : v?

Penyelesaian:

Rumus untuk mencari kecepatan dalam venturimeter yaitu:

V₁=a√2gh(r^’-r)/(A²-a²)r

dengan
v₁ = kecepatan aliran fluida pada pipa besar
A = luas pipa yang besar
a = luas pipa yang kecil
h = beda tinggi Hg atau cairan lain pengisi manometer
ρ' = massa jenis Hg atau cairan lain pengisi manometer
ρ = massa jenis fluida yang hendak diukur kelajuannya

Data:
A = 5 cm²
a = 3 cm²
h = 20 cm = 0,2 m
g = 10 m/s²

diperoleh hasil: 

2.    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
(ρ_air = 1000 kg/m³)

Pembahasan:

Diketahui:
h₁ = 5 m
h₂ = 1 m
v₁ = 36 km/jam = 10 m/s
P₁ = 9,1 x 10⁵ Pa
A₁ : A₂ = 4 : 1
Ditanyakan:

a. v₂?

b. P₁ − P₂ ?

c. P₂ ?

Jawab:
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