MEKANIKA FLUIDA

BambangBambang AgusAgus KironotoKironoto

Materi KuliahI. PENDAHULUAN

> Sejarah singkat ilmu Hidrolika (Mekanika Fluida)> Dimensi dan sistem satuan yang digunakan & konversi sistem satuan

II. SIFAT-SIFAT FISIK FLUIDA> Yang membedakan zat cair dan gas atau persamaannya> Beberapa sifat zat cair yang penting , , S, kekentalan

III. HIDROSTATIKA

> Zat cair diam, tekanan dan distribusi tekanan> Tekanan atmosfer, tekanan relatif & absolut> Al t k t k> Alat ukur tekanan> Tekanan pada bidang terendam

IV. KESEIMBANGAN BENDA TERAPUNG

> H k Ar hi d> Hukum Archimedes> Stabilitas benda terendam/terapung> Metasentrum

Materi Kuliah (lanjutan)

V. ZAT CAIR DALAM KESETIMBANGAN RELATIF

> Zat cair yang bergerak dengan kecepatan/percepatan seragam blok> Pengaruh percepatan terhadap distribusi tekanan> Pengaruh percepatan terhadap distribusi tekanan

VI. KINEMATIKA ZAT CAIR

> Mempelajari gerakan zat cair (partikel zat cair) tanpa melihat gaya-gayap j g (p ) p g y g y> Aliran invisibel dan viskos, aliran kompresibel & tak kompresibel,

aliran laminer & turbulen, dll > Persamaan kontinuitas

VII. PERSAMAAN BERNOULI

> Mempelajari gerakan zat cair dengan memperhatikan gaya-gaya yang bekerja> Kehilangan energi (zat cair riil)> Alat pengukur kecepatan

Materi Kuliah (lanjutan)

VIII. PERSAMAAN MOMENTUM

> Gaya yang ditimbulkan gerakan zat cairg g> Belokan, curat, dll.

XI. ALIRAN MELALUI LOBANG & PELUAPf> Koefisien aliran

> Pengosongan tangki, aliran dari satu ke tangki yang lain> Peluap sebagai alat ukur debit

XII. ALIRAN DALAM PIPA> Tegangan gesek> Losses> Pipa seri, pipa paralel> Pipa bercabang, sistem jaringan tertutup

BUKU PUSTAKABarba, L.A. 2012. Fluid Mechanics. ENG ME303. Mechanical Engg. Dept, Boston University, Boston.BIPM. 2006. Le Systme international dunits (SI). 8th (ed). Pavillon de y ( ) ( )Breteuil, F-92312 Svres Cedex, France.Crowe, C.T., Elger, D.F., and Williams, B.C. 2009. Engineering Fluid Mechanics. 9th (ed). John Wiley & Sons, Inc, USA.Fox, R.W., and McDonald, A.T. 1985. Introduction to Fluid Mechanics. 3rd (ed). John Wiley & Sons, New York.FPSI. 2010. Metric Conversion & Metric System. http://www.france-

d i f i / i i bl h (5 J i 2010)property-and information.com/metric_conversion_table.htm (5 Januari 2010)Graf, W.H & Altinakar, M.S., 1991, Hydrodynamique, Eyrolles, France Kironoto, B.A., 2012. Draf buku Mekanika Fluida., ,Munson, B.R., Young, D.F., and Okiishi, T.H. 2002. Fundamentals of Fluid Mechanics. 4th (ed). John Wiley & Sons, Inc., USA.

BUKU PUSTAKA (lanjutan)NIST. 2010. Brief History of the SI. http://physics.nist.gov/cuu/Units/ history.html (5 Januari 2010)Potter, M.C., and Wiggert, D.C. 2008. Fluid Mechanics. Schaums Outline S i M G Hill USASeries. McGraw-Hill, USAStreeter. 1962. Fluid Mechanics. 3rd (ed). International Student Ed. McGraw Hill Book Company, Inc., Kogakusha Company, Ltd., Tokyo, Japan.Triatmodjo B 1991 Hidrolika Beta offset YogyakartaTriatmodjo, B. 1991. Hidrolika. Beta offset, Yogyakarta.Welty, R.W., Wicks, C.E., Wilson, R.E., and Rorrer, G. 2001. Fundamentals of Momentum, Heat, and Mass Transfer. 4th (ed). John Wiley & sons, Inc., USA.White, F. M. 2005. Fluid Mechanics. 5th (ed). McGraw-Hill, USA.White, F. M. 2005. Fluid Mechanics. 5th (ed). McGraw Hill, USA.Wikipedia. 2009a. Fluid Mechanics. http://en.wikipedia.org/wiki/ Fluid_mechanics (10 Maret 2011)Wikipedia. 2009b. History of Fluid Mechanics. http://en.wikipedia.org/wiki/ p y f p p gHistory_of_fluid_mechanics (5 Desember 2009).

PendahuluanMekanika fluida berasal dari kata mekanika dan fluida.

Mekanika adalah ilmu yang mempelajari tentang gerakan,

sedangkan fluida adalah suatu zat dimana bila diberikan gayakepadanya, maka zat tersebut akan berubah bentuk secarakontinyu karena tidak mampu menahan gaya sekecil apapunkontinyu, karena tidak mampu menahan gaya, sekecil apapungaya tersebut bekerja.

Fluida merupakan suatu zat yang dapat mengalir, yang dapaty g g y gberupa zat cair maupun zat gas.

Dengan demikian, mekanika fluida dapat diartikan sebagai ilmul j i t t k fl id b ik t iyang mempelajari tentang pergerakan fluida, baik zat cair maupun

gas.

Pendahuluan (lanjutan)Meskipun mekanika fluida mempunyai makna sebagai ilmu yangmempelajari pergerakan fluida, namun dalam ilmu mekanikafluida juga dipelajari fluida yang diam.Oleh karenanya, dalam konteks yang lebih luas, mekanika fluidadidefinisikan sebagai disiplin ilmu yang mengkaji perilaku zatcair dan gas, baik dalam keadaan diam maupun bergerak.Mekanika fluida dapat dibedakan menjadi statika fluida dandinamika fluida.Statika fluida, yang juga disebut hidrostatika, adalah cabang ilmuyang mempelajari fluida dalam keadaan diam;Sedangkan dinamika fluida merupakan subdisiplin dari mekanikafluida yang mempelajari fluida yang bergerak, baik fluida zat cairmaupun fluida gas.

Perkembangan Ilmu Mekanika FluidaPerkembangan ilmu mekanika fluida dimulai melaluipendekatan aliran fluida ideal, dilanjutkan dengan pendekatanaliran fluida nyata.Domain ilmu yang mempelajari aliran fluida ideal melaluipendekatan analisis matematis dikenal sebagai domain ilmuHidrodinamika.P d d k fl id id il fl id di id k iPada pendekatan fluida ideail, fluida dianggap tidak mempunyaiviskositas.Karena adanya penyederhanaan pada aliran fluida ideal sebagaili t i k it h il h il di l h daliran tanpa viskositas, hasil-hasil yang diperoleh dengan

pendekatan analisis matematis tidak sepenuhnya dapatditerapkan pada aliran fluida nyata.

Perkembangan Ilmu Mekanika Fluida (lanjutan)Uji eksperimental dengan menggunakan air sebagai fluida nyata,menghasilkan rumusan persamaan empiris yang berlaku untukdesain rekayasa (engineering). Domain ini disebut sebagaidomain ilmu Hidraulikadomain ilmu Hidraulika .Seiring dengan tuntutan perkembangan industri, muncul suatukebutuhan untuk mempelajari aliran zat cair selain air, sepertimisalnya aliran minyak aliran oli dllmisalnya aliran minyak, aliran oli, dll.Teori-teori yang lebih baru seperti teori lapis batas (boundarylayer theory) dikembangkan untuk menjawab kebutuhan tersebut,sehingga dapat diterapkan pada semua jenis aliran zat cair nyatasehingga dapat diterapkan pada semua jenis aliran zat cair nyata,pada berbagai kondisi aliran.Kombinasi dari uji eksperimental, analisis matematishidrodinamika dan teori-teori lapis batas selanjutnya diwadahihidrodinamika, dan teori-teori lapis batas selanjutnya diwadahidalam suatu ilmu yang disebut sebagai ilmu MekanikaMekanika FluidaFluida.

mekanika fluida

ZAT CAIR / GAS

BERGERAKDIAM(HIDROSTATIKA)

BERGERAK(HIDRODINAMIKA)

3 PERSAMAAN

1. HIDRODINAMIKAZ.C. IDEAL/NON VISCOUS

1. HIDRODINAMIKAZ.C. NYATA/VISCOUS

3. HIDRODINAMIKALAPISAN BATAS

CONTOH : DISTRIBUSI KECEPATAN

U1 U ZAT CAIR IDEAL TIDAK ADA DI ALAM

UNTUK MEMPERMUDAH ANALISIS PERILAKUZAT CAIR

1

ZAT CAIR

VISKOSITAS = 0

U2 U

VISKOSITAS 0

3 U

VISK 0

Domain Ilmu Mekanika FluidaDomain ilmu mekanika fluida sangat luas dan mencakup banyakbidang ilmu, mulai dari bidang ilmu teknik sipil, ilmu teknikmesin, aeronautika, teknik kimia, teknik fisika, bahkan sampaipada bidang ilmu kedokteran.Dalam bidang ilmu teknik sipil, prinsip-prinsip mekanika fluidadigunakan untuk menjelaskan bagaimana air dari suatu tempatd gu a a u tu e je as a baga a a a da suatu te patdalam suatu sistem jaringan air minum dapat dialirkan dandidistribusikan ke rumah-rumah penduduk yang lokasinya sangatjauh.jTeori mekanika fluida juga sering dipakai untuk menjelaskanbagaimana terjadinya pola arus aliran di sekitar bangunan pilar-pilar jembatan bangunan krib pada sungai bangunan pelimpahpilar jembatan, bangunan krib pada sungai, bangunan pelimpahpada bendung dan bendungan, dll.

Domain Ilmu Mekanika Fluida (lanjutan)Dalam bidang teknik mesin, teori mekanika fluida seringdigunakan untuk menjawab bagaimana perilaku aliran udara disekitar mobil yang sedang bergerak dengan suatu kecepatantertentu, dan berapa hambatan (drag) yang terjadi ?;Bagaimana perilaku aliran di dalam pompa dan turbin ? danbagaimana proses terjadinya kavitasi.baga a a p oses te jad ya av tas .Prinsip-prinsip mekanika fluida juga sering digunakan untukmenjelaskan mengapa pesawat terbang dibuat sedemikian rupasehingga berbentuk streamline dengan permukaan halus? Apakahsehingga berbentuk streamline dengan permukaan halus? Apakahuntuk tujuan mendapatkan efisiensi penerbangan yang terbaik?,Sebaliknya untuk bola golf, kenapa permukaannya dibuatberlubang-lubang? apakah untuk tujuan meningkatkanefisiensinya?. .

Domain Ilmu Mekanika Fluida (lanjutan)Dalam bidang kedokteran, perilaku aliran darah di pembuluhdarah atau saluran-saluran kapiler yang berdiameter sangatkecil (beberapa mikron) dapat dijelaskan melalui pemahamanteori mekanika fluida secara khusus;Bagaimana bentuk distribusi kecepatan aliran darah di dalampembuluh pembuluh darah pada orang orang yang sehat danpembuluh-pembuluh darah pada orang-orang yang sehat danorang orang yang sakit karena penyumbatan pembuluh darah ?,apakah bisa dijelaskan bagaimana perbedaannya ?..

Domain Ilmu Mekanika Fluida (lanjutan)

Masih banyak permasalahan-permasalahan dalam kehidupansehari-hari yang dapat dijelaskan dengan menggunakan

t i k ik fl idgagasan-gagasan teori mekanika fluidaMisalnya penerapan teori mekanika fluida untukpengembangan wahana permainan air (water boom),p g g p ( ),pengembangan alat penyiram rumput otomatis (sprinkler),water canon, semprotan pemadam kebakaran, pembangkitlistrik tenaga air, dongkrak hidrolik, kapal selam, dan laing , g , p ,sebagainya.

Tiga Fase ZatTiga Fase Zat

Batasan Materi Bahasan Mekanika FluidaMateri dalam kuliah mekanika fluida ini dibatasi hanya untukfluida zat cair (dan sedikit fluida gas), dan tidak termasuk zatatau materi padat.Sedangkan fluida yang dimaksud dalam bahasan kuliah iniadalah fluida yang dapat bergerak karena pengaruh tegangangeser, seberapapun kecilnya tegangan geser tersebut.g , p p y g g gUntuk fluida yang bersifat plastis, seperti misalnya pasta gigi,mayonnaise, dll yang hanya dapat bergerak pada suatu nilaitegangan geser tertentu tidak termasuk dalam materi bahasantegangan geser tertentu, tidak termasuk dalam materi bahasandalam buku ini.

Komponen GayaKomponen Gaya

Fluida sebagai Materi Kontinum

Fluida Materi Sebagai Materi KontinumFluida Materi Sebagai Materi Kontinum

Dari hasil tinjauan terhadap nilai rapat massa yang diperoleh,terdapat suatu nilai batas elemen volume tertentu yangterdapat suatu nilai batas elemen volume tertentu, *, yangdidefinisikan sebagai Reference Element of Volume, REV dimanadi bawah nilai batas elemen volume ini, variasi molekuler masihsangat penting.Nilai batas elemen volume referensi, *, adalah sekitar 10-9 mm3untuk semua zat cair dan gas pada tekanan atmosfer.Sebagian besar permasalahan rekayasa atau engineeringSebagian besar permasalahan rekayasa atau engineeringberhubungan dengan dimensi-dimensi fisik yang jauh lebih besardari batas elemen volume, REV, sehingga rapat massa pada dasarnyahanya merupakan fungsi titik atau tempat, dan sifat-sifat fluida dapatdi b b h k i h d idianggap berubah secara kontinyu terhadap ruang, sepertidiperlihatkan pada Gambar 1.1a

Dimensi dan Satuan

Saat ini dikenal ada dua sistem satuan utama yang masih dipakaisecara luas di dunia, yaitu satuan Sistem Inggris (The EnglishSystem) dan satuan Sistem Internasional (The International SystemSystem) dan satuan Sistem Internasional (The International Systemof units atau le Systme International d'Units).Satuan Sistem Inggris dengan dimensi dasar foot, pound dan second

j di d Si t I i l (I i l S t ) b lmenjadi dasar Sistem Imperial (Imperial System) yang sebelumnyadigunakan di negara-negara persemakmuran, dan Sistem USCS(United State Customary System) yang sampai saat ini masihdigunakan secara luas di Amerika Serikatdigunakan secara luas di Amerika Serikat.Sistem Inggris dikelompokkan menjadi 2, yaitu : a). BritishGravitation (BG) System, dan b). English Engineering (EE) System;kedua sistem ini dibedakan berdasarkan penggunaan dimensi-dimensi dasar dalam persamaan hukum kedua Newton.

Dimensi dan SatuanSatuan Sistem Internasional, SI, yang menggunakan dimensi dasarmeter, kilogram, dan detik, adalah merupakan pengembangan dariSistem Metrik (lama) MKS (The Early Metric System, MKS), sehingga( ) ( y y ), ggtidak jarang juga disebut sebagai Sistem Metrik.

Sistem Internasional, SI, saat ini telah dipakai hampir di seluruh negaradi d i t k I d i S d k Si t I i ki tdi dunia termasuk Indonesia. Sedangkan Sistem Inggris, meskipun saatini masih dipakai secara luas di Amerika Serikat, secara bertahap mulaiditinggalkan penggunaannya, dan beralih ke Sistem Internasional, SI.

Sejak tahun 2008, Amerika Serikat telah resmi mengadopsi satuanSistem Internasional sebagai satuan resmi yang dipakai, meskipunpenggunaan Sistem Inggris (USCS) juga masih digunakan sampaipenggunaan Sistem Inggris (USCS) juga masih digunakan sampaisekarang. .

Sistem DimensiSuatu persamaan yang menggambarkan suatu kuantitas fisikharuslah mempunyai kesamaan atau homogenitas dimensi,dimana setiap suku dalam persamaan harus mempunyaidimensi yang sama.Sebagaimana kita ketahui bahwa hukum kedua Newtontersusun oleh empat dimensi atau besaran fisik, yaitu gaya [F],

[M] j [L] d k [T]massa [M], panjang [L] dan waktu [T].Ada tiga sistem dimensi yang sering digunakan, yangdibedakan berdasarkan cara penetapan dimensi-dimensid itdasarnya, yaitu:Massa [M], panjang [L], waktu [T], suhu [].Gaya [F], panjang [L], waktu [T], suhu [].Gaya [F], Massa [M], panjang [L], waktu [T], suhu [].

Sistem Satuan

H k k d N tH k k d N tHukum kedua NewtonHukum kedua Newton

Konversi Sistem Satuan

Homogenitas Dimensi

Suatu persamaan yang diturunkan secara teoretis merupakanpersamaan yang selalu homogen dimensinya;artinya, dimensi ruas kiri dan ruas kanan dari persamaanadalah sama, dan suku-suku terpisah yang ditambahkan (jikaada) juga akan mempunyai dimensi yang sama pula) j g p y y g p