SI-2131 Mekanika Fluida

1
SI-2131Mekanika Fluida HidrolikaParameter
Fisik Fluida

• Joko Nugroho, ST. MT. PhD.

2
Silabus SI-2131

• Pengertian dan pemahaman mengenai karakteristik
  fisik fluida, sifat pengalirannya dan interaksi
  antara dinamika aliran fluida dengan media
  pengalirannya.

3
Materi Perkuliahan
Minggu Topik SubTopik
1. Parameter Fisik Fluida Densitas, viskositas dan kompresibilitas fluida
2. Statika Fluida Keseimbangan fluida statis pada pintu, dam dan bangunan air.
3. Kinematika Fluida Garis alir, fungsi alir, vektor kecepatan dan percepatan
4. Pengenalan Dinamika Fluida Control volume, Pers momentum, Newton II
5. Pengenalan Dinamika Fluida Persamaan Kontinyuitas Persamaan Energi
6. Aliran pada Saluran Tertutup Karakteristik Aliran, Karakteristik Pipa, Kehilangan Enerji
7. Aliran pada Saluran Tertutup Analisis aliran pada Pipa bercabang paralel dan non paralel
8. UJIAN TENGAH SEMESTER
4
Materi Perkuliahan
Minggu Topik Subtopik
9. Aliran pada saluran Terbuka Karakteristik Aliran. Karakteristik hidrolis saluran , Distribusi Kecepatan, Distribusi Tekanan, Tinggi Enerji Aliran
10. Aliran pada saluran Terbuka Persamaan momentum Newton II Persamaan enerji Bernaulli Energi dan gaya khas
11. Aliran pada saluran Terbuka Aliran Kritis Bilangan Froude
12. Aliran pada saluran Terbuka Aliran Seragam Methoda Manning, Chezy dan Strickler
13. Aliran pada saluran Terbuka Gaya seret dan kecepatan ijin
14. Aliran pada saluran Terbuka Aliran dihilir sebuah ambang tajam,
15. Aliran pada saluran Terbuka Aliran dihilir sebuah ambang mercu,
16. UJIAN AKHIR SEMESTER
5
Mekanika Fluida

• Ilmu tentang aliran fluida secara garis besar
  diklasifikasikan menjadi hidrolika dan
  hidrodinamika
• Hidrolika fluida air, dikembangkan dari
  penelitian eksperimental, bersifat empiris.
• Hidrodinamika dikembangkan secara teoritis.
• Hidrolika dan Hidrodinamika akhirnya menyatu
  menjadi Mekanika Fluida.

6
Mekanika Fluida

• Mekanika fluida bisa dibagi menjadi
• Statika fluida
• Kinematika fluida
• Dinamika fluida

7
Pendahuluan
Aquaduct di Italia yang dibangun bangsa romawi.
8
Sketsa aliran fluida dipermukaan oleh Leonardo da
Vinci.
9
Sketsa aliran fluida dalam suatu pelebaran dan
aliran fluida disekitar suatu benda oleh Leonardo
da Vinci.
10

• Koefisien kontraksi dari suatu aliran jet pada
  pipa 2 dimensi adalah 0.611.
• Harga ini sesuai dengan hasil percobaan, yaitu
  mendekati 0.60.

11
Apakah Fluida itu?

• Jenis materi
• Padat (solid)
• Fluida
• Cair
• Gas
• Tinjauan terhadap sifat materi
• Susunan molekul
• Hubungan gaya dan deformasi
• Gaya tangensial antar partikel
• Bagaimanakah sifat materi zat padat dan zat alir?

12
Parameter Fisik Fluida

• Fluida cair (liquid) dan gas
• Karakteristik fluida dapat ditinjau dari segi
• Kerapatan, berat jenis, volume
• Kompresibilitas / kemampatan
• Viskositas / kekentalan
• Tegangan permukaan

13
Perbedaan zat cair (liquid) dan gas

• Zat Cair (liquid)
• Incompressible
• Mempunyai volume tertentu pada tekanan dan
  temperatur tertentu.
• Gas
• Compressible
• Selalu mengisi ruang

14
Unit dan Dimensi

• Dimensi dasar
• Panjang, L
• Massa, M
• Waktu, T
• Suhu, ?
• Besaran turunan
• Luas, L2
• Kecepatan, LT-1
• Kerapatan, ML-3
• Satuan
• Panjang m (meter)
• Waktu s (second, detik)
• Massa kg (kilogram)

15
British Gravitational System (BG)

• Satuan panjang kaki (ft)
• Satuan waktu detik
• Satuan gaya pound (lb)
• Temperatur oF
• Absolute temperatur oR oF 459.67
• Satuan massa slug
• Satu pound gaya yang bekerja pada benda bermassa
  1 slug, akan mengakibatkan percepatan 1 ft/det2
• Benda dengan massa 1 slug, akan memiliki berat
  32,2 lb.

16
International System (SI)

• Satuan panjang meter (m)
• Satuan waktu detik (det)
• Satuan gaya newton (N)
• Temperatur oC
• Absolute temperatur oK oC 273
• Satuan massa kilogram (kg)
• Satu newton gaya yang bekerja pada benda bermassa
  1 kilogram, akan mengakibatkan percepatan 1
  m/det2
• Benda dengan massa 1 kg, akan memiliki berat 9,81
  N.

17
English Engineering System (EE)

• Satuan panjang kaki (ft)
• Satuan waktu detik
• Satuan gaya pound (lb)
• Absolute temperatur oR
• Satuan massa pound mass (lbm)
• Satu pound gaya yang bekerja pada benda bermassa
  1 lbm, akan mengakibatkan percepatan sebesar
  percepatan gravitasi, yaitu 32,174 ft/det2.

18
Tegangan pada bidang fluida

• Gaya FR pada sebuah bidang dapat diuraikan
  menjadi
• Komponen normal (tegak lurus terhadap bidang) FN
• Komponen tangensial FT
• Tekanan (pressure) FN/A
• Shear stress (tegangan geser FT/A

19
Properti Fluida

• Definisi-definisi
• Kerapatan (Density), ? massa/volume, kg/m3
• Volume spesifik, Vs1/?, m3/kg
• Berat jenis, ? ?g, N/m3
• Kerapatan relatif, s ?/?w

20
Densitas / Kerapatan
21
Hukum Gas Ideal

• Gas merupakan zat yang relatif sangat mudah
  dimampatkan (highly compressible).
• Perubahan kerapatan gas berhubungan langsung
  dengan perubahan tekanan dan temperatur.

P tekanan absolute ? kerapatan T temperatur
absolute R konstanta gas
22
Viskositas

• Merupakan ukuran resistensi terhadap deformasi.
• Gaya gesek dalam fluida dihasilkan oleh kohesi
  dan pertukaran momentum antar molekul-molekul
  fluida.
• Terdapat perbedaan perilaku antara cairan dan gas
  terhadap perubahan suhu.
• Fluida ideal tidak memiliki viskositas,
  viskositas 0.

23
Viskositas

• F? AU / Y
• ?F/A? U/Y
• ? du/dy
• ? ? / (du/dy),
• ? Persamaan viskositas Newton
• ? viskositas dinamik
• Satuan N.det/m2 atau Pa s atau kg/(m det)

Dalam CGS, satuan viskositas 1 g/(cm s) 1 P
(poise) 1 Pa.s 10 P 1000 cP
24
Viskositas

• Viskositas kinematik ? ? / ?
• Satuan viskositas kinematik
• m2/s 1 . 104 Stokes
• 1 cm2/s 1 St (stokes)

25
Viskositas
26
Viskositas

• Newtonian fluid fluida dengan ? konstan
• Plastis, ? A B (du/dy)n. Bingham Plastic, n
  1, contoh sewage sludge (limbah berupa
  sludge/bubur), pasta gigi, offshore mud.
• Dilatant fluid viskositas bertambah jika
  tegangan geser bertambah. (shear thickening
  fluid) contoh tepung jagung air.
• Pseudo plastic fluid viskositas menurun jika
  tegangan geser bertambah. Contoh hair styling
  gel
• Thixotropic viskositas menurun terhadap waktu
  pemberian gaya (shearing force). Tinta khusus
  untuk keperluan luar angkasa.
• Rheopetic viskositas meningkat terhadap waktu
  pemberian gaya. Contoh pelumas
• .

movie
27
Pengaruh suhu terhadap viskositas
Untuk Gas, Persamaan Sutherland C, S konstanta
empirik T suhu absolut
Untuk Liquid, Persamaan Andrade D, B konstanta
empirik T suhu absolut
28
Kompresibilitas

• Volume awal V0 , volume akhir V0 - ?V
• Tekanan akhir P P0?P
• ?P ? (- ?V / V0)
• - K (?V / V0)
• K (?? / ?0)
• K Bulk modulus of elasticity of liquid, N/m2
• C 1/K, kompresibilitas.

29
Kompresibilitas
30
Kompresibilitas

• Hitung kerapatan (density) air laut pada
  kedalaman 200 m dibawah muka air laut. Kerapatan
  di permukaan adalah 1025 kg/m3. K air 2.3 x 109
  N/m2.
• Pada kedalaman 200m,
• (asumsi ? konstan), ?P ? g h 1025 x 9.81 x
  2002.01 x 106 N
• ?P K (?? / ?0)
• ?? (?P x ?0)/K 0.896 kg/m3
• ? ?0 ?? 1025.896 kg/m3

31
Tegangan Permukaan / Surface Tension (?)

• Permukaan cairan berperilaku seperti sebuah
  membran elastis yang mengalami tarikan.
• Molekul pada liquid pada dasarnya tertarik ke
  segala arah oleh molekul lain disekelilingnya.
• Namun, pada permukaan, gaya yang terjadi tidak
  seimbang, sehingga molekul dipermukaan ditarik ke
  arah kumpulan massa cairan.
• Adanya tegangan permukaan akan meminimalkan luas
  permukaan. Contoh titik cairan akan cenderung
  membentuk menyerupai bola.

movie
32
Tegangan Permukaan / Surface Tension (?)
33
Efek Kapiler
34
Efek Kapiler

• Dari keseimbangan antara tegangan permukaan dan
  komponen berat dari zat cair yang naik, dapat
  diperoleh harga kenaikan atau penurunan muka air
  dalam pipa
• h(4? Cos ?) / (? D)
• Dalam pengukuran menggunakan kolom air, perlu
  diperhatikan adanya koreksi akibat efek kapiler.

35
Efek Kapiler

• Susunlah suatu persamaan kenaikan/penurunan muka
  zat cair diantara dua pelat vertikal yang
  paralel.
• 2 ? Cos ? L b h L ?
• h ( 2 ? Cos ? ) / (b ?)

36
Tekanan

• Tekanan gaya normal per unit luas, N/m2
• 1 Pascal (Pa) 1 N/m2
• 1 bar 100,000 N/m2 1x105Pa
• Tekanan relatif
• Pgauge Tekanan di atas tekanan atmosfir Patm
• Pabs Tekanan di atas vacum Pgauge Patm
• Tekanan Atmosfir 1 bar 100,000 Pa abs.

37
Cepat Rambat Suara

• Kecepatan rambat gangguan/tekanan pada suatu
  medium (c)

38
Tekanan Uap

• Zat cair akan mengalami penguapan apabila
  memiliki permukaan terbuka.
• Apabila berada dalam ruang tertutup maka akan
  timbul tekanan uap.