MAKALAH FLUIDA

BAB I

PENDAHULUAN

A. LATAR BELAKANG

Aliran fluida yang melingkupi sebuah benda secara penuh akan menimbulkan tegangan pada benda tersebut, baik tegangan normal maupun tegangan geser. Tegangan normal disebabkan karena adanya tekanan dari fluida, sedangkan tegangan geser timbul akibat adanya viskositas fluida. Jika kita tinjau pada aliran dua dimensi, aliran yang mengalir secara horizontal akan menimbulkan gaya drag atau gaya hambat karena arah dari gaya ini berlawanan dengan arah aliran, sedangkan aliran yang mengalir secara vertikal menimbulkan gaya lift atau gaya angkat. Gaya drag sering dianggap mengganggu, tetapi dalam situasi tertentu gaya drag justru diharapkan. Aplikasi gaya lift dapat dilihat pada penggunaan pesawat terbang dan mobil balap. Pada pesawat terbang gaya lift yang diharapkan adalah gaya lift positif, artinya gaya angkat positif. Sedangkan pada aplikasi mobil balap, gaya lift yang diharapkan adalah gaya lift negatif agar mobil tetap melaju di atas tanah.

BAB II

PEMBAHASAN

A. DEFINISI FLUIDA

Yang kita maksud dengan fluida disini adalah suatu bentuk materi yang mudah mengalir misalnya zat cair dan gas. Sifat kemudahan mengalir dan kemampuan untuk menyesuaikan dengan tempatnya berada merupakan aspek yang membedakan fluida dengan zat benda tegar. Meskipun demikian hukum-hukum yang berlaku pada dua sistem ini tidak berbeda. Pada bagian ini kita akan meninjau fluida dalam keadaan tidak mengalir, contohnya air di dalam suatu wadah atau air di danau/waduk. Aspek pertama yang kita dapati ketika kita berada dalam suatu fluida (zat cair) yaitu tekanan. Kita merasakan ada tekanan pada tubuh kita yang berada di dalam zat cair.

B. TEKANAN

Pengertian tekanan akan mudah kita pahami setelah kita menjawab pertanyaan-pertanyaan di bawah ini. Mengapa pisau yang tajam lebih mudah memotong dari pada pisau yang tumpul? Mengapa paku yang runcing lebih mudah menancap kedalam benda dibandingkan paku yang kurang runcing? Pertanyaan diatas sangat berhubungan dengan konsep tekanan. Konsep tekanan identik dengan gaya, gaya selalu menyertai pengertian tekanan. Tekanan yang besar dihasilkan dari gaya yang besar pula, sebaliknya tekanan yang kecil dihasilkan dari gaya yang kecil. Dari pernyataan di atas dapat dikatakan bahwa tekanan sebanding dengan gaya. Mari kita lihat orang memukul paku sebagai contoh. Orang menancapkan paku dengan gaya yang besar menghasilkan paku yang menancap lebih dalam dibandingkan dengan gaya yang kecil.

Pengertian tekanan tidak cukup sampai disini. Terdapat perbedaan hasil tancapan paku bila paku runcing dan paku tumpul. Paku runcing menancap lebih dalam dari pada paku yang tumpul walaupun dipukul dengan gaya yang sama besar. Dari sini terlihat bahwa luas permukaan yang terkena gaya berpengaruh terhadap tekanan. Luas permukaan yang sempit/kecil menghasilkan tekanan yang lebih besar daripada luas permukaan yang lebar. Artinya tekanan berbanding terbalik dengan luas permukaan.

Penjelasan di atas memberikan bukti yang sangat nyata pada pengertian tekanan. Jadi, tekanan dinyatakan sebagai gaya per satuan luas. Pengertian tekanan ini digunakan secara luas dan lebih khusus lagi untuk Fluida. Satuan untuk tekanan dapat diperoleh dari rumus di atas yaitu 1 Newton/m2 atau disebut dengan pascal. Jadi 1 N/m2=1 Pa (pascal). Bila suatu cairan diberi tekanan dari luar, tekanan ini akan menekan ke seluruh bagian cairan dengan sama prinsip ini dikenal sebagai hukum Pascal.

C. FLUIDA STATIS

Suatu zat yang mempunyai kemampuan mengalir dinamakan fluida. Cairan adalah salah satu jenis fluida yang mempunyai kerapatan mendekati zat padat. Letak partikelnya lebih merenggang karena gaya interaksi antar partikelnya lemah. Gas juga merupakan fluida yang interaksi antar partikelnya sangat lemah sehingga diabaikan. Dengan demikian kerapatannya akan lebih kecil.

Karena itu, fluida dapat ditinjau sebagai sistem partikel dan kita dapat menelaah sifatnya dengan menggunakan konsep mekanika partikel. Apabila fluida mengalami gaya geser maka akan siap untuk mengalir. Jika kita mengamati fluida statik, misalnya air di tempayan. Sistem ini tidak mengalami gaya geser tetapi mempunyai tekanan pada dinding tempayan.

• Berdasarkan uraian di atas, maka pada materi ini akan dibahas dulu mengenai fluida statik. Pada kegiatan berikutnya akan dibahas secara khusus fluida dinamik. Pembahasan sering menggunakan konsep umum maupun prinsip mekanika partikel. Dengan mempelajari materi ini berarti Anda akan dapat mengkaji sifat fluida statik dan fluida dinamik dengan menggunakan mekanika partikel. Setelah Anda mempelajari materi ini, Anda dapat: Menjelaskan makna hukum utama hidrostatik.

Menggunakan hukum utama hidrostatik untuk menjelaskan sifat-sifat khusus fluida statik. Membedakan macam-macam aliran fluida.

Menghitung debit aliran fluida. Menjelaskan makna hukum Bernoulli.

Menggunakan hukum Bernoulli untuk menjelaskan sifat-sifat aliran fluida.

Menjelaskan masalah fluida pada kehidupan sehari-hari dengan menggunakan konsep fisika.

D. MEKANIKA FLUIDA

Mekanika fluida adalah subdisiplin dari mekanika kontinum yang mempelajari fluida (yang dapat berupa cairan dan gas). Mekanika fluida dapat dibagi menjadi fluida statik dan fluida dinamik. Fluida statis mempelajari fluida pada keadaan diam sementara fluida dinamis mempelajari fluida yang bergerak.

 Fluida Newtonian vs. non-Newtonian

Sebuah Fluida Newtonian (dinamakan dari Isaac Newton) didefinisikan sebagai fluida yang tegangan gesernya berbanding lurus secara linier dengan gradien kecepatan pada arah tegak lurus dengan bidang geser. Definisi ini memiliki arti bahwa fluida newtonian akan mengalir terus tanpa dipengaruhi gaya-gaya yang bekerja pada fluida. Sebagai contoh, air adalah fluida Newtonian karena air memiliki properti fluida sekalipun pada keadaan diaduk. Sebaliknya, bila fluida non-Newtonian diaduk, akan tersisa suatu "lubang". Lubang ini akan terisi seiring dengan berjalannya waktu. Sifat seperti ini dapat teramati pada material-material seperti puding. Peristiwa lain yang terjadi saat fluida non-Newtonian diaduk adalah penurunan viskositas yang menyebabkan fluida tampak "lebih tipis" (dapat dilihat pada cat). Ada banyak tipe fluida non-Newtonian yang kesemuanya memiliki properti tertentu yang berubah pada keadaan tertentu.

 Persamaan pada fluida Newtonian

Konstanta yang menghubungkan tegangan geser dan gradien kecepatan secara linier dikenal dengan istilah viskositas. Persamaan yang menggambarkan perlakuan fluida Newtonian adalah:

di mana

τ adalah tegangan geser yang dihasilkan oleh fluida

μ adalah viskositas fluida-sebuah konstanta proporsionalitas

adalah gradien kecepatan yang tegak lurus dengan arah geseran

Viskositas pada fluida Newtonian secara definisi hanya bergantung pada temperatur dan tekanan dan tidak bergantung pada gaya-gaya yang bekerja pada fluida. Jika fluida bersifat inkompresibel dan viskositas bernilai tetap di seluruh bagian fluida, persamaan yang menggambarkan tegangan geser (dalam koordinat kartesian) adalah

di mana

τij adalah tegangan geser pada bidang ith dengan arah jth

vi adalah kecepatan pada arah ith

xj adalah koordinat berarah jth

Jika suatu fluida tidak memenuhi hubungan ini, fluida ini disebut fluida non-Newtonian.

E. ALIRAN FLUIDA

Aliran fluida dapat diaktegorikan:

1. Aliran laminar

Aliran dengan fluida yang bergerak dalam lapisan – lapisan, atau lamina – lamina dengan satu lapisan meluncur secara lancar . Dalam aliran laminar ini viskositas berfungsi untuk meredam kecendrungan terjadinya gerakan relative antara lapisan. Sehingga aliran laminar memenuhi hukum viskositas Newton

2. Aliran turbulen

Aliran dimana pergerakan dari partikel – partikel fluida sangat tidak menentu karena mengalami percampuran serta putaran partikel antar lapisan, yang mengakibatkan saling tukar momentum dari satu bagian fluida kebagian fluida yang lain dalam skala yang besar. Dalam keadaan aliran turbulen maka turbulensi yang terjadi membangkitkan tegangan geser yang merata diseluruh fluida sehingga menghasilkan kerugian – kerugian aliran.

3. Aliran transisi

Aliran transisi merupakan aliran peralihan dari aliran laminar ke aliran turbulen.

F. KONSEP DASAR

 Bilangan Reynolds

Bilangan Reynolds merupakan bilangan tak berdimensi yang dapat membedakan suatu Dilihat dari kecepatan aliran, menurut (Mr. Reynolds) diasumsikan/dikategorikanlaminar bila aliran tersebut mempunyai bilangan Re kurang dari 2300, Untuk aliran transisi berada pada pada bilangan Re 2300 dan 4000 biasa juga disebut sebagai bilangan

 Viskositas

Viskositas fluida merupakan ukuran ketahanan sebuah fluida terhadap deformasi atau perubahan bentuk. Viskositas dipengaruhi oleh temperatur, tekanan, kohesi dan laju perpindahan momentum molekularnya. Viskositas zat cair cenderung menurun dengan seiring bertambahnya kenaikan temperatur hal ini disebabkan gaya – gaya kohesi pada zat cair bila dipanaskan akan mengalami penurunan dengan semakin bertambahnya temperatur pada zat cair yang menyebabkan berturunya viskositas dari zat cair tersebut.

 Rapat jenis (density )

Density atau rapat jenis (ρ) suatu zat adalah ukuran untuk konsentrasi zat tersebut dan dinyatakan dalam massa persatuan volume; sifat ini ditentukan dengan cara menghitung nilai density dapat dipengaruhi oleh temperatur semakin tinggi temperatur maka kerapatan suatu fluida semakin berkurang karena disebabkan gaya kohesi dari molekul – molekul fluida semakin berkurang.

 Koefisien Gesek

Koefisien gesek dipengaruhi oleh kecepatan, karena distribusi kecepatan pada aliran laminar dan aliran turbulen berbeda, maka koefisien gesek erbeda pula untuk masing – masing jenis aliran. Reynolds kritis, sedangkan aliran turbulen mempunyai bilangan Re lebih dari 4000.

G. TEKANAN DALAM FLUIDA

Misalkan kita sedang berendam di dalam air, apa yang kita rasakan? Seolah-olah air menekan seluruh tubuh kita yang bersentuhan dengan air. Tekanan ini semakin besar apabila kita masuk lebih dalam ke dalam air. Fenomena apa yang ada dibalik peristiwa ini. Pernyataan ini mengandung pengertian bahwa fluida memberikan tekanan terhadap benda yang berada di dalamnya. Pengertian ini diperluas menjadi tekanan pada fluida tergantung pada ketebalannya atau lebih tepatnya kedalamannya. Udara/atmosfer terdiri dari gas-gas yang juga merupakan bentuk dari fluida. Maka udara juga akan memiliki tekanan seperti definisi di atas. Tekanan udara kita anggap sama untuk ketinggian tertentu di atas bumi namun untuk ketinggian yang sangat tinggi di atas permukaan bumi besarnya menjadi berbeda.

H. FLUIDA ELEKTRO-REOLOGI

Mungkin, yang pertama kali melakukan percobaan pembuatan dan penerapan cairan fluida yang merespon kondisi luarnya adalah Pak Winslow pada tahun 1940. Kenapa saya awali dengan “mungkin”? Sebab ide atau niatan membuat fluida pintar ini sudah ada sejak 150 tahun yang lalu. Lalu Pak Winslow lah yang berhasil melakukan percobaan pembuatannya. Kebanyakan fluida elektro-reologi merupakan dispersi dari partikel dielectric yang tersuspensi pada non-conducting liquid (cairan yang bersifat bukan konduksi, alias tidak mampu hantar listrik). Mudahnya, anda punya partikel (bulet kecil-kecil) dari bahan dielectrik kemudian dicampur dengan cairan tak mampu hantar listrik, misal silicone-oils, hingga sifat campuran seperti suspensi. Itulah fluida elektro-reologi.

Yield stress, tegangan geser, yaitu gaya luar yang diperlukan untuk menggeser fluida tersebut, dari keadaan diam kemudian mengalir. Fluida elektro-reologi mula-mula mempunyai nilai yield stress relatif kecil, ya iyalah…cairan gitu loh… Namun ketika medan listrik dari luar diaplikasikan, nilai yield stress-nya menjadi meningkat dengan drastis, alias susah untuk mengalir. Mekanisme yang sering digunakan untuk menjelaskan fenomena ini adalah ketika medan listrik luar (ordenya sekitar kV/mm) diaplikasikan kepada fluida elektro-reologi, menimbulkan efek dipole (pe-dua-kutub-an) dari dielektrik partikel yang tersuspensi dalam cairan tsb. Berubahnya sifat dialektrik partikel hingga mempunyai kutub ini menyebabkan partikel kecil-kecil saling mendekat satu sama lainnya, sesusai sifat kutub masing-masing.

Sehingga terciptalah rantai/susunan partikel searah dengan medan listrik. Lihat animasi diawal artikel. Bentuk daripada susunan rapi jajaran partikel yang berbentuk seperti rantai inilah yang menyebabkan nilai yield stress menjadi naik secara dramatis. Definisi pendahuluan tentang fluida pintar jenis ini dicukupkan sampai disini, ntar disambung lagi yang lebih dalam jika memungkinkan.

Kini, aplikasi dari fluida elektro-reologi telah mempunyai pangsa pasar tersendiri, diantaranya:

- controllable valve and shakers

- controllable machinery and engine mount

- controllable clutch and brakes

- controllable dampers

Mungkin ada sebagian peralatan ini pernah anda lihat, sekilas lihat, bahkan anda pakai dan operasikan terutama di perusahaan-perusahaan besar. Namun yang tampak nyata di depan anda hanyalah kemudah-aturan dan kecanggihan peralatan tersebut. Siapa sangka dibalik produk-produk tersebut tersimpan keruwetan dan keunikan aspek science dan teknologi yang membikin dahi berkerut, kening melebar, dan otak berputar sekian banyak peneliti dan sekian lama waktu yang diperlukan.

I. FLUIDA BERMAGNET

Pada tahun 1960-an, Pak Rosensweig menjadi pelopor penelitian pembuatan dan aplikasi dari fluida bermagnet. Kemudian setelah beberapa saat setelah penelitiannya berkembang, beliau mendirikan perusahaan yang dikenal dengan Perusahaan Ferrofluidics. Fluida bermagnet terdiri atas partikel bermagnet (superparamagnetic particle) berukuran sangan kecil (skala nano, < 10 nm) yang terdispersi dalam cairan pembawa. Tahukan seberapa kecil ukuran nano-meter itu? Iya benar, sepersejuta meter. Suangaat kecil bukan. Campuran dispersi antara partikel magnet dan cairan pembawa cenderung bersifat stabil (tidak terjadi sedimentasi/pengendapan), disebabkan pergerakan Brownian (Brownian motion) yang terjadi ketika kita mencampur partikel sangat kecil kedalam suatu cairan. Mudahnya, ketika anda mengaduk gula dalam segelas air, gulanya tidak akan mengendap dibawah jika adukannya merata. Artinya gula berubah jadi partikel sangat kecil sekali lalu tersuspensi kedalam air, dan cenderung stabil. Para peneliti juga berhasil menaikkan performa stabilitas fluida bermagnet dengan menambahkan surfactant, suatu zat yang mencegah menempelnya partikel magnet satu sama lainnya, sehingga penggumpalan bisa dihindari. Sehingga stabilitas fluida bermagnet dapat dipertahankan lebih lama lagi.

Fluida bermagnet akan berubah sifat dan karakternya ketika dikenakan medan magnet. Viskositas adalah salah satu parameter yang bisa diatur pada fluida bermagnet. Karena waktu respon yang diperlukan sangat pendek (dalam orde mili-second), maka kemampuan mudah-aturnya cepat mendapat perhatian pangsa pasar. High-pressure seal dan media pendingin loudspeaker adalah salah dua produk yang digemari pasar saat ini.

J. FLUIDA MAGNET-REOLOGI

Tibalah saatnya kita mengenal fluida pintar jenis ketiga yaitu fluida magnet-reologi. Secara umum komposisinya sama dengan fluida bermagnet, yaitu: partikel magnet + cairan pembawa + surfactant. Cuma bedanya adalah ukuran partikel magnet dalam orde mikro-meter (seperseribu meter) dan peran surfactant yang sangat besar untuk mencegah proses pengendapan. Pergerakan Brownian tidak terjadi pada fluida jenis ini, karena ukuran partikel relatif besar. Hal yang menakjubkan dari sifat fluida magnet-reologi ini adalah kemampuannya berubah fase menjadi semi-padat bahkan cukup padat hingga dapat dikategorikan fase padat (solid phase).

BAB III

PENUTUP

A. KESIMPULAN

Yang kita maksud dengan fluida disini adalah suatu bentuk materi yang mudah mengalir misalnya zat cair dan gas. Sifat kemudahan mengalir dan kemampuan untuk menyesuaikan dengan tempatnya berada merupakan aspek yang membedakan fluida dengan zat benda tegar. Meskipun demikian hukum-hukum yang berlaku pada dua sistem ini tidak berbeda. Pada bagian ini kita akan meninjau fluida dalam keadaan tidak mengalir, contohnya air di dalam suatu wadah atau air di danau/waduk. Aspek pertama yang kita dapati ketika kita berada dalam suatu fluida (zat cair) yaitu tekanan. Kita merasakan ada tekanan pada tubuh kita yang berada di dalam zat cair.

DAFTAR PUSTAKA

http://id.wikipedia.org/wiki/Fluida

Gibbs, K, 1990. Advanced Physics. New York: Cambridge University Press.

Martin Kanginan, 2000. Fisika SMU. Jakarta: Penerbit Erlangga.

Tim Dosen Fisika ITS, 2002. Fisika I. Surabaya: Penerbit ITS.