Fluida Statik dan Dinamik (Part 2)

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.

 

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.

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.

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.

 

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. 

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.

 

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).

2. FLUIDA DINAMIS

Pengertian Fluida Dinamis

Fluida dinamis adalah fluida (bisa berupa zat cair, gas) yang bergerak. Untuk memudahkan dalam mempelajari, fluida disini dianggap steady (mempunyai kecepatan yang konstan terhadap waktu), tak termampatkan (tidak mengalami perubahan volume), tidak kental, tidak turbulen (tidak mengalami putaran-putaran).

Dalam kehidupan sehari-hari, banyak sekali hal yang berkaitan dengan fluida dinamis ini.

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

 

Dimana :

Q   =    debit aliran (m³/s)

V   =    volume (m³)

t     =    selang waktu (s)

  

Persamaan Kontinuitas

Air yang mengalir di dalam pipa air dianggap mempunyai debit yang sama di sembarang titik. Atau jika ditinjau 2 tempat, maka:

Debit aliran 1 = Debit aliran 2, atau :

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 dalam teknologi

Pesawat Terbang

Gaya angkat pesawat terbang bukan karena mesin, tetapi pesawat bisa terbang karena memanfaatkan hukum bernoulli yang membuat laju aliran udara tepat di bawah sayap, karena laju aliran di atas lebih besar maka mengakibatkan tekanan di atas pesawat lebih kecil daripada tekanan pesawat di bawah.

Akibatnya terjadi gaya angkat pesawat dari hasil selisih antara tekanan di atas dan di bawah di kali dengan luas efektif pesawat.

Keterangan:              

ρ  = massa jenis udara (kg/m³)

v_a= kecepatan aliran udara pada bagian atas pesawat (m/s)

v_b= kecepatan aliran udara pada bagian bawah pesawat (m/s)

 F = Gaya angkat pesawat (N)

Penyemprot Parfum dan Obat Nyamuk

Prinsip kerja yang dilakukan dengan menghasilkan laju yang lebih besar pada ujung atas selang botol sehingga membuat tekanan di atas lebih kecil daripada tekanan di bawah. Akibatnya cairan dalam wadah tersebut terdesak ke atas selang dan lama kelamaan akan menyembur keluar.