Mekanika Fluida Serta Cotoh Soal

Pernahkah kamu mengisi bak mandi dirumah? Atau pernahkah kamu perhatikan secara seksama air yang keluar dari keran? Ketika kamu perhatikan, maka kamu akan mendapati jika air mengalir dari pipa besar menuju mulut keran yang lebih kecil itu dikarenakan ada perbedaan luas antara mulut keran dengan pipa, sehingga kecepatan aliran air pun akan berbeda. Tetapi, debit air yang mengalir tetap sama. Untuk lebih jelasnya, akan lebih dijabarkan lagi mengenai konsep ilmu mekanika fluida melalui materi mekanika fluida berikut ini.

Fluida Ideal

Mekanika fluida ialah ilmu yang mengenai gaya dan juga gerak dari fluida. Fluida adalah segala bentuk zat yang dapat mengalir, seperti yang diketahui yaitu berupa zat cair dan gas. Menurut ilmu mekanika fluida, fluida itu terdiri kedalam fluida statis dan fluida dinamis. Fluida dinamis merupakan salah satu cabang ilmu fisika yang mempelajari fluida yang berada dalam keadaan bergerak atau disebut secara dinamis.

Fluida dinamis dibagi menjadi 2, jika ditinjau berdasarkan jenis alirannya, yaitu sebagai berikut:

Baca juga: Teori Kinetik Gas

Aliran Laminar (Lurus)

Aliran laminar (lurus) adalah dimana aliran fluida yang meluncur secara bersebelahan satu sama lain dengan mulus atau lurus. Aliran ini mengikuti fluida yang lintasannya mulus atau lurus dan tidak saling bersilangan. Salah satu contoh aliran laminar (lurus) adalah aliran air di dalam pipa.

Aliran Turbulen

Aliran turbulen adalah aliran yang memiliki sifat tak beraturan. Dimana diartikan jika pada aliran ini terlihat adanya lingkaran atau pusaran air yang tidak menentu dan lajur alirannya beragam. Salah satu contoh aliran turbulen dapat dilihat pada aliran air pada sungai.

Menurut ilmu mekanika fluida, fluida ideal bisa dijumpai pada fluida yang merupakan bagian dari aliran laminar/tunak. Fluida ini memiliki 4 sifat khusus, yaitu sebagai berikut:

1. Fluida sifatnya non viskos (tidak kental atau encer). Jadi, gesekan antarpartikel diabaikan atau tak dianggap karena sifat alirannya non viskos.

2. Aliran fluida laminar (tunak). Dimana fluida ideal memiliki aliran yang kecepatan partikelnya cenderung konstan.

3. Fluida sifatnya inkompresibel (tidak termampatkan). Pada aliran fluida tidak mempunyai kerapatan yang cenderung konstan.

4. Aliran fluida irrasional. Yang artinya partikel fluida tidak memiliki momentum sudut (tidak berotasi). Alirannya cenderung mengikuti garis arus.

Azas Kontinuitas

Azas kontinuitas adalah suatu azas yang menyatakan bahwa adanya hubungan antara fluida yang mengalir dalam keadaan tunak, maka laju aliran volume di setiap titik fluida tersebut bernilai sama. Dimana kecepatan fluida ini terhubung dari satu tempat ke tempat lainnya.

Berdasarkan materi mekanika fluida, ada salah satu contoh dalam kehidupan sehari-hari yaitu ketika kamu akan menyemprotkan air dengan menggunakan selang. Dimana ketika lubang selang dipencet, maka air yang keluar akan jauh. Begitu juga ketika selang dalam keadaan semula maka jarak pancaran air akan tidak terlalu jauh. Dari hal tersebut pun merupakan bagian dari penerapan mekanika fluida.

Persamaan kontinuitas:

Q = A V = konstan

Azas Bernoulli

Azas bernoulli adalah sebuah azas yang menyatakan tentang tekanan fluida yang mana jika pada tempat yang kecepatannya tinggi maka lebih kecil daripada tempat yang kecepatannya lebih rendah. Sesuai dengan bunyi azas kontinuitas yang dilihat dari saat air mengalir pada pipa yang luas penampangnya kecil, maka akan memiliki kecepatan yang lebih besar. Maka, kemudian Daniel Bernoulli menyimpulkan bahwa “Kecepatan fluida akan semakin besar jika ada dalam suatu pipa namun tekanannya akan semakin kecil, dan juga sebaliknya”.

Pada fluida yang bergerak pada ketinggian dan luas penampang yang berbeda, yaitu dengan besar serta ukuran yang berlainan seperti gambar diatas, maka secara mekanika dilihat berdasarkan ketinggian h₂ besar energi potensial yang dimiliki fluida akan lebih besar daripada energi potensial pada fluida pada ketinggian h₁.

Berdasarkan hal tersebut, Daniel Bernoulli menyatakan bahwa pada fluida tekanan yang dihasilkan akan semakin kecil jika semakin tinggi pipanya. Dapat diartikan pula, jika tekanan fluida pada ketinggian h₂ lebih rendah daripada tekanan fluida pada ketinggian h₁.

Penerapan Azas Kontinuitas dan Azas Bernoulli dalam Kehidupan

Dalam kehidupan sehari-hari ada banyak kegiatan dan aktivitas manusia berdasarkan ilmu mekanika fluida. Yang dapat ditemukan melalui penerapan dari azas kontinuitas dan azas bernoulli ini, diantaranya sebagai berikut:

1. Gaya angkat pesawat terbang
2. Tabung venturi
3. Tabung pitot
4. Alat penyemprot nyamuk
5. Alat karburasi sepeda motor

Cotoh Soal Mekanika Fluida

Untuk lebih memahami materi mekanika fluida, berikut ini ada beberapa contoh soal dan pembahasan dari adanya penerapan mekanika fluida dalam kehidupan sehari-hari.

1. Diketahui pada sebuah kamar mandi, jika ada sebuah keran yang akan mengisi penuh bak mandi dengan volume 4o liter, luas penampang keran yaitu diameter D₂ adalah 4 cm² dan kecepatan aliran airnya yaitu sebesar 20 m/s. Tentukan:

a) Debit air

b) Waktu yang diperlukan untuk mengisi bak mandi

Pembahasan:

_A2 = 4 cm²

= 4 x 10^-4 m²

V₂ = 20 m/s

a) Q = A₂ . V₂ = (4 x 10^-4)(20)

Q = 8 x 10^-3 m³/s

Jadi, besar debitnya adalah 8 x 10^-3 m³/s.

b) V = 40 liter = 40 x 10^-3 m³

Q = 8 x 10^-3 m³/s

maka,

t = V / Q

t = (40 x 10^-3 m³)/(8 x 10^-3 m³/s )

t = 5 sekon

Jadi, waktu yang diperlukan untuk mengisi bak mandi adalah 5 sekon.

2. Pada sebuah pipa besar memiliki luas penampang sebesar 10 m², besar luas penampang pipa kecil yaitu 5 m² dan kecepatan aliran air pada pipa besar adalah 15 m/s. Berapakah kecepatan air saat mengalir pada pipa kecil!

Pembahasan:

A_{1 V1}       = A_{2 V2}

(10)(15)  = (5) _V2

5 _V2           = 150

_V2           = 150 / 5

_V2           = 30 m/s

Jadi, besar kecepatan air saat mengalir pada pipa kecil adalah 30 m/s.

Baca juga: Kinematika dengan Analisis Vektor

Pemahaman Akhir

Mekanika fluida adalah ilmu yang mempelajari tentang gaya dan gerakan dari fluida, yang meliputi zat cair dan gas. Dalam mekanika fluida, terdapat dua jenis aliran fluida, yaitu aliran laminar dan aliran turbulen. Aliran laminar adalah aliran yang meluncur secara bersebelahan satu sama lain dengan mulus atau lurus, seperti air dalam pipa. Sedangkan aliran turbulen adalah aliran yang tidak beraturan, ditandai dengan adanya lingkaran atau pusaran air yang tidak menentu, seperti aliran sungai.

Fluida ideal adalah jenis fluida yang merupakan bagian dari aliran laminar atau tunak. Fluida ideal memiliki beberapa sifat khusus, seperti non viskos (tidak kental), aliran laminar, inkompresibel (tidak mudah terpengaruh oleh perubahan tekanan), dan irrasional (tidak berotasi). Dalam mekanika fluida, ada dua azas penting yang dapat diaplikasikan dalam kehidupan sehari-hari, yaitu azas kontinuitas dan azas Bernoulli.

Azas kontinuitas menyatakan bahwa jika fluida mengalir dalam keadaan tunak, maka laju aliran volume di setiap titik fluida tersebut akan bernilai sama. Contoh penerapan azas kontinuitas adalah ketika menyemprotkan air dengan selang, di mana jika lubang selang dipencet, air keluar dengan jarak yang lebih jauh.

Azas Bernoulli menyatakan bahwa jika kecepatan fluida meningkat, maka tekanannya akan menurun, dan sebaliknya. Hal ini terlihat pada fluida yang bergerak dengan ketinggian dan luas penampang yang berbeda, di mana energi potensial dan tekanannya berubah. Contoh penerapan azas Bernoulli adalah pada sayap pesawat terbang, di mana kecepatan aliran udara di atas sayap lebih tinggi, sehingga tekanan udara menjadi lebih rendah, menciptakan gaya angkat.

Dalam kehidupan sehari-hari, mekanika fluida memiliki banyak penerapan, seperti pada tabung venturi, alat penyemprot nyamuk, karburasi sepeda motor, dan lainnya. Selain itu, dalam pembahasan soal mekanika fluida, kita dapat menghitung debit air, waktu pengisian bak mandi, kecepatan aliran air pada pipa, dan sebagainya dengan menggunakan persamaan-persamaan yang sesuai dengan azas-azas dalam mekanika fluida.

Dengan memahami konsep mekanika fluida, kita dapat lebih mengapresiasi fenomena sehari-hari yang terjadi pada aliran fluida di sekitar kita dan memahami prinsip-prinsip yang mendasari teknologi dan rekayasa yang menggunakan fluida, seperti dalam bidang penerbangan, otomotif, dan industri lainnya.

Demikianlah, pembahasan mengenai materi mekanika fluida. Semoga dengan penjelasan diatas, kamu menjadi lebih memahami tentang mekanika fluida secara menyeluruh.

Sumber:

Kamajaya, Ketut dan Purnama, Wawan. 2019. Buku Siswa Aktif dan Kreatif Belajar Fisika untuk Sekolah Menengah Atas/Madrasah Aliyah Kelas Peminatan Matematika dan Ilmu-Ilmu Alam. Bandung: Grafindo Media Pratama