Mekanika fluida adalah salah satu cabang ilmu yang melibatkan sifat fluida dalam suatu sistem. Kegiatan ini secara sederhana mengamati aktivitas benda cair dan gas.
Pengamatan fluida bertujuan untuk mengenal karakteristik fluida pada sebuah sistem mekanik. Dahulu, manusia memakai konsep aliran fluida untuk membuat pelontar batu. Kemudian, di wilayah pesisir sungai dibuat saluran irigasi untuk petani. Nelayan pun memakainya untuk menggerakan kapal dengan tenaga angin.
Agar lebih memahami tentang mekanika fluida, simak pembahasannya sebagai berikut.
Pengertian Mekanika Fluida
Mekanika fluida adalah ilmu yang mempelajari aktivitas fluida cair dan gas secara statis dan atau dinamis. Secara umum, mekanika fluida terbagi menjadi dua kategori yaitu fluida statis dan fluida dinamis.
Permasalahan fluida dapat diselesaikan dengan persamaan matematika maupun pengujian empiris debit air pompa.
Konsep mekanika fluida
Melansir dari Jurnal Multidisiplin Sainstek, mekanika fluida melihat semua sistem terdiri dari dua kondisi yaitu fluida dan zat padat. Perbedaan teknisnya terletak pada reaksi kedua zat terhadap tegangan geser.
Zat padat mampu menahan tegangan geser dengan deformasi yang tetap. Sementara fluida akan bergerak ketika mendapat tegangan geser sekecil apapun karena fluida bergerak selama masih ada tegangan geser.
Perbedaan lainnya pun juga terlihat dari hubungan terhadap gaya kohesif. Zat cair terdiri dari molekul tetap dan rapat dengan gaya kohesif yang kuat, sehingga dapat mempertahankan volume dan membentuk permukaan yang rata dalam medan gravitasi. Hal ini berbeda dengan gas yang molekulnya yang tidak rapat dengan gaya kohesif yang kecil, membuat volume gas dapat berubah-ubah.
Jenis fluida
Fluida dapat diklasifikasi berdasarkan karakteristiknya yaitu pergerakannya, sifatnya, dan jenis alirannya. Penjelasan lengkapnya adalah sebagai berikut.
Pergerakan fluida
Gerakan fluida terbagi menjadi dua yaitu fluida statis dan dinamis. Fluida statis tidak bergerak karena berada dalam kesetimbangan. Sedangkan fluida dinamis justru bergerak mengikuti bentuk ruangnya.
Sifat fluida
Fluida terbagi dalam dua kondisi yaitu fluida ideal dan sejati. Fluida ideal tidak dapat berubah volume akibat perubahan tekanan dan dapat berpindah tanpa gesekan sehingga viskositasnya sama dengan nol. Sedangkan fluida sejati dapat berubah volumenya akibat perubahan tekanan dan mengalami gesekan saat berpindah dengan nilai viskositas tertentu.
Jenis aliran
Fluida memiliki tiga jenis aliran yaitu aliran laminer, transisi, dan turbulen. Aliran laminar terjadi pada kecepatan rendah. Aliran turbulen terjadi ketika paket fluida tidak meluncur bersamaan dengan paket fluida di sebelahnya yang ditandai dengan pusaran air pada kecepatan tinggi.
Persamaan mekanika fluida
Dalam menyelesaikan masalah mekanika fluida dapat menggunakan persamaan matematika. Terdapat tiga persamaan mekanika fluida yaitu persamaan Bernoulli, Pascal, dan Kontinuitas.
Persamaan Bernoulli
Daniel Bernoulli merupakan matematikawan dan fisikawan yang menemukan prinsip Bernoulli. Penemuan tersebut didapatkan ketika mengamati tabung arus untuk mengukur kecepatan aliran fluida karena tekanan.
Hukum Bernoulli menyatakan bahwa kenaikan kecepatan aliran dari fluida mampu menyebabkan penurunan tekanan fluida secara bersamaan atau penurunan energi potensial fluida. Hukum ini hanya dapat diterapkan pada zat cair yang mengalir dalam pipa.
Persamaan bernoulli sangat berkaitan dengan tekanan, kecepatan, elevasi karena mencari keseimbangan energi kinetik dan potensial. Berikut ini merupakan persamaan Bernoulli
P + ½.ρ.v² + ρ.g.h = konstan
P1 + ½.ρ1.v²1 + ρ1.g.h1 = P2 + ½.ρ2.v²2 + ρ2.g.h2
Persamaan Pascal
Hukum pascal menyatakan tekanan yang diberikan pada zat cair dalam ruangan tertutup, diteruskan ke segala arah dengan sama besar. Hukum ini menjelaskan tekanan pada fluida statis di dalam tertutup akan diteruskan ke segala arah dengan kekuatan tekanan yang sama.
Persamaan pascal memiliki prinsip kerja yang berkaitan tekanan zat cair dalam ruangan tertutup. Setiap kenaikan tekanan pada permukaan fluida akan diteruskan ke segala arah.
Berikut ini merupakan persamaan pascal untuk mekanika fluida
F1/A1 = F2/A2
Persamaan Kontinuitas
Hukum kontinuitas menyatakan debit suatu aliran tidak akan bertambah atau berkurang pada suatu sistem tertutup selama fluida tidak mengalami perubahan massa jenis dan hanya mengalami perubahan luas penampang. Secara matematis, persamaan kontinuitas dapat dinyatakan sebagai berikut
A1V1 = A2V2
Penggunaan mekanika fluida
Mekanika fluida sendiri banyak digunakan dalam berbagai aplikasi mulai dari pertanian sampai dengan industri. Penerapannya sendiri melibatkan mekanisme fluida yang bergerak ke segala arah.
Teknik sipil
Bidang teknik sipil memanfaatkan mekanika fluida untuk membuat jaringan distribusi air, sistem pembuangan limbah, dan irigasi. Prinsip persamaan Bernoulli menjadi pilihan untuk menentukan diameter pipa, spesifikasi pompa, sampai perancangan sistem MEP.
Teknik mesin
Lulusan teknik mesin memakai ilmu mekanika fluida untuk mendesain sistem hidrolik pada kendaraan maupun alat besar. Dengan ini, insinyur mampu menentukan gaya dan tekanan untuk menghasilkan kinerja optimal serta aman. Kalkulasi ini nantinya berguna untuk menentukan sistem efisien serta komponen penggerak seperti pompa hingga aktuator.
Aerodinamika
Aliran fluida digunakan untuk merancang pesawat tebang denan memanfaatkan hubungan udara dan permukaan pesawat. Ide ini datang dengan menganalisis karakteristik gaya angkat, gaya hambat, dan stabilitas pesawat.
Dengan mengurangi hambatan serta mengoptimalkan gaya angkat akan menghasilkan manuver yang lebih baik. Dalam jangka panjang mampu menghasilkan efisiensi bahan bakar. Selain itu, mekanika fluida juga berperan dalam sistem propulsi pesawat terbang.
Bidang kelautan
Mekanika fluida mempelajari sifat air yang berada di pantai. Caranya dengan memahami dinamika gelombang, arus, dan pasang surut untuk perencanaan perlindungan pantai maupun konstruksi di sekitar pantai.
Perancang akan menganalisa gaya yang bekerja pada struktur untuk menilai stabilitas dan dampak dari gelombang arus terhadap struktur bangunan.
Bidang lingkungan
Teknik lingkungan memakai mekanika fluida untuk mempelajari proses pengolahan air limbah. Pengolahan limbah dibuat dengan merancang sistem yang efisien untuk aktivitas pencampuran, pengendapan, dan penyaringan dengan memakai dinamika fluida. Hasil dari proses ini mampu menghilangkan polutan, meningkatkan kualitas air untuk kelestarian lingkungan.
Sumber
- N, Kamal. “Hukum Bernoulli: Pengertian, Persamaan, Dan Contoh Soal.” Gramedia Literasi, 13 Aug. 2022, www.gramedia.com/literasi/hukum-bernoulli/.
- —. “Hukum Pascal: Pengertian, Rumus, Soal Dan Pembahasan, Dan Manfaatnya – Gramedia Literasi.” Https://Www.gramedia.com/, www.gramedia.com/literasi/hukum-pascal/.
- pttensor.com. “Persamaan Kontinuitas (Persamaan Dasar Mekanika Fluida) – PT TENSOR.” Pttensor.com, 2024, pttensor.com/2024/02/14/persamaan-kontinuitas-persamaan-dasar-mekanika-fluida/. Accessed 5 June 2024.
- studysmarter. “Fluid Mechanics: Meaning & Industrial Uses | StudySmarter.” StudySmarter UK, www.studysmarter.co.uk/explanations/engineering/engineering-fluid-mechanics/fluid-mechanics-applications/.
