> Fluida Bergerak

Untuk mengkaji desain mobil aerodinamis tampak garis aliran laminer yang stasioner. Asap yang bergerak merupakan contoh fluida bergerak. 

 Pokok-pokok bahasan yang berkaitan dengan fluida bergerak, antara lain, persamaan kontinuitas, hukum Bernoulli yang membahas tekanan pada fluida yang bergerak, danpenerapan hukum Bernoulli.  

1. Persamaan Kontinuitas 

Pada saat Anda akan menyemprotkan air dengan menggunakan selang, Anda akan melihat fenomena fisika yang aneh tapi nyata. 

Ketika lubang selang dipencet, maka air yang keluar akan menempuh lintasan yang cukup jauh. Sebaliknya ketika selang dikembalikan seperti semula maka jarak pancaran air akan berkurang.  Fenomena fisika tersebut dapat dijelaskan dengan mempelajari bahasan tentang persamaan kontinuitas berikut. 

Persamaan kontinuitas menghubungkan kecepatan fluida di suatu tempat dengan tempat lain. Sebelum menurunkan hubungan ini, Anda harus memahami beberapa istilah dalam aliran fluida. Garis alir (stream line) didefinisikan sebagai lintasan aliran fluida ideal (aliran lunak). 

Garis singgung di suatu titik pada garis alir menyatakan arah kecepatan fluida.  Garis alir tidak ada yang berpotongan satu sama lain. Tabung air merupakan kumpulan dari garis-garis alir. Pada tabung alir, fluida masuk dan keluar melalui mulut-mulut tabung. 

Fluida tidak boleh masuk dari sisi tabung karena dapat menyebabkan terjadinya perpotongan garis-garis alir. Perpotongan ini akan menyebabkan aliran tidak lunak lagi.  Menurut persamaan kontinuitas, perkalian luas penampang dan kecepatan fluida pada setiap titik sepanjang suatu tabung alir adalah konstan. 

Persamaan di samping dikenal dengan nama persamaan kontinuitas. Karena fluida inkonpresibel (massa jenisnya tidak berubah), maka persamaan menjadi:

 

Menurut persamaan kontinuitas, perkalian luas penampang dan

kecepatan fluida pada setiap titik sepanjang suatu tabung alir adalah konstan.
Persamaan di atas menunjukkan bahwa kecepatan fluida berkurang ketika
melewati pipa lebar dan bertambah ketika melewati pipa sempit. Itulah
sebabnya ketika orang berperahu disebuah sungai akan merasakan arus
bertambah deras ketika sungai menyempit.

Perkalian antara luas penampang dan volume fluida (A × v) dinamakan
laju aliran atau fluks volume (dimensinya volume/waktu). Banyak orang
menyebut ini dengan debit (Q = jumlah fluida yang mengalir lewat suatu
penampang tiap detik).

2. Tekanan di Dalam Fluida Dinamik 

Hubungan antara tekanan dan kedalaman di dalam fluida telah Anda pelajari pada bab tentang fluida tak bergerak. Sekarang, bagaimana hubungan antara tekanan dan kecepatan di dalam fluida? 

Daniel Bernoulli telah membuktikan bahwa makin besar kecepatan fluida, makin kecil tekanannya. Begitu juga sebaliknya, makin kecil kecepatan fluida, makin besar tekanannya. Pernyataan tersebut dikenal sebagai asas Bernoulli.  Dalam kehidupan sehari-hari, cukup banyak peristiwa yang melibatkan asas Bernoulli ini. 

Misalnya, Anda sedang mengendarai sepeda motor, kemudian tiba-tiba ada sebuah mobil mendahului dengan posisi sangat berdekatan. Anda pasti merasakan suatu tarikan ke arah mobil tersebut.  Hal ini terjadi karena ruang antara sepeda motor dengan mobil cukup sempit sehingga kecepatan udara menjadi lebih cepat dibanding pada tempat lain. 

Naiknya kelajuan udara menyebabkan tekanan pada ruang ini menjadi lebih rendah dibanding ke tempat lain. Oleh karena itu, Anda mendapat tekanan yang lebih besar dari sisi luar sepeda motor dan mobil.  

a. Persamaan Bernoulli 

Ketika mencoba menutup lubang selang di mana air sedang mengalir ke luar, apa yang Anda rasakan? Anda tentu merasakan gaya dorong (tekanan) dari air tersebut. Hal yang mirip terjadi ketika Anda berdiri di tengah angin yang cukup besar. 

Di sini udara yang bergerak mengerjakan gaya tekan pada tubuh Anda. Kedua peristiwa di atas menunjukkan bahwa fluida yang bergerak dapat menimbulkan tekanan. Besarnya tekanan akibat gerakan fluida dapat dihitung dengan konsep kekekalan energi atau prinsip usaha dan energi.  

Perhatikan Gambar 7.17! Suatu
fluida yang massa jenisnya
dialirkan ke dalam pipa dengan
penampang yang berbeda. Tekanan
p1 pada penampang A1 disebabkan
oleh gaya F1 dan tekanan p2 disebabkan
oleh gaya F2. Gaya F1 melakukan
usaha sebesar w1 = F1s1 dan F2
melakukan usaha sebesar w2 = -F2 s2.

b. Penerapan Asas Bernoulli 

Beberapa peristiwa atau alat yang menerapkan prinsip hukum Bernoulli, antara lain, tangki berlubang (penampungan air), alat penyemprot (obat nyamuk dan parfum), karburator, venturimeter, tabung pitot, dan gaya angkat pesawat terbang. 

 

2) Alat Penyemprot  

Alat penyemprot yang menggunakan prinsip Bernoulli yang sering Anda gunakan adalah alat penyemprot racun serangga  Ketika Anda menekan batang pengisap, udara dipaksa keluar dari tabung pompa melalui tabung sempit pada ujungnya. 

Semburan udara yang bergerak dengan cepat mampu menurunkan tekanan pada bagian atas tabung tandon yang berisi cairan racun. Hal ini menyebabkan tekanan atmosfer pada permukaan cairan turun dan memaksa cairan naik ke atas tabung. Semburan udara berkelajuan tinggi meniup cairan, sehingga cairan dikeluarkan sebagai semburan kabut halus.  

3) Karburator 

Karburator adalah alat yang berfungsi untuk menghasilkan campuran bahan bakar dengan udara, campuran ini memasuki silinder mesin untuk tujuan pembakaran. untuk memahami cara kerja karburator pada kendaran bermotor,  perhatikan Gambar 7.23 berikut!

4) Venturimeter 

Tabung venturi adalah venturimeter, yaitu alat yang dipasang pada suatu pipa aliran untuk mengukur kelajuan zat cair. Ada dua venturimeter yang akan Anda pelajari, yaitu venturimeter tanpa manometer dan venturimeter menggunakan manometer yang berisi zat cair lain.  

a) Venturimeter Tanpa Manometer

Gambar 7.24 menunjukkan sebuah venturimeter yang digunakan untuk mengukur kelajuan aliran dalam sebuah pipa. Untuk menentukan kelakuan aliran v1 dinyatakan dalam besaran-besaran luas penampang A1 dan A2 serta perbedaan ketinggian zat cair dalam kedua tabung vertikal h. Zat cair yang akan diukur kelajuannya mengalir pada titik-titik yang tidak memiliki
perbedaan ketinggian (h1 = h2)

b) Venturimeter dengan Manometer
Pada prinsipnya venturimeter dengan manometer hampir sama dengan venturimeter tanpa manometer. Hanya saja dalam venturimeter ini ada tabung U yang berisi raksa.

5) Tabung Pitot 

Alat ukur yang dapat Anda gunakan untuk mengukur kelajuan gas adalah tabung pitot.  Gas (misalnya udara) mengalir melalui lubanglubang di titik a. Lubang-lubang ini sejajar dengan arah aliran dan dibuat cukup jauh di belakang sehingga kelajuan dan tekanan gas di luar lubang-lubang tersebut mempunyai nilai seperti halnya dengan aliran bebas. Jadi, va = v (kelajuan gas) dan tekanan pada kaki kiri manometer tabung pilot sama dengan tekanan aliran gas (Pa).  

6) Gaya Angkat Sayap pada Pesawat Terbang

Pesawat terbang dapat terangkat ke udara karena kelajuan udara yang melalui sayap pesawat. Pesawat terbang tidak seperti roket yang terangkat ke atas karena aksi-reaksi antara gas yang disemburkan roket itu sendiri. 

Roket menyemburkan gas ke belakang, dan sebagai reaksinya gas mendorong roket maju.  Jadi, roket dapat terangkat ke atas walaupun tidak ada udara, tetapi pesawat terbang tidak dapat terangkat jika tidak ada udara. Penampang sayap pesawat terbang mempunyai bagian belakang yang lebih tajam dan sisi bagian atas yang lebih melengkung daripada sisi bagian bawahnya.  

Garis arus pada sisi bagian atas lebih rapat daripada sisi bagian bawahnya. Artinya, kelajuan aliran udara pada sisi bagian atas pesawat v2 lebih besar daripada sisi bagian bawah sayap v1. Sesuai dengan asas Bornoulli, tekanan pada sisi bagian atas p2 lebih kecil