Hai para Quipperians, ayo siapa diantara para Quipperians yang suka menyiram tanaman menggunakan selang? Untuk menjangkau tanaman yang jauh, biasanya Anda perlu menyumbat sebagian mulut selang dengan jari Anda, bukan?
Saat Anda pasang sebagian mulut selang, pasti kecepatan air akan bertambah. Dalam Fisika, kondisi seperti itu dipelajari dalam dinamika fluida, lho.
Lalu, apa yang dimaksud dengan dinamika fluida? Yuk, lihat selengkapnya!
Definisi Cairan Dinamis
Fluida dinamis adalah fluida yang bergerak atau mengalir. Aliran fluida ini akan membentuk garis arus. Contoh jenis fluida adalah cair dan gas. Lalu, bagaimana dengan padatan? Padatan tidak dianggap cairan karena tidak dapat mengalir seperti cairan dan gas. Saat mendapat tekanan, padatan juga tidak mudah berubah bentuk.
Karakteristik Fluida Dinamis
Secara umum, fluida terbagi menjadi dua jenis, yaitu fluida statis dan fluida dinamis. Suatu fluida dikatakan dinamis jika memiliki ciri-ciri sebagai berikut.
- Sifatnya tidak kompresibel, artinya massa jenis fluida selalu dianggap sama ketika mengalami perubahan tekanan.
- Gerakan fluida dianggap bebas gesekan, artinya tidak memiliki viskositas.
- Jenis aliran fluida ini bersifat stasioner, artinya besar dan arah kecepatan partikel fluida selalu tetap pada titik tertentu.
- Stabil atau tidak terpengaruh oleh waktu, sehingga kecepatan pada titik tertentu selalu tetap dengan membentuk aliran laminar (aliran selalu sejajar dengan pipa).
Formula Cairan Dinamis
Aliran fluida dinamis dalam sebuah pipa dapat diuraikan secara rinci menjadi tiga pembahasan, yaitu debit fluida, prinsip kontinuitas, dan hukum Bernoulli. Apa bedanya ketiganya?
Pelepasan Cairan
Debit fluida adalah jumlah volume fluida yang keluar melalui pipa per satuan waktu. Discharge juga dapat dikatakan sebagai laju aliran fluida. Semakin besar volume yang keluar setiap detiknya, semakin besar debit cairannya. Artinya, debit hanya dimiliki oleh fluida yang bergerak. Secara matematis dapat dirumuskan sebagai berikut.
Deskripsi Rumus
Q = debit fluida (m3/S)
V = volume (m3)
t = waktu (s)
Perhatikan contoh berikut
Ani sedang mengeringkan bak mandinya. Setelah selesai, dia mengisi bak mandi sampai penuh. Waktu pengisian adalah 5 menit. Jika volume bak mandi Ani adalah 250 liter, berapa banyak air yang keluar?
Dikenal :
V = 250 liter = 0,25 m3
t = 5 menit = 300 detik
Ditanya: Q =…?
Menjawab
Debit air yang keluar dapat dicari dengan rumus berikut.
Q = V / T = 0,25 / 300 = 8,33 x 10-4 M3 / S
Jadi, debit air yang keluar adalah 8,33×10-4 M3/S.
Prinsip Kontinuitas
Prinsip kontinuitas adalah prinsip yang mengatur laju aliran fluida di dalam pipa. Menurut prinsip ini, fluida yang tunak dan tak termampatkan memiliki debit konstan di setiap titik sepanjang pipa. Artinya, laju aliran fluida akan berbanding terbalik dengan luas penampang pipa.
Semakin besar luas penampang pipa yang dilalui fluida, semakin kecil kecepatan fluida. Sebaliknya, semakin kecil luas penampang pipa, semakin besar kecepatan air. Secara matematis, prinsip kontinuitas dirumuskan sebagai berikut.
Rumus Dasar Kontinuitas v1 A1 = v1 A2
Deskripsi Rumus
ay1 = kecepatan fluida di bagian 1 (m/s)
ay2 = kecepatan fluida pada penampang 2 (m/s)
A1 = luas penampang 1 (m2)
A2 = luas penampang 2 (m2)
Hukum Kontinuitas Bernoulli
Hukum Bernoulli adalah hukum yang mengatur aliran fluida dalam pipa, tetapi kedua ujung pipa memiliki ketinggian yang berbeda. Contoh ketika petugas pemadam kebakaran mengangkat selang ke ketinggian tertentu untuk mencapai titik tujuannya. Perhatikan ilustrasi berikut.
Hukum Bernoulli
Dari gambar di atas diperoleh bahwa fluida akan bergerak lebih cepat ketika melewati penampang yang lebih kecil (A1). Secara matematis, rumus hukum Bernoulli dapat dinyatakan sebagai berikut.
Deskripsi Rumus
P = tekanan (N/m2)
ρ = massa jenis fluida (kg/m3)
H = tinggi pipa (m)
G = percepatan gravitasi (m/s2)
ay = kecepatan fluida (m/s)
Aplikasi Cairan Dinamis
Konsep dasar Hukum Bernoulli dapat diterapkan pada beberapa peralatan, seperti tangki air, tabung pitot, pipa venturimeter, dan sayap pesawat terbang. Lalu, seperti apa penerapannya?
Tangki air
Tentu Anda pernah melihat tangki air yang dilengkapi dengan keran bukan? Semakin rendah posisi kran dari permukaan tangki, semakin jauh jangkauan air.
Modul Fisika SMA
Tahukah kamu bahwa Hukum Bernoulli berlaku untuk tangki air jenis ini lho. Kecepatan air di titik 2 jauh lebih besar dibandingkan di titik 1. Hal ini dikarenakan luas penampang pipa di titik 2 jauh lebih kecil dibandingkan di titik 1. Secara matematis, kecepatan air yang keluar di titik 2 dapat dinyatakan sebagai berikut.
Deskripsi Rumus
ay2 = kecepatan air di titik 2 (m/s)
H = jarak tinggi antara lubang bocor dengan tinggi air dalam tangki (m)
G = percepatan gravitasi (m/s2)
tabung pitot
Tabung pitot adalah alat yang digunakan untuk mengukur kecepatan fluida gas. Di dalam tabung pitot terdapat manometer tabung U yang berisi cairan. Mekanisme kerja manometer ini didasarkan pada perbedaan ketinggian cairan di dalam tabung U.
Untuk mencari kecepatan fluida di dalam tabung, Quipperian dapat menggunakan rumus di bawah ini.
Deskripsi Rumus
v = kecepatan fluida (m/s)
G = percepatan gravitasi (m/s2)
H = selisih tinggi permukaan cairan pada manometer (m)
ρ = kerapatan gas (kg/m3)
ρ’= massa jenis cairan dalam manometer (kg/m3)
pipa venturimeter
Pipa venturimeter adalah alat yang digunakan untuk mengukur laju aliran fluida cair. Di dalam venturimeter terdapat pipa yang diameternya menyempit. Secara umum venturimeter terbagi menjadi dua yaitu venturimeter tanpa manometer dan dengan manometer. Untuk venturimeter tanpa manometer dapat dilihat pada gambar dibawah ini.
Modul Fisika SMA
Secara matematis, laju aliran fluida pada v1 dan v2 dirumuskan sebagai berikut.
Deskripsi Rumus
ay1 = kecepatan fluida di bagian 1 (m/s)
ay2 = kecepatan fluida pada penampang 2 (m/s)
A1 = luas penampang 1 (m2)
A2 = luas penampang 2 (m2)
h = selisih tinggi fluida (m)
Angkat Sayap Pesawat
Sayap pesawat merupakan salah satu komponen penting yang dapat membantu pesawat untuk terbang secara seimbang.
Modul Fisika SMA
Saat pesawat sedang terbang, sayap akan mengalami gaya angkat. Terjadinya gaya angkat ini disebabkan oleh perbedaan tekanan di bagian bawah dan atas sayap, sehingga kecepatan udara di bagian atas dan bawah juga berbeda. Secara matematis, rumus lift pesawat dapat dinyatakan sebagai berikut.
Deskripsi Rumus
ay1 = kecepatan udara di atas sayap (m/s)
ay2 = kecepatan udara di bawah sayap (m/s)
ρ = massa jenis udara (kg/m3)
A = luas penampang sayap (m2)
Contoh Soal Fluida Dinamis
Agar Anda lebih memahaminya, mari kita lihat contoh soal di bawah ini.
Contoh Soal 1
Hari memiliki pipa yang menyempit di ujungnya. Diameter pipa lebar dan sempit masing-masing 6 cm dan 2 cm. Jika kecepatan air melalui pipa lebar adalah 5 m/s, tentukan kecepatan air melalui pipa sempit!
Dikenal :
D1 = 6 cm
D2 = 2 cm
ay1 = 5m/s
Ditanya:v2 =…?
Menjawab
Untuk menentukan kecepatan air saat melewati pipa sempit, gunakan persamaan kontinuitas dasar berikut.
Jadi, kecepatan air melalui pipa sempit tersebut adalah 45 m/s.
Contoh Soal 2
Seorang peneliti ingin menggunakan tabung pitot untuk mengukur laju gas oksigen. Menurut literatur yang diperoleh peneliti, massa jenis gas oksigen adalah 0,5 gr/cm3. Massa jenis zat cair yang digunakan dalam manometer pitot adalah 800 kg/m3 dan selisih tinggi pada menometer adalah 120 cm, tentukan laju gas oksigen!
Dikenal :
g = 10m/s2
t = 120 cm = 0,12 m
ρ = 0,5 g/cm33 = 500kg/m3
ρ’ = 800 kg/m3
Ditanya: v =…?
Menjawab
Anda dapat menentukan laju gas oksigen dalam silinder menggunakan rumus berikut
Jadi, kecepatan terukur gas oksigen adalah 2 m/s.
Contoh Soal 3
Sebuah pesawat terbang memiliki luas sayap 50 m2. Kecepatan udara di bagian atas sayap adalah 310 m/s dan kecepatan di udara di bagian bawah sayap adalah 300 m/s. Jika massa jenis udara 1,3 kg/m3berapakah gaya angkat pesawat tersebut?
Dikenal :
ay1 = 310m/s
ay2 = 300m/s
ρ = 1,3 kg/m3
L = 50 m2
Ditanya: F =…?
Menjawab
Jadi, gaya angkat pesawat adalah 198,250 N
Itulah pembahasan Quipper Blog kali ini. Semoga bermanfaat, ya. Jika Quipperian ingin mendapatkan materi lengkapnya, silahkan bergabung dengan Quipper Video. Salam Quippers!
