Hai Quipperian, hayo siapa di antara Quipperian yang hobi menyiram tanaman menggunakan selang? Untuk menjangkau tanaman yang jauh, biasanya kamu akan menyumbat sebagian mulut selang dengan jarimu, kan?
Saat sebagian mulut selang kamu sumbat, pasti kecepatan gerak airnya akan semakin besar. Di dalam Fisika, kondisi semacam itu dipelajari dalam fluida dinamis, lho.
Lalu, apa yang dimaksud fluida dinamis? Yuk, simak selengkapnya!
Pengertian Fluida Dinamis
Fluida dinamis adalah fluida yang bergerak atau mengalir. Aliran fluida ini akan membentuk garis-garis arus. Contoh jenis fluida adalah zat cair dan gas. Lalu, bagaimana dengan zat padat? Zat padat tidak termasuk fluida karena tidak bisa mengalir seperti zat cair dan gas. Saat mendapatkan tekanan, zat padat juga tidak mudah terdeformasi.
Ciri-Ciri Fluida Dinamis
Secara umum, fluida dibagi menjadi dua jenis, yaitu fluida statis dan dinamis. Suatu fluida dikatakan dinamis jika memiliki ciri-ciri seperti berikut.
- Tidak kompresibel, artinya densitas fluida dianggap selalu tetap saat mengalami perubahan tekanan.
- Gerakan fluida dianggap bebas gesekan, artinya tidak memiliki kekentalan.
- Jenis aliran fluida stasioner, artinya besar dan arah kecepatan partikel fluida selalu tetap di suatu titik tertentu.
- Bersifat tunak atau tidak dipengaruhi oleh waktu, sehingga kecepatannya di titik tertentu selalu tetap dengan membentuk aliran laminer (alirannya selalu sejajar pipa).
Baca Juga: Materi Fluida Statis, Fisika Kelas 11
Rumus Fluida Dinamis
Aliran fluida dinamis di dalam suatu pipa bisa dijabarkan secara terperinci ke dalam tiga pembahasan, yaitu debit fluida, asas kontinuitas, dan Hukum Bernoulli. Apa perbedaan antara ketiganya?
Debit Fluida
Debit fluida adalah besarnya volume fluida yang keluar melalui suatu pipa tiap satuan waktu. Debit juga bisa dikatakan sebagai laju aliran fluida. Semakin besar volume yang keluar setiap detik, semakin besar debit fluidanya. Itu artinya, debit hanya dimiliki oleh fluida yang bergerak. Secara matematis, bisa dirumuskan sebagai berikut.
Keterangan Rumus
Q = debit fluida (m3/s)
V = volume (m3)
t = waktu (s)
Perhatikan contoh berikut
Ani sedang menguras bak mandinya. Setelah selesai, ia mengisi bak mandi hingga penuh. Lamanya pengisian itu adalah 5 menit. Jika volume bak mandi Ani 250 liter, berapakah debit air yang keluar?
Diketahui :
V = 250 liter = 0,25 m3
t = 5 menit = 300 s
Ditanya: Q =…?
Jawaban
Debit air yang keluar bisa 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.
Asas Kontinuitas
Asas kontinuitas adalah asas yang mengatur laju aliran fluida di dalam pipa. Menurut asas ini, fluida yang tunak dan tidak termampatkan memiliki debit yang selalu tetap di setiap titik di sepanjang pipa. Itu artinya, laju aliran fluida akan berbanding terbalik dengan luas penampang pipanya.
Semakin besar luas penampang pipa yang dilewati fluida, semakin kecil kelajuan fluidanya. Sebaliknya, semakin kecil luas penampang pipa, semakin besar kelajuan airnya. Secara matematis, asas kontinuitas dirumuskan sebagai berikut.
Rumus Asas Kontinuitas v1 A1 = v1 A2
Keterangan Rumus
v1 = kelajuan fluida di penampang 1 (m/s)
v2 = kelajuan fluida di penampang 2 (m/s)
A1 = luas penampang 1 (m2)
A2 = luas penampang 2 (m2)
Hukum Bernoulli Kontinuitas
Hukum Bernoulli adalah hukum yang mengatur laju fluida di dalam pipa, tapi kedua ujung pipanya memiliki perbedaan ketinggian. Contoh saat seorang pemadam kebakaran mengangkat selang hingga ketinggian tertentu untuk mencapai titik tujuannya. Perhatikan ilustrasi berikut.
Dari gambar di atas, diperoleh bahwa fluida akan bergerak lebih cepat saat melalui penampang yang lebih kecil (A1). Secara matematis, rumus hukum Bernoulli bisa dinyatakan sebagai berikut.
Keterangan Rumus
P = tekanan (N/m2)
ρ = massa jenis fluida (kg/m3)
h = ketinggian pipa (m)
g = percepatan gravitasi (m/s2)
v = kecepatan fluida (m/s)
Penerapan Fluida Dinamis
Konsep dasar Hukum Bernoulli bisa diterapkan pada beberapa peralatan, seperti tangki air, tabung pitot, pipa venturimeter, dan sayap pesawat terbang. Lalu, seperti apa penerapannya?
Tangki air
Tentu kamu pernah melihat tangki air yang dilengkapi dengan kran, kan? Semakin ke bawah posisi kran dari permukaan tangki, semakin jauh daya jangkau airnya.
Tahukah kamu jika pada tangki air semacam ini berlaku Hukum Bernoulli, lho. Kelajuan air di titik 2 jauh lebih besar daripada di titik 1. Hal itu karena luas penampang pipa di titik 2 jauh lebih kecil daripada di titik 1. Secara matematis, kelajuan air yang keluar di titik 2 bisa dinyatakan sebagai berikut.
Keterangan Rumus
v2 = kelajuan air di titik 2 (m/s)
h = jarak ketinggian antara lubang kebocoran dan tinggi air di dalam tangki (m)
g = percepatan gravitasi (m/s2)
Tabung Pitot
Tabung pitot adalah alat yang digunakan untuk mengukur kelajuan fluida gas. Di dalam tabung pitot, terdapat manometer tabung U yang berisi zat cair. Mekanisme kerja manometer ini berdasarkan selisih ketinggian zat cair pada tabung U.
Untuk mencari kelajuan fluida di dalam tabung tersebut, Quipperian bisa menggunakan rumus di bawah ini.
Keterangan Rumus
v = kelajuan fluida (m/s)
g = percepatan gravitasi (m/s2)
h = selisih ketinggian cairan pada manometer (m)
ρ = massa jenis gas (kg/m3)
ρ’ = massa jenis zat cair di 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 dibagi menjadi dua, yaitu venturimeter tanpa manometer dan dengan manometer. Untuk venturimeter tanpa manometer, bisa kamu lihat pada gambar di bawah ini.
Secara matematis, laju aliran fluida di v1 dan v2 dirumuskan sebagai berikut.
Keterangan Rumus
v1 = kelajuan fluida di penampang 1 (m/s)
v2 = kelajuan fluida di penampang 2 (m/s)
A1 = luas penampang 1 (m2)
A2 = luas penampang 2 (m2)
h = selisih ketinggian fluida (m)
Gaya Angkat Sayap Pesawat
Sayap pesawat merupakan salah satu komponen penting yang bisa membantu pesawat untuk terbang secara seimbang.
Saat pesawat sedang terbang, bagian sayap akan mengalami gaya angkat. Terjadinya gaya angkat ini disebabkan oleh perbedaan tekanan di bagian bawah dan atas sayap, sehingga kelajuan udara di bagian atas dan bawah juga berbeda. Secara matematis, rumus gaya angkat pesawat bisa dinyatakan sebagai berikut.
Keterangan Rumus
v1 = kelajuan udara di atas sayap (m/s)
v2 = kelajuan udara di bawah sayap (m/s)
ρ = massa jenis udara (kg/m3)
A = luas penampang sayap (m2)
Contoh Soal Fluida Dinamis
Agar kamu semakin paham, yuk simak contoh soal di bawah ini.
Contoh Soal 1
Hari memiliki pipa yang menyempit di bagian ujungnya. Dimater pipa lebar dan sempitnya berturut-turut adalah 6 cm dan 2 cm. Jika kelajuan air saat melalui pipa yang lebar adalah 5 m/s, tentukan kelajuan air saat melalui pipa yang sempit!
Diketahui :
d1 = 6 cm
d2 = 2 cm
v1 = 5 m/s
Ditanya: v2 =…?
Jawaban
Untuk menentukan kelajuan air saat melalui pipa yang sempit, gunakan persamaan asas kontinuitas berikut.
Jadi, kelajuan air saat melalui pipa yang sempit adalah 45 m/s.
Contoh Soal 2
Seorang peneliti hendak menggunakan tabung pitot untuk mengukur laju gas oksigen. Menurut literatur yang diperoleh peneliti tersebut, massa jenis gas oksigen adalah 0,5 gr/cm3. Jika massa jenis zat cair yang digunakan pada manometer pitotnya 800 kg/m3 dan perbedaan ketinggian pada menometernya 120 cm, tentukan laju gas oksigen tersebut!
Diketahui :
g = 10 m/s2
h = 120 cm = 0,12 m
ρ = 0,5 g/cm3 = 500 kg/m3
ρ’ = 800 kg/m3
Ditanya: v =…?
Jawaban
Laju gas oksigen di dalam tabung bisa kamu tentukan dengan rumus berikut
Jadi, kelajuan gas oksigen yang terukur adalah 2 m/s.
Contoh Soal 3
Sebuah pesawat memiliki luas penampang sayap 50 m2. Kelajuan udara di bagian atas sayap adalah 310 m/s dan kelajuan di udara di bagian bawah sayapnya 300 m/s. Jika massa jenis udaranya 1,3 kg/m3, berapakah gaya angkat pesawatnya?
Diketahui :
v1 = 310 m/s
v2 = 300 m/s
ρ = 1,3 kg/m3
A = 50 m2
Ditanya: F =…?
Jawaban
Jadi, gaya angkat pesawat tersebut adalah 198.250 N
Itulah pembahasan Quipper Blog kali ini. Semoga bermanfaat, ya. Jika Quipperian ingin mendapatkan materi lengkapnya, silahkan gabung bareng Quipper Video. Salam Quipper!