FLUIDA STATIK DAN DINAMIS
FLUIDA
Fluida adalah zat yang dapat mengalir. Kata Fluida mencakup zat car, air dan gas karena kedua zat ini dapat mengalir, sebaliknya batu dan benda-benda keras atau seluruh zat padat tidak digolongkan kedalam fluida karena tidak bisa mengalir.
Susu, minyak pelumas, dan air merupakan contoh zat cair. dan Semua zat cair itu dapat dikelompokan ke dalam fluida karena sifatnya yang dapat mengalir dari satu tempat ke tempat yang lain. Selain zat cair, zat gas juga termasuk fluida. Zat gas juga dapat mengalir dari satu satu tempat ke tempat lain. Hembusan angin merupakan contoh udara yang berpindah dari satu tempat ke tempat lain.
Fluida merupakan salah satu aspek yang penting dalam kehidupan sehari-hari. Setiap hari manusia menghirupnya, meminumnya, terapung atau tenggelam di dalamnya. Setiap hari pesawat udara terbang melaluinya dan kapal laut mengapung di atasnya. Demikian juga kapal selam dapat mengapung atau melayang di dalamnya. Air yang diminum dan udara yang dihirup juga bersirkulasi di dalam tubuh manusia setiap saat meskipun sering tidak disadari.
Fluida ini dapat kita bagi menjadi dua bagian yakni:
1. Fluida statis
2. Fluida Dinamis
1. FLUIDA STATIS
Fluida Statis adalah fluida yang berada dalam fase tidak bergerak (diam) atau fluida dalam keadaan bergerak tetapi tak ada perbedaan kecepatan antar partikel fluida tersebut atau bisa dikatakan bahwa partikel-partikel fluida tersebut bergerak dengan kecepatan seragam sehingga tidak memiliki gaya geser.
Contoh fenomena fluida statis dapat dibagi menjadi statis sederhana dan tidak sederhana. Contoh fluida yang diam secara sederhana adalah air di bak yang tidak dikenai gaya oleh gaya apapun, seperti gaya angin, panas, dan lain-lain yang mengakibatkan air tersebut bergerak. Contoh fluida statis yang tidak sederhana adalah air sungai yang memiliki kecepatan seragam pada tiap partikel di berbagai lapisan dari permukaan sampai dasar sungai.
Cairan yang berada dalam bejana mengalami gaya-gaya yang seimbang sehingga cairan itu tidak mengalir. Gaya dari sebelah kiri diimbangi dengan gaya dari sebelah kanan, gaya dari atas ditahan dari bawah. Cairan yang massanya M menekan dasar bejana dengan gaya sebesar Mg. Gaya ini tersebar merata pada seluruh permukaan dasar bejana. Selama cairan itu tidak mengalir (dalam keadaan statis), pada cairan tidak ada gaya geseran sehingga hanya melakukan gaya ke bawah oleh akibat berat cairan dalam kolom tersebut.
Sifat- Sifat Fluida
Sifat fisis fluida dapat ditentukan dan dipahami lebih jelas saat fluida berada dalam keadaan diam (statis). Sifat-sifat fisis fluida statis ini di antaranya, massa jenis, tegangan permukaan, kapilaritas, dan viskositas.
1. Massa Jenis
Pernahkah Anda membandingkan berat antara kayu dan besi? Benarkah pernyataan bahwa besi lebih berat daripada kayu? Pernyataan tersebut tentunya kurang tepat, karena segelondong kayu yang besar jauh lebih berat daripada sebuah bola besi. Pernyataan yang tepat untuk perbandingan antara kayu dan besi tersebut, yaitu besi lebih padat daripada kayu. Anda tentu masih ingat, bahwa setiap benda memiliki kerapatan massa yang berbeda-beda serta merupakan sifat alami dari benda tersebut. Dalam Fisika, ukuran kepadatan (densitas) benda homogen disebut massa jenis, yaitu massa per satuan volume. Jadi massa jenis adalah pengukuran massa setiap satuan volume benda. Semakin tinggi massa jenis suatu benda, maka semakin besar pula massa setiap volumenya. Massa jenis rata-rata setiap benda merupakan total massa dibagi dengan total volumenya. Sebuah benda yang memiliki massa jenis lebih tinggi (misalnya besi) akan memiliki volume yang lebih rendah daripada benda bermassa sama yang memiliki massa jenis lebih rendah (misalnya air).
Satuan SI massa jenis adalah kilogram per meter kubik (kg·m-3)
Massa jenis berfungsi untuk menentukan zat. Setiap zat memiliki massa jenis yang berbeda. Dan satu zat berapapun massanya berapapun volumenya akan memiliki massa jenis yang sama.
Secara matematis, massa jenis dituliskan sebagai berikut.
dengan: m = massa (kg atau g),
V = volume (m3 atau cm3), dan
ρ = massa jenis (kg/m3 atau g/cm3).
Jenis beberapa bahan dan massa jenisnya dapat dilihat pada Tabel berikut.
Tabel Massa Jenis atau Kerapatan Massa (Density)
Bahan
Massa Jenis (g/cm3)
Nama Bahan
Massa Jenis (g/cm3)
Air
1,00
Gliserin
1,26
Aluminium
2,7
Kuningan
8,6
Baja
7,8
Perak
10,5
Benzena
0,9
Platina
21,4
Besi
7,8
Raksa
13,6
Emas
19,3
Tembaga
8,9
Es
0,92
Timah Hitam
11,3
Etil Alkohol
0,81
Udara
0,0012
2. Tegangan permukaan
Mari kita amati sebatang jarum atau sebuah silet yang kita buat terapung di permukaan air sebagai benda yang mengalami tegangan permukaan. Tegangan permukaan disebabkan oleh interaksi molekul-molekul zat cair dipermukaan zat cair. Di bagian dalam cairan sebuah molekul dikelilingi oleh molekul lain disekitarnya, tetapi di permukaan cairan tidak ada molekul lain dibagian atas molekul cairan itu. Hal ini menyebabkan timbulnya gaya pemulih yang menarik molekul apabila molekul itu dinaikan menjauhi permukaan, oleh molekul yang ada di bagian bawah permukaan cairan.
Sebaliknya jika molekul di permukaan cairan ditekan, dalam hal ini diberi jarum atau silet, molekul bagian bawah permukaan akan memberikan gaya pemulih yang arahnya ke atas, sehingga gaya pemulih ke atas ini dapat menopang jarum atau silet tetap di permukaan air tanpa tenggelam.
Gaya ke atas untuk menopang jarum atau silet agar tidak tenggelam merupakan perkalian koefisien tegangan permukaan dengan dua kali panjang jarum. Panjang jarum disini adalah permukaan yang bersentuhan dengan zat cair.
Jadi dapat kita simpulkan bahwa pengertian dari tegangan permukaan adalah kecenderungan permukaan zat cair untuk menegang, sehingga permukaannya seperti ditutupi oleh suatu lapisan elastis.
3. Kapilaritas
Tegangan permukaan ternyata juga mempunyai peranan pada fenomena menarik, yaitu kapilaritas. Contoh peristiwa yang menunjukkan kapilaritas adalah minyak tanah, yang dapat naik melalui sumbu kompor. Selain itu, dinding rumah kita pada musim hujan dapat basah juga terjadi karena adanya gejala kapilaritas.
Untuk membahas kapilaritas, kita perhatikan sebuah pipa kaca dengan diameter kecil (pipa kapiler) yang ujungnya terbuka saat dimasukkan ke dalam bejana berisi air. Kita dapat menyaksikan bahwa permukaan air dalam pipa akan naik. Lain hasilnya jika kita mencelupkan pipa tersebut ke dalam bejana berisi air raksa. Permukaan air raksa dalam tabung akan turun atau lebih rendah daripada permukaan air raksa dalam bejana. Gejala inilah yang disebut dengan gejala kapilaritas.
Pada kejadian ini, pipa yang digunakan adalah pipa kapiler. Oleh karena itu, gejala kapilaritas adalah gejala naik turunnya zat cair dalam pipa kapiler. Permukaan zat cair yang berbentuk cekung atau cembung disebut meniskus. Permukaan air pada dinding kaca yang berbentuk cekung disebut meniskus cekung, sedangkan permukaan air raksa yang berbentuk cembung disebut meniskus cembung.
Penyebab dari gejala kapiler adalah adanya adhesi dan kohesi. Kohesi adalah gaya tarik menarik antar molekul yang sama jenisnya. Gaya ini menyebabkan antara zat yang satu dengan yang lain tidak dapat menempel karena molekulnya saling tolak menolak.
sedangkan adhesi adalah gaya tarik menarik antar molekul yang berbeda jenisnya. Gaya ini menyebabkan antara zat yang satu dengan yang lain dapat menempel dengan baik karena molekulnya saling tarik menarik atau merekat.
Pada gejala kapilaritas pada air, air dalam pipa kapiler naik karena adhesi antara partikel air dengan kaca lebih besar daripada kohesi antar partikel airnya. Sebaliknya, pada gejala kapilaritas air raksa, adhesi air raksa dengan kaca lebih kecil daripada kohesi antar partikel air raksa. Oleh karena itu, sudut kontak antara air raksa dengan dinding kaca akan lebih besar daripada sudut kontak air dengan dinding kaca.
Kenaikan atau penurunan zat cair pada pipa kapiler disebabkan oleh adanya tegangan permukaan yang bekerja pada keliling persentuhan zat cair dengan pipa.
Berikut ini beberapa contoh yang menunjukkan gejala kapilaritas dalam kehidupan sehari-hari:
a. Naiknya minyak tanah melalui sumbu kompor sehingga kompor bisa dinyalakan.
b. Kain dan kertas isap dapat menghisap cairan.
c. Air dari akar dapat naik pada batang pohon melalui pembuluh kayu.
Selain keuntungan, kapilaritas dapat menimbulkan beberapa masalah berikut ini :
Air hujan merembes dari dinding luar, sehingga dinding dalam juga basah.
Air dari dinding bawah rumah merembes naik melalui batu bata menuju ke atas sehingga dinding rumah lembab.
4. Viskositas
Viskositas merupakan pengukuran dari ketahanan fluida yang diubah baik dengan tekanan maupun tegangan. Pada masalah sehari-hari (dan hanya untuk fluida), viskositas adalah "Ketebalan" atau "pergesekan internal". Oleh karena itu, air yang "tipis", memiliki viskositas lebih rendah, sedangkan madu yang "tebal", memiliki viskositas yang lebih tinggi. Sederhananya, semakin rendah viskositas suatu fluida, semakin besar juga pergerakan dari fluida tersebut. Viskositas menjelaskan ketahanan internal fluida untuk mengalir dan mungkin dapat dipikirkan sebagai pengukuran dari pergeseran fluida.
Seluruh fluida (kecuali superfluida) memiliki ketahanan dari tekanan dan oleh karena itu disebut kental, tetapi fluida yang tidak memiliki ketahanan tekanan dan tegangan disebut fluide ideal.
Tekanan Hidrostatis
Masih ingatkah Anda definisi tekanan? Tekanan adalah gaya yang bekerja tegak lurus pada suatu permukaan bidang dan dibagi luas permukaan bidang tersebut. Secara matematis, persamaan tekanan dituliskan sebagai berikut.
p= F/ A
dengan: F = gaya (N),
A = luas permukaan (m2), dan
p = tekanan (N/m2 = Pascal).
Persamaan diatas menyatakan bahwa tekanan p berbanding terbalik dengan luas permukaan bidang tempat gaya bekerja. Jadi, untuk besar gaya yang sama, luas bidang yang kecil akan mendapatkan tekanan yang lebih besar daripada luas bidang yang besar.
Tekanan Hidrostatis adalah tekanan yang terjadi di bawah air. Tekanan hidrostatis disebabkan oleh fluida tak bergerak. Tekanan hidrostatis yang dialami oleh suatu titik di dalam fluida diakibatkan oleh gaya berat fluida yang berada di atas titik tersebut. Jika besarnya tekanan hidrostatis pada dasar tabung adalah p, menurut konsep tekanan, besarnya p dapat dihitung dari perbandingan antara gaya berat fluida (F) dan luas permukaan bejana (A).
p= F/A
Gaya berat fluida merupakan perkalian antara massa fluida dengan percepatan gravitasi Bumi, ditulis
p= massa x gravitasi bumi / A
Oleh karena m = ρ V, persamaan tekanan oleh fluida dituliskan sebagai
p = ρVg / A
Volume fluida di dalam bejana merupakan hasil perkalian antara luas permukaan bejana (A) dan tinggi fluida dalam bejana (h). Oleh karena itu, persamaan tekanan di dasar bejana akibat fluida setinggi h dapat dituliskan menjadi
p= ρ(Ah) g / A = ρ h g
Jika tekanan hidrostatis dilambangkan dengan ph, persamaannya dituliskan sebagai berikut.
Ph = ρ g h
ph = tekanan hidrostatis (N/m2),
ρ = massa jenis fluida (kg/m3),
g = percepatan gravitasi (m/s2), dan
h = kedalaman titik dari permukaan fluida (m).
Semakin tinggi dari permukaan Bumi, tekanan udara akan semakin berkurang. Sebaliknya, semakin dalam Anda menyelam dari permukaan laut atau danau, tekanan hidrostatis akan semakin bertambah. Mengapa demikian? Hal tersebut disebabkan oleh gaya berat yang dihasilkan oleh udara dan zat cair. Anda telah mengetahui bahwa lapisan udara akan semakin tipis seiring bertambahnya ketinggian dari permukaan Bumi sehingga tekanan udara akan berkurang jika ketinggian bertambah. Adapun untuk zat cair, massanya akan semakin besar seiring dengan bertambahnya kedalaman. Oleh karena itu, tekanan hidrostatis akan bertambah jika kedalaman bertambah.
Contoh menghitung tekanan hidrostatis
Tabung setinggi 30 cm diisi penuh dengan fluida. Tentukanlah tekanan hidrostatis pada dasar tabung, jika g = 10 m/s2 dan tabung berisi:
a. air,
b. raksa, dan
c. gliserin.
Gunakan data massa jenis pada Tabel
Jawab
Diketahui: h = 30 cm dan g = 10 m/s2.
Ditanya : a. Ph air
b. Ph raksa
c. Ph gliserin
Jawab :
a. Tekanan hidrostatis pada dasar tabung yang berisi air:
Ph = ρ gh = (1.000 kg/m3) (10 m/s2) (0,3 m) = 3.000 N/m2
b. Tekanan hidrostatis pada dasar tabung yang berisi air raksa:
Ph = ρ gh = (13.600 kg/m3) (10 m/s2) (0,3 m) = 40.800 N/m2
c. Tekanan hidrostatis pada dasar tabung yang berisi gliserin:
Ph = ρ gh = (1.260 kg/m3) (10 m/s2) (0,3 m) = 3.780 N/m2
Prinsip tekanan hidrostatis ini digunakan pada alat-alat pengukur tekanan. Alat-alat pengukur tekanan yang digunakan untuk mengukur tekanan gas, di antaranya sebagai berikut.
a. Manometer Pipa Terbuka
Manometer pipa terbuka adalah alat pengukur tekanan gas yang paling sederhana. Alat ini berupa pipa berbentuk U yang berisi zat cair. Ujung yang satu mendapat tekanan sebesar p (dari gas yang hendak diukur tekanannya) dan ujung lainnya berhubungan dengan tekanan atmosfir (p0).
b. Barometer
Barometer raksa ini ditemukan pada 1643 oleh Evangelista Torricelli, seorang ahli Fisika dan Matematika dari Italia. Barometer adalah alat untuk mengukur tekanan udara. Barometer umum digunakan dalam peramalan cuaca, dimana tekanan udara yang tinggi menandakan cuaca bersahabat, sedangkan tekanan udara rendah menandakan kemungkinan badai. Ia mendefinisikan tekanan atmosfir dalam bukunya yang berjudul “A Unit of Measurement, The Torr” Tekanan atmosfer (1 atm) sama dengan tekanan hidrostatis raksa (mercury) yang tingginya 760 mm. Cara mengonversikan satuannya adalah sebagai berikut.
ρ raksa × percepatan gravitasi Bumi × panjang raksa dalam tabung atau
(13.600 kg/cm3 )(9,8 m/s2)(0,76 m) = 1,103 × 105 N/m2
Jadi, 1 atm = 76 cmHg = 1,013 × 105 N/m2
c. Pengukur Tekanan Ban
Alat ini digunakan untuk mengukur tekanan udara di dalam ban. Bentuknya berupa silinder panjang yang di dalamnya terdapat pegas. Saat ujungnya ditekankan pada pentil ban, tekanan udara dari dalam ban akan masuk ke dalam silinder dan menekan pegas. Besarnya tekanan yang diterima oleh pegas akan diteruskan ke ujung lain dari silinder yang dihubungkan dengan skala. Skala ini telah dikalibrasi sehingga dapat menunjukkan nilai selisih tekanan udara luar (atmosfer) dengan tekanan udara dalam ban.
MEKANIKA FLUIDA
Mekanika fluida adalah subdisiplin dari mekanika kontinum yang mempelajari fluida (yang dapat berupa cairan dan gas). Mekanika fluida dapat dibagi menjadi fluida statik dan fluida dinamik. Fluida statis mempelajari fluida pada keadaan diam sementara fluida dinamis mempelajari fluida yang bergerak.
Fluida Newtonian vs. non-Newtonian
Sebuah Fluida Newtonian (dinamakan dari Isaac Newton) didefinisikan sebagai fluida yang tegangan gesernya berbanding lurus secara linier dengan gradien kecepatan pada arah tegak lurus dengan bidang geser. Definisi ini memiliki arti bahwa fluida newtonian akan mengalir terus tanpa dipengaruhi gaya-gaya yang bekerja pada fluida. Sebagai contoh, air adalah fluida Newtonian karena air memiliki properti fluida sekalipun pada keadaan diaduk. Sebaliknya, bila fluida non-Newtonian diaduk, akan tersisa suatu "lubang". Lubang ini akan terisi seiring dengan berjalannya waktu. Sifat seperti ini dapat teramati pada material-material seperti puding. Peristiwa lain yang terjadi saat fluida non-Newtonian diaduk adalah penurunan viskositas yang menyebabkan fluida tampak "lebih tipis" (dapat dilihat pada cat). Ada banyak tipe fluida non-Newtonian yang kesemuanya memiliki properti tertentu yang berubah pada keadaan tertentu.
Persamaan pada fluida Newtonian
Konstanta yang menghubungkan tegangan geser dan gradien kecepatan secara linier dikenal dengan istilah viskositas. Persamaan yang menggambarkan perlakuan fluida Newtonian adalah:
di mana
τ adalah tegangan geser yang dihasilkan oleh fluida
μ adalah viskositas fluida-sebuah konstanta proporsionalitas
adalah gradien kecepatan yang tegak lurus dengan arah geseran
Viskositas pada fluida Newtonian secara definisi hanya bergantung pada temperatur dan tekanan dan tidak bergantung pada gaya-gaya yang bekerja pada fluida. Jika fluida bersifat inkompresibel dan viskositas bernilai tetap di seluruh bagian fluida, persamaan yang menggambarkan tegangan geser (dalam koordinat kartesian) adalah
di mana
τij adalah tegangan geser pada bidang ith dengan arah jth
vi adalah kecepatan pada arah ith
xj adalah koordinat berarah jth
Jika suatu fluida tidak memenuhi hubungan ini, fluida ini disebut fluida non-Newtonian.
ALIRAN FLUIDA
Aliran fluida dapat diaktegorikan:
1. Aliran laminar
Aliran dengan fluida yang bergerak dalam lapisan – lapisan, atau lamina – lamina dengan satu lapisan meluncur secara lancar . Dalam aliran laminar ini viskositas berfungsi untuk meredam kecendrungan terjadinya gerakan relative antara lapisan. Sehingga aliran laminar memenuhi hukum viskositas Newton
2. Aliran turbulen
Aliran dimana pergerakan dari partikel – partikel fluida sangat tidak menentu karena mengalami percampuran serta putaran partikel antar lapisan, yang mengakibatkan saling tukar momentum dari satu bagian fluida kebagian fluida yang lain dalam skala yang besar. Dalam keadaan aliran turbulen maka turbulensi yang terjadi membangkitkan tegangan geser yang merata diseluruh fluida sehingga menghasilkan kerugian – kerugian aliran.
3. Aliran transisi
Aliran transisi merupakan aliran peralihan dari aliran laminar ke aliran turbulen.
KONSEP DASAR
Bilangan Reynolds
Bilangan Reynolds merupakan bilangan tak berdimensi yang dapat membedakan suatu Dilihat dari kecepatan aliran, menurut (Mr. Reynolds) diasumsikan/dikategorikanlaminar bila aliran tersebut mempunyai bilangan Re kurang dari 2300, Untuk aliran transisi berada pada pada bilangan Re 2300 dan 4000 biasa juga disebut sebagai bilangan.
Viskositas
Viskositas fluida merupakan ukuran ketahanan sebuah fluida terhadap deformasi atau perubahan bentuk. Viskositas dipengaruhi oleh temperatur, tekanan, kohesi dan laju perpindahan momentum molekularnya. Viskositas zat cair cenderung menurun dengan seiring bertambahnya kenaikan temperatur hal ini disebabkan gaya – gaya kohesi pada zat cair bila dipanaskan akan mengalami penurunan dengan semakin bertambahnya temperatur pada zat cair yang menyebabkan berturunya viskositas dari zat cair tersebut.
Rapat jenis (density )
Density atau rapat jenis (ρ) suatu zat adalah ukuran untuk konsentrasi zat tersebut dan dinyatakan dalam massa persatuan volume; sifat ini ditentukan dengan cara menghitung nilai density dapat dipengaruhi oleh temperatur semakin tinggi temperatur maka kerapatan suatu fluida semakin berkurang karena disebabkan gaya kohesi dari molekul – molekul fluida semakin berkurang.
Koefisien Gesek
Koefisien gesek dipengaruhi oleh kecepatan, karena distribusi kecepatan pada aliran laminar dan aliran turbulen berbeda, maka koefisien gesek erbeda pula untuk masing – masing jenis aliran. Reynolds kritis, sedangkan aliran turbulen mempunyai bilangan Re lebih dari 4000.
TEKANAN DALAM FLUIDA
Misalkan kita sedang berendam di dalam air, apa yang kita rasakan? Seolah-olah air menekan seluruh tubuh kita yang bersentuhan dengan air. Tekanan ini semakin besar apabila kita masuk lebih dalam ke dalam air. Fenomena apa yang ada dibalik peristiwa ini. Pernyataan ini mengandung pengertian bahwa fluida memberikan tekanan terhadap benda yang berada di dalamnya. Pengertian ini diperluas menjadi tekanan pada fluida tergantung pada ketebalannya atau lebih tepatnya kedalamannya. Udara/atmosfer terdiri dari gas-gas yang juga merupakan bentuk dari fluida. Maka udara juga akan memiliki tekanan seperti definisi di atas. Tekanan udara kita anggap sama untuk ketinggian tertentu di atas bumi namun untuk ketinggian yang sangat tinggi di atas permukaan bumi besarnya menjadi berbeda.
FLUIDA ELEKTRO-REOLOGI
Mungkin, yang pertama kali melakukan percobaan pembuatan dan penerapan cairan fluida yang merespon kondisi luarnya adalah Pak Winslow pada tahun 1940. Kenapa saya awali dengan “mungkin”? Sebab ide atau niatan membuat fluida pintar ini sudah ada sejak 150 tahun yang lalu. Lalu Pak Winslow lah yang berhasil melakukan percobaan pembuatannya. Kebanyakan fluida elektro-reologi merupakan dispersi dari partikel dielectric yang tersuspensi pada non-conducting liquid (cairan yang bersifat bukan konduksi, alias tidak mampu hantar listrik). Mudahnya, anda punya partikel (bulet kecil-kecil) dari bahan dielectrik kemudian dicampur dengan cairan tak mampu hantar listrik, misal silicone-oils, hingga sifat campuran seperti suspensi. Itulah fluida elektro-reologi.
Yield stress, tegangan geser, yaitu gaya luar yang diperlukan untuk menggeser fluida tersebut, dari keadaan diam kemudian mengalir. Fluida elektro-reologi mula-mula mempunyai nilai yield stress relatif kecil, ya iyalah…cairan gitu loh… Namun ketika medan listrik dari luar diaplikasikan, nilai yield stress-nya menjadi meningkat dengan drastis, alias susah untuk mengalir. Mekanisme yang sering digunakan untuk menjelaskan fenomena ini adalah ketika medan listrik luar (ordenya sekitar kV/mm) diaplikasikan kepada fluida elektro-reologi, menimbulkan efek dipole (pe-dua-kutub-an) dari dielektrik partikel yang tersuspensi dalam cairan tsb. Berubahnya sifat dialektrik partikel hingga mempunyai kutub ini menyebabkan partikel kecil-kecil saling mendekat satu sama lainnya, sesusai sifat kutub masing-masing.
Sehingga terciptalah rantai/susunan partikel searah dengan medan listrik. Lihat animasi diawal artikel. Bentuk daripada susunan rapi jajaran partikel yang berbentuk seperti rantai inilah yang menyebabkan nilai yield stress menjadi naik secara dramatis. Definisi pendahuluan tentang fluida pintar jenis ini dicukupkan sampai disini, ntar disambung lagi yang lebih dalam jika memungkinkan.
Kini, aplikasi dari fluida elektro-reologi telah mempunyai pangsa pasar tersendiri, diantaranya:
- controllable valve and shakers
- controllable machinery and engine mount
- controllable clutch and brakes
- controllable dampers
Mungkin ada sebagian peralatan ini pernah anda lihat, sekilas lihat, bahkan anda pakai dan operasikan terutama di perusahaan-perusahaan besar. Namun yang tampak nyata di depan anda hanyalah kemudah-aturan dan kecanggihan peralatan tersebut. Siapa sangka dibalik produk-produk tersebut tersimpan keruwetan dan keunikan aspek science dan teknologi yang membikin dahi berkerut, kening melebar, dan otak berputar sekian banyak peneliti dan sekian lama waktu yang diperlukan.
FLUIDA BERMAGNET
Pada tahun 1960-an, Pak Rosensweig menjadi pelopor penelitian pembuatan dan aplikasi dari fluida bermagnet. Kemudian setelah beberapa saat setelah penelitiannya berkembang, beliau mendirikan perusahaan yang dikenal dengan Perusahaan Ferrofluidics. Fluida bermagnet terdiri atas partikel bermagnet (superparamagnetic particle) berukuran sangan kecil (skala nano, < 10 nm) yang terdispersi dalam cairan pembawa. Tahukan seberapa kecil ukuran nano-meter itu? Iya benar, sepersejuta meter. Suangaat kecil bukan. Campuran dispersi antara partikel magnet dan cairan pembawa cenderung bersifat stabil (tidak terjadi sedimentasi/pengendapan), disebabkan pergerakan Brownian (Brownian motion) yang terjadi ketika kita mencampur partikel sangat kecil kedalam suatu cairan. Mudahnya, ketika anda mengaduk gula dalam segelas air, gulanya tidak akan mengendap dibawah jika adukannya merata. Artinya gula berubah jadi partikel sangat kecil sekali lalu tersuspensi kedalam air, dan cenderung stabil. Para peneliti juga berhasil menaikkan performa stabilitas fluida bermagnet dengan menambahkan surfactant, suatu zat yang mencegah menempelnya partikel magnet satu sama lainnya, sehingga penggumpalan bisa dihindari. Sehingga stabilitas fluida bermagnet dapat dipertahankan lebih lama lagi.
Fluida bermagnet akan berubah sifat dan karakternya ketika dikenakan medan magnet. Viskositas adalah salah satu parameter yang bisa diatur pada fluida bermagnet. Karena waktu respon yang diperlukan sangat pendek (dalam orde mili-second), maka kemampuan mudah-aturnya cepat mendapat perhatian pangsa pasar. High-pressure seal dan media pendingin loudspeaker adalah salah dua produk yang digemari pasar saat ini.
FLUIDA MAGNET-REOLOGI
Tibalah saatnya kita mengenal fluida pintar jenis ketiga yaitu fluida magnet-reologi. Secara umum komposisinya sama dengan fluida bermagnet, yaitu: partikel magnet + cairan pembawa + surfactant. Cuma bedanya adalah ukuran partikel magnet dalam orde mikro-meter (seperseribu meter) dan peran surfactant yang sangat besar untuk mencegah proses pengendapan. Pergerakan Brownian tidak terjadi pada fluida jenis ini, karena ukuran partikel relatif besar. Hal yang menakjubkan dari sifat fluida magnet-reologi ini adalah kemampuannya berubah fase menjadi semi-padat bahkan cukup padat hingga dapat dikategorikan fase padat (solid phase).
2. FLUIDA DINAMIS
Pengertian Fluida Dinamis
Fluida dinamis adalah fluida (bisa berupa zat cair, gas) yang bergerak. Untuk memudahkan dalam mempelajari, fluida disini dianggap steady (mempunyai kecepatan yang konstan terhadap waktu), tak termampatkan (tidak mengalami perubahan volume), tidak kental, tidak turbulen (tidak mengalami putaran-putaran).
Dalam kehidupan sehari-hari, banyak sekali hal yang berkaitan dengan fluida dinamis ini.
Besaran-besaran dalam fluida dinamis
Debit aliran (Q)
Jumlah volume fluida yang mengalir persatuan waktu, atau:
Dimana :
Q = debit aliran (m3/s)
A = luas penampang (m2)
V = laju aliran fluida (m/s)
Aliran fluida sering dinyatakan dalam debit aliran
Dimana :
Q = debit aliran (m3/s)
V = volume (m3)
t = selang waktu (s)
Persamaan Kontinuitas
Air yang mengalir di dalam pipa air dianggap mempunyai debit yang sama di sembarang titik. Atau jika ditinjau 2 tempat, maka:
Debit aliran 1 = Debit aliran 2, atau :
Hukum Bernoulli
Hukum Bernoulli adalah hukum yang berlandaskan pada hukum kekekalan energi yang dialami oleh aliran fluida. Hukum ini menyatakan bahwa jumlah tekanan (p), energi kinetik per satuan volume, dan energi potensial per satuan volume memiliki nilai yang sama pada setiap titik sepanjang suatu garis arus. Jika dinyatakan dalam persamaan menjadi :
Dimana :
p = tekanan air (Pa)
v = kecepatan air (m/s)
g = percepatan gravitasi
h = ketinggian air
Penerapan dalam teknologi
Pesawat Terbang
Gaya angkat pesawat terbang bukan karena mesin, tetapi pesawat bisa terbang karena memanfaatkan hukum bernoulli yang membuat laju aliran udara tepat di bawah sayap, karena laju aliran di atas lebih besar maka mengakibatkan tekanan di atas pesawat lebih kecil daripada tekanan pesawat di bawah.
Akibatnya terjadi gaya angkat pesawat dari hasil selisih antara tekanan di atas dan di bawah di kali dengan luas efektif pesawat.
Keterangan:
ρ = massa jenis udara (kg/m3)
va= kecepatan aliran udara pada bagian atas pesawat (m/s)
vb= kecepatan aliran udara pada bagian bawah pesawat (m/s)
F = Gaya angkat pesawat (N)
Penyemprot Parfum dan Obat Nyamuk
Prinsip kerja yang dilakukan dengan menghasilkan laju yang lebih besar pada ujung atas selang botol sehingga membuat tekanan di atas lebih kecil daripada tekanan di bawah. Akibatnya cairan dalam wadah tersebut terdesak ke atas selang dan lama kelamaan akan menyembur keluar.
