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.
Hubungan
dengan mekanika kontinum
Mekanika fluida biasanya dianggap
subdisiplin dari mekanika kontinum, seperti yang diilustrasikan pada tabel
berikut.
Mekanika kontinum: studi fisika dari material kontinu
|
Mekanika solid: studi fisika dari material kontinu dengan bentuk
tertentu.
|
||
Plastisitas:
menjelaskan material yang secara permanen terdeformasi setelah
diberi tegangan dengan besar tertentu.
|
Reologi: studi
material yang memiliki karakteristik solid dan fluida.
|
||
Mekanika
fluida: studi
fisika dari material kontinu yang bentuknya mengikuti bentuk wadahnya.
|
|||
Dalam pandangan secara mekanis,
sebuah fluida adalah suatu substansi yang tidak mampu menahan tekanan
tangensial. Hal ini menyebabkan fluida pada keadaan diamnya berbentuk mengikuti
bentuk wadahnya.
Asumsi Dasar
Seperti halnya model matematika pada
umumnya, mekanika fluida membuat beberapa asumsi dasar berkaitan dengan studi
yang dilakukan. Asumsi-asumsi ini kemudian diterjemahkan ke dalam
persamaan-persamaan matematis yang harus dipenuhi bila asumsi-asumsi yang telah
dibuat berlaku.
Mekanika fluida mengasumsikan bahwa
semua fluida mengikuti:
- Hukum kekekalan massa
- Hukum kekekalan momentum
- Hipotesis kontinum, yang dijelaskan di bagian selanjutnya.
Kadang, akan lebih bermanfaat (dan
realistis) bila diasumsikan suatu fluida bersifat inkompresibel. Maksudnya
adalah densitas dari fluida tidak berubah ketika diberi tekanan. Cairan
kadang-kadang dapat dimodelkan sebagai fluida inkompresibel sementara semua gas
tidak bisa.
Selain itu, kadang-kadang viskositas
dari suatu fluida dapat diasumsikan bernilai nol (fluida tidak viskos).
Terkadang gas juga dapat diasumsikan bersifat tidak viskos. Jika suatu fluida
bersifat viskos dan alirannya ditampung dalam suatu cara (seperti dalam pipa), maka
aliran pada batas sistemnya mempunyai kecepatan nol. Untuk fluida yang viskos,
jika batas sistemnya tidak berpori, maka gaya geser antara fluida dengan batas
sistem akan memberikan resultan kecepatan nol pada batas fluida.
Hipotesis
kontinum
Fluida disusun oleh molekul-molekul yang bertabrakan satu sama lain. Namun
demikian, asumsi kontinum menganggap fluida bersifat kontinu. Dengan kata lain, properti seperti densitas, tekanan, temperatur, dan kecepatan dianggap terdefinisi pada titik-titik yang sangat
kecil yang mendefinisikan REV (‘’Reference Element of Volume’’) pada orde
geometris jarak antara molekul-molekul yang berlawanan di fluida. Properti tiap
titik diasumsikan berbeda dan dirata-ratakan dalam REV. Dengan cara ini,
kenyataan bahwa fluida terdiri dari molekul diskrit diabaikan.
Hipotesis kontinum pada dasarnya
hanyalah pendekatan. Sebagai akibatnya, asumsi hipotesis kontinum dapat
memberikan hasil dengan tingkat akurasi yang tidak diinginkan. Namun demikian,
bila kondisi benar, hipotesis kontinum menghasilkan hasil yang sangat akurat.
Masalah akurasi ini biasa dipecahkan
menggunakan mekanika statistik. Untuk menentukan perlu menggunakan
dinamika fluida konvensial atau mekanika statistik, angka Knudsen
permasalahan harus dievaluasi. Angka Knudsen didefinisikan sebagai rasio dari
rata-rata panjang jalur bebas molekular terhadap suatu skala panjang fisik
representatif tertentu. Skala panjang ini dapat berupa radius suatu benda dalam
suatu fluida. Secara sederhana, angka Knudsen adalah berapa kali panjang
diameter suatu partikel akan bergerak sebelum menabrak partikel lain.
Persamaan
Navier-Stokes
Persamaan Navier-Stokes (dinamakan dari Claude-Louis Navier dan George Gabriel Stokes) adalah serangkaian persamaan yang menjelaskan pergerakan dari suatu fluida seperti
cairan dan gas. Persamaan-persamaan ini menyatakan bahwa perubahan dalam momentum (percepatan) partikel-partikel fluida bergantung hanya kepada
gaya viskos internal (mirip dengan gaya friksi) dan gaya
viskos tekanan eksternal yang bekerja pada fluida. Oleh karena itu,
persamaan Navier-Stokes menjelaskan kesetimbangan gaya-gaya yang bekerja pada
fluida.
Persamaan Navier-Stokes memiliki
bentuk persamaan diferensial yang menerangkan pergerakan dari
suatu fluida. Persaman seperti ini menggambarkan hubungan laju perubahan suatu
variabel terhadap variabel lain. Sebagai contoh, persamaan Navier-Stokes untuk
suatu fluida ideal dengan viskositas bernilai nol akan menghasilkan hubungan
yang proposional antara percepatan (laju perubahan kecepatan) dan derivatif
tekanan internal.
Untuk mendapatkan hasil dari suatu
permasalahan fisika menggunakan persamaan Navier-Stokes, perlu digunakan ilmu kalkulus. Secara praktis, hanya kasus-kasus aliran sederhana
yang dapat dipecahkan dengan cara ini. Kasus-kasus ini biasanya melibatkan aliran
non-turbulen dan tunak (aliran
yang tidak berubah terhadap waktu) yang memiliki nilai bilangan Reynold kecil.
Untuk kasus-kasus yang kompleks,
seperti sistem udara global seperti El Niño atau daya angkat udara pada sayap, penyelesaian
persamaan Navier-Stokes hingga saat ini hanya mampu diperoleh dengan bantuan
komputer. Kasus-kasus mekanika fluida yang membutuhkan penyelesaian berbantuan
komputer dipelajari dalam bidang ilmu tersendiri yaitu mekanika fluida komputasional
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.
0 komentar:
Posting Komentar