Pertemuan 1 PENDAHULUAN Konsep Mekanika Fluida dan Hidrolika
OLEH : ENUNG, ST.,M.Eng
TEKNIK SIPIL POLITEKNIK NEGERI BANDUNG 2012 1
SILABUS PERTEMUAN I
2
MATERI -PENDAHULUAN -DEFINISI FLUIDA -SIFAT-SIFAT FLUIDA -DIMENSI DAN SISTEM SATUAN
METODE -CERAMAH -DISKUSI
4
-TEKANAN FLUIDA -ALAT UKUR MANOMETER -HIDROSTATIK PADA BIDANG VERTIKAL -HIDROSTATIK PADA BIDANG HORIZONTAL -HIDROSTATIK PADA BIDANG MIRING -HIDROSTATIK PADA BIDANG LENGKUNG -BUOYANCY DAN STABILITAS BENDA MENGAPUNG
5
UTS
6
PRAKTIKUM
PRAKTIKUM DI LAB HIDROLIKA
7
PRAKTIKUM
PRAKTIKUM DI LAB HIDROLIKA
3
-CERAMAH -LATIHAN SOAL -CERAMAH -LATIHAN SOAL
-CERAMAH -LATIHAN SOAL
PERTEMUAN
MATERI
8
MATERI HIDRODINAMIKA (IIN KARNASIH,ST.,MT)
9
METODE
10 11 12 13
3
PENILAIAN • • • •
TUGAS/QUIZ UTS UAS PRAKTIKUM
: 10% : 30% : 35% : 25%
4
Objektif Perilaku Siswa
Pada akhir pertemuan ini mahasiswa dapat menjelaskan definisi fluida,sifat-sifat fluida, dimensi dan sistem satuan di kelas dengan tepat dan benar
5
Outline Materi
-
PENDAHULUAN DEFINISI FLUIDA SIFAT-SIFAT FLUIDA DIMENSI DAN SISTEM SATUAN
6
DEFINISI - Fluida adalah zat yang berubah bentuk secara terus menerus apabila terkena tegangan geser. - Gaya geser adalah komponen gaya yang menyinggung permukaan, dan gaya ini yang dibagi dengan luas permukaan tersebut
7
MEKANIKA FLUIDA
HIDROLIKA
HIDROLIKA SALURAN TERTUTUP (PEMIPAAN)
HIDROLIKA SALURAN TERBUKA 8
MEKANIKA
FLUIDA
STATIKA FLUIDA
DINAMIKA FLUIDA
9
Mekanika Fluida : Cabang ilmu mekanika yang mempelajari fluida dalam keadaan diam atau bergerak. Mekanika Fluida : Pengembangan dari ilmu hidrodinamika klasik dengan hidrolika eksperimen. Hidrolika Klasik : Aplikasi ilmu matematika untuk menganalisis aliran fluida. Ilmu ini mempelajari tentang gerak zat cair ideal yang tidak mempunyai kekentalan. 10
• Hidrodinamika : ilmu yang mempelajari tentang gerakan air dan gaya yang ditimbulkannya • Hidrolika : ilmu terapan dari hidrodinamika, sifatnya empiris.
11
Definisi hidrolika Hidrolika : Hydor berasal dari bahasa Yunani yaitu cabang ilmu teknik yang mempelajari perilaku air dalam keadaan diam dan bergerak. Dalam hidrolika dipelajari : - aliran pada saluran tertutup - Aliran saluran terbuka/ Open channel flow
12
• Mekanika Fluida : lebih luas; mempelajari perilaku cair dan gas • Pada mekanika fluida : dipelajari perilaku fluida dalam keadaan diam (statistika fluida) dan fluida dalam keadaan bergerak (dinamika fluida).
13
• Pada statika fluida : Fluida adalam dalam keadaan diam dimana tidak ada tegangan geser yang bekerja pada partikel fluida tersebut
14
Dinamika fluida : mempelajari tentang gerak partikel zat cair karena adanya gaya-gaya luar yang bekerja padanya. Contoh aplikasi dinamika fluida adalah aliran melalui pipa dan saluran terbuka, pembangkit tenaga mekanis pada turbin air, uap dan gas, pompa hidralis dan kompresor, gerak pesawat di atmosfer, dan sebagainya. Analisis perilaku aliran fluida didasarkan pada hukum dasar mekanika terapan tentang konsevasi massa, energi, momentum, dan beberapa konsep serta persamaan lainnya. Seperti: hukum newton tentang kekentalan, konsep panjang campur (Mixing Length) dan sebagainya. 15
SIFAT-SIFAT FLUIDA 1.Kemampatan cairan ( Modulus Elastisitas, E), adalah : Perbandingan perubahan tekanan satuan terhadap perubahan volume yang terjadi persatuan volume, satuannya [N/m2].
ΔP PΔP
ΔV VVvV
V
air
Keterangan : 2 E = modulus elastisitas air [N/m 2 ] ΔP = perubahan tekanan [N/m ] 3 ΔV= perubahan volume [m ] 3 V = Volume [m ]
2. Rapat Massa (ρ) adalah massa3 air persatuan volume, satuannya adalah [kg/m ]. Keterangan : 3 ρ = rapat massa [kg/m ] m = massa [kg]3 V = Volume [m ]
3. Berat Jenis /Berat Spesifik (γ) adalah : berat air persatuan volume atau fungsi langsung dari 3 percepatan grafitasi setempat, satuannya adalah [N/m ]. Keterangan : 3 γ = berat jenis [N/m ] 3 ρ = rapat massa [kg/m ]
2 = g grafitasi bumi [= 9,81m/detik ] 17
4. Rapat relatif (rp rl) adalah bilangan murni yang menunjukkan perbandingan antara massa suatu benda dengan massa air Keterangan : rp rl = rapat relative 3suatu zat ρs = rapat zat [kg/m3 ]. ρa = rapat air [kg/m ].
5. Kekentalan absolut/dinamik (μ) adalah sifat yang menentukan besar daya tahannya terhadap gaya geser, satuannya [Pa.detik]. v
F
v
dv
Lempengan bergerak
ds
s s
Lempengan diam
Keterangan : 2 τ = tegangan geser [N/m =Pa] dv = perubahan kecepatan [m/detik] ds = perubahan jarak [m] μ = kekentalan absolut/dinamik [Pa.detik] 18
Gambar 1.2 Lempengan pelat Newton
6. Kekentalan kinematik (ν) adalah perbandingan kekentalan absolut/dinamik dengan kerapatan massa, 2 satuannya [m /detik].
Keterangan : μ = kekentalan absolut/dinamik [Pa.detik] 3 ρ = rapat massa [kg/m ] 2 ν = kekentalan kinematik [m /detik]
7. Tarikan Permukaan (σ), adalah kerja yang harus dilakukan untuk membawa molekul dari dalam cairan ke permukaan , satuannya adalah [N/m] udara
Air
Air raksa
Gambar . Tarikan Permukaan pada air dan air raksa
19
8. Kapilaritas, adalah naik/turunnya cairan dalam suatu tabung kapiler (zat yang berpori) yang disebabkan oleh tarikan permukaan, adhesi dan kohesi. Contoh : Aliran air tanah, batu bata yang direndam dalam air, dll.
20
DIMENSI DAN SATUAN Dimensi : besaran terukur, yang menunjukkan karakteristik suatu obyek, seperti: massa, panjang, waktu, temperatur, dan sebagainya. Satuan adalah suatu standar untuk mengukur ‘dimensi’. Misalnya: satuan untuk: massa, panjang dan waktu adalah kilogram (Kg), meter (m) dan detik (dt). 21
Di Indonesia masih sering digunakan sistem satuan MKS, dimana ukuran dasar untuk: Panjang : m Massa : kg Waktu : detik
Satuan yang diturunkan dari satuan-satuan tersebut di atas antara lain : Gaya : Newton Volume : m3 Percepatan : m/det2 Tekanan : N/m2 = Paskal (Pa) Energi/Kerja : Nm = Joule (J) 22
Suatu variabel dapat dibedakan berdasarkan dimensinya menjadi : geometrik dengan dimensi L kinematik dengan dimensi L,T dinamik dengan dimensi M,L,T dan variable tak berdimensi.
23
• Contoh : • Variabel panjang mempunyai dimensi L dengan satuan dalam SI adalah m, sedangkan luas mempunyai dimensi L2 dengan satuan dalam SI adalah m2. Kedua variabel tersebut termasuk variabel geometrik karena dimensinya hanya berupa L. • Untuk kecepatan mempunyai dimensi L/T dengan satuan SI adalah m/detik, variabel ini termasuk dalam katagori variabel kinematik. • Kerapatan massa (density) mempunyai dimensi M/L3 dengan satuan dalam SI adalah kg/m3, termasuk variabel dinamis. Bilangan Froude termasuk variable tak berdimensi. • Secara lebih lengkap variable geometrik, kinematik, dinamik, dan tak berdimensi ditunjukkan pada tabel berikut ini.
24
Variabel Geometrik (L) Panjang
Simbol
Dimensi
Satuan SI
l, x, y, dst.
L
m
2
m
2
3
m
Luas
A
L
Volume
V
L
Kinematik (L,T) Kecepatan
V
L / T
3
m/detik
a, g
L / T
2
m/detik2
Debit spesifik
q
L2 / T
m2/detik
Debit
Q
L / T
m /detik
Kekentalan kinematik
L2 / T
m2/detik
Dinamik (M,L,T) Massa
m
M
Percepatan
3
3
kg
M.L / T
2
kg.m/detik2 = Newton
2
Gaya
F
Tekanan
p
M / (L.T )
N/m = Paskal
Tegangan
t
M / (L.T 2)
N/m2 = Paskal
Energi/Kerja
E
M.L2 / T 2
N.m = Joule
Tenaga/Kekuatan
P
2
N.m/detik = Watt
Kerapatan massa
Berat jenis Kekentalan dinamis
g
M / (L2.T 2) M / (L.T)
N/m3 kg/(m.detik)
S s
-
-
-
-
Tak berdimensi Kemiringan Kerapan relatif Bilangan Reynolds Bilangan Reynolds geser Bilangan Froude Parameter Shields Konsentrasi
Re Re* Fr t* C
M.L / T M / L
3
3
2
kg/m3
25
FAKTOR-FAKTOR KONVERSI SATUAN Untuk mengkonversi satuan Inggris Luas
in ft
2
2
acre Kerapatan Energi (kerja atau kuantitas kalor)
Kerapatan aliran
Gaya
slug/ft ft.lb
2
Massa Daya Tekanan
645,2
mm
2
2
0,0929
m
0,4047
hektar (ha) = 10
4
m
515,4 1,356
kg/m joule (J) = N.m
cfs
0,0283
-7
kwhr joule (J) = N.m 3
3
3
3
3
3
m /detik = 10 ltr/detik
mgd = 1,55 cfs
0,0438
m /detik = 10 ltr/detik
1000 gpm = 2,23 cfs lb
0,0631 4,448
m /detik = 10 ltr/detik newton (N)
ft /detik in ft mil slug lb (massa) ft . Lb/detik hp = 550 ft . Lb/det
0,0929 25,4 0,3048 1,609 14,59 453,6 1,356 745,7
m /detik = 104St mm mm km kg g (massa) W = J/detik = N.m/detik W
psi
6895
N/m2 = Pa
psf
47,88
N/m2
0,1672
N.m/(kg) (oK)
3
2
Berat spesifik Kecepatan
lb/ft fps mph
157,1 0,3048 1,609
N/m2 m/detik km/hr
Viskositas
lb . Detik/ft2
47,88
N . detik/m 2 = 10 P
3
Volume
2
2
3,77 x 10 1055
ft . Lb/(slug) ( oR)
Kalor spesifik
Menjadi satuan SI
ft.lb Btu = 778 ft.lb
2
Viskositas kinematik Panjang
Faktor pengali
m3 g = 10-3 m3
ft U.S. gallon = 0,1337 ft 3
KUANTITAS PENTING
Percepatan gravitasi Kerapatan air (39,4
o
o
F, C)
Satuan Inggris atau US
Satuan SI
32,2 ft/detik 2
9,81 m/detik 2
1,34 slug/ft
3
= 1,94 lb.ft 2.detik -4 Berat air spesifik (39,4
o
o
F, C)
62,4 lb/ft
3
1000 kg/m3 = g/cm3 atau 1,0 Mg/m3 9810 N/m3 = 9,810 kN/m 3
Atmosfir level laut standar
14,7 psia 29,92 in. Hg 33,9 ft.H2O 33,9 ft.H2O
101,32 kN/m 2, abs 760 mm.Hg 10,33 m H2O 1013,2 milibars
26
Aplikasi Hukum Newton II • Mempelajari/ menjelaskan semua gerak yang ada di alam yang menyatakan bahwa laju perubahan momentum (massa ‘m’ x kecepatan ‘v’) adalah berbanding langsung dengan gaya yang bekerja dan dalam arah yang sama dengan gaya tersebut.
apabila; m =konstan, maka gaya akan sebanding dengan perkalian antara massa dan laju perubahan kecepatan (v), yaitu percepatan (a);
27
• Dalam sistem MKS, satuan massa adalah kilogram massa (Kgm). Satuan gaya adalah kilogram gaya (Kgf). • Kedua satuan tersebut mempunyai hubungan dalam bentuk:
28
• Selain sistem satuan Mks, digunakan juga bahasa satuan internasional tunggal yang disebut System International Unite (SI). • Pada sistem SI : satuan massa adalah Kilogram, Satuan gaya adalah Newton (N) • 1 (satu) Newton adalah gaya yang bekerja pada benda dengan massa 1 Kg dan menimbulkan percepatan 1 m/d2.
29
Konversi satuan gaya antara sistem MKS dan SI
30
Contoh : Berapakah gaya yang bekerja yang harus diberikan pada benda dengan massa 100 Kg dan percepatan 10m/d2. Penyelesaian: Dihitung berdasarkan hukum Newton II:
31
