Fluida Dinamis: Fluida Ideal, Debit Air, Persamaan Kontinuitas

Fluida Ideal 

Fluida Dinamis yaitu fluida yang bergerak,. Fluida dikatakan bergerak (mengalir) jika fluida itu bergerak secara terusmenerus (kontinu) terhadap posisi sekitarnya. Ada dua macam aliran pada fluida mengalir, yaitu aliran laminer dan turbulent. Aliran garis lurus (laminer), yaitu aliran yang mengikuti suatu garis lurus atau melengkung yang jelas ujung dan pangkalnya. Aliran laminer  mempunyai garis alir berlapis dan teratur. Contoh aliran laminer adalah aliran air sungai yang jernih. Jadi, aliran tiap partikel yang melalui suatu titik dengan mengikuti garis yang sama seperti partikel-partikel yang lain yang melalui titik itu. Arah gerak partikel-partikel pada aliran garis arus disebut garis arus/alir. Aliran turbulent, yaitu aliran berputar atau aliran yang arah gerak partikel-partikelnya berbeda bahkan berlawanan dengan arah gerak fluida secara keseluruhan (tidak teratur). Contoh aliran turbulent adalah aliran sungai saat terjadi banjir.

Pada pembahasan tentang fluida yang bergerak, kita batasi pada fluida ideal. Pengertian fluida ideal adalah fluida yang tidak kompresible, bergerak dengan tanpa gesekan dan aliran arusnya streamline (stasioner). Sifat-sifat fluida ideal adalah sebagai berikut:

1. Fluida mengalir tanpa ada gaya gesek (non-viscos). Dengan demikian tenaga mekanik cairan tetap, tidak ada yang hilang karena gesekan. Fluida seperti ini kita sebut fluida yang non viskos. Pada fluida yang viskos atau kental kita tidak bisa mengabaikan gesekan antar molekul fluida.
2. Fluida tidak termampatkan (tidak kompresibel). Pada fluida yang tidaktermampatkan kerapatan fluida konstan di seluruh fluida, meskipun fluida mendapat tekanan. Pada umumnya kerapatan fluida akan berubah karena adanya perubahan volume bila mendapat tekanan. Akan tetapi pada keadaan tertentu kita dapat menganggap fluida tidak termampatkan.
3. Fluida mengalir dengan aliran tunak (steady state). Alirannya tidak bergantung waktu (tunak), artinya kecepatan fluida ideal di setiap titik tertentu adalah konstan, namun kecepatan fluida pada dua titik yang berbeda boleh saja tidak sama. Pada aliran tunak, garis-arus (lintasa yang dialiri oleh aliran fluida ) dalam suatu penampang aliran tampak berlapis-lapis, sehungga aliran tunak juga disebut aliran laminer (berlapis).

Debit aliran Air

Debit aliran Air (Q) adalah besaran yang menunjukkan banyaknya volume fluida yang melewati suatu penampang dalam waktu tertentu. Persamaan debit aliran air adalah:

   

             

Keterangan:

Q = debit aliran (m³/s)

V = volume fluida yang mengalir (m³)

 t = selang waktu fluida mengalir (s) 

                     

Sementara itu, jika fluida mengalir pada suatu pipa, maka volume fluida yang mengalir merupakan perkalian luas penampang pipa dengan jarak yang ditempuh selama t detik. 

Jadi, dengan mensubstitusikan persamaan V = A x dan v = x/t, kita mendapatkan rumus untuk menghitung  debit air sebagai berikut;

 Keterangan:

A = luas penampang tempat fluida mengalir (m²)

v = laju aliran fluida (m/s)

  

Persamaan Kontinuitas

Asas kontinuitas, jika suatu fluida mengalir dengan aliran tunak melewati pipa yang mempunyai luas penampang yang berbeda maka volum fluida yang melewati setiap penampang itu sama besar dalam selang waktu yang sama. "Cepat alir (debit aliran) pada setiap detik (kedudukan) dalam suatu pembuluh dari fluida yang mengalir adalah konstan". 

Sesuai gambar dibawah ini, debit fluida yang melalui penampang A₁ sama dengan debit yang melalui penampang A₂. 

Untuk kejadian seperti ini, kita dapat menuliskan persamaan yang disebut dengan persamaan kontinuitas:

Contoh Soal:
Perhatikan gambar di bawah ini!

Diketahui air mengalir melalui sebuah pipa. Diameter pipa bagian kiri d₁ = 10 cm dan bagian kanan d₂ = 4 cm, serta kelajuan aliran air pada pipa bagian kiri v₁ = 5 m/s. Hitunglah kelajuan aliran air yang melalui A_2.

Diketahui :
d₁ = 10 cm
d₂ = 4 cm

v₁ = 5 m/s

Ditanyakan: v₂ = ...

Jawab: 

UJI KEMAMPUAN
SOAL NO 1
Sebuah pipa salah satu bagiannya memiliki luas 20  cm² dan bagian lainnya 10 cm². Jika laju aliran air di bagian pipa berdiameter besar adalah 30 cm/s, maka laju aliran air di bagian pipa berdiameter lebih kecil adalah  …
A. 0,2 m/s
B.  0,3 m/s
C. 0,6 m/s
D. 6 m/s
E. 60 m/s

SOAL NO 2
Doni mengisi ember yang memiliki kapasitas 40 liter dengan air dari sebuah kran seperti gambar berikut!

Jika luas penampang kran dengan diameter D₂ adalah 2 cm² dan kecepatan aliran air di kran adalah 4 m/s. Maka Waktu yang diperlukan untuk mengisi ember adalah ….
A. 0,5 s
B. 50 s
C. 80 s
D. 160 s
E. 200 s

SOAL NO 3

Suatu pipa mengalirkan air dengan debit 0,4 m³/s. Massa air yang keluar dari pipa tersebut selama 6 s adalah ….
A.2,4 kg
B. 24 kg
C. 240 kg
D. 2400 kg
E. 24000 kg

SOAL NO 4

Tangki air yang volumenya 4 m³ mula-mula dalam keadaan kosong dan akan diisi dengan menggunakan kran air yang debit alirannya 40 liter per menit. Waktu yang dibutuhkan untuk mengisi tangki hingga penuh adalah ... menit.

A. 40

D. 60

B. 80

E. 100

C. 120

SOAL NO 5

Zat cair Mengalir dalam pipa seperti pada gambar :

Diketahui : diameter penampang I = 5 cm dan diameter penampang II = 3 cm. Perbandingan v₁ : v₂ = ....

A. 5 : 3

B. 25 : 9

C. 3 : 5

D. 5 : 9

E. 9 : 25

Daftar Pustaka

Halliday,  Resnik. 1985. FISIKA Jilid 1 Edisi Ketiga. Jakarta: Erlangga

Humaidi, A.H dkk. 2009. Fisika  SMA/MA Kelas XI. Jakarta : Pusat Pembukuan Departemen Pendidikan Nasional

Palupi, D.S dkk. 2008. Fisika 1 : Untuk  SMA/MA Kelas XI. Jakarta : Pusat Perbukuan, Departemen Pendidikan Nasional

Giancoli, D. C. 2001. FISIKA Edisi Kelima Jilid 1. Jakarta : Airlangga

Kanginan, M. 2013. Fisika SMA Kelas 2B. Jakarta: Airlangga