Fluida

Visualisasi aliran di sekitar objek berbentuk airfoil yang divisualisasikan dengan gelembung udara, difoto di Shanghai Science and Technology Museum

Fluida atau zalir (zat alir) adalah segala jenis zat yang dapat mengalir dalam wujud gas maupun cairan. Berdasarkan pergerakannya, fluida dibedakan menjadi fluida statik dan fluida dinamik. Fluida adalah sub-himpunan dari fase benda, termasuk cairan, gas, plasma, dan padat plastik. Fluida memiliki sifat tidak menolak terhadap perubahan bentuk dan kemampuan untuk mengalir (atau umumnya kemampuannya untuk mengambil bentuk dari wadah mereka). Sifat ini biasanya dikarenakan sebuah fungsi dari ketidakmampuan mereka mengadakan tegangan geser dalam ekuilibrium statik. Konsekuensi dari sifat ini adalah hukum Pascal yang menekankan pentingnya tekanan dalam menggolongkan bentuk fluida. Fluida adalah zat atau entitas yang terdeformasi secara berkesinambungan apabila diberi tegangan geser walau sekecil apapun tegangan geser itu.

Berdasarkan arah tekanan menuji garis alirnya, fluida dibagi menjadi 2 jenis, yaitu fluida Newtonian dan fluida non-Newtonian. Fluida juga dibagi menjadi cairan dan gas. Cairan membentuk permukaan bebas (yaitu, permukaan yang tidak diciptakan oleh bentuk wadahnya), sedangkan gas tidak dapat membentuk permukaan secara bebas.

Besaran fisika

Massa jenis

Massa jenis fluida sama dengan jumlah massa fluida dalam tiap satuan volume. Pada volume yang kecil, massa jenis fluida merupakan hasil bagi antara massa fluida dan volumenya. Pengertian ini hanya digunakan pada fluida yang memiliki volume yang kecil dan dapat diamati secara menyeluruh oleh penglihatan. Pada fluida dengan volume yang sangat besar, massa jenis fluida tidak memiliki nilai yang tetap. Perubahan nilai massa jenis fluida dipengaruhi oleh kedalaman pengukuran fluida di dalam cairan. Nilai massa jenis fluida meningkat seiring bertambahnya kedalaman ruang pada cairan. Massa jenis fluida yang nilainya tidak tetap terjadi pada bendungan, lautan maupun atmosfer. Pada atmosfer, nilai massa jenis semakin kecil bila fluida diukur pada posisi yang semakin jauh dari permukaan Bumi. Nilai massa jenis fluida yang berubah-ubah diukur dengan menambahkan faktor diferensiasi massa dan volume fluida.

Prinsip dasar

Hukum Pascal

Hukum Pascal merupakan hukum fisika yang dibuat oleh seorang ilmuwan berkebangsaan Prancis yaitu Blaise Pascal. Pascal menyatakan bahwa pada titik sembarang di dalam fluida, perubahan tekanan apapun yang diberikan pada fluida yang berada dalam ruangan tertutup akan tetap diteruskan. Hukum Pascal menyatakan bahwa setiap bagian fluida akan menerima tekanan yang sama di tiap bagian permukaannya jika fluida berada dalam ruangan tertutup. Tekanan dengan nilai yang sama juga dialami oleh permukaan dinding yang membatasi fluida dalam ruang tertutup. Hukum Pascal dikemukakan oleh Blaise Pascal (1623-1662 M) pada tahun 1653 M.

Prinsip Archimedes

Massa jenis fluida juga menerapkan prinsip Archimedes. Benda akan tenggelam jika massa jenis benda lebih besar daripada fluidanya. Ini merupakan akibat dari gaya apung yang lebih kecil dari berat benda. Sebaliknya, benda akan mengapung jika massa jenis benda sama dengan fluidanya. Ini merupakan akibat dari gaya apung yang sama dengan berat benda.

Jenis

Berdasarkan sifatnya

Berdasarkan sifatnya, fluida dibedakan menjadi fluida ideal dan fluida sejati. Fluida ideal tidak dapat mengalami perubahan volume akibat perubahan tekanan. Selain itu, fluida ideal dapat berpindah tanpa mengalami gesekan, sehingga viskositasnya sama dengan nol. Sedangkan fluida sejati adalah fluida yang dapat mengalami perubahan volume akibat perubahan tekanan dan dapat mengalami gesekan saat berpindah dengan nilai viskositas tertentu.

Berdasarkan pergerakannya

Berdasarkan pergerakannya, fluida dibedakan menjadi fluida statik dan fluida dinamik. Fluida statis merupakan fluida yang berada dalam keadaan tidak bergerak, sedangkan fluida dinamis merupakan fluida yang berada dalam keadaan bergerak.

Aliran

Aliran fluida merupakan perpindahan fluida yang membentuk garis aliran dengan kecepatan tertentu. Penandaan terhadap garis aliran adalah pada garis singgung antara tiap titik perpindahan fluida dengan pengamatan vektor kecepatan. Berdasarkan garis aliran ini, aliran fluida terbagi menjadi aliran stasioner dan aliran non-stasioner. Aliran stasioner terbentuk ketika garis aliran berimpit dengan arah aliran setiap saat. Sementara aliran non-stasioner adalah aliran yang selalu tidak berimpit dengan garis alirannya. Kedua jenis aliran ini akhirnya juga membentuk tabung aliran, yang merupakan suatu ruangan berbentuk tabung dengan pembatas berupa kumpulan garis aliran.

Kecepatan aliran fluida berbeda-beda pada tiap penampang dan ditentukan berdasarkan jumlah tabung alirannya. Aliran fluida ini diamati dalam bentuk cairan yang mengalir dengan satuan waktu sepanjang bagian pengaliran. Satuan yang digunakan untuk menetapkan nilai alirannya dapat berupa satuan volume, satuan berat atau satuan massa dari tiap unit.Pada cairan yang tidak mengalami tekanan akibat keberadaan aliran stasioner, nilai kecepatan alirannya selalu konstan pada tiap bagian dari tabung alirannya.

Tabung aliran yang tidak memiliki luas penampang mempunyai batas ruangan yang sama dengan garis aliran. Pada kondisi tanpa penampang, tabung aliran mempunyai vektor kecepatan yang sama nilainya dengan tangensial antara bagian permukaannya. Pada bagian dinding pembatas, tidak terjadi perpindahan partikel, karena tabung aliran ini tidak mempunyai komponen kecepatan yang normal.

Aliran laminar

Aliran laminar merupakan aliran fluida yang terbentuk sebagai akibat dari tidak adanya gangguan pada pengaliran fluida di tiap lapisan yang saling sejajar. Kondisi ini membuat garis aliran dari masing-masing aliran fluida tidak saling berpotongan. Karakteristik dari aliran laminar adalah tidak membentuk pusaran, persilangan maupun percampuran garis aliran. Setiap partikel di dalam fluida bergerak serenjang dengan arah garis aliran secara teratur. Aliran laminar dipelajari dalam dinamika fluida. Kondisi yang memungkinkan terbentuknya aliran laminar adalah fluida bergerak dengan kecepatan yang sangat lambat. Pembentukan aliran laminar juga dapat terjadi pada fluida yang memiliki tingkat kekentalan yang tinggi. Difusi momentum pada aliran laminar sangat besar. Sebaliknya, momentum konveksi yang dihasilkan oleh aliran laminar bernilai sangat kecil. Nilai bilangan Reynolds pada aliran laminar selalu kurang dari 2000. Setelah waktu dan kondisi tertentu, aliran laminar akan berubah menjadi aliran turbulen.

Aliran transisi

Aliran transisi merupakan aliran fluida dengan bentuk peralihan antara aliran laminar menjadi aliran turbulen. Keberadaan aliran transisi merupakan akibat dari perbedaan sifat antara aliran laminar dan aliran turbulen. Perbedaan sifa ini utamanya dalam hal kehilangan energi akibat gaya gesek. Kehilangan energi ini terjadi selama pengaliran fluida. Status aliran transisi dapat diketahui melalui nilai bilangan Reynolds. Aliran transisi dapat terbentuk ketika terjadi peningkatan pada nilai bilangan Reynolds dari aliran laminar. Nilai bilangan Reynolds pada aliran transisi berada di dalam rentang bilangan Reynolds aliran laminar dan aliran turbulen. Kisaran nilainya antara 2000 hingga 4.000. Rentang nilai aliran transisi dipengaruhi oleh tingkat ketidaksempurnaan sistem aliran fluida beserta dengan tingkat gangguan lainnya. Setelah waktu dan kondisi tertentu, aliran transisi akan berubah menjadi aliran turbulen. Aliran transisi umumnya terbentuk pada aliran udara yang bertumbukan dengan benda yang melengkung. Permukaan benda yang mengalami tumbukan umumnya berbentuk bola.

Aliran turbulen

Aliran turbulen merupakan aliran fluida yang memiliki kecepatan yang berubah-ubah. Di dalam aliran turbulen terdapat partikel-partikel yang bergerak secara acak dan tidak stabil. Garis aliranpada masing-masing partikel dalam aliran turbulen selalu saling berpotongan satu dengan yang lainnya. Aliran turbulen hanya dapat terbentuk pada kecepatan fluida yang sangat tinggi dengan nilai kecepatan yang selalu berubah-ubah setiap waktu. Aliran turbulen umumnya hanya terbentuk dalam waktu yang singkat. Setelahnya, aliran turbulen akan menghilang akibat partikel-partikel di dalamnya saling bertumbukan. Persamaan matematika yang digunakan agar suatu aliran disebut sebagai aliran turbulen adalah bilangan Reynolds tak-berdimensi. Suatu aliran fluida dinyatakan sebagai aliran turbulen ketika bilang Reynolds mencapai lebih dari 4000. Perhitungan bilangan Reynolds pada aliran turbulen menambahkan faktor gaya inersia, tetapi tidak menambahkan faktor gaya akibat kekentalan.

Pengukuran

Tekanan

Dalam perhitungan fluida, nilai tekanan lebih diutamakan untuk diketahui dibandingkan dengan gaya. Hal ini dilandasi oleh fenomena fluida yang memberikan tekanan sebagai hasil gaya yang terjadi padanya. Tekanan diartikan sebagai besarnya gaya serenjang yang diberikan terhadap suatu permukaan tiap satuan luas. Gaya serenjang dihasilkan ke seluruh permukaan benda yang bersentuhan dengan fluida pada kondisi fluida yang tenang. Dalam kondisi ini, molekul-molekul di dalam fluida tetap bergerak, sehingga gaya yang timbul merupakan akibat dari tumbukan molekul-molekul. Satuan tekanan yang umum digunakan dalam fluida adalah Pascal yang setara dengan nilai 1 Newton per meter persegi.

Besarnya tekanan yang diterima dari fluida menuju ke suatu bidang tertentu adalah sama dari arah manapun. Konsep ini berlaku baik bagi fluida diam maupun fluida yang bergerak. Tekanan yang dialami oleh fluida pada ruang terbuka berasal dari tekanan atmosfer. Pada tekanan atmosfer, fluida seakan-akan tidak menerima gaya apapun tetapi sebenarnya menerima tekanan atmosfer. Gaya tidak terukur karena permukaan bidang atmosfer sangat luas yaitu udara. Pada ketinggian tempat yang berbeda-beda, nilai tekanan atmosfer juga berbeda-beda.

Sementara itu, nilai tekanan yang dialami oleh benda di dalam cairan atau merupakan nilai tekanan yang dihasilkan oleh fluida di lingkungan sekitarnya. Bila fluida yang berisi benda ini berada di ruang terbuka, maka nilai tekanannya merupakan penjumlahan antara tekanan atmosfer dan tekanan fluida. Hasil penjumlahan ini disebut sebagai tekanan pengukuran. Perhitungan fluida secara umum menggunakan nilai dari tekanan pengukuran. Ciri dari tekanan pengukuran ini adalah hanya dipengaruhi oleh kedalaman benda di dalam fluida.

Piezometer

Pengukuran tekanan fluida salah satunya dapat menggunakan piezometer. Bentuk alat ukur piezometer sangat sederhana. Bagian piezometer hanya terdiri dari sebuah tabung dengan salah satu sisi permukaannya terhubung ke bagian yang akan diukur tekanannya. Sementara itu, ujung lainnya tidak terhubung dengan apapun. Kekurangan dari piezometer adalah tidak dapat mengetahui nilai tekanan pada bejana ketika nilai tekanan atmosfer Bumi lebih besar dibandingkan dengan nilai tekanan di dalam bejana. Nilai tekanan yang diukur juga sangat kecil dan terbatas hanya pada pengukuran cairan.

Lihat pula

• Mekanika fluida
• Rheologi
• Termodinamika

Referensi

Daftar pustaka

• Abdullah, Mikrajuddin (2016). Fisika Dasar 1 (PDF). Bandung: Institut Teknologi Bandung. Diarsipkan (PDF) dari versi asli tanggal 2022-09-15. Diakses tanggal 2021-01-11. 
• Asraf, A., dan Kurniawan, B. (2021). Darojah, Lia Inarotut, ed. Fisika Dasar untuk Sains dan Teknik: Jilid 2 Mekanika Fluida dan Termodinamika. Jakarta: Bumi Aksara. ISBN 978-602-444-955-1. Diarsipkan dari versi asli tanggal 2023-07-22. Diakses tanggal 2021-09-27.  Pemeliharaan CS1: Banyak nama: authors list (link)
• Salim, Astuti; Taib, Suryani (2018). Fisika Dasar 1. Deepublish. ISBN 978-602-475-463-1. Diarsipkan dari versi asli tanggal 2023-07-22. Diakses tanggal 2022-04-25. 
• Kindangen, Jefrey I. (2017). Pendinginan Pasif untuk Arsitektur Tropis Lembab. Sleman. Sleman: Deepublish. ISBN 978-602-401-925-9. 
• Listiana, dkk. (2009). Ilmu Pengetahuan Alam 2 (PDF). Surabaya: LAPIS-PGMI. ISBN 978-602-8542-06-7. Diarsipkan (PDF) dari versi asli tanggal 2021-01-31. Diakses tanggal 2021-01-29. 
• Sinuraya, J., Wahyuni, I., dan Panggabean, D. D. (2018). Buku Ajar Matakuliah Fisika SMA Disertai LKM Berorientasi ICARE (PDF). Medan: CV. Harapan Cerdas. ISBN 978-602-5799-20-4. Diarsipkan (PDF) dari versi asli tanggal 2023-05-30. Diakses tanggal 2021-01-11.  Pemeliharaan CS1: Banyak nama: authors list (link)
• Suharto, Bambang (2013). Mekanika Fluida (edisi ke-2). Malang: UB Press. Diarsipkan dari versi asli tanggal 2023-07-22. Diakses tanggal 2021-09-27. 
• Young, H. D., dkk. (2002). Wibi H., H., dkk., ed. Fisika Universitas Jilid 1 (edisi ke-10). Jakarta: Penerbit Erlangga. ISBN 979-688-472-0. Diarsipkan dari versi asli tanggal 2023-07-22. Diakses tanggal 2021-09-27.  Pemeliharaan CS1: Banyak nama: authors list (link)