Pengertian Fluida Dinamis: Sifat, Rumus, Penerapan & Contoh Soalnya

Pernahkah Anda menyiram tempat yang tidak dapat dijangkau menggunakan selang air, sehingga Anda perlu menyumbat permukaan mulut selang air menggunakan tangan agar cipratan air dapat menjangkau lebih jauh? Nah, aktivitas ini dapat kita pelajari dalam konsep fluida dinamis.

Pengertian Fluida Dinamis

Anda perlu mengetahui terlebih dahulu pengertian dari fluida. Fluida adalah zat yang memiliki kemampuan untuk mengalir dan tidak memiliki bentuk tetap. Dalam pengertian ini, zat yang dimaksud dapat diartikan sebagai zat cair maupun gas.

Sementara istilah “dinamis” mengacu pada sifat dinamis atau gerakan fluida, termasuk gaya, tekanan, kecepatan, aliran massa, dan momen pada fluida yang bergerak. Jadi, fluida dinamis adalah cabang ilmu mekanika fluida yang mempelajari perilaku fluida (zat yang mengalir) ketika berada dalam pergerakan atau aliran.

Sifat-Sifatnya

Sifat-sifat fluida dinamis adalah karakteristik atau perilaku yang khas dari fluida ketika berada dalam pergerakan atau aliran. Beberapa sifat penting dari fluida dinamis antara lain:

1. Aliran tunak (dalam suatu titik, kecepatan alirannya yakni konstan terhadap waktu). Aliran fluida dapat disebut tunak apabila kecepatan v pada suatu titik yakni konstan. Seperti contoh pada air di sungai yang dapat mengalir dengan tenang, cenderung konstan, dan dengan laju rendah.
2. Aliran tak termampatkan. Maksudnya adalah massa jenis dan volume yang mengalir tidak akan berubah ketika memberikan tekanan pada aliran fluida.
3. Laminar, artinya aliran fluida mengalir pada jalur paralel, stabil, dan berurutan.
4. Laju aliran mengacu pada jumlah massa, volume, atau lainnya dari suatu fluida yang mengalir melewati suatu titik dalam satuan waktu yang dapat digunakan untuk mengukur kuantitas aliran dalam sistem pipa atau saluran.
5. Berperan dalam mentransfer panas dari satu tempat ke tempat yang lain. Aliran fluida dapat membawa panas secara konveksi dari satu area ke area lain dalam suatu sistem.

Sifat-sifat ini sangat penting untuk dipahami dalam berbagai aplikasi teknik dan industri, seperti dalam desain mesin, transportasi, pemrosesan makanan, industri minyak dan gas, serta berbagai aplikasi ilmu pengetahuan lainnya.

Rumus 

Terdapat beberapa rumus untuk menjelaskan fluida dinamis sesuai hukum yang berlaku. Adapun rumus-rumus tersebut antara lain:

1. Debit Aliran Fluida

Debit aliran fluida menggambarkan seberapa cepat fluida mengalir melalui suatu saluran atau pipa. Debit diukur dalam satuan volume per satuan waktu, misalnya liter per detik atau meter kubik per jam, tergantung pada kebutuhan. Debit aliran fluida dapat dihitung menggunakan rumus:

di mana:

Q = debit aliran fluida (m³/s)

V = volume (m³)

t = selang waktu (s)

Pada pipa berbentuk silinder, debit aliran fluida dapat dihitung menggunakan rumus:

di mana:

Q = debit aliran fluida (m³/s)

A = luas penampang (m²)

v = laju aliran fluida (m/s)

2. Asas Kontinuitas

Asas kontinuitas adalah salah satu prinsip dalam mekanika fluida yang menyatakan bahwa aliran massa fluida adalah konstan dalam suatu sistem tertutup, selama tidak ada sumber di dalam sistem tersebut. Dengan kata lain, volume aliran masuk ke dalam suatu wilayah fluida harus sama dengan volume aliran keluar.

Asas kontinuitas dapat dirumuskan secara matematis sebagai berikut:

di mana:

A1= luas penampang awal masuknya aliran fluida (m²)

V1= kecepatan awal fluida (m/s)

A2= luas penampang keluarnya aliran fluida (m²)

V2= kecepatan awal fluida (m/s)

Asas kontinuitas juga sering digunakan dalam analisis aliran fluida di dalam pipa atau saluran untuk menghitung debit aliran, kecepatan, atau luas penampang jika informasi lainnya diketahui. Prinsip ini sangat penting dalam studi dan analisis sistem perpipaan, aliran sungai, sistem hidrolik, dan berbagai aplikasi lainnya.

3. Hukum Bernoulli

Hukum Bernoulli adalah salah satu prinsip dasar fluida dinamis yang memiliki dasar hukum kekekalan energi oleh aliran fluida. Pipa yang dialiri fluida memiliki ketinggian yang berbeda pada setiap ujungnya. 

Ketika fluida mengalir dalam suatu saluran, ia memiliki energi kinetik (karena kecepatannya) dan energi potensial (karena tekanan statisnya). Hukum Bernoulli menyatakan bahwa jumlah kedua jenis energi ini tetap konstan jika tidak ada energi yang ditambahkan atau dihilangkan dari sistem.

Hukum Bernoulli dapat dirumuskan dengan secara matematis menggunakan persamaan berikut:

di mana:

P = tekanan statis pada titik dalam aliran fluida (N/m²)

ρ = massa jenis fluida (kg/m³)

v = kecepatan fluida (m/s)

g = kecepatan gravitasi (m/s²)

h = ketinggian pipa (m)

Beberapa poin penting yang dapat diambil dari Hukum Bernoulli adalah:

• Ketika kecepatan aliran meningkat (v meningkat), tekanan statis (P) akan menurun.
• Ketika kecepatan aliran menurun (v menurun), tekanan statis akan meningkat.
• Hukum Bernoulli hanya berlaku untuk aliran fluida yang tidak memiliki kehilangan energi yang signifikan, seperti aliran yang tidak memiliki gesekan dan kehilangan energi lainnya.

Hukum Bernoulli memiliki berbagai aplikasi dalam kehidupan sehari-hari dan dalam berbagai industri, seperti dalam desain sayap pesawat, aliran fluida dalam pipa, aliran di sekitar kendaraan, serta dalam pemahaman fenomena alam seperti aliran udara di sekitar gunung dan bangunan tinggi.

Penerapan Fluida Dinamis terhadap Kehidupan Sehari-Hari

Penerapan fluida dinamis dalam kehidupan sehari-hari sangat luas dan melibatkan banyak aspek dalam kehidupan kita. Berikut adalah beberapa contoh penerapan umum yang sering dijumpai:

1. Transportasi

Penggunaan prinsip fluida dinamis memungkinkan insinyur untuk merancang bentuk aerodinamis pesawat, mobil, dan kapal agar mengurangi gesekan dan hambatan udara, sehingga meningkatkan efisiensi bahan bakar dan performa keseluruhan.

2. Aeronautika

Desain sayap, baling-baling, dan bentuk badan pesawat diperhitungkan untuk menghasilkan angkat (lift) yang optimal untuk mengangkat pesawat dan menjaga keseimbangan selama penerbangan berlangsung.

3. Penggerak Turbin

Turbin yang digunakan dalam pembangkit listrik tenaga air, pembangkit listrik tenaga angin, dan pesawat terbang didesain berdasarkan prinsip fluida dinamis untuk mengubah energi kinetik aliran fluida menjadi energi mekanis yang dapat digunakan.

4. Mesin Fluida

Contoh mesin fluida adalah pompa air dan kipas. Kedua benda ini menggunakan prinsip fluida dinamis untuk mengalirkan dan memindahkan fluida dari satu tempat ke tempat yang lain agar lebih efisien.

5. Irigasi dan Drainase

Dalam irigasi dan drainase pertanian, prinsip fluida ini digunakan untuk mengatur aliran air dalam kanal dan saluran irigasi serta memastikan distribusi air yang merata ke tanaman.

6. Pembuatan dan Penggunaan Produk Konsumen

Prinsip lainnya juga sering digunakan dalam pengembangan produk konsumen seperti botol minum, shower air, dispenser sabun, dan hair dryer untuk mengatur aliran fluida dengan efisien dan nyaman.

Contoh Soal

Agar makin paham, berikut contoh soal dan cara menjawabnya:

Soal 1

Pipa dengan luas penampang lingkaran sebesar 0,1 m² dan kecepatan aliran fluida di dalam pipa adalah 2 m/s, maka debit aliran fluida akan menjadi ….

Pembahasan

A = 0,1 m²

v = 2 m/s

Q = A.v

Q = 0,1 m² . 2 m/s 

Q = 0,2 m³/s

Jadi, debit aliran fluida adalah 0,2 m³/s

Soal 2

Sebuah pipa dengan diameter 10 cm memiliki kecepatan aliran air sebesar 2 m/s. Apabila pipa tersebut menyempit menjadi diameter 5 cm, berapakah kecepatan air di bagian ujung akhir pipa?

Pembahasan

Jadi, kecepatan air di bagian ujung pipa sebesar 8 m/s.

Kesimpulan

Dari contoh penggunaan fluida dinamis, dapat kita simpulkan bahwa ilmu ini sangat penting dipelajari karena sifatnya yang mempengaruhi kegiatan sehari-hari. Aliran fluida akan mengalir sesuai dengan tekanannya, akan tetapi jenis massa dan volumenya tidak berubah.