Mekanika fluida - Materi Fisika Kelas 11

Pengertian mekanika fluida

Mekanika fluida adalah cabang fisika yang mempelajari perilaku fluida (zat cair dan gas) serta interaksinya dengan gaya yang bekerja padanya. Ilmu ini sangat penting dalam berbagai bidang seperti teknik sipil, aerodinamika, hidrodinamika, dan industri perminyakan.

Mekanika fluida dibagi menjadi dua bagian utama:

1. Fluida statis (hidrostatika): Mempelajari fluida yang diam dan pengaruh tekanan di dalamnya.
2. Fluida dinamis (hidrodinamika): Mempelajari fluida yang bergerak dan interaksinya dengan benda lain.

---

Fluida statis

Fluida statis berhubungan dengan tekanan dalam zat cair yang tidak bergerak. Beberapa konsep penting dalam fluida statis adalah:

1. Tekanan dalam fluida

Tekanan dalam fluida didefinisikan sebagai gaya per satuan luas:

\[ P = \frac{F}{A} \]

Di mana:

• \( P \) = tekanan (Pascal atau N/m²)
• \( F \) = gaya (Newton)
• \( A \) = luas permukaan (m²)

Untuk fluida dalam kondisi diam, tekanan di titik tertentu diberikan oleh hukum dasar hidrostatika:

\[ P = P_0 + \rho gh \]

Di mana:

• \( P_0 \) = tekanan atmosfer (jika ada)
• \( \rho \) = massa jenis fluida (kg/m³)
• \( g \) = percepatan gravitasi (9,8 m/s²)
• \( h \) = kedalaman dari permukaan fluida (m)

---

2. Hukum Pascal

Hukum Pascal menyatakan bahwa tekanan yang diberikan pada fluida dalam ruang tertutup akan diteruskan ke segala arah dengan besar yang sama.

\[ F_1/A_1 = F_2/A_2 \]

Aplikasi hukum Pascal: rem hidrolik, dongkrak hidrolik, dan alat pengangkat mobil.

---

3. Hukum Archimedes

Hukum Archimedes menjelaskan gaya apung yang dialami benda dalam fluida.

\[ F_A = \rho g V \]

Di mana:

• \( F_A \) = gaya apung (Newton)
• \( \rho \) = massa jenis fluida (kg/m³)
• \( g \) = percepatan gravitasi (m/s²)
• \( V \) = volume fluida yang dipindahkan (m³)

Aplikasi: kapal laut dapat mengapung, balon udara naik ke atas, dan kapal selam dapat menyelam dan mengapung kembali.

---

Fluida dinamis

Fluida dinamis berhubungan dengan fluida yang mengalir. Ada beberapa hukum penting dalam fluida dinamis:

1. Persamaan Kontinuitas

Persamaan kontinuitas menyatakan bahwa volume fluida yang mengalir dalam suatu pipa tetap konstan jika tidak ada kebocoran.

\[ A_1 v_1 = A_2 v_2 \]

Di mana:

• \( A_1, A_2 \) = luas penampang (m²)
• \( v_1, v_2 \) = kecepatan aliran fluida (m/s)

Aplikasi: aliran air dalam selang, penyempitan pipa meningkatkan kecepatan aliran air.

---

2. Hukum Bernoulli

Hukum Bernoulli menyatakan bahwa jumlah tekanan, energi kinetik per satuan volume, dan energi potensial per satuan volume dalam fluida yang mengalir adalah konstan.

\[ P + \frac{1}{2} \rho v^2 + \rho gh = \text{konstan} \]

Aplikasi: sayap pesawat dapat terangkat, semprotan parfum, aliran air dalam pipa yang menyempit.

---

Contoh soal dan pembahasan

Contoh soal 1 (Tekanan dalam fluida statis)

Sebuah penyelam berada di kedalaman 5 meter di dalam air (\( \rho = 1000 \) kg/m³). Jika tekanan atmosfer di permukaan 101.300 Pa, berapa tekanan total yang dialami penyelam?

Penyelesaian:

Gunakan rumus tekanan hidrostatika:

\[ P = P_0 + \rho gh \] \[ P = 101300 + (1000 \times 9,8 \times 5) \] \[ P = 101300 + 49000 \] \[ P = 150300 \text{ Pa} \]

Jadi, tekanan total yang dialami penyelam adalah 150.300 Pa.

---

Contoh soal 2 (Persamaan kontinuitas)

Sebuah pipa memiliki diameter 6 cm di satu ujung dan 3 cm di ujung lainnya. Jika kecepatan air di ujung pertama adalah 2 m/s, berapa kecepatan air di ujung kedua?

Penyelesaian:

Gunakan persamaan kontinuitas:

\[ A_1 v_1 = A_2 v_2 \]

Luas penampang pipa berbentuk lingkaran:

\[ A = \pi r^2 \] \[ A_1 = \pi (0,03)^2 = 2,827 \times 10^{-3} \] \[ A_2 = \pi (0,015)^2 = 7,068 \times 10^{-4} \]

Masukkan ke persamaan kontinuitas:

\[ (2,827 \times 10^{-3}) (2) = (7,068 \times 10^{-4}) v_2 \] \[ v_2 = \frac{(2,827 \times 10^{-3}) (2)}{7,068 \times 10^{-4}} \] \[ v_2 \approx 8 m/s \]

Jadi, kecepatan air di ujung kedua adalah 8 m/s.

---

Latihan soal

1. Sebuah benda bermassa 5 kg dimasukkan ke dalam air dan mengalami gaya apung 40 N. Berapakah volume benda tersebut?
2. Pipa air memiliki luas penampang awal 0,01 m² dan luas penampang akhir 0,005 m². Jika kecepatan air pada penampang awal 3 m/s, hitung kecepatan air di penampang akhir!
3. Sebuah tangki berisi air setinggi 10 meter. Berapa tekanan pada dasar tangki akibat air? (Massa jenis air = 1000 kg/m³).

---

Mekanika fluida adalah cabang fisika yang sangat luas dan memiliki banyak aplikasi di kehidupan sehari-hari. Mulai dari cara kapal mengapung, penerbangan pesawat, hingga aliran darah dalam tubuh, semuanya bisa dijelaskan dengan hukum-hukum dalam mekanika fluida! 🚀