Studi tentang dinamika fluida mungkin tampak seperti topik yang sempit dalam fisika. Dalam pidato sehari-hari, misalnya, Anda mengatakan "cairan" ketika yang Anda maksud adalah cairan, khususnya sesuatu seperti aliran air. Dan mengapa Anda ingin menghabiskan begitu banyak waktu hanya untuk melihat gerakan sesuatu yang begitu biasa?
Tetapi cara berpikir ini salah memahami sifat studi fluida dan mengabaikan banyak aplikasi yang berbeda dari dinamika fluida. Selain berguna untuk memahami hal-hal seperti arus laut, dinamika fluida memiliki aplikasi di bidang-bidang seperti lempeng tektonik, evolusi bintang, sirkulasi darah, dan meteorologi.
Konsep kunci juga penting untuk rekayasa dan desain, dan penguasaan dinamika fluida membuka pintu untuk doors bekerja dengan hal-hal seperti teknik kedirgantaraan, turbin angin, sistem pendingin udara, mesin roket, dan pipa jaringan.
Namun, langkah pertama untuk membuka pemahaman yang Anda butuhkan untuk mengerjakan proyek seperti ini adalah memahami dasar-dasar dinamika fluida, istilah yang digunakan fisikawan ketika membicarakannya dan persamaan terpenting yang mengatur saya t.
Dasar-dasar Dinamika Fluida
Arti dinamika fluida dapat dipahami jika Anda memecah kata-kata individual dalam frasa. "Cairan" mengacu pada cairan atau cairan yang tidak dapat dimampatkan, tetapi secara teknis juga dapat merujuk pada gas, yang secara substansial memperluas cakupan topik. Bagian "dinamika" dari namanya memberi tahu Anda bahwa itu melibatkan mempelajari fluida yang bergerak atau gerakan fluida, daripada statika fluida, yang merupakan studi tentang fluida yang tidak bergerak.
Ada hubungan erat antara dinamika fluida, mekanika fluida dan aerodinamika. Mekanika fluida adalah istilah luas yang mencakup studi tentanggerakan fluidadan fluida statis, sehingga dinamika fluida benar-benar terdiri dari setengah mekanika fluida (dan ini adalah bagian dengan penelitian yang paling banyak dilakukan).
Aerodinamika, di sisi lain, berhubungankhususdengan gas, sedangkan dinamika fluida mencakup gas dan cairan. Meskipun ada keuntungan dalam spesialisasi jika Anda tahu Anda lebih suka bekerja di bidang aerodinamika, dinamika fluida adalah bidang terluas dan paling aktif di area tersebut.
Fokus utama dari dinamika fluida adalahbagaimana cairan mengalir, dan memahami dasar-dasarnya sangat penting bagi setiap siswa. Namun, poin kuncinya sederhana secara intuitif: Cairan mengalir menuruni bukit dan sebagai akibat dari perbedaan tekanan. Aliran menurun didorong oleh energi potensial gravitasi, dan aliran karena perbedaan tekanan adalah pressure pada dasarnya didorong oleh ketidakseimbangan antara gaya di satu lokasi dan lokasi lain, sejalan dengan Newton's second hukum.
Persamaan Kontinuitas
Persamaan kontinuitas adalah ekspresi yang tampak cukup rumit tetapi sebenarnya hanya menyampaikan poin yang sangat sederhana: Materi kekal selama aliran fluida. Jadi jumlah fluida yang mengalir melewati titik 1 harus sama dengan titik yang mengalir melewati titik 2, dengan kata lainlaju aliran massakonstan. Persamaan memudahkan untuk melihat secara spesifik apa artinya ini:
_1A_1v_1= _2A_2v_2
Dimanaρadalah kepadatan,SEBUAHadalah luas penampang, danvadalah kecepatan, dan subskrip 1 dan 2 masing-masing mengacu pada titik 1 dan titik 2. Pikirkan tentang istilah dalam persamaan dengan hati-hati sambil mempertimbangkan aliran fluida: Luas penampang membutuhkan satu, "irisan" dua dimensi dari aliran fluida pada titik tertentu, dan kecepatan memberitahu Anda seberapa cepat setiap penampang tunggal cairan sedang bergerak.
Potongan teka-teki yang tersisa, kepadatan, memastikan bahwa ini seimbang dengan jumlah kompresi cairan pada titik yang berbeda. Hal ini agar jika gas dikompresi antara titik 1 dan titik 2, jumlah materi yang lebih besar per satuan volume pada titik 2 diperhitungkan dalam persamaan.
Jika Anda menggabungkan satuan untuk tiga suku di setiap sisi, Anda akan melihat bahwa satuan yang dihasilkan untuk ekspresi adalah nilai dalam massa/waktu, yaitu kg / s. Persamaan tersebut secara eksplisit mencocokkan laju aliran materi pada dua titik berbeda dalam perjalanannya.
Persamaan Bernoulli
Prinsip Bernoulli adalah salah satu hasil terpenting dalam dinamika fluida, dan dengan kata lain, prinsip ini menyatakan bahwa tekanan lebih rendah di daerah di mana fluida mengalir lebih cepat. Namun, ketika ini dinyatakan dalam bentuk persamaan Bernoulli, menjadi jelas bahwa ini adalah pernyataan darikonservasi energiditerapkan pada dinamika fluida.
Ini pada dasarnya menyatakan bahwa kerapatan energi (yaitu energi dalam satuan volume) sama dengan a konstan, atau (setara) bahwa sebelum dan sesudah suatu titik tertentu, jumlah ketiga suku ini tetap sama. Dalam simbol:
P_1 + \frac{1}{2} v_1^2 + gh_1 = P_2 + \frac{1}{2} v_2^2 + gh_2
Suku pertama memberikan energi tekanan (dengan tekanan =P), suku kedua memberikan energi kinetik per satuan volume, dan suku ketiga memberikan energi potensial (dengang= 9,81 m/s2 danh= tinggi tabung). Jika Anda terbiasa dengan persamaan kekekalan energi atau momentum dalam fisika, Anda pasti sudah memiliki ide yang bagus tentang cara menggunakan persamaan ini.
Jika Anda mengetahui nilai awal dan setidaknya beberapa detail pipa dan cairan setelah titik yang dipilih, Anda dapat mengetahui nilai yang tersisa dengan mengatur ulang persamaan.
Penting untuk dicatat beberapa peringatan tentang persamaan Bernoulli. Diasumsikan bahwa kedua titik terletak pada sebuah garis arus, bahwa alirannya tetap, bahwa tidak ada gesekan dan bahwa fluida memiliki kerapatan yang konstan.
Ini adalah batasan terbatas pada formula, dan jika Anda sedangdengan ketatakurat, tidak ada cairan bergerak yang memenuhi persyaratan ini. Namun, seperti yang sering terjadi dalam fisika, banyak kasus dapat dideskripsikan dengan cara ini, dan untuk membuat perhitungan lebih sederhana, ada baiknya membuat perkiraan ini.
Aliran Laminar
Persamaan Bernoulli sebenarnya berlaku untuk apa yang disebut aliran laminar, dan pada dasarnya menggambarkan fluida yang bergerak dengan aliran yang halus atau streamline. Ini dapat membantu untuk memikirkannya sebagai kebalikan dari aliran turbulen, di mana ada fluktuasi, vortisitas, dan perilaku tidak teratur lainnya.
Dalam aliran tunak ini, besaran-besaran penting seperti kecepatan dan tekanan yang digunakan untuk mengkarakterisasi aliran tetap konstan, dan aliran fluida dapat dianggap terjadi berlapis-lapis. Misalnya, pada permukaan horizontal, aliran dapat dimodelkan sebagai rangkaian paralel, horizontal lapisan air, atau melalui tabung itu bisa dianggap sebagai rangkaian konsentris yang semakin kecil silinder.
Beberapa contoh aliran laminar akan membantu Anda memahami apa itu, dan satu contoh sehari-hari adalah air yang muncul dari dasar keran. Pada awalnya, ia menggiring, tetapi jika Anda membuka keran sedikit lagi, Anda mendapatkan aliran air yang lancar dan sempurna – ini adalah aliran laminar – dan pada tingkat yang lebih tinggi tetap menjadibergolak. Asap yang keluar dari ujung rokok juga menunjukkan aliran laminar, aliran yang halus pada awalnya, tetapi kemudian menjadi turbulen karena semakin jauh dari ujungnya.
Aliran laminar lebih sering terjadi ketika fluida bergerak lambat, ketika memiliki viskositas tinggi atau ketika hanya memiliki sedikit ruang untuk mengalir. Ini ditunjukkan dalam eksperimen terkenal oleh Osborne Reynolds (dikenal dengan bilangan Reynolds, yang: akan dibahas lebih lanjut di bagian selanjutnya), di mana ia menyuntikkan pewarna ke dalam aliran fluida melalui gelas tabung.
Ketika alirannya lebih lambat, pewarna bergerak dalam jalur garis lurus, pada kecepatan yang lebih tinggi ia bergerak ke pola transisi, sementara pada kecepatan yang jauh lebih tinggi menjadi turbulen.
Aliran Turbulen
Aliran turbulen adalah gerakan aliran kacau yang cenderung terjadi pada kecepatan yang lebih tinggi, dimana fluida memiliki ruang yang lebih besar untuk mengalir dan dimana viskositasnya rendah. Hal ini ditandai dengan pusaran, pusaran dan bangun, yang membuatnya sangat sulit untuk memprediksi gerakan yang tepat dalam aliran karena perilaku kacau. Dalam aliran turbulen, kecepatan dan arah (yaitu kecepatan) dari fluida berubah terus menerus.
Masih banyak lagi contoh aliran turbulen dalam kehidupan sehari-hari, antara lain angin, aliran sungai, air di bangun dari perjalanan kapal, aliran udara di sekitar ujung sayap pesawat dan aliran darah melalui arteri. Alasan untuk ini adalah bahwa aliran laminar benar-benar hanya terjadi dalam keadaan khusus. Misalnya, Anda harus membuka faucet dalam jumlah tertentu untuk mendapatkan aliran laminar, tetapi jika Anda hanya membukanya ke tingkat yang sewenang-wenang, alirannya kemungkinan akan bergolak.
Bilangan Reynolds
Bilangan Reynolds suatu sistem dapat memberikan informasi tentangtitik transisiantara aliran laminar dan turbulen, serta informasi yang lebih umum tentang situasi dalam dinamika fluida. Rumus bilangan Reynolds adalah:
Re = \frac{ρvL}{μ}
Dimanaρadalah kepadatan,vadalah kecepatan,Ladalah panjang karakteristik (misalnya diameter untuk pipa), danμadalah viskositas dinamis fluida. Hasilnya adalah bilangan tak berdimensi yang mencirikan aliran fluida, dan dapat digunakan untuk membedakan antara aliran laminar dan aliran turbulen ketika Anda mengetahui karakteristik alirannya. Aliran akan menjadi laminar bila bilangan Reynoldsnya kurang dari 2.300 dan turbulen bila bilangan Reynoldsnya tinggi di atas 4.000, dengan tahap-tahap peralihannya adalah aliran turbulen.
Aplikasi Dinamika Fluida
Dinamika fluida memiliki banyak aplikasi dunia nyata, dari yang jelas hingga yang tidak terlalu jelas. Salah satu aplikasi yang lebih diharapkan adalah desain sistem pipa, yang perlu memperhitungkan bagaimana cairan akan mengalir melalui pipa untuk memastikan semuanya bekerja sebagaimana dimaksud. Dalam praktiknya, tukang ledeng dapat melakukan tugas mereka tanpa memahami dinamika fluida, tetapi ini penting untuk desain pipa, sudut, dan sistem perpipaan secara umum.
Arus laut (dan arus atmosfer) adalah area lain di mana dinamika fluida memainkan peran integral, dan ada banyak area spesifik yang diteliti dan dikerjakan oleh fisikawan. Lautan dan atmosfer keduanya berputar, sistem bertingkat dan keduanya memiliki banyak kompleksitas yang mempengaruhi perilaku mereka.
Namun, memahami apa yang mendorong arus laut dan atmosfer yang berbeda adalah tugas penting dalam zaman modern, terutama dengan tantangan tambahan yang ditimbulkan oleh perubahan iklim global dan antropogenik lainnya dampak. Sistem umumnya kompleks, dan dinamika fluida komputasi sering digunakan untuk memodelkan dan memahami sistem ini.
Contoh yang lebih dikenal menunjukkan cara-cara skala kecil yang dapat disumbangkan dinamika fluida untuk memahami sistem fisik: bola lengkung dalam bisbol. Ketika putaran diberikan ke lemparan, itu memiliki efek memperlambat bagian dari udara yang bergerak melawan putaran, dan mempercepat bagian yang bergerak dengan putaran.
Ini menciptakan perbedaan tekanan di berbagai sisi bola, menurut persamaan Bernoulli, yang mendorong bola menuju daerah bertekanan rendah (sisi bola berputar ke arah gerakan).