Menguasai Mekanika Fluida: Prinsip, Aplikasi, dan Dampak
Mekanika fluida adalah studi luas tentang perilaku fluida (cairan, gas, darah, dan plasma) dalam istirahat dan gerakan. Ini memiliki berbagai aplikasi saat ini, bidang ini mencakup rekayasa mekanik dan kimia, sistem biologis, dan astrofisika. Studi mekanika fluida terutama tentang gaya yang dihasilkan fluida.
Hari ini Anda akan mengetahui definisi, aplikasi, cabang, sifat, latar belakang historis mekanika fluida. Anda juga akan diperkenalkan dengan hal-hal berikut:
- Mekanika fluida dengan mekanika kontinu.
- Fluida tidak viskus dan viskus.
- Fluida Newtonian versus non-Newtonian. Persamaan fluida Newtonian juga akan dibahas.
Apa itu mekanika fluida?
Mekanika fluida dapat didefinisikan sebagai studi tentang perilaku cairan dan gas, terutama gaya yang dihasilkannya. Seperti yang disebutkan dalam pendahuluan, mekanika fluida adalah studi tentang fluida dalam istirahat (statik fluida) dan dalam gerakan (dinamika fluida). Ini juga dapat didefinisikan sebagai zat yang terus merubah bentuk (mengalir) di bawah stres geser yang diterapkan. Ini merubah bentuk tanpa memperhatikan besarnya stres yang diterapkan.
Cairan, gas, plasma, dan hingga beberapa batas, solid plastik dapat menjadi contoh yang baik dari fluida. Fluida tidak akan menawarkan resistensi internal terhadap perubahan bentuk dan harus mengambil bentuk wadahnya.
Gambar di atas menunjukkan perilaku cairan, gas, dan plasma dalam wadah.
Sebagian besar disiplin ilmu telah menunjukkan minat pada mekanika fluida. Misalnya, fisikawan mempelajari aliran gas dengan suhu sangat tinggi melalui medan magnet. Ini terjadi dalam pencarian metode yang dapat diterima untuk memanfaatkan energi reaksi fusi nuklir. Insinyur menunjukkan minat pada mekanika fluida karena gaya yang dihasilkan oleh fluida yang digunakan untuk tujuan praktis. Beberapa contoh termasuk desain aerofoil, propulsi jet, turbin angin, dan rem hidrolik. Ini dijelaskan lebih lanjut.
Anda harus memahami bahwa mekanika fluida adalah studi tentang fluida dalam istirahat dan dalam gerakan. Fluida dapat didefinisikan sebagai material yang terus merubah bentuk di bawah beban konstan. Kinematik, stres, konservasi, pengaturan, dan konstitutif adalah lima istilah penting yang berguna dalam masalah mekanika fluida. Baik, masalah ini dapat bervariasi tergantung pada pilihan sistem yang diminati dan volume yang diminati, yang mengatur penyederhanaan kuantitas vektor.
Latar belakang historis mekanika fluida
Mekanika fluida telah memerankan peran yang sangat penting dalam kehidupan manusia dan akan terus memberikan efek ini. Itulah mengapa telah menarik banyak orang yang penasaran. Dalam sejarah Yunani kuno, karya teoritis sistematis dilakukan pada masalah ini. Pada abad ke-16th, pengembangan persamaan pengaturan aliran fluida dimulai. Pada abad ke-18th dan 19th, hukum konservasi untuk massa, momentum, dan energi dikenal dalam bentuk paling umum. Pada abad ke-20th, perkembangan ada dalam bentuk teoritis, eksperimental, dan baru-baru ini numerik. Solusi persamaan pengaturan untuk kasus khusus disediakan dalam bidang teoritis. Metode eksperimental telah digunakan untuk mengukur kecepatan aliran dan sifat fluida. Menggunakan komputer, perawatan numerik masalah mekanika fluida membuka perspektif baru dalam penelitian. Keyakinan umum pada abad ke-21 adalah bahwa kegiatan akan paling intensif dalam pengembangan alat eksperimental dan numerik baru. Juga, aplikasi alat tersebut untuk mengembangkan teknologi baru.
Aplikasi mekanika fluida
Dengan mayoritas observasi saat ini, kehidupan akan mustahil tanpa fluida. Ini berarti, atmosfer dan samudera yang menutupi planet adalah fluida. Mekanika fluida melayani tujuan ilmiah dan praktis yang tak terbatas. Ini menarik hampir semua bidang keahlian meskipun dijelaskan oleh teori bidang non-linear dan juga karena fenomena fluida mudah diamati. Jadi, aplikasi mekanika fluida meliputi keahlian ini termasuk matematikawan, fisikawan, ahli biologi, ahli geologi, ohianograf, ilmuwan atmosfer, dan hampir semua jenis rekayasa. Para seni ini saat ini tertarik untuk mempelajari, memanfaatkan, dan mengeksploitasi mekanika fluida. Ini digunakan untuk menciptakan dan menguji teknik formal dan komputasi untuk lebih memahami alam. Ini juga mencoba untuk meningkatkan kondisi manusia.
Aplikasi mekanika fluida melibatkan transportasi, pengolahan material dan manufaktur, generasi dan konversi daya, infrastruktur sipil, dan produksi makanan.
Cabang utama mekanika fluida
Berikut adalah dua cabang utama mekanika fluida:
Statik fluida:
Cabang mekanika fluida ini juga dikenal sebagai hidrostatika. Ini adalah studi tentang fluida dalam istirahat dan mencakup studi tentang kondisi di mana fluida dalam istirahat dalam kesetimbangan stabil. Mekanika fluida hidrostatika menunjukkan penjelasan fisik untuk banyak fenomena dalam kehidupan sehari-hari. Ini termasuk alasan mengapa tekanan atmosfer berubah dengan ketinggian, mengapa kayu dan minyam terapung di air, dan mengapa permukaan air selaras tanpa memperhatikan bentuk wadahnya.
Hidrostatika adalah dasar hidrolik, transportasi, menggunakan fluida, dan rekayasa peralatan untuk menyimpan. Beberapa aspek yang relevan dari hidrostatika mencakup geofisika dan astrofisika (misalnya, memahami tektonik lempeng dan anomalitas medan gravitasi bumi), meteorologi, medik dalam aspek tekanan darah, dan banyak bidang keahlian lainnya.
Dinamika fluida:
Dinamika fluida adalah subdisiplin dalam mekanika fluida, berhubungan dengan aliran fluida. Itu adalah ilmu cairan dan gas dalam gerakan. Ini menawarkan struktur sistematis yang mengungkapkan disiplin praktis ini, yang mencakup hukum empiris dan semi-empiris yang dihasilkan dari pengukuran aliran dan digunakan untuk menyelesaikan masalah praktis. Masalah dinamika fluida telah diselesaikan. Ini melibatkan perhitungan berbagai sifat fluida, seperti tekanan, densitas, kecepatan, dan suhu, sebagai fungsi ruang dan waktu. Cabang mekanika fluida ini memiliki beberapa subdisiplin sendiri, seperti aerodinamika, yang adalah studi tentang udara dan gas lain dalam gerakan. Hidrodinamika adalah subdisiplin lain, yang adalah studi tentang cairan dalam gerakan.
Seperti yang disebutkan sebelumnya dalam aplikasi dinamika fluida, itu memiliki berbagai aplikasi, termasuk perhitungan gaya dan gerakan pada pesawat. Ini juga menentukan laju aliran massa petroleum melalui pipa, memprediksi pola cuaca yang berkembang, memahami nebula di ruang antar bintang, dan memodelkan ledakan. Terakhir, beberapa prinsip dinamika fluida digunakan dalam rekayasa lalu lintas dan dinamika kerumunan.
Prinsip dasar fluida
Fluida terdiri dari molekul diskret; molekul ini sangat kecil dan kecuali dalam gas pada tekanan sangat rendah. Jumlah molekul per mililiter begitu besar sehingga mereka perlu dilihat sebagai entitas individu. Dalam cairan, dikenal sebagai kristal cair, molekul dikemas bersama dengan cara yang membuat sifat medium secara lokal anisotropik. Namun, mayoritas fluida termasuk udara dan air adalah isotropik.
Dalam mekanika fluida, keadaan fluida anisotropik dijelaskan dengan mendefinisikan massa rata-rata per satuan volume, atau densitas (p), suhu (T), dan kecepatan (V) pada setiap titik dalam ruang. Juga, hubungan adalah antara properti makroskopik ini dan posisi serta kecepatan molekul individu, yang tidak memiliki langsung.
Perbedaan antara gas dan cairan sangat mudah untuk dirasakan daripada untuk dijelaskan. Namun ini masih harus diperiksa. Molekul cukup jauh satu sama lain untuk bergerak hampir independen satu sama lain dalam gas. Gas cenderung meleleh untuk mengisi volume apa pun yang tersedia untuk mereka. Di sisi lain, molekul cairan kurang atau lebih dalam kontak dan mereka kohesi karena gaya tarik jarak pendek di antara mereka. Molekul bergerak terlalu cepat untuk menetap ke dalam array teratur yang khas padatan. Bahkan begitu, mereka tidak dapat terpisah.
Meskipun, cairan dapat ada sebagai titik atau sebagai jet dengan permukaan bebas. Mereka bahkan dapat duduk dalam gelas dibatasi hanya oleh gravitasi, dengan cara yang sampel gas tidak dapat. Sampel tersebut dapat menguap seiring waktu saat molekul mereka mengambil cukup kecepatan untuk melarikan diri melintasi permukaan bebas dan tidak diganti. Umur titik cair dan jet biasanya cukup lama untuk penguapan dapat diabaikan.
Hubungan mekanika fluida dengan mekanika kontinu
Mekanika fluida adalah subdisiplin dari mekanika kontinu. Berikut adalah daftar subdisiplin yang berkaitan dengan bidang ini.
Mekanika fluida – ini adalah studi fisika material kontinu yang merubah bentuk ketika diterapkan gaya.
Mekanika kontinu – studi fisika material kontinu.
Mekanika padat – studi fisika material kontinu dengan bentuk istirahat yang ditentukan.
Reologi – studi material dengan karakteristik padat dan fluida.
Elastisitas – menggambarkan material yang kembali ke bentuk istirahat setelah stres yang diterapkan dihilangkan.
Plastisitas – ini menggambarkan bahwa merubah bentuk secara permanen setelah stres yang diterapkan cukup.
Fluida Non-Newtonian – mereka tidak mengalami laju regangan yang proporsional terhadap stres geser yang diterapkan.
Fluida Newtonian – mengalami laju regangan yang proporsional terhadap stres geser yang diterapkan. Ini akan dijelaskan lebih lanjut.
Secara mekanis, fluida tidak mendukung stres geser, itulah mengapa dalam istirahat memiliki bentuk wadahnya. Fluida dalam istirahat tidak memiliki stres geser.
Tonton video untuk mempelajari lebih lanjut tentang mekanika fluida:
Fluida tidak viskus dan viskus
Fluida tidak viskus tidak memiliki viskositas, ini adalah idealisasi. Salah satu yang memudahkan perawatan matematika. Aliran tidak viskus murni terwujud dalam kasus superfluida. Selain itu, fluida umumnya viskus. Matematika sistem mekanika fluida dapat diatasi dengan mengasumsikan fluida di luar lapisan batas adalah tidak viskus. Solusi harus dicocokkan dengan lapisan batas laminar tipis.
Fluida Newtonian dan non-Newtonian
Fluida Newtonian dinamai dari Isaac Newton. Ini didefinisikan sebagai fluida yang stres gesernya linier proporsional terhadap gradien kecepatan dalam arah tegak lurus terhadap bidang geser. Artinya, tanpa mematuhi gaya yang bekerja pada fluida, terus mengalir. Air adalah contoh yang baik dari fluida Newtonian karena terus menunjukkan sifat fluida tanpa peduli seberapa banyak diaduk atau dicampur.
Contoh yang baik adalah geser objek kecil yang dijalankan perlahan melalui fluida proporsional terhadap gaya yang diterapkan pada objek. Fluida penting seperti air dan sebagian besar gas berperilaku sebagai pendekatan yang baik sebagai fluida Newtonian di bawah kondisi normal.
Di sisi lain, fluida non-Newtonian dapat meninggalkan lubang saat diaduk. Ini akan terisi perlahan seiring waktu seperti yang dapat terjadi dalam material seperti puding, dan oobleck. Mengaduk fluida non-Newtonian dapat menurunkan kecepatan fluida sehingga tampak lebih cair. Terdapat berbagai jenis fluida non-Newtonian di luar sana. Mereka dapat didefinisikan sebagai sesuatu yang gagal untuk mematuhi properti tertentu. Misalnya, hampir semua fluida dengan rantai molekuler panjang dapat bereaksi dengan cara non-Newtonian.
Kesimpulan
Itu semua untuk posting ini tentang mekanika fluida, di mana kami memberikan definisinya, latar belakang historis, aplikasi, cabang, prinsip, dan hubungannya dengan mekanika kontinu.
Saya harap Anda mendapat banyak dari artikel ini, jika demikian, mohon bagikan dengan siswa lainnya. Terima kasih telah membaca. Sampai jumpa lain waktu!
