fisika untuk teknik sipil sifat-sifat fisis fluidaistiarto.staff.ugm.ac.id/docs/futs/futs1...
TRANSCRIPT
UniversitasGadjahMadaDepartemenTeknikSipildanLingkunganProdiSarjanaTeknikSipil
Sifat-sifatFisisFluida
FisikauntukTeknikSipil
Fisik
aun
tukTeknikSipil
1
1-Feb-17
§ White,FrankM.,2011,FluidMechanics,7thEdiGon,TheMcGraw-HillBookCo.,NewYork.• Chapter1,SecGon1.4to1.9,pp.6-39.
§ Young,D.F.,Muncon,B.R.,Okiishi,T.H.,Huebsch,W.W.,2011,ABriefIntroduc5ontoFluidMechanics,5thEdiGon,J.Wiley&Sons,Inc.,NJ.• Chapter1,pp.3-23.
1-Feb-17
2
Fisik
aun
tukTeknikSipil
Acuan
1-Feb-17
3
Fisik
aun
tukTeknikSipil Pengantar
FisikauntukTeknikSipil
§ Apakahitu:• Fisika?• Tekniksipil?
§ Bericontohatauilustrasi!• Fisikadibidangtekniksipil,atau• kaitanfisikadantekniksipil
1-Feb-17
4
Fisik
aun
tukTeknikSipil
FisikadanTeknikSipil
1-Feb-17
5
Fisik
aun
tukTeknikSipil
FisikadanTeknikSipilTeknikSipil(UGM
) Basah
Kering
Hidro
Struktur(d/hKonstruksi)
Transportasi
Hidro
Struktur
Transportasi
Geoteknik
Hidro
Struktur
Transportasi
Geoteknik
Lingkungan
SDA
TeknikSungai
TeknikPantai
Struktur
Bahan
Mankon
SistemTransportasi
TeknikTransportasi
……
……
2001-sekarangs.d.1970-an 1970-1990 1990-2000
§ Fisikadibidanghidro• mempelajarifluidadalamkeadaandiamataubergerak
1-Feb-17
6
Fisik
aun
tukTeknikSipil
FisikadanTeknikSipilHidro
staGkafluida(fluidsta5cs)
dinamikafluida(fluiddynamics)
• fluidaßfluid{CambridgedicGonary:[noun,coru]asubstancethatflowsandisnotsolid}
1-Feb-17
7
Fisik
aun
tukTeknikSipil Fluida,
DimensidanSatuan
FisikauntukTeknikSipil
Zat1-Feb-17
Fisik
aun
tukTeknikSipil
8
padat cair gas
fluida
fluidatak-mam
pat
(incompressib
lefluid)
fluidamam
pat
(com
pressib
lefluid)
Apaciripembedazatpadatdanfluida?
zat–sesuatuyangmemilikimassadanmenempaGruang
ZatPadatvsFluida1-Feb-17
Fisik
aun
tukTeknikSipil
9
• CarayanglebihsainGfikdalampembedaanantarazatpadatdanfluidaadalahmenilikperilakukeduanyaterhadapgaya(gayaluar)yangbekerjaterhadapnya
F
sebuahbatangbaja(tulanganbeton)ditarikdiujung;pangkalnyaditahanàbatangmengalamideformasi;padasuatuGGk,deformasiberhenG
F
F
gayabekerjapadapermukaanfluida(Gmbultegangangeser)àfluidabergerak(mengalir)terus-menerus
fluida
solid
gaya(force)
vektor
permukaanfluida
gayatangensialyangbekerjapadapermukaanfluidaàmenimbulkantegangangeser(shearstress)
Batangbajaditarik Fluidadiantaraduapelat
1-Feb-17
Fisik
aun
tukTeknikSipil
10
§ hlps://www.youtube.com/watch?v=67fSwIjYJ-E
§ hlps://youtu.be/XVn-Yyu10Bg?t=46
ZatPadatvsFluida
§ Telahdipaparkanpadaslide#4bahwafisikadibidanghidromempelajarifluidadiamataubergerak• Parameteruntukmendeskripsikanfluidayangbergerak
• ukuran/dimensià • tekananàp• kecepatanaliranàv
1-Feb-17
11
Fisik
aun
tukTeknikSipil
FluidaBergerak(Mengalir)
ℓ
§ FisikauntukTeknikSipildibidanghidromempelajarifluidadalamkeadaandiamataubergerak(Slide#4)• akanbanyakmembahassifat-sifatfluida(fisis,mekanis)• makaperlucarauntukmendeskripsikansifat-sifatfluida• baikdeskripsikualitaEf,maupunkuanEtaEf
• deskripsikualitaGfsifat-sifatfluidaàdikenalsebagaidimensi– massaàM– panjangàL– waktuàT– temperaturàΘ
1-Feb-17
12
Fisik
aun
tukTeknikSipil
Dimensi
dimensiutama,dimensidasar
§ Daridimensidasar,dapatdilakukandeskripsikualitaGfyangmerupakangabungandimensidasar,misal• kecepatangerakadalahpanjangdibagiwaktu,
dim[v]=LT−1
• percepatangerakadalahperubahankecepatanterhadapwaktu,dim[a]=LT−2
• gayaadalahmassadikalikanpercepatangerak,dim[F]=MLT−2
1-Feb-17
13
Fisik
aun
tukTeknikSipil
Dimensi
§ Tuliskanlahdimensibeberapaparameterdibawahini• debitaliran,Q• tekanan,p• tegangangeser,τ• dll.
1-Feb-17
14
Fisik
aun
tukTeknikSipil
Dimensi
§ Dimensi,yangmerupakandeskripsikualitaGfsifatfluida,perludilengkapidengansatuanyangmerupakandeskripsikuanGtaGf
§ Dalamfisika,sistemsatuanyangbanyakdiikuGadalahsistemsatuanmetrikyangdikenalpulasebagaisistemsatuanSI(SystèmeInterna5onal)atauInterna5onalSystemofUnits• Ada7satuandasardalamsistemsatuanSI
• massaàkilogram,kg• panjangàmeter,m• waktuàdeGk,s(PerhaGkan:bukandet,dtk,dt)
• temperaturàkelvin,K(PerhaGkan:tanpanotasiderajat,°)• aruslistrikàampere,A• jumlahmolekulàmol,mol• intensitascahayaàcandela,cd
1-Feb-17
15
Fisik
aun
tukTeknikSipil
Satuan
banyakdipakaidibidangtekniksipilhidro
§ Darisatuandasar,dapatdilakukandeskripsikuanGtaGfyangmerupakangabungansatuandasar,misal• satuangayaadalahnewton(N),diperolehdarihukumNewtonII
F=ma1N=1kgm/s2
1-Feb-17
16
Fisik
aun
tukTeknikSipil
Satuan
PerhaGkan:newton(Gdakdiawalidenganhurufkapital),notasiN(ditulisdenganhurufkapital).
PerhaGkan:variabelmassa,m,ditulisdenganhurufmiring,satuanpanjangmeter,m,ditulisdenganhuruftegak.Inibukansebuahkeharusan,tetapisangatdisarankanuntukmenghindarisalahbaca.
Catatan:dalamkasustulistangan,variabelditulisdenganhuruftegakdansatuanditulisdidalamkurungkotak,misal1[N]=1[kgm/s2].
• satuanusahaadalahjoule(J),diperolehdaridefinisiusaha,yaituusaha(work)yangdilakukanolehsebuahgaya1Nuntukbergeraksejauh1mdalamarahgayatersebut,W=FΔx1J=1Nm
• satuandayaadalahwal(W),yaituusahapersatuanwaktuP=W/T1W=1J/s
1-Feb-17
17
Fisik
aun
tukTeknikSipil
Satuan
SatuanFisik
aun
tukTeknikSipil
18
1-Feb-17
§ Awalan(prefix)dipakaiuntukpenyebutanangkayangmerupakankelipatansepuluhuntukpenyederhanaan(pengurangan)jumlahangka
Awalan Simbol Kelipatan Awalan Simbol Kelipatan
exa E 1018 deci d 10−1
peta P 1015 cenG c 10−2
tera T 1012 milli m 10−3
giga G 109 micro μ 10−6
mega M 106 nano n 10−9
kilo k 103 pico p 10−12
hecto h 102 femto f 10−15
deka da 10 alo a 10−18
1-Feb-17
19
Fisik
aun
tukTeknikSipil Sifat-sifatFisis
Fluida
FisikauntukTeknikSipil
Sifat-sifatFisisFluida1-Feb-17
Fisik
aun
tukTeknikSipil
20
§ Massadanbobot• Rapatmassa• Beratvolume• Beratjenis
§ Fluidagas§ Kekentalan(viskositas)• Kekentalandinamik• KekentalankinemaGk
§ Kompresibilitasfluida§ Tekananuap§ Teganganpermukaan
RapatMassa1-Feb-17
Fisik
aun
tukTeknikSipil
21
§ Rapatmassafluida• Rapatmassafluidaadalahmassa
fluidapersatuanvolumefluida• Simbolρ• Satuankg/m3
• Nilaiρberubahterhadapperubahantekananatautemperatur• khususnyapadafluidagasàfluida
mampat(compressiblefluid)• nilaiρfluidacairGdakbanyak
berubahterhadapperubahantekananatautemperaturàfluidatak-mampat(incompressiblefluid)
§ Rapatmassaairdangas• ρair≈103ρgaspadatekanan1atm• ρair=1000kg/m3pada4°Cdanhanya
meningkat1%padakenaikantekanan220kali
• Padatemperatur20°C:• ρhidrogen =0.0838kg/m3
• ρair =998kg/m3
• ρmerkuri =13580kg/m3
• Fluidapalingringan:hidrogen• Fluidapalingberat:merkuri
§ Beratvolume,beratisi,bobotvolume(specificweight)• Beratvolumefluidaadalahbobotfluidapersatuanvolumefluida• Simbolγ• SatuanN/m3
• Beratvolumeairpada20°C:γair=998×9.81N/m3=9.79kN/m3
• Mekanikatanah• beratvolume(beratisi)adalahbobottanahpersatuanvolumetanah• beratjenisadalahbobottanahkeringpersatuanvolumebagianpadattanah
(Gdaktermasukvolumerongga)• volumetanahterdiridarivolumebagianpadat(Vs=Vsolid)danvolumerongga
(Vv=Vvoid)
1-Feb-17
22
Fisik
aun
tukTeknikSipil
BeratVolume
γ=ρg[kg/m3m/s2]=ρg[N/m3]
§ Beratjenis(specificgravity)• Adalahrasioantararapatmassafluidadanrapatmassafluidaacuan(airuntuk
fluidacairdanudarauntukfluidagas)padatemperaturtertentu• Simbol,SGatauGsatauBJ• Tidakbersatuan
• Contoh,beratjenismerkuripadatemperatur20°Cadalah
1-Feb-17
23
Fisik
aun
tukTeknikSipil
BeratJenis
SGfluida cair =ρ fluida
ρair@4!C
=ρ fluida
1000kg/m3, SGgas =
ρgas
ρudara
=ρgas
1.205kg/m3
SGmerkuri =
13580kg/m3
1000kg/m3=13.58
§ Padafluidagasideal,berlakuhubunganantararapatmassa,tekanan,dantemperatursbb.• p=ρRTatau
• ptekananabsolut,ρrapatmassa,Ttemperaturabsolut,danRkonstantagas• tekananabsolutadalahtekananyangdiukurterhadaptekanannol• tekanannoladalahtekananpadaruanghampa
§ TekananabsolutdantekananrelaGf• Dibidangenjiniring,tekananbiasadinyatakansebagaitekananrelaGfterhadaptekanan
atmosfirsetempat• Tekananatmosfirdipermukaanlautadalah101.325kPa≈101kPaatau14.7psi(1atm
=101kPa=14.7psi)• 1Pa=1N/m2
1-Feb-17
24
Fisik
aun
tukTeknikSipil
FluidaGas
ρ=
pRT
§ Viskositas,kekentalan(viscosity)• Viskositasmencerminkankemampuanfluidauntukmenahanataumelawangerak
(aliran)• Viskositasfluidamenentukanlajureganganfluidaakibattegangangeseryang
bekerjapadafluida§ Contoh
• Kitadapatbergerak(berjalan)denganmudahmelaluiudara• Didalamair,pergerakanmenjadilebihsulit;viskositasairadalah50kaliviskositas
udara• KeGkakitamenggerakkantangandalampelumasSAE30,kitamerasakantahanan
olehpelumas;viskositaspelumasSAE30adalah300kalilebihbesardaripadaviskositasair
• Demikianpula,geraktanganakanlebihsulitdalamgliserinyangmemilikiviskositas5kalilebihbesardaripadaviskositaspelumasSAE30
1-Feb-17
25
Fisik
aun
tukTeknikSipil
Viskositas
ViskositasFisik
aun
tukTeknikSipil
26
1-Feb-17
§ Situasi• fluidaditempatkandiantaraduapelat• pelatbawahdiam,pelatatasbergerakdengankecepatankonstan• dipelatbawah,fluidaGdakbergerak,kecepatannol(noslipcondi5on)
Diambildari:White,FrankM.,2011,FluidMechanics,7thediGon,TheMcGraw-HillBookCo.,NewYork,hlm26.
Viskositas1-Feb-17
Fisik
aun
tukTeknikSipil
27
§ PadafluidaseperGudara,air,minyak• berlakuhubunganlinearantara
teganganyangbekerjapadapermukaanfluidadanlajuregangan
• darigambara(gambarkiri),tampak
• jikaδsangatkecil,maka
• sehingga
• Denganmengenalkanviskositasdinamikμ
τ∝
δθ
δt
tanδθ= δuδt
δy
dθdt=dudy
τ∝
dudy
τ =µ
dudy
FluidaNewton(newtonianfluid)
§ AngkaReynolds• Parameteryangmenggambarkanperilakufluidaberkaitandengankekentalan
fluidanewtonian• Angkatakberdimensi
• VadalahkecepatanalirandanLadalahskalapanjangaliran• νadalahkekentalankinemaGk
1-Feb-17
28
Fisik
aun
tukTeknikSipil
Viskositas
Re= ρVL
µ=VLν
ν=µ
ρdim[μ]=ML−1T−1 àNs/m2
dim[ν]=L2T−1 àm2/s
§ Kompresibilitasfluida• Mencerminkanperilakufluidaterhadapperubahantekanan• Fluidayangmudahmampat,volumedanrapatmassamudahberubah,
terhadapperubahantekanandinamaifluidamampat(compressiblefluid),misaludara
• FluidayangvolumenyaGdakatausulitberubahterhadapperubahantekanandisebutfluidatak-mampat(incompressiblefluid)
• Parameteryangdipakaiuntukmendeskripsikankompresibilitasfluidaadalahbulkmodulus(moduluselasGsitas),Ev
1-Feb-17
29
Fisik
aun
tukTeknikSipil
KompresibilitasFluida
Ev =−
dpdV V
=dp
dρ ρ
KompresibilitasFluida1-Feb-17
Fisik
aun
tukTeknikSipil
30
p+dp p+dp
V−dV ρ+dρ
p
V
Ev =−
dpdV V
Ev =dp
dρ ρdim[Ev]=ML−1T−2à
N/m2atauPa
tandanegaGfkarenapeningkatantekananberakibatpadapenguranganvolume
§ Tekananuap(vaporpressure)• Fluidacair,misalair,akanmenguapapabilaairditempatkandiwadah
terbuka(contoh:penguapanatauevaporasiairdiwaduk)• Evaporasiterjadikarenamolekul-molekulzatcairdipermukaan
mengandungmomentumyangdapatmengalahkangayakohesiantarmolekulsehinggamolekulzatcairlepaskeatmosfir
• Dibidangtekniksipilhidro,tekananuapinipenGngkarenaberkaitandengankavitasi
1-Feb-17
31
Fisik
aun
tukTeknikSipil
TekananUap
TekananUap1-Feb-17
Fisik
aun
tukTeknikSipil
32
§ Sebuahbejanadiisizatcair,ditutupdengansumbatsehinggatakadaudaradidalamnya.
§ Sumbatdigeserkeataspelan-pelansedemikiansehinggaGdakadaudarayangmasuk.
§ Adaruangdiantarazatcairdansumbat.§ Timbultekanandalamruangtsbkarenaadanyauap
yangGmbulakibatpelepasanmolekul-molekulzatcair.
§ Saatkeseimbangan,yaitujumlahmolekulzatcairyangmeninggalkanpermukaansamadenganjumlahmolekulzatcairyangmasukkepermukaan,makauapmenjadijenuh.
§ Tekananpadauapjenuhtsbdisebuttekananuap(vaporpressure),pv.
§ Tekananuapbergantungpadatemperatur.
zatcair
sumbat
zatcair
sumbatuap,pv
§ Kavitasi• Padaaliranairdalampipaataudisaluranterbuka,kecepatanaliranmenurunkan
tekanan• Jikakecepatanaliransangatbesar,tekananmengecil• Jikatekananmencapaitekananuap,makaterjadiboiling,yaituterbentuknya
gelembungudaradalamaliranair• Gelembungudarainiterbawaaliran• KeGkasampaiditempatyangbertekananGnggi,gelembungudarapecahsecaraGba-
Gba• Inidisebutkavitasi• Kavitasdapatmerusakpipaataupermukaansaluran
§ Contohkasus• Alirandalampipapesat,turbinPLTA• Alirandisaluranpelimpah(spillway)bendungan
1-Feb-17
33
Fisik
aun
tukTeknikSipil
TekananUapdanKavitasi
§ hlps://www.youtube.com/watch?v=U-uUYCFDTrc
1-Feb-17
34
Fisik
aun
tukTeknikSipil
TekananUapvsKavitasi
§ Teganganpermukaan(surfacetension)• Teganganterbentukdibidangkontakantarazatcairdangas,atau
antaraduafluidatak-campur(immisciblefluids).• BidangkontakiniberperilakuseperGsebuahlapismembran.• TeganganpermukaanterjadikarenaadanyakeGdak-seimbangangaya-
gayakohesifyangbekerjapadapermukaankeduafluida.• Simbolσ• SatuanN/m
1-Feb-17
35
Fisik
aun
tukTeknikSipil
TeganganPermukaan
GayaKapiler1-Feb-17
Fisik
aun
tukTeknikSipil
36
§ Sebuahtabungkecil,terbukadipangkaldanujungnya,dimasukkandalamair(Gbr.a).
§ Mukaairdalamtabungnaik,menjadilebihGnggidaripadamukaairdiluartabung.
§ Tinggikenaikanmukaairdalamtabung,h,bergantungpadateganganpermukaan,σ,radiustabung,R,beratvolumeair,γ,dansudutkontakantaraairdantabung,θ.
§ Darifreebodydiagram(Gbr.b),dapatdiketahuiimbangangaya-gayaarahverGkal,yaitukomponenverGkalteganganpermukaandanberatair.
Dicuplikdari:Young,D.F.,Muncon,B.R.,Okiishi,T.H.,Huebsch,W.W.,2011,ABriefIntrodunc5ontoFluidMechanics,5thEdiGon,J.Wiley&Sons,Inc.,NJ.
GayaKapiler1-Feb-17
Fisik
aun
tukTeknikSipil
37
γπR2h=2πσcosθ
h= 2σcosθ
γR
Dicuplikdari:Young,D.F.,Muncon,B.R.,Okiishi,T.H.,Huebsch,W.W.,2011,ABriefIntrodunc5ontoFluidMechanics,5thEdiGon,J.Wiley&Sons,Inc.,NJ.
FluidaTemperatur[°C]
Rapatmassa,ρ[kg/m3]
Beratvolumeγ[kN/m3]
Kekentalandinamik,μ[Ns/m2]
KekentalankinemaEk,ν[m2/s]
Teganganpermukaan1),σ[N/m]
Tekananuap(abs),pv[N/m2]
Modulus2)(bulk),Ev[N/m2]
Airlaut 15.6 1030 10.1 1.20×10−3 1.17×10−6 7.34×10−2 1.77×103 2.34×109
Airtawar 15.6 999 9.8 1.12×10−3 1.12×10−6 7.34×10−2 1.77×103 2.15×109
Airraksa 20 13600 133 1.57×10−3 1.15×10−7 4.66×10−1 1.6×10−1 2.85×1010
1-Feb-17
38
Fisik
aun
tukTeknikSipil
Sifat-sifatFisisFluidaCair*)
1)Teganganpermukaanpadabidangkontakdenganudara.2)Isentropicbulkmodulusdihitungdarikecepatansuara.
*) Dicuplikdari:Young,D.F.,Muncon,B.R.,Okiishi,T.H.,Huebsch,W.W.,2011,ABriefIntrodunc5ontoFluidMechanics,5thEdiGon,J.Wiley&Sons,Inc.,NJ.
FluidaTemperatur[°C]
Rapatmassa,ρ[kg/m3]
Beratvolumeγ[N/m3]
Kekentalandinamik,μ[Ns/m2]
KekentalankinemaEk,ν[m2/s]
Konstantagas1),R[J/kg/K]
Specificheatra0o2),k
Udara 15 1.23 12 1.79×10−5 1.46×10−5 2.869×102 1.40
Karbondioksida 20 1.83 18 1.47×10−5 8.03×10−6 1.889×102 1.30
Hidrogen 20 8.38×10−2 8.22×10−1 8.84×10−6 1.05×10−4 4.124×103 1.41
Nitrogen 20 1.16 11.4 1.76×10−5 1.52×10−5 2.968×102 1.40
Oksigen 20 1.33 13 2.04×10−5 1.53×10−5 2.598×102 1.40
1-Feb-17
39
Fisik
aun
tukTeknikSipil
Sifat-sifatFisisFluidaGas*)
*) Dicuplikdari:Young,D.F.,Muncon,B.R.,Okiishi,T.H.,Huebsch,W.W.,2011,ABriefIntrodunc5ontoFluidMechanics,5thEdiGon,J.Wiley&Sons,Inc.,NJ.
1)KonstantagasGdakbergantungpadatemperatur.2)Specificheatra5obergantungsedikitpadatemperatur.
TekananFluida1-Feb-17
Fisik
aun
tukTeknikSipil
40
• Tekananfluidadinyatakandalamduacara,yaitutekananabsolut(absolutepressure)atautekananukur(gagepressure).
• TekananabsolutadalahtekananrelaGfterhadaptekananhampaudara(tekanannolabsolut).
• TekananukuradalahtekananrelaGfterhadaptekananatmosfirsetempat.
• TekananabsolutselalubernilaiposiGf,tekananukurbernilaiposiGf(lebihbesardaripadatekananatmosfir)ataunegaGf(lebihkecildaripadatekananatmosfir).
AlatUkurTekanan1-Feb-17
Fisik
aun
tukTeknikSipil
41
Prinsippengukurantekanan:(1) Barometerairraksa(2) Piezometer
Barometerairraksa Piezometer
patm = γHgh+pvaporpvapor << ⇒ patm = γHgh
γHg(T=20°C)=133kN/m3
PiezometerBarometer
pA = p1 = γ1h1pA
γ1=p1γ1= h1
AlatUkurTekanan1-Feb-17
Fisik
aun
tukTeknikSipil
42ManometertabungGpeU ManometertabungGpeU
pA −pB = γ2h2 + γ3h3 −γ1h1pA = γ2h2 −γ1h1
AlatUkurTekanan1-Feb-17
Fisik
aun
tukTeknikSipil
43
Manometertabungmiring
pA −pB = γ2ℓ2 sinθ+ γ3h3 −γ1h1
§ Buattulisanyangmemaparkan• Contohfisikadibidangtekniksipilhidro,transportasi,struktur• Dimensidansatuanbesaranfisis:debitaliran,tekanan,gayageser• Kavitasi,contohkasuskavitasi• Newtonianfluid,non-newtonianfluid
§ Naskah• Formatditetapkansendiri• TaaGkaidahbahasaIndonesiayangbaikdanbenar• IkuGkaidahtulisanilmiah• Pakailahprogramaplikasidocumentprocessor,misalMSWord,denganbaik,
efekGf,efisien§ Tenggatpenyerahantugas
• Rabu,15Februari2017
1-Feb-17
44
Fisik
aun
tukTeknikSipil
Tugas
1-Feb-17
45
Fisik
aun
tukTeknikSipil