Hidrodinamika – prinsip, contoh, kegunaan

Prinsip Bernoulli

Apa itu hidrodinamika?

Hidrodinamika adalah area mekanika fluida yang berhubungan dengan studi cairan bergerak. Namanya berasal dari bahasa Yunani “hydro”, yang berarti air, tetapi hidrodinamika tidak terbatas pada mempelajari cairan, tetapi juga gas.

Ini adalah salah satu disiplin ilmu tertua yang diketahui, dan pada awalnya hampir selalu berfokus pada hidrolika, yang merupakan studi tentang cairan dan khususnya air, baik dalam keadaan diam maupun bergerak.

Diketahui bahwa penduduk Mesopotamia kuno mempraktikkan pembangunan sistem irigasi untuk tanaman. Dan juga, orang Mesir kuno belajar mengendalikan perairan Sungai Nil untuk keuntungan mereka.

Dalam ilmu cairan, Kekaisaran Romawi menonjol, karena tingkat kecanggihan yang dicapai oleh tekniknya, berkat itu mereka membangun sistem saluran air, pemandian, dan sistem irigasi yang kompleks. Beberapa karyanya masih bertahan sampai sekarang.

Namun, untuk waktu yang lama hidrodinamika tidak memiliki dasar matematika yang memadai. Pada abad ke-18 ia menerima dorongan definitif dengan karya-karya ilmuwan Swiss Daniel Bernoulli (1700-1782).

Bernoulli menerapkan prinsip kekekalan energi pada fluida yang bergerak dan menurunkan ekspresi yang mengaturnya. Apa yang disebut prinsip Bernoulli, dasar hidrodinamika, dijelaskan lebih rinci secara singkat.

Apa yang dipelajari hidrodinamika?

Hidrodinamika mempelajari fluida yang bergerak dan interaksinya, memahami fluida tidak hanya cairan, tetapi juga gas.

Hidrolik adalah bidang khusus yang berhubungan dengan cairan dan interaksinya dengan gaya yang berbeda, sedangkan aerodinamika berfokus pada interaksi antara media gas dan benda padat yang bergerak di dalamnya.

Fluida ideal

Pergerakan cairan nyata bisa sangat rumit untuk dijelaskan, namun, ada asumsi awal yang menyederhanakan beberapa aspek, mencapai pemahaman yang baik tentang berbagai fenomena.

Hidrodinamika dimulai dari studi tentang fluida ideal. Dengan cara ini, asumsikan bahwa cairan adalah:

  • Incompressible, yang berarti densitasnya tidak berubah.
  • Stasioner, sehingga kecepatannya sama pada titik dan momen tertentu.
  • Tidak kental, artinya tidak memiliki gesekan internal.
  • Irrotational, tidak menghadirkan pusaran atau pusaran air.

Setelah model untuk dinamika fluida ideal telah ditetapkan, konsep viskositas diperkenalkan, yang merupakan gesekan internal antara lapisan-lapisan fluida. Dengan ini, pendekatan ke fluida nyata lebih baik.

Viskositas menyebabkan hilangnya tekanan di sepanjang tabung yang dilalui fluida, dan model fisik yang menggambarkan efek ini ditemukan oleh dokter Prancis abad ke-19, JL Poiseuille (1799-1869), yang melakukan banyak penelitian. cairan kental penting: darah.

Prinsip hidrodinamika

Dua prinsip dasar hidrodinamika adalah:

  • Konservasi massa
  • Konservasi energi

Prinsip pertama dinyatakan melalui persamaan kontinuitas dan yang kedua, melalui persamaan Bernoulli.

Persamaan kontinuitas

Ada pipa di mana cairan berperedaran tanpa kehilangan atau kontribusi. Ini berarti bahwa pipa tidak bocor dan tidak ada cairan yang ditambahkan ke jumlah yang beredar.

Sebuah fluida berperedaran melalui pipa dengan penampang yang berbeda. Sumber: Wikimedia Commons

Sebagian fluida yang berperedaran melalui bagian pipa yang sempit, berwarna biru muda, sama dengan yang kemudian melewati bagian yang lebar, juga berwarna biru muda.

Karena massa adalah kekal, bagian yang berperedaran melalui penampang A 1 adalah sama dengan yang berperedaran melalui bagian lain dari penampang A 2 :

Karena massa adalah hasil kali massa jenis dan volume V:

V 1 = V 2

Dimana V 1 adalah volume di bagian A 1 dan V 2 volume di bagian A 2 .

Volume adalah luas penampang dikali panjang bentang s (lihat gambar di atas):

(A 1 s 1 ) = (A 2 s 2 )

Pada gilirannya, panjang bagian adalah produk dari kecepatan fluida dan interval waktu:

s = v t

Juga, karena densitas fluida tetap konstan (fluida tak termampatkan), ia dapat dibatalkan, seperti halnya waktu:

A 1 v 1 t = A 2 v 2 t

Persamaan kontinuitas akhirnya diperoleh:

A 1 v 1 = A 2 v 2

Produk dari luas penampang dan kecepatan fluida disebut laju aliran dan biasanya dilambangkan dengan Q:

Q = A v

Satuan Q adalah meter kubik/detik dalam Sistem Satuan Internasional, sehingga aliran juga diartikan sebagai volume per satuan waktu.

Persamaan Bernoulli

Persamaan Bernoull adalah konsekuensi penerapan kekekalan energi pada fluida. Ini memiliki jumlah istilah berikut:

  • Tekanan P
  • Energi kinetik per satuan volume: v 2 / 2g
  • Energi potensial per satuan volume: gh

Itu konstan, oleh karena itu, nilainya dipertahankan di semua titik rute. Nanti:

P + v 2 / 2g + gh = konstan

Di mana v adalah kecepatan cairan, g percepatan gravitasi dan h tinggi sehubungan dengan tingkat referensi, seperti yang muncul pada gambar di atas.

Kegunaan hidrodinamika

Teorema Torricelli

Teorema Torricelli diturunkan dari prinsip Bernoulli dan menyatakan bahwa kecepatan v saat fluida meninggalkan lubang kecil adalah sama dengan yang dimiliki benda ketika jatuh oleh gravitasi dari ketinggian h:

Siphon

Siphon digunakan untuk mentransfer cairan, dan terdiri dari selang atau tabung yang ditekuk dalam bentuk U yang tidak rata, dengan sisi terpendek direndam dalam wadah tempat cairan berada, dan sisi terpanjang di wadah tujuan.

Menyedot

Ketinggian wadah aslinya harus berada di atas ketinggian saluran keluar cairan di dalam tabung, dan harus dipastikan bahwa selang terisi penuh dengan cairan, tanpa gelembung udara.

Karena bagian fluida yang berada di sisi terpanjang lebih berat, menyebabkan cairan berperilaku seperti rantai yang meluncur pada katrol, mengalir ke wadah kedatangan (pada ketinggian yang lebih rendah).

Meteran pitot

Ini terdiri dari tabung kecil yang biasanya digunakan di pesawat terbang, untuk mengukur kecepatannya terhadap udara. Ini juga digunakan untuk mengukur kecepatan aliran air dalam pipa atau arus sungai.

meteran pitot

Contoh hidrodinamika dalam kehidupan sehari-hari

Pergerakan zat cair sangat sering terjadi dalam kehidupan sehari-hari, baik dalam zat cair maupun gas. Contoh berikut menunjukkan betapa pentingnya gerakan cairan bahkan untuk pemeliharaan kehidupan:

Sistem perpipaan domestik

Di rumah-rumah ada sistem pipa yang mengangkut air putih, terpisah dari air hitam. Kadang-kadang sistem perpipaan juga dibangun untuk gas domestik, yang digunakan untuk memasak dan memanaskan.

Sistem pendingin mobil

Saat mesin mobil berjalan, banyak panas yang dihasilkan. Untuk menghilangkannya, pada kebanyakan caral, mesin didinginkan dengan cairan, yang dapat berupa air atau cairan pendingin dengan aditif untuk mencegah korosi dan mengoptimalkan pendinginan.

Cairan dilewatkan melalui sistem saluran yang sangat tipis: radiator, melalui pompa dan didinginkan dengan bantuan aliran udara yang digerakkan oleh kipas. Pendingin, yang diarahkan ke mesin, mengekstrak panas berlebih dan membawanya ke radiator, dalam siklus bolak-balik saat mesin berjalan.

Fisika modern – apa yang dipelajari juga cabangnya
Tegangan normal: terdiri dari apa, bagaimana cara menghitungnya, contoh
Permitivitas listrik – apa itu, rumus, percobaan
Kalor sensibel: konsep, rumus, dan latihan yang diselesaikan