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