Fluida Dinamis: Pengertian, Ciri-Ciri, Rumus, Azas, Penerapan, dan Contoh Soalnya

Ketika minum air, Sobat Pijar lebih suka minum langsung dari gelas atau pakai sedotan? Nah, ketika minum menggunakan sedotan, pasti kamu bisa merasakan air minum tersebut bergerak melalui sedotan, ‘kan?  

Ternyata, ketika menyedot air ini, kamu menggunakan prinsip fluida dinamis, lho. Hal ini disebabkan karena terjadi perbedaan tekanan antara ujung atas dan bawah sedotan sehingga air minum bergerak dan bisa sampai ke mulut.

Ingin tau lebih jelas dan lengkap tentang materi fluida dinamis kelas 11 ini? Yuk! kita baca sampai habis artikel kali ini yang akan membahas secara lengkap tentang fluida dinamis.

Baca juga: Fluida Statis: Pengertian, Rumus, Hukum, dan Contoh Soalnya

Pengertian Fluida Dinamis

Fluida dinamis adalah fluida (baik cair maupun gas) yang mengalir dengan kondisi ideal, di mana kecepatannya tetap atau konstan. Dalam kata lain, aliran fluida ini tidak mengalami perubahan seiring berlalunya waktu, dan terbebas dari turbulensi. Untuk memberikan pemahaman yang lebih rinci, mari kita telusuri ciri-ciri khusus dari aliran fluida dinamis ini.

Ciri-ciri Fluida Dinamis

Ciri-ciri atau sifat fluida dinamis, yaitu : 

Aliran Steady-State

Aliran yang dimaksud adalah aliran steady-state, yang ditandai dengan kecepatan aliran di suatu titik yang tetap konstan seiring berlalunya waktu. Dalam situasi ini, tidak terjadi perubahan signifikan dalam kecepatan aliran pada titik tertentu.

Inkompresibel

Aliran ini juga merupakan aliran inkompresibel, yang berarti fluida yang mengalir tidak mengalami perubahan volume atau massa jenis saat ditekan. Dalam hal ini, perubahan tekanan tidak mempengaruhi massa jenis atau volume fluida.

Non-Viskus

Aliran ini memiliki sifat non-viskus, yang artinya fluida yang mengalir tidak mengalami gesekan antara lapisan fluida yang berbeda atau dengan dinding saluran. Dalam konteks ini, viskositas tidak memengaruhi pergerakan fluida.

Garis Aliran Teratur

Aliran steady-state memiliki garis aliran yang teratur dan tidak bergolak. Ini berarti bahwa tiap-tiap partikel fluida mengikuti lintasan yang sama dan menuju ke arah yang sama. Dengan kata lain, tidak terjadi perubahan arah atau turbulensi dalam aliran ini.

Penggunaan Air dalam Penelitian: Meskipun tidak ada fluida yang benar-benar ideal, air sering digunakan dalam penelitian mengenai sifat-sifat fluida ideal. Hal ini karena air memiliki sifat yang mendekati karakteristik dari fluida ideal, membuatnya menjadi pilihan umum dalam eksperimen dan studi ilmiah tentang aliran fluida.

Rumus Fluida Dinamis

Berikut rumus kecepatan fluida dinamis, yaitu : 

Debit Fluida

Rumus debit fluida

Kuantitas volume fluida yang mengalir dalam satu satuan waktu, atau

$Q = \frac{\Delta V}{\Delta t} = \frac{\Delta A\Delta t}{\Delta t} = \Delta V$

Keterangan:

$Q$ = Debit aliran ($m^3/s$)

$A$ = Luas penampang ($m^2$)

$V$ = Laju aliran fluida ($m/s$)

Aliran fluida ini sering dinyatakan dalam debit aliran : 

$Q = \frac{v}{t}$

Keterangan: 

$Q$ = Debit aliran ($m^3/s$)

$v$ = volume ($m^3$)

$t$ = selang waktu ($s$)

Azas Fluida Dinamis

Azas Kontinuitas

Azas kontinuitas dapat dilihat pada peristiwa ketika kita sedang menyiram tanaman menggunakan selang dan tanaman terletak jauh dari ujung selang, tindakan yang dilakukan adalah mengurutkan atau memencet ujung selang. Dengan begitu, area ujung selang menjadi lebih kecil. Akibatnya, kecepatan air yang keluar menjadi lebih tinggi. Hal ini disebabkan oleh prinsip bahwa debit air yang masuk harus sama dengan debit air yang keluar.

Sumber: Repositori Kemdikbud

Fluida yang tidak dapat dimampatkan dan mengalir dalam keadaan tetap, mengakibatkan laju aliran volume pada setiap waktu tetap konstan.

Ketika aliran fluida melewati pipa dengan penampang yang berbeda, fluida akan mengalami perubahan tekanan yang disebabkan oleh perubahan luas penampang yang dilaluinya. Dengan asumsi fluida tidak dapat dimampatkan, maka dalam rentang waktu yang sama, jumlah fluida yang mengalir melalui setiap penampang harus tetap sama.

Jumlah volume fluida pada penampang $A_1$ setara dengan volume fluida pada penampang $A_2$ sehingga debit fluida pada penampang $A_1$ sama dengan debit fluida pada penampang $A_2$.

$Q_1=Q_2$

$\frac{v_1}{t_1} = \frac{v_2}{t_2}$

$\frac{A_1l_1}{t_1} = \frac{A_2l_2}{t_2}$

$A_1.V_1 = A_2.V_2$

Keterangan: 

$l_1$ = panjang pipa yang dilewati fluida saat penampangnya $A_1$

$l_2$ = panjang pipa yang dilewati fluida saat penampangnya $A_2$

$V_1$ = kecepatan aliran fluida di penampang 1 ($m/s$)

$V_2$ = kecepatan aliran fluida di penampang 2 ($m/s$)

$A_1$ = luas penampang 1

$A_2$ = luas penampang 2

Azas Bernoulli

Azas Bernoulli dalam fluida bergerak menyatakan hubungan antara tiga faktor utama: tekanan, kecepatan, dan ketinggian potensial dalam fluida. Azas ini menyatakan bahwa jika tekanan meningkat, maka kecepatan aliran fluida akan berkurang, dan sebaliknya, jika tekanan berkurang, kecepatan aliran akan meningkat, selama tidak ada kerugian energi. Azas Bernoulli juga mengatakan bahwa dalam fluida yang mengalir, total energi mekanik (yang terdiri dari energi potensial, energi kinetik, dan energi tekanan) tetap konstan selama tidak ada kerugian energi.

Sumber: Repositori Kemdikbud

Rumus Bernoulli : 

$P + \rho gh+\frac{1}{2}pv^2$

Keterangan: 

$P$ = Tekanan (Pascal)

$\rho$ = Massa jenis fluida ($kg/m^3$ )

$g$ = percepatan gravitasi ($g=9,8 m/s^2$)

$h$ = ketinggian ($m$)

Penerapan Fluida Dinamis

Penerapan Fluida Dinamis dalam Kehidupan Sehari-hari

Fluida dinamis memiliki banyak penerapan dalam kehidupan sehari-hari. Salah satu contohnya adalah dalam aliran air dalam perpipaan rumah kita. Ketika Anda membuka keran air, fluida dinamis memungkinkan air mengalir dengan tekanan yang cukup untuk memasok air ke berbagai bagian rumah. 

Pemahaman tentang fluida dinamis juga diperlukan dalam pengembangan sistem distribusi air bersih yang efisien. Selain itu, ketika Anda berkendara, aerodinamika mobil juga bergantung pada prinsip fluida dinamis. Desain mobil didasarkan pada bagaimana mobil bergerak melalui udara untuk mengurangi gesekan dan meningkatkan efisiensi bahan bakar.

Penerapan Fluida Dinamis pada Pesawat Terbang

Dalam penerbangan, pemahaman tentang fluida dinamis sangat penting. Aliran udara di sekitar sayap pesawat dan kemampuan untuk menghasilkan tekanan yang berbeda diatas dan di bawah sayap adalah prinsip utama yang memungkinkan pesawat terbang. 

Pesawat terbang didesain sedemikian rupa untuk mencapai kecepatan dan stabilitas optimal dengan memanfaatkan prinsip fluida dinamis. Dengan mengatur aliran udara dan tekanan, pesawat dapat lepas landas, terbang, dan mendarat dengan aman.

Penerapan Fluida Dinamis pada Kincir Air

Kincir air adalah contoh lain dari penerapan fluida dinamis. Kincir air mengubah energi aliran air menjadi energi mekanik yang dapat digunakan untuk menggerakkan alat-alat seperti generator listrik. Prinsip fluida dinamis digunakan dalam desain kincir air untuk mengoptimalkan perolehan energi. 

Perubahan dalam kecepatan dan tekanan aliran air memungkinkan kincir air untuk berputar, menghasilkan tenaga yang berguna dalam banyak aplikasi, termasuk pembangkit listrik tenaga air.

Penerapan Fluida Dinamis dalam Bidang Pangan

Dalam industri pangan, pemahaman tentang fluida dinamis digunakan dalam berbagai cara. Misalnya, dalam proses pencampuran dan pengadukan bahan-bahan pangan, prinsip fluida dinamis membantu memastikan bahwa bahan-bahan tercampur secara merata. 

Selain itu, dalam proses pemrosesan makanan, pemahaman tentang aliran cairan dan tekanan sangat penting. Misalnya, dalam proses pengemasan makanan, pemilihan tekanan dan aliran cairan dapat memengaruhi bagaimana makanan dikemas dan diproses secara efisien.

Penerapan fluida dinamis dalam berbagai aspek kehidupan sehari-hari dan industri membantu kita memahami bagaimana aliran cairan dan gas mempengaruhi berbagai sistem dan proses. Ini adalah konsep penting yang digunakan dalam desain, teknik, dan pengembangan berbagai teknologi yang mempengaruhi cara kita hidup dan bekerja.

Contoh Soal Fluida Dinamis

Berikut ini contoh soal fluida dinamis kelas 11 beserta jawabannya

Sebuah pipa air memiliki luas penampang sebesar 450 cm^2 dan di ujungnya terdapat keran dengan jari-jari lubang 2 cm. Air mengalir dari keran tersebut dengan kecepatan 0,8 m/s. Dalam waktu berapa lama air akan mengisi sebuah bak yang memiliki volume 300 liter?

Keterangan: 

Luas penampang lubang ($A_1$)= $450 cm^2=450 x 10^{-4} m^2$

Kecepatan aliran air ($V_1$) = $0,8 m/s$

Jari-jari lubang ($R_1$) = $2 cm$ = $0,02 m$

Volume bak ($V_2$) = $300 liter$ = $0,3 m^3$

Ditanya: 

Dalam waktu berapa lama air akan mengisi bak?

Jawaban : 

Rumus yang digunakan : 

$Q_1=Q_2$

$A_1 . V_1=\frac{V_2}{t}$

($450 x 10^{-4} m^2$) . $0,8 m/s$ = $\frac{0,3 m^3}{t}$

$(0,00036m^2/s) = \frac{0,3m^3}{t}$

$t = \frac{0,3m^3}{0,00036m^2/s}$

$t \approx 833,33 s$

Jadi, air akan mengisi bak dalam waktu sekitar 833,33 detik atau sekitar 13 menit 53 detik.

Baca juga: Hukum Hooke: Bunyi, Rumus, dan Contohnya

_________________________________

Semoga dan Sobat Pijar terus menggali pengetahuan mengenai fluida dinamis untuk meningkatkan pemahaman dan aplikasi di masa depan, ya! Yuk, terus berpikir kritis dan eksplorasi ilmu pengetahuan materi Fisika!

Penasaran mengenai materi lainnya di Fisika? Yuk, belajar menggunakan Pijar Belajar sekarang juga! Kamu gak cuma belajar Fluida Dinamis seperti yang ada pada artikel ini, lho. Materi lainnya seperti Fluida Statis, Hukum Hooke, Gerak Lurus, hingga Elastisitas Fisika bisa kamu akses hanya dengan sekali berlangganan saja!

Tunggu apa lagi? Yuk, gunakan Pijar Belajar sekarang!