Hidrodinamika: apa itu, konsep, rumus

A hidrodinamika adalah bidang Fisika, khususnya mekanika klasik, yang terdiri dari cairan cita-cita yang dinamis, cita-cita yang bergerak. Di dalamnya kita terutama mempelajari laju aliran massa, laju aliran volumetrik fluida, persamaan kontinuitas dan prinsip Bernoulli.

Baca juga: Aerodinamika — cabang Fisika yang mempelajari interaksi gas dengan udara

Ringkasan tentang hidrodinamika

• Hidrodinamika adalah bidang mekanika klasik yang mempelajari fluida ideal yang bergerak.
• Konsep utamanya adalah: aliran massa, aliran volumetrik, persamaan kontinuitas, dan prinsip Bernoulli.
• Berdasarkan laju aliran volumetrik, kita mengetahui banyaknya volume suatu fluida yang melewati suatu penampang lurus dalam selang waktu tertentu.
• Berdasarkan laju aliran massa, kita mengetahui banyaknya massa suatu fluida yang melewati suatu penampang lurus dalam suatu periode waktu.
• Berdasarkan persamaan kontinuitas, kita mengamati pengaruh luas penampang terhadap kecepatan aliran suatu fluida ideal.
• Berdasarkan prinsip Bernoulli, kita mengamati hubungan antara kecepatan dan tekanan fluida ideal.
• Hidrodinamika diterapkan dalam konstruksi pesawat terbang, mobil, rumah, gedung, helm, keran, pipa ledeng, alat penguap, tabung pitot, dan tabung venturi.
• Hidrodinamika adalah bidang Fisika yang mempelajari fluida ideal yang bergerak, sedangkan hidrostatika adalah bidang Fisika yang mempelajari fluida statis.

Apa itu hidrodinamika?

Hidrodinamika adalah sebuah area Fisika, secara khusus mekanika klasik, yang mempelajari fluida ideal (cairan dan gas) yang bergerak. Fluida ideal adalah fluida yang mempunyai: aliran laminar, dimana intensitas, arah dan arah kecepatannya pada suatu titik tetap tidak berubah terhadap waktu; aliran tidak dapat dimampatkan, yang massa jenisnya konstan; aliran tidak kental, menimbulkan hambatan aliran rendah; dan aliran irrotasional, tidak berputar pada sumbu yang melintasi pusat massanya.

Konsep hidrodinamika

Konsep utama yang dipelajari dalam hidrodinamika adalah aliran massa, aliran volumetrik, persamaan kontinuitas dan prinsip Bernoulli:

• Aliran volumetrik: adalah besaran fisis yang dapat didefinisikan sebagai banyaknya volume suatu zat cair yang melintasi suatu penampang lurus dalam selang waktu tertentu. Itu diukur dalam meter kubik per detik [M³/S] .
• Aliran massa: adalah besaran fisis yang dapat didefinisikan sebagai jumlah massa suatu zat cair yang melintasi suatu penampang lurus dalam selang waktu tertentu. Itu diukur dalam [kg/S] .
• Persamaan kontinuitas: berkaitan dengan hubungan antara kecepatan dan luas penampang, di mana kecepatan aliran suatu fluida ideal meningkat seiring dengan berkurangnya luas penampang yang dilaluinya. Persamaan ini dicontohkan pada gambar di bawah ini:

Representasi persamaan kontinuitas.

• Prinsip Bernoulli: berkaitan dengan hubungan antara kecepatan dan tekanan suatu fluida ideal, dimana kecepatan suatu fluida menjadi lebih besar saat mengalir melalui garis aliran, maka tekanan fluida menjadi lebih rendah dan dan sebaliknya. Prinsip ini dicontohkan pada gambar di bawah ini:

Representasi prinsip Bernoulli.

Rumus hidrodinamik

→ Rumus aliran volumetrik

\(R_v=A\cdot v\)

• R_ay → aliran volumetrik fluida, diukur dalam [M³/S] .
• A → luas penampang aliran, diukur dalam meter persegi [M²].
• ay → kecepatan rata-rata suatu bagian, diukur dalam meter per detik [MS].

→ Rumus aliran massa

Ketika massa jenis fluida sama di semua titik, kita dapat mencari laju aliran massa:

\(R_m=\rho\cdot A\cdot v\)

• R_M → laju aliran massa fluida, diukur dalam [kg/S] .
• ρ → massa jenis fluida, diukur dalam [kg/M³].
• A → luas penampang aliran, diukur dalam meter persegi [M²].
• ay → kecepatan rata-rata suatu bagian, diukur dalam meter per detik [MS].

→ Persamaan kontinuitas

\(A_1\cdot v_1=A_2\cdot v_2\)

• A₁ → luas aliran bagian 1, diukur dalam meter persegi [M²].
• ay₁ → kecepatan aliran di area 1, diukur dalam meter per detik [MS].
• A₂ → luas aliran bagian 2, diukur dalam meter persegi [M²].
• ay₂ → kecepatan aliran di area 2, diukur dalam meter per detik [MS].

→ Persamaan Bernoulli

\(p_1+\frac{\rho\cdot v_1^2}{2}+\rho\cdot g\cdot y_1=p_2+\frac{\rho\cdot v_2^2}{2}+\rho\cdot g\cdot kamu_2\)

• P₁ → tekanan fluida pada titik 1, diukur dalam Pascal [Sekop].
• P₂ → tekanan fluida di titik 2, diukur dalam Pascal [Sekop].
• ay₁ → kecepatan fluida di titik 1, diukur dalam meter per detik [MS].
• ay₂ → kecepatan fluida di titik 2, diukur dalam meter per detik [MS].
• kamu₁ → tinggi zat cair di titik 1, diukur dalam meter [M].
• kamu₂ → tinggi zat cair di titik 2, diukur dalam meter [M].
• ρ → massa jenis fluida, diukur dalam [kg/M³ ].
• G → percepatan gravitasi, kira-kira berukuran 9,8 M/S² .

Hidrodinamika dalam kehidupan sehari-hari

Konsep-konsep yang dipelajari dalam hidrodinamika banyak digunakan dalam membangun pesawat, mobil, rumah, gedung, helm dan banyak lagi.

Studi tentang aliran memungkinkan kita untuk membuat mengukur aliran air di rumah dan pabrik pengolahan industri, selain penilaian kuantitas gas dan bahan bakar industri.

Studi tentang prinsip Bernoulli telah Penggunaan luas dalam Fisika dan teknik, terutama dalam pembuatan alat penguap dan tabung Pitot, untuk mengukur kecepatan aliran udara; dan dalam pembuatan tabung Venturi, untuk mengukur kecepatan aliran cairan di dalam pipa.

Berdasarkan kajian persamaan kontinuitas, hal tersebut dimungkinkan untuk dimiliki memahami prinsip kerja kran dan mengapa, ketika Anda memasukkan jari Anda ke dalam saluran keluar air dari selang, kecepatan air bertambah.

Perbedaan hidrodinamika dan hidrostatika

Hidrodinamika dan hidrostatika adalah bidang fisika yang bertanggung jawab mempelajari fluida:

• Hidrodinamika: bidang Fisika yang mempelajari fluida dinamis yang bergerak. Di dalamnya kita mempelajari konsep aliran volumetrik, aliran massa, persamaan kontinuitas dan prinsip Bernoulli.
• Hidrostatik: bidang Fisika yang mempelajari fluida statis, dalam keadaan diam. Di dalamnya kita mempelajari konsep massa jenis, tekanan, prinsip Stevin dan penerapannya, serta teorema Archimedes.

Lihat juga:Kinematika - bidang Fisika yang mempelajari gerak benda tanpa memperhitungkan asal mula gerak tersebut

Latihan terpecahkan tentang hidrodinamika

pertanyaan 1

(Enem) Untuk memasang unit AC disarankan diletakkan pada bagian atas dinding ruangan, sebagai Sebagian besar cairan (cairan dan gas), ketika dipanaskan, mengalami pemuaian, kepadatannya berkurang dan mengalami perpindahan naik. Sebaliknya, ketika didinginkan, mereka menjadi lebih padat dan mengalami perpindahan ke bawah.

Saran yang disajikan dalam teks meminimalkan konsumsi energi, karena

A) mengurangi kelembaban udara di dalam ruangan.

B) meningkatkan laju konduksi panas ke luar ruangan.

C) memudahkan air mengalir keluar ruangan.

d) memperlancar sirkulasi arus udara dingin dan panas di dalam ruangan.

E) mengurangi laju emisi panas dari perangkat ke dalam ruangan.

Resolusi:

Alternatif D

Saran yang disampaikan dalam teks adalah mengurangi konsumsi energi listrik, karena udara dingin naik dan udara panas turun, sehingga memperlancar sirkulasi arus udara dingin dan panas di dalam ruangan.

Pertanyaan 2

(Unichristus) Sebuah tangki berkapasitas 8000 liter terisi penuh air. Seluruh air dari bak penampungan ini akan dipompa ke dalam tangki air berkapasitas 8000 liter dengan laju alir konstan 200 liter/menit.

Total waktu yang diperlukan untuk memindahkan seluruh air dari tangki ke truk tangki adalah

A) 50 menit.

B) 40 menit.

C) 30 menit.

D) 20 menit.

E) 10 menit.

Resolusi:

Alternatif B

Kami akan menghitung total waktu yang dibutuhkan menggunakan rumus aliran volumetrik:

\(R_v=A\cdot v\)

\(R_v=A\cdot\frac{x}{t}\)

\(R_v=\frac{V}{t}\)

\(200=\frac{8000}{t}\)

\(t=\frac{8000}{200}\)

\(t=40\ menit\)

Sumber

NUSSENZVEIG, Herch Moysés. Kursus fisika dasar: Fluida, Osilasi dan Gelombang, Panas (vol. 2). edisi ke-5. Sao Paulo: Editora Blucher, 2015.

SELAMAT HARI, David; RESNICK, Robert; PEJALAN, Jearl. Dasar-dasar Fisika: Gravitasi, Gelombang dan Termodinamika (vol. 2) 8. ed. Rio de Janeiro, RJ: LTC, 2009.