Transcript Document

FLUID
STATICS
Ver. 6.02
MOMENTUM TRANSFER ?
MOMENTUM TRANSFER
(FLUID MECHANICS) :
THE STUDY OF FORCE AND
MOTION OF FLUIDS
FLUID STATICS :
FLUID IN REST
FLUID DYNAMICS :
FLUIDS IN MOTION
STATIKA FLUIDA ?
C
A
C’
D
D’
B
• Fluida : zat yang
mengalami deformasi
bentuk secara kontinyu
bila dikenai shear stress
•  bila fluida diam dengan
zero velocity maka shear
stress tidak mungkin ada
• Berdasarkan Hk Newton viskositas :
 
dV
dy
shear stress = 0
1
gradient
velocity = 0
STATIKA FLUIDA ?
2
•Sistem koordinat :
• Acuan inertial : sistem koordinat yang mengabaikan
percepatan absolut dari sistem koordinat itu sendiri
yang ditetapkan berdasarkan acuan terhadap bumi
• Acuan non-inertial : ditetapkan terhadap sistem
koordinat yang mempunyai percepatan signifikan
• Aplikasi Hk II Newton tentang gerak untuk massa fluida
tetap & diam : jumlah dari gaya2 yang bekerja = hasil
kali massa dan percepatannya
F  0
F  ma
inertial reference case
non-inertial reference case
VARIASI TEKANAN
DALAM FLUIDA STATIK
P y+Dy
y
Px
1
P z+Dz
P x+Dx
Dy
Pz
Dz
Dx
Py
x
PADA FLUIDA DIAM:
SHEAR STRESS=0
z
PADA FLUIDA DIAM:
TEKANAN ADALAH SAMA
UNTUK SEMUA ARAH
• Jumlah gaya2 yg bekerja pada elemen fuida = 0
• Hanya gaya2 akibat gravitasi dan tekanan  Hk
Newton dapat dipenuhi aplikasinya utk fluida
bebas yg berukuran diferensial
VARIASI TEKANAN
DALAM FLUIDA STATIK
2
• Gaya akibat gravitasi =  g D x D y D z   .D x D y D z . g
• Gaya akibat tekanan :
 PID x  PIx  D x D y D z e x  PID y  PIy  D y D x D z e y   PID z
 PI z  D z D x D y e z
• Jumlah gaya2 :
 g D x D y D z   PID x  PIx  D x D y D ze x  PID y  PIy  D y D x D ze y
  PI D z  PI z  D z D x D y e z  0
g 
 PID x  PIx  D x 
Dx
ex 
P
ID y
 PI y  D y 
Dy
Bila elemen fluida mendekati nol, Dx, Dy, Dz  0,
sehingga elemen fluida akan mendekati titik (x,y,z)
ey 
 PID z
 PI z  D z 
Dz

ez
 PID z  PIz  D z 
Dz
ez  0
VARIASI TEKANAN
DALAM FLUIDA STATIK
3
• Jumlah gaya2 :
PID y  PIy  D y 
  PI D x  PI x  D x 
 PID z  PIz  D z  
 g  lim
ex 
ey 
ez 

Dx , Dy , Dz  0
Dx
Dy
Dz


g 
P
x
ex 
P
y
ey 
P
z
ez
g   P
Statika fluida untuk liquid
P
x
P
y
P
z
e x    ge x
e y    ge y
e z    ge z
Barometric
equation
VARIASI TEKANAN
DALAM FLUIDA STATIK
Statika fluida untuk gas
P
x
P
y
P
z
ex   gex
ey   gey
ez   gez
dP

PM
dx
RT
dP
PM

dy
RT
dP
PM
dx

RT
g
g
g
4
APLIKASI-APLIKASI
• MANOMETER (Tekanan pada fluida statik)
• GAYA MENGAPUNG (BOUYANT FORCES)
• VARIASI TEKANAN TERHADAP KETINGGIAN/
KEDALAMAN
MANOMETER
y
dP
Patm
dy
e y    ge y
antara D-C :
L
D
hAB
hCD
A
C
B
g
m
antara A-B :
PA  PB   ρ L gh AB
PB  PC
dP    gdy
Patm
yD
PC
yC
 dP    g  dy
Patm  PC   ρ m g  y D  y C 
Patm  PC   ρ m gh CD
PA  Patm  ρ m gh CD  ρ L gh AB
1
PRESSURE IN STATIC FLUID
P0
dP
A0
dy
P1
antara bidang 0 -1 :
Patm  P1   ρgh 1
A1
hT
P2
A2
h1
e y    ge y
h2
antara bidang 1 - 2 :
P1  P2   ρgh 2
P2  ρgh 1  ρgh 2  Patm
P2  ρg(h 1  h 2 )  Patm
P2  ρgh T  Patm
2
PRESSURE IN STATIC FLUID
Patm
dP
dy
oil
htotal
hoil
P1
water
P2
e y    ge y
Pada bidang batas O/W
Patm  P1   ρ oil gh oil
hwater
Pada dasar tangki :
P1  P2   ρ water gh water
P2  ρ oil gh oil  ρ water gh water  Patm
3
PRESSURE IN STATIC FLUID
Patm
Patm
Patm



h
h
Patm
UNIFORM RECTILINEAR
ACCELERATION
1
• Untuk sistem koordinat inersial :
• Persamaan  P   g tidak berlaku
• Bila fluida mendapatkan uniform rectilinear acceleration, maka
fluida akan diam terhadap sistem koordinat yang dipercepat
konstan
• Analisis kasus sistem koordinat inersial dapat diterapkan, kecuali
 F  m a   D x D yD z a
• Maka hasilnya adalah :
 P  ( g - a )
• Arah laju perubahan tekanan maximum (gradien tekanan) : (g - a)
• Garis tekanan konstan tegak lurus arah (g - a)
• Variasi tekanan dari titik ke titik  integrasi persamaan diatas
UNIFORM RECTILINEAR
ACCELERATION
2
a
g
Biodiesel
B
g-a
-a
d
B
y
z
 P  ( g - a )
Y’
g
x
PB = ?
Biodiesel
• Gradien tekanan terletak pada
arah (g-a)
• Permukaan fluida tegak lurus
arah (g-a)
• Dengan sumbu y sejajar (g-a)
persamaan dapat diintegrasi
antara titik B dan permukaan
liquid
UNIFORM RECTILINEAR
ACCELERATION
2
Y’
a
g-a
-a
dP
dy
g
d
B
e y    g -a e y
dP   
g
2
a
Patm
 dP   
PB
Biodiesel
 P  ( g - a )
g
2
2
a
dy
Patm  PB  
g  a ( d )
2
2
d
2
 dy
0
PB  Patm  
g  a (d )
2
2
ACCELERATED RIGID BODY
MOTION
y
1
g
P D x D z  P
y0
a
Dy
y  Dy
D x D z   g D x D y D z
2
dibagi DxDyDz dan
ambil limit Dy  0
  D xD yD z
dt
Dz
Dx
x
z
2

d y
P2  P1    g 
2
dt

2

d y
   g 
2
dz
dt

dP

  y 2  y1 






2

d y
P    h  g 
2
dt

d y




2
BOUYANCY
F
P2
dS2
a2
dA
dS1
y
z
1
P1
x
g
h
• Gaya F yang diberikan fluida statik pada
benda yang mengapung/tercelup utk
mempertahankan benda dalam
kesetimbangan
• Gaya-gaya yang bekerja pada elemen
hdA :
• Gaya gravitasi
• Gaya akibat tekanan pada surface
S1 dan S2
BOUYANCY
• Gaya gravitasi : 
F
P2
2
 B g h dA e y
• Gaya akibat tekanan :
dS2
F y 1  P1 dS 1 cos α 1 e y
a2
h
dA
dS1
F y 2   P2 dS 2 cos α 2 e y
dA
• Gaya resultan dF :
P1
y
z
x
g
dF  ( P1  P2 ) dA e y   B g h dA e y
P1  P2   L g h
dF   L ghdAe y   B ghdAe y
F   L gVe y   B gVe
y
Gaya apung Gaya berat
BOUYANCY
F
3
Balon helium (diameter 3 m) mempunyai tekanan
dan temperatur seperti udara sekitarnya (1 atm,
200C). Bila berat balon diabaikan, berapa daya
angkat balon ?
Helium
Gaya resultan F :
g
F   air gVe y   He gVe
Gaya apung
y
Gaya berat
F    air   He  gV
F  Vg
P
RT
F 

6
3 3 .( 9 ,81 ).
( M air  M hel )
1
5
(8 , 2 . 10 . 293 ,15 )
( 29  4 )  144 , 2 N
GAYA-GAYA PADA PERMUKAAN
TERCELUP (SUBMERGED)
1
y
a
hp
a
Gaya pada elemen dA :
dF  PG dA    g y   g h P sin a
hc
F   g sin a  h P dA
centroid
hc 
A
1
h

A
P
dA
A
F   g sin a h c A
h
GAYA-GAYA PADA PERMUKAAN
TERCELUP (SUBMERGED)
y
a
2
F   g sin a h c A
a
Gaya akibat tekanan = tekanan yang
dihitung pd centroid dari luasan tercelup
dikalikan luas yang tercelup
a
hp

hc
Pusat tekanan
centriod  titik pd papan
dimana gaya total hrs dikonsentrasikan agar
menghasilkan momen yang sama dengan
tekanan yang terdistribusi
b
centroid
F h c . P   h p PG d A
b
A
momen inersia
pd sumbu aa
h
h c.P 
1
Ah c
h
A
2
p
dA 
I aa
Ah c
F h c . P    g sin a h p d A
2
A
I aa  I bb  h A
2
c
h c.P  h c 
I bb
Ah c