Memahami Apa itu Fluid Dynamics

Dinamika fluida adalah studi tentang pergerakan fluida, termasuk interaksinya ketika dua fluida saling bersentuhan. Dalam konteks ini, istilah "cairan" mengacu pada keduanya cairan atau gas. Ini adalah pendekatan statistik makroskopis untuk menganalisis interaksi ini dalam skala besar, melihat cairan sebagai kontinum materi dan umumnya mengabaikan fakta bahwa cairan atau gas terdiri dari individu atom.

Dinamika fluida adalah salah satu dari dua cabang utama PT mekanika fluida, dengan cabang lainnya sedang statika fluida, studi tentang cairan saat istirahat. (Mungkin tidak mengherankan, statika fluida mungkin dianggap sedikit kurang menggairahkan daripada dinamika fluida.)

Setiap disiplin melibatkan konsep yang penting untuk memahami cara kerjanya. Berikut adalah beberapa hal utama yang akan Anda temui ketika mencoba memahami dinamika fluida.

Konsep fluida yang berlaku dalam statika fluida juga ikut berperan saat mempelajari fluida yang bergerak. Cukup banyak konsep awal dalam mekanika fluida adalah konsep

Saat cairan mengalir, cairan massa jenis dan tekanan cairan juga penting untuk memahami bagaimana mereka akan berinteraksi. Itu viskositas menentukan seberapa tahan cairan berubah, jadi juga penting dalam mempelajari pergerakan cairan. Berikut adalah beberapa variabel yang muncul dalam analisis ini:

• Viskositas massal: μ
• Massa jenis: ρ
• Viskositas kinematik: ν = μ / ρ

Karena dinamika fluida melibatkan studi tentang gerak fluida, salah satu konsep pertama yang harus dipahami adalah bagaimana fisikawan mengukur gerakan itu. Istilah yang digunakan fisikawan untuk menggambarkan sifat fisik pergerakan cairan adalah mengalir. Flow menggambarkan berbagai pergerakan fluida, seperti meniup melalui udara, mengalir melalui pipa, atau mengalir di sepanjang permukaan. Aliran fluida diklasifikasikan dalam berbagai cara yang berbeda, berdasarkan pada berbagai sifat aliran.

Jika pergerakan cairan tidak berubah dari waktu ke waktu, itu dianggap sebagai a aliran yang stabil. Ini ditentukan oleh situasi di mana semua properti aliran tetap konstan sehubungan dengan waktu atau secara bergantian dapat dibicarakan dengan mengatakan bahwa turunan waktu dari bidang aliran menghilang. (Lihat kalkulus untuk mengetahui lebih lanjut tentang memahami derivatif.)

SEBUAH aliran tunak bahkan lebih tergantung pada waktu karena semua sifat fluida (bukan hanya sifat aliran) tetap konstan pada setiap titik dalam fluida. Jadi jika Anda memiliki aliran yang stabil, tetapi sifat-sifat fluida itu sendiri berubah di beberapa titik (mungkin karena penghalang yang menyebabkan riak yang tergantung waktu di beberapa bagian fluida), maka Anda akan memiliki aliran yang stabil tidak aliran kondisi tunak.

Semua aliran kondisi-mapan adalah contoh aliran stabil. Arus yang mengalir dengan laju konstan melalui pipa lurus akan menjadi contoh aliran kondisi tunak (dan juga aliran stabil).

Jika aliran itu sendiri memiliki properti yang berubah seiring waktu, maka itu disebut aliran tidak stabil atau a aliran sementara. Hujan yang mengalir ke selokan selama badai adalah contoh aliran yang tidak stabil.

Sebagai aturan umum, aliran yang stabil membuat masalah lebih mudah untuk diatasi dibandingkan dengan aliran yang tidak stabil, yang diharapkan orang mengingat bahwa perubahan yang bergantung pada waktu terhadap aliran tidak harus diperhitungkan, dan hal-hal yang berubah seiring waktu biasanya akan membuat hal-hal lebih rumit.

Aliran cairan yang halus dikatakan dimiliki aliran laminar. Aliran yang berisi gerakan yang tampaknya kacau dan non-linear dikatakan dimiliki aliran turbulen. Menurut definisi, aliran turbulen adalah jenis aliran tidak stabil.

Kedua jenis aliran ini mungkin mengandung pusaran air, vortisitas, dan berbagai jenis resirkulasi, meskipun semakin banyak perilaku seperti itu, semakin besar kemungkinan aliran tersebut diklasifikasikan sebagai turbulen.

Perbedaan antara apakah aliran laminar atau turbulen biasanya terkait dengan Nomor Reynolds (Kembali). Angka Reynolds pertama kali dihitung pada tahun 1951 oleh fisikawan George Gabriel Stokes, tetapi dinamai berdasarkan ilmuwan abad ke-19 Osborne Reynolds.

Angka Reynolds tergantung tidak hanya pada spesifikasi fluida itu sendiri tetapi juga pada kondisi alirannya, diturunkan sebagai rasio gaya inersia terhadap gaya viskos dengan cara sebagai berikut:

Kembali = Gaya inersia / kekuatan Viscous

Kembali = (ρVdV/dx) / (μ d²V / dx²)

Istilah dV / dx adalah gradien dari kecepatan (atau turunan pertama dari kecepatan), yang sebanding dengan kecepatan (V) dibagi dengan L., mewakili skala panjang, menghasilkan dV / dx = V / L. Derivatif kedua adalah sedemikian rupa sehingga d²V / dx² = V / L². Mengganti ini dalam untuk turunan pertama dan kedua menghasilkan:

Kembali = (ρ V V/L.) / (μ V/L.²)

Re = (ρ V L) / μ

Anda juga dapat membagi melalui skala panjang L, menghasilkan a Jumlah Reynolds per kaki, ditunjuk sebagai Re f = V / ν.

Angka Reynolds yang rendah menunjukkan aliran laminar yang halus. Angka Reynolds yang tinggi menunjukkan aliran yang akan menunjukkan pusaran dan vortisitas dan umumnya akan lebih bergejolak.

Aliran pipa mewakili aliran yang bersentuhan dengan batas-batas kaku di semua sisi, seperti air yang bergerak melalui pipa (karenanya disebut "aliran pipa") atau udara yang bergerak melalui saluran udara.

Alur saluran terbuka menggambarkan aliran dalam situasi lain di mana setidaknya ada satu permukaan bebas yang tidak bersentuhan dengan batas yang kaku. (Dalam istilah teknis, permukaan bebas memiliki 0 tegangan tipis paralel). Kasus aliran saluran terbuka termasuk air bergerak melalui sungai, banjir, air mengalir saat hujan, arus pasang surut, dan saluran irigasi. Dalam kasus ini, permukaan air yang mengalir, di mana air bersentuhan dengan udara, mewakili "permukaan bebas" dari aliran.

Aliran dalam pipa digerakkan oleh tekanan atau gravitasi, tetapi aliran dalam situasi saluran terbuka digerakkan semata-mata oleh gravitasi. Sistem air kota sering menggunakan menara air untuk mengambil keuntungan dari ini, sehingga perbedaan ketinggian air di menara (itu kepala hidrodinamik) menciptakan diferensial tekanan, yang kemudian disesuaikan dengan pompa mekanis untuk mendapatkan air ke lokasi dalam sistem di mana mereka diperlukan.

Gas umumnya diperlakukan sebagai cairan kompresibel karena volume yang mengandungnya dapat dikurangi. Saluran udara dapat dikurangi setengahnya dan masih membawa jumlah gas yang sama pada laju yang sama. Bahkan ketika gas mengalir melalui saluran udara, beberapa daerah akan memiliki kepadatan yang lebih tinggi daripada daerah lain.

Sebagai aturan umum, menjadi tidak dapat dimampatkan berarti bahwa kepadatan suatu daerah fluida tidak berubah sebagai fungsi waktu ketika bergerak melalui aliran. Cairan juga dapat dikompresi, tentu saja, tetapi ada lebih banyak batasan pada jumlah kompresi yang dapat dibuat. Untuk alasan ini, cairan biasanya dimodelkan seolah-olah mereka tidak dapat dimampatkan.

Prinsip Bernoulli adalah elemen kunci lain dari dinamika fluida, yang diterbitkan dalam buku 1738 Daniel Bernoulli Hydrodynamica. Sederhananya, ini berkaitan dengan peningkatan kecepatan dalam cairan dengan penurunan tekanan atau energi potensial. Untuk cairan yang tidak dapat dimampatkan, ini dapat digambarkan menggunakan apa yang dikenal sebagai Persamaan Bernoulli:

(v²/2) + gz + hal/ρ = konstan

Dimana g adalah percepatan karena gravitasi, ρ adalah tekanan di seluruh cairan, v adalah kecepatan aliran fluida pada titik tertentu, z adalah ketinggian pada titik itu, dan hal adalah tekanan pada saat itu. Karena ini konstan dalam fluida, ini berarti persamaan ini dapat menghubungkan dua titik, 1 dan 2, dengan persamaan berikut:

(v₁²/2) + gz₁ + hal₁/ρ = (v₂²/2) + gz₂ + hal₂/ρ

Hubungan antara tekanan dan energi potensial cairan berdasarkan ketinggian juga terkait melalui Hukum Pascal.

Dua pertiga dari permukaan bumi adalah air dan planet ini dikelilingi oleh lapisan atmosfer, jadi kita secara harfiah dikelilingi oleh cairan setiap saat... hampir selalu bergerak.

Memikirkannya sebentar, ini membuatnya cukup jelas bahwa akan ada banyak interaksi cairan yang bergerak untuk kita pelajari dan pahami secara ilmiah. Di situlah dinamika fluida masuk, tentu saja, jadi tidak ada kekurangan bidang yang menerapkan konsep dari dinamika fluida.

Daftar ini sama sekali tidak lengkap, tetapi memberikan gambaran yang baik tentang cara dinamika fluida muncul dalam studi fisika di berbagai spesialisasi:

• Ilmu Kelautan, Meteorologi, & Iklim - Karena atmosfer dimodelkan sebagai cairan, studi ilmu atmosfer dan arus laut, penting untuk memahami dan memprediksi pola cuaca dan tren iklim, sangat bergantung pada dinamika fluida.
• Aeronautika - Fisika dinamika fluida melibatkan mempelajari aliran udara untuk membuat drag and lift, yang pada gilirannya menghasilkan kekuatan yang memungkinkan penerbangan lebih berat dari udara.
• Geologi & Geofisika - Lempeng tektonik melibatkan mempelajari gerakan materi yang dipanaskan di dalam inti cair Bumi.
• Hematologi & Hemodinamik -Studi biologis darah meliputi studi sirkulasi melalui pembuluh darah, dan sirkulasi darah dapat dimodelkan menggunakan metode dinamika cairan.
• Fisika Plasma - Meskipun bukan cairan atau gas, plasma sering berperilaku dengan cara yang mirip dengan cairan, jadi juga dapat dimodelkan menggunakan dinamika fluida.
• Astrofisika & Kosmologi - Proses evolusi bintang melibatkan perubahan bintang dari waktu ke waktu, yang dapat dipahami dengan mempelajari bagaimana plasma yang menyusun bintang mengalir dan berinteraksi dalam bintang dari waktu ke waktu.
• Analisis Lalu Lintas - Mungkin salah satu aplikasi dinamika fluida yang paling mengejutkan adalah dalam memahami pergerakan lalu lintas, baik lalu lintas kendaraan maupun pejalan kaki. Di daerah di mana lalu lintas cukup padat, seluruh badan lalu lintas dapat diperlakukan sebagai satu kesatuan yang berperilaku dengan cara yang kira-kira cukup mirip dengan aliran fluida.

Dinamika fluida juga terkadang disebut sebagai hidrodinamika, meskipun ini lebih merupakan istilah historis. Sepanjang abad kedua puluh, frasa "dinamika fluida" menjadi lebih umum digunakan.

Secara teknis, akan lebih tepat untuk mengatakan bahwa hidrodinamika adalah ketika dinamika fluida diterapkan pada cairan yang bergerak dan aerodinamika adalah ketika dinamika fluida diterapkan pada gas yang bergerak.

Namun, dalam praktiknya, topik khusus seperti stabilitas hidrodinamik dan magnetohidrodinamika menggunakan awalan "hidro-" bahkan ketika mereka menerapkan konsep-konsep itu pada gerakan gas.