Tabla de Contenidos
Dinamika fluida, atau dinamika fluida, adalah disiplin ilmu fisika yang mempelajari pergerakan fluida, yaitu fluida dan gas, termasuk interaksi antara dua fluida dan fluida dengan material pembatas atau pembatas. Dinamika fluida adalah salah satu dari dua cabang mekanika fluida, yang lainnya adalah studi fluida statis atau diam, yaitu statika fluida.
dinamika fluida
Dinamika fluida adalah model makroskopik materi dan interaksinya. Dalam konteks ini istilah “cairan” mengacu pada cairan dan gas; Mari kita ingat bahwa perbedaannya adalah cairan, atau fluida yang tidak dapat dimampatkan, tidak mengubah volumenya saat tekanan meningkat, sedangkan gas, cairan yang dapat dimampatkan, volumenya berkurang saat tekanan meningkat. Hipotesis dasarnya adalah bahwa fluida adalah bahan kontinu dalam ruang yang ditempatinya, dan oleh karena itu komposisi mikroskopisnya, atom dan molekulnya, atau komponen diskontinunya tidak dipertimbangkan.
Dinamika fluida juga disebut fluodinamika; dalam kasus cairan yang tidak dapat dimampatkan, cairan, itu disebut hidrodinamika, dan aerodinamika ketika cairan yang dapat dimampatkan dipelajari, gas. Magnetohydrodynamics mempelajari dinamika cairan konduktif elektrik yang berinteraksi dengan medan listrik dan magnet. Keadaan materi yang disebut plasma pada suhu rendah juga dapat dipelajari dengan model dinamika fluida.
Seperti dalam model fisik apa pun, dinamika fluida disusun berdasarkan serangkaian hipotesis dan prinsip, beberapa di antaranya lebih umum, yang sesuai dengan mekanika fluida. Salah satu prinsip pertama yang didalilkan secara historis adalah prinsip yang berkaitan dengan daya apung ; Prinsip Archimedes, yang dikemukakan oleh fisikawan dan matematikawan Yunani kuno pada abad ke-3 SM. Prinsip Archimedes mendalilkan bahwa benda yang sebagian atau seluruhnya terendam dalam zat cair yang diam mengalami gaya vertikal ke atas yang sama dengan berat zat cair yang dipindahkan oleh benda tersebut. Seperti yang terlihat dari postulat, prinsipnya sesuai dengan statika fluida.
Saat mempelajari fluida yang bergerak, tekanan, kecepatan, dan densitas adalah tiga variabel penting dalam dinamika fluida. Massa jenis sering dilambangkan dengan simbol ρ , kecepatan dengan v , dan tekanan dengan p .
prinsip Bernoulli
Prinsip Bernoulli adalah salah satu prinsip dinamika fluida, yang didalilkan oleh Daniel Bernoulli pada tahun 1738. Prinsip tersebut didalilkan untuk fluida ideal, tanpa viskositas, dan dikatakan bahwa fluida yang bersirkulasi dalam pipa dalam rangkaian tertutup memiliki energi yang Tetap konstan. Berbagai bentuk energi, kinetik dan potensial, diseimbangkan untuk menjaga agar energi total tetap konstan . Tekanan berkurang ketika kecepatan fluida meningkat. Prinsip Bernoulli berlaku ketika tidak ada kehilangan energi dalam proses fisik lainnya, atau sangat kecil dan dapat diabaikan, seperti radiasi panas, gaya kental, atau turbulensi.
Prinsip Bernoulli diungkapkan secara matematis oleh Leonhard Euler dalam apa yang disebut persamaan Bernoulli . Persamaan menyatakan kekekalan jumlah dari tiga bentuk energi di setiap titik fluida dalam sistem; energi kinetik, energi aliran yang dinyatakan oleh tekanan dan energi potensial.
( ρ .v 2 /2) + p + ρ .gz = k
di mana ρ adalah densitas fluida, v adalah kecepatannya, dan p adalah tekanannya; g adalah percepatan gravitasi dan z adalah ketinggian titik sistem yang dianggap relatif terhadap suatu tingkat referensi. Jumlah ketiga bentuk energi ini sama dengan konstanta k di titik mana pun dalam sistem, dan oleh karena itu konstanta ini dapat disetarakan di dua titik berbeda a dan b, dan variabel hidrodinamika dapat dihubungkan sebagai berikut.
( ρ .v a 2 /2) + pa + ρ .gz a = ( ρ .v b 2 /2) + p b + ρ .gz b
Viskositas dan fluida Newtonian
Viskositas adalah parameter fundamental cairan. Viskositas didefinisikan sebagai ketahanan fluida terhadap deformasi atau alirannya. Dua jenis viskositas dibedakan: viskositas dinamis μ , dan viskositas kinematik ν = μ / ρ .
Seiring dengan definisi fluida kental, konsep penting lainnya dalam dinamika fluida adalah fluida Newtonian. Mereka adalah cairan di mana viskositas dapat dianggap konstan pada tekanan dan suhu tertentu, dan viskositas tersebut tidak bergantung pada variabel lain dari cairan, seperti gaya atau kecepatan. Cairan Newtonian adalah yang paling mudah untuk dipelajari, dengan air dan minyak menjadi contoh yang paling umum. Hipotesis ini memungkinkan kita untuk menetapkan hubungan linier antara gaya yang dialami fluida untuk bergerak di antara dua permukaan, dan kecepatan aliran fluida. Kasus tipikal, ditunjukkan pada gambar berikut, adalah permukaan A bergerak dengan kecepatan v di atas permukaan lain (bidang B) yang dipisahkan oleh jarak y, jarak yang ditempati oleh fluida Newtonian dengan viskositas μ .
Jika fluidanya Newtonian, gaya F yang melawan gerakan adalah F = μ .A.(v/y) . Dengan cara ini, jika ada fluida yang bergerak pada permukaan yang menerapkan gaya konstan padanya, diperoleh variasi kecepatan fluida linier dengan jarak ke permukaan tetap, di mana kecepatan fluida adalah nol.
Aliran
Mengingat bahwa dinamika fluida terdiri dari studi tentang fluida yang bergerak, pertama-tama kita harus menentukan parameter fundamental yang memungkinkan kita mendekati analisis ini. Parameter ini adalah aliran , yaitu jumlah fluida yang bergerak melalui luas permukaan tertentu per satuan waktu . Konsep aliran digunakan untuk menggambarkan berbagai situasi yang melibatkan fluida: udara yang bertiup melalui lubang, atau cairan yang bergerak melalui pipa atau di atas permukaan.
Seperti yang telah disebutkan, fluida kompresibel, biasanya gas, adalah fluida yang volumenya berkurang dengan meningkatnya tekanan, yaitu saat dikompresi. Dimungkinkan untuk mengurangi bagian saluran udara dan mempertahankan aliran yang sama dengan mengangkut udara dengan kecepatan yang sama; Untuk ini, tekanan sistem harus dinaikkan untuk menampung massa udara yang sama dalam volume yang lebih kecil. Ketika fluida kompresibel sedang bergerak, dapat terjadi variasi spasial dalam densitasnya. Sebaliknya, fluida mampat yang bergerak tidak mengubah densitasnya di titik mana pun dalam sistem.
Aliran suatu fluida dapat memiliki berbagai karakteristik, tergantung pada sistem yang dipelajari dan kondisinya. Jika aliran tidak berubah dengan waktu, dikatakan konstan. Dan jika aliran dalam keadaan tunak, ini menunjukkan bahwa sifat-sifat fluida, seperti kecepatan atau kerapatan di setiap titik, juga tidak berubah terhadap waktu. Bisa terjadi bahwa Anda memiliki sistem di mana ada aliran konstan tetapi sifat fluida bervariasi, dalam hal ini alirannya tidak stabil. Di sisi lain, pernyataan kebalikannya benar: semua fluks keadaan tunak menyiratkan fluks konstan. Kasus yang sangat sederhana adalah air yang mengalir melalui pipa yang digerakkan oleh pompa. Aliran, jumlah air yang melewati bagian pipa per satuan waktu (liter per menit, misalnya), adalah konstan. Di samping itu,
Sebaliknya, jika beberapa sifat fluida berubah terhadap waktu di beberapa titik dalam sistem, kita memiliki aliran tidak tetap atau keadaan aliran transien. Hujan yang mengalir ke selokan saat badai adalah contoh aliran yang tidak stabil; Jumlah air yang melewati bagian selokan per satuan waktu bervariasi dengan intensitas hujan. Sistem dalam keadaan tidak stabil atau sementara lebih sulit dipelajari daripada keadaan diam, karena variasi dari waktu ke waktu membuat pendekatan situasi menjadi lebih kompleks.
aliran laminer dan aliran turbulen
Perkiraan pertama untuk gagasan aliran laminar adalah dengan memikirkan gerakan halus suatu fluida, seperti minyak yang mengalir perlahan di permukaan; Sebaliknya, dalam aliran turbulen, fluida menjadi bercampur secara kacau di dalamnya saat volume makroskopik bergerak. Gambar berikut secara skematis menunjukkan bagaimana aliran laminar dan turbulen dalam fluida yang bergerak dalam pipa, di mana tanda panah melambangkan lintasan fluida bervolume kecil. Menurut definisi ini, aliran turbulen adalah keadaan aliran yang tidak stabil. Namun, dengan aliran turbulen Anda dapat memiliki aliran konstan, karena meskipun fluida bercampur di dalamnya saat bergerak, mungkin jumlah total fluida yang melintasi permukaan per satuan waktu tidak berubah terhadap waktu.waktu.
Dalam kedua jenis pusaran aliran, vortisitas dan resirkulasi dapat dihasilkan. Perbedaan antara kedua aliran terletak pada pergerakan kacau volume kecil cairan, terlepas dari pergerakan makroskopik.
Parameter fisik yang menentukan apakah suatu aliran laminar atau turbulen adalah bilangan Reynolds, Re . Parameter ini diusulkan oleh insinyur dan matematikawan Irlandia Osborne Reynolds pada tahun 1883. Pekerjaan penelitian Reynolds dan yang dikembangkan oleh fisikawan dan matematikawan Irlandia George Gabriel Stokes dan orang Prancis Claude Louis Naiver pada paruh kedua abad ke-19 memungkinkan pengembangan parameter ini. ekspresi matematika dasar dinamika fluida, persamaan Navier-Stokes, valid untuk fluida Newtonian.
Angka Reynolds menyatakan hubungan antara gaya inersia dalam fluida dan gaya yang terkait dengan viskositas. Dalam kasus cairan yang mengalir melalui pipa lurus, bilangan Reynolds memiliki ekspresi berikut
Re = ρ .vD/ μ
di mana ρ adalah densitas fluida, μ adalah viskositasnya, v adalah kecepatannya di dalam pipa, dan D adalah diameter pipa.
Meskipun ekspresi bilangan Reynolds tergantung pada sistem yang dipelajari, ini adalah parameter tanpa dimensi, tanpa satuan, dan oleh karena itu interpretasi nilainya tidak bergantung pada karakteristik sistem. Nilai Re yang tinggi sesuai dengan aliran turbulen, sedangkan nilai rendah sesuai dengan aliran laminar. Pentingnya menentukan karakteristik aliran ini terletak pada kenyataan bahwa sifat aliran dan model matematis yang digunakan untuk mempelajari sistem berbeda.
Mengalir dalam pipa dan saluran terbuka
Dua sistem yang melibatkan fluida bergerak yang menarik untuk dibandingkan adalah aliran melalui pipa dan aliran pada saluran terbuka. Dalam kasus pertama, fluida bergerak di dalam batasan yang kaku dari sebuah kontainmen, seperti air yang mengalir di dalam pipa atau udara yang bergerak di dalam saluran. Dalam kasus aliran di saluran terbuka, ada bagian aliran yang tidak bersentuhan dengan permukaan kaku, yaitu terbuka. Ini adalah kasus sungai, air hujan yang mengalir melalui selokan atau saluran irigasi. Dalam contoh ini permukaan air yang bersentuhan dengan udara adalah permukaan bebas aliran.
Aliran dalam pipa didorong oleh tekanan yang diberikan pada fluida oleh pompa atau mekanisme lain, atau oleh gravitasi. Tetapi dalam sistem saluran terbuka gaya utama yang bekerja adalah gravitasi. Sistem penyediaan air minum biasanya menggunakan gaya gravitasi untuk mendistribusikan air yang sebelumnya disimpan dalam tangki yang ditinggikan di atas ketinggian rumah. Perbedaan ketinggian menimbulkan tekanan pada fluida yang diberikan oleh gaya gravitasi pada permukaan bebas air yang disimpan dalam tangki.
aplikasi dinamika fluida
Dua pertiga permukaan bumi ditutupi oleh air, dan planet ini ditutupi oleh lapisan gas, yaitu atmosfer. Dan cairan ini sebagian besar bergerak. Oleh karena itu, dinamika fluida sangat erat kaitannya dengan kehidupan dan alam, di samping penerapannya yang berlipat ganda dalam perkembangan teknologi umat manusia. Mari kita lihat empat cabang ilmu pengetahuan dan teknologi yang didasarkan pada penerapan dinamika fluida.
Oseanografi, meteorologi, dan ilmu iklim . Atmosfer adalah campuran gas yang bergerak yang dapat dianalisis dengan model dinamika fluida, dan merupakan objek studi dalam ilmu atmosfer. Seperti studi arus laut, penting untuk memahami dan memprediksi pola cuaca , yang juga dapat dipelajari dengan model dinamika fluida.
Aeronautika . Perilaku pesawat terbang, dalam semua varietasnya dan dalam aspek berbeda yang perlu dipelajari, adalah subjek studi dinamika fluida kompresibel.
Geologi dan Geofisika . Studi tentang pergerakan lempeng tektonik dan proses vulkanik terkait dengan pergerakan magma, materi cair yang mengalir di kedalaman bumi. Penerapan model dinamika fluida sangat mendasar dalam mempelajari proses ini.
Hematologi dan hemodinamik . Perilaku cairan sangat penting dalam semua proses biologis, baik pada tingkat sel maupun dalam fisiologi organisme, dalam larutan dan suspensi, seperti darah. Dinamika fluida memungkinkan pengembangan model untuk mempelajari fluida esensial ini bagi kehidupan.
Sumber
Peñaranda Osorio, Caudex Vitelio. Mekanika fluida. Edisi ECOE, 2018.
Mott, Robert. Mekanika Fluida . Pearson Education, edisi ke-6, Meksiko, 2006.
