FLUIDA DINAMIS

Daftar isi

Apersepsi
Kompetensi Inti, Kompetensi Dasar dan Tujuan Pembelajaran
Problem Solving
Materi
1. Hukum Kontinuitas
2. Hukum Bernoulli
3. Aplikasi Hukum Bernoulli

Uji Kompetensi

Eksperimen

Evaluasi

A. Apersepsi

gambar 1

Pesawat terbang merupakan mahakarya dari sains, teknologi, teknik, dan matematika. dengan pesawat terbang kita bisa melakukan perjalanan jarak jauh antar pulau bahkan antar benua dengan waktu jauh lebih singkat dibanding menggunakan jalur laut dan darat, tercatat bahwa kecepatan maksimum pesawat garuda (Boeing 777-300ER) mencapai 930 km/jam dengan jarak tempuh maksimum hingga 11.297 km dalam sekali perjalanan.

🙋tahukah kamu massa pesawat terbang boeing 777 ?

ternyata massa (netto)nya mencapai 134.800 kg. meskipun massanya massif, pesawat tetap bisa mengudara.

✈ Apakah yang menyebabkan pesawat dapat terbang meskipun memiliki berat yang massif ? bagaimanakah sains dibalik pesawat terbang?

Tahukah kamu ?

Siapa manusia pertama yang bisa terbang?

jauh sebelum wright bersaudara berhasil menerbangkan pesawatnya pada tahun 1908, ada ilmuwan muslim pertama yang bisa terbang, yaitu abbas ibnu firnas, kisahnya telah menginspirasi banyak orang agar manusia dapat terbang. untuk mengetahui sejarahnya, simak vidio singkat berikut ini ya!

Setelah mempelajari bab ini dengan seksama, kalian akan memahami fluida dinamis, termasuk sains di balik pesawat terbang.

jadi, simak baik-baik ya, jika ada hal yang kurang paham, kamu boleh bertanya pada guru pengampu

B. Kompetensi Inti, Kompetensi Dasar dan Tujuan Pembelajaran

Kompetensi Inti

Menghayati dan mengamalkan ajaran agama yang dianutnya.
Menunjukkan perilaku jujur, disiplin, bertanggung jawab, peduli (gotong royong, kerja sama, toleran, damai), santun, responsif, dan proaktif sebagai bagian dari solusi atas berbagai permasalahan dalam berinteraksi secara efektif dengan lingkungan sosial dan alam serta menempatkan diri sebagai cerminan bangsa dalam pergaulan dunia.
Memahami, menerapkan, menganalisis pengetahuan faktual, konseptual, prosedural berdasarkan rasa ingintahunya tentang ilmu pengetahuan, teknologi, seni, budaya, dan humaniora dengan wawasan kemanusiaan, kebangsaan, kenegaraan, dan peradaban terkait penyebab fenomena dan kejadian, serta menerapkan pengetahuan prosedural pada bidang kajian yang spesifik sesuai dengan bakat dan minatnya untuk memecahkan masalah
Mengolah, menalar, dan menyaji dalam ranah konkret dan ranah abstrak terkait dengan pengembangan dari yang dipelajarinya di sekolah secara mandiri, bertindak secara efektif dan kreatif, serta mampu menggunakan metode sesuai kaidah keilmuan

Kompetensi Dasar

KD 3.3 Menerapkan prinsip fluida dinamik dalam teknologi

KD 4.3 Membuat dan menguji proyek sederhana yang menerapkan prinsip dinamika fluida

Tujuan Pembelajaran

Peserta didik mampu memahami, mengidentifikasi, dan menerapkan konsep fluida dinamis dalam kehidupan sehari-hari dengan percaya diri setelah melalui proses pembelajaran
Peserta didik mampu menjelaskan STEM terkait materi Fluida Dinamis dengan baik setelah membaca E-Modul
Peserta didik mampu menyelesaikan masalah terkait fluida dinamis serta mempresentasikannya setelah melakukan diskusi

C. Problem solving

D. Materi

Fluida Ideal

tidak terkompresibel

tidak mengalami gesekan (fluida-dinding)

Aliran Stasioner, setiap partikel fluida mempunyai garis alir tertentu yang untuk luas penampang yang sama mempunyai laju aliran yang sama

jenis-jenis aliran fluida

aliran lurus/ laminar/Steady flow

aliran turbulen atau tidak teratur

1. Asas Kontinuitas

Gambar 1

pada gambar 1 di atas, fluida inkompresibel mengalir dalam pipa dengan penampang yang berubah ubah, selama selang waktu Δt volume bagian yang berbayang bayang adalah sama atau kontinu.

Besaran Av adalah debit Q.dalam aliran fluida inkompresibel yang tunak, besar debit adalah sama di setiap titik dalam fluida

asas kontinuitas

debit merupakan laju aliran volume, sehingga debit juga dapat dihutung dengan persamaan

Rumus debit

Daya oleh debit

jika sebuah aliran air berada di ketinggian h, seperti air terjun maka air tersebut memiliki energi potensial sebesar m.g.h, dari energi potensial tersebut dapat dimanfaatkan untuk menggerakkan generator dan mampu menghasilkan daya. yaitu:

maka, daya oleh debit adalah

Rumus daya oleh debit

jika sebuah generator pembangkit listrik memiliki efisiensi kerja η , maka daya generator yang akan dihasilkan dari debit air adalah

Rumus daya yang dihasilkan generator

Efek venturi

Keberadaan nyamuk di sekitar kita tentunya sangat mengganggu kesehatan dan kenyamanan kita, oleh karena itu obat pembasmi nyamuk sangat dibutuhkan, obat nyamuk memiliki berbagai macam, salah satunya adalah obat nyamuk semprot, sebelum adanya obat nyamuk jenis kaleng, obat nyamuk semprot seperti gambar berikut sering digunakan, saat ini semprot nyamuk jenis ini jarang digunakan karena kurang praktis, namun dibalik ketidak praktisannya, alat ini memiliki kelebihan yaitu bisa diisi ulang, sehingga lebih hemat dan mengurangi sampah.

Jika alat tersebut diperhatikan, cairan obat nyamuk berada di tempat terpisah dari tabung pompa, namun bisa menyemprotkan cairan dari dalam tangki, kenapakah demikian? Bagaimanakah mekanisme kerja alat tersebut?

gambar 3.b

efek venturi menyatakan bahwa tekanan fluida berbanding terbalik dengan kelajuan fluida, sehingga jika fluida mengalami kenaikan kelajuan maka tekanannya akan menurun

efek venturi dapat di analisis menggunakan persamaan bernoulli

2. Asas Bernoulli

Persamaan Bernoulli

agar kaian dapat lebih memahami makna fisis dari persamaan bernoulli, lakukanlah virtual eksperimen menggunakan Ophysics,

klik tombol di bawah ini untuk mendownload Lembar Kerja Peserta Didik (LKPD)untuk virtual experiment

Download LKPD

Virtual lab: Fluid Dynamics and the Bernoulli Equation

Penurunan Persamaan Bernoulli

gambar 4.a

gambar 4.b

pada fluida yang mengalir dalam pipa yang ketinggian dan luasnya berubah seperti pada gambar 4.a, dapat dianalisis menggunakan teorema kerja energi

fluida yang mula-mula berada dalam daerah antara titik 1 dan 2 (gambar 4.a) setelah Δt, fluida ini akan berpindah sepanjang pipa dan akan berada dalam daerah antara titik 1' dan 2' (gambar 4.b)

pada gambar 4.b, satu-satunya perubahan antara gambar 4.a dan gambar 4.b adalah pada bagian raster gelap massa fluida.

misalkan m = ρV adalah massa fluida ini, efek neto pada fluida dalam waktu Δt adalah massa fluida m terangkat dari ketinggian h₁ ke ketinggian h₂ dan kelajuannya bertambah dari v₁menjadi v₂

perubahan energi potensial massa ini adalah

sedangkan perubahan energi kinetiknya adalah

fluida yang mengikuti massa m dalam pipa bagian kiri (gambar 4.a) memberikan gaya ke kananyang besarnya F₁ = P₁ A₁ dengan P₁ adalah tekanan di titik 1

gaya ini melakukan kerja

pada saat yang sama, fluida yang mendahuluinya di sebelah kanan (gambar 4.a) memberikan gaya F₂= P₂ A₂ padanya ke kiri

gaya tersebut memberikan kerja negatif karena berlawanan dengan gerakan

kerja total yang dilakukan gaya-gaya ini adalah

selain itu, dengan teorema kerja energi, kita dapatkan

sehingga, jika persamaan (i) dan (ii) kita gabungkan akan menjadi

jika persamaan (iii) disusun ulang dengan mengumpulkan semua besaran yang mempunyai indeks 1 di ruas kiri dan indeks 2 di ruas kanan, maka akan menjadi persamaan bernoulli yang kita kenali, yaitu:

Persamaan Bernoulli

3. Aplikasi Persamaan Bernouli pada teknologi

a. Pesawat Terbang

simak vidio berikut ini ya..

SAINS - Gaya angkat pesawat, berdasarkan konsep bernoulli, aliran udara di atas sayap pesawat dibuat lebih cepat dibanding di bawah pesawat, sehingga tekanan udara di bawah sayap lebih besar dibanding diatasnya dan menghasilkan gaya angkat yang cukup

TECHNOLOGY-Pesawat terbang merupakan mahakarya sains untuk alat transportasi, kita dapat mempersingkat waktu dalam perjalanan jarak jauh dibanding transportasi darat dan laut

ENGINEERING - Sayap pesawat didesain melengkung (airfoil) dan dapat diatur kelengkunganya

MATHEMATICS - Gaya angkat pesawat dapat dianalisis menggunakan prinsip bernoulli. Bentuk Aerofoil sayap pesawat membuat kelajuan alir udara pada sisi bagian atas pesawat 𝑣₂ lebih besar daripada sisi bagian bawah sayap 𝑣₁, sehingga tekanan di bawah lebih besar dari di atas sayap Beda tekanan 𝑃₁−𝑃₂ menghasilkan gaya angkat

gambar 5

Dengan menganggap tinggi kedua permukaan sayap diukur dari tanah adalah sama, berdasarkan Persamaan Bernoulli.

F = P.A

Rumus Gaya Angkat Pesawat

Pesawat terbang dapat terangkat ke atas jika gaya angkat pesawat lebih berat pesawat

Tabung Pitot

gaya angkat pesawat sangat dipengaruhi oleh kelajuan udara di sekitar sayap pesawat, lalu bagaimanakah caranya perancang mengukur kelajuan udaranya?

jika kita perhatikan, di badan pesawat terdapat benda kecil seperti gambar berikut

gambar 6

benda yang dilingkari pada gambar 6 adalah tabung pitot, fungsinya adalah mengukur kelajuan udara di sekitar pesawat. tabung pitot juga aplikasi dari asas bernoulli

gambar 7

Gas/ udara mengalir melalui lubang-lubang di titik a. Lubang-lubang ini sejajar dengan arah aliran yang dibuat cukup jauh di belakang, sehingga kelajuan dan tekanan gas di luar lubang lubang seperti halnya dengan aliran bebas.Jadi 𝑣_𝑎 = 𝑣 (𝑘𝑒𝑙𝑎𝑗𝑢𝑎𝑛 𝑔𝑎𝑠) dan tekanan pada kaki kanan manometer tabung pitot sama dengan tekanan aliran gas (𝑃𝑎).

Lubang dari lengan kiri manometer tegak lurus terhadap aliran, sehingga kelajuan gas berkurang sampai ke nol di titik b (𝑣_𝑏=0).Tekanan pada kaki kiri manometer sama dengan tekanan di titik b (𝑃_𝑏), beda ketinggian a dan b dapat diabaikan (ℎ_𝑎=ℎ_𝑏)Sehingga pers bernoulinya adalah

Beda tekanan antara a dan b (𝑃_𝑏−𝑃_𝑎) sama dengan tekanan hidrosatis zat cair manometer setinggi h

𝜌′ adalah massa jenis zat cair manometer, misalnya air raksa

Dengan menyamakan ruas kanan (i) dan (ii) kita peroleh hasil sebagai berikut

Rumus Kelajuan Udara pada Tabung Pitot

b. Formula 1

Mobil F1 adalah mobil balap tercepat di dunia, Apakah kamu tahu berapa kecepatan maksimum mobil balap F1?

Mobil balap F1 bisa m

elaju dengan kecepatan maksimum sekitar 379 km/jam dengan kemampuan akselerasi 0-100 km/jam dalam 2,1 detik. karena memiliki akselerasi tinggi, maka mobil F1 harus didesain aerodinamis agar aman dari hambatan udara dan agar tetap menapak/tidak melayang saat melaju, terutama saat menikung.

apakah aerodinamis itu? dan gaya apa yang menjaga mobil F1 tetap menapak pada lintasan?

untuk menjawab pertanyaan itu, yuk simak video berikut ini...

SAINS - Menggunakan konsep bernouli, Pada aliran fluida (dalam hal ini udara) yang memiliki kecepatan tinggi akan mengalami penurunan tekanan

TECHNOLOGY - Mobil F1 digunakan untuk olahraga dan digunakan untuk penelitian dan pengembangan/ prototype dalam membuat mobil sport

ENGINEERING - Berdasarkan konsep bernouli Sayap pada F1 didesain sedemikian rupa, agar menghasilkan gaya tekan ke bawah, sedangkan kolong bawah F1 didesain sedemikian rupa agar menghasilkan ground effect yang membuat udara mengalir lebih cepat sehingga tekanan udara menurun seakan akan mobil tertarik ke bawah agar roda tetap menapak pada permukaan jalan

MATHEMATICS - Semakin besar lekukan pada sayap, maka semakin besar penurunan kecepatan aliran udara, sehingga tekanan udara semakin besar berfungsi untuk menekan F1 ke bawah

Karburator

Fungsi karburator adalah untuk menghasilkan campuran bahan bakar dengan udara, kemudian campuran ini dimasukkan ke dalam silinder-silinder mesin untuk tujuan pembakaran

Prinsip kerja: Penampang pada bagian atas jet menyempit sehingga udara yang mengalir pada bagian ini bergerak dengan kelajuan tinggi. Sesuai dengan asas Bernoulli, tekanan pada bagian ini rendah.Tekanan di dalam tangki bensin sama dengan tekanan atmosfer memaksa bahan bakar tersebur keluar melalui jet, Sehingga bahan bakar bercampur dengan udara sebelum memasuki silinder mesin

untuk lebih jelasnya, simak vidio berikut ini ya

Pipa Venturi

gambar 8.a

Alat ini digunakan untuk mengukur kelajuan cairan dalam pipa.mari kita analisis bagaimana cara menentukan kelajuan cairan menggunakan venturimeter (pipa venturi) melalui persamaan bernoulli…

kita tinjau suatu titik di pipa 1 dan suatu titik di pipa 2 yang memiliki ketinggian yang sama (h₁=h₂)

gambar 8.b

Teorema Torriceli

satu lagi nih, penerapan dari persamaan berloulli, kita bisa membuat wortel bisa melayang, yuk simak video berikut ini..

Efek Coanda

Efek Coanda merupakan fenomena mekanika fluida yang terjadi ketika aliran fluida yang bergerak melewati permukaan cenderung melekat mengikuti bentuk permukaan tersebut. efek coanda juga diterapkan dalam desain sayap pesawat, yaitu sayap pesawat di buat melengkung sedemikian rupa sehingga kecepatan udara di sisi atas sayap dibuat lebih cepat sehingga tekanan turun, sedangkan kecepatan udara di sisi bawah sayap dibuat lebih lambat, sehingga tekanan udara naik. untuk lebih jelasnya yuk simak vidio berikut ini...

penerapan efek coanda pada sayap pesawat terbang

Latihan Soal

download latihan soal >

EDU-PHYSICS

Pages

Fluida Dinamis