sejarah mekanika fluida

 

 Page 1

Sejarah Mekanika Fluida

Mekanika fluida adalah suatu ilmu yang memelajari perilaku fluida baik dalam keadaan diam (static) maupun bergerak (dynamic) serta akibat interaksi dengan media batasnya (zat padat atau fluida dengan γang lain).  Seperti kebanyakan disipilin ilmu lainnya, mekanika fluida mempunyai sejarah panjang dalam pencapaian hasil-hasil pokok hingga menuju ke era modern seperti sekarang ini. Mekanika fluida berkembang sejalan dengan perjalanan perkembangan peradaban manusia. Banyak aspek kehidupan manusia yang terkait dengan mekanika fluida, seperti transportasi, industri, aerodinamik bangunan,mesin-mesin fluida, dan kesehatan.

Ilmu mekanika fluida sudah terfikirkan sejak zaman pra sejarah. Hal tersebut dibuktikan dengan adanya beberapa hal yang berkaitan dengan permasalahan fluida. Seperti adanya kapal layar yang dilengkapi dengan dayung dan system pengairan. Adapun para nama-nama yang dapat kita sebut diantaranya adalah yang pertama mempelajari hidrolika adalah LEONARDO DA VINCI (pertengahanabad XV) dengan karya tulisnya : ON THE FLOW OF WATER AND RIVER STRUCTURES. Setelah itu ia melakukan observasi dan memperoleh pengalaman membangun instalasi hidrolika di MILAN ( ITALIA ) dan juga di FLORENCE. Berikutnya muncul GALILEO dengan studi sistematik mengenai dasar-dasar hidrostatika. Pada 1643 seorang murid GALILEO bernama TORRICELLI memperkenalkan hukum tentang aliran bebas zat cair melewati lobang (celah). Pada 1650 diperkenalkan hukum distribusi tekanan dalam zat cair yang dikenal dengan hukum PASCAL. Hukum tentang gesekan dalam fluida yang mengalir yang sangat terkenal sampai saat ini dirumuskan oleh ISAAC NEWTON. Selain itu ia juga dikenal sebagai penemu teori viskositas, dan pula dasar teori mengenai similaritas hidrodinamik. Salah satu ilmu berharga dari Newton adalah Hukun Newton Akan tetapi hukum-hukum tersebut sampai dengan pertengahan abad XVIII statusnya masih ngambang karena tak ada ilmu yang betul-betul mendalam tentang sifat fluida. Dasar teori mekanika fluida dan hidrolika kemudian menjadi baku setelah DANIEL BERNOULLI dan LEONHARD EULER. Memperkenalkan ilmunya dalam abad XVIII. DANIEL BERNOULLI seorang pakar kelahiran SWISS (1700–1780). Pada masa prasejarah, kebudayaan-kebudayaan kuno sudah memiliki pengetahuan yang cukup untuk memecahkan persoalan-persoalan aliran tertentu. Sebagai contoh perahu layar yang sudah dilengkapi dengan dayung dan sistem pengairan untuk pertanian sudah dikenal pada masa itu. Pada abad ketiga sebelum Masehi, Archimedes dan Hero dari Iskandariah, memperkenalkan hukum jajaran genjang untuk penjumlahan vektor. Selanjutnya Archimedes (285-212 SM) merumuskan hukum apung dan menerapkannya pada benda-benda terapung atau melayang, dan juga memperkenalkan bentuk kalkulus differensial sebagai dasar dari model analisisnya. Sejak awal Masehi sampai zaman Renaissance telah terjadi perbaikan dalam rancangan sistem-sistem aliran seperti: kapal, saluran, dan talang air. Akan tetapi tidak ada bukti-bukti adanya perbaikan yang mendasar dalam analisis alirannya. Akhirnya kemudian Leonardo da Vinci (1452-1519) menjabarkan persamaan kekekalan massa dalam aliran lunak satu dimensi. Leonardo da Vinci adalah ahli eksperimen yang ulung, dan catatan-catatannya berisi deskripsi mengenai gelombang, jet atau semburan, loncatan hidraulik, pembentukan pusaran dan rancangan-rancangan seretan rendah (bergaris-alir) serta seretan tinggi (parasut). Galileo (1564-1642) memperkenalkan beberapa hukum tentang ilmu mekanika. Seorang Perancis Edme Moriotte (1642-1684) membangun terowongan angin yang pertama dan menguji model-model di dalam eksperimenya. Soal-soal mengenai permasalahan momentum fluida akhirnya dapat dianalisis oleh Isaac Newton (1642-1727) setelah memperkenalkan hukum-hukum gerak dan hokum kekentalan untuk fluida linear yang sekarang dinamakan fluida Newton. Teori itu mula-mula didasarkan pada asumsi fluida ideal (sempurna) dan tanpa gesekan dan para ahli matematikawan abad kedelapan belas seperti: Daniel Bernoulli dan Leonhard Euler (Swiss),Clairaut dan D’Alembert (Perancis), Joseph-Louis Lagrange (1736-1813), Pierre-Simon Laplace (1749-1827), dan Gerstner (1756-1832), mengembangkan ilmu matematika untuk mekanika fluida (Hidrodinamika) dan banyak menghasilkan penyelesaian-penyelesaian dari soal-soal aliran tanpa gesekan. Sedangkan Euler mengembangkan persamaan gerak diferensial dan bentuk integralnya yang sekarang disebut persamaan Bernoulli.

D’Alembert memakai persamaan ini untuk menampilkan paradoksnya bahwa suatu benda yang terbenam di dalam fluida tanpa gesekan mempunyai seretan nol, sedangkan Gerstner memakai persamaan Bernoulli untuk menganalisis gelombang permukaan. Para ahli teknik mulai menolak teori yang sama sekali tidak realistik dan mulai mengembangkan hidraulika yang bertumpu pada ekperimen. Ahli-ahli eksperimen seperti Pitot, Chezy, Borda, Bossut, Coulomb (1736-1806), Weber (1804-1891), Francis (1815-1892),Russel (1808-1882), Hagen (1797-1889), Frenchman Poiseuille (1799-1869), FrenchmanDarcy (1803-1858), Manning (1816-1897), Bazin (1829-1917) dan Saxon Weisbach (1806-1871) banyak menghasilkan data tentang beraneka ragam aliran seperti saluran terbuka, hambatan kapal, aliran melalui pipa, gelombang, dan turbin.

Pada akhir abad kesembilan belas hidraulika eksperimental dan hidrodinamika teoritis mulai dipadukan. William Froude (1810-1879) dan putranya, Robert (1842-1924) mengembangkan hukum-hukum pengujian model, Lord Rayleigh (1842-1919) mengusulkan metode analisis dimensional, N.P. Petrov (1836-1920) yang menyelidiki aplikasi teori Newton tentang gesekan dalam fluida; sehingga dianggap sebagai penemu teori Pelumas Mesin (lubrication), dan Osborne Reynolds (1842-1912) memperkenalkan bilangan Reynoldstak berdimensi yang diambil dari namanya sendiri. Sementara itu, sejak Navier (1785-1836) dan Stokes (1819-1903) menambahkan suku-suku kental newton pada persamaan gerak dan dikenal dengan persamaan Navier-Stokes yang belum dapat digunakan untuk aliran sembarang. Selanjutnya pada tahun 1904 setelah seorang insinyur Jerman Ludwig Prandtl (1875-1953) menerbitkan makalah yang paling penting yang pernah ditulis orang di bidang mekanika fluida yaitu bahwa aliran fluida yang kekentalannya rendah seperti aliran air atau aliran udara dapat dipilah menjadi suatu lapisan kental (lapisan batas) di dekat permukaan zat padat dan antar muka dan lapisan luar yang hampir encer yang memenuhi persamaan Euler dan Bernoulli. Teori lapis batas ternyata merupakan salah satu alat yang paling penting dalam analisis-analisis aliran modern disamping teori yang dikembangkan oleh Theodorevon Karman (1881-1963) dan Sir Geofrey I. Taylor (1886-1975).

Perkembangan ilmu mekanika fluida dewasa ini sangat dipercepat dengan perkembangan metode pengukuran / instrumentasi yang dldukung dengan perkembangan komputer, baik dalam hal perangkat keras maupun perangkat lunak (software). Selain itu, perkembangan metode komputasi flluida sangat membantu untuk menganalisa hasil-hasil eksperimen di laboratorium. Metode komputasi ini bersifat sebagai counter part dari hasil eksperimen. Berbagai studi eksperimen dan numerik/komputasi fluida telah diusahakan untuk meningkatkan peran mekanika fluida didalam peningkatan efisiensi energi. Usaha penurunan gaya drag akibat sifat kentalnya fluida merupakan satu contoh konkrit dalam usaha peningkatan unjuk kerja sebuah peralatan yang menggunakan fluida sebagai media kerja. Didalam sistem pengajaran di perguruan tinggi, mekanika fluida diajarkan di berbagal jurusan, terutama jurusan-jurusan yang terkait dengan ilmu pengetahuan alam, khususnya ilmu keteknikan. Sebagai contoh, ilmu mekanika fluida selain diajarkan di Jurusan Teknik Mesin juga diajarkan di Jurusan Teknik Fisika, Teknik Sipil, Teknik Lingkungan, dan Teknik Kelautan.

Dengan teknologi CFD, seorang insinyur tidak lagi punya kesulitan dalam menganalisa system unit proses dengan aliran fluida, reaksi dan perpindahan panas. Setiap perancangan dan analisa permasalahan operasi dapat ditelusuri secara tiga dimensi dari hasil simulasi kinerja unit proses ini. Software komersial CFD telah dilengkapi dengan kemampuan dalam pembuatan model geometri komputasi sekomplek apapun. Model geometri yang dibuat juga dapat dibuka pada software CAD lainnya. Sebagai hasilnya, simulasi aliran dan kinerja lainnya menjadi perangakat simulasi untuk peranangan dan analisa permasalahan yang rutin dipakai. Model-model proses yang digunakan oleh software CFD terus bertambah banyak. Aliran tubulen dimodelkan dengan berbagai bentuk model turbulen. Peristiwa pembakaran yang dilangsung oleh burner dalam ruangan pembakaran juga dimodelkan dengan baik oleh CFD. Reaksi kimia dalam reactor katalis homogen dan heterogen dapat disigi secara komprehensif melalui pemodelan tiga dimensi teknologi CFD ini. Aliran fluida multifasa juga termasuk model yang ada dalam CFD. Perpindahan panas konduksi, konveksi dan radiasi dapat disimulasi pada kondisi operasi unit proses. Geometri unit proses dimana model-model di atas diselesaikan berukuran terpasang tanpa melalui faktor penskalaan lagi. Data hasil simulasinya sangat komprehensif jauh melebihi kemampuan penyajian dari pengukuran adalah :

1. Archimedes

Archimedes yang hidup di Yunani pada tahun 287 sampai 212 sebelum masehi, adalah seorang matematikawan, fisikawan, astronom sekaligus filusuf. Archimedes dilahirkan dikota pelabuhan bernama Syracuse, kota ini sekarang dikenal sebagai Sisilia. Archimedes merupakan keponakan raja Hiero II yang memerintah di Syracuse pada masa itu. Ia dibunuh oleh seorang prajurit Romawi pada penjarahan kota Syracusa, meskipun ada perintah dari jendral Romawi, Marcellus bahwaia tak boleh dilukai. Sebagian sejarahwan matematika memandang Archimedes sebagai salah satu matematikawan terbesar sejarah, mungkin bersama-sama Newton dan Gauss.

Nama Archimedes menjadi terkenal setelah ia melompat dari bak mandinya dan berlari-lari telanjang setelah membuktikan bahwa mahkota raja tidak terbuat dari emas murni. Ucapannya "Eureka (aku menemukannya)" menjadi terkenal sampai saat ini. Archimedes juga merupakan orang pertama yang mendefinisikan sistem angka yang mengandung "myramid (10000)", myramid menunjukkan seuatu bilangan yang nilai nyatak berhingga. Ia juga mendefinisikan perbandingan antara keliling lingkaran dan jari- jari lingkaran yang dikenal sebagai pi sebesar 3.1429.

Raja Hiero II kala itu terikat perjanjian dengan bangsa Romawi. Syracuse harus mengirimkan gandum dalam jumlah yang besar pada bangsa Romawi, agar mereka tidak diserang. Hingga pada suatu ketika Hiero II tidak mampu lagi mengirim gandum dalam jumlah yang ditentukan. Karena itu Archimedes ditugaskan merancang dan membuat kapal jenis baru untuk memperkuat angkatan laut raja Hiero II.

Pada masa itu, kapal yang dibuat oleh Archimedes adalah kapal yang terbesar. Untuk dapat mengambang, kapal ini harus dikeringkan dahulu dari air yang menggenangi dek kapal. Karena besarnya kapal ini, jumlah air yang harus di pindahkanpun amat banyak. Karena itu Archimedes menciptakan sebuah alat yangdisebut "Sekrup Archimedes". Dengan ini air dapat dengan mudah disedot dari dek kapal. Ukuran kapal yang besar ini juga menimbulkan masalah lain. Massa kapal yang berat, menyebabkan ia sulit untuk dipindahkan. Untuk mengatasi hal ini, Archimedes kembali menciptkan sistem katrol yang disebut "Compound Pulley". Dengan sistem ini, kapal tersebut beserta awak kapal dan muatannya dapat dipindahkan hanya dengan menarik seutas tali. Kapal ini kemudian diberi nama Syracusia, dan menjadi kapal paling fenomenal pada zaman itu. Selama perang dengan bangsa Romawi, yang dikenal dengan perang punik kedua, Archimedes kembali berjasa besar. Archimedes mendesain sejumlah alat pertahanan untuk mencegah pasukan Romawi di bawah pimpinan Marcus Claudius Marcellus, merebut Syracuse.

Saat armada Romawi yang terdiri dari 120 kapal mulai tampak di cakrawala Syracuse. Archimedes berfikir keras untuk mencegah musuh merapat dipantai. Archimedes kemudian mencoba membakar kapal-kapal Romawi ini dengan menggunakan sejumlah cermin yang disusun dari perisai-perisai prajurit Syracuse.Archimedes berencana untuk membakar kapal-kapal musuh dengan memusatkan sinar matahari. Namun rencana ini tampaknya kurang berhasil. Hal ini disebabkan untuk memperoleh jumlah panas yang cukup untuk membakar sebuah kapal, kapal tersebut haruslah diam. Walaupun hasilnya kurang memuaskan, dengan alat ini Archimedes berhasil menyilaukan pasukan Romawi hingga mereka kesulitan untuk memanah. Panas yang ditimbulkn dengan alat ini juga berhasil membuat musuh kegerahan, hingga mereka lelah sebelum berhadapan dengan pasukan Syrcuse.

Saat musuh mulai mengepung pantai Syracuse, Archimedes kembali memutar otak. Tujuannya kali ini adalah mencari cara untuk menenggelamkan kapal-kapal Romawi ini. Archimedes kemudian menciptakan alat yang disebut cakar Archimedes. Alat ini bentuknya mirip derek pada masa kini. Setelah alat ini secara diam-diam dikaitkan ke badan kapal musuh, derek ini kemudian ditarik. Akibanya kapal musuhakan oleng, atau bahkan robek dan tenggelam. Selain kedua alat ini Archimedes juga mengembangkan ketapel dan balista untuk melawan pasukan Romawi. Namun sayangnya walaupun didukung berbagai penemuan Archimedes, Syracuse masih kalah kuat dibandingkan pasukan Romawi. Archimedespun akhirnya terbunuh oleh pasukan Romawi. Saat tewas Archimedes sedang mengerjakan persoalan geometri dengan menggambarkan lingkaran-lingkaran di atas tanah. Sebelum dibunuh ia meneriaki pasukan Romawi yang lewat "Jangan ganggu lingkaranku!!! Archimedes screw, pi (konstanta matematika), prinsip hydrostatic. Archimedes terkenal dengan teorinya tentang hubungan antara permukaan dan volume dari sebuah bola terhadap selinder. Dia juga dikenal dengan teori dan rumusdari prinsip hydrostatic dan peralatan untuk menaikkan air.

'Archimedes Screw'  atau sekrup Archimedes, yang sampai sekarang masih banyak digunakan di negara-negara berkembang. Walaupun pengungkit atau ungkitan telah ditemukan jauh sebelum Archimedes lahir, Archimedes yang mengembangkan teori untuk menghitung beban yang dibutuhkan untuk pengungkit tersebut. Archimedes juga digolongkan sebagai salah satu ahli matematika kuno dan merupakan yang terbaik dan terbesar di jamannya. Perhitungan dari Archimedes yang akurat tentang lengkungan bola di jadikan konstanta matematika untuk

Pi atau π.

Archimedes lahir pada tahun 287 Sebelum Masehi di suatu kota pelabuhan Syracuse Sicily (sekarang Italia). Dalam masa mudanya, Archimedes diperkirakan mendapatkan pendidikannya di Alexandria, Mesir. Air dipindahkan keatas melalui sebuah ulir pada sebuah Archimedes Screw. Kisah tentang Archimedes yang banyak diceritakan oleh orang adalah kisah saat Archimedes menemukan cara dan rumus untuk menghitung volume benda yang tidak mempunyai bentuk baku. Menurut kisah tersebut, sebuah mahkota untuk raja Hiero II telah dibuat dan raja memerintahkan Archimedes untuk memeriksa apakah mahkota tersebut benar-benar terbuat dari emas murni ataukah mengandung tambahan perak.Karena Raja Hiero II tidak mempercayai pembuat mahkota tersebut. Saat Archimedesberendam dalam bak mandinya, dia melihat bahwa air dalam bak mandinya tertumpahkeluar sebanding dengan besar tubuhnya. Archimedes menyadari bahwa efek ini dapat digunakan untuk menghitung volume dan isi dari mahkota tersebut. Dengan membagi berat mahkota dengan volume air yang dipindahkan, kerapatan dan berat jenis dari mahkota bisa diperoleh. Berat Jenis mahkota akan lebih rendah dari pada berat jenis emas murni apabila pembuat mahkota tersebut berlaku curang dan menambahkan perak ataupun logam dengan berat jenis yang lebih rendah. Karena terlalu gembira dengan penemuannya ini, Archimedes melompat keluar dari bak mandinya, lupa berpakaian terlebih dahulu, berlari keluar ke jalan dan berteriak "EUREKA!" atau 'Saya menemukannya' Beban 5kg yang diletakkan pada jarak tertentu dapat menyeimbangkan beban 100kg pada satu ungkitan Buku-buku yang ditulis oleh Archimedes dan berisikan rumus-rumus matematika masih dapat ditemukan sekarang, antara lain On the Equilibrium of Planes,On the Measurement of a Circle, On Spirals, On the Sphere and the Cylinder dan lain sebagainya. Teori-teori matematika yang dibuat oleh Archimedes tidak berarti banyak untuk perkembangan ilmu pengetahuan saat Archimedes meninggal. Tetapi setelah karyanya di terjemahkan ke dalam bahasa Arab pada abad 8 dan 9 (kurang lebih 1000 tahun setelah Archimedes meninggal ), beberapa ahli matematika dan pemikir Islam mengembangkan teori-teori matematikanya. Tetapi yang paling berpengaruh terhadap perkembangan dan perluasan teori matematika tersebut adalah pada abad 16 dan 17,dimana pada abad itu mesin cetak telah ditemukan. Banyak ahli matematika yang menjadikan buku karya Archimedes sebagai pegangan mereka, dan beberapa ahli matematika tersebut adalah Johannes Kepler (1571-1630) dan Galileo Galilei (1564-1642).

2.  Osborn Reynold

Osborne Reynold berasal Irlandia yang lahir pada 23Agustus 1842 dan menutup usia pada 21 Februari 1912. Bidang yang menjadi kajian utamanya adalah Fisika. Dikenal melalui penelitiannya tentang Dinamika Fluida dan Bilangan Reynold. Namun diluar itu ia juga mempelajari perpindahan panas antara benda padat dan fluida. Hal itu membawa perbaikan untuk ketel uap dan desain kondensor. Dalam penelitiannya yang mengkaji tentang aliran fluida. Ia menemukan halbahwa aliran dalam kecepatan rendah berada dalam keadaan aliran laminer. Ketika kecepatan menjadi lebih tinggi maka aliran akan mengalami transisi, sehingga pada akhirnya akan menjadi aliran turbulen. Dari eksperimen tersebut didapatkan Bilangan Reynold (tidak mempunyai dimensi). Bilangan Reynold menunjukkan rasio antara Gaya Inersia dengan Gaya Viskositas. Bilangan Reynold dipengaruhi oleh massa jenis fluida, kecepatan alir, panjang saluran, viskositas dinamik.

Dalam mekanika fluida, bilangan Reynolds adalah rasio antara gaya inersia (vsρ) terhadap gaya viskos (μ/L) yang mengkuantifikasikan hubungan kedua gaya tersebut dengan suatu kondisi aliran tertentu. Bilangan ini digunakan untuk mengidentikasikan jenis aliran yang berbeda, misalnya laminar dan turbulen. Namanya diambil dari Osborne Reynolds (1842–1912) yang mengusulkannya pada tahun 1883. Bilangan Reynold merupakan salah satu bilangan tak berdimensi yang paling penting dalam mekanika fluida dan digunakan, seperti halnya dengan bilangan tak berdimensi lain, untuk memberikan kriteria untuk menentukan dynamic similitude. Jikadua pola aliran yang mirip secara geometris, mungkin pada fluida yang berbeda dan lajualir yang berbeda pula, memiliki nilai bilangan tak berdimensi yang relevan, keduanya disebut memiliki kemiripan dinamis. Rumus bilangan Reynolds umumnya diberikan sebagai berikut:

vs  - kecepatan fluida,

L  - panjang karakteristik,

Μ - viskositas absolut fluida dinamis,

ν - viskositas kinema

tik fluida: ν = μ / ρ,

ρ - kerapatan (densitas) fluida. Misalnya pada aliran dalam pipa, panjang karakteristik adalah diameter pipa, jika penampang pipa bulat, atau diameter hidraulik, untuk penampang tak bulat. Bilangan Reynolds aliran diberikan oleh persamaan berikut dengan D ialah diameter kolom, u ialah kecepatan rata-rata dan v ialah viskositas kinematik dari pada fluida. Aliran laminar terbentuk bila kecepatan aliran adalah rendah hingga bilangan Reynolds < 2000. aliran akan berubah dari laminar menjadi turbulen dalam rentang bilangan Reynolds > 5000. pada rentang 2000<Ren<5000, aliran system pertengahan terbentuk. Bilangan Reynolds aliran memberikan hubungan antara inersia aliran dimana variabel uDρ berhubungan dengan inersia aliran. Sementara viskositas μ, dilihat sebagai penyebut kepada tegangan geser viskos sehingga bilangan Reynolds dilihat sebagai rasio antara daya inersia dengan daya viskos aliran.

SEJARAH MEKANIKA FLUIDA

Disusun oleh:

KELAS A

·    Dicky Saputra (20120110008)

·    Ketut Wisnu Sanjoyo (20120110019)

·    Moch. Ervianto (20120110041)

·    Reza Febryan Ramadhan (20120110046)

·    Rosihana Cahya Candra Ramadan (20120110012)

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH YOGYAKARTA

Jl. Lingkar Barat, Tamantirto, Kasihan Bantul 55183 Telp. (0274)387656 (Hunting) Fax. (0274)387646 Website : http://www.umy.ac.id

KATA PENGANTAR

Puji syukur kami panjatkan ke hadirat Allah SWT. bahwa kami telah menyelesaikan tugas makalah Mekanika Fluida.

Dalam penyusunan tugas ini, tidak sedikit hambatan yang kami hadapi. Namun berkat kerjasama dalam kelompok kami, sehingga tugas ini dapat terselesaikan dengan baik.

Semoga tugas ini dapat bermanfaat dan menjadi sumbangan pemikiran bagi pihak yang membutuhkan, khususnya bagi kami sehingga tujuan yang diharapkan dapat tercapai, Amiin.

Yogyakarta,  Maret 2013

Penulis