Mekanika fluida
Mekanika fluida adalah cabang fisika yang berkaitan dengan mekanika fluida (cairan, gas, dan plasma) dan gaya-gaya yang bekerja padanya. Mekanika fluida memiliki aplikasi dalam berbagai disiplin ilmu, termasuk teknik mesin, kedirgantaraan, sipil, kimia, dan biomedis, serta geofisika, oseanografi, meteorologi, astrofisika, dan biologi.
Ilmu ini dapat dibagi menjadi statika fluida, yang mempelajari fluida dalam keadaan diam; dan dinamika fluida, yang mempelajari pengaruh gaya terhadap gerakan fluida. Mekanika fluida merupakan cabang dari mekanika kontinum, subjek yang memodelkan materi tanpa menggunakan informasi bahwa ia terbuat dari atom; yaitu, memodelkan materi dari sudut pandang makroskopis daripada mikroskopis.
Mekanika fluida, khususnya dinamika fluida, adalah bidang penelitian yang aktif, yang biasanya kompleks secara matematis. Banyak masalah yang sebagian atau seluruhnya belum terpecahkan dan paling baik ditangani dengan metode numerik, biasanya menggunakan komputer. Sebuah disiplin ilmu modern, yang disebut dinamika fluida komputasi (CFD), dikhususkan untuk pendekatan ini. Particle image velocimetry, sebuah metode eksperimental untuk memvisualisasikan dan menganalisis aliran fluida, juga memanfaatkan sifat aliran fluida yang sangat visual.
Sejarah
Studi tentang mekanika fluida setidaknya sudah ada sejak zaman Yunani kuno, ketika Archimedes menyelidiki statika dan daya apung fluida serta merumuskan hukumnya yang terkenal yang sekarang dikenal sebagai prinsip Archimedes, yang dipublikasikan dalam karyanya On Floating Bodies-yang secara umum dianggap sebagai karya besar pertama dalam mekanika fluida. Cendekiawan Iran Abu Rayhan Biruni dan kemudian Al-Khazini menerapkan metode ilmiah eksperimental pada mekanika fluida.Kemajuan pesat dalam mekanika fluida dimulai dari Leonardo da Vinci (pengamatan dan eksperimen), Evangelista Torricelli (menemukan barometer), Isaac Newton (menyelidiki viskositas), dan Blaise Pascal (meneliti hidrostatika, merumuskan hukum Pascal), dan dilanjutkan oleh Daniel Bernoulli dengan memperkenalkan dinamika fluida matematika dalam Hydrodynamica (1739).
Aliran inviscid dianalisis lebih lanjut oleh berbagai ahli matematika (Jean le Rond d'Alembert, Joseph Louis Lagrange, Pierre-Simon Laplace, Siméon Denis Poisson) dan aliran viskos dieksplorasi oleh banyak insinyur termasuk Jean Léonard Marie Poiseuille dan Gotthilf Hagen. Pembenaran matematis lebih lanjut diberikan oleh Claude-Louis Navier dan George Gabriel Stokes dalam persamaan Navier-Stokes, dan lapisan batas diselidiki (Ludwig Prandtl, Theodore von Kármán), sementara berbagai ilmuwan seperti Osborne Reynolds, Andrey Kolmogorov, dan Geoffrey Ingram Taylor memajukan pemahaman tentang viskositas fluida dan turbulensi.
Cabang-cabang utama
Statika fluida
Statika fluida atau hidrostatika adalah cabang mekanika fluida yang mempelajari fluida dalam keadaan diam. Ilmu ini mencakup studi tentang kondisi di mana fluida diam dalam kesetimbangan yang stabil; dan dikontraskan dengan dinamika fluida, yang mempelajari fluida yang bergerak. Hidrostatika menawarkan penjelasan fisik untuk banyak fenomena kehidupan sehari-hari, seperti mengapa tekanan atmosfer berubah seiring ketinggian, mengapa kayu dan minyak mengapung di atas air, dan mengapa permukaan air selalu rata, apa pun bentuk wadahnya. Hidrostatika merupakan dasar dari hidrolika, yaitu teknik peralatan untuk menyimpan, mengangkut, dan menggunakan cairan. Hidrostatika juga relevan dengan beberapa aspek geofisika dan astrofisika (misalnya, dalam memahami lempeng tektonik dan anomali di medan gravitasi bumi), meteorologi, kedokteran (dalam konteks tekanan darah), dan banyak bidang lainnya.
Dinamika fluida
Dinamika fluida adalah subdisiplin mekanika fluida yang berhubungan dengan aliran fluida-ilmu tentang cairan dan gas yang bergerak. Dinamika fluida menawarkan struktur sistematis-yang mendasari disiplin ilmu praktis ini-yang mencakup hukum empiris dan semi-empiris yang berasal dari pengukuran aliran dan digunakan untuk memecahkan masalah praktis. Solusi untuk masalah dinamika fluida biasanya melibatkan penghitungan berbagai sifat fluida, seperti kecepatan, tekanan, densitas, dan temperatur, sebagai fungsi ruang dan waktu.
Dinamika fluida memiliki beberapa subdisiplin ilmu, termasuk aerodinamika (ilmu yang mempelajari tentang udara dan gas lain yang bergerak) dan hidrodinamika (ilmu yang mempelajari tentang cairan yang bergerak). Dinamika fluida memiliki berbagai aplikasi, termasuk menghitung gaya dan gerakan pada pesawat terbang, menentukan laju aliran massa minyak bumi melalui jaringan pipa, memprediksi pola cuaca yang berkembang, memahami nebula di ruang antarbintang, dan membuat model ledakan. Beberapa prinsip fluida-dinamis digunakan dalam rekayasa lalu lintas dan dinamika kerumunan.
Asumsi
Asumsi yang melekat pada perlakuan mekanis fluida pada sistem fisik dapat diekspresikan dalam bentuk persamaan matematika. Pada dasarnya, setiap sistem mekanis fluida diasumsikan patuh:
- Konservasi massa
- Konservasi energi
- Konservasi momentum
Asumsi kontinum
Sebagai contoh, asumsi bahwa massa tetap terjaga berarti bahwa untuk setiap volume kontrol tetap (misalnya, volume bola) - yang tertutup oleh permukaan kontrol - laju perubahan massa yang terkandung dalam volume tersebut sama dengan laju massa yang melewati permukaan dari luar ke dalam, dikurangi dengan laju massa yang berpindah dari dalam ke luar. Hal ini dapat dinyatakan sebagai persamaan dalam bentuk integral atas volume kontrol.
Asumsi kontinum adalah idealisasi mekanika kontinum di mana fluida dapat diperlakukan sebagai kontinu, meskipun, pada skala mikroskopis, fluida tersebut terdiri dari molekul. Di bawah asumsi kontinum, sifat-sifat makroskopis (teramati/terukur) seperti densitas, tekanan, temperatur, dan kecepatan curah dianggap terdefinisi dengan baik pada elemen volume "tak terhingga" - kecil jika dibandingkan dengan skala panjang karakteristik sistem, tetapi besar jika dibandingkan dengan skala panjang molekul. Sifat fluida dapat bervariasi secara terus menerus dari satu elemen volume ke elemen volume lainnya dan merupakan nilai rata-rata dari sifat molekuler.
Hipotesis kontinum dapat menyebabkan hasil yang tidak akurat dalam aplikasi seperti aliran kecepatan supersonik, atau aliran molekuler dalam skala nano. Masalah-masalah di mana hipotesis kontinum gagal dapat diselesaikan dengan menggunakan mekanika statistik. Untuk menentukan apakah hipotesis kontinum berlaku atau tidak, bilangan Knudsen, yang didefinisikan sebagai rasio jalur bebas rata-rata molekuler terhadap skala panjang karakteristik, dievaluasi. Masalah dengan bilangan Knudsen di bawah 0,1 dapat dievaluasi menggunakan hipotesis kontinum, tetapi pendekatan molekuler (mekanika statistik) dapat diterapkan untuk menemukan gerakan fluida untuk bilangan Knudsen yang lebih besar.
Disadur dari: en.wikipedia.org