1
1.
Definisi Persamaan Bernoulli Persamaan Bernoulli merupakan suatu persamaan yang menyatakan bahwa jumlah tekanan, energi kinetik per satuan volume, dan energi potensial per satuan volume memiliki nilai yang sama pada setiap titik sepanjang suatu garis arus aliran fluida ideal. Persamaan Bernoulli digunakan pada keadaan dengan asumsi : a. Fluida adalah ideal, jadi tidak mempunyai kekentalan (kehilangan energi akibat gesekan adalah nol). b. Fluida adalah homogen dan tak mampu mampat (rapat massa zat cair adalah konstan). c. Aliran adalah kontinyu dan sepanjang garis arus. d. Kecepatan aliran adalah merata dalam suatu penampang. e. Gaya yang bekerja hanya gaya berat dan tekanan.
2.
Fenomena Fisik dari Persamaan Bernoulli Pada persamaan Bernoulli, terdapat dua fenomena fisik, yaitu : tekanan dan kecepatan dari suatu fluida. Kedua fenomena tersebut berbanding terbalik, artinya pada daerah bertekanan tinggi, kecepatan fluida akan lebih rendah, sedangkan pada daerah bertekanan rendah, kecepatan fluida akan lebih tinggi. Hal ini berguna agar jumlah energi pada setiap titik sepanjang suatu garis arus aliran fluida ideal tertutup bernilai sama (seperti pada definisi persamaan Bernoulli).
Gambar 1. Penggambaran Fenomena Fisik dari Persamaan Bernoulli 3.
Persamaan Bernoulli
π π + πππ + πππ = πππππππ π atau
π π ππ + ππππ + πππ π = ππ + ππππ + πππ π π π di mana, π : tekanan fluida (N/m2 atau Pa) π : massa jenis fluida (kg/m3) π : percepatan gravitasi (m/s2)
2
β : ketinggian relatif terhadap suatu acuan, biasanya berupa tanah/diukur dari tanah ke titik pusat pipa (m) π£ : kecepatan aliran fluida (m/s) 4.
Penerapan dari Persamaan Bernoulli Terdapat beberapa penerapan dari persamaan Bernoulli, antara lain : a. Tangki Berlubang (Teorema Torricelli) Berlaku ketika ππ = ππ = ππππ = π dan diameter lubang lebih kecil daripada diameter tangki (sehingga ππ β π karena turunnya permukaan fluida pada titik 1 lambat).
Gambar 2. Tangki Berlubang Rumus :
π(ππ ) ππ = βππ(ππ β ππ ); π = β ; π = πβ((ππ β ππ ). ππ ) π di mana, π£2 : kecepatan aliran fluida di titik 2 (m/s) π : percepatan gravitasi (m/s2) β1 : ketinggian permukaan fluida terhadap tanah (m) β2 : ketinggian lubang terhadap tanah (m) β1 β β2 : ketinggian permukaan fluida terhadap lubang (m) π‘ : waktu yang diperlukan fluida bocoran untuk mencapai tanah (s) π₯ : jarak horizontal terjauh yang dapat dicapai fluida bocoran (m)
3
b. Venturimeter 1) Tanpa Manometer
Gambar 3. Venturimeter Tanpa Manometer Rumus :
ππ =
πππ β π¨π π (π¨ ) β π π
; ππ =
πππ β
π¨ π π β ( π) π¨π
atau
ππ = βππ π β πππ; ππ = βππ π + πππ di mana, π£1 : kecepatan aliran fluida di titik 1 (m/s) π£2 : kecepatan aliran fluida di titik 2 (m/s) π : percepatan gravitasi (m/s2) β: beda ketinggian permukaan fluida pada venturimeter (m) π΄1 : luas penampang 1 (m2) π΄2 : luas penampang 2 (m2) 2) Dengan Manometer
Gambar 4. Venturimeter Dengan Manometer
4
Rumus :
π(ππ β ππ )ππ ππ = π¨π β ππ (π¨π π β π¨π π ) atau
π(ππ β ππ )ππ ππ = π¨π β ππ (π¨π π β π¨π π ) di mana, π£1 : kecepatan aliran fluida di titik 1 (m/s) π£2 : kecepatan aliran fluida di titik 2 (m/s) π1 : massa jenis fluida pada venturimeter (kg/m3) π2 : massa jenis fluida pada manometer (kg/m3) π : percepatan gravitasi (m/s2) β: beda ketinggian permukaan fluida pada manometer (m) π΄1 : luas penampang 1 (m2) π΄2 : luas penampang 2 (m2) c. Tabung Pitot
Gambar 5. Tabung Pitot Rumus :
ππβ² ππ π=β π di mana, π£ : kecepatan aliran fluida (m/s) πβ² : massa jenis fluida pada manometer (kg/m3) π : percepatan gravitasi (m/s2) β: beda ketinggian permukaan fluida pada manometer (m) π : massa jenis fluida pada tabung pitot (kg/m3)
5
d. Gaya Angkat Pesawat
Gambar 6. Gaya Angkat Pesawat Rumus :
ππ β ππ = βπ =
π ππ¨(ππ π β ππ π ) π
π ππ¨(ππ π β ππ π ) π
di mana, βπΉ : gaya angkat pesawat kecepatan aliran fluida (N) πΆπΏ : koefisien angkat pesawat π : massa jenis fluida (kg/m3) π΄ : luas penampang sayap (m2) π£1 : kecepatan aliran fluida di bawah sayap (m/s2) π£2 : kecepatan aliran fluida di atas sayap (m/s2)
Tambahan : Biasanya, pada soal-soal di persamaan Bernoulli kita diperintah untuk mencari nilai debit aliran dari suatu fluida. Oleh karena itu, diperlukan persamaan kontinuitas untuk menghitung nilai tersebut. Berikut persamaan kontinuitas :
πΈπ = πΈπ π¨π ππ = π¨π ππ π
π«π π π
π«π π . ππ = ππ π π di mana, π1 : debit aliran fluida pada penampang 1 (m3/s) π2 : debit aliran fluida pada penampang 2 (m3/s) π΄1 : luas penampang 1 (m2) π΄2 : luas penampang 2 (m2) π·1 : diameter penampang 1 (m) π·2 : diameter penampang 2 (m2) π£1 : kecepatan aliran fluida pada penampang 1 (m/s2) π£2 : kecepatan aliran fluida pada penampang 2 (m/s2)
6
5.
Contoh Soal dari Persamaan Bernoulli a. Persamaan Bernoulli ο· Sebuah pipa yang terletak mendatar dialiri air dalam keadaan penuh pada suatu penampang A. Kecepatan airnya 90 m/min dengan tekanan 138 kN/m2. Jika pipa mengecil mulai di A, garis tengahnya 150 mm dan di B garis tengahnya 100 mm. Tentukan tekanan air di B, dianggap tidak ada kehilangan energi! Diket : π£1 = 90 m/min = 1,5 m/s π = 1000 kg/m3 π = 9,81 m/s2 β1 = β2 = 0 π·1 = 150 mm = 0,15 m π·2 = 100 mm = 0,1 m π1 = 138 kN/m3 Dit : π2 ? Jawab : # π΄1 . π£1 = π΄2 . π£2 3,14(0,15)2 3,14(0,1)2 . 1,5 = . π£2 4 4 π£2 = 3,375 π/π 1
1
# π1 + ππβ1 + 2 ππ£1 2 = π2 + ππβ2 + 2 ππ£2 2 1 138000 + 1000.9,81.0 + . 1000(1,5)2 = π2 + 1000.9,81.0 2 1 + . 1000(3,375)2 2 139125 = π2 + 5695,3 ππ = ππππππ, π π΅/ππ ο· Suatu pipa mempunyai luas tampang yang mengecil dari diameter 0,3 m (tampang 1) menjadi 0,1 m (tampang 2) . Selisih elevasi tampang 1 dan 2 (dengan tampang 1 di bawah) adalah β2 . Pipa mengalirkan air dengan debit aliran 50 liter/s. Tekanan di tampang 1 adalah 2 kgf/cm2. Apabila tekanan pada tampang 2 tidak boleh lebih kecil dari 1 kgf/cm2. Hitung nilai β2 ! Diket : π·1 = 0,3 m π·2 = 0,1 m π = 50 liter/s = 0,05 m3/s π = 1000 kg/m3
7
π = 9,81 m/s2 π1 = 2 kgf/cm2 = 196136,12 N/m3 π2 = 1 kgf/cm2 = 98068,06 N/m3 β1 = 0 karena tampang 1 dianggap sebagai garis acuan Dit : β2 ? Jawab π 0,05 # π£1 = = = 0,707 π/π π΄1 3,14(0,3)2β 4 π 0,05 # π£2 = = = 6,366 π/π π΄2 3,14(0,1)2β 4 1
1
# π1 + ππβ1 + 2 ππ£1 2 = π2 + ππβ2 + 2 ππ£2 2 1 196136,12 + 1000.9,81.0 + . 1000(0,707)2 = 98068,06 + 2 1 1000.9,81. β2 + . 1000(6,366)2 2 196386,04 = 118331,04 + 9810β2 78055 = 9810β2 ππ = π, ππ π ο· Air mengalir melalui pipa horizontal sepanjang 100 m dan mempunyai diameter yang mengecil dari 20 cm menjadi 10 cm. Perbedaan tekanan pada kedua ujung pipa adalah 1 kgf/cm2. Hitung debit aliran! Diket : L = 100 m π·1 = 20 cm = 0,2 m π·2 = 10 cm = 0,1 m π1 β π2 = 1 kgf/cm2 = 98068,06 N/m3 π = 1000 kg/m3 π = 9,81 m/s2 β1 = β2 = 0 Dit : π? Jawab : # π΄1 . π£1 = π΄2 . π£2 3,14(0,2)2 3,14(0,1)2 . π£1 = . π£2 4 4 π£1 = 0,25π£2 π/π π£2 = 4π£1 π/π 1
1
# π1 + ππβ1 + 2 ππ£1 2 = π2 + ππβ2 + 2 ππ£2 2 1 1 π1 β π2 + ππβ1 + ππ£1 2 = ππβ2 + ππ£2 2 2 2
8
1 98068,06 + 1000.9,81.0 + . 1000. π£1 2 = 1000.9,81.0 + 2 1 . 1000(4π£1 )2 2 98068,06 + 500π£1 2 = 8000π£1 2 98068,06 = 7500π£1 2 π£1 = β
98068,06 7500
π£1 = 3,62 π/π # π = π΄1 π£1 3,14(0,2)2 π= . 3,62 4 πΈ = π, πππ ππ /π b. Teorema Torricelli
(1) Tentukan kecepatan aliran keluar dari nosel pada dinding reservoir pada gambar di atas! (2) Berapakah debit aliran melalui nosel tersebut?
Diket : π = 9,81 m/s2 β1 β β2 (π») = 4 m π·2 = 100 mm = 0,1 m Dit : π£2 dan π? Jawab : (1) π£2 = β2π(β1 β β2 ) π£2 = β2.9,81(4) π£2 = β78,48 ππ = π, ππ π/π (2) π = π΄1 π£1 3,14(0,1)2 π= . 8,86 4 πΈ = π, ππ ππ /π
9
c. Venturimeter 1) Tanpa Manometer Air mengalir melalui pipa mengecil seperti ditunjukkan pada gambar di bawah. Untuk perbedaan ketinggian manometer 0,2 m, tentukan kecepatan aliran sebagai fungsi dari diameter pipa yang kecil, D! Diket : β = 0,2 m π = 9,81 m/s2 π·1 = 0,1 m π·2 = π· Dit : π sebagai fungsi dari diameter pipa yang kecil, π·? Jawab : # π£1 =
2πβ β π΄1 2 ( ) β1
π΄2
2(9,81)(0,2)
π£1 =
π£1 =
π£1 =
2
β 3,14(0,1)2 ( ) β1 3,14(π·)2β 4 3,924 2
2 β 3,14(0,1) β4 ( ) β1 3,14(π·)2β 4
3,924 β (0,1)2 2 ( ) β1 (π·)2
3,924 π£1 = β (0,1)4 β π·4 π·4 π£1 = β
3,924. π·4 (0,1)4 β π·4
# π = π΄1 π£1
10
3,924. π·4
π = 3,14(0,1)2 . β (0,1)4 β π·4 π=
(7,85 Γ 10β3 )1,981. π·2 β(0,1)4 β π·4 π
πΈ=
π, ππππ. π«
ππ /π
β(π, π)π β π«π
2) Dengan Manometer Air mengalir melalui pipa dengan debit aliran sebesar 1 gal/s. Pipa mengecil dari diameter 4 inch menjadi 2 inch. Perbedaan tekanan antara dua diameter pipa diukur dengan manometer merkuri. Dengan mengabaikan efek gesekan, tentukan ketinggian merkuri tersebut! Diket : π = 1 gal/s = 0,13368 ft3/s π·1 = 4 inch = 4/12 ft π·2 = 2 inch = 2/12 ft π1 = 62,4 lbm/ft3 π2 = 847 lbm/ft3 π = 32,2 ft/s2 Dit : β? Jawab : π 0,13368 # π£1 = = = 1,533 ππ‘/π π΄1 3,14(4/12)2β 4 4 2 3,14 (12) #π΄1 = = 0,0872 ππ‘ 2 4 2 2 3,14 (12) #π΄2 = = 0,0218 ππ‘ 2 4 2(π2 β π1 )πβ # π£1 = π΄2 β π1 (π΄1 2 β π΄2 2 ) β=
π£1 2 . π1 (π΄1 2 β π΄2 2 ) 2. π΄2 2 (π2 β π1 )π
11
(1,533)2 . 62,4((0,0872)2 β (0,0218)2 ) β= 2(0,0218)2 . (847 β 62,4)32,2 β=
2,35.62,4((7,604 Γ 10β3 ) β (4,752 Γ 10β4 )) 64,4(4,752 Γ 10β4 )(784,6)
β=
1,045 24,011
π = π, πππ ππ = π, ππ ππππ d. Tabung Pitot Udara dengan massa jenis 1,21 kg/m3 mengalir melalui tabung pitot seperti pada gambar. Jika π£ = 15 m/s, tentukan pembacaan dari manometer!
Diket : π = 1,21 kg/m3 πβ² = 1000 kg/m3 π£ = 15 m/s π = 9,81 m/s2 Dit : β? Jawab : π£=β
2πβ² πβ π
π£ 2. π β= β² 2π π 152 . 1,21 β= 2.1000.9,81 πππ, ππ π= = π, ππππ π πππππ e. Gaya Angkat Pesawat Sebuah pesawat terbang bergerak dengan kecepatan tertentu sehingga udara yang melalui bagian bawah sayap pesawat (luas permukaannya 100 m2) bergerak dengan kecepatan 134 m/s. Jika gaya angkat sebesar 908,5 kN, tentukan kecepatan di bagian atas sayap pesawat tersebut (jika ππ’ππππ = 1,29 kg/m3)! Diket : βπΉ = 908500 N π΄ = 100 m2 π£1 = 134 m/s π = 1,29 kg/m3
12
Dit : π£2 ? Jawab : 1 βπΉ = ππ΄(π£2 2 β π£1 2 ) 2 1 908500 = . 1,29.100(π£2 2 β (134)2 ) 2 1817000 = 129. (π£2 2 β 17956) 1817000 = 129π£2 2 β 2316324 129π£2 2 = 2316324 + 1817000 4133324 π£2 2 = 129 π£2 = β32041,3 ππ = πππ π/π 6.
Latihan Soal Studi Kasus dari Persamaan Bernoulli Air mengalir secara tunak dari sebuah tangki terbuka yang besar dan dikeluarkan ke atmosfer melalui pipa berdiameter 3 inch, seperti pada gambar di bawah. Tentukan nilai π (π·4 ) jika tekanan pada manometer A dan B menunjukkan nilai yang sama!
Diket : π·2 = π·3 = 3 inch β1 = 16 ft β2 = π1 = π2 = π£1 = 0 β3 = 25 ft β4 = 8 ft π3 = π4 (karena manometer A dan B bernilai sama) π΄2 = π΄3 (karena pipa pada titik 2 dan 3 berdiameter sama) sehingga π£2 = π£3 π = 62,4 lbm/ft3 π = 32,2 ft/s2 Dit : π·4 ?
13
Jawab : 1 1 1 π1 + ππβ1 + ππ£1 2 = π2 + ππβ2 + ππ£2 2 = π3 + ππβ3 + ππ£3 2 = 2 2 2 1 π4 + ππβ4 + ππ£4 2 2 1 1 0 + 62,4.32,2.16 + . 62,4. 02 = 0 + 62,4.32,2.0 + . 62,4. π£2 2 = 2 2 1 1 π3 + 62,4.32,2.25 + . 62,4. π£3 2 = π3 + 62,4.32,2.8 + . 62,4. π£4 2 2 2 a. Cari nilai π£2 terlebih dahulu, dengan cara : 1 1 π1 + ππβ1 + ππ£1 2 = π2 + ππβ2 + ππ£2 2 2 2 1 1 0 + 62,4.32,2.16 + . 62,4. 02 = 0 + 62,4.32,2.0 + . 62,4. π£2 2 2 2 32148,48 = 31,2. π£2 2 π£2 = β1030,4 π£2 = 32,1 ππ‘/s b. Cari nilai π3 , dengan cara : 1 1 π2 + ππβ2 + ππ£2 2 = π3 + ππβ3 + ππ£3 2 2 2 1 1 0 + 62,4.32,2.0 + . 62,4. π£2 2 = π3 + 62,4.32,2.25 + . 62,4. π£2 2 2 2 32148,48 = π3 + 50232 + 32148,48 π3 = β50232 ππ/ππ‘ 2 c. Cari nilai π£4 , dengan cara : 1 1 π3 + ππβ3 + ππ£3 2 = π4 + ππβ4 + ππ£4 2 2 2 1 1 π3 + ππβ3 + ππ£2 2 = π3 + ππβ4 + ππ£4 2 2 2 1 (β50232) + 62,4.32,2.25 + . 62,4. (32,1)2 = (β50232) + 2 1 62,4.32,2.8 + . 62,4. π£4 2 2 (β50232) + 50232 + 32148,48 = (β50232) + 16074,24 +31,2. π£4 2 32148,48 + 50232 β 16074,24 = 31,2. π£4 2 π£4 = β
66306,24 31,2
π£4 = 46,1 ππ‘/π d. Cari nilai π, dengan cara : π1 = π2 = π3 = π4 π΄1 π£1 = π΄2 π£2 = π΄3 π£3 = π΄4 π£4 β karena π£1 = 0 & π΄3 π£3 = π΄2 π£2 maka : π΄1 0 = π΄2 π£2 = π΄2 π£2 = π΄4 π£4 β sehingga menjadi :
14
π΄2 π£2 = π΄4 π£4 3,14(3)2 3,14(π)2 . 32,1 = . 46,1 4 4 9.32,1 = π2 . 46,1 π=β
288,9 46,1
π
= π, π ππππ
DAFTAR RUJUKAN Triatmodjo, Bambang. 1993. Hidraulika I. Yogyakarta: Beta Offset. Soedradjat, A. 1983. Mekanika Fluida & Hidrolika. Bandung: Nova. Welty, James R., Charles E. Wicks & Robert E. Wilson. 1984. Fundamentals of Momentum, Heat, and Mass Transfer. New York: John Wiley & Sons. Munson, Bruce R, Donald F. Young & Theodore H. Okiishi. 2002. Mekanika Fluida Edisi 4 (jilid 1). Terjemahan Harinaldi & Budiarso. 2004. Jakarta: Erlangga. Munson, Bruce R, Donald F. Young & Theodore H. Okiishi. 2002. Mekanika Fluida Edisi 4 (jilid 2). Terjemahan Harinaldi & Budiarso. 2005. Jakarta: Erlangga. Streeter, Victor L. & E. Benjamin Wylie. 1985. Mekanika Fluida Edisi 8 (jilid 1). Terjemahan Arko Prijono. 1988. Jakarta: Erlangga. Γengel, Yunus A. & John M. Cimbala. 2013. Fluid Mechanics Fundamentals and Applications Third Edition. New York: Mc. Graw-Hill Education. Khan, Salman. 2015. What is Bernoulliβs Equation?, (Online), (https://www.khanacademy.org/science/physics/fluids/fluiddynamics/a/what-is-bernoullis-equation), diakses 8 November 2017. Mustikarini, Pudyaswara. 2016. Pengembangan Majalah Fisika Sebagai Alternatif Sumber Belajar Mandiri Berkarakter Islami Melalui Materi Fluida Dinamis untuk Menumbuhkan Sikap Spiritual dan Motivasi Belajar pada Siswa Kelas XI SMA Negeri 1 Bantul, (Online), (http://eprints.uny.ac.id/29427/), diakses 8 November 2017. Biezen, Michel van. 2013. Physics Fluid Flow (7 of 7) Bernoulliβs Equation, (Online), (https://youtu.be/LMDxv96XluY), diakses 9 November 2017.