Sabtu, 12 Juni 2010

fisika

DASAR –DASAR MESIN PENDINGIN
Proses Dasar Terjadinya Dingin
Dingin merupakan hasil yang diciptakan oleh mesin pendingin terutama kulkas danfreezer. Sedangkan AC lebih ke keadaan sejuk. Proses terjadinya pendinginan yangdiciptakan oleh mesin pendingin sebenarnya merupakan tiruan terjadinya dinginyangdisebabkan oleh alam. Dan dingin sebenarnya merupakan suatu proses penguapan karenaadanya panas akan menimbulkan udara dingin disekitarnya. Dingin terjadi karena adanyapenguapan, dan penguapan berlangsung karena adanya panas.
Terjadinya Dingin Pada Ruang mesin
Proses dingin di dalam mesin pendingin karena adanya pemindahan panas. Setiap mesinpendingin mampu menghasilkan suhu dingin dengan cara menyerap panas dari udarayang ada dalam ruang pada mesin pendingin itu sendiri. Bahan yang digunakan untukmenghasilkan penguapan yang begitu cepat sehingga mampu menghasilkan udara dingin.Biasanya untuk keperluan ini digunakan gas Freon. Gas ini dalam sistem pendinginanmemiliki bentuk yang berubah-ubah, yaitu dari bentuk cairan menjadi bentuk gas (uap).Pada kompresor, gas yang telah berubah menjadi uap tadi takanan dan panasnyadinaikkan untuk selanjutnya uap panas yan berasal dari gas itu diturunkan ataudidinginkan pada bagian kondensor sampai membentuk cairan. Kemudian sesampainyapada evaporator cairan itu diturunkan tekanannya sehingga menguap dan menyerap panasyang ada di sekitarnya. Kemudian dalam bentuk uap refrigerant tadi dihisap kembali olehbagian kompresor dan dikeluarkan lagi seperti semula. Proses seperti ini berlangsungsecara berulang. Dalam sistem mesin pendingin jumlah refrigerant yang digunakanadalah tetap, yang berubah adalah bentuknya karena adanya proses seperti diatas.

Istilah – istilah Teknik di Bidang Pendinginan1 TekananTekanan ialah gaya yang bekerja secara vertikal pada bidang datar luas 1 cm2, oleh benda
padat, cair atau gas. Pada umumnya satuannya kg/cm2.2 Temperatur / SuhuSuhu adalah derajat panas atau tingkat kedinginan. Ukuran suhu dinyatakan dengan
angka dan angka ini disebut derajat seperti 0C (derajat Celcius), 0F(derajat Fahrenheit)
3 Kalor (Panas)
Kalor adalah energi yang diterima oleh benda, sehingga suhu benda atau wujudnyaberubah. Jika kalor dilepaskan suhu benda akan turun. Kalor adalah suatu bentuk energiyang dapat dipindahkan, tetapi tidak dapat dihilangkan. Kalor dapat diukur meskipun kitatidak melihatnya. Satuan dari kalor joule (J), Kalori , BTU.
4 Kalor Jenis
Kalor jenis suatu zat ialah jumlah kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 kilo zat itu sebesar 10K atau satu derajat Kelvin. Bilangan kalor jenis dinyatakan dengan satuan K Cal/Kg 0C.
5 Panas Bebas
Umumnya, apabila memanaskan atau mendinginkan suatu benda, suhu dari bendatersebut mengalami perubahan. Panas yang mempengaruhi langsung pada suatu bendademikian disebut panas bebas.
6 Kalor Laten
Panas yang diperlukan untuk mengubah wujud zat dari padat menjadi cair, dan cairmenjadi gas atau sebaliknya tanpa mengubah suhunya disebut kalor laten (panas laten).Satuan Kalor Laten : Joule, Kalori, BTU,
7 Kalor Sensibel
Kalor sensibel adalah jumlah kalor yang diperlukan untuk menaikkan atau menurunkan
suhu suatu benda. Satuan dalam : Joule, Kalori, atau BTU.8 Massa JenisMassa sebuah benda banyaknya zat atau materi yang dikandung suatu benda satuan Kg.
Massa Jenis suatu zat ialah massa zat itu dibagi volumenya pada 00C. satuannya Kg/m3,
Kg/l.
9 Bahan Pendingin (Refrigerant)
Refrigerant adalah suatu zat yang mudah menguap dan berfungsi sebagai penghantarpanas dalam sirkulasi pada saluran instalasi mesin pendingin. Bahan pendingin(refrigerant) adalah suatu zat yang mudah berubah wujud dari gas menjadi cair atausebaliknya. Dapat mengambil panas dari evaporator dan membuangnya di kondensor.Untuk instalasi Refrigerator/kulkas, AC dipakai freon R-12 atau R-22 sebagai refrigerant.
10 Effek Pendinginan
Adalah kemampuan membawa kalor dari bahan pendingin atau jumlah kalor yang dapatdiserap oleh 1 pound bahan pendingin waktu mulai evaporator. Satuannya dalam KCal/Kg.
11 Kapasitas Pendinginan
Untuk menyatakan efek pendinginan, banyaknya kalori panas yang di serap dalam satuan
waktu dinyatakan dengan K Cal/Jam
12 Frost
Bila kita mendinginkan udara terus-menerus, volume uap air dalam udara menjadi kecil, dan sebagian uap air yang menyentuh pada permukaan suatu benda yang rendah suhunya akan berbentuk embun-es yang halus. Peristiwa demikian disebut Frost.
13 Dingin
Dingin adalah suhunya rendah atau tidak ada panas. Dingin adalah akibat daripengambilan kalor. Lemari es menghasilkan dingin dengan mengambil kalori dari bagiandalamnya. Lemari es tidak dapat menghilangkan kalor, tetapi dapat memindahkanmelalui bahan pendingin.
14 Tekanan Maksimum, Temperatur Maksimum
Benda gas seperti freon, bila di beri tekanan dalam silinder tertutup di bawah suhu udarabebas, menjadi uap air jenuh dan akhirnya berubah menjadi cairan melalui fasepengembunan. Akan tetapi, bila suhu naik sampai suatu derajat, gas tersebut tidakmengembun lagi sekalipun di beri tekanan. Benda gas mempunyai batas kemampuan dimana sudah tidak berdaya untuk mengubah fase gas ke fase cair. Temperatur yangterdapat pada batas tersebut disebut temperatur maksimum dan tekanan pada gas yangterjadi pada batas tersebut dikatakan tekanan maksimum.
DASAR TERMODINAMIKA
HUKUM PERTAMA TERMODINAMIKA

· Perubahan kalor dapat menghasilkan usaha dari perubahan energi dalam.
· Kalor yang masuk sistem menjelma sebagai penambahan energi dalam sistem
HUKUM KEDUA TERMODINAMIKA
* Kalor tidak mungkin berpindah dari sistem yang bersuhu rendah ke sistem yangbersuhu tinggi secara spontan.* Tidak mungkin ada sembarang proses yang dapat memindahkan panas dari satutemperatur ke temperatur lain yang lebih tinggi.* Panas yang diserap oleh suatu sistem tidak dapat diubah seluruhnya menjadi kerjamekanik pada suatu proses melingkar, ini berarti pastilah ada panas yang terbuang kesekeliling secara percuma.
ENTALPY
* Entalpy dari suatu sistem didefinisikan sebagai penjumlahan energi dalam denganselisih hasil kali tekanan dan volume.* Entalpy dapat didefinisikan kalor total dari panas bebas dan panas laten yang terdapatpada suatu benda. Harga entalpy dinyatakan dalam satuan K Cal?Kg.
BAGIAN-BAGIAN PENTING MESIN PENDINGIN
KOMPRESOR
Kompresor memompa bahan pendingin ke seluruh sistem. Gunanya adalah untukmenghisap gas tekanan rendah dan suhu terendah dari evaporator dan kemudianmenekan/memampatkan gas tersebut, sehingga menjadi gas dengan tekanan dan suhutinggi, lalu dialirkan ke kondensor. Jadi kerja kompresor adalah untuk
1. Menurunkan tekanan di evaporator, sehingga bahan pendingin cair di evaporator dapat menguap pada suhu yang lebih rendah dan menyerap lebih banyak panas dari sekitarnya. 2. Menghisap gas bahan pendingin dari evaporator, lalu menaikkan tekanan dan suhu gas bahan pendingin tersebut, dan mengalirkannya ke kondensor sehingga gas tersebut dapat mengembun dan memberikan panasnya pada medium yang mendinginkan kondensor.
Ada tiga macam kompresor yang banyak dipakai pada mesin-mesin pendingin yaitu :
1. Kompresor Torak, kompresinya dikerjakan oleh torak.2. Kompresor Rotasi, kompresinya dikerjakan oleh blade atau vane dan roller3. Kompresor Centrifugal, kompresor centrifugal tidak mempunyai alat-alat tersebutkompresi timbul akibat gaya centrifugal yang terjadi karena gas diputar oleh putaran yangtinggi kecepatannya dan impeller.
Ketiga macam kompresor mempunyai keunggulan masing-masing. Pemakaiannya ditentukan oleh besarnya kapasitas, penggunaannya, instalasinya dan jenis bahan pendingin yang dipakai.
KONDENSOR
Kondensor adalah suatu alat untuk merubah bahan pendingin dari bentuk gas menjadicair. Bahan pendingin dari kompresor dengan suhu dan tekanan tinggi, panasnya keluarmelalui permukaan rusuk-rusuk kondensor ke udara. Sebagai akibat dari kehilanganpanas, bahan pendingin gas mula-mula didinginkan menjadi gas jenuh, kemudianmengembun berubah menjadi cair.
EVAPORATOR
Evaporator adalah suatu alat dimana bahan pendingin menguap dari cair menjadi gas.Melalui perpindahan panas dari dinding – dindingnya, mengambil panas dari ruangan disekitarnya ke dalam sistem, panas tersebut lalu di bawa ke kompresor dan dikeluarkanlagi oleh kondensor.
SARINGAN
Saringan untuk AC dibuat dari pipa tembaga berguna untuk menyaring kotoran-kotorandi dalam sistem, seperti : potongan timah, lumpur, karat, dan kotoran lainnya agar tidakmasuk ke dalam pipa kapiler atau keran ekspansi. Saringan harus menyaring semuakotoran di dalam sistem, tetapi tidak boleh menyebabkan penurunan tekanan ataumembuat sistem menjadi buntu.
PIPA KAPILERPipa kapiler gunanya adalah untuk :1. Menurunkan tekanan bahan pendingin cair yang mengalir di dalam pipa tersebut.
2. Mengontrol atau mengatur jumlah bahan pendingin cair yang mengalir dari sisi
tekanan tinggi ke sisi tekanan rendah.
3KERAN EKSPANSI
Keran ekspansi ada 2 macam
1. Automatic Expasion Valve
2. Thermostatic Expansion Valve
Thermostatic Exspansion Valve lebih baik dan lebih banyak dipakai, tetapi pada AChanya dipakai automatic expansion valve, maka disini kita hanya akan membicarakanautomatic expansion valve saja. Gunanya untuk menurunkan cairan dan tekanan tekanan
evaporator dalam batas-batas yang telah di tentukan dengan mengalirkan cairan bahan
pendingin dalam jumlah yang tertentu ke dalam evaporator.
BAHAN PENDINGIN
Bahan pendingin adalah suatu zat yang mudah di rubah bentuknya dari gas menjadi cair atau sebaliknya, dipakai untuk mengambil panas dari evaporator dan membuangnya di kondensor. Bahan pendingin diantaranya yang dewasa ini banyak dan secara umum digunakan Refrigerant-11 (R-11), R-12, R-13, R-22.
MINYAK KOMPRESOR
Minyak kompresor untuk mesin-mesin pendingin harus mempunyai sifat-sifat yangkhusus untuk keperluan ini. Minyak kompresor dipakai untuk melindungi dan melumasibagian-bagian yang bergerak dari kompresor. Karena dalam kenyataan minyakkompresor selalu berhubungan, bahkan bercampur dengan bahan pendingin di dalamkompresor dan mengalir bersama-sama ke semua bagian dari sistem.Minyak harus tahanterhadap suhu dan tekanan yang tinggi dari kompresor dan tetap dapat memberikanpelumasan dan melindungi bagian-bagian kompresor yang bergerak agar jangan aus danrusak.
PRINSIP KERJA MESIN PENDINGIN
LEMARI ES (REFRIGERATOR)
Adalah suatu unit mesin pendingin dipergunakan dalam rumah tangga, untuk menyimpanbahan makanan atau minuman. Untuk menguapkan bahan pendingin di perlukan panas.Lemari es memanfaatkan sifat ini. Bahan pendingin yang digunakan sudah menguap padasuhu -200C. panas yang diperlukan untuk penguapan ini diambil dari ruang pendingin,karena itu suhu dalam ruangan ini akan turun. Penguapan berlangsung dalam evaportoryang ditempatkan dalam ruang pendingin. Karena sirkulasi udara, ruang pendingin iniakan menjadi dingin seluruhnya.
CARA KERJA INSTALASI MESIN KULKAS
Setelah ke dalam kompresor diisi gas freon , maka gas itu dapat dikeluarkan kembali darisilinder oleh kompresor untuk diteruskan ke kondensor, setelah itu menuju saringan,setelah itu menuju ke pipa kapiler dan akan mengalami penahanan. Adanya penahanan iniakan menimbulkan suatu tekanan di dalam pipa kondensor. Sebagai akibatnya gastersebut menjadi cairan di dalam pipa kondensor. Dari pipa kapiler cairan tersebut teruske evaporator dan terus menguap untuk menyerap panas. Setelah menjadi gas terusdihisap lagi ke kompresor. Demilian siklus kembali terulang.
JENIS ALIRAN UDARA PENDINGIN
Jenis aliran udara pada lemari es ada 2 macam
1. Secara alamiah tanpa fan motor, di dalam lemari es udara dingin pada bagian atasdekat evaporator mempunyai berat jenis lebih besar. Dari beratnya sendiri udara dinginakan mengalir ke bagian bawah lemari es. Udara panas pada bagian bawah lemari eskarena berat jenisnya lebih kecil dan di desak oleh udara dingin dari atas, akan mengalirnaik ke atas menuju evaporator. Udara panas oleh evaporator didinginkan menjadi dingindan berat lalu mengalir ke bawah lagi. Demikianlah terjadi terus menerus secara alamiah.2. Aliran udara di dalam lemari es dengan di tiup oleh fan motor, lemari es yang memakaifan motor, dapat terjadi sirkulasi udara dingin yang kuat dan merata ke semua bagian darilemari es. Udara panas di dalam lemari es dihisap oleh fan motor lalu dialirkan melaluievaporator. Udara menjadi dingin dan oleh fan motor di dorong melalui saluran ataucerobong udara, di bagi merata ke semua bagian dalam lemari es.
AIR CONDITIONER (AC)
Air conditioner atau alat pengkondisi udara membantu manusia memberikan udara sejukdan menyediakan uap air yang dibutuhkan bagi tubuh. Air conditioner bentuknya lebihkecil dari lemari es, tetapi tenaga motor listrik sebagai penggerak yang diperlukan jauhlebih besar. Proses pendinginan yang harus dilakukan yaitu untuk menyejukkan udaradalam suatu ruangan luas atau kamar, adalah jauh lebih lebih besar dari pada lemaripendingin atau kulkas. Secara umum dapat dibedakan menjadi 2 jenis :
1. AC Window/ Jendela
2. AC Split
PRINSIP KERJA AC
Prinsip kerja AC dapat dibagi 3 bagian :
1. Kerja bahan pendingin, Setelah ke dalam kompresor diisi gas freon , maka gas itudapat dikeluarkan kembali dari silinder oleh kompresor untuk diteruskan ke kondensor,setelah itu menuju saringan, setelah itu menuju ke pipa kapiler dan akan mengalamipenahanan. Adanya penahanan ini akan menimbulkan suatu tekanan di dalam pipakondensor. Sebagai akibatnya gas tersebut menjadi cairan di dalam pipa kondensor. Daripipa kapiler cairan tersebut terus ke evaporator dan terus menguap untuk menyerappanas. Setelah menjadi gas terus dihisap lagi ke kompresor. Demilian siklus kembaliterulang.2. Kerja Aliran Udara, kerja aliran udara ada 2 bagian yang terpisah yaitu : bagian mukaatau bagian depan dan bagian belakang atau bagian yang panas. Bagian depan bagian darievaporator merupakan bagian dingin, dimana fan menghembuskan udara meniupevaporator sehingga udara yang keluar dari bagian depan udara dingin. Sedangkan bagianbelakang fan meniup kondensor untuk mendinginkan sehingga udara yang keluar udarapanas dari kondensor.3. Kerja Alat-alat Listrik, Alat-alat listrik dari AC adalah bagian-bagian yang palingbanyak variasinya dan paling banyak menimbulkan gangguan-gangguan. Pada prinsipnyadapat dibagi dalam 2 bagian : fan motor dan kompresor dengan alat – alat pengaman danpengaturnya.

Sabtu, 13 Maret 2010

Fluida adalah sub-himpunan dari fase benda, termasuk cairan, gas, plasma, dan padat plastik.

Fluida memilik sifat tidak menolak terhadap perubahan bentuk dan kemampuan untuk mengalir (atau umumnya kemampuannya untuk mengambil bentuk dari wadah mereka). Sifat ini biasanya dikarenakan sebuah fungsi dari ketidakmampuan mereka mengadakan tegangan geser(shear stress) dalam ekuilibrium statik. Konsekuensi dari sifat ini adalah hukum Pascal yang menekankan pentingnya tekanan dalam mengkarakterisasi bentuk fluid. Dapat disimpulkan bahwa fluida adalah zat atau entitas yang terdeformasi secara berkesinambungan apabila diberi tegangan geser walau sekecil apapun tegangan geser itu.

Fluid dapat dikarakterisasikan sebagai:

- bergantung dari cara "stress" bergantung ke "strain" dan turunannya.

Fluida juga dibagi menjadi cairan dan gas. Cairan membentuk permukaan bebas (yaitu, permukaan yang tidak diciptakan oleh bentuk wadahnya), sedangkan gas tidak.

Mekanika fluida adalah subdisiplin dari mekanika kontinum yang mempelajari fluida (yang dapat berupa cairan dan gas). Mekanika fluida dapat dibagi menjadi fluida statik dan fluida dinamik. Fluida statis mempelajari fluida pada keadaan diam sementara fluida dinamis mempelajari fluida yang bergerak.

Hubungan dengan mekanika kontinum

Mekanika fluida biasanya dianggap subdisiplin dari mekanika kontinum, seperti yang diilustrasikan pada tabel berikut.

Mekanika kontinum: studi fisika dari material kontinu Mekanika solid: studi fisika dari material kontinu dengan bentuk tertentu. Elastisitas: menjelaskan material yang kembali ke bentuk awal setelah diberi tegangan.
Plastisitas: menjelaskan material yang secara permanen terdeformasi setelah diberi tegangan dengan besar tertentu. Reologi: studi material yang memiliki karakteristik solid dan fluida.
Mekanika fluida: studi fisika dari material kontinu yang bentuknya mengikuti bentuk wadahnya. Fluida non-Newtonian
Fluida Newtonian

Dalam pandangan secara mekanis, sebuah fluida adalah suatu substansi yang tidak mampu menahan tekanan tangensial. Hal ini menyebabkan fluida pada keadaan diamnya berbentuk mengikuti bentuk wadahnya.

[sunting] Asumsi Dasar

Seperti halnya model matematika pada umumnya, mekanika fluida membuat beberapa asumsi dasar berkaitan dengan studi yang dilakukan. Asumsi-asumsi ini kemudian diterjemahkan ke dalam persamaan-persamaan matematis yang harus dipenuhi bila asumsi-asumsi yang telah dibuat berlaku.

Mekanika fluida mengasumsikan bahwa semua fluida mengikuti:

Kadang, akan lebih bermanfaat (dan realistis) bila diasumsikan suatu fluida bersifat inkompresibel. Maksudnya adalah densitas dari fluida tidak berubah ketika diberi tekanan. Cairan terkadang dapat dimodelkan sebagai fluida inkompresibel sementara semua gas tidak bisa.

Selain itu, terkadang viskositas dari suatu fluida dapat diasumsikan bernilai nol (fluida tidak viskos). Terkadang gas juga dapat diasumsikan bersifat tidak viskos. Jika suatu fluida bersifat viskos dan alirannya ditampung dalam suatu cara (seperti dalam pipa), maka aliran pada batas sistemnya mempunyai kecepatan nol. Untuk fluida yang viskos, jika batas sistemnya tidak berpori, maka gaya geser antara fluida dengan batas sistem akan memberikan resultan kecepatan nol pada batas fluida.

[sunting] Hipotesis kontinum

Fluida disusun oleh molekul-molekul yang bertabrakan satu sama lain. Namun demikian, asumsi kontinum menganggap fluida bersifat kontinu. Dengan kata lain, properti seperti densitas, tekanan, temperatur, dan kecepatan dianggap terdefinisi pada titik-titik yang sangat kecil yang mendefinisikan REV (‘’Reference Element of Volume’’) pada orde geometris jarak antara molekul-molekul yang berlawanan di fluida. Properti tiap titik diasumsikan berbeda dan dirata-ratakan dalam REV. Dengan cara ini, kenyataan bahwa fluida terdiri dari molekul diskrit diabaikan.

Hipotesis kontinum pada dasarnya hanyalah pendekatan. Sebagai akibatnya, asumsi hipotesis kontinum dapat memberikan hasil dengan tingkat akurasi yang tidak diinginkan. Namun demikian, bila kondisi benar, hipotesis kontinum menghasilkan hasil yang sangat akurat.

Masalah akurasi ini biasa dipecahkan menggunakan mekanika statistik. Untuk menentukan perlu menggunakan dinamika fluida konvensial atau mekanika statistik, angka Knudsen permasalahan harus dievaluasi. Angka Knudsen didefinisikan sebagai rasio dari rata-rata panjang jalur bebas molekular terhadap suatu skala panjang fisik representatif tertentu. Skala panjang ini dapat berupa radius suatu benda dalam suatu fluida. Secara sederhana, angka Knudsen adalah berapa kali panjang diameter suatu partikel akan bergerak sebelum menabrak partikel lain.

Persamaan Navier-Stokes

Persamaan Navier-Stokes (dinamakan dari Claude-Louis Navier dan George Gabriel Stokes) adalah serangkaian persamaan yang menjelaskan pergerakan dari suatu fluida seperti cairan dan gas. Persamaan-persamaan ini menyatakan bahwa perubahan dalam momentum (percepatan) partikel-partikel fluida bergantung hanya kepada gaya viskos internal (mirip dengan gaya friksi) dan gaya viskos tekanan eksternal yang bekerja pada fluida. Oleh karena itu, persamaan Navier-Stokes menjelaskan kesetimbangan gaya-gaya yang bekerja pada fluida.

Persamaan Navier-Stokes memiliki bentuk persamaan diferensial yang menerangkan pergerakan dari suatu fluida. Persaman seperti ini menggambarkan hubungan laju perubahan suatu variabel terhadap variabel lain. Sebagai contoh, persamaan Navier-Stokes untuk suatu fluida ideal dengan viskositas bernilai nol akan menghasilkan hubungan yang proposional antara percepatan (laju perubahan kecepatan) dan derivatif tekanan internal.

Untuk mendapatkan hasil dari suatu permasalahan fisika menggunakan persamaan Navier-Stokes, perlu digunakan ilmu kalkulus. Secara praktis, hanya kasus-kasus aliran sederhana yang dapat dipecahkan dengan cara ini. Kasus-kasus ini biasanya melibatkan aliran non-turbulen dan tunak (aliran yang tidak berubah terhadap waktu) yang memiliki nilai bilangan Reynold kecil.

Untuk kasus-kasus yang kompleks, seperti sistem udara global seperti El Niño atau daya angkat udara pada sayap, penyelesaian persamaan Navier-Stokes hingga saat ini hanya mampu diperoleh dengan bantuan komputer. Kasus-kasus mekanika fluida yang membutuhkan penyelesaian berbantuan komputer dipelajari dalam bidang ilmu tersendiri yaitu mekanika fluida komputasional


[sunting] Bentuk umum persamaan

Bentuk umum persamaan Navier-Stokes untuk kekekalan momentum adalah :

\rho\frac{D\mathbf{v}}{D t} = \nabla \cdot\mathbb{P} + \rho\mathbf{f}

di mana

  • ρ adalah densitas fluida,
\frac{D}{D t} adalah derivatif substantif (dikenal juga dengan istilah derivatif dari material)
  • \mathbf{v} adalah vektor kecepatan,
  • f adalah vektor gaya benda, dan
  • \mathbb{P} adalah tensor yang menyatakan gaya-gaya permukaan yang bekerja pada partikel fluida.

\mathbb{P} adalah tensor yang simetris kecuali bila fluida tersusun dari derajat kebebasan yang berputar seperti vorteks. Secara umum, (dalam tiga dimensi) \mathbb{P} memiliki bentuk persamaan:

\mathbb{P} = \begin{pmatrix} \sigma_{xx} &  \tau_{xy} & \tau_{xz} \\ \tau_{yx} &  \sigma_{yy} & \tau_{yz} \\ \tau_{zx} &  \tau_{zy} & \sigma_{zz} \end{pmatrix}

di mana

  • σ adalah tegangan normal, dan
  • τ adalah tegangan tangensial (tegangan geser).

Persamaan di atas sebenarnya merupakan sekumpulan tiga persamaan, satu persamaan untuk tiap dimensi. Dengan persamaan ini saja, masih belum memadai untuk menghasilkan hasil penyelesaian masalah. Persamaan yang dapat diselesaikan diperoleh dengan menambahkan persamaan kekekalan massa dan batas-batas kondisi ke dalam persamaan di atas.

[sunting] Fluida Newtonian vs. non-Newtonian

Sebuah Fluida Newtonian (dinamakan dari Isaac Newton) didefinisikan sebagai fluida yang tegangan gesernya berbanding lurus secara linier dengan gradien kecepatan pada arah tegak lurus dengan bidang geser. Definisi ini memiliki arti bahwa fluida newtonian akan mengalir terus tanpa dipengaruhi gaya-gaya yang bekerja pada fluida. Sebagai contoh, air adalah fluida Newtonian karena air memiliki properti fluida sekalipun pada keadaan diaduk.

Sebaliknya, bila fluida non-Newtonian diaduk, akan tersisa suatu "lubang". Lubang ini akan terisi seiring dengan berjalannya waktu. Sifat seperti ini dapat teramati pada material-material seperti puding. Peristiwa lain yang terjadi saat fluida non-Newtonian diaduk adalah penurunan viskositas yang menyebabkan fluida tampak "lebih tipis" (dapat dilihat pada cat). Ada banyak tipe fluida non-Newtonian yang kesemuanya memiliki properti tertentu yang berubah pada keadaan tertentu.

[sunting] Persamaan pada fluida Newtonian

Konstanta yang menghubungkan tegangan geser dan gradien kecepatan secara linier dikenal dengan istilah viskositas. Persamaan yang menggambarkan perlakuan fluida Newtonian adalah:

\tau=\mu\frac{dv}{dx}

di mana

τ adalah tegangan geser yang dihasilkan oleh fluida
μ adalah viskositas fluida-sebuah konstanta proporsionalitas
\frac{dv}{dx} adalah gradien kecepatan yang tegak lurus dengan arah geseran

Viskositas pada fluida Newtonian secara definisi hanya bergantung pada temperatur dan tekanan dan tidak bergantung pada gaya-gaya yang bekerja pada fluida. Jika fluida bersifat inkompresibel dan viskositas bernilai tetap di seluruh bagian fluida, persamaan yang menggambarkan tegangan geser (dalam koordinat kartesian) adalah

\tau_{ij}=\mu\left(\frac{\partial v_i}{\partial x_j}+\frac{\partial v_j}{\partial x_i} \right)

di mana

τij adalah tegangan geser pada bidang ith dengan arah jth
vi adalah kecepatan pada arah ith
xj adalah koordinat berarah jth

Jika suatu fluida tidak memenuhi hubungan ini, fluida ini disebut fluida non-Newtonian.

Termodinamika (bahasa Yunani: thermos = 'panas' and dynamic = 'perubahan') adalah fisika energi , panas, kerja, entropi dan kespontanan proses. Termodinamika berhubungan dekat dengan mekanika statistik di mana banyak hubungan termodinamika berasal.

Pada sistem di mana terjadi proses perubahan wujud atau pertukaran energi, termodinamika klasik tidak berhubungan dengan kinetika reaksi (kecepatan suatu proses reaksi berlangsung). Karena alasan ini, penggunaan istilah "termodinamika" biasanya merujuk pada termodinamika setimbang. Dengan hubungan ini, konsep utama dalam termodinamika adalah proses kuasistatik, yang diidealkan, proses "super pelan". Proses termodinamika bergantung-waktu dipelajari dalam termodinamika tak-setimbang.

Karena termodinamika tidak berhubungan dengan konsep waktu, telah diusulkan bahwa termodinamika setimbang seharusnya dinamakan termostatik.

Hukum termodinamika kebenarannya sangat umum, dan hukum-hukum ini tidak bergantung kepada rincian dari interaksi atau sistem yang diteliti. Ini berarti mereka dapat diterapkan ke sistem di mana seseorang tidak tahu apa pun kecual perimbangan transfer energi dan wujud di antara mereka dan lingkungan. Contohnya termasuk perkiraan Einstein tentang emisi spontan dalam abad ke-20 dan riset sekarang ini tentang termodinamika benda hitam.

Hukum-hukum Dasar Termodinamika

Terdapat empat Hukum Dasar yang berlaku di dalam sistem termodinamika, yaitu:

  • Hukum Awal (Zeroth Law) Termodinamika
Hukum ini menyatakan bahwa dua sistem dalam keadaan setimbang dengan sistem ketiga, maka ketiganya dalam saling setimbang satu dengan lainnya.
  • Hukum Pertama Termodinamika
Hukum ini terkait dengan kekekalan energi. Hukum ini menyatakan perubahan energi dalam dari suatu sistem termodinamika tertutup sama dengan total dari jumlah energi kalor yang disuplai ke dalam sistem dan kerja yang dilakukan terhadap sistem.
  • Hukum kedua Termodinamika
Hukum kedua termodinamika terkait dengan entropi. Hukum ini menyatakan bahwa total entropi dari suatu sistem termodinamika terisolasi cenderung untuk meningkat seiring dengan meningkatnya waktu, mendekati nilai maksimumnya.
  • Hukum ketiga Termodinamika
Hukum ketiga termodinamika terkait dengan temperatur nol absolut. Hukum ini menyatakan bahwa pada saat suatu sistem mencapai temperatur nol absolut, semua proses akan berhenti dan entropi sistem akan mendekati nilai minimum. Hukum ini juga menyatakan bahwa entropi benda berstruktur kristal sempurna pada temperatur nol absolut bernilai nol.

Minggu, 14 Februari 2010

Keseimbangan Benda Tegar : Titik Berat

Telah dikatakan sebelumnya bahwa suatu benda tegar dapat mengalami gerak translasi (gerak lurus) dan gerak rotasi. Benda tegar akan melakukan gerak translasi apabila gaya yang diberikan pada benda tepat mengenai suatu titik yang yang disebut titik berat.

Benda akan seimbang jika pas diletakkan di titik beratnya

Benda akan seimbang jika pas diletakkan di titik beratnya

Titik berat merupakan titik dimana benda akan berada dalam keseimbangan rotasi (tidak mengalami rotasi). Pada saat benda tegar mengalami gerak translasi dan rotasi sekaligus, maka pada saat itu titik berat akan bertindak sebagai sumbu rotasi dan lintasan gerak dari titik berat ini menggambarkan lintasan gerak translasinya.

Mari kita tinjau suatu benda tegar, misalnya tongkat pemukul kasti, kemudian kita lempar sambil sedikit berputar. Kalau kita perhatikan secara aeksama, gerakan tongkat pemukul tadi dapat kita gambarkan seperti membentuk suatu lintasan dari gerak translasi yang sedang dijalani dimana pada kasus ini lintasannya berbentuk parabola. Tongkat ini memang berputar pada porosnya, yaitu tepat di titik beratnya. Dan, secara keseluruhan benda bergerak dalam lintasan parabola. Lintasan ini merupakan lintasan dari posisi titik berat benda tersebut.

Demikian halnya seorang peloncat indah yang sedang terjun ke kolam renang. Dia melakukan gerak berputar saat terjun. sebagaimana tongkat pada contoh di atas, peloncat indah itu juga menjalani gerak parabola yang bisa dilihat dari lintasan titik beratnya. Perhatikan gambar berikut ini.

seorang yang meloncat ke air dengan berputar

seorang yang meloncat ke air dengan berputar

Jadi, lintasan gerak translasi dari benda tegar dapat ditinjau sebagai lintasan dari letak titik berat benda tersebut. Dari peristiwa ini tampak bahwa peranan titik berat begitu penting dalam menggambarkan gerak benda tegar.

Cara untuk mengetahui letak titik berat suatu benda tegar akan menjadi mudah untuk benda-benda yang memiliki simetri tertentu, misalnya segitiga, kubus, balok, bujur sangkar, bola dan lain-lain. Yaitu d sama dengan letak sumbu simetrinya. Hal ini jelas terlihat pada contoh diatas bahwa letak titik berat sama dengan sumbu rotasi yang tidak lain adalah sumbu simetrinya.

Orang ini berada dalam keseimbangan

Orang ini berada dalam keseimbangan

Di sisi lain untuk benda-benda yang mempunyai bentuk sembarang letak titik berat dicari dengan perhitungan. Perhitungan didasarkan pada asumsi bahwa kita dapat mengambil beberapa titik dari benda yang ingin dihitung titik beratnya dikalikan dengan berat di masing-masing titik kemudian dijumlahkan dan dibagi dengan jumlah berat pada tiap-tiap titik. dikatakan titik berat juga merupakan pusat massa di dekat permukaan bumi, namun untuk tempat yang ketinggiannya tertentu di atas bumi titik berat dan pusat massa harus dibedakan.

Pengantar Pada pembahasan mengenai Torsi, gurumuda sudah menjelaskan hubungan antara percepatan sudut dengan Torsi (Torsi adalah hasil kali antara gaya dan lengan gaya). Perlu diketahui bahwa benda yang berotasi juga memiliki massa.Momen inersia juga tergantung dari densitas objek (sebagai fungsi ruang). Secara general, momen inersia adalah tensor; hanya pada keadaan khusus di mana garis netral yang dipilih merupakan sumbu utama objek, maka tensor tersebut diagonal dan proporsional dengan tensor I, sehingga dapat dikatakan sebagai skalar.Penerapan momen inersia tidak terbatas pada benda yang mengalami rotasi saja. Tetapi digunakan secara luas dalam aplikasi teknik sipil yang saat ini saya perdalam.Konsep awal momen inersia adalah, besarnya penjumlahan tak terhingga banyaknya dari elemen massa dM terhadap kuadrat jarak suatu acuan tertentu sejauh r, atau secara singkat dituliskan sbb:

I = ∫ r² dM

Dalam ilmu bangunan, elemen struktur umumnya batang prismatik, seperti balok, kolom, rel kereta api, pipa saluran dll (sudah dikembangkan juga tipe elemen struktur diluar jenis penampang ini seperti girder jembatan pelengkung, struktur kolom dan balok yang mengutamakan estetika, struktur pelat lantai, struktur cangkang dll.)
Untuk struktur batang prismatik, dengan panjang L, elemen volume dV kerapatan ρ dan elemen luas dA, momen inersianya adalah:

I = ∫ r² dM = ∫ r² ρdV = ∫ r² ρLdA = ρL ∫ r² dA

karena ρL bilangan tetap, maka perilaku struktur cukup dianalisis dari penampangnya saja, adapun parameter L dianalisis tersendiri. Jadi momen inersia disini satuannya bukan lagi kg m², tetapi sudah menjadi m⁴ dan analisis jauh lebih sederhana. Karena analisis struktur untuk beban statis, tidak dilakukan untuk elemen struktur yang mengalami rotasi (dan memang kenyataannya bahwa elemen2 bangunan seperti kolom, balok, rel kereta api, instalasi pipa jaringan, rangka baja tower dll, tidak mengalami rotasi, bukan ? )

Momen inersia penampang I terbagi menjadi empat bagian, yaitu yang diukur terhadap sumbu x (Ix), sumbu y (Iy), kombinasi sumbu x dengan y (Ixy) dan sumbu yang tegak lurus penampang (I_polar). Jika dituliskan secara singkat,

Ix = ∫ y² dA

Iy = ∫ x² dA

Ixy = ∫ xy dA

sesuai dengan teorema Pythagoras,

r² = x² + y²

∫ r² dA = ∫ x² dA + ∫ y² dA

I_polar = Iy + Ix

Dalam hal apa tiap-tiap momen inersia itu digunakan ?
Jika dalam tata koordinat 3D, elemen struktur memanjang searah dengan sumbu Z, dan beban bekerja searah sumbu Y, maka lendutan pastilah bekerja searah sumbu Y, penampang elemen struktur tegak lurus sumbu Z dan vektor momen gaya arahnya sejajar sumbu X oleh karena itu momen inersia yang terlibat adalah Ix. Tetapi jika beban bekerja dalam arah sumbu X, vektor momen gaya arahnya sejajar sumbu Y, maka momen inersia yang dimaksud adalah Iy. Dan untuk kedua macam gaya tersebut akan menyebabkan gaya geser pada bidang XY, maka yang terlibat adalah Ixy disamping momen inersia polar. Sebaiknya gunakan aturan tangan kanan supaya tidak bingung. Penerapan momen inersia polar juga banyak digunakan dalam permasalahan torsi pada elemen struktur.

Nilai momen inersia yang satuannya kg m² identik dengan momen inersia yang satuannya m⁴. Artinya hakikatnya sama untuk menggambarkan tingkat kelembaman suatu benda, hanya saja dilihat dari kacamata yang berbeda dengan tujuan untuk simplifikasi permasalahan saja. Misalnya seperti yang diuraikan Ven di atas, momen inersia untuk tongkat yang porosnya di tengah adalah 1/12 ML² maka untuk balok dengan penampang persegi yang lebar dan tingginya masing2 b dan h momen inersianya adalah 1/12 bh³. Koefisiennya sama, adapun perbedaan nilai hanya karena didasarkan perbedaan kerangka analisis saja. Begitu juga untuk bentuk penampang yang lain.

Sebagai ilustrasi sederhana, menentukan lendutan maksimum dari balok tertumpu sederhana sepanjang L yang dibebani secara merata sebesar q ton/m, momen inersianya I dan modulus elastisitas bahan E. Dari mekanika teknik diperoleh, lendutan maksimum adalah :

δ = (5/384) qL⁴/(EI)

angka EI dinamakan kekakuan balok. Momen inersia yang dimaksud disini adalah yang satuannya m⁴, bukan yang satuannya kg m². Dari formula di atas, terlihat bahwa variabel L diperlakukan terpisah dari analisis penampang. Sehingga analisisnya menjadi jauh lebih sederhana. Demikian juga untuk analisis yang lebih kompleks, baik analisis linear ataupun non linear, tidak bisa dipungkiri akan keterlibatan momen inersia ini. Selanjutnya dipersilakan membuka beberapa literatur tentang mekanika teknik.
Pengantar Dalam pokok bahasan hukum II newton, kita belajar bahwa sebuah benda bisa bergerak lurus dengan percepatan tertentu jika diberikan gaya. Misalnya terdapat sebuah buku yang terletak di atas meja. Mula-mula buku itu diam (kecepatan = 0).