Video 2
Sumber: WSU Physics Videos (Youtube)
Halo, Fluidist.
Coba amati video berikut!
Video tersebut menunjukkan sehelai kertas yang di bagian atasnya ditiupkan udara dengan kuat. Ketika bagian atas kertas ditiup, ternyata kertas mengapung dan terangkat ke atas. Bagaimana hal itu bisa terjadi? Bukankah seharusnya kertas terdorong ke bawah?
Nah, untuk menjelaskan fenomena tersebut, kita akan belajar mengenai prinsip Bernoulli. Bagaimana bunyi dari prinsip Bernoulli? Bagaimana penerapan prinsip Bernoulli dalam kehidupan sehari-hari? Bagaimana prinsip Bernoulli dapat menjelaskan fenomena pada video tersebut? Yuk, simak penjelasannya di bawah ini!
Berdasarkan asas kontinuitas, kecepatan aliran fluida dapat berubah-ubah di sepanjang penampangnya, begitupun dengan tekanan. Tekanan juga dapat berubah-ubah, bergantung pada ketinggian dan kecepatan aliran. Prinsip Bernoulli dikemukakan oleh Daniel Bernoulli (1700-1782) yang menyatakan bahwa ketika kecepatan aliran fluida besar, maka tekanannya kecil, dan ketika kecepatan aliran fluida kecil, maka tekanannya besar (Kanginan, 2017).
Gambar 6
Sumber: ahmaddahlan.net
Gambar diatas menunjukkan fluida dengan massa jenis konstan ρ mengalir melalui suatu pipa dengan luas penampang A1 menuju pipa dengan luas penampang A2. Posisi penampang A1 adalah h1 dari tanah dan posisi penampang A2 adalah h2 dari tanah. Berdasarkan hukum kekekalan energi, persamaan Bernoulli dapat dirumuskan dengan persamaan berikut:
P1 + ρgh1 + ½ ρv1^2 = P2 + ρgh2 + ½ ρv2^2
Keterangan :
P1 = tekanan fluida pada penampang 1 (N/m^2 atau Pa)
P2 = tekanan fluida pada penampang 2 (N/m^2 atau Pa)
ρ = massa jenis fluida (kg/m^3)
g = percepatan gravitasi (m/s^2)
h1 = ketinggian penampang 1 dari tanah (m)
h2 = ketinggian penampang 2 dari tanah (m)
v1 = kecepatan aliran fluida di penampang 1 (m/s)
v2 = kecepatan aliran fluida di penampang 2 (m/s)
Prinsip Bernoulli dapat diterapkan dalam fenomena di kehidupan sehari-hari, seperti pada gaya angkat pesawat terbang, alat penyemprot parfum, venturimeter, dan cerobong asap.
Sayap pesawat terbang berbentuk aerofoil, yakni bagian depan sayap melengkung dan lebih tebal daripada bagian belakangnya (Kanginan, 2017). Bentuk aerofoil sayap pesawat terbang menyebabkan udara mengalir melalui bagian atas dan bawah sayap membentuk garis arus seperti yang terlihat pada gambar berikut:
Gambar 7
Sumber: kejarcita.id
Karena bentuk sayap yang aerofoil, udara yang mengalir di bagian atas sayap (v2) memiliki kecepatan aliran yang lebih besar dibandingkan bagian bawah sayap (v1). Berdasarkan prinsip Bernoulli, ketika kecepatan aliran udara di bagian atas sayap lebih besar, maka tekanan pada bagian atas sayap (P2) lebih kecil daripada tekanan pada bagian bawah sayap (P1). Perbedaan tekanan tersebut menghasilkan gaya angkat yang dirumuskan sebagai berikut:
F1 - f2 = (P1 - P2) A
Dalam kasus ini, tidak terdapat perbedaan ketinggian di antara bagian-bagian fluida, sehingga h1 = h2. Oleh karena itu persamaan Bernoulli pada kasus ini dapat dirumuskan sebagai berikut:
P1 + ½ ρgv1^2 = P2 + gv2^2
P1 - P2 = ½ ρ(v2^2 - v1^2)
Dengan demikian, gaya angkat pada pesawat terbang dapat dirumuskan sebagai berikut:
F1 - F2 = (½ ρ(v2^2 - v1^2)) A
Namun, pesawat terbang dapat terangkat ke atas jika gaya angkat yang dihasilkan lebih besar daripada beratnya. Oleh karena itu, pesawat dapat terbang atau tidak itu bergantung pada berat pesawat, kecepatan pesawat, dan ukuran sayap pesawat (Kanginan, 2017).
Gambar 8
Sumber: istockphoto.com
Pada alat penyemprot parfum, terdapat nozzle yang merupakan celah sempit sebagai lubang keluarnya cairan parfum. Ketika disemprot, udara akan dipaksa keluar melalui nozzle dengan kecepatan yang tinggi, sehingga berdasarkan prinsip Bernoulli, tekanan pada nozzle akan rendah. Karena tekanan di dalam botol parfum lebih besar daripada tekanan pada nozzle, maka cairan parfum dari dalam botol akan tersemprot keluar berupa tetesan kecil yang halus.
Venturimeter adalah alat yang digunakan mengukur laju aliran fluida. Pada dasarnya, venturimeter bekerja menggunakan tabung venturi, yakni tabung yang memiliki bagian yang menyempit (Kanginan, 2017). Terdapat dua jenis venturimeter, yakni venturimeter tanpa manometer dan venturimeter dengan manometer. Venturimeter tanpa manometer ditunjukkan oleh gambar di bawah ini:
Gambar 9
Sumber: roboguru.ruangguru.com
Pada pipa dengan luas penampang yang lebih besar, laju aliran fluidanya rendah sehingga tekanannya tinggi. Oleh karena itu, fluida pada pipa dengan luas penampang lebih besar lebih tinggi daripada pipa dengan luas penampang lebih kecil, begitupun sebaliknya. Adapun persamaan yang digunakan untuk mengukur kecepatan aliran fluida pada venturimeter tanpa manometer adalah sebagai berikut.
Gambar di bawah ini menunjukkan venturimeter dengan manometer (berupa pipa U berisi zat cair). Pada dasarnya, prinsipnya sama dengan venturimeter tanpa manometer, di mana pipa dengan luas penampang besar memiliki tekanan yang besar, sehingga ketinggian fluidanya lebih tinggi. Namun, jika dilihat dari cairan pada manometer (pipa U), pipa dengan luas penampang kecil memiliki ketinggan fluida yang lebih tinggi.
Gambar 10
Sumber: roboguru.ruangguru.com
Adapun persamaan yang digunakan untuk mengukur kecepatan aliran fluida pada venturimeter dengan manometer adalah sebagai berikut.
Dengan ρ' adalah massa jenis cairan dalam manometer dan ρ adalah massa jenis fluida.
Gambar 11
Sumber: id.pngtree.com
Cerobong asap juga memanfaatkan prinsip Bernoulli dalam cara kerjanya. Ketika angin bertiup di atas cerobong asap, kecepatan udara meningkat sehingga tekanan udaranya berkurang. Karena tekanan udara di bagian atas cerobong lebih kecil daripada di bagian dalamnya, maka asap akan didorong keluar menuju bagian atas cerobong.