Fluida dan Gaya Stokes

A.      Fluida

Fluida merupakan segala hal yang dapat mengalir; biasanya digunakan pada cairan dan gas (Young, 2012;373) Ketika sebuah fluida (cairan maupun gas) pada keadaan diam, akan menerima gaya sesuai dengan permukaan kontak gaya, seperti sebuah dindng wadah atau  benda yang berada pada fluida. Ketika fluida keseluruhan diam, molekul yang membangun fluida melakukan pergerakan; gaya yan dihasilkan fluida dikarenakan molekul yang saling bertabrakan dengan benda sekitar (Young, 2012;375). Jika berat dari fluida dapat diabaikan, tekanan pada fluida sama dengan volumenya. Tetapi terkadang berat fluida tidak dapat diabaikan. Jika fluida dalam titik keseimbangan, setiap volume dari elemen tersebut berada pada titik keseimbangan (Young, 2012:376).

 Ketika sebuah benda seluruhnya atau sebagian dimasukkan ke dalam sebuah fluida, fluida menghasilkan gaya angkat pada benda sama dengan berat fluida yang digantikan oleh benda (Young, 2012;380). Fluida yang ideal merupakan fluida yang tidak dapat dikompresikan (sehingga, massa jenis tidak berubah) dan tidak memiliki gesekan dalam (viskositas) (Young, 2012;382). Fluida merupakan gabungan dari molekul yang secara acak berkaitan bersama dengan gaya kohesif lemah dan gaya yang dihasilkan dinding pada wadah. Cairan dan gas keduanya ialah fluida (Serway, 2004;421).

Karena partikel-paetikel dalam fluida dapat mudah bergerak, maka secara umum rapat massanya tidak konstan (Satriawan, 2007:77). Bila vektor kecepatan fluida di semua titik ~v=~(~r) bukan merupakan fungsi waktu maka alirannya disebut aliran tetap (steady), sebaliknya bila tidak maka disebut aliran tidak tetap (non steady). Bila di dalam fluida tidak ada elemen fluida yang berotasi relatif teradap suatu titik maka aliran fluidanya disebut aliran rotasional. Bila terdapat gaya gesek dalam fluida maka alirannya disebut aliran kental. Gaya gesek ini merupakan gaya-gaya tangensial terhadap lapisan-lapisan fluida, dan menimbulkan disipasi energi mekanik (Satriawan, 2007;84-85)

B.      Gaya Stokes

Hukum Stokes bisa pula digunakan untuk menentukan koefisien viskositas fluida. Benda bergerak dalam fluida mendapat gaya gesekan yang arahnya berlawanan dengan arah gerak benda. Besarnya gaya gesekan bergantung pada kecepatan relatif benda terhadap fluida serta bentuk benda. Untuk benda yang berbentuk bola, besarnya gaya gesekan memenuhi hukum Stokes F=6πɳrv (Abdullah, 2016;797).

Dengan F gaya gesekan pada benda oleh fluida r jari-jari bola v laju bola relatif terhadap fluida. Jika benda berbentuk bola dijatuhkan dalam fluida maka mula-mula benda bergerak turun dengan kecepatan yang makin besar akibat adanya percepatan gravitasi. Pada suatu saat kecepatan benda tidak berubah lagi. Kecepatan ini dinamakan kecepatan terminal. Gaya yang bekerja pada benda selama bergerak jatuh adalah gaya berat kebawah, gaya angkat Archimedes ke atas, dan gaya Stokes yang melawan arah gearak (ke atas juga). Saat tercapai kecepatan terminal, ketiga gaya tersebut seimbang. Berdasarkan kecepatan terminal bola maka kita dapat menentukan viskositas fluida (Abdullah, 2016;798). Besarnya gaya berat benda W=mg=ρ_bVg=ρ_b(r³)g (Abdullah, 2016;798). Besarnya gaya angkat Archimedes F_A=ρ_fVg=ρ_f(r³)g (Abdullah, 2016;799). Besarnya gaya stokes F_s=6πɳrv (Abdullah, 2016;799)