Assalamualaikum, Sahabat.
Sebuah catatan kecil tentang LAPIS BATAS FLUIDA.
Pernahkah Sahabat perhatikan aliran air sungai ketika kita bermain di tepian sungai dangkal dekat sawah? Aliran air yang berada dekat dengan tepi sungai akan mengalir lebih lambat daripada aliran air yang berada di tengah-tengah sungai. Dengan kata lain, semakin ke tengah sungai, maka aliran air akan semakin kencang. Betul ndak?
Awalnya saya berpikir, itu terjadi karena bagian tengah sungai lebih dalam daripada bagian tepi sungai. Karena penasaran, waktu kecil dulu saya coba buktikan dengan masuk sungai dan berjalan menyeberanginya. Bahkan sampai saya ukur kedalaman sungai dengan badan saya dari tepi sungai sampai ke seberang dan ternyata kedalamannya hampir sama. Untung sungainya dangkal, cuma setinggi lutut saya waktu itu. Sempat terpikir waktu itu, aliran air yang lambat di bagian tepi sungai karena airnya menabrak pinggir sungai. Tapi kenapa setelah menabrak koq tetap mengalir, kenapa tidak berhenti? Dan kasus itu belum terpecahkan waktu itu.
Belakangan saya mulai paham, bahwa ternyata fenomena aliran air di sungai serupa dengan fenomena aliran fluida di permukaan benda padat yaitu akibat adanya efek viskos dan terbentuknya boundary layer.
Lapis batas yang dikenal juga sebagai boundary layer terbentuk ketika fluida viskos mengalir dan bersentuhan langsung dengan permukaan benda padat. Intermolecular force di dalam fluida dan frictional force antara fluida dan permukaan benda padat akan mempengaruhi kecepatan aliran fluida. Pengaruh ini menyebabkan terbentuknya velocity profile yang beragam pada area boundary layer. Frictional force menyebabkan molekul fluida yang bersentuhan langsung dengan pemukaan benda padat akan menempel pada permukaan dan berhenti (no-slip condition). Kita tinjau bahwa fluida yang mengalir terdiri dari lapisan-lapisan fluida yang berdekatan dan tersusun bertumpukan satu dengan yang lainnya. Lapisan fluida yang terdekat dengan permukaan plat akan memperlambat kecepatan lapisan fluida yang berada di atasnya (lapisan kedua) sebagai akibat dari adanya gesekan antar partikel pada kedua lapisan fluida. Lapisan kedua ini akan memperlambat lapisan fluida di atasnya dan seterusnya sehingga akan terjadi perbedaan kecepatan pada tiap-tiap lapisan fluida. Semakin jauh jarak fluida dengan permukaan benda padat, maka kecepatan aliran fluida akan bertambah karena pengaruh frictional force semakin kecil. Kecepatan aliran fluida akan terus bertambah hingga mencapai freestream velocity yaitu kecepatan aliran tanpa gangguan frictional force atau tidak terpengaruh oleh efek viskos.
Area boundary layer memiliki ketebalan tertentu yang dihitung dari permukaan benda padat. Ketebalan boundary layer tersebut dipengaruhi oleh viskositas fluida yang mengaliri permukaan benda padat. Selain itu, juga dipengaruhi oleh cepat atau lambatnya freestream velocity. Fluida dengan viskositas tinggi, contohnya oli dan madu, mampu membentuk area boundary layer yang lebih tebal daripada fluida dengan viskositas rendah. Viskositas tinggi menyebabkan intermolecular force di dalam fluida juga tinggi. Kondisi ini menyebabkan lapisan fluida satu dengan lainnya saling tarik-menarik, saling bergesekan dan saling mempengaruhi pergerakan sehingga area boundary layer yang terbentuk akan lebih luas atau lebih tebal. Namun, berbeda dengan fluida viskositas rendah seperti air dan gas. Area boundary layer yang terbentuk pada aliran fluida viskositas rendah cenderung lebih tipis daripada fluida viskositas tinggi karena molekul fluida dapat bergerak lebih bebas dan mudah terpengaruh sehingga lebih cepat mencapai freestream velocity. Dengan kata lain, ketebalan atau area boundary layer dibatasi oleh lapisan aliran fluida yang memiliki kecepatan sebesar 99% freestream velocity. Ketika kondisi ini tercapai maka bisa dikatakan telah terjadi completely developed boundary layer . Jadi, inilah salah satu jawaban mengapa aliran air di tepi sungai cenderung lambat, sedangkan aliran air di tengah sungai cenderung lebih kencang daripada di tepian sungai. Aliran air di tepi sungai berada dalam area velocity boundary layer dan terpengaruh no-slip condition karena interaksi antara aliran air dengan dinding tepian sungai, sedangkan aliran air di tengah sungai berada di luar velocity boundary layer dan telah mencapai freestream velocity yaitu aliran air tanpa gangguan. Nah, kalo Sahabat mau berenang di sungai, Sahabat pilih berenang di sebelah mana, di tepi sungai atau langsung lompat nyebur ke tengah sungai?
Teori tentang boundary layer telah diperkenalkan oleh Ludwig Prandtl pada tahun 1904. Prandtl membagi aliran fluida di atas permukaan plat datar menjadi dua daerah antara lain outer flow region dan inner flow region. Outer flow region merupakan daerah inviscid dan atau irrotational, sedangkan inner flow region adalah boundary layer itu sendiri yang merupakan daerah yang sangat tipis dan sangat dekat dengan permukaan plat datar. Teori pendekatan boundary layer dari Prandtl ini telah menjembatani gab yang terjadi antara persamaan Euler dengan persamaan Navier-Stokes, antara slip condition dengan no-slip condition pada permukaan plat datar.
Velocity boundary layer identik dengan adanya velocity gradient dan shear stress. Mengacu pada hukum Newton tentang fluid friction bahwa keberadaan velocity gradient akan dibarengi dengan munculnya shear stress. Besarnya gaya yang dibutuhkan untuk menggerakkan lapisan fluida satu terhadap lapisan fluida lainnya akan berbanding lurus dengan perubahan kecepatan dan luas area fluida, tapi berbanding terbalik dengan ketebalan lapisan fluida. Dapat dirumuskan sebagai berikut :
ruas kiri disebut sebagai shear stress, τ yaitu gaya per unit area yang dibutuhkan untuk menggeser lapisan fluida satu sama lain.
Shear stress dan viskositas fluida menjadi penyebab utama terjadinya penurunan kecepatan pada lapisan fluida di dalam area boundary layer. Namun, tidak memberikan pengaruh signifikan di luar area boundary layer.
Shear stress mempengaruhi kecepatan aliran (momentum aliran) sehingga akan terjadi perpindahan momentum (transport of momentum) atau difusi momentum (momentum diffusion). Perpindahan momentum tersebut terjadi antara lapisan fluida satu dengan yang lainnya. Pada fluida gas, intermolecular force sangat lemah sehingga viskositas dipengaruhi oleh difusi momentum molekul fluida antar lapisan fluida. Momentum partikel lapisan fluida yang mengalir lebih lambat akan berdifusi ke lapisan fluida yang mengalir lebih cepat sehingga menyebabkan penurunan kecepatan pada partikel aliran fluida yang bergerak lebih cepat.
Suatu aliran fluida tidak laminar sepenuhnya, tapi juga mengandung turbulen meskipun dalam jumlah sedikit. Turbulen didefinisikan sebagai fluktuasi kecepatan ke arah perpendikular terhadap arah freestream velocity. Demikian juga dengan boundary layer tersusun dari aliran fluida laminar, transisi dan turbulen.
Bila kita tinjau lagi aliran fluida di permukaan plat datar, maka akan terbentuk gangguan pada aliran fluida berupa pusaran kecil yang disebut turbulen. Turbulen kecil ini dapat diatasi oleh viskositas fluida sehingga tidak berkembang dan aliran fluida akan cenderung laminar. Namun, ketika turbulen semakin kuat maka viskositas fluida tidak mampu lagi meredam ganggunan tersebut dan aliran fluida mengalami transisi rezim dari laminar menjadi turbulen. Semakin tinggi viskositas fluida (internal cohesion) dan semakin rendah kecepatan aliran fluida (inertia force), maka fluida akan semakin mudah mengatasi ganggunan yang terjadi. Dengan kata lain, turbulen akan terjadi lebih lambat. Transisi rezim umumnya terjadi pada saat tercapai critical Reynolds number sekitar 5x105 di lokasi critical point.
Pada area turbulent boundary layer terbentuk pusaran/vortex. Vortex menyebabkan terjadinya penambahan ketebalan boundary layer yang lebih signifikan daripada penambahan ketebalan pada area laminar boundary layer. Terbentuknya vortex menandakan bahwa telah terjadi gerakan molekul fluida pada dua arah antara lain arah perpendikular dan paralel terhadap arah freestream velocity.
Boundary layer tidak hanya terbentuk pada permukaan plat datar dan pada fenomena aliran air sungai, tapi juga dapat terbentuk pada permukaan benda padat lainnya yang dialiri fluida. Contohnya boundary layer yang terbentuk pada sayap pesawat ketika terbang, boundary layer yang terbentuk pada bodi mobil saat mobil bergerak, boundary layer yang terbentuk pada permukaan bola yang melayang bahkan boundary layer juga bisa terbentuk pada permukaan kulit ikan saat berenang. Teori boundary layer juga ikut melatarbelakangi teori terbentuknya skin friction drag atau shear stress drag pada pesawat terbang.
Terima kasih sudah membaca artikel ini. Semoga bermanfaat.
Sahabat bisa mempelajari lebih lanjut tentang boundary layer melalui referensi yang saya sertakan di bawah ini maupun sumber lainnya.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar