Tekanan pada dinding karena aliran fluida yang efisien
Misalkan suatu fluida mengalir melalui pipa (terisi penuh) dengan penampang yang seragam. Fluida tersebut ideal dan karenanya harus mengalir dalam jalur yang efisien dan harus dalam kondisi stabil . Ini berarti bahwa jalur partikel fluida tidak boleh berpotongan (aliran streamline) dan karenanya kecepatan semua partikel harus sejajar dengan dinding pipa dan sama pada titiknya (aliran stabil).
Catatan : Gambar di bawah ini adalah penampang horizontal pipa
Karena lintasannya lurus, kecepatan partikel-partikel itu sejajar satu sama lain dan dengan dinding, oleh karena itu partikel A juga akan memiliki kecepatan yang sejajar dengan dinding sehingga tidak ada komponen kecepatan A yang menuju ke dinding.
- Jadi bagaimana A akan memberikan tekanan apapun pada dinding karena tidak ada komponen kecepatan ke arah dinding (tidak akan menabrak dinding dan karenanya tidak memberikan tekanan padanya).
Selain itu, karena kecepatan partikel A dan partikel B sejajar (kedua partikel berada pada bidang horizontal yang sama), mereka tidak akan memberikan tekanan satu sama lain? Apakah itu salah.
Apa yang salah tentang aliran yang efisien?
- Jika tekanan disebabkan oleh getaran suatu partikel yang akan mengakibatkan tumbukan dengan dinding, maka pertanyaan saya selanjutnya adalah menurut persamaan Bernoulli, tekanan berbeda pada kecepatan yang berbeda tetapi karena tekanan disebabkan oleh getaran fluida. partikel dan bukan karena kecepatannya komponen tegak lurus (yang merupakan kontradiksi dengan alasan saya di atas bahwa komponen tegak lurus kecepatan akan menjadi nol) lalu mengapa tekanan berubah sama sekali ketika mengalir dengan kecepatan yang berbeda (karena kenaikan / penurunan persilangan luas penampang)?
Sunting: Saya mendapat pertanyaan ini karena saya menonton video tentang Persamaan Bernoulli pada skala molekuler. (https://youtu.be/TcMgkU3pFBYDi sini, mereka menjelaskan bagaimana ada tekanan rendah di area penampang yang lebih kecil (dan kecepatan yang lebih tinggi) karena kecepatan yang kurang tegak lurus dan karenanya tumbukan dengan dinding lebih sedikit. Tetapi dalam kasus fluida ideal, aliran harus disederhanakan sehingga tidak boleh ada kecepatan tegak lurus (?), Yang membuat penjelasan dalam video tidak lengkap untuk fluida ideal. Apakah saya mengacaukan tekanan di dinding dengan tekanan di dalam cairan. Jika tidak dan mengingat tidak akan ada komponen tegak lurus, maka bagaimana kita menjelaskan perubahan tekanan pada dinding akibat Prinsip Bernoulli.
Karena jika tolakan antar-molekul pada X adalah sejumlah, maka tolakan antar-molekul di Y harus lebih kecil dari kuantitas itu (karena tekanan berkurang karena Prinsip Bernoulli di Y), yang tampaknya bertentangan dengan saya.
Jawaban
Ketika kita berbicara tentang kecepatan partikel fluida (atau bidang), kita tidak mengacu pada molekul individu. Molekul individu memiliki kecepatan ke segala arah, dan dengan demikian memberikan tekanan pada dinding. Untuk partikel fluida, kita berbicara tentang kecepatan molekul yang terorganisir, atau lebih tepatnya rata-rata vektorialnya yang, dalam aliran, memiliki bias dalam arah aliran. Kecepatan molekul adalah gerakan acak yang ditumpangkan pada mean ini.
Tekanan di dinding disebabkan oleh dua alasan:
- Hampir kontak kekuatan
- Serangan dari setiap molekul
Sekarang jika kita mengasumsikan aliran menjadi garis yang sempurna, hit hampir nol dan dengan demikian dinding mengalami tekanan karena gaya hampir kontak (ditunjukkan diagram dalam jawaban Just Johan)
Jadi, bahkan dalam aliran yang efisien, tekanan pada dinding bukanlah nol .
Anda bertanya tentang tekanan di A dan B berdasarkan Prinsip Bernoulli dalam obrolan, jadi pengguna yang tertarik dengan ini dapat melihat obrolan ini .
Catatan : Saya menautkan diskusi (dalam obrolan) dan memberikan jawaban singkat karena saya tidak dapat menempelkan semua diskusi itu di jawaban saya. Gambar juga diambil dari obrolan antara saya dan @Satwik.
Semoga membantu 🙂.
Kita dapat membayangkan cairan yang untuk kebetulan yang luar biasa semua getaran berada pada arah aliran yang sama, atau gas yang semua molekulnya memiliki kecepatan aliran yang sama. Dalam hal ini, tekanan di dinding akan menjadi nol. Yang berarti bahwa tekanan (sebagai suhu) adalah konsep makroskopis, yang bergantung pada mekanika statistik, dan probabilitas kejadian harus dipertimbangkan.
Peristiwa seperti itu tidak terjadi karena probabilitasnya semakin kecil.
Tentang pertanyaan kedua, lebih baik memikirkan tekanan yang lebih besar pada pipa dengan diameter besar. Misalkan kita berada dalam frame dengan kecepatan fluida yang sama di pipa yang lebih besar. Bagi kami, pipa sedang bergerak, dan wilayah pengurangan diameter akan mendatangi kami. Efeknya mirip dengan piston yang memampatkan fluida, meningkatkan tekanan.
Mari kita ambil kasus di mana fluida tidak berakselerasi dan dengan demikian tidak ada perbedaan tekanan di ujung tabung dan juga gaya total pada setiap partikel air adalah nol (akan membutuhkan ini).
Gaya-gaya yang bekerja pada partikel apa pun yang dekat dengan batas adalah gaya tolakan antarmolekul antara partikel tersebut dan partikel di tengah serta partikel batas lainnya.
Karena fluida tidak mengalami percepatan, kita membutuhkan keseimbangan gaya untuk kecepatan konstan, gaya ini disediakan oleh tabung sehingga kita mendapatkan tekanan.
Tidak, konsep Anda tentang streamline tidak apa-apa. Tapi, Anda melewatkan konsep yang agak membingungkan tentang tekanan secara mikroskopis. Seperti definisi Pressure
Besarnya gaya normal per satuan luas permukaan disebut Tekanan . Dan Tekanan adalah kuantitas penskalaan.
Secara mikroskopis, tekanan yang diberikan oleh suatu fluida pada suatu permukaan yang bersentuhan dengannya disebabkan oleh tumbukan molekul-molekul fluida dengan permukaan tersebut. Akibat tumbukan, komponen momentum molekul yang tegak lurus dengan permukaan terbalik. Permukaan harus memberikan gaya impulsif pada molekul, dan menurut hukum Ketiga Newton, molekul menggunakan gaya yang sama tegak lurus ke permukaan. Hasil bersih dari gaya reaksi yang diberikan oleh banyak molekul di permukaan menimbulkan tekanan di permukaan.