Mengapa Aliran Sungai yang Sempit Lebih Deras daripada Sungai yang Lebar

Fisika Menjawab

Pernahkan kalian menyemprotkan air dengan menggunakan selang? kamu akan melihat sebuah fenomena fisik yang aneh tapi nyata. Cobalah untuk menekan lubang selang, air yang keluar akan dipancarkan lebih deras dan lebih jauh. 

Pernahkah kalian melakukan kegiatan arum jeram? Kalian akan mengalami kasus yang sama seperti kasus di atas, yaitu pada sungai yang menyempit aliran air di sungai menjadi lebih deras dibandingkan dengan bagian sungai yang lebih lebar? Mengapa demikian? Apa yang menyebabkan perubahan laju aliran air sungai maupun air dari kran tersebut?

Fenomena fisik tersebut dapat dijelaskan dengan mempelajari pembahasan berikut, yaitu mengenai Persamaan Kontinuitas.

Persamaan kontinuitas adalah persamaan yang menghubungkan kecepatan fluida dalam dari suatu tempat ke tempat lain. Apa itu fluida? Fluida merupakan zal yang dapat mengalir(zat cair dan gas). 

 Sebelum melangkah lebih jauh, terlebih dahulu kita pahami konsep Garis Alir, Garis Arus dan Tabung Alir. Konsep ini penting karena membantu memahami persamaan kontinuitas.

 Garis alir merupakan lintasan yang ditempuh oleh satu partikel dalam fluida yang mengalir. Pada aliran tunak kecepatan aliran partikel partikel fluida pada setiap titik konstan terhadap waktu , sehingga partikel-partikel fluida yang lewat pada suatu titik akan bergerak dengan kecepatan dan arah yang sama, lintasan yang ditempuh oleh aliran fluida ini dinamakan garis arus. Pada dasarnya kita bisa menggambarkan setiap garis arus melalui tiap-tiap titik dalam aliran fluida tersebut. Jika kita menggangap aliran fluida tunak, sejumlah garis arus yang melewati sudut tertentu pada luas permukaan imajiner (luas permukaan khayalan) membentuk suatu tabung aliran. Tidak ada partikel fluida yang saling berpotongan tapi selalu sejajar dan tabung aliran tersebut akan menyerupai sebuah pipa yang bentuknya selalu sama. Fluida yang masuk pada salah satu ujung tabung akan keluar dari tabung tersebut di ujung lainnya. 

 Misalnya fluida mengalir melalui sebuah sebuah pipa. Pipa biasanya berbentuk silinder dan memiliki luas penampang tertentu. Pipa tersebut juga punya panjang tertentu. Ketika fluida mengalir dalam pipa tersebit sejauh L, maka volume fluida yang ada dalam pipa adalah V=A (V=volume fluida, A=luas penampang, L=panjang pipa). Karena selama mengalir dalam pipa sepanjang L fluida menempuh selang waktu tertentu, maka kita bisa mengatakan bahwa besarnya debit fluida :

Debit menyatakan volume suatu fluida yang mengalir melalui penampang tertentu dalam selang waktu tertentu. Dengan demikian, ketika fluida mengalir melalui suatu pipa yang memiliki luas penampang dan panjang tertentu selama selang waktu tertentu, maka besarnya debit fluida (Q) tersebut sama dengan luas permukaan penampang (A) dikalikan dengan laju aliran fluida (v). 

 

 

 

 

 

 

 

 

A1 = luas penumpang bagian pipa yang berdiameter besar;

A2 = luas penampang bagian pipa yang berdiameter kecil;
v1 = laju aliran pada bagian pipa yang berdiameter besar;
v2 = laju aliran fluida pada bagian pipa yang berdiameter kecil;
L = jarak tempuh fluida  

Gambar di atas menunjukkan aliran fluida dari kiri ke kakanan (fluida mengalir dari pipa yang mempunyai diameter besar menuju diameter yang kecil). Garis putus-putus merupakan garis arus. 

Pada aliran tunak, kecepatan aliran partikel fluida di suatu titik sama dengan kecepatan aliran partikel fluida lain yang melewati titik itu. Aliran fluida juga tidak saling berpotongan (garis arusnya sejajar). Karenanya massa fluida yang masuk ke salah satu ujung pipa harus sama dengan massa fluida yang keluar di ujung lainnya. Jika fluida memiliki massa tertentu masuk pada pipa yang diameternya besar, maka fluida tersebut akan keluar pada pipa yang diameternya kecil dengan massa yang tetap.

Selama selang waktu tertentu, sejumlah fluida mengalir melalui bagian pipa yang diameternya besar (A1) sejauh L1 (L1 = v1t). Volume fluida yang mengalir adalah V1 = A1L1 = A1v1t. Nah, Selama selang waktu yang sama, sejumlah fluida yang lain mengalir melalui bagian pipa yang diameternya kecil (A2) sejauh L2 (L2 = v2t). Volume fluida yang mengalir adalah V2 = A2L2 = A2v2t.

Menurut persamaan kontinuitas, perkalian antara luas penampang dan kecepatan fluida pada setiap titik sepanjang tabung aliran adalah konstan. Persamaan di atas menunjukkan bahwa kecepatan fluida berkurang ketika melalui pipa lebar dan bertambah ketika melewati pipa sempit. Karena itulah ketika kita sedang berperahu atau berarum jeram di sebuah aliran sungai, perahu akan melaju semakin cepat ketika sungai semakin menyempit.

Pada bagian pengantar tulisan ini, kita membicarakn tentang air selang. Ketika sebagian mulut kran kita sumbat, aliran air menjadi lebih deras dibandingkan ketika sebagian mulut selang tidak kita tutup. Hal itu disebabkan karena luas penampang selang menjadi kecil ketika sebagian mulut selang kita tutup, sehingga laju aliran air bertambah (fluida mengalir deras). Tapi perlu diketahui bahwa debit alias laju aliran volume selalu sama pada setiap tempat sepanjang aliran air, baik ketika sebagian mulut selang kita tutup maupun tidak. Jadi yang berubah adalah laju aliran fluida tersebut. 

Lalu bagaimana dengan kasus aliran air di sungai ? Bagian sungai yang dalam memiliki penampang yang lebih besar dibandingkan dengan bagian sungai yang dangkal, sehingga laju aliran air pada bagian sungai yang dalam lebih kecil dari pada laju aliran air pada bagian sungai yang dangkal. Kalau kamu melihat aliran air sungai sangat tenang, itu artinya bagian sungai itu dalam. Tapi kalau tiba-tiba aliran air sungai menjadi deras, maka bagian sungai itu pasti dangkal. Walaupun demikian, laju aliran volume air selalu sama, baik pada bagian dalam maupun pada bagian sungai yang tenang.