Fluida statis

Fluida ( zat alir ) didefinisikan sebagai zat yang dapat mengalir, misalnya zat cair dan gas. Dalam pelajaran fisika, fluida dapat digolongkan menjadi dua macam, yaitu fluida statis dan dinamis. Fluida statis adalah fluida yang berada dalam fase tidak bergerak (diam) atau fluida dalam keadaan bergerak tetapi tak ada perbedaan kecepatan antar partikel fluida tersebut.

     1. Sifat fisis fluida

Sifat fisis fluida dapat ditentukan dan dipahami lebih jelas saat fluida berada dalam keadaan diam (statis). Sifat-sifat fisis fluida statis ini di antaranya, massa jenis, tegangan permukaan, kapilaritas, dan viskositas.

Dalam Fisika, ukuran kepadatan (densitas) benda homogen disebut massa jenis, yaitu massa per satuan volume. Jadi massa jenis adalah pengukuran massa setiap satuan volume benda. Semakin tinggi massa jenis suatu benda, maka semakin besar pula massa setiap volumenya. Massa jenis rata-rata setiap benda merupakan total massa dibagi dengan total volumenya. Sebuah benda yang memiliki massa jenis lebih tinggi (misalnya besi) akan memiliki volume yang lebih rendah daripada benda bermassa sama yang memiliki massa jenis lebih rendah (misalnya air). Massa jenis berfungsi untuk menentukan zat. Setiap zat memiliki massa jenis yang berbeda. Dan satu zat berapapun massanya berapapun volumenya akan memiliki massa jenis yang sama.

Secara matematis, massa jenis dapat dirumuskan sebagai berikut.

                                                 

dengan:  

    m = massa (kg atau g),

    V = volume (m³ atau cm³), dan

    ρ = massa jenis (kg/m³ atau g/cm³). 

2. Tegangan permukaan

Coba kita lihat sebuah silet yang kita buat terapung di permukaan air. silet yang massa jenisnya lebih besar dari air ternyata dapat terapung di atas permukaan air. hal tersebut dikarenakan air memiliki tegangan permukaan sehingga bisa menopang silet. Tegangan permukaan disebabkan oleh interaksi molekul-molekul zat cair dipermukaan zat cair. Di bagian dalam cairan sebuah molekul dikelilingi oleh molekul lain disekitarnya, tetapi di permukaan cairan tidak ada molekul lain dibagian atas molekul cairan itu. Hal ini menyebabkan timbulnya gaya pemulih yang menarik molekul apabila molekul itu dinaikan menjauhi permukaan, oleh molekul yang ada di bagian bawah permukaan cairan. Sebaliknya jika molekul di permukaan cairan ditekan, dalam hal ini diberi silet, molekul bagian bawah permukaan akan memberikan gaya pemulih yang arahnya ke atas, sehingga gaya pemulih ke atas ini dapat menopang jarum atau silet tetap di permukaan air tanpa tenggelam.

Jadi dapat kita simpulkan bahwa pengertian dari tegangan permukaan adalah kecenderungan permukaan zat cair untuk menegang, sehingga permukaannya seperti ditutupi oleh suatu lapisan elastis.

3. Kapilaritas

Tegangan permukaan yang telah kita bahas sebelumnya ternyata juga mempunyai peranan pada fenomena menarik, yaitu kapilaritas. Contoh peristiwa yang menunjukkan kapilaritas adalah minyak tanah yang dapat naik melalui sumbu kompor. Selain itu, dinding rumah kita pada musim hujan dapat basah juga terjadi karena adanya gejala kapilaritas.

Untuk membahas masalah kapilaritas, kita perhatikan sebuah pipa kaca dengan diameter kecil (pipa kapiler) yang ujungnya terbuka saat dimasukkan ke dalam bejana berisi air. Kita dapat menyaksikan bahwa permukaan air dalam pipa akan naik. Lain hasilnya jika kita mencelupkan pipa tersebut ke dalam bejana berisi air raksa. Permukaan air raksa dalam tabung akan turun atau lebih rendah daripada permukaan air raksa dalam bejana. Gejala inilah yang disebut dengan gejala kapilaritas.Berikut ini beberapa contoh yang menunjukkan gejala kapilaritas dalam kehidupan sehari-hari:

a. Naiknya minyak tanah melalui sumbu kompor sehingga kompor bisa dinyalakan.

b. Kain dan kertas isap dapat menghisap cairan.

c. Air dari akar dapat naik pada batang pohon melalui pembuluh kayu.

4. VISKOSITAS 

 Viskositas merupakan pengukuran dari ketahanan fluida yang diubah baik dengan tekanan maupun tegangan. Pada masalah sehari-hari (dan hanya untuk fluida), viskositas adalah "Ketebalan" atau "pergesekan internal". Oleh karena itu, air yang "tipis", memiliki viskositas lebih rendah, sedangkan madu yang "tebal", memiliki viskositas yang lebih tinggi. Sederhananya, semakin rendah viskositas suatu fluida, semakin besar juga pergerakan dari fluida tersebut. Viskositas menjelaskan ketahanan internal fluida untuk mengalir dan mungkin dapat dipikirkan sebagai pengukuran dari pergeseran fluida.

Seluruh fluida (kecuali superfluida) memiliki ketahanan dari tekanan dan oleh karena itu disebut kental, tetapi fluida yang tidak memiliki ketahanan tekanan dan tegangan disebut fluide ideal.

5. Tekanan Hidrostatis 

Tekanan Hidrostatis adalah tekanan yang terjadi didalam air. Tekanan  hidrostatis disebabkan oleh fluida tak bergerak. Tekanan hidrostatis yang dialami oleh suatu titik di dalam fluida diakibatkan oleh gaya berat fluida yang berada di atas titik tersebut. Jika besarnya tekanan hidrostatis pada dasar tabung adalah p, menurut konsep tekanan, besarnya p dapat dihitung dari perbandingan antara gaya berat fluida (F) dan luas permukaan bejana (A).

p= F/A 

Gaya berat fluida merupakan perkalian antara massa fluida dengan percepatan gravitasi Bumi, ditulis

p= massa x gravitasi bumi / A 

Oleh karena m = ρ V, persamaan tekanan oleh fluida dituliskan sebagai

p =  ρVg / A

Volume fluida di dalam bejana merupakan hasil perkalian antara luas permukaan bejana (A) dan tinggi fluida dalam bejana (h). Oleh karena itu, persamaan tekanan di dasar bejana akibat fluida setinggi h dapat dituliskan menjadi

p=  ρ(Ah) g / A = ρ h g 

Jika tekanan hidrostatis dilambangkan dengan ph, persamaannya dituliskan sebagai berikut.

Ph = ρ g h

p_h = tekanan hidrostatis (N/m²),

ρ = massa jenis fluida (kg/m³),

g = percepatan gravitasi (m/s²), dan

h = kedalaman titik dari permukaan fluida (m). 

contoh soal:

Tabung setinggi 30 cm diisi penuh dengan fluida. Tentukanlah tekanan hidrostatis pada dasar tabung, jika g = 10 m/s2 dan tabung berisi:

a. air,

b. raksa, dan

c. gliserin.                                                                       

Gunakan data massa jenis pada Tabel

Jawab

Diketahui:  h = 30 cm dan g = 10 m/s².

Ditanya   : a. P_{h air}

    b. P_{h raksa}

    c. P_{h gliserin}

               Jawab :

a. Tekanan hidrostatis pada dasar tabung yang berisi air:

    P_h = ρ gh = (1.000 kg/m³) (10 m/s²) (0,3 m) = 3.000 N/
    b. Tekanan hidrostatis pada dasar tabung yang berisi air raksa: 

                P_h = ρ gh = (13.600 kg/m³) (10 m/s²) (0,3 m) = 40.800 N/m²
 c. Tekanan hidrostatis pada dasar tabung yang berisi gliserin: 
              P_h = ρ gh = (1.260 kg/m³) (10 m/s²) (0,3 m) = 3.780 N/m² 

4. Hukum Pascal

Bila ditinjau dari zat cair yang berada dalam suatu wadah, tekanan zat cair pada dasar wadah tentu saja lebih   besar dari tekanan zat cair pada bagian di atasnya. Semakin ke bawah, semakin besar tekanan zat cair tersebut. Sebaliknya, semakin mendekati permukaan atas wadah, semakin kecil tekanan zat cair tersebut. Besarnya tekanan sebanding dengan pgh (p = massa jenis, g = percepatan gravitasi dan h = ketinggian/kedalaman). Setiap titik pada kedalaman yang sama memiliki besar tekanan yang sama. Hal ini berlaku untuk semua zat cair dalam wadah apapun dan tidak bergantung pada bentuk wadah tersebut. Apabila ditambahkan tekanan luar misalnya dengan menekan permukaan zat cair tersebut, pertambahan tekanan dalam zat cair adalah sama di segala arah. Jadi, jika diberikan tekanan luar, setiap bagian zat cair mendapat jatah tekanan yang sama.

PERSAMAAN HUKUM PASCAL

Jika suatu fluida yang dilengkapi dengan sebuah penghisap yang dapat bergerak maka tekanan di suatu titik tertentu tidak hanya ditentukan oleh berat fluida di atas permukaan air tetapi juga oleh gaya yang dikerahkan oleh penghisap. Berikut ini adalah gambar fluida yang dilengkapi oleh dua penghisap dengan luas penampang berbeda. Penghisap pertama memiliki luas penampang yang kecil (diameter kecil) dan penghisap yang kedua memiliki luas penampang yang besar (diameter besar) 

 

Gambar 1: Fluida yang Dilengkapi Penghisap dengan Luas Permukaan Berbeda

Sesuai dengan hukum Pascal bahwa tekanan yang diberikan pada zat cair dalam ruang tertutup akan diteruskan sama besar ke segala arah, maka tekanan yang masuk pada penghisap pertama sama dengan tekanan pada penghisap kedua.

Tekanan dalam fluida dapat dirumuskan dengan persamaan di bawah ini.

P = F : A

sehingga persamaan hukum Pascal bisa ditulis sebagai berikut.

P1 = P2

F1 : A1 = F2 : A2

dengan P = tekanan (pascal), F = gaya (newton), dan A = luas permukaan penampang (m2).

Ada berbagai macam satuan tekanan. Satuan SI untuk tekanan adalah newton per meter persegi (N/m2) yang dinamakan pascal (Pa). Satu pascal sama dengan satu newton per meter persegi. Dalam sistem satuan Amerika sehari-hari, tekanan biasanya diberikan dalam satuan pound per inci persegi (lb/in2). Satuan tekanan lain yang biasa digunakan adalah atmosfer (atm) yang mendekati tekanan udara pada ketinggian laut. Satu atmosfer didefisinikan sebagai 101,325 kilopascal yang hampir sama dengan 14,70 lb/in2. Selain itu, masih ada beberapa satuan lain diantaranya cmHg, mmHg, dan milibar (mb).

1 mb = 0.01 bar

1 bar = 105 Pa

1 atm = 76 cm Hg = 1,01 x 105 Pa= 0,01 bar

1 atm = 101,325 kPa = 14,70 lb/in2

Untuk menghormati Torricelli, fisikawan Italia penemu barometer (alat pengukur tekanan), ditetapkan satuan dalam torr, dimana 1 torr = 1 mmHg (Tipler, 1998). 

Dari hukum Pascal diketahui bahwa dengan memberikan gaya yang kecil pada penghisap dengan luas penampang kecil dapat menghasilkan gaya yang besar pada penghisap dengan luas penampang yang besar, Prinsip inilah yang dimanfaatkan pada peralatan teknik yang banyak dimanfaatkan manusia dalam kehidupan misalnya dongkrak hidraulik, rem hidraulik, dan pompa hidraulik.

5. Hukum Archimedes

 Bunyi Hukum Archimedes

“Benda di dalam zat cair akan mengalami pengurangan berat sebesar berat zat cair yang dipindahkan”.

Hukum Archimedes Berlaku Untuk Semua Fluida
Vbf adalah volum benda yang tercelup dalam FLUIDA
Fa = Mfg
Fa = pfVbfg
Fa = F2 – F1 karena F2 > F1
                 = pf gh2 A – pf gh1 A
                 = pf gA (h2 – h1)
                 = pf gAh sebab h2 – h1 = h
                 = pf gVbf

sebab Ah = Vbf adalah volum silinder yang tercelup dalam fluida

PERHATIKAN
           pf Vbf = massa Fluida (Mf)
          pf gVbf = berat Fluida yang dipindahkan benda (Mfg)

Keadaan Benda
          Tiga keadaan benda di dalam zat cair :
Melayang
            pb, rata-rata = pf
                           w = Fa
KETERANGAN
           pb = massa jenis benda
            pf = massa jenis fluida
            w = berat benda
           Fa = gaya Apung
Tenggelam
          pb, rata-rata > pf
          w > Fa
KETERANGAN
          pb = massa jenis benda
           pf = massa jenis fluida
           w = berat benda
          Fa = gaya Apung
Terapung
         pb, rata-rata < pf
     w = Fa
KETERANGAN
        pb = massa jenis benda
         pf = massa jenis fluida
         w = berat benda
        Fa = gaya Apung

Posted in: materi fisika