Daily Physics

Posted in | di 23.26

FLUIDA STATIS

PENGERTIAN FLUIDA

Dalam fisika, fluida diartikan sebagai suatu zat yang dapat mengalir. Istilah fluida mencakup zat cair dan gas, karena zat cair seperti air atau zat gas seperti udara dapat mengalir. Zat padat seperti batu atau besi tidak dapat mengalir sehingga tidak bisa digolongkan dalam fluida. Contoh dalam kehidupan sehari‐hari seperti ketika dirimu mandi, dirimu pasti membutuhkan air. Untuk sampai ke bak penampung, air dialirkan baik dari mata air atau disedot dari sumur. Air merupakan salah satu contoh zat cair. Dan semuanya zat cair itu dapat kita kelompokan ke dalam fluida karena sifatnya yang dapat mengalir dari satu tempat ke tempat yang lain.

Selain zat cair, zat gas juga termasuk fluida. Zat gas juga dapat mengalir dari satu satu tempat ke tempat lain. Hembusan angin merupakan contoh udara yang berpindah dari satu tempat ke tempat lain.

Fluida merupakan salah satu aspek yang penting dalam kehidupan kita sehari‐hari. Setiap hari kita menghirupnya, meminumnya dan bahkan terapung atau teggelam di dalamnya. Setiap hari pesawat udara terbang melaluinya, kapal laut mengapung di atasnya; demikian juga kapal selam dapat mengapung atau melayang di dalamnya. Air yang kita minum dan udara yang kita hirup juga bersirkulasi di dalam tubuh kita setiap saat, hingga kadang tidak kita sadari.

FLUIDA STATIS

Fluida statis adalah fluida yang tidak bergerak atau dalam keadaan diam, misalnya air dalam gelas.

1. Massa jenis

Salah satu sifat penting dari suatu zat adalah kerapatan alias massa jenisnya. Istilah kerennya adalah densitas (density). Kerapatan alias massa jenis merupakan perbandingan massa terhadap volume zat.

Secara matematis ditulis :

ρ =m/V

(p dibaca “rho”) merupakan huruf yunani yang biasa digunakan untuk menyatakan kerapatan, m adalah massa dan v adalah volume.

Satuan Sistem Internasional untuk massa jenis adalah kilogram per meter kubik (kg/m3). Untuk satuan CGS centimeter, gram dan sekon, satuan Massa jenis dinyatakan dalam gram per centimeter kubik (gr/cm3).

2. Tekanan dalam fluida

Dalam ilmu fisika, Tekanan diartikan sebagai gaya per satuan luas, di mana arah gaya tegak lurus dengan luas permukaan. Secara matematis, tekanan dapat dinyatakan dengan persamaan berikut ini :

P = F/A

p = tekanan, F = gaya dan A = luas permukaan. Satuan gaya (F) adalah Newton (N), satuan luas adalah meter persegi (m²). Karena tekanan adalah gaya per satuan luas maka satuan tekanan adalah N/m². Nama lain dari N/m² adalah pascal (Pa).

· Pengaruh kedalaman terhadap Tekanan

Keterangan :

w adalah berat air

h = ketinggian kolom air dalam wadah yang berbentuk silinder

A = luas permukaan

P adalah tekanan.

Massa kolom zat cair adalah :

ρ = m/V
m = ρ V
m = ρhA

Berat kolom zat cair adalah :

w = mg
w = ρhAg

Keterangan :

w = gaya berat

ρ = massa jenis

m = massa

g = percepatan gravitasi

V = hA = volume kolom zat cair (h = tinggi, A = luas permukaan)

Jika kita masukan ke dalam persamaan Tekanan, maka akan diperoleh :

P = F/A
P = mg/A
P = ρVg/A
P = ρhAg/A

P = ρgh→Persamaan 1 (wadah tertutup)

P = Pa + ρgh→ Persamaan 2 (wadah terbuka)

Keterangan :

pa = Tekanan atmosfir

ρgh = Tekanan hidrostatis

Kita juga bisa menggunakan persamaan di atas untuk menghitung perbedaan tekanan pada setiap kedalaman yang berbeda. Kita oprek lagi persamaan di atas menjadi :

Δp = ρgΔh

Keterangan :

Δp = perbedaan tekanan

Δh = perbedaan ketinggian

· Alat ukur tekanan fluida

1. Barometer raksa

Untuk mengukur tekanan b udara. Tabung yang berisi raksa dibalikkan. Ruang kosong di bagian atas tabung hanya berisi uap raksa yang tekanannya sangat kecil

Tinggi kolom raksa 76 cm = 760 mm

tekanan udara luar 76 cmHg

P₂– P₁ = ρg(y₁-y₂)

2. Manometer tabung terbuka

Terdiri dari sebuah ruang yang berisi gas yang

ingin diketahui tekanannya pg. Ujung terbuka manometer, tekanan udara luar po

P₂ = P₁ + ρgh

P₂ – P₁ = P_g = ρgh

3. Prinsip Pascal

Jika menambahkan tekanan sebesar p_o pada bagian atas fluida, maka setiap bagian fluida akan menerima perubahan tekanan yang besarnya sama p_o

· “Tekanan yang diberikan pada fluida dalam ruang yang tertutup diteruskan ke segala bagian fluida dengan sama besar”

Contohnya pada prinsip pengungkit(dongkrak) hidrolik

Secara matematis bisa ditulis sebagai berikut :

p masuk = p keluar

F/A masuk = F/A keluar

Keterangan :

P = Tekanan

F = Gaya

A = Luas permukaan

Kata masuk mewakili tekanan yang diberikan, sedangkan kata keluar mewakili tekanan yang diteruskan.

ΔP_i = F_i/A_i=F_o/A_o

F_o = (A_o/A_i)F_i

Jika A_o> A_i, maka gaya angkat F_o > F_i

4. Prinsip Archimedes

Tinjau sebuah benda yang berada dalam fluida

Gaya ke atas yang dialami benda

F _{ke atas} = p_oA = (p_o +p_fgy)A

Gaya ke bawah yang dialami benda

Fkebawah = p_oA + w = p_oA +p_bgV

= p_oA + p_bghA

Ada tiga keadaan benda dalam zat cair, yaitu terapung, melayang dan tenggelam. Dengan menggunakan hukum I Newton dan hukum Archimedes, kita dapat menentukan syarat benda terapung, melayang dan tenggelam.

· Terapung

Pada saat benda terapung, besar gaya Archimedes F_Asama dengan berat benda w = mg. Jadi,

F_A = mg

p_fluidagV_t = p_b V_bg

volume benda yang tercelup V_t selalu lebih kecil daripada volume benda V_b. Jadi, massa jenis benda (p_b) yang terapung lebih kecil dari pada massa jenis fluida, p_b< p_fluida

· Melayang

Pada saat benda melayang, besarnya gaya Archimedes F_Asama dengan berat benda w = mg. Jadi,

F_A= mg

p_fluidagV_t = p_b V_bg

Akan tetapi, volume benda yang tercelup sama dengan volume benda. Jadi syarat benda melayang adalah p_b= p_fluida

Tenggelam

Pada saat tenggelam, besar gaya Archimedes F_Asama lebih kecil daripada berat benda w = mg. Akan tetapi, volume benda yang tercelup sama dengan volume benda. Jadi syarat benda melayang adalah p_b= p_fluida.Akan tetapi, benda bertumpu pada dasar bejana sehingga ada gaya normal N sehingga berlaku

F_A+ N = w

N = p_b V_bg - p_fluidagV_t

Gaya normal N selalu positif sehingga p_b>p_fluida.

5. Persamaan Tegangan Permukaan

Untuk membantu kita menurunkan persamaan tegangan permukaan, kita tinjau sebuah kawat yang dibengkokkan membentuk huruf U. Sebuah kawat lain yang berbentuk lurus dikaitkan pada kedua kaki kawat U, di mana kawat lurus tersebut bisa digerakkan.

Jika kawat ini dimasukan ke dalam larutan sabun, maka setelah dikeluarkan akan terbentuk lapisan air sabun pada permukaan kawat tersebut. Karena kawat lurus bisa digerakkan dan massanya tidak terlalu besar, maka lapisan air sabun akan memberikan gaya tegangan permukaan pada kawat lurus sehingga kawat lurus bergerak ke atas.

Untuk mempertahankan kawat lurus tidak bergerak (kawat berada dalam kesetimbangan), maka diperlukan gaya total yang arahnya ke bawah, di mana besarnya gaya total adalah F = w + T. Dalam kesetimbangan, F = gaya tegangan permukaan yang dikerjakan oleh lapisan air sabun pada kawat lurus.

Misalkan panjang kawat lurus adalah l. Karena lapisan air sabun yang menyentuh kawat lurus memiliki dua permukaan, maka gaya tegangan permukaan yang ditimbulkan oleh lapisan air sabun bekerja sepanjang 2l. Tegangan permukaan pada lapisan sabun merupakan perbandingan antara Gaya Tegangan Permukaan (F) dengan panjang permukaan di mana gaya bekerja (d). Untuk kasus ini, panjang permukaan adalah 2l. Secara matematis, ditulis :

γ = F/d

γ = F/2l

Keterangan :

γ = Tegangan permukaan

F = Gaya tegangan permukaan

Karena tegangan permukaan merupakan perbandingan antara Gaya tegangan permukaan dengan Satuan panjang, maka satuan tegangan permukaan adalah Newton per meter (N/m) atau dyne per centimeter (dyn/cm).

1 dyn/cm = 10‐3 N/m = 1 mN/m

6. Kapilaritas

Ketinggian maksimum yang dapat dicapai cairan ketika cairan naik melalui pipa kapiler terjadi ketika gaya tegangan permukaan seimbang dengan berat cairan yang ada dalam pipa kapiler.

γ = F/d

F = γd

F = γd cos θ

F = γ2πr cos θ

Keterangan :

F = Gaya tegangan permukaan

γ = Tegangan permukaan

r = Jari‐jari pipa kapiler

θ = Sudut kontak

Apabila permukaan cairan yang melengkung ke atas diabaikan, maka volume cairan dalam pipa adalah :

Volume cairan = Luas permukaan pipa x Ketinggian cairan

V = Ah

V = (πr²)h

Apabila komponen vertikal dari Gaya Tegangan Permukaan seimbang dengan berat kolom cairan dalam pipa kapiler, maka cairan tidak dapat naik lagi. Dengan kata lain, cairan akan mencapai ketinggian maksimum, apabila komponen vertikal dari gaya tegangan permukaan seimbang dengan berat cairan setinggi h. Komponen vertikal dari gaya tegangan permukaan adalah :

F = γ2πr cos θ

Sedangkan berat cairan dalam pipa kapiler adalah :

w = mg

w = ρVg

w = ρ(πr²h)g

Ketika cairan mencapai ketinggian maksimum (h), Komponen vertikal dari gaya tegangan permukaan harus sama dengan berat cairan yang ada dalam pipa kapiler. Secara matematis, ditulis :

F= w

γ2πr cos θ = p(πr²h)g

h = 2γπr cos θ / ρ (πr²)g

h = 2γ cos θ / ρ rg