Pada pelajaran fisika di SMA kelas 11 salah satu materi fisika yang dipelajari adalah tentang fluida statis. materi ini sangat erat kaitannya dalam kehidupan sehari-hari baik yang menguntungkan ataupun yang merugikan, banyak sekali manfaat yang bisa kita ambil dari belajar fluida statis. materi ini dibuat berdasarkan apa yang saya pahami selama belajar fisika dan diambil dari berbagai sumber yang relevan. selamat menikmati...
Gambar 1.
(a) zat cair, (b) zat gas ketika dipindahkan dari atas ke bawah
(sumber :
holt physics)
Gambar 1 merupakan proses ketika suatu zat cair dan zat
gas ditumpahkan ke bawah, terlihat bahwa baik zat cair maupun zat gas sama-sama
mengalir ke bawah dan terjadi perubahan bentuk ketika sebelum mengalir-saat
mengalir-setelah mengalir. Fluida didefinisikan sebagai suatu zat yang dapat
mengalir dan mengubah bentuknya selama proses mengalir, zat yang termasuk fluida
adalah zat cair dan gas. Sedangkan fluida statis mempelajari tentang fluida
saat tenang dan kondisi setimbang.
Konsep dasar fluida statis
Massa jenis (ρ)
Keterangan :
ρ : massa jenis (kg.m-3)
m : massa (kg)
V : Volume (m3)
Jurus jitu :
Salah satu teknik menghafal adalah dengan mengubah bentuk
rumus menjadi bentuk-bentuk yang mudah diingat, cobalah untuk mengingatnya
sebagai gambar bukan sebagai tulisan.
Setiap benda yang memiliki material sama akan memiliki
massa jenis yang sama juga meskipun ukuran massa dan volumenya berbeda. Hal ini
dikarenakan rasio perbandingan massa dan volume kedua benda adalah sama. Massa
jenis sebongkah es akan sama dengan massa jenis pecahan dari bongkahan es
tersebut. Berikut tabel beberapa massa jenis benda
Tabel 1. Massa jenis benda
Bahan
|
Massa jenis {kg.m-3)
|
Bahan
|
Massa jenis {kg.m-3)
|
Udara (1 atm, 20 0C)
|
1,20
|
Beton
|
2,00 x 103
|
Oksigen
|
1,43
|
aluminium
|
2,7 x 103
|
Karbon dioksida
|
1,98
|
Besi, Baja
|
7,8 x 103
|
Etanol
|
0,81 x 103
|
Kuningan
|
8,6 x 103
|
Benzena
|
0,90 x 103
|
Tembaga
|
8,9 x 103
|
Es
|
0,92 x 103
|
Perak
|
10,5 x 103
|
Air
|
1,00 x 103
|
Timah
|
11,3 x 103
|
Air laut
|
1,03 x 103
|
Merkuri
|
13,6 x 103
|
Darah
|
1,06 x 103
|
Emas
|
19,3 x 103
|
Gliserin
|
1,26 x 103
|
Platina
|
21,4 x 103
|
(sumber : Physics University & holt physics)
Satuan massa jenis dapat dinyatakan dalam sistem MKS
(meter, kilo, sekon) yakni kg.m-3 atau sistem CGS (centi, gram,
sekon) yakni g.cm-3. Konversi kedua satuan ini adalah
1 g.cm-3 = 1.000 kg.m-3
Tekanan
Ketika suatu fluida dalam keadaan diam, fluida
tersebut memberikan memberikan gaya yang tegak lurus setiap permukaan yang
bersentuhan dengannya. Gaya inilah yang kita rasakan pada lengan atau kaki kita
saat berenang sehingga membuat tangan dan kaki cepat capek. Misalkan sebuah
bidang luasan sangat kecil (dA) berada dalam fluida, maka ia akan mendapatkan gaya
dari fluida dari kedua sisinya yang sama besar tapi berlawanan arah (perhatikan
gambar 2.a). hal tersebut juga berlaku tetap berlaku meskipun bidang luasan
tersebut berubah arah dan besar, ia akan tetap mendapatkan gaya yang sama besar
dan berlawanan arah dari fluida (perhatikan gambar 2.b)
Gambar 2.
(a) gaya oleh fluida pada sebuah bidang luasan, (b) gaya oleh fluida ketika
luasan berubah arah dan besar
(sumber : Physics
University)
Berdasarkan gambar 2, kita dapat mengetahui
bahwa gaya-gaya (dF⊥) yang dikerjakan oleh fluida pada suatu bidang luasan adalah gaya
normal, dalam hal ini dapat dikatakan bahwa bidang luasan tersebut mendapat
tekanan dari fluida pada kedua sisinya. Sehingga kita bisa mendefinisikan bahwa
tekanan adalah Gaya yang dikerjakan oleh fluida pada suatu luasan
tertentu. Secara matematis dapat dituliskan.
Jika tekanan yang diberikan pada tiap bagian bidang
luasan adalah sama besar maka kita dapat menuliskan persamaan di atas menjadi
Keterangan :
P : tekanan (Pa atau N.m-2)
F : gaya (N)
A : luas bidang tekan (m2)
Sekarang kita tinjau bagaimana tekanan yang
diberikan oleh fluida pada sebuah benda di dalamnya, perhatikan gambar berikut.
Gambar 3.
Tekanan fluida pada sebuah benda di dalamnya
Pada gambar 4 terlihat bahwa fluida akan
memberikan tekanan pada benda dari segala arah yang sama besar pada tiap
arahnya. Karena tekanan tidak memiliki arah yang spesifik maka tekanan termasuk
besaran skalar, hal ini berbeda dengan gaya yang memiliki arah tertentu
sehingga termasuk besaran vektor. Hal ini juga dapat dibuktikan melalui hasil percobaan
dengan menggunakan sensor tekanan seperti gambar di bawah ini.
Gambar 4.
Hasil percobaan mengukur tekanan menggunakan sensor tekanan
(sumber : https://www.ni.com/en-id/innovations/white-papers/06/how-to-measure-pressure-with-pressure-sensors.html)
Berdasarkan hasil percobaan pada gambar 5 terlihat bahwa
meskipun arah gaya yang mengenai sensor berubah-ubah besar tekanannya tetap dan
tidak dapat mengetahui arah dari tekanan tersebut secara spesifik
Tekanan atmosfer (Po) merupakan tekanan yang diberikan oleh atmosfer
bumi yang nilainya bervariasi bergantung pada perubahan cuaca dan sudut
elevasi. Pada keadaan normal tekanan atmosfer (kadang disebut juga tekanan
udara luar) memiliki nilai rata-rata.
Fenomena pada fluida statis
Tekanan Hidrostatis
Gambar 5. Orang
menyelam
(sumber :
www.google.com)
Ketika seseorang akan menyelam di laut atau
danau maka ia membutuhkan pakaian khusus untuk melindung tubuhnya dari tekanan
air laut. Semakin dalam orang menyelam, maka semakin besar tekanan yang akan
diterimanya. Hal ini membuktikan bahwa ada tekanan yang diberikan oleh fluida
pada suatu benda dengan dipengaruhi oleh kedalaman benda tersebut. Perhatikan
gambar berikut.
Gambar 6. Benda
yang terletak pada kedalaman h pada suatu fluida
Benda yang berada di kedalaman “h” pada suatu
fluida seperti gambar 7, akan mendapat gaya berat dari fluida di atasnya (kotak
biru) tekanan ini disebut dengan tekanan hidrostatis. Sehingga persamaan
tekanannya akan menjadi
Ph : tekanan hidrostatis (Pa atau N.m-2)
ρ : massa jenis zat cair (kg.m-3)
g : percepatan gravitasi (m.s-2)
h : kedalaman (m)
Tekanan hidrostatis sebanding dengan massa jenis zat
cair, percepatan gravitasi, dan kedalaman. Sehingga terlihat bahwa semakin
dalam (semakin jauh jarak dari permukaan) maka semakin besar tekanan
hidrostatis.
Tekanan total atau juga disebut tekanan absolut yang
diterima benda tersebut adalah
Ingatlah:
Konsep kedalaman dan ketinggian
Sering kali terdapat kesulitan untuk membedakan
antara kedalaman dan ketinggian. Kedalaman adalah jarak yang diukur pada suatu
titik dalam fluida dari permukaan zat cair, sedangkan ketinggian adalah jarak
yang diukur pada suatu titik dalam fluida dari dasar. Perhatikan gambar berikut
Gambar 7.
Perbedaan kedalaman dan ketinggian
Keterangan gambar :
h1 : kedalaman (m)
h2 : ketinggian (m)
Tekanan hidrostatis untuk dua fluida
Suatu benda yang terletak di dasar wadah dengan
dua jenis zat cair, maka akan mendapatkan tekanan hidrostatis dari kedua zat
cair tersebut. Perhatikan gambar berikut.
Gambar 8.
Benda di bawah dua fluida
Berdasarkan gambar, maka tekanan hidrostatis
yang diterima benda adalah
sedangkan untuk menentukan tekanan total benda, perlu
ditambahkan tekanan atmosfer (P0)
tekanan pada tabung pipa U
Gambar 9.
Tabung pipa U diisii dua fluida yang berbeda
(sumber :
Fundamentals of Physics)
Tekanan pada bagian yang sama permukaannya (interface)
adalah sama besar. Hal ini sesuai dengan hukum bejana berhubungan yang
menyatakan bahwa “jika bejana-bejana yang berhubungan diisi zat cair yang
sejenis dan dalam keadaan diam menyebabkan permukaan zat cair dalam satu bidang
datar, namun apabila diisi zat cair yang tidak sejenis maka ketinggian
permukaan kedua zat cair tidak akan sama”. Sehingga pada pipa U di atas
berlaku.
Tekanan gauge :
Gambar 10.
(a) manometer terbuka, (b) barometer air raksa
(sumber :
fundamentals of physics)
Gambar 2a. Menunjukkan alat pengukur tekanan menggunakan
manometer terbuka, pada pipa bagian kiri disambungkan dengan wadah yang
tekanannya belum diketahui dan pipa sebelah kanan dibiarkan terbuka sehingga
mendapat tekanan dari atmosfer (P0) serta tekanan bagian dasar kedua
pipa adalah sama sehingga pada dasar pipa kiri akan berlaku P + ρgy1, sedangkan pada dasar pipa sebelah kanan akan berlaku P0
+ ρgy2. Karena
kedua tekanan tersebut sama maka
P + ρgy1 = P0 + ρgy2
P - P0 = ρg (y2 - y1)
P - P0 = ρgh
Dalam hal ini nilai ρgh merupakan tekanan gauge dan P adalah tekanan absolut
Gambar 2b. Menunjukkan bahwa kenaikan air raksa pada pipa
dipengaruhi oleh besar tekanan atmosfer yang diberikan pada air raksa bagian bawah.
Semakin besar tekanan yang diterima maka kenaikan air raksa pada tabung akan
semakin besar, sedangkan ruang kosong di atas air raksa uap dari air raksa yang
tekanannya sangat kecil sekali (mendekati nol). Sehingga pada barometer ini
persamaan yang berlaku adalah
P0 = P = 0 + ρg (y2 – y1) = ρgh
Alat ini yang digunakan oleh Evalengista Torricelli untuk
mengukur tekanan atmosfer yang diambil di daerah pantai (di atas air laut),
dimana pada saat itu menunjukkan ketinggian air raksa adalah 76 cm. hasil ini
yang dijadikan acuan bahwa tekanan atmosfer atau tekanan udara luar adalah 1
atm atau 76 cmHg (Hg adalah nama kimia dari air raksa)
Hukum Pascal
Hukum Pascal pertama kali dikemukakan oleh Blaise Pascal
(1623 – 1662) seorang fisikawan Perancis pada tahun 1653 yang berbunyi “tekanan
yang diberikan pada zat cair dalam ruang tertutup akan diteruskan ke segala
arah dan sama besar”. Secara matematis dapat ditulis
P1 = P2
Keterangan :
F1 : gaya pada bidang 1
F2 : gaya pada bidang 2
A1 : luas permukaan bidang 1
A2 : luas permukaan bidang 2
Gambar 11.
Aplikasi hukum Pascal untuk alat pengangkat mobil
(sumber :
Fundamentals of Physics)
Gaya Archimedes
Pernahkah kalian merasakan ketika mengangkat
benda di dalam zat cair terasa lebih ringan daripada ketika mengangkat benda
tersebut di udara? atau mengapa menimbang berat benda di dalam zat cair akan
lebih ringan daripada ketika benda ditimbang di udara seperti gambar di bawah
ini.
Gambar 12.
(a) menimbang udara dalam zat cair, (b) menimbang benda di udara
Fenomena ini pertama kali di teliti oleh
Archimedes (287 – 212 SM) seorang ilmuwan dari Yunani ketika ia dimintai raja
Hieron II untuk membuktikan mahkota raja terbuat dari emas murni atau tidak.
Untuk membuktikan mahkota raja terbuat dari emas asli atau tidak ia kemudian
mengemukakan sebuah teori yang disebut dengan hukum Archimedes yakni “
setiap benda yang tercelup sebagian atau seluruhnya dalam suatu zat cair, maka
benda tersebut akan mendapatkan gaya tekan ke atas (gaya apung) yang besarnya
sama dengan berat zat cair yang dipindahkan”. Agar lebih memahami konsep
hukum Archimedes perhatikan gambar berikut.
Gambar 13.
Proses ketika sebuah benda dicelupkan ke dalam suatu zat cair
(sumber :
Holt physics)
Ketika sebuah benda dicelupkan sebagian ke dalam suatu
zat cair (gambar 13b) maka zat cair yang tumpah sedikit dan akan semakin banyak
ketika benda tercelup seluruhnya ke dalam zat cair (gambar 13c). Jika air pada
wadah (d) di ambil kemudian ditimbang maka berat zat cair tersebut akan sama
dengan selisih berat benda ketika di udara dan di dalam zat cair. Berat zat
cair yang dipindahkan ini disebut dengan gaya tekan ke atas (gaya apung). Secara
matematis di tulis
FA = wf (berat fluida yang dipindahkan)
FA = mf . g
FA = ρf . Vf . g
Ingatlah
Volume zat cair pada persamaan di atas,
bergantung pada volume benda yang tercelup ke dalam zat cair semakin banyak
bagian yang tercelup maka semakin banyak volume air yang tumpah.
Keterangan :
FA : gaya apung (N)
ρf : massa jenis zat cair (kg.m-3)
Vt : volume benda yang tercelup di dalam air (m3)
g : percepatan gravitasi (m.s-2)
Berat benda dalam zat cair atau berat semu benda
dapat ditentukan juga yakni
Keterangan :
ws : berat semu benda (ketika dalam zat cair)
wu : berat benda ketika di udara (berat asli benda)
FA : gaya apung
Berdasarkan persamaan di atas, terlihat bahwa nilai ws
< wu karena ketika benda di dalam zat cair terdapat gaya ke atas
sehingga menyebabkan beratnya berkurang. Hal ini yang membuat benda terasa
lebih ringan ketika berada di dalam zat cair.
Salah satu fenomena terkait dengan hukum
Archimedes ini adalah keadaan benda ketika terapung, melayang, maupun
tenggelam. Perhatikan gambar berikut.
Gambar 14.
(a) terapung, (b) melayang, (c) tenggelam
Terdapat beberapa ciri-ciri ketika benda terapung, atau
tenggelam yang dituliskan dalam tabel berikut
Terapung
|
Melayang
|
Tenggelam
|
Posisi benda
|
||
Sebagian di atas permukaan, sebagian di dalam zat cair
|
Semua bagian berada di dalam zat cair tetapi tidak
menyentuh dasar wadah
|
Semua bagian berada di dalam zat cair dan menyentuh
dasar wadah
|
Massa jenis
|
||
Massa jenis benda lebih kecil daripada massa jenis zat
cair (ρb < ρf)
|
Massa jenis benda lebih kecil sama dengan massa jenis
zat cair (ρb = ρf)
|
Massa jenis benda lebih besar daripada massa jenis zat
cair (ρb > ρf)
|
Gaya
|
||
FA = w
|
FA = w
|
FA < w
|
Ingatlah !
Pada zat suatu benda dalam keadaan terapung, bagian yang
berada di atas permukaan akan berbanding terbalik dengan massa jenis benda
tersebut. Semakin kecil massa jenis benda maka bagian yang berada di atas
permukaan akan semakin besar (benda semakin terapung)
Gaya Archimedes pada dua fluida
Perhatikan gambar berikut.
Gambar 15. Benda
berada pada dua jenis fluida
Jika sebuah benda diletakkan pada dua fluida yang berbeda
jenis seperti gambar 15, maka benda tersebut akan mendapat gaya apung dari
kedua jenis fluida. Karena benda dalam keadaan diam maka berlaku persamaan.
w = F1 + F2
mb . g = ρ1 VT1 g + ρ2 VT2 g
Tegangan Permukaan
Gambar 16.
Hewan yang berjalan di atas permukaan air
(sumber :
University physics with modern phyisics)
Perhatikan gambar 16, hewan tersebut mampu
berjalan di atas air tanpa jatuh tenggelam. Fenomena ini dikarenakan pada
permukaan zat cair tersebut ada tegangan permukaan. Tegangan permukaan
ini muncul karena adanya gaya tarik menarik antara partikel air (kohesi), pada
dasar semua molekul air akan saling tarik-menarik satu sama lainnya, akan
tetapi molekul air yang berada di bagian permukaan air hanya akan saling
menarik dengan molekul air yang ada di sebelah kiri dan kanannya saja (tidak
ada molekul air di atasnya) gaya tarik-menarik antar molekul di permukaan
inilah yang seolah-olah menyebabkan adanya membran tipis di permukaan.
Perhatikan ilustrasi berikut ini.
Gambar 17.
Gaya pada molekul air
(sumber : http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/surten.html)
Tegangan permukaan ini yang
menyebabkan tetesan air yang jatuh bebas akan berbentuk bulat, karena
molekul-molekul di dalam air akan saling tarik-menarik dengan molekul bagian
luarnya sehingga molekul bagian luarnya akan membentuk permukaan yang memiliki
luas paling lebih kecil
daripada volumenya. Kegunaan lain daripada tegangan permukaan adalah ketika
mencuci menggunakan detergen akan lebih mudah menghilangkan noda baju jika
dicampur dengan air panas, karena air panas akan mengurangi tegangan permukaan
noda baju sehingga detergen lebih mudah menyerap ke dalam baju dan
menghilangkan noda tersebut.
Viskositas
Jika dua permukaan zat padat yang saling
bersentuhan akan menimbulkan gesekan antara keduanya ketika sedang bergerak.
Hal yang sama juga terjadi pada fluida yang mengalir akan menimbulkan gesekan
pada lapisan fluida, yang disebut sebagai viskositas fluida. Semakin
besar viskositas dari fluida, maka fluida tersebut akan semakin susah mengalir,
dalam kehidupan sehari-hari viskositas fluida dikenal sebagai kekentalan
fluida.
Gambar 18.
Aliran fluida (a) ketika papan bagian bawah tetap dan papan bagian atas
bergerak, (b) pada sebuah pipa
Gambar 18.a menunjukkan bahwa air yang
bersentuhan dengan papan bagian bawah tidak bergerak, sedangkan air yang
bersentuhan dengan papan bagian atas ikut bergerak serta terjadi variasi
kecepatan air. Gambar 18.b menunjukkan bahwa air yang dekat dengan dinding pipa
tidak ikut bergerak dan semakin ke pusat pipa kecepatan air semakin besar
sehingga terjadi variasi kecepatan. Secara umum, viskositas (η) merupakan perbandingan dari strees (F/A)
dengan gradien kecepatan (v/ℓ) dalam suatu fluida.
Keterangan :
F : gaya (N)
A : Luas penampang (m2)
v : kecepatan (m.s-2)
ℓ : tebal lapisan (m)
η : koefisien viskositas (Pa s)
satuan dari viskositas (η) adalah pascal sekon (Ns.m-2) dalam bentuk
sistem CGS satuan viskositas adalah poise dimana 1 Pa.s = 10 poise.
Hukum Stokes
Sebuah bola yang dijatuhkan ke dalam fluida akan
mendapatkan gaya hambat dari fluida tersebut sebagai akibat adanya koefisien
viskositas (kekentalan fluida), semakin kental suatu fluida (koefisiennya makin
besar) maka gaya hambat yang timbul juga akan semakin besar sehingga benda akan
semakin susah mengalir melewati fluida tersebut. Gaya hambat ini disebut juga
dengan gaya Viskositas, besar gaya viskositas dapat ditentukan dengan
hukum Stokes yang secara matematis dapat ditulis.
Keterangan:
Fs : gaya hambat (N)
η : koefisien viskositas (Pa.s)
r : jari-jari benda (m)
v : kecepatan (m.s-1)
berikut tabel beberapa koefisien viskositas zat.
Fluida
|
Suhu (0C)
|
η (Pa.s)
|
Air
|
0
|
1,8 x 10-3
|
20
|
1,0 x 10-3
|
|
100
|
0,3 x 10-3
|
|
Darah
|
37
|
4,0 x 10-3
|
Plasma darah
|
37
|
1,5 x 10-3
|
Etil Alkohol
|
20
|
1,2 x 10-3
|
Oli (SAE 10)
|
30
|
200 x 10-3
|
Gliserin
|
20
|
1500 x 10-3
|
Udara
|
20
|
0,018 x 10-3
|
Hidrogen
|
0
|
0,009 x 10-3
|
Uap air
|
100
|
0,013 x 10-3
|
(sumber :
terpadu fisika untuk SMA/MA kelas XI semester 2)
Berdasarkan tabel di atas, dapat kita ketahui
bahwa koefisien viskositas juga dipengaruhi oleh suhu (lihat data air). Jika
kita perhatikan lagi persamaan pada hukum Stokes di atas, kita akan menemukan
bahwa ada variabel kecepatan yang mana pada benda yang jatuh kecepatannya akan
terus bertambah karena ada gaya gravitasi bumi. Kecepatan terminal didefinisikan
sebagai kecepatan suatu benda dalam fluida ketika benda dalam keadaan setimbang
(kecepatan konstan). perhatikan gambar berikut.
Gambar 19.
Benda jatuh dalam sebuah fluida
Ketika sebuah benda jatuh di dalam fluida, pada mulanya
ia akan bergerak dipercepat (di atas garis putus-putus) kemudian secara
perlahan perubahan kecepatan benda tersebut akan semakin berkurang hingga
menjadi konstan (tepat di garis putus-putus) setelah mencapai titik ini,
kecepatan benda tidak berubah lagi dan benda bergerak dengan kecepatan konstan
(kecepatan terminal). Terdapat tiga gaya yang bekerja pada benda yang bergerak
dalam fluida yakni gaya berat benda (w), gaya Apung (FA), serta
gaya viskositas (Fs) dengan arah seperti pada gambar. Karena benda
bergerak dengan kecepatan konstan, maka berlaku hukum I Newton, sehingga.
Fs + FA – w = 0
Fs + FA = w
Dengan memasukkan nilai FS = 6πηrv;
FA = ρf V g; w = m .g; V = 4/3 ηR3 (volume bola, maka akan di dapatkan
kecepatan terminal benda yang bergerak dalam fluida adalah sebagai berikut:
agar lebih memahmi tentang materi fluida statis silahkan dibaca
soal fisika kelas 11 materi fluida statis dan pembahasannya
soal fisika kelas 11 materi fluida statis dan pembahasannya
baca juga :
latihan soal fisika kelas 11 : materi dinamika rotasi (lengkap dengan pembahasan)]
penurunan rumus momen inersia berbagai benda
ternyata begini! pembiasan pada permukaan lengkung
mudah memahami gerak parabola pada bidang miring
latihan soal fisika kelas 11 : materi dinamika rotasi (lengkap dengan pembahasan)]
penurunan rumus momen inersia berbagai benda
ternyata begini! pembiasan pada permukaan lengkung
mudah memahami gerak parabola pada bidang miring
|
|
Sumber :
Foster,
B. terpadu fisika untuk SMA/MA Kelas XI semester 2. Erlangga. 2011
Homer,
D., Jones, M. B. 2014 edition Phycics course companion. Oxford
University press. 2014
Resnick,
R., Halliday, D., Walker, J. Fundamentals of Physics, 10th ed.,
John Wiley & Sons, Inc. 2014
Serway,
R. A., Faughn, J. S. Holt Physics. Holt. 2006
Wolfson,
R. Essential university physics 2nd ed. Pearson education,
Inc.2012
Young, H. D., Freedman, R. A. Sears ana
Zemansky’s university physics : with modern physics 13th ed.,
Pearson education, Inc.2012
Tidak ada komentar:
Posting Komentar