Fluida Statis

FLUIDA STATIS

Pernahkah Anda datang ke tempat cuci mobil? Bagaimanakah pekerja mengangkat mobil?

Mengapa anggang-anggang dapat berjalan/berdiri di atas permukaan air?

Perhatikan tayangan video berikut ini!

Video 1 Dongkrak pengangkat mobil dan anggang-anggang (you tube: Pompa Hidrolik - Fisika - Eikla Luwlu Yasmina - Kelas Akselerasi 1 - SMP Labschool Kebayoran)

Fluida merupakan zat yang dapat mengalir. Contoh fluida diantaranya air, minyak, susu, bensin, solar, uap, gas, dan asap. Fluida terdiri atas dua macam, yaitu fluida yang dapat dimampatkan atau kompresibel dan yang tidak dapat dimampatkan atau inkompresibel.

1. Tekanan
Tingkat kesulitan dalam menancapkan/menekan sebuah paku ke dalam suatu benda, berhubungan dengan luas daerah yang ditekan. Semakin sempit daerah yang ditekan, semakin besar tekanan yang dihasilkan. Tekanan merupakan besar gaya yang bekerja pada suatu permukaan dibagi dengan luas permukaan tersebut. Jika gaya F   bekerja tegak lurus pada permukaan benda seluas A, besarnya tekanan secara matematis dituliskan sebagai berikut:

Keterangan :

 p = tekanan (N/m² = Pascal)

F = gaya (N)

A = luas bidang tekan (m²)

Coba Anda cermati tayangan video berikut ini

Video 2 Menancapkan paku (you tube : Tekanan (Bejana Berhubungan, Hukum Pascal, Hukum Archimedes).
Contoh 

Sebuah kotak yang beratnya 500 N dan luas alasnya 1 m² diletakkan di atas lantai. Hitunglah tekanan yang diberikan kotak pada lantai!

Diketahui    : F = 500 N, A = 1 m²

Ditanya       : p

Jawab:

Jadi, tekanan pada lantai sebesar 500 N/m².

2.    Tekanan Hidrostatik

Sebuah tabung berisi zat cair bermassa jenis  kedalaman h, dan luas penampang A. Zat cair yang berada di dalam bejana memiliki gaya berat w yang menekan dasar tabung. Semakin tinggi permukaan zat cair, semakin besar tekanan yang dihasilkan pada dasar tabung. 

Gambar 3

Secara matematis, hubungan antara besar tekanan yang dihasilkan dan ketinggian zat cair dituliskan sebagai berikut.

Berdasarkan persamaan di atas, dapat disimpulkan bahwa persamaan tekanan hidrostatis adalah

Keterangan :

p = tekanan hidrostatik (N/m²) atau Pa

ρ = massa jenis zat cair (kg/m³)

h = kedalaman zat cair (m)

g = percepatan gravitasi (m/s²)

Dari persamaan tersebut, dapat dipelajari bahwa tekanan hidrostatik sangat dipengaruhi oleh gaya gravitasi dan kedalaman zat cair.

Untuk zat cair yang sejenis, tekanan zat cair tidak tergantung pada luas penampang dan bentuk bejana, tetapi bergantung pada kedalaman zat cair. 

Video 3 Paradoks hidostatis (you tube : Hydrostatic Paradox, Free Fall, Where's the Gravity? [Flat Earth])

Perhatikan tayangan video percobaan pipa U berikut ini!

 
Video 4 Percobaan Pipa U (you tube : PRAKTIKUM FISIKA PIPA U)
Pada pipa U berlaku persamaan 

Mula-mula pipa U diisi zat cair pertama yang bermassa jenis ρ₁. Kemudian, ke dalam mulut bejana sebelah kanan dimasukkan zat cair kedua yang bermassa jenis ρ₂. Titik B berada pada perbatasan kedua zat cair tersebut dan ditekan oleh zat cair kedua setinggi h₂ Titik A berada pada zat cair pertama dan ditekan oleh zat cair pertama setinggi h₁ Titik A dan B berada pada satu garis. Sesuai dengan Hukum Hidrostatika, kedua titik tersebut memiliki tekanan yang sama. 
Contoh 

Tekanan yang bekerja di dasar sebuah wadah berisi raksa adalah 86.632 Pa. Berapakah ketinggian raksa pada wadah tersebut, jika ρ_raksa = 13.600 kg/m³ dan g = 9,8 m/s²?

Diketahui   :     p_h = 86.632 Pa;  = 13.600 kg/m³; g = 9,8 m/s²

Ditanya       :     h

Jawab:

3.    Hukum Pascal

Perhatikan tayangan video berikut ini

Video 5 Hukum Pascal (you tube : Pascal's Law)
Perangkat tersebut terdiri atas tabung yang diberi lubang dengan diameter yang sama. Piston bekerja sebagai pengisap dan tangkai piston berfungsi sebagai pendorong. Pada tabung tersebut diisi penuh dengan zat cair, kemudian piston diberi gaya tekan melalui tangkai piston. Ketika tekanan diberikan, zat cair akan memancar keluar melalui lubang dengan kecepatan yang sama.
Peristiwa tersebut menunjukkan bahwa tekanan yang diberikan pada suatu zat cair dalam ruang tertutup diteruskan sama besar ke segala arah. Pernyataan tersebut dikenal sebagai Hukum Pascal.
Perhatikan tayangan video berikut ini
Video 6 Dongkrak Hidrolik (you tube : Pascal's Principle: Hydraulic Lift)
Pada video 6 diperlihatkan proses kerja dongkrak hidrolik yang bekerja berdasarkan hukum Pascal. Dongkrak hidrolik terdiri atas bejana dengan dua kaki yang masing-masing diberi pengisap. Kedua pengisap ini memiliki dua penampang berbeda, yaitu A₁ dan A₂, dimana A₁ < A₂.
Jika pengisap 1 ditekan dengan gaya F₁, zat cair akan meneruskan tekanan tersebut ke segala arah. Besarnya tekanan pada pengisap 1 dinyatakan dengan persamaan

Jika di atas pengisap 2 diletakkan beban, gaya angkat ke atas pada pengisap 2 adalah F₂, yang dinyatakan dengan persamaan

Menurut hukum Pascal, tekanan yang diteruskan ke segala arah adalah sama besar sehingga

Jika bentuk penampang tabung berupa lingkaran dengan jari-jari r₁ dan r₂, akan diperoleh persamaan

Jadi, dengan gaya yang kecil, Anda dapat mengangkat beban yang lebih besar. Prinsip Pascal tersebut sering dijumpai dalam kehidupan sehari-hari, seperti dongkrak mobil dan pompa hidrolik.
Contoh 

Sebuah alat pengangkat mobil menggunakan luas penampang pengisap kecil 10 cm² dan pengisap besar 50 cm². Berapakah gaya yang harus diberikan agar dapat mengangkat sebuah mobil 20.000 N?

Diketahui    : A₁ = 10 cm²; A₂ = 50 cm²; F₂ = 20.000 N

Ditanya       : F₁

Jawab:

4.    Hukum Archimedes
Perhatikan tayangan video berikut ini
Video 7 hukum Archemedes (you tube : Lesson 13 - Archimedes' Principle - Demonstrations in Physics)

Misalkan balok tersebut memiliki berat 50 N, kemudian balok dimasukkan ke dalam bejana yang berisi air. Berat balok akan berkurang, misalnya menjadi 35 N. Menurut Anda, apakah yang menyebabkan berkurangnya berat balok tersebut? Berkurangnya berat balok ketika dimasukkan ke dalam air disebabkan oleh adanya gaya tekan ke atas dari air. Gaya ke atas dari air kali pertama diketahui oleh Archimedes sehingga gaya tersebut dinamakan gaya Archimedes.
Hukum Archimedes berbunyi, benda yang tercelup ke dalam fluida, baik sebagian ataupun seluruhnya, akan mengalami gaya ke atas sebesar berat zat cair yang dipindahkan oleh benda tersebut. Besarnya gaya Archimedes tersebut dinyatakan dengan persamaan

Keterangan:

F_A = gaya Archimedes (N)

ρ_c  = massa jenis fluida (kg/m³)

g    = percepatan gravitasi (m/s²)

Vc   = volume fluida yang dipindahkan/volume benda yang tercelup (m³)
Contoh 

Sebuah bola pejal ditimbang di udara, beratnya 50 N. Ketika bola tersebut ditimbang di dalam air, beratnya menjadi 45 N. Berapa gaya ke atas yang diterima bola pejal tersebut?

Diketahui    : w_u = 50 N; w_a = 45 N

Ditanya       : F_A

Jawab:

F_A = w_u – w_a = 50 N – 45 N = 5 N

Jadi, gaya ke atas bola tersebut adalah 5 N.

Adanya gaya ke atas (gaya Archimedes) pada sebuah benda yang masuk ke dalam zat cair, menyebabkan benda dapat mengapung, melayang, atau tenggelam.
Video 8

a. Benda Mengapung
Jika hanya sebagian benda yang tercelup ke dalam zat cair, benda disebut mengapung. Dalam keadaan ini, berat benda < gaya ke atas dari zat cair. Secara matematis dituliskan sebagai berikut 

Keterangan:

Vc   =   volume benda yang tercelup (m³)

V_B   =   volume benda seluruhnya (m³)

Supaya benda mengapung, massa jenis benda harus lebih kecil daripada massa jenis zat cair (ρ_B<ρ_C).

b. Benda Melayang
Jika seluruh bagian benda berada di dalam zat cair, namun benda tersebut tidak sampai menyentuh dasar tabung maka benda dikatakan melayang. Dalam keadaan seimbang, berat benda sama dengan gaya tekan ke atas oleh zat cair. Secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut.

Seluruh benda masuk ke dalam zat cair sehingga volume benda sama dengan volume zat cair yang dipindahkan. Oleh karena itu, untuk kasus melayang, massa jenis benda dan massa jenis zat cair adalah sama.

c.   Benda Tenggelam
Benda tenggelam terjadi karena gaya berat benda yang lebih besar daripada gaya tekan ke atas. Benda yang tenggelam akan menyentuh dasar tabung. Secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut.

Oleh karena volume benda yang tengelam sama dengan volume zat cair yang dipindahkan, yaitu V_B = V_C, dapat dituliskan

Jadi jika massa jenis benda lebih besar daripada massa jenis zat cair, benda akan tenggelam.

Contoh

Di sebuah bejana berisi air, mengapung segumpal es yang mempunyai massa jenis 0,9 gr/cm³. Volume es yang tercelup pada air adalah 0,18 m³. Tentukan volume es seluruhnya!

Diketahui    : r_es = 0,9 gr/cm³; V_f = 0,18 m³

Ditanya       : V_es

Jawab:

Sebelum melakukan perhitungan, jangan lupa kamu konversikan satuan massa jenis es.

5.        Penerapan Hukum Archimedes

Penerapan hukum Archimedes dapat Anda jumpai dalam kehidupan sehari-hari, contohnya rakit, perahu, kapal laut, dan balon udara. Pada dasarnya, semua jenis kendaraan laut menggunakan prinsip hukum Archimedes. Badan kapal dibuat berongga agar dapat memindahkan volume air laut lebih besar sehingga massa jenis kapal menjadi lebih kecil dan gaya angkat oleh air laut semakin besar. Dari keterangan ini, dapat diketahui penyebab kapal laut yang memiliki massa sangat besar dapat terapung pada permukaan air.

Video 9 Balon Udara

Prinsip Hukum Archimedes juga digunakan pada penerbangan balon udara. Balon udara dapat terangkat jika massa jenis dari keseluruhan balon udara tersebut lebih kecil daripada massa jenis udara. Volume gas dalam balon udara harus diperbesar atau menggunakan gas yang massa jenisnya lebih kecil daripada massa jenis udara luar agar balon tersebut dapat terangkat.
Ketinggian balon ketika terbang dapat diatur dengan menambahkan gas ke dalam balon udara. Massa beban yang dapat diangkat oleh balon udara adalah

Keterangan:

m     =   massa benda (kg)

V_B   =   volume benda (m³)

ρ_u    =   massa jenis udara (kg/m³)

ρ_g    =   massa jenis gas (kg/m³)