BAB II LANDASAN TEORI
C. FLUIDA STATIS a. Pengertian Fluida
Fluida adalah zat yang dapat mengalir dan memberikan sedikit hambatan terhadap perubahan bentuk ketika ditekan. Sehingga fluida juga disebut zat alir. Contoh dari fluida adalah zat cair dan gas.
Cabang ilmu fisika yang mempelajari fluida adalah ilmu mekanika fluida. Mekanika fluida mengkaji fluida diam (statis) maupun fluida bergerak (dinamis).
Mekanika fluida yang mengkaji fluida diam dinamakan statika fluida atau disebut hidrostatika, sedangkan mekanika fluida yang mengkaji fluida bergerak dinamakan dinamika fluida atau disebut hidrodinamika.
b. Massa Jenis dan Tekanan Fluida
1. Massa Jenis
Massa jenis merupakan salah satu sifat fisis zat yang menyatakan perbandingan massa zat dengan volum zat tersebut. Secara matematis massa jenis dinyatakan dengan:
V m
dengan: = massa jenis benda (kg/m3) m= massa benda (kg)
2. Tekanan pada Fluida
Pada dasarnya, fluida selalu memberikan tekanan pada setiap bidang permukaan yang bersinggungan dengannya. Tekanan didefinisikan sebagai gaya yang bekerja tegak lurus pada suatu bidang per satuan luas bidang itu. Secara matematis dapat ditulis:
A F P Dengan: P= tekanan (N/m2) F= gaya (N) A= luas bidang (m2) Satuan tekanan
Satuan Si untuk gaya adalah N (Newton) dan untuk luas bidang adalah m2. Dengan demikian satuan SI untuk tekanan adalah N/m2. Dalam satuan SI digunakan satuan lain untuk tekanan yaitu Pascal (Pa), dimana:
1 Pa = 1 N/m2
Untuk keperluan cuaca digunakan satuan tekanan lain yaitu atmosfer (atm), cm-raksa (cmHg) dan milibar (mb).
1mb = 0.001 bar 1 bar = 105 Pa
3. Tekanan Hidrostatis
Tekanan di dalam zat cair bergantung pada kedalaman, makin dalam letak suatu tempat di dalam zat cair, maka semakin besar tekanan pada tempat itu.
Gaya gravitasi menyebabkan zat cair dalam suatu wadah selalu tertarik ke bawah. Makin tinggi zat cair dalam wadah, makin berat zat cair itu, sehingga makin besar tekanan yang dikerjakan zat cair pada dasar wadah. Tekanan zat cair yang hanya disebabkan oleh beratnya dinamakan tekanan hidrostatis.
Tekanan Hidrostatis (P) zat cair dengan massa jenis () pada kedalaman h dirumuskan dengan:
P = .g.h
Dengan : g = percepatan gravitasi. 4. Tekanan Atmosfer
Atmosfer adalah lapisan udara yang menyelimuti bumi. Pada tiap bagian atmosfer bekerja gaya gravitasi. Makin ke bawah, makin berat lapisan udara yang diatasnya. Dengan demikian, makin rendah suatu tempat, makin tinggi tekanan atmosfernya.
Tekanan pada suatu kedalaman tertentu di dalam zat cair juga dipengaruhi oleh tekanan atmosfer yang menekan lapisan zat cair paling atas. Dengan demikian, tekanan total pada suatu kedalaman tertentu di dalam zat cair dapat dirumuskan sebagai berikut:
h g P P o . .
Dengan: P = tekanan total (N/m2) P0 = tekanan atmosfer (atm) = massa jenis zat (kg/m3) g = percepatan gravitasi (m/s2) h = kedalaman (m)
c. Hukum-Hukum Pada Statika Fluida
1. Hukum Pokok Hidrostatik Persamaannya: P = .g.h
Menyatakan bahwa tekanan hidrostatis pada suatu titik didalam suatu zat cair bergantung pada massa jenis zat cair dan letak titik tersebut dibawah permukaan zat cair itu. Ini berarti didalam suatu zat cair, tekanan hidrostatis hanya bergantung pada letak titik tersebut dari permukaan zat cair (kedalamannya) berarti juga bahwa semua titik yang terletak pada kedalaman yang sama mempunyai tekanan hidrostatis yang sama besar. Karena permukaan zat cair terletak pada bidang datar, maka titik-titik yang memiliki tekanan yang sama terletak pada suatu bidang datar.
Hukum pokok hidrostatik menyatakan:
“Tekanan hidrostatik pada sembarang titik yang terletak pada bidang datar di dalam sejenis zat cair yang dalam keadaan setimbang adalah sama.”
2. Hukum Pascal
Hukum Pascal berbunyi:
“Tekanan yang diberikan kepada zat cair di dalam ruang tertutup diteruskan sama besar ke segala arah.”
Prinsip kerja Hukum Pascal:
Gambar 1. Gambar hidrolik.
Penghisap I mempunyai luas penampang A1. Jika penghisap 1 ditekan dengan gaya F1, maka zat cair akan menekan penghisap 1 keatas dengan gaya Pa1 sehingga terjadi keseimbangan pada penghisap 1 dan berlaku: 1 1 1 1 . A F P F A P
Berdasarkan hukum Pascal, tekanan pada zat cair tersebut diteruskan sama besar ke segala arah, maka penghisap 2 bekerja gaya ke atas P. A2 yang seimbang dengan gaya F2 yang bekerja pada penghisap 2 dengan arah ke bawah dan berlaku:
2 2 2 2 . A F P F A P , dengan demikian 1 1 2 2 2 1 2 1 2 2 1 1 F A A F A A F F A F A F
Persamaan ini menyatakan bahwa perbandingan gaya yang bekerja pada penghisap sama dengan perbandingan luas penghisap.
Prinsip kerja hukum Pascal ini dimanfaatkan dalam peralatan teknik diantaranya:
a. Dongkrak hidrolik b. Pompa Hidrolik
c. Mesin Hidrolik pengangkat mobil d. Mesin Pengempes hidrolik e. Rem piringan hidrolik 3. Hukum Archimedes
Hukum Archimedes berbunyi:
“Setiap benda yang terendam seluruhnya atau sebagian di dalam fluida mendapat gaya apung berarah ke atas, yang besarnya adalah sama dengan berat fluida yang dipindahkan oleh benda ini.”
Jika berat benda di udara W, berat benda di dalam zat cair W’, maka gaya ke atas (Fa):
Fa = W – W’
Gaya ke atas juga dirumuskan dengan : Fa = mf.g Fa=f.g.Vf
Mf = massa fluida (kg)
f = massa jenis fluida (kg/m3) g = percepatan gravitasi (m/s2)
Vf = volum benda yang tercelup dalam zat cair (m3)
Pada suatu benda yang tercelup di dalam zat cair, selalu bekerja gaya atas Fa, juga bekerja gaya berat W yang berarah ke bawah. Berdasarkan besarnya kedua gaya ini posisi benda dalam zat cair dapat digolongkan menjadi tiga yaitu mengapung, melayang dan tenggelam. a. Mengapung
Gambar 2. Gambar benda mengapung di zat cair.
Pada kasus mengapung, gaya berat benda W sama dengan gaya keatas Fa. Pada kasus ini hanya sebagian benda yang tercelup di dalam zat cair sehingga volum zat cair yang dipindahkan sama dengan volum benda yang tercelup di dalam zat cair dan lebih kecil dari volum benda.
W = Fa
m.g = mf . g Vb . b .g = Vf . f .g
Vb . b = Vf . f b f f b V V .
dengan: b= massa jenis benda (kg/m3) f= massa jenis fluida (kg/m3) Vb= Volume benda seluruhnya (m3)
f
V = Volume benda tercelup (m3)
Karena Vf <Vb maka b f V V <1. Dengan demikian b<f
Jadi pada kasus mengapung, massa jenis benda lebih kecil dari pada massa jenis zat cair.
b. Melayang
Gambar 3. Gambar benda melayang dalam zat cair.
Pada kasus melayang, gaya berat benda W sama dengan gaya keatas Fa. Pada kasus ini seluruh benda tercelup di dalam zat cair sehingga volum zat cair yang dipindahkan sama dengan volum benda seluruhnya.
Pada keadaan melayang berlaku : W = Fa
Mb.g = mf.g (Vb.b).g = (Vf.f).g
Vb.b = Vf.f
Karena volum zat cair yang dipindahkan (Vf) sama dengan volum benda seluruhnya (Vb), yaitu Vb = Vf , maka b = f.
Jadi pada kasus melayang, massa jenis benda sama dengan massa jenis zat cair.
c. Tenggelam
Gambar 4. Gambar benda tenggelam dalam zat cair
Pada kasus tenggelam, berat benda W lebih besar dari pada gaya keatas Fa. Pada keadaan tenggelam, seluruh benda tercelup di dalam zat cair, sehingga volum zat cair yang dipindahkan sama dengan volum benda.
W > Fa Mb.g > mf . g (Vb.b).g > (Vf.f).g Vb.b>Vf.f, karena Vb = Vf, maka b >f
Jadi pada kasus tenggelam, massa jenis benda lebih besar dari pada massa jenis zat cair.