Kajian Konsep Fluida Statis

BAB II DESKRIPSI TEORITIS, KERANGKA BERPIKIR, DAN

A. Deskripsi Teoritis

4. Kajian Konsep Fluida Statis

Fluida adalah zat yang dapat mengalir. Fluida statis merupakan zat alir yang tidak dalam kondisi bergerak. Dalam fluida statis contoh-contoh yang diterapkan menyangkut zat cair, karena mudah diilustrasikan dan dipahami daripada gas.

Untuk memudahkan memahami hukum dasar fluida statis, akan dibahas melalui besaran-besaran yang mendukung, meliputi massa jenis dan tekanan. Setelah itu baru akan dipelajari hukum hukum dasar fluida statis serta aplikasinya.

24

Ibid., hal 30-31

25 Ibid.,

a. Massa Jenis

Massa jenis (density) sebuah benda didefinisikan sebagai massa persatuan volume:

�= �_� ... 2.1 di mana m adalah massa benda dan V merupakan volumenya. Massa jenis merupakan sifat khas dari suatu zat murni. Satuan SI untuk massa jenis adalah kg/m3.26

b. Tekanan

Tekanan dinotasikan dengan P dan dalam SI bersatuan N/m2 atau Pascal (Pa). Tekanan didefinisikan sebagai gaya persatuan luas, dimana gaya F dipahami bekerja tegak lurus terhadap permukaan A.27

�= � � ...2.2 Keterangan: P = tekanan (N/m2) F = gaya (N) A = luas penampang (m2)

c. Hukum Utama Hidrostatis

Tekanan yang disebabkan oleh zat cair pada kedalaman tertentu disebabkan oleh berat kolom zat cair di atasnya.28 Dengan demikian gaya yang bekerja pada luas daerah tersebut adalah � =�� =��ℎ�, di mana Ah adalah volume kolom, ρ

adalah massa jenis zat cair, dan g adalah percepatan gravitasi. Tekanan P, dengan demikian adalah

� = ��ℎ ... 2.3

d. Prinsip Pascal

Blaise pascal menyatakan bahwa tekanan yang diberikan pada fluida dalam suatu tempat akan menambah tekanan keseluruhan dengan besar yang sama.29

26

Douglas C. Giancoli, Fisika Jilid 1, (Jakarta: Erlangga, 2001), hal 325

27 Ibid., hal 326 28 Ibid., hal 327 29 Ibid., hal.329

Gambar dibawah ini merupakan bejana yang digunakan intuk menyelidiki prinsip Pascal.

Gambar 2.4 Bejana Prinsip Pascal Sumber : http://sukasains.com/materi/hukum-pascal/

Pada Gambar 2.4 tampak bejana tertutup yang dilengkapi dengan dua buah piston yang luas penampangnya berbeda, yaitu A1 dan A2. Di dalam bejanaterdapat

zat cair yang memiliki tekanan yang sama.

Dari bunyi prinsip Pascal dapat kita rumuskan P1 = P2, maka diperoleh

persamaan �1 �1 = �2 �2 ... 2.4 Keterangan :

F1 = Gaya pada piston kecil (N)

F2 = Gaya pada piston besar (N)

A1 = Luas penampang pada piston kecil (m2)

A2 = Luas penampang pada piston besar (m2)

Ada beberapa alat teknik yang menggunakan prinsip Pascal, diantaranya lift hidraulik dan rem hidraulik.

e. Prinsip Archimedes

Prinsip Archimedes menyatakan bahwa gaya apung yang bekerja pada benda yang dimasukkan dalam fluida sama dengan berat fluida yang dipindahkannya.30

Gaya apung terjadi karena tekanan pada fluida bertambah terhadap kedalaman. Dengan demikian tekanan ke atas pada permukaan bawah benda yang

30

dibenamkan lebih besar dari tekanan ke bawah pada permukaan atasnya. Untuk melihat efek ini, perhatikan sebuah silinder dengan ketinggian h yang ujung atas dan bawahnya memiliki luas A dan terbenam seluruhnya dalam fluida dengan massa jenis ρfseperti ditunjukkan pada Gambar 2.5 berikut:

Gambar 2.5 Prinsip Archimedes

Sumber: Douglas C. Giancoli, Fisika Jilid 1, (Jakarta: Erlangga, 2001), hal 333

Fluida memberikan tekanan �₁ =�_��ℎ₁ di permukaan atas silinder. Gaya yang disebabkan oleh tekanan di bagian atas silinder ini adalah �₁ =�₁� =

���ℎ1�, dan menuju ke bawah. Dengan cara yang sama, fluida memberikan gaya

keatas pada bagian bawah silinder yang sama dengan �₂ =�₂� =�_��ℎ₂�. Gaya total yang disebabkan tekanan fluida, yang merupakan gaya apung, bekerja keatas dengan besar

�� =�2− �1 ... 2.5

�� =���� ... 2.6

dimana V = Ah merupakan volume silinder. Karena ρf adalah massa jenis fluida,

hasil kali �_���= �_�� merupakan berat fluida yang mempunyai volume yang sama dengan volume silinder. Dengan demikian, gaya apung pada silinder sama dengan berat fluida yang dipindahkan oleh silinder.31

Berdasarkan hukum Archimedes terdapat syarat sebuah benda untuk terapung, melayang, atau tenggelam didalam suatu fluida.

1) Terapung

Sebuah benda dinyatakan terapung jika sebagian benda tercelup di dalam zat cair tersebut. Sebuah benda akan terapung bila gaya apung benda lebih besar

31 Ibid.,

dari berat benda tersebut. Contoh peristiwa benda terapung dapat dilihat pada Gambar 2.6 berikut:

Gambar 2.6 Benda Terapung Sumber: http://www.guruipa.com

�� > �� ... 2.7

�_���_� >�_�� ... 2.8 �_���_� >�_���_� ... 2.9 Berdasarkan persamaan tersebut, peristiwa benda terapung terjadi jika massa jenis benda lebih kecil daripada massa jenis fluida.

2) Melayang

Benda dikatakan melayang jika seluruh benda tercelup kedalam zat cair, tetapi tidak menyentuh dasar zat cair. Sebuah benda akan melayang dalam zat cair apabila gaya yang bekerja pada benda sama dengan berat benda.

�_� = �_� ...2.10 �_���_� =�_�� ...2.11 �_���_� =�_���_� ...2.12 Berdasarkan persamaan, tampak bahwa benda akan melayang jika massa jenis benda sama dengan massa jenis fluida.

3) Tenggelam

Benda dikatakan tenggelam jika benda berada di dasar zat cair. Sebuah benda akan tenggelam jika gaya ke atas yang bekerja pada benda lebih kecil

daripada berat benda. Selain itu benda dapat tenggelam jika massa jenis benda tersebut lebih besar dari massa jenis fluida.

�_� > �_� ...2.13 �_���_� >�_�� ...2.14 �_���_� >�_���_� ...2.15 Aplikasi prinsip archimedes dalam kehidupan sehari-hari diantarnya:

1) Hidrometer

Hidrometer merupakan alat yang digunakan untuk mengukur massa kenis berbagai zat cair. Nilai massa jenis zat cair diketahui dengan membaca skala yang terdapa pada tabung hidrometer. Ketika digunakan untuk mengukur massa jenis zat cair, hidrometer dicelupka ke dalam zat cair dan nilai massa jenis zat cair tersebut ditentukan berdasarkan nilai skala yang berhimpit dengan permukaan zat cair.

2) Kapal laut

Kapal laut didesain sedemikian rupa sehingga mempunyai rongga. Volume air yang dipindahkan oleh kapal sangat banyak dan hal ini menyebabkan gaya ke atas yang dialami oleh kapal sangat besar sehingga kapal tidak tenggelam.

3) Galangan kapal

Galangan kapal merupakan alat yang didesain untuk mengangkat kapal- kapal laut ke daratan. Galangan kapal akan tenggelam di laut karena air laut memasuki galangan kapal. Ketika kapal akan diangkat dengan galangan tersebut, maka kapal laut akan ditempatkan pada penopang dalam galangan kapal dan air laut dikeluarkan secara perlahan, sehingga galangan kapal akan terangkat ke atas dan kapal pada penopang galangan tersebut segera terangkat ke atas.

4) Kapal selam

Kapal selam dilengkapi dengan tangki khusus yang dapat diisi oleh udara dan air. Ketika tangki diisi penuh dengan air, maka berat keseluruhan kapal tidak dapat diimbangi oleh gaya ke atas yang dialami oleh kapal selam, sehingga kapal selam tenggelam. Sebaliknya bila tangki kapal selam dikosongkan, maka gaya ke

atas yang dialami kapal selam semakin besar, sehingga kapal selam dapat mengapung.32

f. Gejala Kapilaritas

Gejala naik turunnya permukaan zat cair dalam pipa kapiler disebut gejala kapilaritas. Naik turunnya permukaan zat cair dalam pipa kapiler dipengaruhi oleh gaya tegangan permukaan dan berat zat cair itu sendiri.

Kapilaritas dipengaruhi oleh adhesi dan kohesi. Untuk zat cair yang membasahi dinding pipa (θ < 90o

), permukaan zat cair dalam pipa naik lebih tinggi dibandingkan permukaan zat cair di luar pipa. Sebaiknya, untuk zat cair yang tidak membasahi dinding pipa ((θ > 90o

) permukaan zat cair di dalam pipa lebih rendah daripada permukaan zat cair di luar pipa. Kenaikan atau penurunan tersebut dinyatakn dengan:

�=2�����

���

Keterangan:

y = kenaikan atau penurunan zat cair dalam pipa kapiler (m)

� = tegangan permukaan (N.m-1)

� = sudut kontak (o)

� = massa jenis zat cair (kg.m-3)

� = percepatan gravitasi (m.s-2)

� = jari-jari pipa kapiler (m)

Aplikasi dari gejala kapilaritas dalam kehidupan sehari-hari diantaranya: 1) Naiknya air tanah dari akar ke daun

2) Naiknya minyak tanah melalui sumbu kompor 3) Terserapnya cairan pada kain dan kertas hisap

4) Basahnya dinding dalam rumah pada waktu musim hujan.

32

g. Viskositas dan Hukum Stokes

Viskositas merupakan ukuran kekentalan fluida yang menyatakan besar kecilnya gesekan didalam fluida. Semakin besar viskositas fluida maka semakin sulit suatu fluida untuk mengalir dan semakin sulit pula suatu benda bergerak dalam fluida.

Viskositas ada pada zat cair maupun zat gas, dan pada intinya merupakan gaya gesekan antara lapisan-lapisan yang bersisian pada fluida pada waktu lapisan-lapisan tersebut bergerak satu melewati yang lainnya. Pada zat cair, viskositas terutama disebabkan oleh gaya kohesi antar molekul. Pada gas, viskositas muncul dari tumbukan antar molekul. Besar gaya gesekan fluida dirumuskan dengan Hukum Stokes:33

�_� = 6���� ... 2.16 Kecepatan terminal dialami oleh benda yang bergerak dalam keadaan setimbang pada fluida kental. Misalkan sebuah kelereng dengan massa jenis ρb

dan jari-jari r dijatuhkan bebas pada fluida kental dengan massa jenis ρf dan

koefisien viskositas �. Setelah benda dilepas, benda akan bergerak dengan kecepatan konstan.34 Kecepatan terminal pada fluida kental dirumuskan dengan:

�_� = ���_6��� (��−��) ...2.17

33

Marthen. FISIKA 1 untuk SMA/MA Kelas X, Kurikulum 2013, (Jakarta: Erlangga, 2013), hal 290

34

Gambar 2.7 Peta Konsep Fluida Statis FLUIDA

STATIS Berkaitan dengan

Zat Cair Zat Gas

Berkaitan dengan Berkaitan dengan

Tekanan Hidrostatis Tekanan Atmosfer

Berdasarkan pada

Prinsip Arcimedes _{Prinsip Pascal}

Menyatakan adanya

Gaya Angkat ke Atas

Terapung Melayang Tenggelam

Contoh Hidrometer Kapal Laut Kapal Selam Tekanan Diteruskan ke Segala Arah Dongkrak Hidrolik Pompa Hidrolik Menyatakan adanya Contoh Meliputi