BAB II KAJIAN TEORITIS
D. Kajian Subjek Materi Fluida
Fluida adalah sub-himpunan dari fase benda, termasuk cairan, gas, plasma, dan padat plastik. Fluida memiliki sifat tidak menolak terhadap perubahan bentuk dan kemampuan untuk mengalir (umumnya kemampuannya untuk mengambil bentuk dari wadah mereka). Sifat ini biasanya dikarenakan sebuah fungsi ketidakmampuan mereka mengadakan tegangan geser (shear stress) dalam ekuilibrium statik.38
Konsep fluida yang dipelajari di kelas XI (sebelas) SMA/MA dijabarkan dalam satu standar kompetensi (SK), yaitu “Menerapkan konsep dan prinsip mekanika klasik sistem kontinu dalam menyelesaikan masalah” serta memiliki satu komepetensi dasar (KD) yaitu ”Menganalisis hukum-hukum yang berhubungan dengan fluida statik dan dinamik serta penerapannya dalam kehidupan sehari-hari”.39
Materi fluida yang dipelajari meliputi tekanan dan tekanan hidrostatis, hukum dasar fluida statis mencakup hukum Pascal dan hukum Archimedes, tegangan permukaan, adapun fluida dinamis mencakup fluida ideal, persamaan kontinuitas, dan hukum Bernoulli. Tabel 2.2 menjelaskan Standar Kompetensi (SK), Kompetensi Dasar (KD), dan Indikator konsep fluida. Adapun peta konsep fluida dapat dilihat pada Gambar 2.1.
Tabel 2.2 Standar Kompetensi, Kompetensi Dasar, Indikator Konsep Fluida Standar
Kompetensi (SK)
Kompetensi
Dasar (KD) Indikator
Menerapkan konsep dan prinsip mekanika klasik sistem kontinu dalam Menganalisis hukum-hukum yang berhubungan dengan fluida
• Menjelaskan dan memformulasikan tekanan hidrostatik.
• Memformulasikan hukum Pascal
• Memformulasikan hukum Archimedes
38
http://id.wikipedia.org/wiki/Fluida,
39
menyelesaikan masalah
statik dan dinamik serta
penerapannya dalam kehidupan sehari-hari
• Mendeskripsikan konsep terapung, melayang , dan tenggelam
• Menerapkan hukum Archimedes dalam masalah fisika sehari-hari
• Mendeskripsikan konsep tegangan permukaan
• Memformulasikan gejala kapilaritas
• Mendeskripsikan konsep viskositas
• Mendeskripsikan konsep fluida ideal
• Memformulasikan persamaan kontinuitas
• Memformulasikan asas Bernoulli
• Menerapkan asas Bernoulli pada masalah fisika sehari-hari
Peta Konsep Fluida
Gambar 2.1. Peta Konsep Fluida
Fluida Fluida Statis Tekanan Hidrostasis Hukum Pascal Tegangan Permukaan Hukum Archimedes Hukum Bernoulli Persamaan Kontinuitas Terapung Melayang Tenggelam Fluida Dinamis Kapilaritas Viskositas
1. Tekanan dan Tekanan Hidrostatis
Tekanan merupakan besaran turunan dalam fisika. “Tekanan didefinisikan sebagai gayatiap satuan luas.”40Tekanan menyatakan besarnya gaya yang dialami oleh suatu permukaan bidang datar yang diberikan oleh suatu benda yang berada di atasnya. Tekanan dirumuskan dengan:
Dengan: P = Tekanan (N/m2) A = Luas (m2) F = Gaya (N)
Besar tekanan berbanding lurus dengan besarnya gaya dan berbanding terbalik dengan luas permukaan yang mendapat tekanan tersebut. Pemanfaatan tekanan dalam kehidupan sehari-hari dapat dilihat pada paku, kapak, pisau, dll. Permukaan mata pisau dibuat lebih kecil dari permukaan lainnya agar tekanan pada mata pisau menjadi lebih besar.
Tekanan memiliki beberapa satuan, satuan tekanan menurut sistem internasional (SI) ialah pascal (Pa) jika dijabarkan menjadi N/m2 atau kgm-1s-2. Satuan-satuan tekanan yang lain adalah atmosfer (atm), cm raksa (cmHg), dan milibar (mb). Konversi satuan-satuan tersebut ialah: 1 N/m2= 1 Pa ; 1 atm = 1 bar = 76 cmHg = 1,01 x 105Pa.
Tekanan hidrostatik pada dasarnya sama saja dengan tekanan pada bidang datar. Satuan Tekanan hidrostatis juga sama dengan satuan tekanan pada umumnya. Tekanan hidrostatis merupakan tekanan yang dialami oleh permukaan suatu benda yang berada di dalam zat cair. Benda yang terletak pada kedalaman yang sama akan mengalami tekanan hidrostatis yang sama pula sesuai dengan hukum hidrostatika yang berbunyi “Tekanan hidrostatik di semua titik yang terletak pada satu bidang mendatar di dalam satu jenis zat cair besarnya sama.”41 Tekanan hidrostatis dirumuskan dengan:
40
Bambang Haryadi,Fisika Kelas XI,(Jakarta: Pusat Perbukuan, 2008), h. 142
41
dengan: P = Tekanan Hidrostatis (Pa) Percepatan gravitasi (m/s2)
ρ =massa jenis zat cair (kg/m3) Kedalaman Benda (m)
Besarnya tekanan hidirostatis berbanding lurus dengan massa jenis zat cair, percepatan gravitasi dan kedalaman benda. Semakin dalam keberadaan suatu benda makan semakin besar tekanan yang dialami oleh benda tersebut.
2. Hukum Pascal
Hukum Pascal berbicara mengenai tekanan dalam ruang tertutup. Hukum Pascal berbunyi “tekanan yang dipakaikan kepada suatu fluida tertutup diteruskan tanpa berkurang besarnya kepada setiap bagian fluida dan dinding-dinding yang berisi fluida tersebut.”42 Fluida dalam ruang tertutup jika ditambahkan tekanan pada satu titik maka tekanan tersebut akan diteruskan ke segala arah dan sama besar. Hukum Pascal dirumuskan dengan:
Dengan: P1= Tekanan sisi pertama (Pa) P2= Tekanan bagian (Pa) F1= Gaya sisi pertama (N) F2= Gaya sisi pertama (N) A1= Luas sisi pertama (m2) A2= Luas sisi kedua (m2) Pada sistem tertutup jika satu sisi ditambahkan tekanan tertentu maka pada sisi lain akan mengalami tekanan yang sama besar. Penerapan Hukum Pascal dalam kehidupan sehari-hari terdapat pada ban udara, balon, pesawat hidrolik.
3. Hukum Archimedes
Hukum Archimedes berbicara tentang gaya tekan keatas yang diterima oleh benda yang berada di dalam zat cair. Hukum Archimedes berbunyi “Sebuah benda yang tenggelam seluruhnya atau sebagian dalam suatu fluida diangkat ke
42
atas oleh sebuah gaya yang sama dengan berat fluida yang dipindahkan.43 Bila sebuah benda seluruh atau sebagian dicelupkan ke dalam suatu fluida (baik cairan maupun suatu gas) yang diam, maka fluida tersebut memberikan tekanan pada tiap-tiap bagian permukaan benda yang bersentuhan dengan fluida tersebut. Tekanan tersebut adalah lebih besar pada bagian benda yang tercelup lebih dalam. Resultan semua gaya adalah sebuah gaya yang mengarah ke atas yang dinamakan gaya apung (buoyancy) dari benda yang tercelup tersebut. Hukum Archimedes dirumuskan dengan:
dengan: FA= Gaya Apung (N)
ρ =Massa Jenis zat cair (kg/m3) Percepatan Gravitasi (m/s2)
V =Volume benda yang tercelup (m3)
Semakin besar ukuran benda maka semakin besar pula gaya Archimedes yang diterima. Semakin besar masa jenis fluida semakin besar pula gaya Archimedes yang diberikan.
Penerapan Hukum Archimedes terdapat pada kapal laut (perahu), dengan masa ber ton-ton tetapi perahu tersebut tidak tenggelam karena memiliki volume yang besar. Perahu akan tenggelam jika mengalami kebocoran sehingga air laut masuk ke dalam perahu dan menambah massa perahu sehingga massa jenisnya menjadi lebih besar yang menyebabkan perahu tersebut tenggelam.
4. Tegangan Permukaan
Tegangan permukaan adalah tegangan yang dimiliki oleh permukaan zat cair disebabkan adanya gaya pemulih (gaya tarik antar molekul) pada permukaan zat cair. Tegangan permukaan juga menyebabkan terbentuknya tetesan. Tetesan air terbentuk karena tegangan permukaan menarik permukaannya bersama-sama
43
dengan meminimumkan luas permukaan dan membuat tetesan itu berbentuk bola.44Secara kuantitatif tegangan permukaan didefiniskan dengan:
dengan: γ = Tegangan Permukaan (N/m) F = Gaya pada permukaan zat cair (N)
l =Panjang permukaan (m)
yaitu besarnya gaya yang dialami oleh tiap satuan panjang pada permukaan zat cair.
Gaya pemulih yang menyebabkan adanya tegangan permukaan ialah
kohesi, gaya tarik – menarik antar molekul yang sejenis. Molekul-molekul yang tidak sejenis juga memiliki gaya tarik menarik yang disebut adhesi. Adhesi menyebabkan gejala kapilaritas, yaitu naiknya permukaan air jika berada pada tabung berdiameter kecil.
Gejala kapilaritas dapat kita lihat dalam kehidupan sehari-hari yaitu naiknya minyak tanah melalui sumbu kompor, terhisapnya cairan oleh kain dan kertas hisap, naiknya air dari akar ke batang pohon melalui pembuluh kayu dan lain sebagainya.
5. Fluida ideal
Fluida ideal mempunyai ciri-ciri berikut ini:45
a. Alirannya tunak (steady), yaitu kecepatan setiap partikel fluida pada satu titik tertentu adalah tetap, baik besar maupun arahnya. Aliran tunak terjadi pada aliran yang pelan.
b. Alirannya tak rotasional, artinya pada setiap titik partikel fluida tidak memiliki momentum sudut terhadap titik tersebut. Alirannya mengikuti garis arus (streamline).
44
Ibid, h. 399
45
c. Tidak kompresibel (tidak termampatkan), artinya fluida tidak mengalami perubahan volume (massa jenis) karena pengaruh tekanan.
d. Tak kental, artinya tidak mengalami gesekan baik dengan lapisan fluida di sekitarnya maupun dengan dinding tempat yang dilaluinya. Kekentalan pada aliran fluida berkaitan dengan viskositas.
6. Persamaan Kontinuitas
Persamaan kontinuitas mengatakan bahwa “volume fluida masuk kedalam suatu pipa per satuan waktu harus sama dengan fluida yang keluar dari pipa per unit waktu, sekalipun diameter pipa berubah.46 Menurut Haryadi “Persamaan kontinuitas menyatakan bahwa pada fluida tak kompresibel dan tunak, kecepatan aliran fluida berbanding terbalik dengan luas penampangnya. Pada pipa yang luas penampangnya kecil, maka alirannya besar.47
Secara matematis persamaan kontinuitas dinyatakan dengan:
dengan: Q = Laju Aliran volume, debit (m3/s) V = Volume fluida (m3)
t = waktu (s)
Aplikasi kontinuitas yang paling sering kita gunakan ialah saat menyiram menggunakan selang. Untuk mendapatkan jangkauan yang lebih jauh maupun untuk meningkatkan kecepatan fluida yang mengalir kita sering menutup sedikit penampang selang sehingga luasnya semakin kecil dan menyebabkan fluida yang keluar semakin cepat (kecepatan bertambah).
46
Stephen D. Bresnick,Intisari Fsika,(Jakarta: Hipokrates, 1996), h. 58
47
7. Hukum Bernoulli
Hukum Bernoulli membahas mengenai hubungan antara kecepatan aliran fluida, ketinggian, dan tekanan dengan menggunakan konsep usaha dan energi.48 Secara matematis hukum Bernoulli dinyatakan dengan:
dengan: P = Tekanan (N/m2) ρ =Massa Jenis (Kg/m3)
h= Ketinggian (m) v =kecepatan (m/s)
g =Percepatan Gravitasi (m/s2)
Jika ditinjau secara matematis P, , dan ketiganya memiliki satuan yang sama yaitu Kg m-1s-2sama dengan satuan tekanan. Hukum Bernoulli dapat juga dikatakan sebagai hukum kekekalan tekanan pada fluida yang mengalir dalam pipa dengan ukuran, kecepatan dan diameter yang berbeda yang saling terangkai (berhubungan).
