KAJIAN TEORITIS, KERANGKA PIKIR DAN PENGAJUAN HIPOTESIS
A. Kajian Teoritis
5. Konsep Fluida Statis
Gambar 2.2 Zat cair menempati wadah
Berdasarkan bentuk dan ukurannya, zat padat mempunyai bentuk dan volume tetap, zat cair memiliki volume tetap, akan tetapi bentuknya berubah sesuai wadahnya (Gambar 2.2) sedangkan gas tidak memiliki bentuk maupun volume yang tetap. Karena zat cair dan gas tidak mempertahankan bentuk yang tetap sehingga keduanya memiliki kemampuan untuk mengalir. Zat yang dapat mengalir dan memberikan sedikit hambatan terhadap perubahan bentuk disebut fluida.
a) Gejala Meniskus
Gambar 2.3 Meniskus
Kelengkungan permukaan zat cair di dalam tabung disebut meniskus. Permukaan air dalam tabung disebut meniskus cekung. Karena adanya meniskus cekung, air membasahi dinding kaca. Permukaan raksa dalam tabung disebut meniskus cembung. Karena adanya meniskus cembung, raksa tidak membasahi kaca.
Bentuk permukaan zat cair ada dua, yaitu cekung dan cembung. Permukaan zat cair akan cekung, jika:
1) Gaya adhesi > gaya kohesi 2) Sudut kontak � <90°
3) Air membasahi dinding
Permukaan zat cair akan cembung, jika: 1) Gaya adhesi < gaya kohesi
2) Sudut kontak � >90°
3) Raksa tidak membasahi dinding
Sudut kontak (�) adalah sudut yang dibentuk oleh permukaan zat cair dengan bidang singgung dinding kaca.
b) Tegangan Permukaan
Gambar 2.4 Setetes embus yang berada di atas daun talas dan Seekor nyamuk yang berada di atas permukaan air
Tegangan permukaan zat cair adalah kecenderungan permukaan zat cair untuk menegang, sehingga permukaannya seperti ditutupi oleh suatu lapisan elastis.
Gambar 2.5 Tegangan Permukaan
A mewakili partikel di dalam zat cair, sedangkan B mewakili partikel dipermukaan zat cair. Partikel A ditarik oleh gaya yang sama besar ke segala arah
oleh partikel di dekatnya. Sebagai hasilnya, resultan gaya pada partikel-partikel di dalam zat cair (diwakili oleh A) adalah sama dengan nol, dan di dalam zat cair tidak ada tegangan permukaan. B mewakili partikel di permukaan zat cair. Partikel B ditarik oleh partikel-partikel yang ada di samping dan di bawahnya dengan gaya-gaya yang sama besar, tetapi B tidak ditarik oleh partikel-partikel di atasnya (karena di atas B tidak ada partikel zat cair). Sebagai hasilnya, terdapat resultan gaya berarah ke bawah yang bekerja pada permukaan zat cair. Resultan gaya ini menyebabkan seakan-akan tertutup oleh hamparan selaput tipis yang ketat. Selaput ini cenderung menyusut sekuat mungkin. Oleh karena itu, sejumlah tertentu cairan cenderung mengambil bentuk dengan permukaan sesempit mungkin. Inilah yang kita sebut tegangan permukaan.
Tegangan permukaan dapat didefinisikan sebagai perbandingan antara gaya tegangan permukaan (F) per satuan panjang (d) dimana gaya itu bekerja:
� = �
� ……….………… (2.1)
Keterangan:
� = gaya tegangan permukaan (�) � = tegangan permukaan (�.�−1)
� = panjang permukaan (�)
c) Gejala Kapilaritas
Gambar 2.6 Gejala Kapilaritas
Pada kejadian tersebut, pipa yang digunakan, yakni pipa kapiler. Oleh karena itu, gejala kapilaritas adalah gejala naik turunnya zat cair dalam pipa kapiler. Permukaan zat cair yang berbentuk cekung atau cembung disebut meniskus. Permukaan air pada dinding kaca yang berbentuk cekung disebut
meniskus cekung, sedangkan permukaan air raksa yang berbentuk cembung disebut meniskus cembung.
Penyebab dari gejala kapiler karena adanya adhesi dan kohesi. Pada gejala kapilaritas pada air, air dalam pipa kapiler naik karena adhesi antara partikel air dengan kaca lebih besar daripada kohesi antar partikel airnya. Sebaliknya, pada gejala kapilaritas raksa, adhesi raksa dengan kaca lebih kecil daripada kohesi antar partikel air raksa. Oleh karena itu, sudut kontak antara raksa dengan dinding kaca akan lebih besar daripada sudut kontak air dengan dinding kaca.
Kenaikan atau penurunan zat cair pada pipa kapiler disebabkan oleh adanya tegangan permukaan yang bekerja pada keliling persentuhan zat cair dengan pipa. Kenaikan atau penurunan zat cair dalam pipa kapiler dirumuskan sebagai berikut:
ℎ = 2�����
��� ………... (2.2)
Keterangan :
ℎ = kenaikan penurunan zat cair pada pipa kapiler (�);
� = tegangan permukaan (�.�−1);
�= sudut kontak;
�= massa jenis zat (��.�−2);
�= percepatan gravitasi (�.�−2);
� = jari-jari pipa kapiler d) Tekanan Hidrostatis
Zat cair dalam suatu wadah memiliki gaya berat. Gaya berat suatu zat selalu mengarah ke pusat gravitasi (ke bawah). Tekanan zat cair yang disebabkan oleh gaya beratnya disebut tekanan hidrostatis. Misalnya suatu wadah diisi air sampai penuh, maka besarnya tekanan hidrostatis zat cair di dasar wadah lebih besar dibandingkan dengan pada suatu titik didekat permukaan, karena tekanan yang diterima pada suatu titik didekat permukaan hanya dipengaruhi sedikit berat zat cair dibandingkan di dasar wadah yang dipengaruhi oleh seluruh berat zat cair.
� =�.� ……….. (2.3) P = � � = � � ……….. (2.4) P = �.�.� � = �.ℎ.�.� � ……….. (2.5) �ℎ = ��ℎ ……….. (2.6) Keterangan : �ℎ= tekanan hidrostatis (��) � = massa jenis (��.�−2) �= percepatan gravitasi (�.�−2) ℎ = kedalaman (�)
Gambar 2.7 Tekanan Hidrostatis pada pipa U Besar tekanan hidrostatis di titik P sama dengan di tiitk Q, maka
�ℎ� = �ℎ� ……….………. (2.7)
�1�ℎ1 = �2�ℎ2 ……….. (2.8)
�1ℎ1 = �2ℎ2 ………... (2.9) Berdasarkan persamaan di atas:
1. Tekanan hidrostatis sebanding dengan kedalaman fluida. 2. Tekanan hidrostatis sebanding dengan massa jenis fluida.
e) Hukum Pascal
Gambar 2.8
Tabung yang berisi zat cair diberikan tekanan
Jika tekanan udara luar pada permukaan zat cair berubah, maka tekanan pada setiap titik di dalam zat cair akan mendapat tambahan tekanan dalam jumlah yang sama. Peristiwa ini pertama kali dinyatakan oleh seorang ilmuwan Prancis Blaise Pascal (1623 - 1662) dan dikenal Hukum Pascal. ”Tekanan yang diberikan pada zat cair dalam ruang tertutup diteruskan ke segala arah sama besar”.
Gambar 2.9 Pesawat Hidrolik berdasarkan Hukum Pascal
Jika pengisap kecil dengan luas penampang �1R ditekan dengan gaya �1, maka zat cair dalam bejana mengalami tekanan yang besarnya:
��=�� ��
………... (2.10)
Berdasarkan Hukum Pascal, tekanan yang diberikan akan diteruskan ke segala arah sama besar, sehingga pada pengisap besar dihasilkan gaya F2 ke atas yang besarnya: ��= �� .��atau��= ���� ……….…. (2.11) Karena �1 =�2, maka: �1 �1= �2 �2 ..………...……… (2.12)
Keterangan :
�� = gaya yang dikerjakan pada penghisap 1 (�)
�� = gaya yang dikerjakan pada penghisap 2 (�) �� = luas penghisap 1 (�2)
�� = luas penghisap 2 (�2)
Jika bejana berbentuk silinder, maka berlaku �1
�12= �2
�22 ….………... (2.13) Keterangan :
�� = gaya yang dikerjakan pada penghisap 1 (�) �� = gaya yang dikerjakan pada penghisap 2 (�) d1 = diameter bejana 1 (m)
d2 = diameter bejana 2 (m)
f) Hukum Archimedes
Gambar 2.10 Berat batu di udara berbeda dengan berat batu saat dicelupkan ke dalam bejana
Selisih berat batu di udara dengan berat batu dalam zat cair merupakan besarnya gaya Archimedes.
����ℎ������ = ������− ���� ………... (2.14)
Gambar 2.11 Berat batu saat dicelupkan ke dalam bejana memiliki gaya Archimedes
Tekanan zat cair yang tumpah di dasar bejana
dan berat zat cair yang tumpah sama dengan gaya Archimedes, berlaku:
�ℎ = ��
� ……….… (2.16)
Luas penampang bejana A tempat zat cair dipindahkan, maka: �� � = ��ℎ ……….. (2.17) ��= ��ℎ� ……….……. (2.18) ��= ��� ……….. (2.19) Keterangan : ��R= Gaya Archimedes;
� = volume zat cair yang dipindahkan.
Prinsip tenggelam, melayang dan terapung dapat diketahui pada telur yang dimasukkan ke dalam wadah sebagai berikut:
Gambar 2.12
g) Viskositas
Gambar 2.13 Sebuah bola jatuh bebas ke dalam fluida yang memiliki viskositas tertentu
Sebuah benda dimasukkan ke dalam zat cair bergerak ke bawah akan mengalami gaya gesekan. Semakin kental zat cair, makin besar pula gaya gesekan dalam zat cair tersebut. Ukuran kekentalan zat cair atau gesekan dalam zat cair disebut viskositas. Gaya gesek dalam zat cair tergantung pada koefisien viskositas, kecepatan relatif benda terhadap zat cair, serta ukuran dan bentuk geometris benda. Untuk benda yang berbentuk bola dengan jari-jari r, gaya gesek zat cairdirumuskan:
�� = 6���� ………. (2.20) Keterangan:
�� = gaya gesek Stokes (�)
� = koefisien viskositas (��.�−2) � = jari-jari bola (�)
� = kelajuan bola (�.�−1)
Gaya-gaya yang bekerja pada bola adalah gaya berat �, gaya apung ��, dan gaya lambat akibat viskositas atau gaya stokes ��. Ketika dijatuhkan, bola bergerak dipercepat. Namun, ketika kecepatannya bertambah. Akibatnya, pada
��
� =�.� ��
h
saat bola mencapai keadaan seimbang sehingga bergerak dengan kecepatan konstan yang disebut kecepatan terminal. Pada kecepatan terminal, resultan yang bekerja pada bola sama dengan nol. Misalnya sumbu vertikal ke atas sebagai sumbu positif, maka pada saat kecepatan terminal tercapai berlaku persamaan:
Σ� = 0 ……….. (2.21) ��+��=� ………... (2.22) ����� + 6 ���� = ��.� ………. (2.23) ���43��3� � + 6 ���� = �4 3��3��� � ………. (2.24) � =2�2� 9� (��− ��) …….… (2.25) Keterangan : � = kecepatan terminal (�.�−1) � = koefisien viskositas (��.�−2) � = jari-jari bola (�) � = massa jenis (��.�−3)