FASA BENDA, DEFINISI FLUIDA, MASSA JENIS, TEKANAN, HUKUM PASCAL, GAYA APUNG (HUKUM ARCHIMEDES)

FASA BENDA, DEFINISI FLUIDA,

MASSA JENIS, TEKANAN,

HUKUM PASCAL, GAYA APUNG

A. Fase pada Benda

•

Ada tiga (3) fase atau keadaan dari benda : padat, cair dan gas.

•

Zat padat

: fase dimana benda mempertahankan bentuk dan

ukurannya, walaupun ada sejumlah gaya yang besar bekerja pada

benda tersebut, bentuk dan volume benda tidak akan berubah.

•

Zat cair

: fase dimana benda tidak dapat mempertahankan bentuk

tetapnya tapi bergantung pada medium yang ditempatinya. Zat

cair tidak dapat dikompres dan volumenya hanya dapat berubah

jika diberikan gaya yang besar.

•

Gas

: tidak memiliki bentuk dan volume yang tetap.

FASE LAIN :

Plasma : fase benda yang terjadi pada temperatur yang

sangat tinggi dan terdiri dari atom-atom yang

terionisasi (elektron-elektron terlepas dari inti

atomnya).

FLUIDA = zat alir

Zat cair

GAS

- Molekul terikat

secara longgar

tapi berdekatan

-Tekanan yang terjadi karena

gaya gravitasi bumi

-Tekanan terjadi tegak lurus

bidang

-Molekul bergerak bebas dan

saling bertumbukan

-Tekanan akibat tumbukan

antar molekul

Besaran untuk mengungkapkan massa lebih dalam suatu

volume tertentu lebih umum digunakan densitas atau massa

jenis :

Dimana m = massa benda, dan V adalah volume benda.

Massa jenis merupakan karakteristik dari zat (substansi)

murni. Contoh emas murni dapat memiliki ukuran dan massa

yang berbeda, namun massa jenisnya sama (tetap).

B. Densitas atau Massa Jenis

]

m

/

kg

[

V

Tekanan didefinisikan sebagai gaya persatuan luas :

Satuan lain dari tekanan adalah Pascal (Pa), 1 Pa = 1 N/m

2

.

Fluida dapat memberikan gaya pada suatu benda/objek

dari semua arah.

C. Tekanan

]

m

/

N

[

A

F

P

2

Jika benda memiliki luas permukaan A

dan tinggi h, maka tekanan pada benda

yang diberikan oleh fluida :

Tekanan Atmosfer

Tekanan atmosfer bumi bergantung pada ketinggian/kedalaman seperti halnya pada fluida.

Namun tekanan atmosfer sangat kompleks, karena bukan hanya massa jenisnya yang bervariasi bergantung pada posisinya tapi juga karena kita bisa mengukur tekanan atmosfir pada ketinggian yang berbeda.

Secara umum, tekanan atmosfer dapat diukur dari perbedaan tekanan pada posisi yang berbeda.

h

g

P

Pada permukaan laut, tekanan atmosfir rata-rata adalah 1,013 x 105 _N/m2

(sering disebut dengan tekanan atmosfir).

1 atm = 1,013 x 105 _N/m2 _{= 101,3 Pa}

Mengapa tubuh kita mampu menahan tekanan atmosfir yang

sangat besar ?

Karena sel-sel dalam tubuh kita akan mempertahankan

tekanan internalnya yang besarnya hampir sama dengan

tekanan luar (tekanan dari atmosfir).

Kasusnya sama dengan tekanan didalam balon udara yang

hampir sama dengan tekanan dari luar.



Tekanan yang dialami oleh benda yang berada didalam

fluida, adalah tekanan dari fluida ditambah dengan

tekanan atmosfir.



Contoh : tekanan yang dialami seseorang yang

menyelam di danau dengan kedalaman 100 meter akan

mengalami tekanan sebesar P = gh = 9,8 x 105 N/m2

atau 9,7 atm. Jika danau tersebut berada sejajar dengan

permukaan laut, maka tekanan total yang dialami orang

tadi menjadi 9,7 atm + 1 atm = 10,7 atm.



Jika tekanan luar diberikan pada suatu fluida, maka

tekanan pada setiap titik di dalam fluida akan meningkat

sebesar tekanan luar (Hukum Pascal).

F_in

F_out

in

out

in

out

in

in

out

out

in

out

A

A

F

F

A

F

A

F

P

P

Bagaimana cara mengukur tekanan ?

 Cara paling sederhana mengukur tekanan adalah manometer, yaitu

tabung berbentuk U yang diisi sebagian oleh zat cair, umumnya air raksa (Hg) atau air H₂O.

P_{0 P}

h

Tekanan yang diukur P berkaitan dengan perbedaan ketinggian h dari zat cair :

h

g

P

P

₀

P₀ adalah tekanan atmosfir.

Seringkali tekanan diukur menggunakan satuan mm-Hg atau mm-H₂O dengan konversi :

1 mm-Hg = 133 N/m2 _{(1 torr)}

GAYA APUNG DAN HUKUM ARCHIMEDES

Suatu benda yang berada di dalam zat cair “terlihat” lebih ringan dibandingkan jika berada di luar zat cair.

Ini diakibatkan oleh gaya apung (bouyancy), yaitu karena adanya tekanan pada benda oleh zat cair/fluida yang semakin besar jika semakin dalam.

F

₁

F

₂

h₁ h₂

h=h₂-h₁ A

F

Gaya dari atas benda, F₁ :

A

gh

A

P

F

_{1 1 F 1}

Gaya dari bawah benda, F₂ :

A

gh

A

P

Maka gaya apung yang bekerja pada benda :

g

m

gV

h

gA

h

h

gA

F

F

F

F F F 1 2 F 1 2 B

KESETIMBANGAN PADA BENDA/OBJEK

YANG MENGAPUNG

g

V

mg

_{0 0}

g

V

F

_{B F displace}

F = massa jenis fluida

V_displace = volume fluida yang dipindahkan oleh benda V₀ = volume benda

0 = massa jenis benda

Jika F

_B

= mg maka benda

akan mengapung

GERAK FLUIDA

Fluida adalah zat alir, sehingga memiliki kemampuan untuk

mengalir.

Ada dua jenis aliran fluida : laminar dan turbulensi

Aliran laminar adalah jenis aliran dimana fluida mengalir

secara teratur, lambat dan

“searah”

.

A₁

A2₁

v

₁

v

2

1



2



Pandang fluida yang mengalir dalam pipa yang diameternya berbeda. Fluida mengalir dengan laju air massa = m/ t, yaitu jumlah massa fluida yang mengalir persatuan waktu.

2 2 2 1 1 1 2 2 2 1 1 1 2 2 1 1 2 1

v

A

v

A

v

t

t

A

t

A

t

V

t

V

t

m

t

m







Persamaan kontinuitas

Jika fluidanya tidak dapat

dikompres (massa

jenisnya tidak berubah dengan tekanan), maka

1 = 2, sehingga :

Contoh :

1.

Dalam tubuh manusia, darah

mengalir dari jantung kedalam

aorta dan kemudian ke

arteri-arteri mayor (kapiler). Dari

kapiler kemudian mengalir ke

dalam bagian-bagian dalam

organ tubuh yang lain. Jika

jari-jari aorta adalah 1,0 cm

dengan laju aliran darah 30

cm/s, jari-jari dari

kapiler-kapiler 4 x 10

-4

cm dan laju alir

SOLUSI :

Asumsikan luas aorta adalah A₁ dan luas satu kapiler didalam tubuh adalah A₂, maka luas seluruh kapiler adalah NA₂.

Massa jenis darah tidak berubah dengan tekanan.

Asumsikan pembuluh darah berbentuk silinder dengan penampang berbentuk lingkaran, maka A = r2_{, maka}

berdasarkan persamaan kontinuitas :

Hidrodinamika



Mempelajari fluida mengalir



Percobaan Bernoulli

Asumsi :

1. Tanpa gesekan (tidak viskos)

2. Alirannya stationer (konstan)

3. Tidak termampatkan (kontinu)

2 2 2 1 1 1

x

A

m

x

A

m

2 1

m

m

Hukum Bernoulli

gy

v

2

1

P

2

konstan

Persamaan Bernoulli dapat diterapkan dalam berbagai situasi. Contoh : menghitung kecepatan zat cair yang mengalir keluar dari bejana melalui keran yang sempit.

Jika luas penampang bejana jauh lebih besar dibandingkan dengan saluran pipa, maka kecepatan air di bejana adalah nol (v₂ = 0).

Permukaan bejana dan pipa terhubung dengan atmosfir, maka P₁ = P₂.

Maka persamaan Bernoulli :

ALIRAN DARAH DALAM TUBUH MANUSIA

Sirkulasi darah dalam tubuh merah : oksigenasi

biru : deoksigenasi

distribusi sel darah : (a). eritrosit, (b) neutrofil (c) eosinofil (alergi) dan (d) limposit (antibodi)

sel darah merah

Dalam bidang kesehatan persamaan Bernoulli digunakan untuk menjelaskan TIA (transient ischemic attack) yaitu kekurangan supplai darah secara temporer kedalam otak). Akibatnya syaraf tidak berfungsi. TIA (mini stroke) biasanya terjadi kurang dari 24 jam. Jika lebih dari 24 jam, maka terjadi stroke.

Akibat dari TIA bergantung pada daerah otak yang terlibat. Umumnya rendahnya daya pandang mata (low of vision), kesulitan bicara (aphasia) dan lemahnya satu sisi dari tubuh (hemiparesis)

TIA terjadi karena adanya penyumbatan pembuluh darah (arteri) di otak, tekanan darah tinggi, penyakit jantung, migren, vertigo, merokok, kolesterol tinggi, diabetes, penggunaan obat terus menerus dalam waktu yang lama, alkohol.

Penyumbatan arteri

VISKOSITAS

Jika lempengan kaca diletakkan di atas zat cair, kemudian digerakkan dengan kecepatan v, maka molekul-molekul zat cair dibawahnya akan bergerak dengan kecepatan v juga.

Ini terjadi karena adhesi zat cair pada permukaan kaca. Lapisan zat cair dibawahnya akan berusaha melawan kecepatan tadi, sehingga lapisan paling bawah kecepatannya nol.

F

v

d

d

v

A

F

= viskositas (Poisseuille, Pa.s)

A = luas permukaan

HUKUM POISEUILLE ; ALIRAN DARAH

F

A

P_{1 P}

2

• Makin ke tengah kecepatan mengalir makin besar, dan bentuk aliran darah adalah parabola

• Debit atau volume zat cair yang mengalir melalui penampang per detik, (laju alir dari zat cair) menurut Hukum Poiseuille :

L

8

)

P

P

(

r

v

1 2

4

• Digunakan untuk menjelaskan mengapa penderita usia lanjut mengalami pingsan

• Hukum Poisseuille hanya berlaku jika alirannya linier (laminer) dengan bilangan Reynold 2000.

• Hukum Poisseuille dapat dituliskan :

4 2

1

r

L

8

v

)

P

P

(

V

IR

(

Hk

.

Ohm

)

• Tahanan R = 8 L/ r4 _{bergantung pada :}

1. Panjang pembuluh

2. Diameter/jari-jari pembuluh

3. Viskositas/kekentalan

Hasil Rumus Poiseuille

Aorta _Kapiler

Vena cava

Kecepatan

30 cm/s

1 mm/sec

5 cm/s

3 cm2

Luas

600 cm2

18 cm2

1.

Efek Panjang Pembuluh terhadap debit

Jika diameter pembuluh sama, maka semakin panjang

pembuluh, zat cair akan mendapat tahanan semakin besar,

sehingga debit zat cair akan semakin kecil.

Panjang = 3

Panjang = 2

Panjang = 1

1 ml/min

2 ml/min

2. Efek diameter pembuluh

Zat cair akan dihambat oleh dinding pembuluh, maka semakin

besar diameter pembuluh, semakin besar kecepatan aliran zat cair.

d = 1

1 ml/min d = 2

16 ml/min d = 3

3. Efek kekentalan

Semakin kental zat cair semakin besar gesekan terhadap dinding pembuluh, sehingga tahanannya semakin besar.

air

1 cm

plasma

1,5 cm

darah

3,5 cm

 Pada darah normal kekentalan 3,5 x kekentalan air.

 Jika konsentrasi darah 70 kali di atas normal, maka kekentalannya 20 kali air.

 Konsentrasi darah merah dari penderita anemia rendah, sehingga alirannya cepat.

Kekentalan penting untuk mengetahui konsentrasi sel darah merah

4. Efek tekanan terhadap debit

 Zat air mengalir dari tekanan tinggi ke rendah, sehingga aliran

zat cair/darah berbanding lurus dengan tekanan.

Laju Endap Darah

W

F

_a

F_S

 Jika sebuah benda dijatuhkan di dalam tabung yang berisi air dan tabung yang berisi minyak, maka benda akan jatuh ke dasar tabung dengan waktu tempuh yang berbeda.

 Perbedaan ini disebabkan oleh massa jenis air dan minyak yang berbeda.

 Benda akan jatuh dengan gaya berat W, yang dipengaruhi oleh gravitasi bumi.

 Gaya jatuh akan diimbangi oleh gaya apung F_a (Bouyancy force).

W

F

_a F_S

g

r

3

4

gV

mg

W

3

= massa jenis benda

V = volume benda = 4 r3_{/3 (bola)} r = jari-jari benda/bola

g

r

3

4

F

_a 3 ₀

v

r

6

F

_S

= viskositas/kekentalan (poise, Pa.s) v = laju benda jatuh

Dari arah gaya-gaya yang bekerja pda benda (gambar), maka :

0 2 0 3 3 a S a S

g

9

r

2

v

g

r

3

4

g

r

3

4

v

r

6

F

W

F

F

F

W

 Laju benda jatuh dalam zat cair, sering digunakan dalam mengukur laju endap darah.

 Pengukuran L_aju E_ndap D_{arah (LED) banyak dilakukan di} klinik/rumah sakit untuk mengetahui beberapa penyakit, seperti :

 Rematik,

 Asam urat (gout) dll

 Beberapa nama lain dari LED, adalah BBS (Bloed Bwzinking Snellheid), BSR (Basal Sedimentation Rate) atau KPD (Kecepatan Pengendapan Darah).

 Nilai LED normal untuk laki-laki (4 – 14 mm/jam)* dan wanita (6 – 20 mm/jam)*

Bagaimana mengukur tekanan darah

 Darah mengalir dalam tubuh

normalnya laminer, sedangkan turbulensi terjadi hanya pada beberapa tempat saja, misalnya pada katup jantung.

 Bunyi jantung tidak akan terdengar

jika aliran darah bersifat laminer, sehingga dengan bantuan pressure cuff pada sphygmomanometer, aliran menjadi turbulensi. Dengan demikian bunyi jantung dapat didengar.

 Aliran laminer dapat diubah menjadi

aliran turbulensi, jika pembuluh

darah secara pelan

Aliran laminer (lambat)

Turbulensi (cepat)

Aliran darah, jika pembuluh darah diperkecil

Kecepatan kritis menurut Reynold berbanding lurus dengan kekentalan/viskositas ( ) dan berbanding terbalik dengan massa jenis ( ) dan jari-jari pembuluh darah (r)

r

K

Hubungan Debit dan Tekanan untuk Aliran

Laminer dan Turbulensi

tekanan

De

bit/

laju

P₂ P₁

V_A V_B

1 P

2 P

A

Pembuluh darah normal B Pembuluh darah

mengalami penyempitan

• Jika terjadi penyempitan pembuluh darah, maka laju aliran darah akan lebih kecil dibandingkan dengan pembuluh darah normal.

TEKANAN DARAH SISTEMIK

120

95

80

Sistolik

Diastolik Tek rata-rata

t P

Tekanan rata-rata

Menentukan banyaknya darah yang mengalir tiap satuan waktu

t

rata

rata

P

t

dt

T

P

0

Permukaan suatu zat cair dalam keadaan diam

berperilaku sangat menarik, seolah-olah diregangkan oleh suatu tegangan (tension).

Contoh : tetesan air pada keran, embun di ujung daun yang berbentuk bulat seolah-olah seperti balon tipis berisi air atau serangga air yang berjalan diatas permukaan air.

Permukaan zat cair berperan seperti dibawah tekanan yang menyebar diseluruh permukaannya akibat gaya tarik-menarik antar molekulnya.

Efek ini disebut dengan tegangan permukaan :

]

m

/

N

[

L

F

Tegangan permukaan darah (370_{C) adalah 0,058}

N/m, air (00_{C) = 0,076 N/m, air pada 100}0_{C = 0,059}

KOMPONEN UDARA

Komponen udara adalah gas nitrogen (N₂), oksigen(O₂) dan air (H₂O).

Menghirup udara (menarik nafas)

80% N₂ 19% O₂ 0,04% CO2

mengeluarkan udara

80% N₂ 16% O₂ 4% CO2 Setiap hari manusia menghirup

MEKANIKA PARU-PARU

 Terdapat pleura viseralis yang menjadi satu dgn jaringan paru-paru.

 Diluarnya terdapat pleura parietalis.

 Ruang antara pleura viseralis dan pleura

parietalis adalah ruang intrapleural yang berisi cairan yang tipis.

pleura viseralis pleura parietalis

pleura viseralis _{pleura parietalis}

ruang intrapleural

 Jika Piston ditarik maka volume di ruang intrapleural meningkat, sedangkan tekanannya berkurang drastik.

 Pada penyakit fibrosis paru ( pembentukan jaringan pada paru-paru), ketika piston ditarik, pegasnya lemah sehingga pleura visceralis juga tertatik, sehingga perubahan tekanan kecil  kompliansi

Hubungan antara tekanan dan volume udara

dalam paru-paru

tekanan

v

ol

ume

PV = konstan

Paru-paru normal

tekanan

v

ol

ume

PV = konstan

Paru-paru tidak-normal

V

HUKUM-HUKUM FISIKA YANG

BERLAKU DALAM PERNAFASAN

1. Hukum Dalton

 Jika udara merupakan campuran dari beberapa gas, maka

tekanan total adalah jumlah dari masing-masing tekanan dari komponen udara tersebut.

 Contoh : Jika dalam paru-paru tekanannya adalah 760 mmHg (1

atm), maka tekanan oksigen adalah 20% x 760 = 152 mmHg, tekanan nitrogen 80% x 760 = 608 mmHg.

 Tekanan parsial udara bergantung pada kelembaban.

% O

₂

P O

₂

(mmHg)

% CO

₂

P CO

₂

(mmHg)

Udara inspirasi 20,9 150 0,04 0,3

Alveoli paru-paru 14,0 100 5,6 40

2. Hukum Boyle

 Untuk gas ideal, dimana PV = nRT , untuk massa dan tekanan

tetap, maka PV adalah tetap.

 Jika terjadi peningkatan volume paru-paru (inspirasi/menarik

nafas), maka tekanan intrapleura akan berkurang.

 Pada saat ekspirasi, volume udara paru-paru akan berkurang,

sehingga tekanan udara akan meningkat.

T eka na n in trap le ura no rmal (cm H 2 O) 0

inspirasi ekspirasi

t

A. Tekanan Intrapleura

V ol ume pa ru -pa ru (li ter) 2

inspirasi ekspirasi

t 3

B. Volume paru-paru

C. Debit/Laju

Deb it/ laju (lit er/ menit) 0

inspirasi ekspirasi

t

3. Hukum Laplace

 Tekanan pada gelembung alveoli berbanding lurus dengan tegangan

permukaan ( ) dan berbanding terbalik dengan radius (R) dari gelembung alveoli.

R

4

P

_al Satuan tegangan permukaan : N/m atau dyne/cm

P₁

P₂

Karena R₁ > R₂, maka :

1

2

P

P₁

P₂

Katup

 Jika katup dibuka, maka udara yang bertekanan lebih tinggi P₂ akan mengalir ke P₁.

 Akibatnya radius (P₁) akan mengembang atau membesar dan tekanannya menjadi lebih kecil (P₃), sedangkan gelembung yang kecil menjadi setengah lingkaran dan tekanannya besar (P₄).

P₃

 Walaupun alveoli tidak sama dengan P₂ yang mengalami kolaps, Namun jika gelembung alveoli mengalami kolaps, maka disebut Atelectasis.

 Agar tidak kolaps, maka diperlukan surfactant untuk menurunkan tegangan permukaan, sehingga tekanannya berkurang.

Efek ketinggian terhadap tekanan udara



Semakin tinggi posisi dari permukaan laut (ketinggian),

maka tekanan barometrik menurun. Penurunan tekanan

barometrik diikuti oleh tekanan oksigen (O

₂

) dan tekanan

parsial N

₂

dan CO

₂

di udara. Akibatnya tekanan udara

didalam alveoli dan kandungan oksigen dalam darah

arteri berkurang.



Akibatnya tubuh akan anoksia, kolaps.

TUGAS-1

Bagaimana pengaruh kedalaman dibawah permukaan laut

terhadap tekanan barometrik, tekanan parsial dan jelaskan

efeknya terhadap kesehatan.