STRUKTURISASI MATERI Fluida statis ALFIAH INDRIASTUTI
STRUKTURISASI MATERI Fluida Statis Tekanan hidrostatik Zat Cair Gas Fluida Fluida statis Hukum Pascal Hukum Archimedes Tegangan Permukaan
A. Tekanan hidrostatik dan hukum pascal B. Hukum Archimedes dan penerapannya C. Tegangan permukaan, meniskus, kapilaritas, viskositas, dan hukum stokes TEKANAN HIDROSTATIK DAN HUKUM PASCAL Dasar Teori Contoh dalam kehidupan sehari-hari Tekanan Hidrostatik Pompa sepeda Masih ingatkah Anda definisi tekanan? Tekanan adalah gaya yang bekerja tegak lurus pada suatu permukaan bidang dan dibagi luas permukaan bidang tersebut. Secara matematis, persamaan tekanan dituliskan sebagai berikut. P = F/ A Ket : F = gaya (N), A = luas permukaan (m 2 ), P = takanan Tekanan Hidrostatis adalah tekanan yang terjadi di bawah air. Tekananhidrostatis disebabkan oleh fluida tak bergerak. Tekanan hidrostatis yang dialami oleh suatu titik di dalam fluida diakibatkan oleh gaya berat fluida yang berada di atas titik tersebut. Jika besarnya tekanan hidrostatis pada dasar tabung adalah p, menurut konsep tekanan, besarnya p dapat dihitung dari perbandingan antara gaya berat fluida (F) dan luas permukaan bejana (A). Gaya berat fluida merupakan perkalian antara massa fluida dengan percepatan gravitasi Bumi, ditulis P = massa x gravitasi bumi / A Oleh karena m = ρ V, persamaan tekanan oleh fluida dituliskan sebagai P = ρvg / A Volume fluida di dalam bejana merupakan hasil perkalian antara luas permukaan bejana (A) dan tinggi fluida dalam bejana (h). Oleh karena itu, persamaan tekanan di dasar bejana akibat fluida setinggi h dapat dituliskan menjadi P = ρ(ah) g / A = ρ h g Jika tekanan hidrostatis dilambangkan dengan ph, persamaannya dituliskan sebagai berikut. p h = ρ gh : p h = tekanan hidrostatis (N/m 2 ), ρ = massa jenis fluida (kg/m 3 ), g = percepatan gravitasi (m/s 2 ), dan h = kedalaman titik dari permukaan fluida (m). Semakin tinggi dari permukaan Bumi, tekanan udara akan semakin berkurang. Sebaliknya, semakin dalam Anda menyelam dari permukaan laut atau danau, tekanan hidrostatis akan semakin bertambah. Mengapa demikian? Hal tersebut disebabkan oleh gaya berat Pompa hidrolik menggunakan energi kinetik dari cairan yang dipompa pada suatu kolom dan energi tersebut diberikan pukulan yang tiba-tiba menjadi energi yang berbentuk lain (energi tekan). Pompa ini berfungsi untuk mentransfer energi mekanik menjadi energi hidrolik. Pompa hidrolik bekerja dengan cara menghisap oli dari tangki hidrolik dan mendorongnya kedalam sistem hidrolik dalam bentuk aliran. Aliran ini yang dimanfaatkan dengan cara merubahnya menjadi tekanan. Tekanan dihasilkan dengan cara menghambat aliran oli dalam sistem hidrolik. Ada 2 macam peralatan yang biasanya digunakan dalam mengubah energi mekanik menjadi energi hidrolik yaitu motor hidrolik dan aktuator. Tensimeter Cairan yang tekanannya akan diukur harus memiliki berat jenis yang lebih rendah dibanding cairan manometrik. Oleh karena itu pada alat pengukur tekanan darah dipilih air raksa sebagai cairan manometrik karena air raksa memiliki berat jenis yang lebih besar dibandingkan dengan berat jenis darah. Dalam kasus alat pengukur tekanan darah yang menggunakan air raksa, berarti tekanan darah dapat diukur dengan menghitung berat jenis air raksa dikalikan dengan gravitasi dan ketinggian air raksa kemudian dikurangi dengan berat jenis darah dikalikan dengan gravitasi dan ketinggian darah.
yang dihasilkan oleh udara dan zat cair. Anda telah mengetahui bahwa lapisan udara akan semakin tipis seiring bertambahnya ketinggian dari permukaan Bumi sehingga tekanan udara akan berkurang jika ketinggian bertambah. Adapun untuk zat cair, massanya akan semakin besar seiring dengan bertambahnya kedalaman. Oleh karena itu, tekanan hidrostatis akan bertambah jika kedalaman bertambah. HUKUM PASCAL Hukum pascal adalah hukum yang berbicara tentang tekanan fluida pada ruang tertutup. Jika sebuah kantong plastik yang berisi air dilubangi dengan jarum di beberapa tempat, airnya akan memancar keluar. Pancaran tersebut akan semakin kuat jika bagian atas plastik ditekan (diperas). Hal ini menunjukkan bahwa tekanan tersebut diteruskan ke segala arah dalam air. Terbukti, pancaran air yang terjadi semakin kuat. Pernyataan di atas pertama kali dikemukakan oleh Blaise Pascal. Setelah melakukan percobaan dengan alat penyemprotan (penyemprot Pascal), dia menyatakan bahwa tekanan yang diberikan pada zat cair dalam ruang tertutup diteruskan ke segala arah sama besar. Selanjutnya, pernyataan tersebut dikenal sebagai hukum pascal. Hukum Archimedes HUKUM ARCHIMEDES Hukum Archimedes adalah sebuah hukum tentang prinsip pengapungan diatas benda cair yang ditemukan oleh Archimedes, seorang ilmuwan Yunani yang juga merupakan penemu pompa spiral untuk menaikan air yang dikenal dengan istilah Sekrup Archimede. Hukum Archimedes berhubungan dengan gaya berat dan gaya ke atas suatu benda jika dimasukan kedalam air. Berikut ini adalah bunyi hukum Archimedes yang sangat terkenal itu. Bunyi Hukum Archimedes Suatu benda yang dicelupkan sebagian atau seluruhya kedalam zat cair akan mengalami gaya ke atas yang besarnya sama dengan berat zat cair yang dipindahkan oleh benda tersebut 1. Teknologi perkapalan seperti Kapal laut dan kapal Selam Teknologi perkapalan merupakan contoh hasil aplikasi ata penerapan hukum Archimedes yang paling sering kita jumpai dalam kehidupan sehari-hari. Kapan laut terbuat dari besi atau kayu yang di buat berongga dibagian tengahnya. Rongga pada bagian tengah kapal laut ini bertujuan agar volume air laut yang dipindahkan badan kapal besar. Aplikasi ini bedasarkan bunyi hukum Archimedes dimana gaya apung suatu benda sebanding dengan banyaknya air yang dipindahkan. Dengan menggunakan prinsip tersebut maka kapal laut bisa terapung dan tidak tenggelam. Berbeda dengan kapal selam yang memang di kehendaki untuk bisa tenggelam di air dan juga mengapung di udara. Untuk itu pada bagian tertentu dari kapal selam di persiapkan sebuah rongga yang dapat menampung sejumlah air laut yang bisa di isi dan di buang sesuai kebutuhan. Saat ingin
Rumus Hukum Archimedes F A = ρ a x V ax g Keterangan: F A = Gaya keatas yang dialami benda (N) ρ a= Massa Jenis zat cair (kg/m 3 ) V a= Volume air yang terdesak (m 3 ) g = Percepatan Gravitasi (m/det 2 ) Berdasarkan bunyi dan rumus hukum Archimede diatas, suatu benda yang akan terapung, tenggelam atau melayang didalam zat cair tergantung pada gaya berat dan gaya keatas. Maka dari itu, berdasarkan hukum diatas, terciptalah 3 hukum turunan dari Hukum Archimedes Yang Berbunyi: 1. Benda akan terapung jika massa jenis benda yang dimasukan kedalam air lebih kecil dari massa jenis zat cairnya 2. Benda akan melayang jika massa jenis benda yang dimasukan kedalam air sama dengan massa jenis zat cairnya 3. Benda akan tenggelam jika massa jenis benda yang dimasukan kedalam air lebih besar dari pada massa jenis zat cairnya. menyelam, rongga tersebut di isi dengan air laut sehingga berat kapal selam bertambah. Sedangkan saat ingin mengapung, air laut dalam rongga tersebut di keluarkan sehingga bobot kapal selam menjadi ringan dan mampu melayang di permukaan. 2. Alat pengukur massa jenis (Hidrometer) Hidrometer adalah sebuah alat yang digunakan untuk mengukur massa jenis zat cair. Hidrometer merupakan contoh penerapan hukum Archimedes dalam kehidupan sehari-hari yang paling sederhana. Cara kerja hidrometer merupakan realisasi bunyi hukum archimede, dimana suatu benda yang dimasukan kedalam zat cair sebagian atau keseluruhan akan mengalami gaya keatas yang besarnya sama dengan berat zat cair yang dipindahkan.jika hidrometer dicelupkan ke dalam zat cair, sebagian alat tersebut akan tenggelam. Makin besar massa jenis zat cair, Makin sedikit bagian hidrometer yang tenggelam. Seberapa banyak air yang dipindahkan oleh hidrometer akan tertera pada skala yang terdapat pada alat hidrometer. 3. Jembatan Poton Jembatan poton adalah sebuah jembatan yang terbuat dari kumpulan drum-drum kosong yang melayang diatas air dan diatur sedemikian rupa sehingga menyerupai sebuah jembatan. Jembatan poton disebut juga jembatan apung. Untuk bisa di jadikan sebagai jembatan, drum-drum tersebut harus berada dalam kondisi kosong dan tertutup rapat sehingga udara di dalam drum tidak dapat keluar dan air tidak dapat masuk kedalam. Dengan cara itu berat jenis drum dapat diminimalkan sehingga bisa terapung di atas permukaan air. 4. Teknologi Balon Udara Balon udara adalah penerapan prinsip Archimedes di udara. Jadi ternyata aplikasi hukum Archinedes tidak hanya berlaku untuk benda cair tetapi juga benda gas. Untuk dapat terbang melayang di udara, balon udara harus diisi dengan gas yang bermassa jenis lebih kecil dari massa jenis udara atmosfer,
sehingga, balon udara dapat terbang karena mendapat gaya keatas, misalnya diisi udara yang dipanaskan. Udara yang dipanaskan memiliki tingkat kerenggangan lebih besar daripada udara biasa. Sehingga masa jenis udara tersebut menjadi ringgan. Tegangan permukaan, meniskus, kapilaritas, viskositas, dan hukum stokes 1. Tegangan Permukaan Tegangan permukaan Tegangan permukaan disebabkan oleh interaksi molekul-molekul zat cair dipermukaan zat cair. Di bagian dalam cairan sebuah molekul dikelilingi oleh molekul lain disekitarnya, tetapi di permukaan cairan tidak ada molekul lain dibagian atas molekul cairan itu. Hal ini menyebabkan timbulnya gaya pemulih yang menarik molekul apabila molekul itu dinaikan menjauhi permukaan, oleh molekul yang ada di bagian bawah permukaan cairan. Sebaliknya jika molekul di permukaan cairan ditekan, dalam hal ini diberi jarum atau silet, molekul bagian bawah permukaan akan memberikan gaya pemulih yang arahnya ke atas, sehingga gaya pemulih ke atas ini dapat menopang jarum atau silet tetap di permukaan air tanpa tenggelam. Gaya ke atas untuk menopang jarum atau silet agar tidak tenggelam merupakan perkalian koefisien tegangan permukaan dengan dua kali panjang jarum. Panjang jarum disini adalah permukaan yang bersentuhan dengan zat cair. Jadi dapat kita simpulkan bahwa pengertian dari tegangan permukaan adalah kecenderungan permukaan zat cair untuk menegang, sehingga permukaannya seperti ditutupi oleh suatu lapisan elastis. Meniscus Meniscus adalah salah satu sifat fisika yang dimiliki oleh zat cair. Jika kita mengamati isi air dalam sebuah botol kaca, pada bagian permukaan air tersebut akan terlihat seperti melengkung, entah itu melengkung keatas maupun melengkung kebawah. Kelengkungan yang muncul pada permukaan air itulah yang disebut sebatang jarum atau sebuah silet yang kita buat terapung di permukaan air sebagai benda yang mengalami tegangan permukaan 2. Contoh dari meniscus adalah tabung kaca yang berisi air raksa pada thermometer 3. Berikut ini beberapa contoh yang menunjukkan gejala kapilaritas dalam kehidupan sehari-hari: - Naiknya minyak tanah melalui sumbu kompor sehingga kompor bisa dinyalakan. - Kain dan kertas isap dapat menghisap cairan. - Air dari akar dapat naik pada batang pohon melalui pembuluh kayu. 4. Viskositas Fluida yang lebih cair biasanya lebih mudah mengalir contohnya adalah air. Sebaliknya fluida yang lebih kental, lebih sulit mengalir, sebagai contoh minyak goreng, oli, madu. Tingkat kekentalan suatu fluida juga tergantung pada suhu semakin tinggi suhu zat cair, semakin kental zat cair tersebut. Perlu diketahui, bahwa Viskositas atau kekentalan Cuma ada pada fluida riil. Yang dimaksud fluida riil adalah fluida yang kita temui dalam kehidupan sehari-
dengan meniscus. Sederhananya, meniscus merupakan sifat kelengkungan suatu zat cair ketika berada didalam tabung. Berdasarkan gaya adhesi dan kohesinya, ada dua macam meniscus yang dapat di temukan pada zat cair, yaitu meniscus cekung dan meniscus cembung. Pada meniscus cekung, permukaan air akan terlihat seperti melengkung ke bawah. Jika ingin melihat bentuk lengkungannya, bisa dilihat pada permukaan air yang terdapat didalam botol kaca atau tabung reaksi. Hal ini disebabkan karena gaya adhesi antar molekul zat cair beserta wadah volumenya lebih besar daripada gaya kohesi antar molekul yang di terima. Dengan kata lain, gaya adhesi lebih kuat dari gaya kohesi. Akibat dari gaya adhesi yang lebih kuat dari gaya kohesi adalah air akan tertarik (atau bahkan menempel) ke dinding kaca. Inilah sifat air yang dapat membasahi kaca. Sedangkan pada meniscus cembung berupa kebalikan dari meniscus cekung, dimana permukaan air akan tampak seperti melengkung ke atas. Contohnya adalah tabung kaca yang berisi air raksa pada thermometer. Agar dapat membentuk meniscus cembung, gaya kohesi zat cair harus lebih besar daripada gaya adhesi antar molekul zat cair dan wadah volumenya. Atau, gaya kohesi lebih kuat dari gaya adhesi. Dan akibatnya adalah sifat air raksa yang tidak membasahi kaca sehingga bisa di manfaatkan pada thermometer. hari. Seperti air, sirup, oli, asap knalpot. 5. Hokum stokes Kapilaritas Tegangan permukaan ternyata juga mempunyai peranan pada fenomena menarik, yaitu kapilaritas. Contoh peristiwa yang menunjukkan kapilaritas adalah minyak tanah, yang dapat naik melalui sumbu kompor. Selain itu, dinding rumah kita pada musim hujan dapat basah juga terjadi karena adanya gejala kapilaritas.
Untuk membahas kapilaritas, kita perhatikan sebuah pipa kaca dengan diameter kecil (pipa kapiler) yang ujungnya terbuka saat dimasukkan ke dalam bejana berisi air. Kita dapat menyaksikan bahwa permukaan air dalam pipa akan naik. Lain hasilnya jika kita mencelupkan pipa tersebut ke dalam bejana berisi air raksa. Permukaan air raksa dalam tabung akan turun atau lebih rendah daripada permukaan air raksa dalam bejana. Gejala inilah yang disebut dengan gejala kapilaritas. Pada kejadian ini, pipa yang digunakan adalah 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 adalah adanya adhesi dan kohesi. Kohesi adalah gaya tarik menarik antar molekul yang sama jenisnya. Gaya ini menyebabkan antara zat yang satu dengan yang lain tidak dapat menempel karena molekulnya saling tolak menolak. sedangkan adhesi adalah gaya tarik menarik antar molekul yang berbeda jenisnya. Gaya ini menyebabkan antara zat yang satu dengan yang lain dapat menempel dengan baik karena molekulnya saling tarik menarik atau merekat. 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 air raksa, adhesi air raksa dengan kaca lebih kecil daripada kohesi antar partikel air raksa. Oleh karena itu, sudut kontak antara air 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. Selain keuntungan, kapilaritas dapat menimbulkan beberapa masalah berikut ini : Air hujan merembes dari dinding luar, sehingga dinding dalam juga basah. Air dari dinding bawah rumah merembes naik melalui batu bata menuju ke atas sehingga dinding rumah lembab. Viskositas
Viskositas merupakan pengukuran dari ketahanan fluida yang diubah baik dengan tekanan maupun tegangan. Pada masalah sehari-hari (dan hanya untuk fluida), viskositas adalah "Ketebalan" atau "pergesekan internal". Oleh karena itu, air yang "tipis", memiliki viskositas lebih rendah, sedangkan madu yang "tebal", memiliki viskositas yang lebih tinggi. Sederhananya, semakin rendah viskositas suatu fluida, semakin besar juga pergerakan dari fluida tersebut. Viskositas menjelaskan ketahanan internal fluida untuk mengalir dan mungkin dapat dipikirkan sebagai pengukuran dari pergeseran fluida. Seluruh fluida (kecuali superfluida) memiliki ketahanan dari tekanan dan oleh karena itu disebut kental, tetapi fluida yang tidak memiliki ketahanan tekanan dan tegangan disebut fluide ideal. Hukum Stokes Gaya gesek antara permukaan benda padat yang bergerak dengan fluida akan sebanding dengan kecepatan relatif gerak benda ini terhadap fluida. Hambatan gerak benda di dalam fluida disebabkan oleh gaya gesek antara bagian fluida yang melekat ke permukaan benda dengan bagian fluida di sebelahnya. Gaya gesek itu sebanding dengan koefisien viskositas (η) fluida. Menurut Stokes, gaya gesek adalah: Fs = 6 π r η v Keterangan: Fs : gaya gesek (N) r : jari-jari benda (m)
v : kecepatan jatuh dalam fluida (m/s) Persamaan di atas dikenal sebagai hukum Stokes. Penentuan η dengan mengunakan hukum Stokes dapat dilakukan dengan percobaan kelereng jatuh. Sewaktu kelereng dijatuhkan ke dalam bejana kaca yang berisi cairan yang hendak ditentukan koefisien viskositasnya, kecepatan kelereng semakin lama semakin cepat. Sesuai dengan hukum Stokes, makin cepat gerakannya, makin besar gaya geseknya. Hal ini menyebabkan gaya berat kelereng tepat setimbang dengan gaya gesek dan kelereng jatuh dengan kecepatan tetap sebesar v sehingga berlaku persamaan: w = Fs m. g = 6 π r η v