Fluida - WordPress.com

2.1 Pengertian Fluida
Fluida adalah zat yang dapat mengalir. Kata Fluida mencakup zat car, air dan gas karena
kedua zat ini dapat mengalir, sebaliknya batu dan benda-benda keras atau seluruh zat padat tidak
digolongkan kedalam fluida karena tidak bisa mengalir.
Susu, minyak pelumas, dan air merupakan contoh zat cair. dan Semua zat cair itu dapat
dikelompokan ke dalam fluida karena sifatnya yang dapat mengalir dari satu tempat ke tempat
yang lain. Selain zat cair, zat gas juga termasuk fluida. Zat gas juga dapat mengalir dari satu satu
tempat ke tempat lain. Hembusan angin merupakan contoh udara yang berpindah dari satu
tempat ke tempat lain.
Fluida merupakan salah satu aspek yang penting dalam kehidupan sehari-hari. Setiap hari
manusia menghirupnya, meminumnya, terapung atau tenggelam di dalamnya. Setiap hari
pesawat udara terbang melaluinya dan kapal laut mengapung di atasnya. Demikian juga kapal
selam dapat mengapung atau melayang di dalamnya. Air yang diminum dan udara yang dihirup
juga bersirkulasi di dalam tubuh manusia setiap saat meskipun sering tidak disadari.
2.2 Pengertian Fluida Statis
Fluida ini dapat kita bagi menjadi dua bagian yakni:
1. Fluida statis
2. Fluida Dinamis
Tapi yang kita bahas dalam makalah ini hanyalah membahas tentang fluida statis (fluida diam).
Adapun pengertian dari Fluida Statis adalah fluida yang berada dalam fase tidak bergerak (diam)
atau fluida dalam keadaan bergerak tetapi tak ada perbedaan kecepatan antar partikel fluida
tersebut atau bisa dikatakan bahwa partikel-partikel fluida tersebut bergerak dengan kecepatan
seragam sehingga tidak memiliki gaya geser.
Contoh fenomena fluida statis dapat dibagi menjadi statis sederhana dan tidak sederhana.
Contoh fluida yang diam secara sederhana adalah air di bak yang tidak dikenai gaya oleh gaya
apapun, seperti gaya angin, panas, dan lain-lain yang mengakibatkan air tersebut bergerak.
Contoh fluida statis yang tidak sederhana adalah air sungai yang memiliki kecepatan seragam
pada tiap partikel di berbagai lapisan dari permukaan sampai dasar sungai.
Contoh pada kehidupan sehari-hari, sering digunakan air sebagai contoh. Cairan yang
berada dalam bejana mengalami gaya-gaya yang seimbang sehingga cairan itu tidak mengalir.
Gaya dari sebelah kiri diimbangi dengan gaya dari sebelah kanan, gaya dari atas ditahan dari
bawah. Cairan yang massanya M menekan dasar bejana dengan gaya sebesar Mg. Gaya ini
tersebar merata pada seluruh permukaan dasar bejana. Selama cairan itu tidak mengalir (dalam
keadaan statis), pada cairan tidak ada gaya geseran sehingga hanya melakukan gaya ke bawah
oleh akibat berat cairan dalam kolom tersebut.
1
2.3 Sifat-sifat Fluida
Sifat fisis fluida dapat ditentukan dan dipahami lebih jelas saat fluida berada dalam
keadaan diam (statis). Sifat-sifat fisis fluida statis ini di antaranya, massa jenis, tekanan,
tegangan permukaan, kapilaritas, dan viskositas. Tapi yang kita bahas dalam makalah ini
hanyalah massa jenis dan tekanan.
2.3.1
Massa Jenis/Kerapatan
Pernahkah Anda membandingkan berat antara kayu dan besi? Benarkah pernyataan
bahwa besi lebih berat daripada kayu? Pernyataan tersebut tentunya kurang tepat, karena
segelondong kayu yang besar jauh lebih berat daripada sebuah bola besi. Pernyataan yang tepat
untuk perbandingan antara kayu dan besi tersebut, yaitu besi lebih padat daripada kayu.
Anda tentu masih ingat, bahwa setiap benda memiliki kerapatan massa yang berbedabeda serta merupakan sifat alami dari benda tersebut. Dalam Fisika, ukuran kepadatan (densitas)
benda homogen disebut massa jenis, yaitu massa per satuan volume. Jadi massa jenis adalah
pengukuran massa setiap satuan volume benda. Semakin tinggi massa jenis suatu benda, maka
semakin besar pula massa setiap volumenya.
Massa jenis rata-rata setiap benda merupakan total massa dibagi dengan total volumenya.
Sebuah benda yang memiliki massa jenis lebih tinggi (misalnya besi) akan memiliki volume
yang lebih rendah daripada benda bermassa sama yang memiliki massa jenis lebih rendah
(misalnya air).
Satuan SI massa jenis adalah kilogram per meter kubik (kg·m-3). Massa jenis
berfungsi untuk menentukan zat. Setiap zat memiliki massa jenis yang berbeda. Dan satu zat
berapapun massanya berapapun volumenya akan memiliki massa jenis yang sama.
Secara matematis, massa jenis dituliskan sebagai berikut :
dengan: m = massa (kg atau g),
V = volume (m3 atau cm3),
3
ρ = massa jenis (kg/m
atau g/cm3).
2
Jenis beberapa bahan dan massa jenisnya dapat dilihat pada Tabel berikut.
Tabel Massa Jenis atau Kerapatan Massa (Density)
Bahan
Massa Jenis (g/cm3) Nama Bahan Massa Jenis (g/cm3)
Air
1,00
Gliserin
1,26
Aluminium
2,7
Kuningan
8,6
Baja
7,8
Perak
10,5
Benzena
0,9
Platina
21,4
Besi
7,8
Raksa
13,6
Emas
19,3
Tembaga
8,9
Es
0,92
Timah Hitam
11,3
Etil Alkohol
0,81
Udara
0,0012
Kerapatan berat didefinisikan sebagai Berat persatuan Volume, yang biasa disimbolkan
dengan “D”.
atau
Dengan : D = Berat jenis (N/m3)
w = Berat benda (N)
V = Volume (m3)
ρ = Massa jenis (kg/m3)
g = Percepatan gravitasi (m/s2)
Rapat massa relatif didefinisikan sebagai perbandingan dari rapat massa zat tersebut
terhadap rapat massa dari zat tertentu sebagai zat pembanding.
Zat pembanding biasa diambil air, pada suhu 40 C.
Rapat massa relatif biasa disimbolkan dengan : rho r.
Juga berlaku :
3
Atau
Rapat massa relatif tidak mempunyai SATUAN.
4
Contoh soal :
1. 1000 liter alkohol massanya 789 kg. Massa jenis alkohol tersebut adalah ...
2. Sebuah cangkir (berbentuk tabung) dapat memuat air kopi sebanyak 314 gram jika diisi sampai
setinggi 10 cm. Jika massa jenis kopi dianggap 1 gram/cm3, maka radius dalam cangkir tersebut
adalah ...
Pembahasan :
1. diketahui :
V = 1000 l;
Jawab :
m = 789 kg;
ρ = = = 0,789 kg/m3
Jadi massa jenis alkohol sebesar 0,789 kg/m3
2. diketahui :
m = 314 gram;
h = 10 cm
Jawab :
ρ = 1 gram/cm3 2
ρ= =ρ=
1=
31,4 r = 314
r2 = 10
r = = 3,16 cm
Jadi radius dalam cangkir tersebut adalah 3,16 cm.
2
2.3.2
Tekanan
Pengertian tekanan akan mudah kita pahami setelah kita menjawab pertanyaanpertanyaan di bawah ini. Mengapa pisau yang tajam lebih mudah memotong dari pada pisau
yang tumpul? Mengapa paku yang runcing lebih mudah menancap kedalam benda dibandingkan
paku yang kurang runcing? Pertanyaan diatas sangat berhubungan dengan konsep tekanan.
Konsep tekanan identik dengan gaya, gaya selalu menyertai pengertian tekanan. Tekanan yang
besar dihasilkan dari gaya yang besar pula, sebaliknya tekanan yang kecil dihasilkan dari gaya
yang kecil. Dari pernyataan di atas dapat dikatakan bahwa tekanan sebanding dengan gaya. Mari
kita lihat orang memukul paku sebagai contoh. Orang menancapkan paku dengan gaya yang
besar menghasilkan paku yang menancap lebih dalam dibandingkan dengan gaya yang kecil.
Pengertian tekanan tidak cukup sampai disini. Terdapat perbedaan hasil tancapan paku
bila paku runcing dan paku tumpul. Paku runcing menancap lebih dalam dari pada paku yang
tumpul walaupun dipukul dengan gaya yang sama besar. Dari sini terlihat bahwa luas permukaan
yang terkena gaya berpengaruh terhadap tekanan. Luas permukaan yang sempit/kecil
menghasilkan tekanan yang lebih besar daripada luas permukaan yang lebar. Artinya tekanan
berbanding terbalik dengan luas permukaan.
Penjelasan di atas memberikan bukti yang sangat nyata pada pengertian tekanan. Jadi,
tekanan dinyatakan sebagai gaya per satuan luas. Pengertian tekanan ini digunakan secara luas
dan lebih khusus lagi untuk Fluida. Satuan untuk tekanan dapat diperoleh dari rumus di atas yaitu
1 Newton/m2 atau disebut dengan pascal. Jadi 1 N/m2=1 Pa (pascal). Bila suatu cairan diberi
tekanan dari luar, tekanan ini akan menekan ke seluruh bagian cairan dengan sama prinsip ini
dikenal sebagai hukum Pascal.
5
Jika gaya F bekerja tegak lurus bekerja pada benda seluas A, besarnya tekanan secara
matematis dituliskan sebagai berikut :
P = F/A
Keterangan : P = Tekanan (N/m2 atau pascal)
F = Gaya (N)
A = Luas permukaan benda (m2)
Persamaan diatas menyatakan bahwa tekanan p berbanding terbalik dengan luas
permukaan bidang tempat gaya bekerja. Jadi, untuk besar gaya yang sama, luas bidang yang
kecil akan mendapatkan tekanan yang lebih besar daripada luas bidang yang besar.
2.3 Tekanan Hidrostatis
Tekanan Hidrostatis adalah tekanan yang terjadi di bawah air. Tekanan hidrostatis
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 :
Oleh karena m = ρ.V persamaan tekanan oleh fluida dituliskan sebagai p =
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.g.h
6
Jika tekanan hidrostatis dilambangkan dengan ph, persamaannya dituliskan sebagai
berikut :
Dengan : Ph = Tek anan hidrostatis (N/m2)
Ph = ρ.g.h
ρ = Massa jenis (kg/m3)
g = Percepatan gravitasi (m/s2)
h = Ketinggian (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. Mengaa demikian? Hal tersebut disebabkan oleh gaya berat 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.
2.3.1 Manometer Pipa Terbuka
Manometer pipa terbuka adalah alat pengukur tekanan gas yang paling sederhana. Alat
ini berupa pipa berbentuk U yang berisi zat cair. Ujung yang satu mendapat tekanan sebesar p
(dari gas yang hendak diukur tekanannya) dan ujung lainnya berhubungan dengan tekanan
atmosfir (p0).
2.3.2 Barometer
Barometer raksa ini ditemukan pada 1643 oleh Evangelista Torricelli, seorang ahli
Fisika dan Matematika dari Italia. Barometer adalah alat untuk mengukur tekanan udara.
Barometer umum digunakan dalam peramalan cuaca, dimana tekanan udara yang tinggi
menandakan cuaca bersahabat, sedangkan tekanan udara rendah menandakan kemungkinan
badai. Ia mendefinisikan tekanan atmosfir dalam bukunya yang berjudul “A Unit of
Measurement, The Torr” Tekanan atmosfer (1 atm) sama dengan tekanan hidrostatis raksa
(mercury) yang tingginya 760 mm. Cara mengonversikan satuannya adalah sebagai berikut.
ρ raksa × percepatan gravitasi Bumi × panjang raksa dalam tabung atau
(13.600 kg/cm3 )(9,8 m/s2)(0,76 m) = 1,103 × 105 N/m2
Jadi, 1 atm = 76 cmHg = 1,013 × 105 N/m2
2.3.3 Pengukur Tekanan Ban
Alat ini digunakan untuk mengukur tekanan udara di dalam ban. Bentuknya berupa
silinder panjang yang di dalamnya terdapat pegas. Saat ujungnya ditekankan pada pentil ban,
tekanan udara dari dalam ban akan masuk ke dalam silinder dan menekan pegas. Besarnya
tekanan yang diterima oleh pegas akan diteruskan ke ujung lain dari silinder yang dihubungkan
dengan skala. Skala ini telah dikalibrasi sehingga dapat menunjukkan nilai selisih tekanan udara
luar (atmosfer) dengan tekanan udara dalam ban.
7
Contoh soal :
1. Sebuah tempa air berbentuk kubus memiliki panjang rusuk 60 cm diisi 180 liter air (massa jenis
air = 103 kg/m3). Jika g = 10 m/s2, tentukan :
a. tekanan hidrostatik pada dasar kubus;
b. gaya hidrostatik pada dasar kubus;
c. gaya hidrostatik pada titik B yangberjarak 0,25 m dari permukaan air.
2. Sebuah pipa U berisi dua cairan dengan kerapatan berbeda pada keadaan setimbang. Di pipa
sebelah kiri berisi minyak yang tidak diketahui kerapatannya, di sebelah kanan berisi air dengan
kerapatan 1000 kg/m3. Bila selisih ketinggian di permukaan air adalah h=13 mm dan selisih
ketinggian antara minyak dan air adalah 15 mm. Berapakah kerapatan minyak ?
3. Dalam sebuah bejana diisi air (ρ = 1000 kg/m3). Ketinggian airnya adalah 85cm. Jika g = 10 m/s2
dan tekanan udara 1 atm, maka tentukan :
a. tekanan hidrostatis di dasar bejana;
b. tekanan mutlak di dasar bejana.
Penyelesaian :
1. Diketahui:
V = 180 L = 0,18 m3; ρ = 103 kg/m3
g = 10 m/s2;
A = 0.36 m2
s = 60 cm;
hB = 0,25 m
hA = = = 0,5
jawab :
a. PA = ρ.g.h
= 1000.10.0,5 = 5000 Pa
b. FA = PA.A
= 5000.0,36 = 1800 N
c. PB = ρ.g.h
= 1000.10.0,25 = 2500 Pa
8
FB = PB.A
= 2500.0,25 = 900 N
Jadi besar tekanan hidrostatis pada dasar kubus adalah P A = 5000 Pa, gaya hidrostatis pada dasar
kubus adalah FA = 1800 N, dan gaya hidrostatis pada titik B adalah FB = 900 N.
2. Tekanan di sebelah kiri pipa disebabkan karena tekanan atmosfer dan berat minyak. Tekanan di
sebelah kanan pipa adalah karena berat air dan tekanan atmosfer. Tekanan pada titik yang segaris
adalah sama sehingga :
P1 = P2
ρ1.g1.h1 = ρ2.g2.h2
ρ1.h1 = ρ1.h2 => ρ1 = = = 866,7 kg/m3
Jadi kerapatan minyak adalah 866,7 kg/m3
3. Diketahui :
h = 85 cm = 0,85 m; ρ = 1000 kg/m3;
Pu = 1 atm;
g = 10 m/s2.
Jawab :
a. Tekanan hidrostatis di dasar bejana.
Ph = ρ.g.h
= 1000.10.0.85
= 8,5.103 Pa.
b. Tekanan mutlak di dasar bejana.
PA = Pu + Ph
= 105 + 8,5.103
= 1,085.103 Pa.
9