Melayani siapa saja untuk belajar fisika kapan saja dan dimana saja

Sunday, March 7, 2021

Fluida statis: materi, rumus, soal, penyelesaian soal serta aplikasinya dalam kehidupan sehari-hari

Sahabat fisioner, dalam bab ini kita akan mempelajari statika fluida. Fluida adalah zat yang dapat mengalir, sehingga yang termasuk fluida adalah zat cair dan gas. Dalam  statika fluida  anda mempelajari fluida yang ada dalam keadaan diam (tidak bergerak). Fluida yang diam disebut fluida statis. Jika yang diamati adalah zat cair disebut hidrostatis. Apakah sahabat fisioner sudah siap? Ayo kita mulai!

Fluida Statis

1. Tekanan

Di SMP anda telah mempelajari tekanan, yang didefinisikan sebagai gaya normal (tegak lurus) yang bekerja pada suatu bidang dibagi dengan luas bidang tersbut.

Satuan SI untuk tekanan adalah Pascal (disingkat Pa) untuk memberi penghargaan kepada Blaise Pascal, penemu hukum Pascal. Tentu saja 1 Pa = 1 Nm-2Untuk keperluan cuaca digunakan satuan atmosfer (atm), cmHg atau mmHg, dan milibar (mb).
1 mb = 0,001; 1 bar = 105 Pa
1 atm = 76 cmHg = 1, 01 x 105 Pa = 1, 01 bar
Untuk menghormati Torricelli, fisikawan italia penemu barometer, ditetapkan satuan tekanan dalam torr,
1 torr = 1 mmHg

a. Penurunan rumus tekanan Hidrostatis

Gaya gravitasi menyebabkan zat cair dalam suatu wadah selalu tertarik ke bawah. Makin tinggi zat cair dalam wadah, makin berat zat cair itu, sehingga makin besar juga tekanan zat cair pada dasar wadahnya. Tekanan zat cair yang hanya disebabkan oleh beratnya sendiri disebut tekanan hidrostatis. 
Bayangkan luas penampang persegi panjang (luas yang diarsir), p x l, yang terletak pada kedalaman h di bawah permukaan zat cair (massa jenis = r), seperti tampak pada gambar di samping. Volume zat cair di dalam balok = p x l x h, sehingga massa zat cair di dalam balok adalah
Berat zat cair di dalam balok,
Tekanan zat cair di sembarang titik pada luas bidang yang diarsir adalah

Jadi, tekanan hidrostatis zat cair (ph) dengan massa jenis r pada ketinggian h dirumuskan dengan

b.  Tekanan Gauge

Tekanan gauge adalah selisih antara tekanan yang tidak diketahui dengan tekanan atmosfer (tekanan udara luar). Nilai tekanan yang diukur oleh alat pengukur tekanan adalah tekanan gauge. Adapun tekanan sesungguhnya disebut denga tekanan mutlak.
Tekanan mutlak = tekanan gauge + tekanan atmosfer
p = pgauge + patm
Sebagai contoh, sebuah ban yang mengandung udara dengan tekanan gauge 2 atm (diukur oleh alat ukur) memiliki tekanan mutlak kira-kira 3 atm. Ini karena tekanan atmosfer pada permukaan laut kira-kira 1 atm.

c. Tekanan mutlak pada suatu kedalaman zat cair

Telah disebutkan sebelumnya bahwa pada lapisan atas zat cair bekerja tekanan atmosfer. Atmosfer adalah lapisan udara yang menyelimuti bumi. Pada tiap bagian atmosfer bekerja gaya tarik gravitasi. Makin ke bawah, makin berat lapisan udara yang diatasnya. Oleh karena itu, makin rendah suatu tempat, makin tinggi tekanan atmosfernya. Di permukaan laut, tekanan atmosfer bernilai kira-kira 1 atm atau 1,01 x 105 Pa.

2.      Hukum pokok Hidrostatika


Perhatikan gambar di atas. Gambar di atas memperlihatkan sebuah bejana berhubungan yang didisi dengan fluida, misalnya air. Anda dapat melihat bahwa tinggi permukaan air di setiap tabung adalah sama, walaupun bentuk setiap tabung berbeda.
Bagaimanakah tekanan yang dialami oleh suatu titik di setiap tabung? Samakah tekanan total di titik A, B, C dan D yang segaris?

Hukum pokok hidrostatika berbunyi:
Semua titik yang terletak pada bidang datar yang sama di dalam zat cair yang sejenis memiliki tekanan (mutlak) yang sama.

Jadi, walaupun bentuk penampang tabung berbeda, besarnya tekanan total di titik A, B, C, dan D adalah sama. Persamaan hukum pokok hidrostatika dapat diturunkan dengan memperhatikan gambar berikut.
Misalkan pada suatu bejana berhubungan dimasukan dua jenis fluida yang massa jenisnya berbeda, yaitu r1 dan r2. Jika diukur dari bidang batas terendah antara fluida 1 dan fluida 2, yaitu titik B dan titik A, fluida 2 memiliki ketinggian h2 dan fluida 1 memiliki ketinggian h1. Tekanan total di titik A dan di titik B adalah sama. Menurut persamaan pokok hidrostatis, besarnya tekanan di titik A dan titik B bergantung pada massa jenis fluida dan ketinggian fluida di dalam tabung. Secara matematis, persamaannya dapat di tulis sebagai berikut.

3. Hukum Pascal

Di SMP anda telah melakukan percobaan seperti yang ditunjukkan pada gambar di samping. Ketika anda memeras ujung kantong plastik berisi air yang memiliki banyak lubang, air memancar dari setiap lubang dengan sama kuat. Hasil percobaan inilah yang diamati Blaise Pascal yang kemudian menyimpulkannya dalam hukum Pascal yang berbunyi:
Tekanan yang diberikan pada zat cair dalam ruang tertutup diteruskan sama besar ke segala arah. 

Sebuah terapan sederhana dari prinsip hukum Pascal adalah dongkrak hidrolik.
Skema dari prinsip kerja dongkrak hidrolik ditunjukkan seperti pada gambar berikut:
Dongkrak hidrolik terdiri dari bejana dengan dua kaki (kaki 1 dan kaki 2) yang masing-masing diberi penghisap. Penghisap 1 memiliki luas penampang A1 (lebih besar) dan penghisap 2 memiliki luas penampang A2 (lebih kecil). Bejana diisi dengan ciran (misalnya oli).
Jika penghisap 2 anda tekan dengan gaya F2, zat cair akan menekan penghisap 2 ke atas dengan gaya pA2 sehingga terjadi keseimbangan pada penghisap 2 dan berlaku
Sesuai hukum pascal bahwa tekanan pada zat cair dalam ruang tertutup diteruskan sama besar ke segala arah, maka pada penghisap 1 bekerja gaya ke atas pA1. Gaya yang seimbang dengan ini adalah F1 yang bekerja pada penghisap 1 dengan arah ke bawah.
Dengan menyamakan ruas kanan (**) dan (*) kita peroleh
Persamaan di atas menyatakan bahwa perbandingan gaya sama dengan perbandingan luas penghisap
Penampang penghisap dongkrak hidrolik berbentuk silinder dengan diameter (garis tengah) yang diketahui. Misalnya, penghisap 1  berdiameter D1 dan penghisap 2 berdiameter D2, maka
Persamaan di atas menyatakan bahwa perbandingan gaya sama dengan perbandingan kuadrat diameter. Ini berarti jika diameter penghisap 2 adalah 10 x diameter penghisap 1, gaya tekan 100 N pada penghisap 1 dapat mengangkat mobil yang memiliki berat (10)2 x 100 N = 10.000 N pada penghisap 2.

4.      Hukum Archimedes

Jika kita celupkan batu ke dalam sebuah bejana berisi air, permukaan air akan naik. Ini karena batu menggantikan volume air. Jika batu kita celupkan pada bejana yang penuh berisi air, sebagian air akan tumpah dari bejana. Volume air tumpah sama dengan volume batu yang menggantikan air.
Jadi, suatu benda yang dicelupkan seluruhnya dalam zat cair selalu menggantikan volume zat cair yang sama dengan volume benda itu sendiri.
Dengan pemahaman di atas, disertai dengan kaitan antara gaya apung yang dirasakannya dengan volume zat cair yang dipindahkan benda, Archimedes menemukan hukumnya, yaitu hukum Archimedes yang berbunyi:
Gaya apung yang bekerja pada suatu benda yang dicelupkan sebagaian atau seluruhnya ke dalam suatu fluida sama dengan berat fluida yang dipindahkan oleh benda tersebut.

a.  Penurunan Matematis Hukum Archimedes

Apakah penyebab munculnya gaya apung yang dikerjakan oleh suatu fluida kepada benda yang tercelup dalam fluida?
Ternyata gaya apung ini muncul karena selisih antara gaya hidrostatis yang dikerjakan fluida terhadap permukaan bawah dengan permukaan atas benda. Kita akan menurunkan rumus gaya apung Fa secara teoritis berdasarakan pemahaman tekanan hidrostatis yang telah anda pelajari sebelumnya. Seperti telah anda ketahui bahwa gaya apung terjadi akibat konsekuensi dari tekanan hidrostatis yang makin meningkat dengan kedalaman. Dengan kata lain, gaya apung terjadi karena makin dalam zat cair, makin besar tekanan hidrostatisnya. Ini menyebabkan tekanan pada bagian bawah benda lebih besar daripada tekanan pada bagian atasnya.

b.  Mengapung, tenggelam, dan melayang

Masih ingatkah anda dengan peristiwa mengapung, tenggelam, dan melayang ketika suatu benda dicelupkan dalam zat cair?
Untuk mengingatnya kembali, perhatikan ilustrasi pada gambar berikut!
Ilustrasi pada gambar di atas menunjukkan bahwa apakah suatu benda mengapung, tenggelam atau melayang hanya ditentukan oleh massa jenis rata-rata benda dan massa jenis zat cair. Jika massa jenis rata-rata benda lebih kecil daripada massa jenis zat cair, benda akan mengapung di permukaan zat cair. Jika massa jenis rata-rata benda lebih besar daripada massa jenis zat cair, benda akan tenggelam di dasar wadah zat cair. Jika massa jenis rata-rata benda sama dengan massa jenis zat cair, benda akan melayang dalam zat cair di antara permukaan dan dasar wadah zat cair. Jadi,
Peristiwa mengapung, tenggelam, dan melayang juga dapat dijelaskan berdasarkan konsep gaya apung dan berat benda. Pada suatu benda yang tercelup sebagian atau seluruhnya dalam zat cair, bekerja gaya apung (Fa). Dengan demikian, pada benda yang tercelup dalam zat cair bekerja dua buah gaya: gaya berat w dan gaya apung Fa, gambar berikut.
----------------------------------------------------------fisika online--------------------------------------
19 materi fisika beserta rumus, soal, penyelesaian soal berikut ini dapat Anda pelajari dengan mengklik salah satu materi yang ingin dipelajari.

No comments:

Post a Comment