Materi Kelas 11 : Fluida Statis
Pada pelajaran fisika di SMA kelas 11 salah satu materi fisika yang dipelajari adalah tentang fluida statis. materi ini sangat erat kaitannya dalam kehidupan sehari-hari baik yang menguntungkan ataupun yang merugikan, banyak sekali manfaat yang bisa kita ambil dari belajar fluida statis. materi ini dibuat berdasarkan apa yang saya pahami selama belajar fisika dan diambil dari berbagai sumber yang relevan. selamat menikmati...
Gambar 1. (a) zat cair, (b) zat gas ketika dipindahkan dari atas ke bawah
(sumber : holt physics)
Gambar 1 merupakan proses ketika suatu zat cair dan zat gas ditumpahkan ke bawah, terlihat bahwa baik zat cair maupun zat gas sama-sama mengalir ke bawah dan terjadi perubahan bentuk ketika sebelum mengalir-saat mengalir-setelah mengalir. Fluida didefinisikan sebagai suatu zat yang dapat mengalir dan mengubah bentuknya selama proses mengalir, zat yang termasuk fluida adalah zat cair dan gas. Sedangkan fluida statis mempelajari tentang fluida saat tenang dan kondisi setimbang.
Konsep dasar fluida statis
Massa jenis (ρ)
Keterangan :
ρ : massa jenis (kg.m-3)
m : massa (kg)
V : Volume (m3)
Jurus jitu :
Salah satu teknik menghafal adalah dengan mengubah bentuk rumus menjadi bentuk-bentuk yang mudah diingat, cobalah untuk mengingatnya sebagai gambar bukan sebagai tulisan.
Setiap benda yang memiliki material sama akan memiliki massa jenis yang sama juga meskipun ukuran massa dan volumenya berbeda. Hal ini dikarenakan rasio perbandingan massa dan volume kedua benda adalah sama. Massa jenis sebongkah es akan sama dengan massa jenis pecahan dari bongkahan es tersebut. Berikut tabel beberapa massa jenis benda
Tabel 1. Massa jenis benda
Bahan | Massa jenis {kg.m-3) | Bahan | Massa jenis {kg.m-3) |
Udara (1 atm, 20 0C) | 1,20 | Beton | 2,00 x 103 |
Oksigen | 1,43 | aluminium | 2,7 x 103 |
Karbon dioksida | 1,98 | Besi, Baja | 7,8 x 103 |
Etanol | 0,81 x 103 | Kuningan | 8,6 x 103 |
Benzena | 0,90 x 103 | Tembaga | 8,9 x 103 |
Es | 0,92 x 103 | Perak | 10,5 x 103 |
Air | 1,00 x 103 | Timah | 11,3 x 103 |
Air laut | 1,03 x 103 | Merkuri | 13,6 x 103 |
Darah | 1,06 x 103 | Emas | 19,3 x 103 |
Gliserin | 1,26 x 103 | Platina | 21,4 x 103 |
(sumber : Physics University & holt physics)
Satuan massa jenis dapat dinyatakan dalam sistem MKS (meter, kilo, sekon) yakni kg.m-3 atau sistem CGS (centi, gram, sekon) yakni g.cm-3. Konversi kedua satuan ini adalah
1 g.cm-3 = 1.000 kg.m-3
Tekanan
Ketika suatu fluida dalam keadaan diam, fluida tersebut memberikan memberikan gaya yang tegak lurus setiap permukaan yang bersentuhan dengannya. Gaya inilah yang kita rasakan pada lengan atau kaki kita saat berenang sehingga membuat tangan dan kaki cepat capek. Misalkan sebuah bidang luasan sangat kecil (dA) berada dalam fluida, maka ia akan mendapatkan gaya dari fluida dari kedua sisinya yang sama besar tapi berlawanan arah (perhatikan gambar 2.a). hal tersebut juga berlaku tetap berlaku meskipun bidang luasan tersebut berubah arah dan besar, ia akan tetap mendapatkan gaya yang sama besar dan berlawanan arah dari fluida (perhatikan gambar 2.b)
Gambar 2. (a) gaya oleh fluida pada sebuah bidang luasan, (b) gaya oleh fluida ketika luasan berubah arah dan besar
(sumber : Physics University)
Berdasarkan gambar 2, kita dapat mengetahui bahwa gaya-gaya (dF⊥) yang dikerjakan oleh fluida pada suatu bidang luasan adalah gaya normal, dalam hal ini dapat dikatakan bahwa bidang luasan tersebut mendapat tekanan dari fluida pada kedua sisinya. Sehingga kita bisa mendefinisikan bahwa tekanan adalah Gaya yang dikerjakan oleh fluida pada suatu luasan tertentu. Secara matematis dapat dituliskan.
Jika tekanan yang diberikan pada tiap bagian bidang luasan adalah sama besar maka kita dapat menuliskan persamaan di atas menjadi
Keterangan :
P : tekanan (Pa atau N.m-2)
F : gaya (N)
A : luas bidang tekan (m2)
Sekarang kita tinjau bagaimana tekanan yang diberikan oleh fluida pada sebuah benda di dalamnya, perhatikan gambar berikut.
Gambar 3. Tekanan fluida pada sebuah benda di dalamnya
Pada gambar 4 terlihat bahwa fluida akan memberikan tekanan pada benda dari segala arah yang sama besar pada tiap arahnya. Karena tekanan tidak memiliki arah yang spesifik maka tekanan termasuk besaran skalar, hal ini berbeda dengan gaya yang memiliki arah tertentu sehingga termasuk besaran vektor. Hal ini juga dapat dibuktikan melalui hasil percobaan dengan menggunakan sensor tekanan seperti gambar di bawah ini.
Gambar 4. Hasil percobaan mengukur tekanan menggunakan sensor tekanan
(sumber : https://www.ni.com/en-id/innovations/white-papers/06/how-to-measure-pressure-with-pressure-sensors.html)
Berdasarkan hasil percobaan pada gambar 5 terlihat bahwa meskipun arah gaya yang mengenai sensor berubah-ubah besar tekanannya tetap dan tidak dapat mengetahui arah dari tekanan tersebut secara spesifik
Tekanan atmosfer (Po) merupakan tekanan yang diberikan oleh atmosfer bumi yang nilainya bervariasi bergantung pada perubahan cuaca dan sudut elevasi. Pada keadaan normal tekanan atmosfer (kadang disebut juga tekanan udara luar) memiliki nilai rata-rata.
Fenomena pada fluida statis
Tekanan Hidrostatis
Gambar 5. Orang menyelam
(sumber : www.google.com)
Ketika seseorang akan menyelam di laut atau danau maka ia membutuhkan pakaian khusus untuk melindung tubuhnya dari tekanan air laut. Semakin dalam orang menyelam, maka semakin besar tekanan yang akan diterimanya. Hal ini membuktikan bahwa ada tekanan yang diberikan oleh fluida pada suatu benda dengan dipengaruhi oleh kedalaman benda tersebut. Perhatikan gambar berikut.
Gambar 6. Benda yang terletak pada kedalaman h pada suatu fluida
Benda yang berada di kedalaman “h” pada suatu fluida seperti gambar 7, akan mendapat gaya berat dari fluida di atasnya (kotak biru) tekanan ini disebut dengan tekanan hidrostatis. Sehingga persamaan tekanannya akan menjadi
Ph : tekanan hidrostatis (Pa atau N.m-2)
ρ : massa jenis zat cair (kg.m-3)
g : percepatan gravitasi (m.s-2)
h : kedalaman (m)
Tekanan hidrostatis sebanding dengan massa jenis zat cair, percepatan gravitasi, dan kedalaman. Sehingga terlihat bahwa semakin dalam (semakin jauh jarak dari permukaan) maka semakin besar tekanan hidrostatis.
Tekanan total atau juga disebut tekanan absolut yang diterima benda tersebut adalah
Ingatlah:
Konsep kedalaman dan ketinggian
Sering kali terdapat kesulitan untuk membedakan antara kedalaman dan ketinggian. Kedalaman adalah jarak yang diukur pada suatu titik dalam fluida dari permukaan zat cair, sedangkan ketinggian adalah jarak yang diukur pada suatu titik dalam fluida dari dasar. Perhatikan gambar berikut
Gambar 7. Perbedaan kedalaman dan ketinggian
Keterangan gambar :
h1 : kedalaman (m)
h2 : ketinggian (m)
Tekanan hidrostatis untuk dua fluida
Suatu benda yang terletak di dasar wadah dengan dua jenis zat cair, maka akan mendapatkan tekanan hidrostatis dari kedua zat cair tersebut. Perhatikan gambar berikut.
Gambar 8. Benda di bawah dua fluida
Berdasarkan gambar, maka tekanan hidrostatis yang diterima benda adalah
sedangkan untuk menentukan tekanan total benda, perlu ditambahkan tekanan atmosfer (P0)
tekanan pada tabung pipa U
Gambar 9. Tabung pipa U diisii dua fluida yang berbeda
(sumber : Fundamentals of Physics)
Tekanan pada bagian yang sama permukaannya (interface) adalah sama besar. Hal ini sesuai dengan hukum bejana berhubungan yang menyatakan bahwa “jika bejana-bejana yang berhubungan diisi zat cair yang sejenis dan dalam keadaan diam menyebabkan permukaan zat cair dalam satu bidang datar, namun apabila diisi zat cair yang tidak sejenis maka ketinggian permukaan kedua zat cair tidak akan sama”. Sehingga pada pipa U di atas berlaku.
Tekanan gauge :
Gambar 10. (a) manometer terbuka, (b) barometer air raksa
(sumber : fundamentals of physics)
Gambar 2a. Menunjukkan alat pengukur tekanan menggunakan manometer terbuka, pada pipa bagian kiri disambungkan dengan wadah yang tekanannya belum diketahui dan pipa sebelah kanan dibiarkan terbuka sehingga mendapat tekanan dari atmosfer (P0) serta tekanan bagian dasar kedua pipa adalah sama sehingga pada dasar pipa kiri akan berlaku P + ρgy1, sedangkan pada dasar pipa sebelah kanan akan berlaku P0+ ρgy2. Karena kedua tekanan tersebut sama maka
P + ρgy1 = P0 + ρgy2
P - P0 = ρg (y2 - y1)
P - P0 = ρgh
Dalam hal ini nilai ρgh merupakan tekanan gauge dan P adalah tekanan absolut
Gambar 2b. Menunjukkan bahwa kenaikan air raksa pada pipa dipengaruhi oleh besar tekanan atmosfer yang diberikan pada air raksa bagian bawah. Semakin besar tekanan yang diterima maka kenaikan air raksa pada tabung akan semakin besar, sedangkan ruang kosong di atas air raksa uap dari air raksa yang tekanannya sangat kecil sekali (mendekati nol). Sehingga pada barometer ini persamaan yang berlaku adalah
P0 = P = 0 + ρg (y2 – y1) = ρgh
Alat ini yang digunakan oleh Evalengista Torricelli untuk mengukur tekanan atmosfer yang diambil di daerah pantai (di atas air laut), dimana pada saat itu menunjukkan ketinggian air raksa adalah 76 cm. hasil ini yang dijadikan acuan bahwa tekanan atmosfer atau tekanan udara luar adalah 1 atm atau 76 cmHg (Hg adalah nama kimia dari air raksa)
Hukum Pascal
Hukum Pascal pertama kali dikemukakan oleh Blaise Pascal (1623 – 1662) seorang fisikawan Perancis pada tahun 1653 yang berbunyi “tekanan yang diberikan pada zat cair dalam ruang tertutup akan diteruskan ke segala arah dan sama besar”. Secara matematis dapat ditulis
P1 = P2
Keterangan :
F1 : gaya pada bidang 1
F2 : gaya pada bidang 2
A1 : luas permukaan bidang 1
A2 : luas permukaan bidang 2
Gambar 11. Aplikasi hukum Pascal untuk alat pengangkat mobil
(sumber : Fundamentals of Physics)
Gaya Archimedes
Pernahkah kalian merasakan ketika mengangkat benda di dalam zat cair terasa lebih ringan daripada ketika mengangkat benda tersebut di udara? atau mengapa menimbang berat benda di dalam zat cair akan lebih ringan daripada ketika benda ditimbang di udara seperti gambar di bawah ini.
Gambar 12. (a) menimbang udara dalam zat cair, (b) menimbang benda di udara
Fenomena ini pertama kali di teliti oleh Archimedes (287 – 212 SM) seorang ilmuwan dari Yunani ketika ia dimintai raja Hieron II untuk membuktikan mahkota raja terbuat dari emas murni atau tidak. Untuk membuktikan mahkota raja terbuat dari emas asli atau tidak ia kemudian mengemukakan sebuah teori yang disebut dengan hukum Archimedes yakni “ setiap benda yang tercelup sebagian atau seluruhnya dalam suatu zat cair, maka benda tersebut akan mendapatkan gaya tekan ke atas (gaya apung) yang besarnya sama dengan berat zat cair yang dipindahkan”. Agar lebih memahami konsep hukum Archimedes perhatikan gambar berikut.
Gambar 13. Proses ketika sebuah benda dicelupkan ke dalam suatu zat cair
(sumber : Holt physics)
Ketika sebuah benda dicelupkan sebagian ke dalam suatu zat cair (gambar 13b) maka zat cair yang tumpah sedikit dan akan semakin banyak ketika benda tercelup seluruhnya ke dalam zat cair (gambar 13c). Jika air pada wadah (d) di ambil kemudian ditimbang maka berat zat cair tersebut akan sama dengan selisih berat benda ketika di udara dan di dalam zat cair. Berat zat cair yang dipindahkan ini disebut dengan gaya tekan ke atas (gaya apung). Secara matematis di tulis
FA = wf (berat fluida yang dipindahkan)
FA = mf . g
FA = ρf . Vf . g
Ingatlah
Volume zat cair pada persamaan di atas, bergantung pada volume benda yang tercelup ke dalam zat cair semakin banyak bagian yang tercelup maka semakin banyak volume air yang tumpah.
Keterangan :
FA : gaya apung (N)
ρf : massa jenis zat cair (kg.m-3)
Vt : volume benda yang tercelup di dalam air (m3)
g : percepatan gravitasi (m.s-2)
Berat benda dalam zat cair atau berat semu benda dapat ditentukan juga yakni
Keterangan :
ws : berat semu benda (ketika dalam zat cair)
wu : berat benda ketika di udara (berat asli benda)
FA : gaya apung
Berdasarkan persamaan di atas, terlihat bahwa nilai ws< wu karena ketika benda di dalam zat cair terdapat gaya ke atas sehingga menyebabkan beratnya berkurang. Hal ini yang membuat benda terasa lebih ringan ketika berada di dalam zat cair.
Salah satu fenomena terkait dengan hukum Archimedes ini adalah keadaan benda ketika terapung, melayang, maupun tenggelam. Perhatikan gambar berikut.
Gambar 14. (a) terapung, (b) melayang, (c) tenggelam
Terdapat beberapa ciri-ciri ketika benda terapung, atau tenggelam yang dituliskan dalam tabel berikut
Terapung | Melayang | Tenggelam |
Posisi benda | ||
Sebagian di atas permukaan, sebagian di dalam zat cair | Semua bagian berada di dalam zat cair tetapi tidak menyentuh dasar wadah | Semua bagian berada di dalam zat cair dan menyentuh dasar wadah |
Massa jenis | ||
Massa jenis benda lebih kecil daripada massa jenis zat cair (ρb < ρf) | Massa jenis benda lebih kecil sama dengan massa jenis zat cair (ρb = ρf) | Massa jenis benda lebih besar daripada massa jenis zat cair (ρb > ρf) |
Gaya | ||
FA = w | FA = w | FA < w |
Ingatlah !
Pada zat suatu benda dalam keadaan terapung, bagian yang berada di atas permukaan akan berbanding terbalik dengan massa jenis benda tersebut. Semakin kecil massa jenis benda maka bagian yang berada di atas permukaan akan semakin besar (benda semakin terapung)
Gaya Archimedes pada dua fluida
Perhatikan gambar berikut.
Gambar 15. Benda berada pada dua jenis fluida
Jika sebuah benda diletakkan pada dua fluida yang berbeda jenis seperti gambar 15, maka benda tersebut akan mendapat gaya apung dari kedua jenis fluida. Karena benda dalam keadaan diam maka berlaku persamaan.
w = F1 + F2
mb . g = ρ1 VT1 g + ρ2 VT2 g
Tegangan Permukaan
Gambar 16. Hewan yang berjalan di atas permukaan air
(sumber : University physics with modern phyisics)
Perhatikan gambar 16, hewan tersebut mampu berjalan di atas air tanpa jatuh tenggelam. Fenomena ini dikarenakan pada permukaan zat cair tersebut ada tegangan permukaan. Tegangan permukaan ini muncul karena adanya gaya tarik menarik antara partikel air (kohesi), pada dasar semua molekul air akan saling tarik-menarik satu sama lainnya, akan tetapi molekul air yang berada di bagian permukaan air hanya akan saling menarik dengan molekul air yang ada di sebelah kiri dan kanannya saja (tidak ada molekul air di atasnya) gaya tarik-menarik antar molekul di permukaan inilah yang seolah-olah menyebabkan adanya membran tipis di permukaan. Perhatikan ilustrasi berikut ini.
Gambar 17. Gaya pada molekul air
(sumber : http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/surten.html)
Tegangan permukaan ini yang menyebabkan tetesan air yang jatuh bebas akan berbentuk bulat, karena molekul-molekul di dalam air akan saling tarik-menarik dengan molekul bagian luarnya sehingga molekul bagian luarnya akan membentuk permukaan yang memiliki luas paling lebih kecil daripada volumenya. Kegunaan lain daripada tegangan permukaan adalah ketika mencuci menggunakan detergen akan lebih mudah menghilangkan noda baju jika dicampur dengan air panas, karena air panas akan mengurangi tegangan permukaan noda baju sehingga detergen lebih mudah menyerap ke dalam baju dan menghilangkan noda tersebut.
Viskositas
Jika dua permukaan zat padat yang saling bersentuhan akan menimbulkan gesekan antara keduanya ketika sedang bergerak. Hal yang sama juga terjadi pada fluida yang mengalir akan menimbulkan gesekan pada lapisan fluida, yang disebut sebagai viskositas fluida. Semakin besar viskositas dari fluida, maka fluida tersebut akan semakin susah mengalir, dalam kehidupan sehari-hari viskositas fluida dikenal sebagai kekentalan fluida.
Gambar 18. Aliran fluida (a) ketika papan bagian bawah tetap dan papan bagian atas bergerak, (b) pada sebuah pipa
Gambar 18.a menunjukkan bahwa air yang bersentuhan dengan papan bagian bawah tidak bergerak, sedangkan air yang bersentuhan dengan papan bagian atas ikut bergerak serta terjadi variasi kecepatan air. Gambar 18.b menunjukkan bahwa air yang dekat dengan dinding pipa tidak ikut bergerak dan semakin ke pusat pipa kecepatan air semakin besar sehingga terjadi variasi kecepatan. Secara umum, viskositas (η) merupakan perbandingan dari strees (F/A) dengan gradien kecepatan (v/ℓ) dalam suatu fluida.
Keterangan :
F : gaya (N)
A : Luas penampang (m2)
v : kecepatan (m.s-2)
ℓ : tebal lapisan (m)
η : koefisien viskositas (Pa s)
satuan dari viskositas (η) adalah pascal sekon (Ns.m-2) dalam bentuk sistem CGS satuan viskositas adalah poise dimana 1 Pa.s = 10 poise.
Hukum Stokes
Sebuah bola yang dijatuhkan ke dalam fluida akan mendapatkan gaya hambat dari fluida tersebut sebagai akibat adanya koefisien viskositas (kekentalan fluida), semakin kental suatu fluida (koefisiennya makin besar) maka gaya hambat yang timbul juga akan semakin besar sehingga benda akan semakin susah mengalir melewati fluida tersebut. Gaya hambat ini disebut juga dengan gaya Viskositas, besar gaya viskositas dapat ditentukan dengan hukum Stokes yang secara matematis dapat ditulis.
Keterangan:
Fs : gaya hambat (N)
η : koefisien viskositas (Pa.s)
r : jari-jari benda (m)
v : kecepatan (m.s-1)
berikut tabel beberapa koefisien viskositas zat.
Fluida | Suhu (0C) | η (Pa.s) |
Air | 0 | 1,8 x 10-3 |
20 | 1,0 x 10-3 | |
100 | 0,3 x 10-3 | |
Darah | 37 | 4,0 x 10-3 |
Plasma darah | 37 | 1,5 x 10-3 |
Etil Alkohol | 20 | 1,2 x 10-3 |
Oli (SAE 10) | 30 | 200 x 10-3 |
Gliserin | 20 | 1500 x 10-3 |
Udara | 20 | 0,018 x 10-3 |
Hidrogen | 0 | 0,009 x 10-3 |
Uap air | 100 | 0,013 x 10-3 |
(sumber : terpadu fisika untuk SMA/MA kelas XI semester 2)
Berdasarkan tabel di atas, dapat kita ketahui bahwa koefisien viskositas juga dipengaruhi oleh suhu (lihat data air). Jika kita perhatikan lagi persamaan pada hukum Stokes di atas, kita akan menemukan bahwa ada variabel kecepatan yang mana pada benda yang jatuh kecepatannya akan terus bertambah karena ada gaya gravitasi bumi. Kecepatan terminal didefinisikan sebagai kecepatan suatu benda dalam fluida ketika benda dalam keadaan setimbang (kecepatan konstan). perhatikan gambar berikut.
Gambar 19. Benda jatuh dalam sebuah fluida
Ketika sebuah benda jatuh di dalam fluida, pada mulanya ia akan bergerak dipercepat (di atas garis putus-putus) kemudian secara perlahan perubahan kecepatan benda tersebut akan semakin berkurang hingga menjadi konstan (tepat di garis putus-putus) setelah mencapai titik ini, kecepatan benda tidak berubah lagi dan benda bergerak dengan kecepatan konstan (kecepatan terminal). Terdapat tiga gaya yang bekerja pada benda yang bergerak dalam fluida yakni gaya berat benda (w), gaya Apung (FA), serta gaya viskositas (Fs) dengan arah seperti pada gambar. Karena benda bergerak dengan kecepatan konstan, maka berlaku hukum I Newton, sehingga.
Fs + FA – w = 0
Fs + FA = w
Dengan memasukkan nilai FS = 6πηrv; FA = ρf V g; w = m .g; V = 4/3 ηR3 (volume bola, maka akan di dapatkan kecepatan terminal benda yang bergerak dalam fluida adalah sebagai berikut:
agar lebih memahmi tentang materi fluida statis silahkan dibaca
soal fisika kelas 11 materi fluida statis dan pembahasannya
soal fisika kelas 11 materi fluida statis dan pembahasannya
| |
Sumber :
Foster, B. terpadu fisika untuk SMA/MA Kelas XI semester 2. Erlangga. 2011
Homer, D., Jones, M. B. 2014 edition Phycics course companion. Oxford University press. 2014
Resnick, R., Halliday, D., Walker, J. Fundamentals of Physics, 10th ed., John Wiley & Sons, Inc. 2014
Serway, R. A., Faughn, J. S. Holt Physics. Holt. 2006
Wolfson, R. Essential university physics 2nd ed. Pearson education, Inc.2012
Young, H. D., Freedman, R. A. Sears ana Zemansky’s university physics : with modern physics 13th ed.,Pearson education, Inc.2012
Comments
Post a Comment