A. FLUIDA STATIS
Pernahkah anda menggunakan kipas angin atau AC saat anda
kepanasan? Apa yang anda rasakan saat itu? Pasti anda merasakan adanya angin
yang berhembus atau udara yang mengalir melewati badan anda. Jika kita cermati
badan kita, tempat kita berpijak dan segala yang kita konsumsi semuanya tidak
akan pernah lepas dari air, tepatnya benda yang berwujud cair. Sesuatu yang
kita minum, bahan bakar yang di kendaraan bahkan bumi yang luas ini 70% nya
adalah cairan. Selanjutnya udara yang dihirup, sebagian bahan bakar untuk
memasak adalah berbentuk gas. Artinya dalam keseharian kita tidak pernah lepas
dari wujud 2 zat tersebut.
Benda cair tidak mempertahankan bentuk yang tetap,
melainkan mengambil bentuk tempat yang ditempatinya. Perubahan volume yang
cukup signifikan akan dapat terjadi manakala diberikan gaya yang besar. Gas
tidak memiliki volume dan bentuk yang konstan, gas akan menyebar untuk memenuhi
tempatnya. Ketika udara dipompakan ke dalam sebuah perahu karet/sekoci, udara
tidak hanya mengalir kebagian bawah perahu, melainkan menyebar untuk memenuhi
seluruh volume perahu karet. Disebabkan zat cair dan gas mempunyai kemampuan
untuk mengalir maka kedua zat tersebut tidak dapat mempertahankan bentuk yang
tetap. Kemampuan mengalir 2 zat tersebut sering disebut sebagai Fluida. Berkaca
dari sifat yang unik inilah bahan ajar ini dibuat untuk menggali sifat unik
lainnya dari fluida dan kegunaannya dalam kehidupan sehari-hari.
1. Tekanan
Pada Fluida Statis
Perhatikan
Gambar 1.1 di bawah ini!
Pada
Gambar di atas suatu fluida dalam keadaan diam (tidak mengalir) ditempatkan
dalam suatu wadah, diketahui A adalah luas penampang wadah, h adalah
ketinggian fluida dalam wadah dan W adalah berat fluida yang menekan
dasar wadah.
Semakin
berat fluida semakin besar pula dasar wadah tertekan. Hal ini disebabkan
tekanan (P) berbanding lurus terhadap gaya berat (W) dan berbanding terbalik
terhadap luas permukaan (A). Secara matematis dituliskan:
P = Tekanan (N/m2 atau Pascal)
W = F = Berat/Gaya tekan (N)
A = Luas bidang tekan (m2)
Tekanan
yang terjadi pada suatu wadah atau pada fluida yang sedang diam dinamakan tekanan
hidrostatis. Bagaimanakah hubungan antara tekanan hidrostatis dengan ketinggian
fluida dalam tabung? Semakin tinggi permukaan zat cair/fluida semakin besar
tekanan yang dihasilkan pada dasar tabung. Secara matematis hubungan antara
besar tekanan yang dihasilkan dan ketinggian zat cair dapat dituliskan sebagai
berikut:
P =
ρ g h
Keterangan:
P = tekanan hidrostatik (N/m2)
atau Pa
r =
massa jenis fluida (kg/m3)
h = kedalaman fluida dari permukaan (m)
g = percepatan grativasi
(m/s2)
1. Hukum Pascal
Bagaimanakah
tekanan fluida pada 2 bejana berhubungan tertutup yang luas penampangnya
berbeda? Blaise Pascal (1623-1662) seorang ilmuwan Perancis
menyelidiki fenomena ini yang terkenal dengan Prinsip Pascal.
Perhatikan
Gambar 1.2 di bawah ini!
Pascal
menyatakan “bahwa tekanan yang
diberikan pada suatu fluida dalam suatu tempat akan menambah tekanan
keseluruhan dengan besar yang sama.”
Persamaan yang berlaku adalah:
F1
= Gaya yang diberikan pada piston 1 atau kecil (N)
F2
= Gaya yang dihasilkan pada piston 2 atau besar (N)
A1
= Luas penampang piston 1 atau kecil (m2)
A2
= Luas penampang piston 2 atau besar (m2)
1. Hukum Archimedes
Suatu benda yang berada di udara akan mempunyai berat yang
lebih besar bila dibandingkan ketika berada dalam suatu fluida. Ketika benda
tersebut berada dalam fluida, benda tersebut akan memperoleh gaya apung dari
fluida. Gaya Apung adalah gaya tekan
ke atas fluida terhadap sebuah benda yang terdapat dalam fluida tersebut.
Gaya
apung dapat terjadi karena
tekanan pada fluida bertambah terhadap kedalaman. Akibatnya tekanan keatas pada
permukaan bawah benda akan lebih besar daripada tekanan kebawah pada permukaan
atasnya. Eksperimen sederhana untuk membuktikan gaya apung adalah mencelupkan
balon ke dalam air. Semakin dalam balon dicelupkan semakin besar tekanan air
yang mendorong balon untuk kembali menuju ke permukaan air.
Gaya
apung tersebut ditemukan pertama kali oleh ilmuwan Yunani bernama Archimedes.
Archimedes menjelaskan bahwa “Besarnya
gaya apung yang bekerja pada benda yang dimasukkan dalam fluida, sama dengan berat fluida yang
dipindahkan” Pernyataan tersebut dikenal dengan Hukum
Archimedes.
Perhatikan
Gambar 1.3 di bawah ini!
Berdasarkan
gambar tersebut kita dapat merumuskan bahwa besarnya gaya apung adalah:
Fa = ρf g Vbf
Keterangan:
Fa
= Gaya apung (N)
ρf
= Massa jenis fluida (kg/m3)
g = percepatan gravitasi bumi (m/s2)
Vbf
= Volume benda yang tercelup dalam fluida (m3)
Tenggelam,
Melayang dan Terapung
Hukum
Archimedes juga menjelaskan fenomena tenggelam, melayang dan terapungnya suatu
benda yang tercelup dalam fluida. Setiap benda yang tercelup dalam fluida pasti
mengalami gaya angkat/gaya apung dari fluida itu sendiri. Besarnya gaya apung
dari fluida akan mempengaruhi posisi benda dalam fluida. Apakah tenggelam,
melayang atau terapung.
a. Tenggelam
Sebuah benda disebut tenggelam
apabila seluruh bagian benda berada pada dasar fluida. Keadaan ini terjadi
karena berat benda lebih besar daripada gaya apung fluida. Sehingga syarat benda
tenggelam adalah massa jenis benda lebih besar dari massa jenis fluida:
Fa < W dan
ρb > ρf
b. Melayang
Sebuah benda dikatakan melayang
bila posisi benda berada di tengah-tengah fluida atau benda tidak berada di
dasar atau permukaan fluida. Sehingga syarat suatu benda dapat melayang adalah
massa jenis benda sama dengan massa jenis fluida:
Fa = W dan
ρb = ρf
c. Terapung
Sebuah benda akan disebut mengapung
jika seluruh atau sebagian benda berada pada permukaan fluida. Fenomena ini
memberikan konsekuensi volume fluida yang dipindahkan tidak sama dengan volume
benda. Namun volume fluida yang dipindahkan sama dengan volume benda yang
tercelup.
Keterangan:
Vbf
= Volume benda yang tercelup dalam fluida (m3)
Vb
= Volume total benda (m3)
Dari persamaan tersebut,
agar benda terapung ada sebuah syarat yang mesti dipenuhi yaitu massa jenis
benda harus lebih kecil dari massa jenis fluida:
Fa = W dan
ρb < ρf
