Pintar Bersama Fisika: FLUIDA STATIK

Hukum Utama Hidrostatika

"Semua titik yang terletak pada suatu bidang datar di dalam zat cair sejenis memiliki tekanan yang sama"

secara matematis ditulis :

dengan prinsip persamaan tekanan di atas juga berlaku untuk :

Pengukur Tekanan Sederhana

Selanjutnya dalam sebuah sistem seperti gambar di bawah ini menunjukkan adanya perbedaan tekanan udara dalam kolom udara dibandingkan tekanan udara di luar.....Tekanan dalam kolom udara sesuai dengan rumus tekanan mutlak. Bila zat cair yang digunakan untuk pengisi adalah air raksa (Hg) maka tekanan atmosfer yang ditambahkan dalam satuan cmHg.

jika sisi kanan / yang berhubungan dengan udara luar lebih tinggi dari sisi kiri / yang berhubungan dengan ruang tertutup maka tekanan udara dalam ruangan tersebut = tekanan udara luar ( Po ) + h. dan sebaliknya bila lebih rendah maka tekanan udara dalam ruang tersebut = tekanan udara luar ( Po ) - h.

Hukum Pascal

Kenyataan bahwa tekanan yang diberikan pada permukaan air atau zat cair lain diteruskan sama besar ke seluruh bagian cairan tersebut, mendorong Blaise Pascal (1623-1662) mencetuskan sebuah hukum (atau prinsip), yang selanjutnya disebut sebagai hukum Pascal. hukum Pascal menyatakan bahwa tekanan yang diberikan pada salah satu bagian fluida akan diteruskan ke seluruh bagian fluida tersebut dengan besar yang sama.

Hukum pascal menyatakan bahwa "tekanan yang diberikan pada suatu cairan pada ruang tertutup akan diteruskan ke segala arah dengan besar yang sama pada semua titik dalam cairan dan dinding bejana".

Secara matematis ditulis :

Sehingga :

lalu dengan prinsip hukum pascal :

Hubungan gaya pegas dengan gaya hidrostatik zat cair :

Penerapan hukum Pascal

Beberapa alat telah dirancang dan digunakan dalam kehidupan sehari-hari berdasarkan prinsip Pascal, antara lain pompa hidrolik ban, rem hidrolik dan lift hidrolik (dongkrak hidrolik).

Hukum Archimedes

"Sebuah benda yang sebagian atau seluruhnya tercelup di dalam suatu zat cair / fluida ditekan ke atas dengan suatu gaya yang besarnya setara dengan berat zat cair / fluida yang dipindahkan oleh benda tersebut".

Gaya tersebut disebut Gaya tekan ke atas ( Fa )

Gaya Tekan ke Atas

adanya gaya tekan ke atas menyebabkan adanya berat semu benda di dalam air, berat benda di dalam air ( Wa ) = berat benda di udara ( Wu ) - Fa.

Adanya gaya tekan ke atas juga menyebabkan suatu benda dapat mengalami 3 kondisi yang berbeda :

Mengapung, melayang dan tenggelam

bila diketahui massa jenis benda dan zat cairnya kondisi benda di dalam air juga dapat ditentukan :

mengapung : massa jenis benda < massa jenis zat cair
melayang : massa jenis benda = massa jenis zat cair
tenggelam : massa jenis benda > massa jenis zat cair

Contoh :

Suatu logam berbentuk balok diukur beratnya dengan neraca pegas menunjukkan berat = 200 N. Kemudian ketika dimasukkan ke dalam bejana yang berisi minyak dan diukur kembali beratnya menunjukkan berat = 180 N. Jika Massa jenis minyak = 800 kg.m^-3 dan percepatan grafitasinya = 10 m.s^-2. Hitunglah massa jenis logam tersebut..!

Diketahui :
Berat di udara = Wu = 200 N
Berat di cairan = Wa = 180 N
Massa jenis minyak = 800 kg.m^-3

percepatan grafitasi = g = 10 m.s^-2.

mula2 kita cari dahulu massa logam tersebut :
kemudian dicari besar gaya tekan ( Fa ) ke atas saat balok logam dimasukkan ke dalam minyak :

dengan diketahui nilai Fa kita cari volume logam tersebut dengan rumus :

dengan diketahui massa dan volume logam maka massa jenis logam tersebut dapat dicari :

Benda Terapung di atas air

kemudian bila zat cairnya terdiri dari dua jenis.......

yang perlu diingat volume benda yang tercelup maupun volume benda total satuannya tidak selalu dalam meter kubik (m³) namun bisa dalam pecahan, desimal ataupun persentase.

^{Balon udara}

Balon udara adalah penerapan prinsip Archimedes di udara. Balon udara harus diisi dengan gas yang massa jenisnya lebih kecil dari massa jenis udara atmosfer sehingga balon udara dapat terbang karena mendapat gaya ke atas, misalnya diisi udara yang dipanaskan.

Balon udara dapat terbang karena massa jenis gas pengisi balon lebih ringan dari massa jenis udara.....selisih kedua massa jenis inilah yang digunakan dalam perhitungan massa maksimum penumpang balon udara.

^{Kenaikan/Penurunan zat cair dalam pipa
kapiler}

Gejala Kapilaritas

Gejala kapilaritas ialah menariknya atau menurunnya permukaan cairan di dalam suatu pipa dengan diameter yang cukup kecil bila pipa itu dicelupkan dalam suatu cairan secara tegak. Pipa tersebut disebut juga sebagai pipa kapiler. Jika permukaan cairan dalam pipa nampak lebih tinggi daripada yang di luarnya maka permukaan di dalam pipa tersebut akan nampak cekung, sebaliknya jika lebih rendah akan nampak cembung. Hal ini dapat diterapkan dengan menggunakan hokum Newton yang sekaligus memasukkan factor tegangan permukaan dan tegangan hidrostatika.

Gambar gejala kapilaritas

Berdasarkan hukum Newton tentang aksi reaksi, pipa akan melakukan gaya yang sama besar pada zat cair, tetapi dalam arah yang berlawanan. Gaya inilah yang menyebabkan zat cair naik, zat cair akan berhenti naik ketika berat kolom zat cair yang naik sama dengan gaya keatas yang dikerjakan pipa pada zat cair.

Jika massa jenis zat cair adalah r, tegangan permukaan (g) , sudut kontak
q dan kenaikan zat cair adalah h, dan jari-jari pipa kapiler adalah r, maka berat zat cair yang naik adalah :

Komponen gaya vertikal yang menarik zat cair sehingga naik setinggi hadalah

Dengan kedua persamaan diatas dapat di peroleh bahwa

Gaya-gaya yang bekerja pada kolom cairan dalam pipa yang bersifat hidrostatika pada bagian atas dan bagian bawah kolom tersebut saling meniadakan. Jadi tinggal keseimbangan antara gaya tegangan permukaan pada dinding pipa dan gaya berat kolom zat cair.

Gejala kapilaritas banyak dijumpai dalam kehidupa sehari-hari , contohnya pada peristiwa naiknya minyak tanah melaui sumbu kompor dan pengisapan air pada tumbuh-tunbuhan. Disamping keuntungan, ternyata kapilaritas juga mempunyai kerigian, contonya naikknya air melalui dinding rumah pada waktu hujan.

Viskositas dan Hukum Stokes.

Viskositas merupakan ukuran kekentalan fluida yang menyatakan besar kecilnya gesekan di dalam fluida. Semakin besar viskositas (kekentalan) fluida, maka semakin sulit suatu fluida untuk mengalir dan juga menunjukkan semakin sulit suatu benda bergerak di dalam fluida tersebut. Di dalam zat cair, viskositas dihasilkan oleh gaya kohesi antara molekul zat cair. Sedangkan dalam gas, viskositas timbul sebagai akibat tumbukan antara molekul gas. Zat cair lebih kental (viskositasnya) daripada gas, sehingga untuk mengalirkan zat cair diperlukan gaya yang lebih besar dibandingkan dengan gaya yang diberikan untuk mangalirkan gas.

Bila sebuah bola (gambar 1.16) yang massa jenisnya lebih besar daripada massa jenis fluida dan berjari-jari r, dimasukkan ke dalam suatu fluida zat cair, maka bola tersebut akan jatuh dipercepat sampai suatu saat kecepatannya maksimum (V_maks). Pada kecepatan V_maks ini, benda akan bergerak beraturan karena gaya beratnya sudah diimbangi oleh gaya gesek fluida.

Menurut George Stokes besarnya gaya gesek pada fluida inilah yang disebut gaya stokes dengan koefisien viskositasnya η dengan konstanta k = 6πr. Sehingga gaya gesek (gaya stokes) dapat dirumuskan sebagai:

Jika sebuah benda berbentuk bola jatuh bebas dalam suatu fluida kental (gambar 1.17), kecepatannya akan bertambah karena pengaruh gravitasi bumi sehingga mencapai suatu kecepatan terbesar yang tetap. Kecepatan terbesar yang tetap tersebut dinamakan kecepatan terminal. Pada saat kecpatan terminal tercapai, berlaku keadaan: