Fluida Statis

Pengertian Fluida

 

Fluida merupakan zat alir, yaitu zat dalam keadaan bisa mengalir. Yang termasuk fluida adalah zat cair dan gas. Fluida dalam fisika dikelompokkan menjadi dua, yaitu fluida statis dan dinamis.Yang kita maksud dengan fluida disini adalah suatu bentuk materi yang mudah mengalir misalnya zat cair dan gas. Sifat kemudahan mengalir dan kemampuan untuk menyesuaikan dengan tempatnya berada merupakan aspek yang membedakan fluida dengan zat benda tegar. Meskipun demikian hukum-hukum yang berlaku pada dua sistem ini tidak berbeda. Pada bagian ini kita akan meninjau fluida dalam keadaan tidak mengalir, contohnya air di dalam suatu wadah atau air di danau/waduk.

1.    Besaran pada fluida statis

Aspek pertama yang kita dapati ketika kita berada dalam suatu fluida (zat cair) yaitu tekanan. Kita merasakan ada tekanan pada tubuh kita yang berada di dalam zat cair.

a.    Tekanan

Pengertian tekanan akan mudah kita pahami setelah kita menjawab pertanyaan-pertanyaan 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.

b.    Tekanan dalam Fluida

Misalkan kita sedang berendam di dalam air, apa yang kita rasakan? Seolah-olah air menekan seluruh tubuh kita yang bersentuhan dengan air. Tekanan ini semakin besar apabila kita masuk lebih dalam ke dalam air. Fenomena apa yang ada dibalik peristiwa ini? Pernyataan ini mengandung pengertian bahwa fluida memberikan tekanan terhadap benda yang berada di dalamnya. Pengertian ini diperluas menjadi tekanan pada fluida tergantung pada ketebalannya atau lebih tepatnya kedalamannya.

Udara/atmosfer terdiri dari gas-gas yang juga merupakan bentuk dari fluida. Maka udara juga akan memiliki tekanan seperti definisi di atas. Tekanan udara kita anggap sama untuk ketinggian tertentu di atas bumi namun untuk ketinggian yang sangat tinggi di atas permukaan bumi besarnya menjadi berbeda. Hal ini dapat dilakukan karena udara kita anggap kerapatannya kecil sehingga untuk titik-titik yang tidak terlalu jauh perbedaan ketinggiannya bisa dianggap sama.

Tekanan di dalam fluida disebut tekanan hidrostatis (Ph). Tekanan hidrostatis didefinisikan sebagai tekanan zat cair yang hanya disebabkan oleh berat zat cair gaya gravitasi menyebabkan zat cair dalam suatu wadah selalu tertarik ke bawah. Makin tinggi zat cair dalam wadah, maka semakin berat zat cair itu. Sehingga makin besar tekanan yang dikerjakan

c.       Massa Jenis

Fluida memiliki bentuk dan ukuran yang berubah-ubah tergantung dengan wadah tempat fluida berada. Namun ada satu besaran dari fluida yang dapat mencirikan suatu jenis fluida dan membedakannya dengan fluida yang lain. Misalnya apa perbedaan cairan air dan cairan minyak tanah selain dari baunya. Sifat yang membedakan fluida satu dengan yang lainnya dinamakan dengan massa jenis. Massa jenis tidak hanya berlaku pada fluida saja, tapi berlaku juga pada semua benda tak terkecuali benda tegar. Namun, pengertian massa jenis akan sangat berguna untuk membedakan fluida satu dengan yang lainnya karena bentuk fluida yang tidak tentu.

Massa jenis berhubungan dengan kerapatan benda tersebut. Kita ambil contoh; suatu ruangan yang diisi oleh orang. Sepuluh orang menempati ruang kecil dikatakan lebih rapat dibandingkan dengan sepuluh orang yang menempati ruangan yang besar. Contoh ini membuktikan bahwa kerapatan berbanding terbalik dengan volume (isi) ruang. Kerapatan yang besar dihasilkan dari ruang yang kecil (sempit) dan kerapatan kecil didapat dari ruang yang besar. Kemudian kerapatan juga sebanding dengan jumlah materi yang ada di dalam ruang atau massa benda.

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.

Rumus untuk menentukan massa jenis adalah

dengan

ρ adalah massa jenis,

m adalah massa,

V adalah volume.

Satuan massa jenis dalam 'CGS [centi-gram-sekon]' adalah: gram per sentimeter kubik (g/cm³). 1 g/cm³=1000 kg/m³

Massa jenis air murni adalah 1 g/cm³ atau sama dengan 1000 kg/m³

Selain karena angkanya yang mudah diingat dan mudah dipakai untuk menghitung, maka massa jenis air dipakai perbandingan untuk rumus ke-2 menghitung massa jenis, atau yang dinamakan 'Massa Jenis Relatif'

Rumus massa jenis relatif = Massa bahan / Massa air yang volumenya sama

Contoh Massa Jenis Beberapa Material (1 kg = 1000 gr)

Material	ρ dalam kg/m3	Catatan
Interstellar medium	10-25 − 10-15	Assuming 90% H, 10% He; variable T
Atmosfer Bumi	1.2	Pada permukaan laut
Aerogel	1 − 2
Styrofoam	30 − 120	From
Gabus	220 − 260	From
Air	1000	Pada kondisi standar untuk suhu dan tekanan
Plastik	850 − 1400	Untuk polipropilena dan PETE/PVC
Bumi	5515.3	Rata-rata keseluruhan
Tembaga	8920 − 8960	Mendekati suhu ruangan
Timah	11340	Mendekati suhu ruangan
Inti Perut Bumi	~13000	As listed in bumi
Uranium	19100	Mendekati suhu ruangan
Iridium	22500	Mendekati suhu ruangan
Inti Matahari	~150000
Inti Atom	~3 × 1017	As listed in neutron star
Neutron star	8.4 × 1016 − 1 × 1018
Black hole	4 × 1017	Mean density inside the Schwarzschild radius of an earth-mass black hole (theoretical)

Nama zat	ρ dalam kg/m3	ρ dalam gr/cm3
Air (4 derajat Celcius)	1.000 kg/m3	1 gr/cm3
Alkohol	800 kg/m3	0,8 gr/cm3
Air raksa	13.600 kg/m3	13,6 gr/cm3
Aluminium	2.700 kg/m3	2,7 gr/cm3
Besi	7.900 kg/m3	7,9 gr/cm3
Emas	19.300 kg/m3	19,3 gr/cm3
Kuningan	8.400 kg/m3	8,4 gr/cm3
Perak	10.500 kg/m3	10,5 gr/cm3
Platina	21.450 kg/m3	21,45 gr/cm3
Seng	7.140 kg/m3	7,14 gr/cm3
Udara (27 derajat Celcius)	1,2 kg/m3	0,0012 gr/cm3
Es	920 kg/m3	0,92 gr/cm3

2.    Hukum- hukum dasar fluida statis

a.      Hukum Utama Hidrostatika

Apabila suatu wadah dilubangi di dua sisi yang berbeda dengan ketinggian yang sama dari dasar wadah, maka air akan memancar dari ke kedua lubang tersebut dengan jarak yang sama. Hal ini menunjukkan bahwa pada kedalaman yang sama tekanan air sama besar.

Disamping itu kita juga sudah mengetaahui bahwa tekanan hidrostatis di dalam suatu zat cair pada ke dalaman yang sama memiliki nilai yang sama.Berkaitan dengan hal tersebut, dalam fluida statik terdapat sebuah hukum yang menyatakan tekanan hidrostatis pada titik – titik di dalam zat cair yang disebut dengan Hukum Utama Hidrostatis.

Hukum Utama hidrostatis menyatakan bahwa :

Tekanan hidrostatis suatu zat cair hanya bergatung pada tinggi kolom zat cair (h), massa jenis zat cair (r) dan percepatan grafitasi (g), tidak bergantung pada bentuk dan ukuran bejana, perhatikan gambar berikut :

Gambar : tiga buah bejana berbeda bentuk berisi zat cair yang sama dengan ketinggian   yang sama memiliki tekanan hidrostatis yang sama besar pada tiap bejana.Kelima bejana di atas di isi dengan air yang sama dengan ketinggian yang sama. Tekanan hidrostatis pada tiap dasar bejana sama besar, sedangkan berat zat cair pada tiap bejana berbeda.

Sebuah tabung berbentuk U berisi minyak dan dan air seperti tampak pada gambar di bawah.

Titik A dan titik B berada pada satu bidang datar dan dalam satu jenis zat cair. Berdasarkan hukum utama hidrostatis maka kedua titik tersebut memiliki tekanan yang sama, sehingga

Contoh soal :

1.  Perhatikanlah gambar bejana di samping Jika diketahui massa jenis minyak 0,8 g/cm³, massa jenis raksa 13,6 g/cm³, dan massa jenis air 1 g/cm³, tentukanlah perbedaan tinggi permukaan antara minyak dan air.

Jawab

Diketahui: ρ m = 0,8 g/cm³, ρ r = 13,6, dan ρ air = 1 g/cm³.

Air dan minyak batas terendahnya sama sehingga diperoleh persamaan berikut

ρ_a h_a = ρ_m h_m

Jadi, perbedaan tinggi permukaan minyak dan air = 15 cm – 12 cm = 3 cm.

1.        Sebuah pipa berbentuk U salah satu kakinya diisi dengan raksa, sedang salah satu kakinya diisi dengan alkohol. Apabila lajur alkohol tingginya 20 cm dan selisih tinggi permukaan raksa dengan permukaan alkohol adalah 18,84 cm, berapakah massa jenis alkohol , jika massa jenis raksa 13,6 gr/cm³

2.        Sebuah pipa U diisi air dan minyak seperti terlihat pada gambar. Tinggi h_{A = 5 cm} dan tinggi h_B 3 cm. Bila massa jenis air 10³ kg/m³ . Berapakah massa jenis minyak.

b.   Hukum Pascal

Saya yakin, di tempat pencucian mobil anda pernah melihat  mobil yang diangkat oleh alat tertentu. Dengan memperhitungkan titik berat, mobil bisa ternagkat dengan mudah dengan sedikit tenaga manusia. lho kok bisa ya..? Pada dasarnya teknologi semacam ini merpukan konsep yang sederhana dan mudah dipahami. baik kita simak ulasan berikut:

Tekanan fluida statis zat cair  yang diberikan di dalam  ruang tertutup diteruskan sama besar ke segala arah. Pernyataan ini dikenal dengan nama Hukum Pascal.Berdasarkan hukum  ini diperoleh prinsip bahwa dengan gaya yang kecil dapat menghasilkan  suatu gaya yang lebih besar. Penerapan hukum Pascal dalam suatu alat, misalnya dongkrak hidrolik, dapat dijelaskan melalui analisis seperti terlihat pada Gambar.

Apabila pengisap 1 ditekan dengan gaya F1, maka zat cair menekan ke atas dengan gaya pA1. Tekanan ini akan diteruskan ke penghisap 2 yang besarnya pA2. Karena tekanannya sama ke segala arah, maka didapatkan persamaan sebagai berikut. Cara kerja pada pengangkat mobil dengan menggunakan fluida dirasa kurang efisien.Biasanya cuci mobil menerapkan sisitem hyropneumatic. yaitu tenaga angin yang dirubah menjadi tenaga dorongan pada piston hydrolic.

Penerapan hukum pascal dalam kehidupan sehari-hari

1).   Dongkrak hidrolik

Prinsipkerja

Prinsipkerjadongkrakhidrolik adalah dengan memanfaatkan hukumPascal. Dongkrak hidrolik terdiri dari dua tabung yang berhubungan yang memiliki diameter yang berbeda ukurannya. Masing-masing ditutup dan diisi air. Dengan menaik turunkan piston, maka tekanan pada tabung pertama akan dipindahkan ke tabung kedua sehingga dapat mengangkat beban yang berat. definisi dongkrak hidrolik adalah jenis pesawat dengan prinsip hukum pascal yang berguna untuk memperingan kerja. Dongkrak ini merupakan system bejana berhubungan (2 tabung) yang berbeda luas penampangnya. Dengan menaik turunkan piston, maka tekanan pada tabung pertama akan dipindahkan ke tabung kedua sehingga dapat mengangkat beban yang berat.

2).   Tensimeter atau sfigmomanometer

Prinsip kerja:

Cairan yang tekanannya akan diukur harus memiliki berat jenis yang lebih rendah dibanding cairan manometrik, oleh karena itu pada alat pengukur tekanan darah dipilih air raksa sebagai cairan manometrik karena air raksa memiliki berat jenis yang lebih besar dibandingkan dengan berat jenis darah. Berikut skema pengukuran tekanan menggunakan manometer. Tekanan dalam fluida statis adalah sama pada setiap tingkat horisontal (ketinggian) yang sama sehingga: Untuk lengan tangan kiri manometer Untuk lengan tangan kanan manometer Karena disini kita mengukur tekanan tolok (gauge pressure), kita dapat menghilangkan PAtmosfer sehingga Dari persamaan tersebut dapat diambil kesimpulan bahwa tekanan pada A sama dengan tekanan cairan manometrik pada ketinggian h2 dikurangi tekanan cairan yang diukur pada ketinggian h1. Dalam kasus alat pengukur tekanan darah yang menggunakan air raksa, berarti tekanan darah dapat diukur dengan menghitung berat jenis air raksa dikali gravitasi dan ketinggian air raksa kemudian dikurangi berat jenis darah dikalikan gravitasi dan ketinggian darah.

3).  Rem hidrolik

Prinsip kerja:

Pada rem hidrolik terdapat pipa-pipa hidrolik yang berisi cairan berupaminyak rem. Pada ujung-ujung pipa ini terdapat piston penggerak yaitu pistonpedal dan piston cakram. Pipa dan piston inilah yang memegang peranan pentingdimana konsep dan sterukturnya telah didesain sedemikian rupa sehingga sesuaidengan hukum pascal, dengan tujuan menghasilkan daya cengkram yang besardari penginjakan pedal rem yang tidak terlalu dalam.

Penyesuaian terhadap hukum pascal yang dumaksud adalah dengan mendesain agar pipa pada pedal remlebih kecil daripada pipa yang terhubung dengen piston cakram. Saat pedal rem diinjak pedal yang terhubung dengan booster rem akanmendorong piston pedal dalam sehingga minyak rem yang berada pada pipa akanmendapatkan tekanan. Tekanan yang didapat dari pedal akan diteruskan ke segalaarah di permukaan pipa termasuk ujung-ujung pipa yang terhubung dengan piston cakram. Saat pedal rem diinjak pedal yang terhubung dengan booster rem akanmendorong piston pedal dalam sehingga minyak rem yang berada pada pipa akan mendapatkan tekanan. Tekanan yang didapat dari pedal akan diteruskan ke segalaarah di permukaan pipa termasuk ujung-ujung pipa yang terhubung dengan pistoncakram.

Karena luas permukaan piston cakram lebih besar daripada piston pedalmaka gaya yang tadinya digunakan untuk menginjak pedal rem akan diteruskanke piston cakram yang terhubung dengan kanvas rem dengan jauh lebih besarsehingga gaya untuk mencengkram cakram akan lebih besar pula. Cakram yang besinggungan dengan kanvas rem akan menghasilkan gaya gesek, dan gaya gesekadalah gaya yang bernilai negative maka dari itu cakram yang ikut berputarbersama roda semakin lama perputarannya akan semakin pelan, dan inilah yangdisebut dengan proses pengereman. Selain itu karena diameter dari cakram yanglebih lebar juga ikut membantu proses pengereman. Hal itulah yang menyebabkansystem kerja rem cakram hidrolik lebih efektif daripada rem konvensional (remtromol)

4).  Pompa hidrolik

Prinsip kerja:

Pompa hidrolik menggunakan kinetik energi dari cairan yang dipompakan pada suatu kolom dan energi tersebut diberikan pukulan yang tiba-tiba menjadi energi yang berbentuk lain (energi tekan). Pompa ini berfungsi untuk mentransfer energi mekanik menjadi energi hidrolik. Pompa hidrolik bekerja dengan cara menghisap oli dari tangki hidrolik dan mendorongnya kedalam sistem hidrolik dalam bentuk aliran (flow). Aliran ini yang dimanfaatkan dengan cara merubahnya menjadi tekanan. Tekanan dihasilkan dengan cara menghambat aliran oli dalam sistem hidrolik.

Hambatan ini dapat disebabkan oleh orifice, silinder, motor hidrolik, dan aktuator. Pompa hidrolik yang biasa digunakan ada dua macam yaitu positive dan nonpositive displacement pump (Aziz, 2009). Ada dua macam peralatan yang biasanya digunakan dalam merubah energi hidrolik menjadi energi mekanik yaitu motor hidrolik dan aktuator. Motor hidrolik mentransfer energi hidrolik menjadi energi mekanik dengan cara memanfaatkan aliran oli dalam sistem merubahnya menjadi energi putaran yang dimanfaatkan untuk menggerakan roda, transmisi, pompa dan lain-lain

5).   Alat press hidrolik

Prinsip kerja:

Press hidrolik tergantung pada prinsip Pascal : yang tekanan seluruh sistem tertutup adalah konstan. Salah satu bagian dari sistem adalah piston bertindak sebagai pompa, dengan kekuatan mekanik sederhana yang bekerja pada luas penampang kecil, bagian lain adalah piston dengan luas yang lebih besar yang menghasilkan kekuatan mekanis Sejalan besar. Hanya berdiameter kecil pipa (yang lebih mudah menolak tekanan) diperlukan jika pompa dipisahkan dari silinder tekan.

Hukum Pascal: Tekanan pada fluida terbatas ditransmisikan berkurang dan bertindak dengan kekuatan yang sama pada bidang yang sama dan pada 90 derajat ke dinding kontainer.

Sebuah cairan, seperti minyak , dipindahkan ketika piston baik didorong ke dalam. Piston kecil, untuk jarak tertentu gerakan, memindahkan jumlah yang lebih kecil dari volume yang dari piston besar, yang sebanding dengan rasio area kepala piston. Oleh karena itu, piston kecil harus dipindahkan jarak besar untuk mendapatkan piston besar untuk bergerak secara signifikan. Jarak piston besar akan bergerak adalah jarak yang piston kecil akan dipindahkan dibagi dengan rasio bidang kepala piston. Ini adalah bagaimana energi, dalam bentuk kerja dalam hal ini, adalah kekal dan Hukum Konservasi Energi puas. Pekerjaan kali kekuatan jarak, dan karena kekuatan meningkat pada piston lebih besar, jarak kekuatan diterapkan atas harus berkurang.

Cairan bertekanan digunakan, jika tidak dihasilkan secara lokal oleh tangan atau pompa mekanis bertenaga, dapat diperoleh dengan membuka katup yang terhubung ke akumulator hidrolik atau pompa terus berjalan tekanan yang diatur oleh katup buang. Bila diinginkan untuk menghasilkan kekuatan yang lebih dari tekanan yang tersedia akan memungkinkan, atau menggunakan lebih kecil, lebih tinggi tekanan silinder untuk menghemat ukuran dan berat, sebuah intensifier hidrolik dapat digunakan untuk meningkatkan tekanan yang bekerja pada silinder tekan.

Ketika tekanan pada silinder tekan dilepaskan (cairan kembali ke reservoir), gaya dibuat dalam pers dikurangi menjadi nilai yang rendah (yang tergantung pada gesekan segel silinder itu. Piston utama tidak menarik kembali ke aslinya posisi kecuali sebuah mekanisme tambahan digunakan.

c.         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

            Penerapan hukum pascal dalam kehidupan sehari-hari

1)        Hidrometer
Hidrometer merupakan alat untuk mengukur berat jenis atau massa jeniszat cair. Jika hidrometer dicelupkan ke dalam zat cair, sebagian alat tersebut akan tenggelam. Makin besar massa jenis zat cair, Makin sedikit bagian hidrometer yang tenggelam. Hidrometer banyak digunakan untuk mengetahui besar kandungan air pada bir atau susu.

Hidrometer terbuat dari tabung kaca. Supaya tabung kaca terapungtegak dalam zat  cair bagian bawah tabung dibebani dengan butiran timbal. Diameter bagian bawah tabung kaca dibuat lebih besar supaya volume zatcair yang dipindahkan hydrometer lebih besar. Dengan demikian, dihasilkan gaya ke atas yang lebih besar dan hidrometer dapat mengapung di dalamzat cair. Tangkai tabung kaca hidrometer didesain supaya perubahan kecil dalamberat benda yang dipindahkan (sama artinya dengan perubahan kecil dalam massa jenis zat cair) menghasilkan perubahan besar pada kedalaman tangki yang tercelup di dalam zat cair. Artinya perbedaan bacaan pada skala untukberbagai jenis zat cair menjadi lebih jelas.

2)      Jembatan Ponton

Jembatan ponton adalah kumpulan drum-drum kosong yang berjajar sehingga menyerupai jembatan. Jembatan ponton merupakan jembatan yang dibuat berdasarkan prinsip benda terapung. Drumdrum tersebut harus tertutup rapat sehingga tidak ada air yang masuk ke dalamnya. Jembatan ponton digunakan untuk keperluan darurat. Apabila air pasang, jembatan naik. Jika air surut, makajembatan turun. Jadi, tinggi rendahnya jembatan ponton mengikuti pasang surutnya air

3)      Kapal Laut

Pada saat kalian meletakkan sepotong besi pada bejana berisi air, besi akan tenggelam. Namun, mengapa kapal laut yang massanya sangat besartidak tenggelam? Bagaimana konsep fisika dapat menjelaskannya? Agarkapal laut tidak tenggelam badan kapal harus dibuat berongga. hal ini bertujuan agar volume air laut yang dipindahkan oleh badan kapal menjadi lebih besar. Berdasarkan persamaan besarnya gaya apung sebanding dengan volume zat cair yang dipindahkan, sehingg gaya apungnya menjadi sangat besar. Gaya apung inilah yang mampu melawan berat kapal, sehingga kapal tetap dapat mengapung di permukaan laut.

4)       Kapal Selam dan Galangan Kapal

Pada dasarnya prinsip kerja kapal selam dan galangan kapal sama. Jika kapal akan menyelam, maka air laut dimasukkan ke dalam ruang cadangan sehingga berat kapal bertambah. Pengaturan banyak sedikitnya air laut yang dimasukkan, menyebabkan kapal selam dapat menyelam pada kedalaman yang dikehendaki. Jika akan mengapung, maka air laut dikeluarkan dari ruang cadangan. Berdasarkan konsep tekanan hidrostastis, kapal selam mempunyai batasan tertentu dalam menyelam. Jika kapal menyelam terlalu dalam, maka kapal bisa hancur karena tekanan hidrostatisnya terlalu besar. Untuk memperbaiki kerusakan kapal bagian bawah, digunakan galangan kapal. Jika kapal akan diperbaiki, galangan kapal ditenggelamkan dan kapal dimasukkan. Setelah itu galangan diapungkan. Galangan ditenggelamkan dan diapungkan dengan cara memasukkan dan mengeluarkan air laut pada ruang cadangan.

d.   Tegangan Permukaan

Tegangan permukaan memungkinkan nyamuk berdiri di atas air

Pernahkah kamu melihat sebuah jarum terapung diatas air? Atau kamu pasti pernah melihat ada nyamuk atau serangga lain dapat berdiri diatas air. Fenomena ini erat kaitannya dengan penjelasan tentang tegangan permukaan yang akan dibahas pada bagian ini. Di lain pihak, kita juga mungkin pernah menemui kejadian berupa air dari tanah yang merembes naik ke atas tembok sehingga tembok menjadi basah. Kejadian ini dalam fisika dikenal dengan peristiwa kapilaritas yang akan dijelaskan juga pada bagian ini.

Mari kita amati sebatang jarum yang kita buat terapung di permukaan air sebagai benda yang mengalami tegangan permukaan. Tegangan permukaan disebabkan oleh interaksi molekul-molekul zat cair dipermukaan zat cair. Di bagian dalam cairan sebuah molekul dikelilingi oleh molekul lain disekitarnya, tetapi di permukaan cairan tidak ada molekul lain dibagian atas molekul cairan itu. Hal ini menyebabkan timbulnya gaya pemulih yang menarik molekul apabila molekul itu dinaikan menjauhi permukaan, oleh molekul yang ada di bagian bawah permukaan cairan. Sebaliknya jika molekul di permukaan cairan ditekan, dalam hal ini diberi jarum, molekul bagian bawah permukaan akan memberikan gaya pemulih yang arahnya ke atas, sehingga gaya pemulih ke atas ini dapat menopang jarum tetap di permukaan air tanpa tenggelam.

Tegangan permukaan dilihat dari interaksi molekul benda dan zat cair

Gaya ke atas untuk menopang jarum agar tidak tenggelam merupakan perkalian koefisien tegangan permukaan dengan dua kali panjang jarum. Panjang jarum disini adalah permukaan yang bersentuhan dengan zat cair.

Gaya yang diperlukan untuk mengangkat jarum adalah gaya ke atas dijumlah gaya berat jarum (mg).
Tegangan permukaan (y) adalah besar gaya ( F ) yang dialami pada permukaan zat cair persatuan panjang(l)

y = F / 2l

Penerapan tegangan permukaan dalam kehidupan sehari-hari:

-mencuci dengan air panas jauh lebih bersih dibandingkan dengan air yang bersuhu normal
-antiseptik yang dipakai untuk mengobati luka,selain dapat mengobati luka juga dapat membasahi seluruh luka.

d.      Kapilaritas

e.      

Meniskus air menyebabkan peristiwa kapilaritas

Kapilaritas disebabkan oleh interaksi molekul-molekul di dalam zat cair. Di dalam zat cair molekul-molekulnya dapat mengalami gaya adhesi dan kohesi. Gaya kohesi adalah tarik-menarik antara molekul-molekul di dalam suatu zat cair sedangkan gaya adhesi adalah tarik menarik antara molekul dengan molekul lain yang tidak sejenis, yaitu bahan wadah di mana zat cair berada. Apabila adhesi lebih besar dari kohesi seperti pada air dengan permukaan gelas, air akan berinteraksi kuat dengan permukaan gelas sehingga air membasahi kaca dan juga permukaan atas cairan akan melengkung (cekung). Keadaan ini dapat menyebabkan cairan dapat naik ke atas oleh tegangan permukaan yang arahnya keatas sampai batas keseimbangan gaya ke atas dengan gaya berat cairan tercapai. Jadi air dapat naik keatas dalam suatu pipa kecil yang biasa disebut pipa kapiler. Inilah yang terjadi pada saat air naik dari tanah ke atas melalui tembok.

Air dapat merembes ke atas melalui retakan tembok sehingga membasahi tembok. Satu contoh kapilaritas

Gejala alam kapilaritas ini memungkinkan kita menghitung tinggi kenaikan air dalam suatu pipa kapiler berbentuk silinder/tabung dengan jari-jari r.

f.   Viskositas

Viskositas (kekentalan) fluida menyatakan besarnya gesekan yang dialami oleh suatu fluida saat mengalir. Pada pembahasan sebelumnya, Anda telah mengetahui bahwa fluida ideal tidak memiliki viskositas. Dalam kenyataannya, fluida yang ada dalam kehidupan sehari-hari adalah fluida sejati. Oleh karena itu, bahasan mengenai viskositas hanya akan Anda temukan pada fluida sejati, yaitu fluida yang memiliki sifat-sifat sebagai berikut.

a. Dapat dimampatkan (kompresibel);

b. Mengalami gesekan saat mengalir (memiliki viskositas);

c. Alirannya turbulen.

Zat cair dan gas memiliki viskositas, hanya saja zat cair lebih kental (viscous) daripada gas. Dalam penggunaan sehari-hari, viskositas dikenal sebagai ukuran ketahanan oli untuk mengalir dalam mesin kendaraan. Viskositas oli didefinisikan dengan nomor SAE’S (Society of Automotive Engineer’s). Contoh pada sebuah pelumas tertulis

Klasifikasi service minyak pelumas ini dikembangkan oleh API (American Petroleum Institute) yang menunjukkan karakteristik service minyak pelumas dari skala terendah (SA) sampai skala tertinggi (SJ) untuk mesin-mesin berbahan bakar bensin.

Koefisien viskositas fluida η , didefinisikan sebagai perbandingan antara tegangan luncur (F/A) dengan kecepatan perubahan regangan luncur ( v /l). Secara matematis, persamaannya ditulis sebagai berikut.

Nilai viskositas setiap fluida berbeda menurut jenis material tempat fluida tersebut mengalir. Nilai viskositas beberapa fluida tertentu dapat Anda pelajari pada Tabel 7.2.

Tabel 7.2 Harga Viskositas Berdasarkan Eksperimen

Fluida	Viskositas
Uap Air 100°C	0,125 cP
Air 99°C	0,2848 cP
Light Machine Oil 20°C	102 cP
Motor Oil SAE 10	50–100 cP, 65 cP
Motor Oil SAE 20	125 cP
Motor Oil SAE 30	150–200 cP
Sirop Cokelat pada 20°C	25.000 cP
Kecap pada 20°C	50.000 cP

Keterangan: Poiseuille dan Poise adalah satuan viskositas dinamis, juga disebut viskositas absolut. 1 Poiseulle (PI) = 10 Poise (P) = 1.000 cP

Benda yang bergerak dalam fluida kental mengalami gaya gesek yang besarnya dinyatakan dengan persamaan

Untuk benda berbentuk bola, k = 6r (perhitungan laboratorium) sehingga, Diperoleh

Persamaan (7–27) dikenal sebagai Hukum Stokes.

Jika sebuah benda berbentuk bola (kelereng) jatuh bebas dalam suatu fluida kental, kecepatannya akan bertambah karena pengaruh gravitasi Bumi hingga mencapai suatu kecepatan terbesar yang tetap. Kecepatan terbesar yang tetap tersebut dinamakan kecepatan terminal. Pada saat kecepatan terminal tercapai, berlaku keadaan

Pada benda berbentuk bola, volumenya vb = 4/3 πr³ sehingga diperoleh persamaan

dengan: vt = kecepatan terminal (m/s),

F_f = gaya gesek (N),

F_A = gaya ke atas (N),

ρ_b = massa jenis bola (kg/m²), dan

ρ_f = massa jenis fluida (kg/m³).

Contoh soal 1:

1.    Apa yang di maksud dengan tenggelam, mengapung dan melayang?

2.    Sebutkan persamaan dan perbedaan antara mengapung dan tenggelam?

3.    Salah satu penerapan dari Hukum Archimedes dalam kehidupan sehari-hari adalah Hidrometer. Apa fungsi dan Hidrometer dan bagaimana cara kerjanya?

4.    Apakah yang disebut tekanan permukaan zat cair?

5.    Apa yang di maksud gejala kapiler?

6.    Apa yang di maksud Viskositas Fluida dan bagaimana rumusnya?

7.    Apa saja penerapan tegangan permukaan dalam kehidupan sehari-hari?

8.    Apa yang di maksud dengan gaya kohesi dan gaya adhesi?

9.    Apa yang di rumus dari tekanan permukaan?

10.                        Bagaiman cara kerja Balon Udara?

Jawaban :

1.    Tenggelam  : Apabila massa jenis rata-rata benda lebih besar dari massa jenis zat

                           Cair.

      Mengapung : Apabila massa jenis  rata-rata benda sama dengan massa jenis zat

                            Cair.

      Melayang    : Apabila massa jenis rata-rata benda  lebih kecil  dari massa jenis zat

                            Cair.

2.    Persamaan antara  mengapung dan melayang :

      Syarat mengapung sama dengan syarat melayang, yaitu berat benda sama gaya apung.

      Perbedaan antara mengapung dan melayang :

      Perbedaannya terletak pada volum benda yang tercelup dalam zat cair. Pada peristiwa melayang seluruh benda tercelup dalam zat cair. Sedang kan dalam peristiwa mengapung hanya sebagian benda yang tercelup dalam zat cair.

3.    Hidrometer adalah alat yang dipakai untuk mengukur massa jenis cairan. Nilai

      Massa jenis cairan dapat diketahui dengan membaca skala pada hidrometer yang di tempatkan mengapung pada zat cair. Hidrometer terbuat dari tabung kaca dan desainnya memiliki 3 bagian. Persamaan Hidrometer : Buku paket hal 114.

4.    Tekanan Permukaan Zat cair adalah Kecenderungan permukaan zat cair untuk

      Menegang, sehingga permukaannya sseperti di tutupi oleh suatu lapisan elastis.

5.    Gejala Kapiler adalah gejala naik atau turunnya suatu zat cair pada sebuah pipa kapiler yang disebabkan oleh gaya kohesi dari tegangan permukaan gaya adhesi antara zat cair dan tabung kaca.

6.    Viskositas Fluida adalah kekentalan dari suatu fluida atau zat cair. Untuk fluida yang Viskositasnya besar maka di  butuhkan gaya yang cukup besar pula. Untuk suhu yang lebih rendah umumnya viskositas zat cairnya akan semakin besar. Rumusnya : Buku paket hal. 130.

7.    Penerapan Tegangan Permukaan dalam kehidupan sehari-hari :

      Tegangan Permukaan air berhubungan dengan kemampuan air membasahi benda. Makin kecil tegangan permukaan air, makin baik kemampuan air untuk membasahi benda, dan ini berarti kotoran-kotoran pada benda lebih mudah larut dalam air. 1. Mencuci dengan air Panas.Tegangan permukan air di pengaruhi oleh suhu. Makin tinggi suhu air, makin kecil tegangan permukaan air dan ini berarti makin baik kemampuan air untuk membasahi benda. 2. Deterjen sintesis modern. Di desain untuk menigkatkan kemampuan air membasahi kotoran yang melekat pada pakaian, yaitu dengan menurunkan teganagan permukaan air. 3. Antiseptik. Dipakai untuk mengobati luka. Selain dapat membunuh kuman yang baik, juga memiliki tegangan permukaan yang  rendah sehingga antiseptik dapat membasahi seluruh luka. Jadi, alkohol dan dan hampir semua antiseptik memiliki tegangan permukaan rendah.

 8.  Gaya Kohesi : Gaya tarik-menarik antar molekul sejenis.

       Gaya Adhesi : Gaya tarik-menarik antar molekul berbeda jenis.

 9.   Rumus : Buku paket halaman 124.

 10. Prinsip kerja balaon udara : Mula-mula balon di isi dengan gas panas sehingga

            Balon menggelembung dan volumnya bertambah. Bertambahnya volum balon

            Berarti bertambah pula volum udara yang dipindahkan ke balon. Ini berarti gaya

            Apung semakin besar. Apabila sutu gaya apung sudah lebih berat daripada berat

            Total balon (berat balon dan muatan) sehingga balon mulai bergerak naik. Awak

            Balon udara terus menambah gas panas hingga mencapai ketinggian tertentu.

            Setelah ketinggian yang di inginkan tercapai, awak balon mengurangi gas panas

            Sampai tercapai gaya apung = berat balon. Pada saat balon melayang di udara.

            Sewaktu awak balon akan menurunkan balon, maka sebagian isi gas panas di

            Keluarkan. Ini menyebabkan volum balon berkurang dan gaya apung berkurang.

           Akibatnya, gaya apung lebih kecil daripada berat balon dan balon bergerak turun.

Contoh soal 2:

1.      Seekor ikan berada pada kedalaman 15 meter di bawah permukaan air.
Jika massa jenis air 1000 kg/m³ , percepatan gravitasi bumi 10 m/s² dan tekanan udara luar 10⁵ N/m, tentukan : a) tekanan hidrostatis yang dialami ikanb) tekanan total yang dialami ikan

Pembahasan

a)      tekanan hidrostatis yang dialami ikan

b)      tekanan total yang dialami ikan

 

2.      Seorang anak hendak menaikkan batu bermassa 1 ton dengan alat seperti gambar berikut!

Jika luas penampang pipa besar adalah 250 kali luas penampang pipa kecil dan tekanan cairan pengisi pipa diabaikan, tentukan gaya minimal yang harus diberikan anak agar batu bisa terangkat!

Pembahasan
Hukum Pascal Data :

 F₁ = FF₂ = W_batu = (1000)(10) = 10000

NA₁ : A₂ = 1 : 250

3.      Pipa U diisi dengan air raksa dan cairan minyak seperti terlihat pada gambar!


Jika ketinggian minyak h₂ adalah 27,2 cm, massa jenis minyak 0,8 gr/cm³ dan massa jenis Hg adalah 13,6 gr/cm³ tentukan ketinggian air raksa (h₁)!

Pembahasan
Tekanan titik-titik pada cairan yang berada pada garis vertikal seperti ditunjukkan gambar diatas adalah sama.

4.      Sebuah benda tercelup sebagian dalam cairan yang memiliki massa jenis 0,75 gr/cm³ seperti ditunjukkan oleh gambar berikut!


Jika volume benda yang tercelup adalah 0,8 dari volume totalnya, tentukan massa jenis benda tersebut!

Pembahasan
Gaya-gaya yang bekerja pada benda diatas adalah gaya berat yang berarah ke bawah dan gaya apung / gaya Archimides dengan arah ke atas. Kedua gaya dalam kondisi seimbang.

5.      Seorang anak memasukkan benda M bermassa 500 gram ke dalam sebuah gelas berpancuran berisi air, air yang tumpah ditampung dengan sebuah gelas ukur seperti terlihat pada gambar berikut:



Jika percepatan gravitasi bumi adalah 10 m/s² tentukan berat semu benda di dalam air!

Pembahasan
Data :

m_b = 500 g = 0,5 kgm_f = 200 g = 0,2 kg
Berat benda di fluida (berat semu) adalah berat benda di udara dikurangi gaya apung (Archimides) yang diterima benda. Besarnya gaya apung sama besar dengan berat fluida yang dipindahkan yaitu berat dari 200 ml air = berat dari 200 gram air (ingat massa jenis air = 1 gr/cm³ = 1000 kg/m³).

silahkan klik link dibawah untuk mendownload file

https://drive.google.com/file/d/1YnaPRbrLYpixH7iRtcMI15OGcoknPlB4/view?usp=sharing