√ Hukum Fluida : Archimedes, Pascal, Hidrostatis

Hokum fluida

Wujud zat secara umum dibedakan menjadi tiga, yaitu zat padat, cair, dan gas. Berdasarkan bentuk dan ukurannya, zat padat mempunyai bentuk dan volume tetap, zat cair memiliki volume tetap, akan tetapi bentuknya berubah sesuai wadahnya, sedangkan gas tidak memiliki bentuk maupun volume yang tetap. Karena zat cair dan gas tidak mempertahankan bentuk yang tetap sehingga keduanya memiliki kemampuan untuk mengalir. Zat yang dapat mengalir dan memberikan sedikit hambatan terhadap perubahan bentuk ketika ditekan disebut fluida. Fluida disebut juga zat alir, yaitu zat cair dan gas.

Pada bab ini kita akan mempelajari mengenai fluida statis, yaitu fluida dalam keadaan diam, dan fluida dinamis, yaitu fluida yang bergerak. Dalam fluida statis kita akan membahas konsep gaya tekan ke atas, tegangan permukaan, kapilaritas, dan viskositas. Sementara itu, dalam fluida dinamis kita akan membahas persamaan dan hukum dasar fluida bergerak dan penerapannya.

Tekanan dan Tekanan Hidrostatik

Konsep tekanan sangat penting dalam mempelajari sifat fluida. Tekanan didefinisikan sebagai gaya tiap satuan luas. Apabila gaya F bekerja secara tegak lurus dan merata pada permukaan bidang seluas A, maka tekanan pada permukaan itu dirumuskan:

Penerapan konsep tekanan dalam kehidupan sehari-hari misalnya pada pisau dan paku. Ujung paku dibuat runcing dan pisau dibuat tajam untuk mendapatkan tekanan yang lebih besar, sehingga lebih mudah menancap pada benda lain.

Tekanan yang berlaku pada zat cair adalah tekanan hidrostatik, yang dipengaruhi kedalamannya. Hal ini dapat dirasakan oleh perenang atau penyelam yang merasakan adanya tekanan seluruh badan, karena fluida memberikan tekanan ke segala arah.

Besarnya tekanan hidrostatik di sembarang titik di dalam fluida dapat ditentukan sebagai berikut.

Misalnya, sebuah kotak berada pada kedalaman h di bawah permukaan zat cair yang massa jenisnya U , seperti Gambar 7.2. Tekanan yang dilakukan zat cair pada alas kotak disebabkan oleh berat zat cair di atasnya. Dengan demikian, besarnya tekanan adalah

Berdasarkan persamaan (7.2) dapat dinyatakan bahwa tekanan di dalam zat cair disebabkan oleh gaya gravitasi, yang besarnya tergantung pada kedalamannya.

Hukum Dasar Fluida Statis

Hukum-hukum dasar tentang fluida statis yang akan kita bahas adalah Hukum Hidrostatika, Hukum Pascal, dan Hukum Archimedes beserta penerapannya.

1. Hukum Pokok Hidrostatika

Telah diketahui sebelumnya bahwa tekanan yang d ilakukan oleh zat cair besarnya tergantung pad a kedalamannya, P = U .g.h . Hal ini menunjukkan bahwa titik-titik yang berada pada kedalaman yang sama mengalami tekanan hidrostatik yang sama pula. Fenomena ini dikenal dengan Hukum Hidrostatika yang dinyatakan: Tekanan hidrostatik di semua titik yang terletak pada satu bidang mendatar di dalam satu jenis zat cair besarnya sama. Perhatikan Gambar 7.4 di samping.

Berdasarkan Hukum Pokok Hidrostatika, maka tekanan di titik A, B, dan C besarnya sama.

P_A = P_B  = P_C = U .g.h

Hukum Pokok Hidrostatika dapat digunakan untuk menentukan massa jenis zat cair dengan menggunakan pipa U (Gambar 7.5). Zat cair yang sudah diketahui massa jenisnya ( U ₂) dimasukkan dalam pipa U, kemudian zat cair yang akan dicari massa jenisnya ( U ₁) dituangkan pada kaki yang lain setinggi h₁. Adapun h ₂ adalah tinggi zat cair mula-mula, diukur dari garis batas kedua zat cair. Berdasarkan Hukum Pokok Hidrostatika, maka:

Hidrostatika dimanfaatkan antara lain dalam mendesain bendungan, yaitu semakin ke bawah semakin tebal; serta dalam pemasangan infus, ketinggian diatur sedemikian rupa sehingga tekanan zat cair pada infus lebih besar daripada tekanan darah dalam tubuh.

2. Hukum Pascal

Apabila kita memompa sebuah ban sepeda, ternyata ban akan menggelembung secara merata. Hal ini menunjukkan bahwa tekanan yang kita berikan melalui pompa akan diteruskan secara merata ke dalam fluida (gas) di dalam ban. Selain tekanan oleh beratnya sendiri, pada suatu zat cair (fluida) yang berada di dalam ruang tertutup dapat diberikan tekanan oleh gaya luar. Jika tekanan udara luar pada permukaan zat cair berubah, maka tekanan pada setiap titik di dalam zat cair akan mendapat tambahan tekanan dalam jumlah yang sama. Peristiwa ini pertama kali dinyatakan oleh seorang ilmuwan Prancis bernama Blaise Pascal (1623 – 1662) dan disebut Hukum Pascal. Jadi, dalam Hukum Pascal dinyatakan berikut ini.

“Tekanan yang diberikan pada zat cair dalam ruang tertutup akan diteruskan ke segala arah dengan sama besar”.

Berdasarkan Hukum Pascal diperoleh prinsip bahwa dengan memberikan gaya yang kecil akan dihasilkan gaya yang lebih besar. Prinsip ini dimanfaatkan dalam pesawat hidrolik. Gambar 7.6 menunjukkan sebuah bejana tertutup berisi air yang dilengkapi dua buah pengisap yang luas penampangnya berbeda.

Jika pengisap kecil dengan luas penampang A₁ ditekan dengan gaya F₁, maka zat cair dalam bejana mengalami tekanan yang besarnya:

Berdasarkan Hukum Pascal, tekanan yang diberikan akan diteruskan ke segala arah sama besar, sehingga pada pengisap besar dihasilkan gaya F₂ ke atas yang besarnya:

Alat-alat bantu manusia yang prinsip kerjanya berdasarkan Hukum Pascal adalah dongkrak hidrolik, pompa hidrolik, mesin hidrolik pengangkat mobil, mesin penggerak hidrolik, dan rem hidrolik pada mobil.

3. Hukum Archimedes

Hukum Archimedes mempelajari tentang gaya ke atas yang dialami oleh benda apabila berada dalam fluida. Benda-benda yang dimasukkan pada fluida seakan-akan mempunyai berat yang lebih kecil daripada saat berada di luar fluida. Misalnya, batu terasa lebih ringan ketika berada di dalam air dibandingkan ketika berada di udara. Berat di dalam air sesungguhnya tetap, tetapi air melakukan gaya yang arahnya ke atas. Hal ini menyebabkan berat batu akan berkurang, sehingga batu terasa lebih ringan. Berdasarkan peristiwa di atas dapat disimpulkan bahwa berat benda di dalam air besarnya:

Besarnya gaya tekan ke atas dapat ditentukan dengan konsep tekanan hidrostatik. Gambar 7.7 menunjukkan sebuah silinder dengan tinggi h yang luasnya A. Ujung atas dan bawahnya, dicelupkan ke dalam fluida yang massa jenisnya U .

Besarnya tekanan hidrostatik yang dialami permukaan atas dan bawah silinder adalah:

Gaya total yang disebabkan oleh tekanan fluida merupakan gaya apung atau gaya tekan ke atas yang besarnya:

Gaya total U g.V = m.g adalah berat fluida yang dipindahkan. Dengan demikian, gaya tekan ke atas pada benda sama dengan berat fluida yang dipindahkan oleh benda. Pernyataan ini pertama kali dikemukakan oleh Archimedes (287 – 212 SM), yang dikenal dengan Hukum Archimedes, yang berbunyi:

“Sebuah benda yang tercelup sebagian atau seluruhnya di dalam fluida mengalami gaya ke atas yang besarnya sama dengan berat fluida yang dipindahkan”.

1. Tenggelam, Melayang, dan Terapung

Apabila sebuah benda padat dicelupkan ke dalam zat cair, maka ada tiga kemungkinan yang terjadi pada benda, yaitu tenggelam, melayang, atau terapung. Apakah yang menyebabkan suatu benda tenggelam, melayang, atau terapung? Pertanyaan ini dapat dijelaskan dengan Hukum Archimedes.

Benda tenggelam

Benda dikatakan tenggelam, jika benda berada di dasar zat cair. Sebuah benda akan tenggelam ke dalam suatu zat cair apabila gaya ke atas yang bekerja pada benda lebih kecil daripada berat benda.

• Benda melayang

Benda dikatakan melayang jika seluruh benda tercelup ke dalam zat cair, tetapi tidak menyentuh dasar zat cair. Sebuah benda akan melayang dalam zat cair apabila gaya ke atas yang bekerja pada benda sama dengan berat benda.

demikianlah artikel dari dosenmipa.com semoga artikel ini bermanfaat bagi anda semuanya.