A. Statik Fluida (Hidrostatik)
Ada
3 macam keadaan atau fase, yaitu padat, cair, dan gas. Pada fase padat,
zat akan mempertahankan bentuk dan ukurannya yang tetap. Pada fase
cair, zat memiliki volume tertentu tetapi memiliki bentuk yang
berubah-ubah sesuai wadahnya. Pada fase gas, zat tidak memiliki bentuk
dan volume yang tetap. Gas memiliki kecendurangan untuk menyebar dan
memenuhi ruang atau wadahnya.
Zat cair dan gas memiliki kemampuan
untuk mengalir. Oleh karena itu, keduanya sering disebut fluida atau
zat alir. Fluida dibedakan menjadi 2 yaitu, fluida hidrostatik (diam)
dan fluida hidrodinamika (bergerak).
Massa
jenis suatu zat didefinisikan sebagai perbandingan antara massa zat (m)
dan volume zat (V). Yang dirumuskan sebagai berikut:
Dalam SI, satuan massa jenis adalah kg/m3 , sedangkan dalam sistem cgs satuan massa jenis adalah g/cm3 .
Tekanan (P)
a. Definisi Tekanan
Takanan didefinisikan sebagai gaya F bekerja secara tegak lurus terhadap luas permukaan A. Yang dirumuskan sebagai berikut:
b. Tekanan Atmosfer dan Tekanan Ukur
Tekanan Atmosfer diakibatkan oleh berat udara di atas kita. Nilai dan Satuan SI untuk tekanan atmosfer itu adalah:
Po = 1,01 x 10 N/m
Dalam
beberapa kasus, kita kadang mengukur tekanan udara dalam benda tertentu
dengan menghitung selisih tekanannya dengan tekanan udara luar (tekanan
atmosfer).
Untuk memompa ban mobil hingga tekanan udara
di dalamnya bernilai 241 kPa jika di ukur, tekanan udara di dalam mobil
itu harus lebih besar lagi daripada tekanan udara luar, yaitu sebesar :
P= 124 kPa + Po = 302 kPa. Tekanan sebesar 241 kPa yang nantinya terukur
itu disebut tekanan taksiran atau tekanan ukur (gauge pressure, P g)
yang secara umum dirumuskan sebagai berikut:
Hasil
eksperimen menunjukkan bahwa fluida menekan kesegala arah. Seseorang
yang menyelam ke dalam air akan merasakan tekanan air di seluruh bagian
tubuhnya. Arah gaya tekan oleh fluida statik selalu tegak lurus terhadap
permukaan sentuhnya.
Tekanan pada dasar bejana yang luas permukaanya A adalah:
Prinsip
Pascal atau sering disebut hukum pascal ditemukan oleh seorang filsuf
dan ilmuwan Perancis, Blaise Pascal, yang menyatakan bahwa:
Tekanan yang diberikan pada fluida dalam ruang tertutup akan diteruskan kesegala arah dengan sama besar.
Salah
satu penerapan hukum Pascal adalah pengangkatan hidrolik. Oleh karena
tekanan pada kedua piston pengangkatan hidrolik sama besar, maka
berlaku:
F1/A1 = F2/A2
Hukum Archimedes
Jika
benda dicelupkan ke dalam air, zat cair memberikan gaya angkat pada
benda itu. Gaya ini menyebabkan berat benda seakan-akan berkurang. Fakta
ini pertama kali ditemukan oleh Archimedes sehingga dikenal sebagai
hukum Archimedes, yang menyatakan bahwa:
Bila sebuah benda kita
masukkan kedalam air, baik sebagian atau seluruhnya, benda tersebut akan
mendapat gaya keatas (gaya Archimedes atau gaya apung) yang besarnya
sama dengan berat zat cair yang dipindhkan.
Secara matematis, hukum Archimedes dirumuskan sebagai:
Dengan FA adalah gaya apung (gaya Archimedes), rho adalah massa jenis fluida, dan V1 adalah volume benda yang tercelup.
Ada
3 keadaan benda dalam zat cair, yaitu terapung, melayang, dan
tenggelam. Dengan menggunakan hukum I Newton dan hukum Archimedes, kita
dapat menentukan syarat benda terapung, melayang, dan tenggelem.
Terapung
Benda
dikatakan terapung apabila sebagian dari benda tercelup atau berada di
bawah permukaan air, sedangkan bagian yang lain berada di atas permukaan
air. Volume benda yang tercelup V1 selalu lebih kecil daripada volume
benda Vb . Jadi, massa jenis benda yang terapung lebih kecil daripada
massa jenis fluida.
Melayang
Pada
benda melayang, besarnya gaya Archimedes FA sama dengan berat benda w ,
akan tetapi volume benda yang tercelup sama dengan volume benda Vb .
Jadi, syarat benda melayang adalah massa jenis benda sama dengan massa
jenis zat cair.
Tenggelam
Pada
saat tenggelam, besar gaya Archimedes FA lebih kecil daripda berat
benda mg. Dalam hal ini volume benda yang tercelup V1 sama dengan volume
benda Vb . Akan tetapi, benda bertumpu pada dasar bejana sehingga ada
gaya normal N sehingga berlaku :
Benda akan tenggelam dalam fluida jika massa jenis benda itu lebih besar daripada massa jenis fluida .
Prinsip
Archimedes banyak diterapkan baik dalam teknologi maupun sains.
Beberapa contoh peralatan yang bekerja berdasarkan hukum Archimedes
adalah : hidrometer, kapal laut, galangan kapal, kapal selam, dan balon
udara.
Viskositas
Fluida
yang mengalir melalui suatu permukaan yang diam akan mengalami gesekan
yang berlawanan arah dengan arah alirnya. Kecenderungan untuk menghambat
aliran dalam fluida ini disebut viskositas. Fluida seperti udara
memiliki viskositas rendah, fluida yang lebih rapat seperti air memiliki
viskositas lebih tinggi daripada udara, sedangkan fluida seperti madu
dan sirup dicirikan dengan viskositasnya yang tinggi.
Pada zat
cair, viskositas disebabkan terutama oleh gaya kohesi antar molekul,
sedangkan pada gas, viskositas muncul karena tumbukan antarmolekul.
Viskositas Beberapa Fluida
Nilai
viskositas beberapa fluida ditunjukkan pada tabel diatas. Gejala
viskositas dapat diamati ketika kita menjatuhkan sebutir kelereng ke
dalam gelas kaca yang berisi minyak goreng. Kelereng akan diperlambat
akibat gesekan dengan fluida. Hal yang berhubungan dengan viskositas
banyak dijumpai dalam teknik, terutama dalam sistem pelumasan. Meinyak
pelumas memiliki spesifikasi yang berhubungan dengan kekentalannya yang
tercentum dalam kemasannya.
Tegangan Permukaan
Serangga
tertentu dapat berjalan pada permukaan air. Hal ini terjadi karena
adanya tegangan permukaan air. Karena adanya gaya tarik-menarik
antarmolekul, permukaan zat cair berperilaku sebagai selaput yang
tegang. Gaya molekul di dalam selaput cenderung memperkecil luas
permukaan. Itulah sebabnya tetesan air selalu berbentuk mendekati
permukaan; bentuk dengan luas permukaan terkecil daripada sembarang
bentuk lain untuk volume yang sama. Jika diletakkan didalam wadah,
permukaannya akan berbentuk datar (luas permukaannya minimum).
Tegangan
permukaan didefinisikan sebagai gaya pada permukaan fluida tiap satuan
panjang. Besar tegangan permukaan untuk benda yang memiliki satu
permukaan adalah:
Dengan
F = gaya permukaan (N); L = panjang benda (m); dan gama= tegangan
permukaan (N/m). Untuk benda sepanjang L yang memiliki dua permukaan,
dengan L = 2 L.maka:
Besarnya
tegangan permukaan zat cair juga dipengaruhi oleh keadaan permukaan zat
cair, misalnya suhu zat cair. Semakin tinggi suhu zat cair, semakin
kecil tegangan permukaannya, dan sebaliknya.
Apabila dua partikel
berdekatan, gaya kohesinya besar, tetapi apabila berjauhan gaya
kohesinya kecil. Tegangan permukaan kadang tidak menguntungkan kita,
misalnya dalam proses mencuci pakaian, maka dapat diatasi dengan
penggunaan sabun atau detergen. Sabun dan detergen mempunyai efek
mengurangi tegangan permukaan.
Gejala Kapilaritas
Kapilaritas
merupakan gejala naik atau turunnya suatu zat cair (fluida) pada suatu
pipa kapiler. Contoh dalam kehidupan sehari-hari, yaitu: naiknya tanah
pada sumbu kompor, meresapnya air pada dinding tombok pada musim hujan,
dan naiknya air dari akar tanaman sampai ke daun.
Gejala kapilaritas
dipengaruhi oleh gaya kohesi, adhesi, dan tegangan permukaan. Ketinggian
yang dicapai fluida dalam pipa kapiler tergantung pada besar tegangan
permukaan. Tegangan permukaan fluida dihasilkan oleh gaya permukaan (F)
yang bekerja disekeliling permukaan fluida (L=2 pi r). Tegangan permukaan itu sebesar
Ketinggian
fluida dalam pipa kapiler juga bergantung pada berat fluida (w) yang
akan didorong ke atas oleh gaya permukaan. Jika rho adalah massa jenis
fluida, berlaku persamaan:
ketinggian fluida dalam pipa kapiler ( h) dapat ditentukan dengan rumus:Namun
ingat bahwa gaya adhesi dab kohesi mengakibatkan sifat meniskus
permukaan fluida sehingga besar komponen gaya permukaan dalam arah
vertikal dipengaruhi oleh sudut kontak . Dengan demikian , ketinggian
fluida dalam pipa kapiler secara umum dapat ditentukan dengan rumus:
dengan
gama= tegangan permukaan; teta= sudut kontak; rho= massa jenis fluida; g
= percepatan gravitasi; dan r = jari-jari pipa kapiler.
B. Dinamika Fluida
Di
dalam fluida dinamis, besar tegangan permukaan dipengaruhi oleh
kecepatan aliran, massa jenis fluida, serta ketinggiannya. Aliran fluida
ideal bersifat linear (streamline), artinya: aliran fluida tidak
berputar-putar (mengepul) seperti asap rokok. Sifat laminer aliran
fluida berarti aliran partikel-partikel fluida mengikuti garis alir.
Partikel di belakang selalu mengikuti lintasan partikel di depannya
sehingga lintasannya berupa garis dan gerak partikel teratur (tidak
acak).
Persamaan Kontinuitas
Dalam dinamika fluida, salah satu
besaran yang dipelajari adalah laju aliran volume atau debit. Debit (Q)
disefinisikan sebagai banyaknya (volume) fluida yang mengalir tiap satu
satuan waktu. Secara matematis, debit dirumuskan dengan:
Apabila
aliran fluida di dalam pipa yang luas penampang A dengan kelajuan v.
Dalam waktu t , fluida menempuh jarak s sehingga volume fluida yang
berpindah adalah V=AS=Avt. Dengan demikian, besaran debit juga bisa
dinyatakan dengan:
Persamaan
diatas disebuy persamaan kontinuitas yang menyatakan bahwa debit aliran
fluida selalu konstan. Aliran akan makin cepat jika melalui penampang
yang lebih sempit.
Persamaan Bernoulli
Gaya
yang bekerja pada elemen fluida sepanjang delta S1 adalah F1=P1 A1 .
Dengan mengingat bahwa w=F x s , kita peroleh usaha yang dilakukan
terhadap elemen fluida adalah:
Volume elemen fluida itu adalah delta V1=A1deltaS1 sehingga usaha yang dilakukan oleh tekanan P1adalah :
Di
posisi 2, fluida menerima gaya yang berlawanan arah dengan arah aliran
akibat tekanan P2 . Jadi,P2 melakukan usaha negatif pada elemen fluida.
Dengan langkah yang sama seperti pada perhitungan delta W1 , kita
peroleh besar usaha pada fluida akibat tekanan P2 adalah:
Pada fluida inkompresibel, volume elemen fluida tidak berubah saat berpindah dari posisi 1 ke posisi 2. Jadi,
Berdasarkan
toerema usaha-energi, usaha didefinisikan sebagaiBerdasarkan toerema
usaha-energi, usaha didefinisikan sebagai perubahan energi kinetik,
delta Wtotal=delta Ek atau
Energi kinetik elemen fluida itu adalah:
Pernyataan
diatas menyatakan bahwa nilai P+1/2pvkuadrat konstan. Persamaan ini
berlaku jika ketinggian pada posisi 1 dan posisi 2 sama.
Usaha
total yang dilakukan pada elemen fluida merupakan hasil penjumlahan
usaha yang diakibatkan oleh tekanan pada masing-masing posisi ditambah
usaha yang dilakukan oleh tekanan adalah:
Oleh
karena fluida bergerak naik, gaya gravitasi melakukan usaha negatif
terhadap elemen fluida itu. Dengan mengingat massa elemen fluida itu
adalah delta m=rho delta V ;usaha yang dilakukan gaya gravitasi adalah:
Persamaan
diatas menunjukkan bahwa P+rho g h konstan. Dapat disimpulkan bahwa
tekanan akan menurun jika ketinggian fluida meningkat.
Dalam bentuk
yang lebih umum, di mana baik laju aliran maupun ketinggian fluida
berubah, kita dapat menerapkan bentuk lengkap dari persamaan Bernoulli,
yaitu:
Menurut
persamaan diatas, jika v1 lebih besar dari v2 maka P1 kecil dari P2 .
Artinya, di tempat yang laju alirannya besar, tekannya kecil.
Sebaliknya, di tempat yang laju alirannya kecil, tekannya besar.
Aplikasi Asas Bernoulli
Dalam
kehidupan sehari-hari , asas Bernoulli diterapkan pada karburator
mobil, venturimeter, pipa pitot, botol penyemprot parfum, dan alat
semprot serangga. Asas Bernoulli juga dapat digunakan untuk melakukan
kalkulasi pada tangki air.
a. Kebocoran pada Tangki Air
Sebuah
drum berpenampang luas yang diisi air sampai kedalaman h1 . Pada
dinding drum terdapat lubang kebocoran yang terletak pada ketinggian h2
diukur dari dasar drum. Berapakah laju keluarnya air dari lubang ini?
Gerakan turunnya air di dalam drum ( v1) sangat kecil jika dibandingkan
dengan laju aliran air yang keluar dari lubang v2 . Jadi, kita dapat
menganggap v1= 0. Permukaan air dari lubang kebocoran berhubungan dengan
udara luar, sehingga P1=P2=P0 , maka diperoleh:
Pipa
venturi atau venturimeter dapat digunakan untuk mengukur laju aliran
fluida dalam sebuah pipa. Ada dua tipe venturimeter yaitu venturimeter
tanpa manometer dan venturimeter yang dilengkapi manometer
c. Pipa Pitot
Pipa pitot digunakan untuk mengukur kecepatan aliran udara dalam sebuah pipa.
d. Parfum Semprot
Ketika
tombol parfum semprot ditekan, udara dipaksa keluar dan bola karet
termampatkan melalui lubang sempit di atas tabung silinder yang
memanjang ke bawah sehingga tercelup cairan parfum. Semburan udara yang
bergerak cepat menurunkan tekanan udara di bagian atas tabung sehingga
memaksa cairan itu naik ke atas tabung. Semprotan udara berkelajuan
tinggi meniup cairan parfum sehingga cairan dikeluarkan sebagai semburan
kabut halus.
e. Penyemprot Racun Serangga
Pada
dasarnya prinsip kerja penyemprot racun serangga sama dengan penyemprot
parfum. Pada parfum semprot kita menekan tombol, sedangkan pada
penyemprot racun serangga kita menekan masuk batang penghisap.
f. Sayap Pesawat Terbang
Sayap
pesawat terbang didesain sedemikian rupa sehingga aliran udara
diatasnya lebih cepat daripada aliran udara dibawahnya. Sebagai
hasilnya, tekanan diatas pesawat lebih rendah daripada tekanan udara di
bawah pesawat sehingga timbul gaya angkat pada pesawat.
No comments:
Post a Comment