Fluida merupakan salah satu jenis zat yang dapat mengalir. Bentuk fluida cenderung tidak tetap, yakni bergantung pada wadah atau penampungan tempat zat itu berada. Karena sifatnya yang demikian, maka pemanfaatannya fluida dalam kehidupan sehari-hari cukup banyak. Bahkan sesungguhnya tubuh kita pun sebagian besar tersusun dari fluida. Pada Kegiatan Belajar ini kita akan batasi pembicaraan kita hanya mengenai fluida yang tidak mengalir (diam) atau fluida statik.
Air pada kolam renang, bak penampungan, gelas, dan botol merupakan beberapa contoh dari fluida statik. Zat cair yang disebutkan pada contoh-contoh di atas cenderung relatif diam sehingga dikategorikan kedalam fluida statik. Pada Kegiatan Belajar kali ini kita akan membahas beberapa sifat atau perilaku yang berkaitan dengan fluida statik, diantaranya tekanan hidrostatik, hukum Pascal, hukum Archimedes, dan Kapilaritas. Akan tetapi sebelum kita melangkah lebih jauh, ada baiknya kita mengingat sifat-sifat yang terkait dengan zat cair.
A. Sifat-sifat Zat Cair
Berbeda halnya dengan zat padat atau benda padat yang cenderung bersifat kaku dan tegar, zat cair memiliki sifat-sifat yang tidak sekaku zat padat. Sifat-sifat zat cair (khususnya yang dicontohkan disini adalah air) yang umum diantaranya:
1. Zat cair dapat berubah bentuk bergantung dari wadah penampungnya
Ketika kita menuangkan air ke dalam gelas, maka air tersebut akan berbentuk seperti gelas, ketika kita menuangkan air ke dalam mangkuk, maka air tersebut akan berbentuk seperti mangkuk, dan ketika kita menuangkan air ke dalam botol, maka air tersebut akan berbentuk seperti botol. Artinya adalah zat cair memiliki bentuk yang sesuai dengan wadah penampungnya, dan dapat berubah bentuk sesuai wadahnya itu. Bila kita memindahkan air yang berada dalam botol ke dalam gelas, maka bentuk air berubah dari berbentuk botol menjadi berbentuk gelas.
2. Zat cair menempati ruang dan mempunyai massa
Bila kita menuangkan air pada sebuah wadah maka air akan menempati ruang dari tempat yang terendah. Ketika air dituangkan pada sebuah wadah yang bentuknya tidak beraturan, maka air akan menyesuaikan bentuk sesuai dengan wadah penampungan itu. Wadah yang kosong akan terasa lebih ringan dibandingkan dengan wadah yang terisi penuh air. Ini menunjukkan bahwa air juga memiliki massa.
3. Permukaan zat cair selalu mendatar
Mungkin Anda pernah memperhatikan seorang pekerja bangunan yang membawa selang kecil yang panjang dan berisi air untuk mengetahui kedataran pada saat memasangkan batu bata atau ubin. Pekerja tersebut memanfaatkan salah satu sifat zat cair yakni permukaannya selalu mendatar. Meskipun wadah penampungan air dibuat miring sekalipun, permukaan air akan selalu mendatar.
4. Zat cair mengalir dari tempat yang lebih tinggi ke tempat yang lebih rendah
Ketika kita menuangkan air ke suatu wadah, kemanakah air itu mengalir? Air selalu mengalir ke tempat yang lebih rendah. Demikian pula halnya aliran air pada sungai selalu mengalir dari arah hulu menuju hilir. Artinya, zat cair mengalir dari tempat yang lebih tinggi ke tempat yang lebih rendah, atau zat cair mengalir di bawah pengaruh gravitasi hingga mencapai daerah terendah yang mungkin untuk menampungnya.
B. Massa Jenis
Massa jenis suatu zat didefinisikan sebagai perbandingan antara massa zat itu terhadap volumenya. Massa jenis zat sering juga disebut kerapatan; merupakan salah satu sifat penting dari zat itu. Secara matematis, massa jenis zat dituliskan sebagai berikut.
dimana: ρ = massa jenis zat (kg/m3)
m = massa zat (kg)
V = volume zat (m3)
Di dalam fluida atau zat cair, sebuah benda yang memiliki massa jenis lebih besar dari air maka benda itu akan tenggelam, sebaliknya bila sebuah benda memiliki massa jenis lebih kecil dari air maka benda itu akan terapung. Pada kondisi tertentu, ketika massa jenis benda sama atau hampir sama dengan massa jenis air, maka benda itu akan melayang di dalam air.
C. Tekanan dan Tekanan Hidrostatik
Tekanan merupakan konsep yang tidak asing dalam kajian mekanika. Tekanan memang erat kaitannya dengan konsep gaya. Pada tinjauan mengenai zat padat, tekanan itu sendiri didefinisikan sebagai gaya yang bekerja pada suatu permukaan tiap satuan luas permukaan. Dengan kata lain, tekanan merupakan perbandingan antara gaya tekan (yang arahnya tegak lurus bidang tekan) dan luas bidang tekannya. Secara matematis tekanan dituliskan sebagai berikut.
dimana: P = tekanan pada suatu permukaan (N/m2 atau pascal, Pa)
F = gaya tekan (newton, N)
A = luas bidang tekan (m2)
Pada fluida diam, tekanan pada suatu titik dalam fluida disebabkan oleh gaya berat fluida yang berada di atas titik tersebut. Tekanan pada fluida dinamakan tekanan hidrostatik. Tekanan pada fluida juga bergantung pada kerapatan atau massa jenis fluida atau zat cair itu sendiri.
Gambar 9.6 menunjukkan sebuah wadah atau bejana yang berisi zat cair. Tekanan hidrostatik di sebuah titik pada kedalaman h dinyatakan secara matematis dengan persamaan berikut.
P = ρ g h
dimana: ρ = massa jenis zat cair atau kerapatan zat cair (kg/m3)
g = percepatan gravitasi (m/s2)
h = kedalaman zat cair diukur dari permukaan zat cair (m)
Persamaan di atas berlaku bila kita tidak memperhitungkan adanya tekanan udara luar atau tekanan atmosfer yang pada keadaan tertentu dapat diabaikan. Namun demikian pada umumnya tekanan atmosfer juga mempengaruhi tekanan hidrostatik. Ingat bahwa tekanan hidrostatik pada suatu titik ditimbulkan oleh gaya berat fluida yang berada di atas titik itu, yang berarti juga dipengaruhi oleh tekanan atmosfer. Besar tekanan hidrostatik dengan memperhitungkan adanya tekanan atmosfer secara matematis dituliskan sebagai berikut.
P = P0 + ρ g h
dimana: P0 = tekanan atmosfer atau tekanan udara luar. Pada permukaan air laut, tekanan atmosfer normal sebesar 1 atm (= 1,01 x 105 Pa).
D. Hukum Pascal
Apabila pada permukaan zat cair diberikan tekanan (sehingga terjadi perubahan tekanan), maka tekanan ini akan diteruskan ke setiap titik dalam zat cair itu. Hal ini pertama kali diungkapkan oleh seorang ilmuwan Perancis, Blaise Pascal (1623 – 1662) dan dinamakan hukum Pascal, yang berbunyi “perubahan tekanan yang diberikan pada fluida akan ditransmisikan seluruhnya terhadap setiap titik dalam fluida dan terhadap dinding wadah”. Artinya, tekanan yang diberikan pada fluida dalam suatu ruang tertutup akan diteruskan oleh fluida tersebut ke segala arah dan sama besar.
Kita ketahui berdasarkan definisi dimana tekanan merupakan perbandingan antara gaya tekan terhadap luas bidang tekannya ( P = F/A), sehingga persamaan di atas dapat dituliskan sebagai berikut.
dimana: F1 = gaya yang diberikan pada penampang A1
F2 = gaya yang dihasilkan pada penampang A2
E. Hukum Pokok Hidrostatik
Dalam hal ini permukaan zat cair dapat dikatakan terletak pada satu bidang datar. Karena tekanan hidrostatik zat cair hanya dipengaruhi oleh massa jenis zat cair, percepatan gravitasi, dan kedalaman zat cair, maka “semua titik yang terletak pada satu bidang datar di dalam satu jenis zat cair mempunyai tekanan hidrostatik yang sama”. Pernyataan ini dikenal dengan hukum pokok hidrostatik.
Berdasarkan hukum pokok hidrostatik, pada tabung Gambar 9.11 (a) dan (b), tekanan hidrostatik pada ketinggian yang sama adalah sama (ditunjukkan oleh garis). Pada tabung Gambar 9.11 (a) yang terdiri dari satu jenis zat, tinggi permukaan pada masing-masing kolom tabung sama. Akan tetapi ketika dalam tabung tersebut diisi oleh zat lain, seperti pada tabung Gambar 9.11 (b) ketinggian permukaan masing-masing zat menjadi berbeda, sehingga tekanan pada masing-masing permukaan zat menjadi berbeda, tetapi tekanan pada ketinggian yang sama (yang terletak pada garis) adalah sama. Secara matematis dituliskan sebagai berikut.
dengan: ρ = massa jenis (kg/m3)
g = percepatan gravitasi (m/s2)
F. Hukum Archimedes
Archimedes mengemukakan sebuah prinsip yang dikenal dengan hukum Archimedes, yaitu “apabila suatu benda dicelupkan sebagian atau seluruhnya ke dalam fluida, maka benda tersebut mendapatkan gaya ke atas yang besarnya sama dengan berat fluida yang dipindahkan atau di desak oleh benda tersebut.
Untuk kasus benda yang tercelup dalam zat cair, maka berat benda yang hilang sama dengan gaya ke atas yang dialami oleh benda dan nilainya sama dengan selisih berat benda di udara dengan berat benda dalam zat cair. Secara matematis besarnya gaya ke atas (gaya apung) yang dialami benda ketika tercelup dalam zat cair dapat dinyatakan sebagai berikut.
Fa= ρ g V
dimana: Fa = gaya ke atas (N)
ρ = massa jenis zat cair (kg/m3)
g = percepatan gravitasi (m/s2)
V = volume benda yang tercelup dalam zat cair (m3)
sehingga untuk kasus pada Gambar 9.13(b), besarnya gaya angkat (T2) yang diperlukan untuk mengangkat benda yang tercelup dalam air dapat dituliskan sebagai berikut.
Mg = T2 + B
karena: Mg merupakan gaya berat benda = W
B merupakan gaya ke atas (gaya apung) = FA ; dan
T2 merupakan gaya angkat.
maka persamaan tersebut dapat ditulis ulang menjadi:
W = gaya angkat + Fa
Mengapung, Melayang, dan Akan Tenggelam
Keadaan benda mengapung, melayang, dan akan tenggelam suatu benda dalam zat cair bergantung pada massa jenis benda itu.
· Benda-benda yang mempunyai massa jenis lebih besar dari massa jenis zat cair akan tenggelam dalam zat cair, karena benda yang tenggelam mempunyai gaya berat yang lebih besar daripada gaya ke atasnya (W > FA) dan seluruh volume benda tercelup ke dalam zat cair.
· Benda-benda yang mempunyai massa jenis yang relatif sama dengan massa jenis zat cair akan melayang dalam zat cair, dan benda yang melayang dalam zat cair mempunyai berat yang sama dengan gaya ke atasnya (W = FA) dan seluruh volume benda tercelup ke dalam zat cair.
· Benda-benda yang mempunyai massa jenis yang lebih kecil dari massa jenis zat cair akan mengapung dalam zat cair, dan benda yang mengapung dalam zat cair mempunyai gaya berat yang sama dengan gaya ke atasnya, dan tidak seluruh volume benda tercelup dalam zat cair.
G. Kapilaritas
Kapilaritas merupakan naik atau turunnya permukaan zat cair dalam pipa atau celah sempit yang dinamakan pipa kapiler. Pada kasus minyak tanah pada sumbu kompor, terjadi peristiwa kapilaritas dimana sumbu kompor berfungsi sebagai pipa kapiler, sedangkan pada kasus penyerapan air oleh tumbuhan atau pohon, pembuluh kayu atau pembuluh xylem pada tumbuhan berfungsi sebagai pipa kapiler yang menyebabkan air dari tanah meresap ke bagian-bagian pohon.
Dari gambar di atas kita dapat melihat bahwa permukaan air dalam tabung kaca cekung ke bawah dan air membasahi dinding tabung, sedangkan permukaan raksa dalam tabung kaca cembung dan raksa tidak membasahi dinding tabung. Hal ini karena pada kasus air, adhesi partikel air dengan partikel kaca lebih besar daripada kohesi antar partikel air, sehingga partikel-partikel air lebih kuat tertarik ke dinding kaca, sedangkan pada raksa terjadi hal yang sebaliknya sehingga partikelpartikel raksa di permukaan dekat tabung lebih kuat tertarik ke bagian raksa daripada ke bagian tabung kaca.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar