Ketika Anda menyelam ke dalam kolam air dengan posisi semakin ke dalam dari
permukaan air kolam, di telinga akan terasa sakit yang semakin bertambah, apa
yang menyebabkan ini? Di sisi lain kita bisa berada dalam keadaan melayang atau
mengapung dalam air kolam, sedangkan kita mempunyai berat badan bagaimana
fenomena itu bisa terjadi? Fenomena di atas diakibatkan oleh gejala fisis yaitu
tekanan hidrostatis yang diakibatkan oleh air kolam pada telinga dan gaya berat
badan diseimbangkan oleh gaya apung air kolam. Besarnya gaya apung air kolam sama dengan berat air yang dipindahkan oleh badan kita yang tercelup
dalam air kolam.
 |
| Gambar 1. Peta Konsep Materi Pokok Fluida |
Fluida merupakan zat yang
tidak mempunyai bentuk dan volume yang permanen, melainkan mengambil bentuk
tempat sesuai yang ditempatinya serta memiliki kemampuan untuk mengalir. Dua
zat yang umumnya disebut fluida adalah zat cair dan gas. Materi di bab ini pembahasan
difokuskan pada fluida zat cair.
FLUIDA STATIS
1.
Tekanan
Tekanan adalah besaran fisika yang merupakan perbandingan antara gaya normal (tegak lurus) yang bekerja pada suatu bidang permukaan dengan luas bidang permukaan tersebut. Rumus tekanan:
P = F / A
dengan,
F : gaya (N)
A: luas bidang permukaan, (m2)
Satuan tekanan dalam SI adalah pascal (Pa) atau N/m2.
1 Pa = 1 N/m2. Beberapa satuan tekanan yang lain yang sering
digunakan dalam beberapa keperluan adalah atmosfer (atm), centimeter Hg
(cmHg), milibar (mb),dan torr.
1 mb = 105 Pa ; 1 atm = 76 cm Hg = 1,01.105
Pa = 1,01 mb.
1 torr = 1 mmHg
2.
Hukum
Pokok Hidrostatika
Tekanan zat cair dalam keadaan tidak mengalir dan hanya disebabkan oleh beratnya sendiri disebut tekanan hidrostatika. Besarnya tekanan hidrostatika suatu titik dalam zat cair yang tidak bergerak adalah:
P = 𝜌 x g x h
Keterangan:
𝜌:
massa jenis (kg/m3)
g : percepatan gravitasi (m/s2)
h : kedalaman titik dalam zat cair diukur dari permukaan zat cair (m)
3.
Hukum
Pascal
Tekanan yang bekerja pada fluida statis dalam ruang tertutup akan diteruskan
ke segala arah dengan sama rata, hal ini dikenal sebagai prinsip PASCAL. Tinjau
sistem kerja penekan hidrolik seperti pada Gambar !
 |
| Gambar 2. Sistem Kerja Hidrolik |
Apabila dikerjakan tekanan P1
pada penampang A1 maka tekanan yang sama besar akan diteruskan ke
penampang A2 sehingga memenuhi:
P1 = P2
F1 : A1 = F2 : A2
Contoh alat teknik yang menggunakan sistem prinsip Pascal adalah
rem hidrolik dan pengangkat mobil dalam bengkel.
4.
Hukum
Archimedes
Di dalam fluida yang diam, suatu benda yang dicelupkan sebagian atau
seluruh volumenya akan mengalami gaya tekan ke atas (gaya apung) sebesar berat
fluida yang dipindahkan oleh benda tersebut, yang lazim disebut gaya
Archimedes. Prinsip Archimedes yaitu bahwa suatu benda yang seluruhnya
atau sebagian tercelup didalam satu fluida akan mendapat gaya apung sebesar
dengan berat fluida yang dipindahkan oleh benda tersebut. Secara matematis
hukum Archimedes diformulasikan:
Fa = 𝜌 x g x V
Keterangan:
Fa: Gaya Archimedes (Newton)
𝜌 : massa jenis fluida (kg/m3)
g : percepatan
gravitasi (m/s2)
V : volume benda
yang tercelup (m3)
Benda yang dimasukkan ke dalam zat cair, akan terjadi tiga kemungkinan
keadaan yaitu terapung, melayang dan tenggelam. Ketiga kemungkinan
keadaan tersebut terjadi ditentukan oleh perbandingan massa jenis benda dengan
massa jenis fluida, syaratnya adalah:
Massa jenis benda < massa jenis zat cair = terapung
Massa jenis benda = massa jenis zat cair = melayang
Massa jenis benda > massa jenis zat cair = tenggelam
TEGANGAN
PERMUKAAN DAN VISKOSITAS ZAT CAIR
1.
Tegangan
Permukaan Zat Cair dan Kapilaritas
Sering terlihat peristiwa-peristiwa alam yang tidak diperhatikan dengan
teliti misalnya tetes-tetes zat cair pada pipa kran yang bukan sebagai suatu
aliran, mainan gelembung-gelembung sabun, pisau silet yang diletakkan
perlahan-lahan di atas permukaan air yang terapung, naiknya air pada pipa kapiler.
Hal tersebut dapat terjadi karena adanya gaya-gaya yang bekerja pada permukaan
zat cair atau pada batas antara zat cair dengan benda lain. Fenomena itu dikenal
dengan tegangan permukaan. Peristiwa adanya tegangan permukaan bisa pula
ditunjukkan pada percobaan sebagai berikut jika cincin kawat yang diberi benang
dicelupkan kedalam larutan air sabun, kemudian dikeluarkan akan terjadi selaput
sabun dan benang dapat bergerak bebas. Jika selaput sabun yang ada diantara
benang dipecahkan, maka benang akan terentang membentuk suatu lingkaran. Jelas
bahwa pada benang sekarang bekerja gaya-gaya keluar pada arah radial, gaya per
dimensi panjang inilah yang dikenal dengan tegangan permukaan. Dari sini
didefinisikan tegangan permukaan (𝛾) adalah hasil
bagi gaya permukaan terhadap panjang permukaan dan secara matematis
diformulasikan:
Satuan tegangan permukaan: Newton/meter
Fenomena fisis yang sering ditemui dimana salah satu faktor yang
mempengaruhi terjadinya berupa tegangan permukaan adalah gejala kapilaritas.
Kapilaritas adalah gejala fisis berupa naik / turunnya zat cair dalam media
kapiler (saluran dengan diameter kecil). Besaran lain yang menentukan naik
turunnya zat cair pada dinding suatu pipa kapiler selain tegangan permukaan,
disebut sudut kontak (𝜃) yaitu sudut yang
dibentuk oleh permukaan zat cair yang dekat dinding dengan dinding. Sudut
kontak timbul akibat gaya tarik menarik antara zat yang sama (gaya kohesi) dan
gaya tarik menarik antara molekul zat yang berbeda (adhesi). Harga dari sudut
kontak berubah-ubah dari 00 sampai 1800 dan dibagi
menjadi 2 bagian yaitu:
-
Meniskus
cekung : Bila 0o < 𝜃 < 900 maka zat cair dikatakan membasahi dinding.
-
Meniskus
cembung : Bila 90 < 𝜃 < 1800 zat cair dikatakan tak membasahi dinding.
FLUIDA
DINAMIS
1.
Aliran
Fluida
Dinamika fluida adalah
cabang ilmu yang mempelajari fluida dalam keadaan bergerak. Ini merupakan salah
satu cabang yang penting dalam mekanika fluida. Dalam dinamika fluida dibedakan
dua macam aliran yaitu aliran fluida yang relatif sederhana yang disebut
aliran laminer dan aliran yang komplek yang disebut sebagai aliran
turbulen. Bila fluida mempunyai viskositas (kekentalan) maka akan mempunyai
aliran fluida yang kecepatannya besar pada bagian tengah pipa dari pada di
dekat dinding pipa. Untuk pembahasan disini, pertama dianggap bahwa fluida
tidak kental sehingga kecepatan pada semua titik pipa penampang melintang yang
juga sama besar.
2.
Persamaan
Kontinuitas
Pada Gambar di bawah ini dilukiskan suatu aliran fluida dalam pipa
yang mempunyai penampang berbeda.
 |
| Gambar 3. Sketsa Pipa dengan Ukuran yang Berbeda |
A1 v1 = A2 v2
Besaran Av dinamakan debit (Q) yang mempunyai satuan
m3/s. Persamaan tersebut dikenal sebagai persamaan kontinuitas untuk
aliran yang mantap dan tak kompresibel. Konsekuensi dari hubungan di atas adalah
bahwa kecepatan akan membesar jika luas penampang mengecil demikian juga
sebaliknya.
3. Persamaan Bernoulli
Persamaan Bernoulli merupakan persamaan dasar dari dinamika fluida
di mana berhubungan dengan tekanan (p), kecepatan aliran (v) dan
ketinggian (h), dari suatu pipa yang fluidanya bersifat tak kompresibel
dan tak kental, yang mengalir dengan aliran yang tak turbulen. Tinjau aliran
fluida pada pipa dengan ketinggian yang berbeda seperti Gambar berikut:
 |
| Gambar 4. Sketsa Pipa dengan Ketinggian yang Berbeda |
Bagian sebelah kiri pipa mempunyai luas penampang A1 dan sebelah
kanan pipa mempunyai luas penampang A2. Fluida mengalir disebabkan oleh
perbedaan tekanan yang terjadi padanya. Pada bagian kiri fluida terdorong
sepanjang dl1 akibat adanya gaya F1 = A1p1sedangkan pada bagian kanan
dalam selang waktu yang sama akan berpindah sepanjang dl2. Sehingga
dapat disimpulkan:
P + 1/2 𝜌V2 + 𝜌gh = konstan
Persamaan ini dikenal sebagai persamaan Bernoulli.
4. Alat Ukur Venturi
Alat ini dipergunakan untuk mengukur besarnya kecepatan aliran
fluida dalam suatu pipa.
 |
| Gambar 5. Alat Ukur Venturi |
5. Tabung Pitot
Alat ini dipergunakan untuk mengukur kecepatan angin atau aliran
gas.
 |
| Gambar 6. Tabung Pitot |
