Fluida Statik

Bagaimana dongkrak dengan upaya sedikit bisa menangkat benda yang berat?
Bagaimana dongkrak dengan upaya sedikit bisa menangkat benda yang berat?

Fluida Statik

Di antara kalian semua, pasti sudah paham bahwa fluida merupakan suatu benda yang dapat mengalir, kalian gak perlu lagi definisi itu (Tapi kok disebut fluida statik? Nanti bakal dijelasin). Yang menarik adalah mengapa suatu benda padat atau solid tidak bisa mengalir sedangkan fluida bisa.

Hal yang membedakan sifat tersebut berasal dari unsur mikroskopik yang menyusun suatu benda. Adanya ikatan yang kuat oleh gaya yang mengikat antara molekul-molekul yang menyusun benda padat, adalah faktor yang membedakan antara fluida dan benda padat.

Kali ini kita bakal ngebahas serba-serbi mengenai fluida. Pada kesempatan kali ini, bakal kita bahas mengenai sifat fluida dalam kondisi diam. Artinya fluidanya gak kemana-mana, makanya disebutnya fluida statik, jadi kita gak membicarakan dulu tentang mengalirnya suatu fluida.

Kerapatan

Ada hal yang unik pada sifat suatu fluida (meskipun tidak semua memilikinya), yaitu sifat di mana volume suatu fluida dapat dikompresi.

Namun seperti tadi disebutkan, tidak semua jenis fluida dapat dikompresi. Gas merupakan fluida yang dapat dikompresi atau compressible, sedangkan cairan atau liquid tidak dapat dikompresi atau incompressible.

Hal ini terjadi karena pada cairan, jarak antar molekul-molekulnya begitu dekat, sedangkan pada gas jaraknya tidak begitu dekat. Dengan begitu tentu ada batasnya juga ketika gas dikompresi.

Dalam fisika, pada fluida kita lebih tertarik memperhatikan kerapatannya ketimbang massanya, yang mana merupakan perbandingan antara total massa dengan volume fluidanya, tidak seperti pada benda padat. Mungkin, karena massa saja tidak cukup mekarakterisasi suatu fluida.

Dalam persamaan matematika, kerapatan \rho fluida dapat diekspresikan sebagai berikut

\rho = \frac{m}{V}

di mana m (kg) merupakan massa fluida dalam suatu wadah, V (m^3) merupakan besar volume yang diisi fluida.

Tekanan

Mungkin di antara, tukang iseng berpikir, kira-kira apa ya imbas baliknya (trade-off) atau efek sampingnya ketika suatu gas dikompresi.

Pengaruhnya adalah tekanan di dalam wadah yang menyimpan gas tersebut akan meningkat.

Tekanan diartikan sebagai gaya yang diberikan pada satu satuan luas tertentu, dalam persamaan matematika tekanan p dituliskan sebagai berikut

p = \frac{F}{A}

di mana F (N) merupakan gaya yang diberikan pada suatu luasan tertentu, A (m^2) merupakan besar luasan yang dimaksud.

Sehingga satuan dari tekanan adalah N/m^2. Dalam satuan SI, satuan tekanan N/m^2 dikenal sebagai Pa (dibaca pascal), artinya 1\,N/m^2 = 1\,Pa.

Tekanan Hidrostatis

Ekspedisi bawah laut bukanlah kegiatan yang mudah, dari segi penggunaan bahan dan konstruksi kapal selam yang digunakan pun tidak sembarang. Karena tekanan yang diberikan oleh air (tekanan hidrostatis) di bawah laut yang begitu besar.

Di samping itu, tukang iseng seharusnya pernah membaca spesifikasi jam tahan air, yang mengatakan bahwa jam tersebut ada batas kedalamannya. Hal tersebut diutarakan sebab makin dalam kita menyelam makin besar tekanan yang diberikan.

Sekarang coba perhatikan ilustrasi berikut.

Suatu benda bermassa di dalam air

Apabila kita analisis tekanan pada komponen vertikal dari benda tersebut, misal diasumsikan juga ketika benda sedang diam (mengapung). Maka resultan gaya pada benda tersebut adalah \Sigma F = 0.

Kalau tadi dijelaskan bahwa fluida dapat memberikan tekanan, maka akan ada gaya yang diberikan pada benda. Perhatikan bahwa ada dua bidang yang dikenai gaya oleh fluida pada arah vertikal, yaitu atap dan alasnya.

Sehingga, resultan gayanya \Sigma F = F_1 - F_2 - mg = 0. Jika atap dan alasnya memiliki luas A, jika kita kaitkan dengan persamaan tekanan didapat p_1 A = p_2 A + mg.

Jika benda mempunyai massa jenis \rho, dan tinggi benda dapat dituliskan berdasarkan ketinggian atap dan alasnya dari permukaan air, h = y_1 - y_2, sehingga volumenya adalah A(y1-y2).

Persamaan sebelumnya dapat kita tuliskan sebagai berikut, p_1 A = p_2 A + \rho A(y_1-y_2)g, sehingga menjadi.

p_1 = p_2 + \rho g(y_1-y_2) .

Ironi kan, kalau kita mau ngukur tekanan pada alasnya, tapi harus tau dulu tekanan di atapnya. Kalau gitu kita bandingkan saja dengan tekanan pada atmosfer. Jika tekanan atmosfer p_0, dan nampak tingginya adalah 0.

Maka persamaan sebelumnya dengan menghilangkan indeksnya menjadi

p = p_0 + \rho g y

di mana p_0 (Pa) adalah tekanan atmosfer, \rho (kg/m^3) adalah massa jenis cairan, g (m/s^2) adalah percepatan gravitas, y (m) adalah kedalaman benda, diukur berdasarkan permukaan bawahnya.

Nah, tekanan p tadi disebut tekanan mutlak, karena dihitungnya langsung terhadap ruang hampa (karena p_0 diukur terhadap ruang hampa).

Prinsip Pascal

Untuk memahami prinsip ini, coba perhatikan ilustrasi berikut

Penerapan prinsip Pascal pada fluida statik

Intinya prinsip ini ditemukan oleh Bapak Blaise Pascal yang bisa di artikan kurang lebih sebagai berikut, pada suatu wadah tertutup perubahan tekanan pada satu bagian akan menyebabkan perubahan tekanan pada bagian lainnya tanpa ada kurang sedikitpun.

Kalau kita perhatikan ilustrasi sebelumnya lagi, misal kita berikan tekanan pada lubang penampang 1 adanya perubahan tersebut. Sekarang kita gunakan prinsip Pascal sebelumnya, perubahan pada satu lokasi akan sama dengan lokasi lainnya.

Perubahan tekanan \Delta p = \frac{F_1}{A_1} = \frac{F_2}{A_2}, sehingga

F_2 = \frac{A_2}{A_1}F_1 .

Karena luas penampang A_2 lebih besar dari A_1, maka \frac{A_2}{A_1} > 1 dan F_2 > F_1.

Dari prinsip fluida statik inilah, alat-alat seperti dongkrak, rem, dan lainnya dibuat.

Prinsip Archimedes

Buat yang mandi pake gayung pasti sering ngelihat kondisi di mana, ketika gayung kosong dan diletakkan di ember dengan posisi normal, maka gayung tersebut mengambang.

Beda cerita ketika gayung terisi air yang cukup banyak, maka gayung bisa saja terendam setengah hingga tenggelam.

Sebelumnya djelaskan bahwa air merupakan fluida yang tidak bisa dikompresi, artinya ketika kita meletakkan benda di air, ada volume air yang dipindahkan gara-gara ada volume bagian benda yang berada di air.

Ketika benda tersebut berhasil memindahkan volume air tersebut, nampaknya air memberikan tekanan pada benda tersebut.

Misal kerapatan atau massa jenis air adalah \rho, karena volume yang dipindahkan sebesar volume benda yang tercelup, misal V. Misal lagi, benda memiliki luas penampang A, gaya yang diberikan fluida tersebut yakni,

F_b = pA = \rho ghA = \rho hAg = m_fg .

di mana m_f (kg) adalah massa fluida yang dipindahkan (tidak harus air), g adalah percepatan gravitasi.

Tanda b pada gaya F berasal dari buoyant force atau gaya apung.

Hanya ada tiga kemungkinan yang terjadi kepada benda di dalam suatu fluida, terapung, mengambang, dan tenggelam. Hal tersebut dapat dianalisis menggunakan hukum Newton.

Tiga kemungkinan terjadi pada benda bermassa di dalam air, mengapung, tenggalan, atau mengambang

Jika benda terapung artinya benda cenderung bergerak ke atas, artinya gaya apung yang diberikan fluida lebih besar dari berat bendanya. Jika mengambang, artinya resultan gaya pada benda bernilai nol, alias gaya apung sama dengan beratnya. Nah, yang terakhir tukang iseng bisa dong ngejelasinnya.

Sekedar informasi aja, prinsip mengenai fluida statik ini pertama kali dijelasin sama Bapak Archimedes, sekitar 246 SM, wah sangar ya!

Label
< Materi SebelumnyaFluida Dinamik
Search icon