Fluida Statik - Kerapatan, Tekanan, Gaya Apung

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

Kalau dipikir-pikir, mungkin gak mobil yang massanya hingga 1 ton bisa diangkat oleh orang dengan mudah?

Bila secara langsung pasti gak mungkin, tapi dengan prinsip fluida statis, hal itu mungkin banget.

Daftar Isi

Fluida Statis

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? Katanya mengalir, tapi kok disebut diam (statis)? Nanti bakal dijelasin.

Yang bikin tertarik saat ini adalah mengapa suatu benda padat atau solid tidak bisa mengalir sedangkan fluida bisa.

Faktor Mikroskopik

Hal yang membedakan sifat tersebut berasal dari unsur mikroskopik yang menyusun suatu benda.

Ada ikatan yang kuat oleh gaya yang mengikat antara molekul-molekul yang menyusun benda padat. Hal itu merupakan 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 statis. Jadi kita gak membicarakan dulu tentang mengalirnya suatu fluida. Meskipun zat ini mempunyai kemampuan itu.

Kerapatan

Ada hal yang unik pada sifat suatu fluida, meskipun tidak semua jenis fluida memilikinya. Yaitu sifat di mana volume suatu fluida dapat dilakukan kompresi.

Kemampuan Dikompresi

Kompresi sendiri maksudnya fluida itu bisa dimampatkan/dikecilkan volumenya, atau dimelarkan/dibesarkan volumenya.

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, dengan fluida kita lebih tertarik memperhatikan ukuran kerapatan ketimbang massanya.

Yang mana merupakan perbandingan antara total massa dengan volume fluidanya, tidak seperti pada benda padat. Mungkin, karena massa saja tidak cukup mengkarakterisasi suatu fluida.

Rumus Kerapatan

Dalam persamaan matematisnya, kerapatan \rho fluida dapat diekspresikan sebagai berikut:

\rho = \frac{m}{V}

Di mana:

  • m\,(\text{kg}) merupakan massa fluida dalam suatu wadah.
  • V\,(\text{m}^3) merupakan besar volume yang diisi fluida.

Artinya, semakin banyak massa yang disimpan dalam volume yang kecil, benda tersebut mempunyai kerapatan yang tinggi.

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.

Rumus Tekanan

Tekanan diartikan sebagai gaya yang diberikan pada satu satuan luas tertentu.

Dalam persamaan matematisnya, tekanan p dituliskan sebagai berikut:

p = \frac{F}{A}

Di mana:

  • F\,(\text{N}) merupakan gaya yang diberikan pada suatu luasan tertentu.
  • A\,(\text{m}^2) merupakan besar luasan yang dimaksud.

Sehingga satuan dari tekanan adalah N/m2. Dalam satuan SI, satuan tekanan N/m2 dikenal sebagai Pa (dibaca pascal), kalau gitu, artinya 1 N/m2 = 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 setidaknya pernah kan membaca spesifikasi jam tahan air.

Terdapat spesifikasi yang mengatakan bahwa jam tersebut ada batas kedalamannya. Hal tersebut diutarakan sebab makin dalam kita menyelam makin besar tekanan yang diberikan.

Penurunan Rumus

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 nol.

\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 gaya yang bekerja yaitu:

\Sigma F = F_1 - F_2 - mg = 0

Jika atap dan alasnya memiliki luas A, bila kita kaitkan dengan persamaan tekanan didapat:

p_1 A = p_2 A + mg

Jika benda mempunyai massa jenis ρ. Lalu tinggi benda dapat dituliskan berdasarkan ketinggian atap dan alasnya dari permukaan air, h = y1 - y2. Dengan demikian volumenya adalah A(y1 - y2).

Persamaan sebelumnya dapat kita tulis kembali sebagai berikut:

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

Hilangkan suku-suku yang sama, didapat:

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

Tapi ada yang ironi di sini, 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 p0, dan nampak tingginya adalah 0.

Rumus Tekanan Hidrostatis

Maka persamaan sebelumnya dengan menghilangkan indeksnya menjadi:

p = p_0 + \rho g y

Keterangan variabelnya:

  • p_0\,(\text{Pa}) adalah tekanan atmosfer.
  • \rho\,(kg/m^3) adalah massa jenis cairan.
  • g\,(m/s^2) adalah percepatan gravitasi.
  • y\,(m) adalah kedalaman benda, diukur berdasarkan permukaan bawahnya.

Nah, tekanan p tadi disebut tekanan mutlak, karena dihitungnya langsung terhadap ruang hampa. Mengingat p0 diukur terhadap ruang hampa.

Prinsip Pascal

Untuk memahami prinsip ini, coba perhatikan ilustrasi di bawah ini.

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 berkurang sedikit pun.

Kalau kita perhatikan lagi ilustrasi sebelumnya, misal kita berikan tekanan pada lubang penampang 1 berupa perubahan tersebut.

Sekarang kita gunakan prinsip Pascal sebelumnya, maka perubahan pada satu lokasi akan sama dengan lokasi lainnya.

Rumus Pascal

Perubahan tekanan yang terjadi:

\Delta p = \frac{F_1}{A_1} = \frac{F_2}{A_2}

Oleh karena itu:

F_2 = \frac{A_2}{A_1}F_1

Karena luas penampang A2 lebih besar dari A1, maka A2/A1 > 1, menyebabkan F2 > F1.

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

Hanya menggunakan gaya yang sedikit, dapat dihasilkan gaya yang lebih besar pada salah satu bagiannya.

Prinsip Archimedes

Buat yang mandi pake gayung pasti sering ngelihat kondisi di satu ini.

Ketika gayung kosong dan diletakkan di ember dengan posisi normal, maka gayung tersebut mengambang di permukaan air.

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

Sebelumnya telah disinggung juga 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 dimaksud berhasil memindahkan volume air akibat ada bagian yang diisi oleh benda, nampaknya air memberikan tekanan pada benda tersebut.

Rumus Gaya Apung

Misal kerapatan atau massa jenis air adalah ρ. Karena volume yang dipindahkan sebesar volume benda yang tercelup, asumsikan besarnya V.

Asumsi 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\,(\text{kg}) adalah massa fluida yang dipindahkan (tidak harus air).
  • g\,\text{m/s}^2 adalah percepatan gravitasi.

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

Tiga Kondisi Benda Di Air

Hanya ada tiga kemungkinan yang terjadi kepada benda di dalam suatu fluida, yakni:

  1. Terapung
  2. Mengambang
  3. Tenggelam

Hal tersebut dapat dianalisis menggunakan hukum Newton dengan melihat gaya yang bekerja pada objeknya.

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

Jika benda terapung artinya benda cenderung bergerak ke atas. Berarti gaya apung yang diberikan fluida lebih besar dari berat bendanya.

Apabila mengambang, artinya resultan gaya pada benda bernilai nol, alias gaya apung sama dengan beratnya.

Nah, yang terakhir tukang iseng bisa dong ngejelasinnya. Pastinya gaya apung yang diberikan lebih kecil dari berat objeknya.

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

Label

Komentar

Search icon