Belajar Fluida Statis 1

Perhatikanlah serangga yang sedang diam di atas permukaan air. Mengapa serangga tersebut dapat berdiri di atas permukaan air? Bagaimanakah hukum Fisika menerangkan peristiwa ini? Peristiwa serangga yang sedang berdiam diri di atas permukaan air seperti pada gambar, berhubungan dengan salah satu sifat air sebagai fluida, yaitu tegangan permukaan. Oleh karena adanya tegangan permukaan zat cair, serangga dan benda-benda kecil lainnya dapat terapung di atas permukaan air.

Fluida yaitu zat cair dan gas telah memberikan banyak manfaat bagi manusia karena keistimewaan sifat yang dimilikinya. Kemudahan transportasi air dan udara merupakan salah satu contoh aplikasi teknologi yang berkaitan dengan sifat fluida. Tahukah Anda sifat-sifat fluida lainnya dan aplikasinya dalam kehidupan sehari-hari? Kali ini kita akan mendalami pembahasan mengenai fluida yang ditinjau dari keadaan statis.

Fluida Statis adalah zat yang dapat mengalir dan ketika ditekan hanya memberikan sedikit hambatan terhadap perubahan bentuk. Zat cair dan gas merupakan fluida atau zat alir. Perbedaan antara zat cair dan gas terletak pada kompresibilitasnya atau ketermampatannya. Gas mudah dimampatkan, sedangkan zat cair tidak dapat dimampatkan. Ditinjau dari keadaan fisisnya, fluida terdiri atas fluida statis atau hidrostatika, yaitu ilmu yang mempelajari tentang fluida atau zat alir yang diam (tidak bergerak) dan fluida dinamis atau hidrodinamika, yaitu ilmu yang mempelajari tentang zat alir atau fluida yang bergerak.

Sifat fisis fluida dapat ditentukan dan dipahami lebih jelas saat fluida berada dalam keadaan diam (statis). Sifat-sifat fisis fluida statis yang akan dibahas pada kajian ini di antaranya, massa jenis, tekanan hidrostatis, tegangan permukaan, kapilaritas, dan viskositas.

1. Massa Jenis

Pernahkah Anda membandingkan berat antara kayu dan besi? Benarkah pernyataan bahwa besi lebih berat daripada kayu? Pernyataan tersebut tentunya kurang tepat, karena segelondong kayu yang besar jauh lebih berat daripada sebuah bola besi. Pernyataan yang tepat untuk perbandingan antara kayu dan besi tersebut, yaitu besi lebih padat daripada kayu.

Anda tentu masih ingat, bahwa setiap benda memiliki kerapatan massa yang berbeda-beda serta merupakan sifat alami dari benda tersebut. Dalam Fisika, ukuran kepadatan (densitas) benda homogen disebut massa jenis, yaitu massa per satuan volume. Secara matematis, massa jenis dituliskan sebagai berikut :

$\rho = \frac{m}{V}$

dengan :

ρ = massa jenis benda (kg / m³ atau g / cm³)

m = massa benda (kg atau g)

V = volume benda (m³ atau cm³)

Massa jenis berbagai zat ditunjukkan pada tabel berikut ini :

Secara kasar, massa jenis dapat digunakan untuk mengetahui apakah benda dapat mengapung di permukaan air. Benda/objek yang memiliki massa jenis lebih kecil akan selalu berada di atas massa jenis yang lebih besar. Contohnya, minyak akan selalu mengapung diatas permukaan air karena massa jenis minyak lebih kecil dari massa jenis air.

Semua benda/objek yang memiliki massa jenis lebih besar dari massa jenis air akan selalu tenggelam. Prinsip inilah yang dipakai oleh insinyur kapal dalam merancang kapal. Perhatikan gambar dibawah ini, prinsip inilah yang dipakai sehingga kapal selam dapat menyelam dan mengapung kembali ke permukaan laut.

2. Tekanan Hidrostatis

Tekanan hidrostatis dinotasikan dengan P_h telah dikenal oleh para penyelam dan perenang. Mereka merasakan tekanan di seluruh badan mereka ketika berada pada kedalaman tertentu dalam suatu zat cair. Makin dalam mereka berada maka makin besar pula tekanan hidrostatis yang mereka rasakan, karena tekanan hidrostatis bergantung pada kedalaman.
Tekanan hidrostatis menekan ke segala arah dan didefinisikan sebagai gaya yang diberikan pada luasan yang diukur atau dapat dihitung berdasarkan kedalamaan objeknya dengan persamaan

$P_h = \rho g h$

dimana:
ρ adalah berat jenis air (untuk air tawar, ρ = 1.000 kg/m3)
g adalah besar percepatan gravitasi (percepatan gravitasi di permukaan bumi sebesar g=9,8 m/s2)
h adalah titik kedalaman yang diukur dari permukaan air

Satuan tekanan adalah Newton per meter kuadrat (N/m2) atau Pascal (Pa). Contoh tekanan hidrostatik yakni pada pada aliran darah atau yang biasa kita sebut sebagai tekanan darah, merupakan tekanan yang diberikan oleh darah (sebagai fluida) terhadap dinding.

Tekanan mutlak merupakan tekanan total yang di alami benda atau objek yang berada didalam air dan dinyatakan dengan

$P=P_h+P_{atm}$

Dimana Patm merupakan tekanan atmosfer. Tekanan mutlak merupakan tekanan sebenarnya, sehingga jika kita melakukan eksperimen dan mendapat data mengenai tekanan, maka perlu ditambah dengan tekanan atmosfer.

3. Hukum Pascal

Hukum ini dikemukakan oleh ilmuwan Perancis yang bernama Blaise Pascal (1632 – 1662) pada tahun 1653. Pada kedalaman yang sama, tekanan akan sama besar. Variasi tekanan dalam zat cair hanya bergantung pada kedalamannya. Penambahan tekanan eksternal yang dilakukan pada permukaan zat cair akan diteruskan ke setiap titik dalam zat cair tersebut.

Hukum Pascal menyatakan bahwa tekanan yang diberikan kepada fluida dalam ruang yang tertutup akan diteruskan sama besar ke segala arah. Formula hukum Pascal dalam sistem tertutup dapat disimpulkan dengan:

$P_{masuk} = P_{keluar}$

$P_1=P_2$

Seperti yang sudah kita tahu bahwa tekanan adalah gaya dibagi besar luasan penampangnya, maka persamaan diatas dapat ditulis kembali sebagai berikut:

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

Sehingga:

$F_1=(\frac{d_1}{d_2})F_2$

Dimana d1 merupakan diameter permukaan 1 dan d2 merupakan diameter permukaan 2.

Perhatikan skema mekanisme hidrolik diatas. Karena cairan tidak dapat ditambahkan ataupun keluar dari sistem tertutup, maka volume cairan yang terdorong di sebelah kiri akan mendorong piston (silinder pejal) di sebelah kanan ke arah atas. Piston di sebelah kiri bergerak ke bawah sejauh h1 dan piston sebelah kanan bergerak ke atas sejauh h2. Sesuai hukum Pascal, maka:

$A_2 h_2=A_1 h_1$