Belajar Fluida Statis 2

4. Hukum Archimedes  

       Jika kita celupkan batu ke dalam sebuah bejana berisi air, permukaan air akan naik. Ini karena batu menggantikan volume air. Jika batu kita celupkan pada bejana yang penuh berisi air, sebagian air akan tumpah dari bejana. Volume air tumpah sama dengan volume batu yang menggantikan air.

       Jadi, suatu benda yang dicelupkan seluruhnya dalam zat cair selalu menggantikan volume zat cair yang sama dengan volume benda itu sendiri. Dengan pemahaman di atas, disertai dengan kaitan antara gaya apung yang dirasakannya dengan volume zat cair yang dipindahkan benda, Archimedes menemukan hukumnya, yaitu hukum Archimedes yang berbunyi:

Gaya apung yang bekerja pada suatu benda yang dicelupkan sebagaian atau seluruhnya ke dalam suatu fluida sama dengan berat fluida yang dipindahkan oleh benda tersebut.

 

       Seperti telah anda ketahui bahwa gaya apung terjadi akibat konsekuensi dari tekanan hidrostatis yang makin meningkat dengan kedalaman. Dengan kata lain, gaya apung terjadi karena makin dalam zat cair, makin besar tekanan hidrostatisnya. Ini menyebabkan tekanan pada bagian bawah benda lebih besar daripada tekanan pada bagian atasnya.

 

 

           b.      Mengapung, tenggelam, dan melayang

Masih ingatkah anda dengan peristiwa mengapung, tenggelam, dan melayang ketika suatu benda dicelupkan dalam zat cair?

Untuk mengingatnya kembali, perhatikan ilustrasi pada gambar berikut!

Ilustrasi pada gambar di atas menunjukkan bahwa apakah suatu benda mengapung, tenggelam atau melayang hanya ditentukan oleh massa jenis rata-rata benda dan massa jenis zat cair. Jika massa jenis rata-rata benda lebih kecil daripada massa jenis zat cair, benda akan mengapung di permukaan zat cair. Jika massa jenis rata-rata benda lebih besar daripada massa jenis zat cair, benda akan tenggelam di dasar wadah zat cair. Jika massa jenis rata-rata benda sama dengan massa jenis zat cair, benda akan melayang dalam zat cair di antara permukaan dan dasar wadah zat cair. Jadi,

 

Peristiwa mengapung, tenggelam, dan melayang juga dapat dijelaskan berdasarkan konsep gaya apung dan berat benda. Pada suatu benda yang tercelup sebagian atau seluruhnya dalam zat cair, bekerja gaya apung (F_a). Dengan demikian, pada benda yang tercelup dalam zat cair bekerja dua buah gaya: gaya berat w dan gaya apung F_a, gambar berikut.

5. Tegangan Permukaan

a)      Apakah Tegangan Permukaan Zat Cair Itu?

Tegangan permukaan zat cair adalah kecenderungan permukaan zat cair untuk menegang sehingga permukaannya seperti ditutupi oleh suatu lapisan tipis. 

 

b)     Mengapa Terjadi Tegangan Permukaan pada Zat Cair?

       Di SMP anda telah mempelajari bahwa antara partikel-partikel sejenis terjadi gaya tarik menarik yang disebut gaya kohesi. A mewakili partikel di dalam zat cair, sedangkan B mewakili partikel di permukaan zat cair (gambar). Partikel A ditarik oleh gaya yang sama besar ke segala arah oleh partikel-partikel di dekatnya. Sebagai hasilnya, resultan gaya pada partikel-partikel di dalam zat cair (diwakili oleh A) adalah sama dengan nol, dan di dalam zat cair tidak ada tegangan permukaan.

Bagaimana dengan partikel-partikel di permukaan zat cair (diwakili oleh B)?
       Partikel B ditarik oleh partikel-partikel yang ada di samping dan di bawahnya dengan gaya-gaya yang sama besar, tetapi B tidak ditarik oleh partikel-pertikel di atasnya (karena di atas B tidak ada partikel zat cair). Sebagai hasilnya, terdapat resultan gaya berarah ke bawah yang bekrja pada permukaan zat cair. Resultan gaya ini menyebabkan lapisan-lapisan atas seakan-akan tertutup oleh hamparan selaput elastis yang ketat. Selaput ini cenderung menyusut sekuat mungkin. Oleh karena itu, sejumlah tertentu cairan cenderung mengambil bentuk dengan permukaan sesempit mungkin. Inilah kita sebut dengan tegangan permukaan. 

 

Akibat tegangan permukaan ini, setetes cairan cenderung berbentuk bola. Karena dalam bentuk bola itu, cairan mendapatkan daerah permukaan yang tersempit. Inilah yang menyebabkan tetes air yang jatuh dari kran dan tetes-tetes embun yang jatuh pada sarang laba-laba berbentuk bola. 

   Tarikan pada permukaan cairan membentuk semacam kulit penutup yang tipis. Nyamuk dapat berjalan di atas air karena berat nyamuk dapat diatasi oleh kulit ini. Peristiwa yang sama terjadi pada klip kertas yang perlahan-lahan kita letakkan di permukaan air. Ketika anda menambahkan detergen atau larutan sabun ke dalam air, anda menurunkan tegangan permukaan air. Sebagai hasilnya, berat klip kertas tidak dapat lagi ditopang oleh tegangan permukaan air, dan klip kertas akan tenggelam.

c)      Formulasi Tegangan Permukaan

 

Gambar di atas menunjukkan contoh lain dari tegangan permukaan. Seutas kawat dibengkokan hingga berbentuk U, dan seutas kawat kedua dapat meluncur pada kaki-kaki kawat U. Ketika alat ini dicelupkan dalam larutan sabun dan dikeluarkan, kawat kedua (jika beratnya tidak begitu besar) akan tertarik ke atas. Untuk menahan kawat ini agar tidak meluncur ke atas, kita perlu mengerjakan gaya T ke bawah. Total gaya ke bawah yang menahan kawat kedua adalah F = T + w.

Kita misalkan panjang kawat kedua adalah l. Larutan sabun yang menyentuh kawat kedua memiliki dua permukaan, sehingga gaya tegangan permukaan bekerja sepanjang 2l panjang permukaan. Tegangan permukaan (g) dalam larutan sabun didefinisikan sebagai perbandingan antara gaya tegangan permukaan (F) dan panjang permukaan (d) di mana gaya itu bekerja. Secara matematis kita tulis

 

Perhatikan bahwa tegangan permukaan bukanlah besaran gaya, tetapi merupakan gaya dibagi dengan panjang, sehingga satuan tegangan permukaan adalah N/m.

Tabel berikut mendaftar tegangan permukaan beberapa zat cair yang umum dijumpai dalam keseharian.

Zat Cair yang Kontak dengan Udara	Suhu (0C)	Tegangan Permukaan (x 10-3 N/m)
Air	0	75,6
Air	25	72,0
Air	80	62,6
Etil Alkohol	20	22,8
Aseton	20	23,7
Gliserin	20	63,4
Raksa	20	43,5

 

d).      Penerapan Tegangan Permukaan dalam Kehidupan Sehari-hari

Tegangan permukaan air berhubungan dengan kemampuan air membasahi benda. Makin kecil tegangan permukaan air, makin baik kemampuan air untuk membasahi benda, dan ini berarti kotoran-kotoran pada benda lebih mudah larut dalam air. Prinsip inilah yang banyak dimanfaatkan dalam kehidupan fisika sehari-hari.

1.      Mengapa mencuci dengan air panas lebih mudah dan menghasilkan cucian yang lebih bersih?

Tegangan permukaan air dipengaruhi oleh suhu. Makin tinggi suhu, makin kecil tegangan permukaan air (lihat tabel di atas), dan ini berarti makin baik kemampuan air untuk membasahi benda. Karena itu, mencuci dengan air panas menyebabkan kotoran pada pakaian lebih mudah larut dan cucian menjadi lebih bersih.

2.      Detergen sintesis modern

Banyak kotoran pakaian yang tidak larut di dalam air segar, tetapi larut di dalam air yang diberi detergen. Detergen memperkecil tegangan permukaan air sehingga air mampu mencuci dengan bersih.

3.      Itik dapat berenang di air

Itik dapat berenang di air karena bulu-bulunya tidak basah oleh air. Jika air diberi detergen, tegangan permukaan air berkurang dan itik yang berusaha berenang bulu-bulunya akan basah oleh air. Akibatnya, itik akan tenggelam.

4.      Antiseptik

Antiseptik memiliki tegangan permukaan yang rendah sehingga antiseptik dapat membasahi seluruh luka.

  
7. Hukum Stokes dan Viskositas 
    
    a) Hukum Stokes

       Gaya gesek antara suatu permukaan benda padat yang bergerak dengan fluida akan sebanding dengan suatu kecepatan relatif gerak benda ini kepada fluida. Hambatan gerak di dalam fluida disebabkan gaya gesek antara bagian fluida yang melekat ke permukaan suatu benda dengan bagian fluida di sebelahnya. Gaya gesek tersebut sebanding dengan koefisien viskositas (η) fluida. Menurut Stokes, gaya gesek yaitu :

Fs = 6 π r η v

Keterangan Rumus :
Fs adalah gaya gesek (N)
r adalah jari-jari benda (m)
v adalah kecepatan jatuh dalam fluida (m/s)

Persamaan tersebut dikenal dengan hukum Stokes. Penentuan η dengan memakai hukum Stokes bisa dilakukan dengan percobaan kelereng jatuh. Sewaktu kelereng dijatuhkan dalam bejana kaca yang berisi cairan yang hendak ditentukan koefisien viskositasnya, kecepatan kelereng semakin lama akan semakin cepat.

Sesuai pada hukum Stokes, makin cepat gerakannya, maka makin besar gaya geseknya. Hal ini yang menyebabkan gaya berat kelereng tepat setimbang dengan gaya gesek dan kelereng jatuh dengan kecepatan tetap sebesar v hingga berlaku persamaan:

w = Fs
m . g = 6 π r η v

Rumus hukum stokes

Fs = 6 π η r v

Fs adalah gaya hambatan (N)
η adalah koefisien viskositas (kg m-1 s-1)
r adalah jari jari bola (m)
π adalah 22/7
v adalah laju relatif benda pada fluida.

   b) Viskositas

        Viskositas adalah ukuran kekentalan fluida yang menyatakan besar atau kecilnya gesekan di dalam fluida. Semakin besar viskositas (kekentalan) fluida, maka sulit fluida untuk mengalir dan menunjukkan bahwa sulit suatu benda bergerak di dalam fluida tersebut.

          Dalam zat cair, viskositas dihasilkan gaya kohesi antara molekul zat cair. Akan tetapi jika dalam gas, viskositas timbul sebagai akibat tumbukan antara molekul gas. Zat cair lebih kental daripada gas, hingga untuk mengalirkan zat cair dibutuhkan gaya yang lebih besar jika dibandingkan dengan gaya yang diberikan untuk mangalirkan gas.

 Jika sebuah bola pada gambar di atas yang mana massa jenisnya lebih besar daripada massa jenis fluida dan berjari-jari r, dimasukkan kedalam fluida zat cair, maka bola itu akan jatuh di percepat sampai suatu saat kecepatannya maksimum. Pada kecepatan Vmaks, benda bergerak beraturan sebab gaya beratnya telah diimbangi gaya gesek fluida.

Jika sebuah benda memiliki bentuk bola dan jatuh bebas ke dalam suatu fluida kental (seperti gambar di atas), kecepatannya akan bertambah sebab pengaruh gravitasi bumi hingga mencapai pada suatu kecepatan terbesar yang tetap. Kecepatan terbesar yang tetap itu dinamakan dengan kecepatan terminal. Ketika kecepatan terminal tercapai, berlaku keadaan:

 
Keteranga rumus :
v adalah kecepatan terminal (m/s)
η adalah koefisien viskositas fluida (Pa s)
r adalah jari-jari bola (m)
g adalah percepatan gravitasi (m/s2)
ρb adalah massa jenis bola (kg/m3)
ρf adalah massa jenis fluida (kg/m3)


Sumber : - https://fisikakontekstual.com/fluida-statis/
               - https://rumus.co.id/hukum-stokes/