FLUIDA STATIS

Fluida adalah zat yang bisa mengalir dan memberikan hambatan saat diberi tekanan. Zat yang tergolong sebagai fluida adalah zat cair dan gas. Adapun sifat-sifat fluida adalah sebagai berikut.

1. Bisa mengalami perubahan bentuk.
2. Bisa mengalir.
3. Memiliki kemampuan untuk menempati suatu wadah atau ruang 

Fluida statis atau hidrostatika merupakan salah satu cabang ilmu sains yang membahas karakteristik fluida saat diam, biasanya membahas mengenai tekanan pada fluida ataupun yang diberikan oleh fluida (gas atau cair) pada objek yang tenggelam didalamnya.

Besaran-besaran Fluida Statis

1. Massa Jenis

Massa jenis merupakan suatu ukuran kerapatan suatu benda dan didefinisikan sebagai berat suatu benda dibagi dengan dengan volumenya. Semakin besar massa jenisnya, maka benda tersebut memiliki kerapatan yang besar.

Dimana:
ρ (dibaca rho) merupakan massa jenis suatu benda (kg/m³)
m merupakan massa benda (kg)
V merupakan volume benda (m^3)

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 adalah tekanan yang diberikan oleh air ke semua arah pada titik ukur manapun akibat adanya gaya gravitasi. Tekanan hidrostatis akan meningkat seiring dengan bertambahnya kedalaman diukur dari permukaan air.

Tekanan hidrostatis (ketika fluida dalam keadaan diam) pada titik kedalaman berapapun tidak dipengaruhi oleh berat air, luasan permukaan air, ataupun bentuk bejana air, akan berdasarkan luasan objek yang menerimanya atau kedalaman ukur. Tekanan hidrostatis menekan ke segala arah dan didefinisikan sebagai gaya yang diberikan pada luasan yang diukur atau dapat dihitung berdasarkan kedalamaan objeknya dengan persamaan

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

Jadi semakin besar jarak titik ukur dengan permukaan air, maka akan semakin besar tekanan hidrostatis pada titik tersebut.

Penjumlahan antara tekanan hidrostatis dan tekanan udara luar akan menghasilkan besaran baru yang disebut tekanan mutlak. Secara matematis, dirumuskan sebagai berikut.

Keterangan:

P_T = tekanan mutlak (Pa); dan

P₀ = tekanan atmosfer (Pa).

 Hukum Utama Hidrostatis

Hukum utama hidrostatis adalah hukum yang berkaitan dengan persamaan tekanan saat fluida diletakkan di suatu bidang datar. Adapun pernyataan hukum utama hidrostatis adalah “semua titik yang terletak di suatu bidang datar di dalam fluida, akan memiliki tekanan yang sama”. Berikut ini contohnya.

Secara matematis, dirumuskan sebagai berikut.

 

Keterangan:

P_A = tekanan di penampang A (N/m²);

P_B = tekanan di penampang B (N/m²);

𝜌_A = massa jenis fluida A (N/m³);

𝜌_B = massa jenis fluida B (N/m³);

h_A = tinggi fluida A (N/m³); dan

h_B = massa jenis fluida B (N/m³);

3. Hukum Pascal

Hukum Pascal dicetuskan oleh seorang ilmuwan asal Prancis, yaitu Blaise Pascal. Dalam hukumnya, Pascal menyatakan bahwa “tekanan yang diberikan pada suatu fluida dalam ruang tertutup akan diteruskan ke segala arah dengan sama besar”. Secara matematis, dirumuskan sebagai berikut.

 

Keterangan:

P₁ = tekanan di penampang 1 (N/m²);

P₂ = tekanan di penampang 2 (N/m²);

F₁ = gaya tekan di penampang 1 (N/m²);

F₂ = gaya tekan di penampang 2 (N/m²);

A₁ = luas penampang pipa 1 (N/m²); dan

A₂ = luas penampang pipa 2 (N/m²);

4. Hukum Archimedes

 Hukum Archimedes ini merupakan salah satu hukum dasar fluida statis yang mungkin sering kita dengar atau baca. Adapun pernyataan Hukum Archimedes adalah “ benda yang dicelupkan seluruhnya atau sebagian ke dalam fluida yang dipindahkan”. Gaya tekan inilah yang kemudian disebut sebagai gaya apung atau gaya Archimedes. Secara matematis, gaya apung dirumuskan sebagai berikut.

 

Keterangan:

F_A = gaya apung atau gaya ke atas (N);

ρ_f = massa jenis fluida (kg/m³);

g = percepatan gravitasi (m/s²); dan

V_bf  = volume benda tercelup (m³).

Adanya gaya apung ini menyebabkan suatu benda terapung, melayang, dan tenggelam di dalam air.

Jika kita pernah mencoba menimbang benda di dalam fluida, mengapa berat benda di dalam fluida lebih kecil daripada beratnya di udara? Ternyata, hal ini disebabkan oleh adanya gaya apung, lho. Secara matematis, berat semu dirumuskan sebagai berikut.

 Keterangan:

W_bf = berat benda di dalam fluida (N);

W_u = berat benda di udara (N); dan

F_A = gaya apung (N);

5. Viskositas (kekentalan)

Viskositas merupakan sifat tahanan suatu fluida terhadap tegangan yang diberikan. Hukum yang membahas tentang viskositas fluida ini adalah Hukum Stokes. Secara matematis, Hukum Stokes dirumuskan sebagai berikut.

6. Berat jenis

Berat jenis didefinisikan sebagai berat fluida per satuan volume. Berat jenis ini berbeda dengan massa jenis. Perbedaannya adalah berat jenis dipengaruhi oleh percepatan gravitasi, sehingga nilainya bisa berubah-ubah sesuai percepatan gravitasi di tempat tersebut. Secara matematis, dirumuskan sebagai berikut.

 

7. Tegangan permukaan

Tegangan permukaan adalah kemampuan suatu permukaan zat cair untuk menegang. Contoh tegangan permukaan ini bisa kita lihat saat ada serangga yang bisa berdiri di permukaan air. Secara matematis, tegangan permukaan dirumuskan sebagai berikut.

Keterangan:

𝛾 = tegangan permukaan (N/m);

F = gaya (N); dan

L = panjang permukaan (m).

8. Kapilaritas

Kapilaritas adalah peristiwa meresapnya zat cair di dalam pipa kapiler. Meresap artinya gerakan naik atau turun zat cair. Kapilaritas ini dipengaruhi oleh adanya tegangan permukaan, gaya adhesi, dan gaya kohesi antara zat cair dan dinding kapiler. Jika gaya adhesi lebih besar daripada kohesi, maka zat cair akan naik dalam pipa kapiler, contohnya air. Jika gaya kohesi lebih besar daripada gaya adhesi, maka zat cair akan turun, contohnya raksa.

Lalu, berapa kenaikan atau penurunannya?

Keterangan:

h = kenaikan atau penurunan zat cair dalam pipa kapiler (m);

𝛾 = tegangan permukaan (N/m);

𝜃 = sudut kontak;

𝜌 = massa jenis (kg/m³);

g = percepatan gravotasi (m/s²); dan

r = jari-jari pipa kapiler (m). 

Contoh soal

Soal No. 1

Seekor ikan berada pada kedalaman 15 meter di bawah permukaan air. Jika massa jenis air 1000 kg/m³ , percepatan gravitasi bumi 10 m/s² dan tekanan udara luar 10⁵ N/m, tentukan :

a. tekanan hidrostatis yang dialami ikan

b. tekanan total yang dialami ikan 

Pembahasan

a) tekanan hidrostatis yang dialami ikan

b) tekanan total yang dialami ikan

---

Soal No. 2

Seorang anak hendak menaikkan batu bermassa 1 ton dengan alat seperti gambar berikut!

Jika luas penampang pipa besar adalah 250 kali luas penampang pipa kecil dan tekanan cairan pengisi pipa diabaikan, tentukan gaya minimal yang harus diberikan anak agar batu bisa terangkat!

Pembahasan

Hukum Pascal

Data :
F₁ = F
F₂ = W_batu = (1000)(10) = 10000 N
A₁ : A₂ = 1 : 250

---

Soal No. 3

Sebuah dongkrak hidrolik digunakan untuk mengangkat beban.

Jika jari-jari pada pipa kecil adalah 2 cm dan jari-jari pipa besar adalah 18 cm, tentukan besar gaya minimal yang diperlukan untuk mengangkat beban 81 kg !

Pembahasan

Data:
m = 250 kg
r₁ = 2 cm
r₂ = 18 cm
w = mg = 810 N
F =…

Jika diketahui jari-jari (r) atau diameter (D) pipa gunakan rumus:

Diperoleh