bab 6

Hand Out Kuliah Fisika

Oleh: Dr. Mitrayana, M.Si., E-mail: [email protected]

41

Fluida

1. Tiga fase umum materi adalah padat, cair, dan gas. Cair

dan gas secara kolektif disebut fluida, yang berarti

mereka memiliki kemampuan untuk mengalir. Massa

jenis (Kerapatan) materi didefinisikan sebagai massa

per satuan volume. Gravitasi khusus (berat jenis)

adalah perbandingan massa jenis materi terhadap massa

jenis air (pada 4oC).

2. Kerapatan suatu zat adalah rasio massa terhadap

volumenya :

volume

massaKerapatan =

V

m=ρ

Berat jenis suatu zat adalah rasio kerapatannya

terhadap kerapatan air. Sebuah benda tenggelam atau

terapung dalam suatu fluida tergantung pada apakah

kerapatannya lebih besar atau lebih kecil dibandingkan

kerapatan fluida. Kebanyakan kerapatan zat padat dan

zat cair hampir tak bergantung pada temperatur dan

tekanan, sedangkan kerapatan gas sangat tergantung

pada temperatur dan tekanan ini. Kerapatan berat

adalah kerapatan kali g . Kerapatan berat air adalah 62,4 lb/ft3.



42

3. Tekanan fluida adalah gaya per satuan luas yang

dikerjakan oleh fluida :

A

FP =

Satuan SI tekanan adalah Pascal (Pa), yang adalah

Newton per meter persegi :

1 Pa = 1 N/m2

Banyak satuan tekanan lain, seperti atmosfer, bar, torr,

pound per inci persegi, atau millimeter air raksa,

seringkali digunakan. Satuan-satuan ini dihubungkan oleh

:

1 atm = 101,3245 kPa = 760 mmHg = 760 torr

= 29,9 inHg = 33,9 ftH2O = 14,71 lb/in2

4. Tekanan didefinisikan sebagai gaya per satuan luas.

Tekanan pada kedalaman h di dalam zat cair dinyatakan dengan

,ghP ρ= (1)

di mana ρ adalah massa jenis cairan dan g adalah

percepatan gravitasi.

5. Prinsip Pascal menyatakan bahwa tekanan luar yang

diberikan pada fluida yang berada di dalam tempat

tertutup disebarkan ke seluruh bagian.

6. Tekanan diukur dengan menggunakan manometer atau

jenis pengukur lainnya. Barometer digunakan untuk

mengukur tekanan atmosfir. Tekanan atmosfir standar

(rata-rata pada permukaan laut) adalah 1,013 × 105 N/m2. Tekanan terukur adalah tekanan total dikurangi

tekanan atmosfir.



43

7. Prinsip Archimedes menyatakan bahwa sebuah benda

yang dimasukkan seluruhnya atau sebagian dalam fluida

diangkat ke atas oleh gaya yang sama dengan berat

fluida yang dipindahkan.

8. Laju aliran fluida adalah massa atau volume fluida per

satuan waktu. Persamaan kontinuitas menyatakan

bahwa untuk fluida yang tidak bisa ditekan yang

mengalir dalam tabung tertutup, hasil kali kecepatan

aliran dan luas penampang lintang tabung tetap konstan:

konstan. =Av (1)

9. Prinsip Bernoulli memberitahukan kita bahwa di mana

kecepatan fluida tinggi, tekanannya rendah, dan di mana

kecepatan rendah, tekanannya tinggi. Persamaan

Bernoulli adalah

.2222

121

212

11 gyvPgyvP ρρρρ ++=++

(2)

untuk dua titik pada tabung aliran. Pers. (1) ini berlaku

untuk aliran keadaan tunak, nonviskos tanpa turbulensi

di mana energi mekanik kekal. Untuk keadaan di mana

kita dapat mengabaikan perubahan ketinggian, kita

mempunyai hasil yang penting yang bila kelajuan fluida

bertambah, tekanan turun. Hasil ini dikenal sebagai efek

Venturi, dapat digunakan untuk menjelaskan secara

kualitatif daya angkat pada sayap pesawat terbang dan

kurva jejak baseball.

10. Aliran fluida dapat dikarakterisasikan sebagai lurus (kadang-kadang disebut laminer), di mana lapisan-lapisan

fluida bergerak dengan mulus dan reguler sepanjang

lintasan yang disebut jalur lurus, atau sebagai turbulen,



44

di mana aliran tidak begitu mulus dan reguler tetapi

dicirikan dengan pusaran-pusaran yang bentuknya tidak

beraturan.

11. Viskositas mengacu pada gesekan dalam fluida yang mencegah fluida mengalir bebas dan pada dasarnya

merupakan gaya gesekan antara lapisan-lapisan fluida

yang bersisian pada saat mereka bergerak melewati

satu sama lain. Dalam aliran viskos lewat suatu pipa,

turunnya tekanan sebanding dengan laju aliran volume

dan dengan resistansi, yang selanjutnya berbanding

terbalik dengan jari-jari pipa pangkat empat :

V4V

8I

r

LRIP

πη==∆

Ini adalah hukum Poiseuille.

Contoh soal: 1. Massa, jika volume dan massa jenis diketahui.

Berapa massa bola besi penghancur yang padat dengan

radius 18 cm?

2. Tekanan pada keran. Permukaan air di dalam tangki

penyimpanan berada 30 m di atas keran air di dapur

sebuah rumah, Gb.4. Hitung tekanan air pada keran.

3. Jari menjaga agar air tetap di dalam sedotan. Anda

memasukkan sedotan dengan panjang L ke dalam gelas tinggi yang berisi minuman favorit Anda. Anda

meletakkan jari di atas sedotn sehingga tidak ada udara

yang bisa masuk atau keluar, kemudian angkat sedotan

dari minuman tersebut. Anda akan melihat bahwa

sedotan menahan cairan sedemikian sehingga jarak dari



45

dasar jari ke permukaan cairan adalah h. Apakah udara di ruang antara jari dan cairan mempunyai tekanan P yang (a) lebih besar (b) sama dengan, atau (c) lebih kecil, dari tekanan atmosfir PA di luar sedotan?

4. Penyedotan. Anda duduk pada sebuah rapat di mana

seorang insinyur NASA yang baru menyarankan sepatu

mangkuk penyedot untuk astronot pesawat ulang alik

yang bekerja di luar pesawat tersebut. Setalah

mempelajari bab ini, Anda memperingatkan sang insinyur

tentang kekeliruan pada rencana ini. Apakah kekeliruan

itu?

5. Mengangkat patung yang tenggelam. Sebuah patung

kuno 70 kg terbaring di dasar laut. Volumenya adalah 3

× 104 cm3. Berapa gaya yang diperlukan untuk

mengangkatnya?

6. Archimedes: Apakah mahkota itu emas? Ketika

mahkota dengan massa 14,7 kg dimasukkan dalam air,

sebuah timbangan yang akurat hanya menunjukkan angka

13,4 kg. Apakah mahkota tersebut terbuat dari emas?

7. Kalibrasi Hidrometer. Hidrometer adalah sebuah

instrumen sederhana yang digunakan untuk menunjukkan

gravitasi khusus suatu zat cair dengan mengukur

seberapa jauh ia terbenam dalam zat cair tersebut.

Sebuah hidrometer tertentu terdiri dari sebuah tabung

kaca, yang diberi beban di bawahnya, yang panjangnya

25,0 cm, luas penampang lintang 2 cm2, dan mempunyai

massa 45 g. Seberapa jauh dari ujung tanda 1 harus

dituliskan?



46

8. Benua yang mengapung. Sebuah model sederhana

menggambarkan benua sebagai sebuah balok (massa

jenis = 2800 kg/m3) yang terapung pada lapisan mantel

di sekitarnya (massa jenis = 3300 kg/m3). Dengan

menganggap ketebalan benua 35 km (ketebalan rata-

rata kerak Bumi), perkirakan ketinggian benua di atas

lapisan yang mengelilinginya.

9. Balon Helium. Berapa volume, V, dari helium yang dibutuhkan jika balon harus mengangkat beban 800 kg

(termasuk berat balon yang kosong?

10. Aliran darah. Radius aorta sekitar 1 cm dan darah yang melewatinya memiliki laju sekitar 30 cm/s. Pembuluh

kapiler biasanya mempunyai radius sekitar 4 × 10-4 cm, dan darah mengalir melaluinya dengan laju sekitar 5 × 10-4 m/s. Perkirakan berapa banyak pembuluh kapiler

yang ada dalam tubuh.

11. Saluran pemanas ke ruangan. Seberapa besar sebuah saluran pemanas harus dibuat jika udara yang mengalir

dengan laju 3 m/s di dalamnya dapat mengisi ruangan

dengan volume 300 m3 setiap 15 menit? Anggap massa

jenis udara tetap konstan.

12. Aliran dan tekanan pada sistem pemanas air. Air beredar di sebuah rumah pada suatu sistem pemanas

air. Jika air dipompa dengan laju 0,5 m/s melalui pipa

berdiameter 4 cm di ruang bawah tanah dengan tekanan

3 atm, berapa laju aliran dan tekanan pada pipa

berdiameter 2,6 cm di tingkat dua dengan tinggi 5 m di

atasnya?



47

13. Tekanan pada tabung oli mesin mobil. Oli mesin (anggaplah SAE 10) melalui tabung yang berdiameter

1,80 mm dalam sebuah mesin prototipe. Panjang tabung

tersebut 5,5 cm. Berapa perbedaan tekanan yang

dibutuhkan untuk mempertahankan laju aliran sebesar

5,6 mL/min?

14. Pejalan air. Dasar kaki serangga kira-kira berbentuk bola, dengan radius sekitar 2 × 10-5 m. Massa 0,0030 g dari serangga ditopang merata oleh keenam kakinya.

Perkirakan sudut θ untuk seekor serangga di permukaan air. Anggap temperatur air adalah 20oC.

Latihan soal: 1. Sebuah botol mempunyai massa 35 g ketika kosong dan

98,44 g ketika diisi air. Ketika diisi dengan fluida yang

lain, massanya 88,78 kg. Berapa gravitasi khusus fluida

yang lain ini?

2. Berapa perbedaan tekanan darah (mm-Hg) antara

puncak kepala dan telapak kaki orang yang tingginya 1,6

m jika berdiri vertikal?

3. Berapa gaya total dan tekanan absolut di dasar kolam

renang dengan ukuran 22 m x 12 m yang kedalamannya

adalah 2 m? Berapa tekanan pada sisi kolam di dasar?

4. Seekor beruang kutub menopang tubuhnya sebagian

dengan menarik sebagian tubuhnya ke luar air ke atas

potongan es persegi panjang. Es tersebut terbenam

sehingga hanya setengah dari bagian yang tadinya

berada di atas permukaan, yang tetap berada di atas



48

air, dan beruang pada saat itu telah mengangkat 70%

dari volume (dan beratnya) keluar dari air. Perkirakan

massa beruang, dengan menganggap bahwa volume total

es adalah 10 m3, dan gravitasi khusus beruang adalah 1.

5. Berapa tekanan ukur yang diperlukan di dalam sumur air

agar sebuah selang penyemprot api bisa menyemprotkan

air sampai ketinggian 12 m?

bab 6

Documents