FLUIDA

1. PendahuluanPadat, cair dan gas merupakan tiga keadaan umum atau fase dari suatu materi. Ketiga fase tersebut dapat dibedakan sebagai berikut.a. Fase benda padat mempertahankan bentuk dan ukuran yang tetap, bahkan jika sebuah gaya yang besar diberikan pada sebuah benda padat , benda tersebut tidak langsung berubah, baik bentuk ataupun volumenya.b. Fase benda cair tidak mempertahankan bentuk yang tetap, melainkan mengambil bentuk tempat yang ditempatinya, tetapi seperti benda padat, benda cair tidak langsung dapat ditekan, dan perubahan volume yang cukup signifikan terjadi jika diberikan gaya yang besar.c. Fase gas tidak memiliki bentuk maupun volume yang tetap, gas akan menyebar untuk memenuhi tempatnya.Akibat zat cair dan gas yang tidak mempertahankan bentuk yang tetap dan keduanya memiliki kemampuan untuk mengalir, dengan demikian kedua duanya sering disebut sebagai fluida. 2. Massa Jenis Kadang kadang dikatakan bahwa besi lebih berat dari kayu. Hal tersebut belum tentu benar karena satu batang kayu yang besar lebih berat dari sebuah paku besi. Seharusnya dikatakan adalah massa jenis besi lebih rapat dari massa jenis kayu. Massa jenis () sebuah benda didefinisikan sebagai massa persatuan volume :

Dimana m adalah massa benda dan V merupakan volume benda. Massa jenis merupakan sifat khas dari suatu zat murni. Benda benda yang terbuat dari unsur murni, seperti emas murni dapat memiliki berbagai ukuran atau massa, tetapi massa jenis akan sama untuk seluruhnya. Persaman (1) berguna untuk menuliskan massa benda;

Satuan SI untuk massa jenis adalah kg/m3. Massa jenis berbagai zat pada table 2.1. table tersebut juga mencantumkan tekanan dan temperature karena besaran ini mempengaruhi massa jenis zat.Table 2.1 massa jenis beberapa zat

Catatan : massa jenis dinyatakan pada 00C dan tekanan 1atm

Contoh 2.1 Tentukan massa bola besi penghancur yang padat dengan jari jari 18cm?Solusi : Massa jenis berkaitan dengan volume benda, oleh karena itu pertama tentukan volume dari bola tersebut, Volume bola adalah Sehingga di dapat :

Dari table 2.1 massa jenis besi adalah = 7,8 x 103 kg/m3, sehingga dari persamaan (1) di dapat :

3. Tekanan Pada FluidaTekanan didefenisikan sebagai gaya per satuan luas, dimana gaya F dipahami bekerja tegak lurus terhadap permukaan A:

Satuan SI untuk tekanan adalah N/m2 . satuan ini mempunyai nama resmi pascal (Pa), untuk menghormati Blaise Pascal, 1 Pa = 1N/m2 atau sering juga menggunakan psi, 1 psi = 1dyne/cm2 = lb/in2.Contoh : perhitungkan tekanan, orang 60kg yang kedua kakinya menutup luas 500cm2. Jika orang tersebut berdiri di satu kaki, gaya akan sama, tetapi ,luas menjadi setengahnya, sehingga tekanan menjadi dua kali lipat, yaitu sebesar 24x103N/m2.

Gambar 3.1Konsep tekanan terutama berguna dalam membahas fluida. Dari fakta eksperimental ternyata fluida memberikan tekanan ke semua arah. Di setiap titik pada fluida yang diam, besarnya tekanan dari seluruh arah tetap sama. Hal ini diilustrasikan pada gambar 3.1. anggaplah sebuah kubus kecil dalam suatu fluida yang karena bentuknya sangat kecil maka gaya gravitasi padanya dapat diabaikan. Tekanan pada satu sisi harus sama dengan tekanan disisi sebaliknya. Jika hal ini tidak terjadi, akan ada gaya total pada kubus dan kubus akan mulai bergerak. Jika fluida tidak mengalir, maka tekanan tekanan harus sama. Sifat penting lainnya dari fluida yang berada dalam keadaan diam adalah bahwa gaya yang disebabkan oleh tekanan fluida selalu bekerja tegak lurus terhadap permukaan yang bersentuhan dengannya. Jika ada komponen gaya yang sejajar dengan permukaan seperti pada gambar 3.2a, maka menurut hukum newton ketiga, permukaan akan member gaya kembali pada fluida yang juga akan memiliki komponen sejajar permukaan. Komponen seperti ini akan menyebabkan fluida mengalir.

Secara kuntitatif besarnya tekanan zat cair dengan massa jenis yang sama dapat dinyatakan dengan :

Dimana ;P adalah tekanan, Ah adalah volume benda, adalah massa jenis massa jenis zat cair (dianggap konstan) dan g adalah percepatan gravitasi. Dengan demikian tekanan berbanding lurus dengan massa jenis zat cair, dan dengan kedalaman di dalam zat cair. Pada umumnya, tekanan pada kedalaman yang sama dalam zat cair serba sama adalah sama. Namun jika diberikan tekanan eksternal dipermukaan zat cair, maka tekanan ini harus diperhitungkan.Persamaan (3) berlaku untuk fluida yang massa jenisnya konstan dan tidak berubah terhadap kedalaman, yaitu jika fluida tersebut tidak dapat ditekan. Contoh 3.1Permukaan air di dalam tangki penyimpanan berada 30m diatas keran air didapur sebuah rumah, hitung tekanan air pada keran.Solusi :Tekanan atsmofer bekerja pada permukaan air dalam tangki dan pada air yang keluar dari keran. Perbedaan tekanan antara bagian dalam dan bagian luar keran adalah, Ketinggian h terkadang disebut dengan puncak tekanan. Pada contoh ini, puncak air adalah 30m. perhatikan bahwa diameter tangki dan keran yang sangat berbeda tidak mempengaruhi hasil, hanya tekanan yang mempengaruhi.

4. Prinsip PascalAtsmofir bumi memberikan tekanan pada semua benda yang bersentuhan dengannya. Tekanan luar yang bekerja pada fluida disalurkan ke seluruh fluida. Misalnya, tekanan yang disebabkan oleh tekanan air pada kedalaman 100m dibawah permukaan danau adalah bagaimanpun, tekanan total pada titik ini disebabkan oleh tekanan air ditambah tekanan udara diatasnya, dengan demikian, tekanan total adalah 9,7atm + 1,0atm=10,7atm. Ini merupakan satu contoh prinsip umum yang dicetuskan oleh filsuf dan ilmuan Prancis Blaise Pascal (1623-1662). Prisip Pascal menyatakan bahwa tekanan yang diberikan pada fluida dalam suatu tempat akan menambah tekanan keseluruhan dengan besar yang sama.Sejumlah alat praktis menggunakan prinsip pascal. Dua contoh yaitu rem hidrolik dan lift hidrolik, diilustrasikan pada gambar 4.1.

Gambar 4.1 (a) lift hidrolik (b) rem hidrolikpada kasus lift hidrolik, sebuah gaya kecil dapat digunakan untuk memberikan gaya besar dengan membuat luas satu piston (keluaran) lebih besar dari luas piston yang lainnya(masukan). Untuk memahami cara kerjanya, anggap piston masukan dan keluaran berada pada tinggi yang sama ( paling tidak mendekati). Kemudian gaya input luar Fin, dengan prinsip pascal menambah tekanan dengan sama ke semua bagian pada ketinggian yang sama (lihat gambar 4.1a)

Dimana besaran besaran masukan dinyatakan dengan indeks in dan keluaran out. Dengan demikian

Nilai Fout/Fin disebut keuntungan mekanik lift hidrolik dan sama dengan rasio luas. Sebagai contoh, jika luas piston output 20 kali lipat luas selinder input , gaya dikalikan factor 20: berarti gaya 890N dapat mengangkat mobil 17800N.

5. Gaya Apung dan Prinsip ArchimedesGaya angkat ke atas dari fluida yang bekerja pada benda benda yang ditenggelamkan disebut dengan gaya apung. besar gaya apung selalu sama dengan berat fluida yang dipindahkan oleh benda. pernyataan tersebut dikenal dengan prinsip Archimedes.

Gambar 5.1Untuk memahami asal usu gaya apung. perhatikan sebuah kubus yang ditenggelamkan ke dalam cairan pada gambar 5.1. tekanan Pdasar pada dasar kubus lebih besar daripada tekanan Patas diatasnya. Selisihnya adalah , dimana h adalah tinggi kubus dan fluida adalah massa jenis fluida. Tekanan di dasar kubus menyebabkan gaya angkat keatas yang sama dengan PdasarA , dimana A adalah luas alasnya. Tekanan di atas kubus menyebabkan gaya ke bawah yang sama dengan PatasA. resultan dari kedua gaya ini adalah gaya apung B:

(4)Dimana V adalah volume fluida yang dipindahkan oleh kubus.Gaya apung tidak ditentukan oleh hal hal lain dari bendanya. Kecuali jumlah fluida yang dipindahkan oleh benda. oleh karena itu, jika beberapa benda dengan berbagai massa jenis, namun memiliki volume yang sama ditenggelamkan ke dalam sebuah fluida, maka masing masing dari benda mereka akan mengalami gaya apung yang sama. Apakah mereka tenggelam ataupun terapung akan ditentukan oleh hubungan antara gaya apung oleh beratnya.Kasus I : benda yang sepenuhnya tenggelam. Ketika sebuah benda sepenuhnya ditenggelamkan ke dalam fluida dengan massa jenis fluida, maka besar gaya apung ke atas adalah , dimana Vbenda adalah volume benda. jika bendanya bermassa M dan massa jenisnya benda , maka beratnya sama dengan , dan gaya nettonya adalah , oleh karena itu, jika massa jenis benda lebih kecil daripada gaya apungnya, maka benda ini akan bergerak dipercepat ke atas (gambar 5.2a) jika massa jenis benda lebih besar dari pada massa jenis fluida, maka gaya apung ke atas menjadi lebih kecil daripada gaya gravitasi dan benda ini akan tenggelam (gambar 5.2b). jika massa jenis dari benda yang ditenggelamkan sama dengan massa jenis fluida, maka gaya netto pada benda sama dengan nol dan benda tersebut tetap berada dalam keseimbangan.

Gambar 5.2

Gambar 5.3Kasus II : benda mengapung : jika benda dengan volume Vbenda dan massa jenis didalam keseimbangan statis yang mengapung pada permukaan fluida, artinya, benda tersebut tenggelam sebagian (gambar 5.3). dalam kasus ini, gaya apung ke atas diseimbangkan oleh gaya gravitasi yang bekerja pada benda. jika Vfluida adalah volume fluida yang dipindahkan oleh benda , besar gaya apungnya adalah . Oleh karena berat benda , dan karena , dapat dinyatakan bahwa :

Persamaan ini menyatakan bahwa fraksi volume dari benda mengapung yang berada di bawah permukaan fluida sama dengan perbandingan dari massa jenis benda dengan massa jenis fluida.Contoh 5.1: Sebuah patung kuno 70 kg terbaring di dasar laut. Volumenya adalah 3,0x104cm3. Berapa gaya yang diperlukan untuk mengangkatnya?Solusi :Gaya apung pada patung yang disebabkan air sama dengan berat (untuk air laut ):

Berat patung adalah mg=(70kg)(9,8m/s2)=6,9 x 102N, berarti gaya yang diperlukan untuk mengangkatnya adalah 690N 300N =390N. seakan akan patung tersebut memiliki massa hanya sebesar (390N)/(9,8m/s2) = 40kg.Contoh 5.2Ketika 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? Solusi :

Gambar 5.4Lihat analisis pada gambar 5.4. berat semua benda yang terbenam sama dengan berat sebenarnya,

Dimana V adalah volume benda , o merupakan massa jenis benda dan F adalah massa jenis fluida (dalam hal ini air). Untuk hubungan ini didapat bahwa ,

Untuk mahkota didapat

Karena air sebagai fluidanya memiliki massa jenis 1,00x103 kg/m3 , maka massa jenis mahkota tersebut adalah 11,3x103kg/m3. Dari massa jenis mahkota yang diperoleh jika dilihat berdasarkan table 2.1 dapat disimpulkan bahwa mahkota terbuat dari timah (lead)

Gaya apung yang disebabkan6. Dinamika Fluida7. Persamaan Bernoulli8. Viskositas9. Aliran Pada Tabung: Persamaan Poiseuille, Aliran Darah10. Pompa Jantung dan Tekanan Darah11. Sumber : Giancoli D.C, 2001, Fisika edisi kelima, Penerbit Erlangga, Jakarta Jewett.S, 2004, Fisika untuk Sains dan Teknik, Penerbit Salemba Teknika, Jakarta Page 9