FLUIDA

F L U I D A

Pengertian Fluida.

Fluida adalah zat yang dapat mengalir atau sering disebut Zat Alir.

Jadi perkataan fluida dapat mencakup zat cair atau gas.

Antara zat cair dan gas dapat dibedakan :

Zat cair adalah Fluida yang non kompresibel (tidak dapat ditekan) artinya tidak berubah volumenya jika mendapat tekanan.

Gas adalah fluida yang kompresibel, artinya dapat ditekan.

Pembahasan dalam bab ini hanya dibatasi sampai fluida yang non kompresibel saja.

Bagian dalam fisika yang mempelajari tekanan-tekanan dan gaya-gaya dalam zat cair disebut : HIDROLIKA atau MEKANIKA FLUIDA yang dapat dibedakan dalam :

Hidrostatika : Mempelajari tentang gaya maupun tekanan di dalam zat cair yang diam.

Hidrodinamika : Mempelajari gaya-gaya maupun tekanan di dalam zat cair yang  bergerak.

(Juga disebut mekanika fluida bergerak)

Pembahasan dalam bab ini hanya dibatasi sampai Hidrostatika saja.

Rapat Massa dan Berat Jenis.

Rapat massa benda-benda homogen biasa didefinisikan sebagai : massa persatuan volume yang disimbolkan dengan r.

            Satuan.

r =   Besaran	MKS	CGS
m	kg	g
V	m3	cm3
r	kg/m3	g/cm3

            Berat jenis didefinisikan sebagai Berat persatuan Volume.

            Yang biasa disimbolkan dengan : D

            Satuan.

D =                    atau D = r . g	Besaran	MKS	CGS
	W	Newton	Dyne
	V	m3	cm3
	D	n/m3	dyne/cm3
	g	m/det2	cm/det2

Rapat Massa Relatif.

Rapat massa relatif suatu zat adalah perbandingan dari rapat massa zat tersebut terhadap rapat massa dari zat tertentu sebagai zat pembanding.(I,₂)

Zat pembanding biasa diambil air, pada suhu 4⁰ C.

Rapat massa relatif biasa disimbolkan dengan : rr.

	rr =		rr =

 

            Juga berlaku :

                       

            Rapat massa relatif tidak mempunyai SATUAN.

Tekanan Hidrostatika.

Adalah : Tekanan yang disebabkan oleh berat zat cair.

Tekanan adalah : Gaya per satuan luas yang bekerja dalam arah tegak lurus suatu permukaan.

Tekanan disimbolkan dengan : P

P =

                                              Satuan

Besaran	MKS	CGS
F	N	dyne
A	m2	cm2
P	N/m2	dyne/cm2

Tiap titik di dalam fluida tidak memiliki tekanan yang sama besar, tetapi berbeda-beda sesuai dengan ketinggian titik tersebut dari suatu titik acuan.

h               PBar

Dasar bejana akan mendapat tekanan sebesar : P = tekanan udara + tekanan oleh gaya berat zat cair (Tekanan Hidrostatika). P = BAR + P = BAR +  = BAR + P = BAR + r . g . h

Jadi Tekanan Hidrostatika (P_h) didefinisikan :

			Ph = r . g . h

 

	Satuan
Keterangan.	MKS	CGS
r  = rapat massa zat cair	kg/m3	g/cm3
g  = percepatan gravitasi	m/det2	cm/det2
h  = tinggi zat cair diukur dari permukaan zat cair sampai ke titik/bidang yang diminta.	m	cm
Ph = Tekanan Hidrostatika	N/m2	Dyne/cm2

            1 atm = 76 cm Hg

            1 atm = 10⁵ N/m² = 10⁶ dyne/cm²

                        Untuk bidang miring dalam mencari h maka dicari lebih dahulu titik tengahnya (Disebut : titik massa).

Gaya Hidrostatika. (= F_h)

Besarnya gaya hidrostatika (F_h) yang bekerja pada bidang seluas A adalah :

F_h = P_h . A = r . g . h . A

	Fh = r . g . h . A

 

F_h = gaya hidrostatika dalam SI (MKS) adalah Newton

       dalam CGS adalah Dyne.

Hukum Pascal.

Bunyinya : Tekanan yang bekerja pada fluida di dalam ruang tertutup akan diteruskan oleh fluida tersebut ke segala arah dengan sama besar.

Contoh alat yang berdasarkan hukum Pascal adalah : Pompa Hidrolik.

Perhatikan gambar bejana berhubungan di bawah ini.

F1                   F2               A1                    A2

Permukaan fluida pada kedua kaki bejana berhubungan sama tinggi. Bila kaki I yang luas penampangnya A1 mendapat gaya F1 dan kaki II yang luas penampangnya A2 mendapat gaya F2 maka menurut Hukum Pascal harus berlaku : P1 = P2

F1 : F2 = A1 : A2

Hukum Utama Hidrostatis.

              Bunyinya : Tekanan hidrostatis pada sembarang titik yang terletak pada bidang  mendatar di dalam sejenis zat cair yang dalam keadaan setimbang adalah sama.

	(Ph) di A  =  (Ph) di B  =  (Ph) di C

 

           

Hukum utama hidrostatika berlaku pula pada pipa U (Bejana berhubungan) yang diisi lebih dari satu macam zat cair yang tidak bercampur.

	(Ph)A =  (Ph)B

 

           

	r1h1 + r2h2 = r3h3

 

           

Percobaan pipa U ini biasanya digunakan untuk menentukan massa jenis zat cair.

Paradoks Hidrostatis.

Segala bejana yang  mempunyai luas dasar (A) yang sama dan berisi zat cair dengan ketinggian yang sama pula (h).

Menurut Hukum Utama Hidrostatis : Tekanan hidrostatis pada dasar masing-masing bejana adalah sama yaitu : Ph = r . g . h

Paradoks Hidrostatis : Gaya hidrostatis pada dasar bejana tidak tergantung pada banyaknya zat cair maupun bentuk bejana, melainkan tergantung pada :

  Massa jenis zat cair.

  Tinggi zat cair diatas dasar bejana.

  Luas dasar bejana.

Jadi gaya hidrostatis pada dasar bejana-bejana tersebut sama yaitu :

F_h = r . g . h . A

Hukum Archimedes.

Bunyinya : Bila sebuah benda diletakkan di dalam fluida, maka fluida tersebut akan memberikan gaya ke atas (F_A) pada benda tersebut yang besarnya = berat fluida yang dipindahkan oleh benda tersebut.

Benda di dalam zat cair ada 3 macam keadaan :

Benda tenggelam di dalam zat cair.

Berat zat cair yang dipindahkan = m_c . g

                                                    = r_c . V_c . g

                           Karena Volume zat cair yang dipindahkan = Volume benda, maka :

                                                    = r_c . V_b . g

                           Gaya keatas yang dialami benda tersebut besarnya :

					FA = rc . Vb . g

 

FA

           

rb	=	Rapat massa benda	FA	=	Gaya ke atas
rc	=	Rapat massa zat cair	Vb	=	Volume benda
W	=	Berat benda	Vc	=	Volume zat cair yang
Ws	=	Berat semu			dipindahkan
		(berat benda di dalam zat cair).

                                    Benda tenggelam maka : F_A ¢ W

             w                                                  r_c . V_b . g ¢ r_b . V_b . g

rc ¢rb

                                                                             

Selisih antara W dan F_A disebut Berat Semu (W_s)

Ws = W - FA

           

Benda melayang di dalam zat cair.

Benda melayang di dalam zat cair berarti benda tersebut dalam keadaan setimbang.

                        F_A = W

         r_c . V_b . g  =  r_b . V_b . g

FA   w

rc = rb

                       

 

Pada 2 benda atau lebih yang melayang dalam zat cair akan berlaku :

                                                (F_A)_tot = W_tot

rc . g (V1+V2+V3+V4+…..)  =  W1 + W2 + W3 + W4 +…..

           

Benda terapung di dalam zat cair.

Misalkan sepotong gabus ditahan pada dasar bejana berisi zat cair, setelah dilepas, gabus tersebut akan naik ke permukaan zat cair (terapung) karena :

                     F_A > W

         r_c . V_b . g  >  r_b . V_b . g

	rc $rb

 

Selisih antara W dan F_A disebut gaya naik (F_n).

	Fn =  FA - W

 

Benda terapung tentunya dalam keadaan setimbang, sehingga berlaku :

 F_A’ = W

					rc . Vb2 . g  =  rb . Vb . g

 

V1    V2

           

FA’	=	Gaya ke atas yang dialami oleh bagian benda yang tercelup di dalam zat cair.
Vb1	=	Volume benda yang berada dipermukaan zat cair.
Vb2	=	Volume benda yang tercelup di dalam zat cair.
Vb	=	Vb1 + Vb2

FA’  =  rc . Vb2 . g

                         

           

Besaran	r	g	V	FA dan W
MKS	kg/m3	m/det2	m3	Newton
CGS	g/cm3	cm/det2	cm3	Dyne

Kohesi dan Adhesi.

Kohesi : adalah gaya tarik menarik antara partikel-partikel suatu zat yang sejenis.

Misalnya : gaya tarik menarik yang terjadi pada air, besi dan sebagainya.

Makin kuat kohesi ini, makin kuat bendanya (tidak mudah berubah bentuknya).

Berarti kohesi molekul-molekul zat padat dari kohesi molekul-molekul zat cair dari kohesi molekul-molekul zat gas.

Adhesi : adalah gaya tarik menarik antara partikel-partikel dari zat yang berbeda/tak sejenis.

Contoh : Kapur tulis yang melekat pada papan.

Air                  Hg

kohesi molekul-molekul air lebih kecil dari adhesi molekul-molekul air dan kaca. Kohesi molekul-molekul air raksa lebih besar dari adhesi molekul-molekul air raksa dan kaca.

Pengaruh Kohesi & Adhesi Terhadap Permukaan Fluida.

Air : Permukaannya cekung, pada pipa kapiler permukaannya lebih tinggi, karena adhesinya lebih kuat dari kohesinya sendiri.

Air Raksa : Permukaannya cembung, sedangkan pada pipa kapiler permukaannya lebih rendah, karena kohesi air raksa lebih besar dari adhesi antara air raksa dengan kaca.

 

               Air                              Hg

u = Sudut Kontak.

Sudut Kontak. (u)

Sudut kontak yaitu sudut yang dibatasi oleh 2 bidang batas (a) dinding tabung dan (b) permukaan zat cair.

Dinding tabung : sebagai bidang batas antara zat cair dan tabung.

Permukaan zat cair : Sebagai bidang batas antara zat cair dan uapnya (u = 180⁰)

Bila zat cair tersebut air dan dindingnya gelas maka :

                                    0 < u < 90⁰

Karena adhesinya lebih besar dari kohesi.

Bila zat cair tersebut air raksa, maka :

                           90⁰ < u < 180⁰

Karena kohesinya lebih besar dari adhesi.

Tegangan Permukaan.

Sebagai akibat dari adanya kohesi zat cair dan adhesi antara zat cair-udara diluar permukaannya, maka pada permukaan zat cair selalu terjadi tegangan yang disebut tegangan permukaan.

Karena adanya tegangan permukaan inilah nyamuk, jarum, pisau silet dapat terapung di permukaan zat cair meskipun massa jenisnya lebih besar dari zat cair.

            Tegangan permukaan dapat dirumuskan sebagai berikut :

g =

                                                                         

           

            F = Gaya yang bekerja.

            L = Panjangnya batas antara benda dengan permukaan zat cair.

            g = Tegangan permukaan.

Satuan :
Besaran	Gaya (F)	L	g
MKS	N	m	N/m
CGS	dyne	cm	Dyne/cm

Untuk benda berbentuk lempeng : panjang batasnya = kelilingnya.

Untuk benda berbentuk bidang kawat : panjang batasnya = 2 x kelilingnya.

Untuk benda berbentuk kawat lurus, juga pada lapisan tipis (Selaput mempunyai 2 permukaan zat cair) panjang batasnya = 2 x Panjang (L).

Miniskus dan Kapilaritas.

Miniskus : Yaitu bentuk permukaan zat cair dalam suatu pipa yaitu cekung atau cembung.

            Makin sempit pipa (Pembuluh) makin jelas kelengkungannya.

Kapilaritas : Yaitu suatu gejala turun atau naiknya zat cair dalam pembuluh yang sempit, jika pembuluh yang kedua ujungnya terbuka ini dimasukkan tegak lurus ke dalam bak yang berisi zat cair.

Sedang pembuluh sempit tersebut tersebut disebut pipa kapiler.

Kenaikan/penurunan permukaan zat cair dalam kapiler dapat dirumuskan sebagai berikut :

									y =

 

                   y

y	=	Kenaikan/penurunan zat cair dalam kapiler
g	=	Tegangan permukaan zat cair
u	=	Sudut kontak
r	=	Massa jenis zat cair
g	=	Percepatan gravitasi
r	=	Jari-jari kapiler.

Hukum Archimedes Untuk Gas.

Balon Udara.

Sebuah balon udara dapat naik disebabkan adanya gaya ke atas yang dilakukan oleh udara.

Balon udara diisi dengan gas yang lebih ringan dari udara mis : H₂, He sehingga terjadi peristiwa seolah-olah terapung.

Balon akan naik jika gaya ke atas F_A$W_tot (berat total) sehingga :

F_n = F_A - W_tot

F_A = r_ud . g . V_balon

W_tot = W_balon + W_gas + W_beban

W_gas = r_gas . g . V_balon

            Keterangan :

FA	=	Gaya ke atas (N)
Fn	=	Gaya naik (N)
rgas	=	Massa jenis gas pengisi balon (kg/m3)
rud	=	Massa jenis udara = 1,3 kg/m3
W	=	Berat (N)
V	=	Volume (m3)