A. Fluida StatisFluida tidak mengalir biasa disebut fluida statis. Pada fluida tidak mengalir, seperti zat

cair yang berada di dalam bejana yang tidak berlubang, terlihat secara langsung atau tidak langsung tentang tidak adanya perpindahan bagian-bagian zat itu.

1. TekananTekanan didefinisikan sebagai gaya yang bekerja pada suatu bidang persatuan luas

bidang itu. Bidang atau permukaan yang dikenai gaya disebut bidang tekan. Gaya yang diberikan pada bidang tekan disebut gaya tekan. Tekanan dirumuskan sebagai berikut.

1 Pa= 1 N/m2 1 atm = 101.325 Pa1 bar = 1,0 x 105 Pa 1 atm = 760 mmHg

2. Tekanan HidrostatisTekanan hidrostatis yaitu tekanan zat cair yang hanya dise'babkan oleh berat zat

cair tersebut. Tekanan hidrostatik dirumuskan sebagai berikut.

Semakin tinggi permukaan zat cair dalam wadah, zat cair . tersebut akan semakin berat sehingga tekanan yang dikerjakan zat cair pada dasar wadah akan semakin besar.

Gambar 2.1 bejana berhubungan dengan bentuk yang berbeda. Tekanan pada bejana dengan bentuk/luas permukaan yang berbeda tetap sama.

a. Tekanan hidrostatis pada bejana berisi gabungan fluidaTekanan hidrostatis di dasar bejana.

p = FA

Keterangan: •p = tekanan, satuannya pascal (Pa) F = gaya tekan, satuannya newton (N) A = luas bidang tekan, satuannya m2

ph = pgh

Keterangan:Ph = tekanan hidrostatik (N/m2 atau Pa)p = massa jenis zat cair (kg/m3)g = percepatan gravitasi (m/s2)h = kedalaman dari permukaan zat cair (m)

Gambar 2.1 Tekanan hidrostatis pada bejana berhubungan

Gambar 2.2 Bejana berisi gabungan fluida

ph = ∑

i = 1

Npi ghi

b. Tekanan hidrostatis pada pipa U berisi gabungan fluidaPada kedalaman yang sama, pada bejana ber- '-I hubungan memiliki tekanan hidrostatik yang sama sehingga berlaku persamaan berikut.

3. Tekanan AbsolutPenunjukan tekanan dalam ruang tertutup oleh alat ukur tekanan disebut tekanan

terukur atau tekanan gauge. Alat ukur tekanan pada alat semprot dinamakan manometer tertutup. Udara di bumi atau yang dinamakan atmosfer memiliki tekanan ke segala arah.

Tekanan atmosfer dapat diukur menggunakah barometer. Tekanan mutlak dirumuskan sebagai berikut.

Keterangan: p = tekanan mutlakpA =pG = tekanan terukur

Tekanan hidrostatik merupakan tekanan terukur. Jekanan mutlak di dalam fluida merupakan jumlah dari tekanan hidrostatik dengan tekanan atmosfer.

4. Tegangan PermukaanTegangan permukaan suatu zat cair didefinisikan sebagai gaya tiap satuan panjang.

Tegangan permukaan zat cair didefinisikan sebagai berikut.Keterangan: γ = tegangan permukaan (N/m2)F = gaya(N)

ℓ = panjang permukaan (m)

Selain pada zat cair, tegangan permukaan juga terjadi pada selaput. Pada selaput tegangan permukaan didefinisikan sebagai gaya yang bekerja pada suatu permukaan persatuan panjang permukaan pada arah tegak lurus terhadap gaya tersebut. Besar tegangan permukaan suatu benda yang dipengaruhi oleh selaput sabun dirumuskan sebagai berikut.

Keterangan: W = berat kawat penutup (N)L = panjang kawat penutup (m)

Gambar 2.3 Tekanan hidrostatis pada pipa U p2 =h1

h2p1

pG = p − p A

p = p0 + pgh

γ = Fℓ

γ = w2 L

γ = tegangan permukaan zat cair (N/m)

5. KapilaritasKapilaritas merupakan peristiwa naik turunnya zat cair dalam pipa kapiler (pipa

sempit). Kapilaritas dipengaruhi oleh adanya gaya kohesi dan adhesi antara zat cair dengan dinding kapiler.

Kenaikan atau penurunah zat cair pada pipa kapiler disebabkan oleh adanya tegangan permukaan yang bekerja pada keliling persentuhan zat cair dengan pipa. Kenaikan atau penurunan zat cair dalam pipa dirumuskan sebagai berikut.

Keterangan:h = kenaikan dan penurunan permukaan fluida dalam pipa kapiler (m)

θ = sudut kontak (derajat)r = jari-jari pipa kapiler (m)p = massa jenis zat cair (kg/m3)g = percepatan gravitasi bumi (m/s2)

6. Hukum-Hukum Dasar Fluida Statika. Hukum Pascal

Bunyi Hukum Pascal"Tekanan yang diberikan pada suatu fluida dalam ruang tertutup diteruskan tanpa berkurang ke tiap titik dalam fluida dan ke dindingbejana"Hukum Pascal dirumuskan sebagai berikut.

Keterangan:

p1 p2 = tekanan pada piston 1 dan 2F1 F2 = flaya tekan pada piston 1 dan 2A1 A2 = luas penampang pada piston 1 dan 2

b. Hukum ArchimedesBunyi Hukum Archimedes"Sebuah benda yang tenggelam seluruhnya atau sebagian dalam suatu fluida diangkat ke atas oleh sebuah gaya yang sama dengan berat fluida yang dipindahkan"Hukum Archimedes dirumuskan sebagai berikut.

Keterangan:FA = gaya ke atas (N)

pF = massa jenis fluida (kg/m3) g = percepatan gravitasi (m/s2)

V 'F = volume fluida yang dipindahkan atau volume benda yang tercelup (m3)

7. Penerapan Hukum Dasar Fluida Statik a. Penerapan Hukum Pascal

1) Dongkrak Hidrolik dan Mesin Hidrolik Pengangkat Mobil

h = 2 γ cos θpgr

p1 = p2 atauF1

A1=

F2

A2

F A = pF gV 'F

Persamaan yang berlaku pada dongkrak hidrolik atau lift (pengangkat) hidrolik yaitu perbandingan gaya yang diberikan untuk mengangkat beban pada dongkrak sama dengan perbandingan luas silinder tekan dengan luas silinder beban.

Prinsip kerja mesin pengangkat mobil (hidrolik)

Rumus yang berlaku pada dongkrak hidrolik dan mesin hidrolik.F1

A1=

F2

A2

Keterangan: F1 = gaya tekan atau gaya yang digunakan untuk mengangkat bebanF2 = berat bebanA1 = luas penampang silinder tekanA2 = luas penampang silinder beban

2) Rem HidrolikPrinsip kerja rem hidrotik sama dengan

prinsip kerja mesin pengangkat mobil atau dongkrak hidrolik. Perbandingan luas silinder utama dengan silinder rem menentukan keuntungan mekanik. Semakin besar keuntungan mekanik, semakin ringan saat menginjak pedal rem.

b. Penerapan Hukum Archimedes1) Mengapung, Melayang, dan Tenggelam

a) MengapungBenda mengapung jika gaya apung lebih besar daripada berat benda.

Syarat benda mengapung:pF > pb

Keterangan:pF = massa jenis fluida (kg/m3)

= massa jenis benda (kg/m3)

b) MelayangBenda akan melayang jika gaya

apung sama dengan berat benda. Syarat benda melayang:

Keterangan:pF = massa jenis fluida (kg/m3)

pb = massa jenis benda (kg/m3)

c) Tenggelam

Benda akan tenggelam jika gaya apung lebih kecil daripada berat benda. Syarat benda tenggelam:

pF < pb

Keterangan:pF = massa jenis fluida (kg/m3)pb = massa jenis benda (kg/m3)

Gambar 2.8 Batu tenggelam di dalam air

2) HidrometerDengan prinsip kerja yang sederhana, hidrometer dapat digunakan untuk

mengukur massa jenis fluida. Dengan cara memasukkan hidrometer ke fluida yang akan diukur massa jenisnya, maka massa jenis fluida dapat diketahui secara langsung.

3) Kapal LautKapal laut dibuat

berongga, sehingga volume kapal menjadi besar, akibatnya

Gambar 2.6 Gabus mengapung di atas permukaan air

pF = pb

Gambar 2.6 Gabus ditancapi paku melayang dalam air

sumber: http://o-fish.com

volume air yang dipindahkan juga besar. Dengan demikian gaya apung kapal juga besar, maka kapal tidak tenggelam. Kapal yang sarat penumpang, volume kapal yang tenggelam akan lebih besar daripada volume kapal kosong.

4) Kapal SelamKapal selam memiliki rongga atau tangki yang dilengkapi dengan katup

air dan katup udara. Supaya dapat tenggelam, maka katup air pada tangki dibuka sehingga air masuk dan udara dikeluarkan melewati katup udara. Akibatnya, kapal bertambah berat sehingga gaya apung lebih kecil dari gaya beratnya, akibatnya kapal menyelam. Sebaliknya untuk dapat muncul iagi di permukaan, air dalam tangki dipornpa dan udara masuk lewat katup udara ke dalamnya. Dengan cara ini gaya apung kapal lebih besar daripada berat kapal, sehingga kapal terapung.

5) Baton UdaraUdara merupakan fluida, sedangkan balon sebagai benda yang melayang

di udara. Sesuai dengan hukum Archimedes, balon yang berisi gas helium (He) memiliki massa jenis lebih kecil dari masa jenis udara pada umumnya, akibatnya balon akan melayang di udara.

sumber: http://o-fish.com

B. Fluida Dinamis

Hidrodinamika merupakan ilmu yang mempelajari tentang fluida bergerak. Sebelum mempelajari fluida bergerak perlu diketahui fluida ideal dan jenis-jenis aliran fluida; .1. Fluida Ideal

Fluida ideal yaitu fluida yang tidak kompresibel, berpindah tanpa mengalami gesekan, dan alirannya stationer.a. Tidak kompresibel, artinya bahwa dengan adanya perubahan tekanan, volume fluida

tidak berubahb. Tidak mengalami gesekan, artinya bahwa pada saat fluida mengalir, gesekan-antara

fluida dengan dinding tempat mengalir dapat diabaikan.c. Aliran stasioner, artinya tiap partikel fluida mempunyai garis alir tertentu dan untuk

luas penampang yang sama mempunyai laju aliran yang sama.

2. Jenis Aliran FluidaAda beberapa jenis aliran fluida. Lintasan yang ditempuh suatu fluida yang sedang

bergerakf disebut garis alir. Berikut ini beberapa jenis aliran fluida.a. Aliran lurus atau laminer yaitu aliran fluida mulus. Lapisan-lapisan yang

bersebelahan meluncur satu sama lain dengan mulus. Pada aliran ini partikel fluida mengikuti lintasan yang mulus dan lintasan ini tidak saling bersilangan. Aliran laminer dijumpai pada air yang dialirkan melalui pipa atau slang,

b. Aliran turbulen yaitu aliran yang ditandai dengan adanya lingkaran-lingkaran tak menentu dan menyerupai pusaran. Aliran turbulen sering dijumpai di sungai-sungai dan selokan-selokan.

Gambar 2.10 Aliran laminar Gambar 2.11 Aliran turbulen

3. Persamaan KontinuitasDebit aliran yaitu besaran yang merupakan laju volume atau jumlah volume fluida

yang mengalir persatuan waktu.

Q = ΔVΔt

Keterangan:Q = debit aliran (m3/s)

ΔV = perubahan volume fluida (m3)

Δt = selang waktu (s)

Mengingat volume fluida yang mengalir merupakan perkalian antara luas penampang dengan jarak aliran fluida debit dapat dirumuskan sebagai berikut.

Q = Av Keterangan:A = luas penampang pipa (m2) v = faju aliran fluida (m/s)

Berdasarkan persamaan kontinuitas menyatakan bahwa debit aliran fluida selalu konstan.

A1 v1 = A2 v2 = . . . = AN vN

Av = konstan

4. Hukum Bernoulli Hukum Bernoulli menyatakan hubungan besaran fluida dalam pipa antara tekanan,

ketinggian, dan laju dinamika. Hukum Bernoulli dirumuskan sebagai berikut.

p + pgh +

12 pv2 = konstan

Keterangan:p = tekanan (Pa)p = massa jenis fluida (kg/m3)h = tinggi pipa (m)v = laju fluida (m/s)g = percepatan gravitasi bumi (m/s2)

5. Penerapan Hukum Dasar Fluida Dinamis pada Masalah Fisika Sehari-hari

a. Persamaan Kontinuitas1) Slang Penyemprotan

Ujung slang ditekan yang berarti memperkecil penampang agar diperoleh laju aliran yang lebih besar.

2) Penyempitan Pembuluh DarahPada pembufuh darah yang mengalami penyempitan, laju aliran darah pada

pembuluh yang menyempit akan lebih besar daripada laju aliran pada pembuluh normal.

b. Penerapan Hukum Bernoulli1) Teorema Toricelli (laju efflux)

v = √2ghKeterangan:v = laju air (m/s)h = ketinggian (m)g = percepatan gravitasi bumi (m/s2)

Laju air yang menyembur dari lubang sama dengan air yang jatuh bebas dari ketinggian h. Laju air yang menyembur dari lubang dinamakan laju efflux. Fenomena ini dinamakan dengan teorema Toricelli.

2) Efek VenturiEfek Venturi terjadi pada fluida yang mengalir melalui sebuah pipa yang

menyempit kemudian melebar' lagi pada ketinggian yang sama.Efek Venturi menyatakan: Bila laju fluida bertambah, tekanan berkurang.

Efek Venturi dirumuskan sebagai berikut.

Gambar 2.11Aliran fluida mempunyai debit yang konstan

Gambar 2.13 Pancuran air pada tangki

p +

12 ρ v2 = konstan

Keterangan:p = tekanan (Pa)ρ = massa jenis fluida (kg/m3)v = laju fluida (m/s)

3) VenturimeterVenturimeter merupakan alat pengukur laju aliran suatu fluida dalam

sebuah pipa. a) Venturimeter dengan manometer

Laju fluida yang mengalir dapat dihitung dengan persamaan berikut.

v1 = A2 √ 2 ρH g gh

ρF( A12 − A2

2 )Keterangan:V1 = laju fluida pada penampang besar (m/s)A1 = luas penampang besar (m2)A2 = luas penampang kecil (m2)ρF = massa jenis fluida (kg/m3)ρ Hg = massa jenis Hg (kg/m3)h = selisih tinggi permukaan Hg (m)

b) Venturimeter tanpa manometerLaju fluida yang mengalir dihitung dengan persamaan berikut.

v1 = A2 √ 2 ΔpρF( A1

2 − A22 )

Keterangan:V1= laju fluida pada penampang besar (m/s)ρF = rriassa jenis fluida (kg/m3)Δp = selisih tekanan (N/m2)A1= luas penampang besar (m2)A2 = luas penampang kecil (m2)

4) Tabung pilotTabung pitot merupakan alat

yang digunakan untuk mengukur laju aliran suatu gas atau udara. Alat ini dilengkapi dengan manometer . raksa. Dengan mengetahui perbedaan ketinggian raksa pada kedua kaki manometer, aliran gas dapat ditentukan kelajuannya.

Kelajuan aliran fluida dirumuskan sebagai berikut.

v = √ 2 g h ρρ

Keterangan:v = kecepatan aliran udara (m/s)g = percepatan gravitasi (m/s2)

Gambar 2.14 Pipa venturi

Gambar 2.15 Venturimeter dengan manometer

Gambar 2.16 Venturimeter tanpa manometer

Gambar 2.17 Pipa pilot

h = beda tinggi zat cair dalam kaki manometer (m)p = massa jenis udara yang mengalir (kg/m3)p' = massa jenis zat cair dalam manometer (kg/m3)

5) PenyemprotPada alat penyemprot obat nyamuk dan parfum, saat batang pengisap (A)

ditekan, udara akan mengalir dengan kecepatan tinggi dan melewati di mulut pipa B. Akibatnya, tekanan di ujung B menjadi kecil. Perbedaan tekanan ini mengakibatkan cairan di dalam tangki (C) naikdan dihamburkan dengan halus oleh aliran udara dari tabung pengisap (B) seperti tampak pada gambar.

6) Gaya Angkat pada Pesawat TerbangPesawat terbang dapat terangkat

ke udara karena kelajuan udara yang melalui sayap pesawat bagian sisi atas lebih besar daripada bagian sisi bawah. Pada penampang sayap pesawat terbang, bagian belakang lebih datar dan sisi bagian atas lebih melengkung daripada sisi bagian bawahnya. Keadaah ini mengakibatkan garis arus bagian atas lebih rapat daripada bagian bawahnya. Hal ini berarti kecepatan aliran udara pada bagian sisi atas (v2) lebih besar daripada sisi bagian bawah sayap (v1). Sehingga tekanan bagian atas (p2) lebih kecil daripada fekanan pada bagian bawah (p1). Perbedaan tekanan ini (p1 - p2) menimbulkan gaya angkat, yang besarnya dirumuskan dengan persamaan sebagai berikut.

F1 – F2 = (p1 – p2) A

Oleh karena p1 - p2 =

12 ρ(v2

2 – v12), persamaan di atas dapat ditulis sebagai

berikut.

F1 - F2 =

12 ρ(v2

2 – v12) A

Keterangan:F1= gaya pada bagian bawah sayap (N)F2 - gaya pada bagian atas sayap (N)ρ - massa J6nis udara (kg/m3)v1= kelajuan udara bagian bawah sayap (m/s)v2 = kelajuan udara bagian atas sayap (m/s)A = luas penampang sayap (m2)

Agar pesawat dapat terangkat ke atas/ke udara, gaya angkat pesawat harus lebih besar daripada berat pesawat.

F1 – F2 > m g

Gambar 2.18 Skema alat penyemprot obat nyamuk

Gambar 2.19 Gaya angkat pesawat terbang

Agar pesawat melayang dengan ketinggian tetap, gaya angkat pesawat sama dengan gaya berat.

F1 – F2 = m g