Daftar isi
Pengertian Fluida
Fluida merupakan zat yang bisa mengalir dan berubah bentuk atau bisa dimampatkan apabila diberi tekanan. Zat yang termasuk ke dalam fluida adalah zat cair dan gas.
Jenis Fluida
Fluida ada dua jenis, yaitu fluida yang tidak mengalir (statis) dan fluida yang mengalir (dinamis)
Fluida Tak Mengalir (Statis)
Fluida statis adalah fluida yang berada dalam kondisi diam atau tidak bergerak atau dalam keadaan bergerak tetapi dengan kecepatan yang sama sehingga tidak terjadi gaya geser antar partikel-partikelnya.
Contoh dari fluida statis adalah air diam yang berada di dalam bak mandi.
Fluida memiliki sifat-sifat fisis yang mudah diamati ketika fluida dalam keadaat statis. Sifat-sifat fisis fluida antara lain:
- Massa jenis
- Tegangan permukaan
- Kapilaritas
- Viskositas
Beberapa perlu diketahui terkait dengan fluida statis antara lain:
Tekanan Hidrostatis
Tekanan hidrostatis terjadi akibat gaya berat fluida yang ada di atas suatu titik di dalam fluida. Rumus dari tekanan hidrostatis adalah:
Keterangan:
Ph = tekanan hidrostatis (N/m’)
ρ = massa jenis fluida (kg/m3)
g = percepatan gravitasi (m/s2)
h = kedalaman titik dari permukaan fluida (m).
Contoh soal:
Sebuah tabung setinggi 20 cm penuh berisi air dengan massa jenis 1.000 kg/m3. Hitunglah tekanan hidrostatis di dasar tabung bila percepatan gravitasi adalah 10 m/s2.
Jawab:
h = 20 cm = 0,2 m
ρ = 1000 kg/m3
g = 10 m/s2
Ph = ρ x g xh = 1000 x 10 x 0,2 = 2.000 N/m2
Tekanan Total
Tekanan total adalah tekanan yang melibatkan perhitungan udara luar. Tekanan total biasa juga disebut dengan tekanan mutlak. Rumusnya adalah:
Keterangan :
Po adalah tekanan udara luar (1 atm = 1,013 x 105 N/m2)
PA adalah tekanan total / tekanan mutlak di titik A
Contoh soal :
Tentukanlah tekanan total di bawah permukaan air dengan kedalaman 10 cm jika tekanan udara luar adalah 1 atm dan percepatan gravitasi adalah 10 m/s2.
Jawab:
PA = Po + ρ x g xh = 1,013 x 105 + 1000 x 10 x 0,1 = 1,023 x 105 N/m2
Hukum Pascal
Hukum Pascal menyatakan bahwa :
“Tekanan yang diberikan pada zat cair di dalam ruang tertutup akan diteruskan oleh zat cair itu ke segala arah dengan sama besar”
Secara matematis, rumus hukum pascal adalah:
Dimana:
F1 adalah gaya pada pipa 1
A1 adalah luas penampang pipa 1
F2 adalah gaya pada pipa 2
A2 luas penampang pipa 2
Contoh pemanfaatan hukum pascal adalah pada alat dongkrak hidrolik, mesin pres hidrolik, rem hidrolik, dan mesin hidrolik untuk mengangkat mobil.
Contoh soal:
Dua buah penghisap dari alat hidrolik mempunyai luas penampang masing-masing sebesar 2x 10-1 m2 dan 4 x 10-4 m2. Alat tersebut akan digunakan untuk mengangkat sebuah mobil yang beratnya 3 x 104 N. Hitunglah gaya yang harus diberikan kepada penghisap yang lebih kecil!
Jawab:
Hukum Archimedes
Berdasar hukum archimedes yang berbunyi:
“Sebuah benda dicelupkan pada zat cair maka benda tersebut akan mendapatkan gaya ke atas atau gaya apung sebesar berat zat cair yang dipindahkan”.
Maka persamaan hukum ini bisa dituliskan sebagai berikut :
Dimana:
FA adalah gaya tekan ke atas (N)
ρt adalah massa jenis fluida (kg/m3)
Vbf adalah volume benda yang tercelup ke dalam fluida (m3)
g adalah percepatan gravitasi (m/s2)
Ada tiga kondisi benda yang tercelup ke dalam fluida, yaitu:
- Terapung, yaitu apabila benda yang tercelup ke dalam fluida memiliki massa jenis lebih kecil daripada massa jenis fluida ( ρb < ρf).
- Melayang, yaitu apabila massa jenis benda yang dicelupkan ke dalam fluida sama dengan massa jenis fluida tersebut ( ρb = ρf).
- Tenggelam, yaitu apabila massa jenis benda yang dicelupkan ke dalam fluida lebih besar dibandingkan massa jenis fluida tersebut (ρb > ρf).
Adapun persamaannya adalah sebagai berikut :
Keterangan :
Vbf = Volume benda yang tercelup ke dalam fluida (m3)
Vb = Volume benda (m3)
hbf = tinggi benda yang tercelup ke dalam fluida (m)
hb = tinggi benda (m)
ρb = massa jenis benda (kg/m3)
ρf = massa jenis fluida (kg/m3)
Contoh soal:
Sebuah balok dimasukkan ke dalam air sehingga menenggelamkan ¾ bagian dari balok. Tentukan massa jenis dari balok tersebut!
Jawab:
Kapilaritas
kapilaritas merupakan peristiwa naik turunnya permukaan zat cair dalam sebuah pipa kapiler.
Persamaan dari kapilaritas adalah sebagai berikut:
Keterangan:
h = kenaikan atau penurunan zat cair dalam pipa kapiler (m)
ɤ= tegangan permukaan zat cair (N/m)
g = percepatan gravitasi (m/s2)
r = jari-jari alas pipa (m)
Contoh Soal:
Sebuah pipa dengan jari-jari 0,5 cm dimasukkan dengan posisi vertikal ke dalam air dengan sudut kontak 60˚. Apabila tegangan permukaan pada air adalah 0,5 N/m dan percepatan gravitasi adalah 10 m/s2. Tentukanlah ketinggian air yang naik ke dalam pipa tersebut!
Jawab:
Fluida Mengalir (Dinamis)
Fluida dinamis adalah fluida yang mengalami pergerakan secara kontinyu atau terus menerus terhadap sekitarnya.
Fluida ideal adalah fluida yang:
- Incompressible (tidak kompresibel), yakni massa jenis dan volumenya tidak berubah akibat tekanan yang diberikan.
- Fluida berpindah tanpa mengalami gesekan dengan dinding pipa dimana fluida mengalir.
- Aliran fluida bersifat stasioner, yakni kecepatan alirannya di sembarang titik berubah terhadap waktu. Dengan kata lain selama mengalir tidak ada fluida yang akan mendahului atau memotong titik lainnya.
Beberapa hal yang perlu diketahui terkait dengan fluida dinamis adalah:
Debit dan Persamaan Kontinuitas
Debit adalah banyaknya volume fluida yang mengalir melalui sebuah penampang tiap satuan waktu.
Persamaan debit secara matematis adalah:
Keterangan:
Q = Debit aliran fluida (m3/s)
V = Volume fluida yang mengalir (m3)
t = waktu (s)
A = Luas penampang fluida (m2)
Adapun persamaan perbandingan antara dua penampang adalah :
Contoh soal:
Sebuah pipa memiliki ujung-ujung penampang yang masing-masing ukurannya adalah 100 mm2 dan 200 mm2. Pipa tersebut dialiri air dari penampang yang lebar ke penampang yang kecil. Jika kecepatan aliran air pada saat di penampang besar adalah 2 m/s, maka tentukan:
- Berapa kecepatan aliran air saat di penampang kecil?
- Berapa banyaknya volume air yang mengalir tiap menit?
Jawab :
1. Kecepatan aliran air
A1 x V1 = A2 x V2
200 x 2 = 100 x V2
Maka = 4 m/s
2. Volume air
Hukum Bernoulli
Hukum Bernoulli menyebutkan bahwa jumlah tekanan, energi potensial, dan energi kinetik per satuan volume mempunyai nilai yang sama di tiap titik di sepanjang aliran fluida ideal.
Adapun persamaannya bisa dituliskan sebagai berikut:
Keterangan :
P = tekanan (N/m2)
V = kecepatan aliran fluida (m/s)
g = percepatan gravitasi (m/s2)
h = ketinggian pipa dari tanah (m)
ρ = massa jenis fluida (kg/m3)
Terkait dengan hukum Bernoulli, perlu juga diketahui tentang gaya angkat pada sayap pesawat dan teorema Toricelli.
- Gaya angkat pada sayap pesawat
Besarnya gaya angkat sayap pesawat terbang dirumuskan sebagai berikut:
Keterangan :
F1-F2 = Gaya angkat pesawat terbang (N)
A = Luas penampang pesawat (m2)
V1 = Kecepatan udara di bagian bawah sayap pesawat (m/s)
V2 = Kecepatan udara di bagian atas sayap (m/s)
ρ = Massa jenis fluida (kg/m3)
Contoh soal:
Sebuah pesawat terbang dengan luas permukaan sayap 50 m2 dengan kecepatan tertentu sehingga udara mengalir melalui bagian atas sayap dengan kelajuan 320 m/s dan melalui bagian bawah sayap dengan kelajuan 300 m/s. Tentukan besar gaya angkat pada sayap pesawat tersebut jika massa jenis udara adalah 1,3 kg/m3
Jawab:
- Teorema Toricelli
Dalam teorema toricelli dinyatakan bahwa diameter lubang kebocoran pada dinding suatu tangki sangat kecil dibandingkan dengan diameter tangki, kelajuan air yang keluar dari lubang tersebut sama dengan kelajuan yang didapat jika air jatuh bebas dari ketinggian “h”.
Persamaannya adalah sebagai berikut:
Untuk kecepatan aliran air saat pertama kali keluar adalah:
Adapun jarak horizontal jatuhnya air ke tanah adalah:
Contoh Soal:
Sebuah tempat penampungan air yang diletakkan dengan ketinggian 6,8 m dari tanah mengalami kebocoran pada bagian dasarnya. Jika jarak kebocoran dengan tanah adalah 5m dan percepatan gravitasi adalah 10 m/s2. Maka tentukanlah kecepatan aliran air yang bocor serta jarak maksimal pancaran air di tanah!
Jawab:
