AhmadDahlan. Net – Pernahkah kalian memperhatikan air yang keluar dari sebuah selang? Jika kalian perhatikan, air tersebut bergerak dari sebuah kerang menuju ujung selang. Air yang keluar dari selang merupakan salah satu contoh dari penerapan fluida dinamis. Berikut penjelasan lebih lengkap mengenai fluida dinamis.
A. Pengertian Fluida Dinamis
Fluida dinamis merupakan fluida yang bergerak. Terdapat beberapa ciri dari fluida dinamis, yaitu :
fluida dianggap tidak kompresibel
fluida diasumsikan bergerak tanpa gesekan walaupun ada gerakan materi
aliran fluida memiliki kecepatan dan arah gerak partikel yang tetap.
memiliki kecepatan yang tetap dan membentuk aliran laminer
B. Persamaan Fluida Dinamis
1. Debit fluida
Debit merupakan laju aliran fluida. Secara umum, debit fluida memiliki persamaan :
Q=\frac{V}{t}
Keterangan, Q : debit fluida (m3/s) V : volume fluida (m3) t : waktu (s)
2. Azas Kontinuitas
Azas Kontinuitas menyatakan bahwa fluida yang mengalir dalam keadaan tunak (konstan) akan memiliki laju aliran yang sama di setiap titik nya. Secara umum persamaan kontinuitas dituliskan sebagai berikut :
A_1v_1=A_2v_2
Keterangan, A1 : luas penampang 1 (m2) v1 : kecepatan aliran fluida di penampang 1 (m/s) A2 : luas penampang 2 (m2) v2 : kecepatan aliran fluida di penampang 2 (m/s)
3. Azas Bernoulli
Azas Bernoulli menyatakan bahwa kecepatan fluida yang meningkat akan menurunkan tekanan pada fluida tersebut. Secara umum azas Bernoulli memiliki persamaan :
P_1+ρgh_1+\frac12ρv_1^2=P_2+ρgh_2+\frac12ρv_2^2
Keterangan, P : Tekanan (Pa) ρ : massa jenis fluida (kg/m3) g : percepatan gravitasi (m/s2) h : ketinggian fluida (m) v : kecepatan fluida (m/s)
C. Contoh Soal
Air mengalir dari pipa yang berjari jari 3 cm dan keluar melalui sebuah keran yang berjari jari 1 cm. Jika kecepatan air keluar keran 3 m/s. berapakah kecepatan air dalam pipa?
Pembahasan
Dik : rpipa = 3 cm = 0,03 m rkeran = 1 cm = 0,01 m vkeran = 3 m/s
AhmadDahlan.Net – Pernahkah kalian menyelam atau berenang? Tahukah kalian, berenang di permukaan jauh lebih mudah daripada kalian berenang pada kedalaman tertentu. Hal ini karena tekanan hidrostatis pada permukaan air lebih rendah dari pada tekanan di dalam air. Semakin dalam kita berenang, semakin besar pula tekanan hidrostatisnya. Berikut penjelasan yang lebih lengkap mengenai tekanan hidrostatis.
A. Pengertian Tekanan Hidrostatis
Tekanan hidrostatis merupakan tekanan yang dikerahkan oleh fluida pada setiap titik karena adanya gaya gravitasi. Tekanan hidrostatis dipengaruhi oleh massa jenis fluida. Selain itu, tekanan hidrostatis juga dipengaruhi oleh kedalaman benda dari permukaan fluida. Semakin besar kedalaman dari fluida, semakin besar pula tekanan hidrostatisnya.
Penerapan konsep dari tekanan hidrostatis ini dapat dilihat dari penempatan botol infus di tempat yang tinggi. Semakin tinggi penempatan botol infus, semakin besar tekanan yang terjadi, sehingga dapat mempermudah cairan infus masuk kedalam aliran darah.
B. Persamaan Tekanan Hidrostatis
Pada bejana tertutup atau ketika tekanan atmosfer diabaikan, tekanan hidrostatis dapat dihitung menggunakan persamaan :
P_h=ρ×g×h
keterangan, P : tekanan (Pa) ρ : massa jenis (kg/m3) g : percepatan gravitasi (m/s2) h : ketinggian (m)
Untuk menghitung tekanan hidrostatis pada daerah atau tempat terbuka seperti danau, laut, dan sebagainya digunakan persamaan :
P_t=P_0+ρgh
keterangan, Pt : tekanan hidrostatis total (Pa) P0 : tekanan atmosfer (105 Pa) ρ : massa jenis (kg/m3) g : percepatan gravitasi (m/s2) h : ketinggian (m)
C. Contoh Soal
Seorang penyelam menyelam hingga kedalaman 2 m di dalam laut. Apabila massa jenis dari air laut adalah 1000 kg/m3, hitunglah besar tekanan yang dirasakan penyelam tersebut!
Pembahasan
Dik : h = 2 m ρ = 1000 kg/m3
Dit : Ph = ?
Pembahasan :
P_t=P_0+ρgh
P_t=10^5\ Pa+(1000\ kg/m^3)(10\ m/s^2)(2\ m)
P_t=10^5\ Pa+20000\ Pa
P_t=10^5\ Pa+0,2×10^5\ Pa
P_h=1,2×10^5\ Pa
Jadi tekanan yang dirasakan oleh penyelam tersebut adalah 1,2 × 105 Pa
AhmadDahlan.Net – Fluida merupakan bentuk zat yang dapat mengalir, contohnya seperti air, atau gas. Fluida sendiri memiliki 3 jenis aliran yang berbeda, yaitu aliran laminer, aliran turbulen, dan aliran transient. Untuk menentukan jenis aliran pada fluida, kita dapat menggunakan Bilangan Reynolds. Adapun pembahasan lebih lanjut mengenai Bilangan Reynolds adalah sebagai berikut.
A. Pengertian
Bilangan Reynolds merupakan rasio antara gaya inersia terhadap viskositas fluida yang dapat digunakan untuk mengidentifikasi jenis aliran pada fluida. Bilangan Reynolds diusulkan oleh Osborne Reynolds (1842 – 1912) pada tahun 1883.
Osborne Reynolds
Bilangan Reynolds dapat dihitung menggunakan rumus :
Re = \frac{ρ. υ.d}{μ}
atau
Re = \frac{ υ.d}{ν}
dimana, Re = bilangan Reynolds ρ = massa jenis fluida (kg/m3) υ = kecepatan aliran fluida (m/s) d = diameter pipa (m) μ = viskositas fluida (kg/m.s) ν = viskositas kinematik fluida (ν = μ/ρ)
Apabila diperoleh bilangan Reynolds kurang dari 2100 maka fluida memiliki jenis aliran laminer. Apabila diperoleh bilangan Reynolds lebih besar dari 4000 maka fluida memiliki jenis aliran turbulen. Tetapi, apabila diperoleh bilangan Reynolds diantara 2100 sampai 4000 maka fluida memiliki jenis aliran transient.
B. Contoh Soal Bilangan Reynolds
Diketahui air dengan aliran laminer, mengalir melalui sebuah pipa dengan diameter 20 mm. Apabila diketahui viskositas air adalah 0,001 kg/m.s, maka berapakah kecepatan aliran air yang melalui pipa tersebut?
Penyelesaian
Diketahui : d = 20 mm = 0,02 m ρ = 1000 kg/m3 (massa jenis air) μ = 0,001 kg/m.s Re = 2000 (jenis aliran laminer)
Ditanyakan : υ = ? (kecepatan aliran air)
Penyelesaian : Re = (ρ.υ.d)/(μ) 2000 = (1000 kg/m3.υ.0,02 m) / (0,001 kg/m.s) (2000)(0,001 kg/m.s) = (1000 kg/m3)(υ)(0,02 m) υ = (2000)(0,001 kg/m.s) / (1000 kg/m3)(0,02 m) υ = (2 kg/m.s) / (20 kg/m2) υ = 0,1 m/s
Jadi, kecepatan aliran air yang melalui pipa tersebut adalah 0,1 m/s
AhmadDahlan.NET – Hukum Archimedes adalah hukum yang membahas mengenai gaya apung yang dialami oleh sebuah benda yang berada dalam sebuah fluida statis. Hukum ini dikemukakan pertama kali oleh Archimedes (187 SM – 212 SM) saat diminta membuktikan sebuah mahkota terbukti terbuat dari emas atau dicampur.
A. Hukum Archimedes
Hukum Archimedes ditemukan oleh Archimedes pada saat Raja Hieron II curiga jika mahkota yang ia kenakan tidaklah terbuat dari emas murni tapi dicampur dengan perak. Hanya saja sang raja tidak tahu cara membuktikan prasangkanya tersebut. Raja Hioeron II kemudian memerintahkan Archimedes sebagai seorang Academis untuk membuktikan prasangkanya.
Suatu hari ketika Archimedes pergi ke permandian dan meceburkan dirinya ke dalam sebuah bak mandi yang berisi penuh air. Saat ia menceburkan dirinya ia memperhatikan ternyata sejumlah air tumpah keluar dari bak manid saat dirinya masuk ke dalam bak mandi. Dari kejadian ia terinpirasi menemukan jawabannya dan akhirnya bertieriak Eureka!!, Eureka!! yang berarti “saya temukan!!!”
Ia menemukan bahwa ketika sebuah benda dicelupkan sebagaian atau seluruhnya ke dalam fluida maka benda tersebut akan mendapatkan gaya apung sebesar berat zat cair yang dpindahkan.
F_{apung} = W_{fluida}
Dari penemuan ini Archimedes berhasil membuktikan jika Mahkota tersebut dicampur dengan perak dan hasilnya si pembuat mahkota pun dihukum Mati.
1. Merumuskan Hukum Archimedes
Archimedes telah menjelaskan bahwa besar gaya apung yang dialami oleh sebuah sama besar berat zat cair yang dipindahkan
F_{apung} = W_{f}
F_{apung} = m_{f}.g
dimana m = ρV, sehingga
F_{apung} = \rho_{f} g V_{f}
dimana
ρ = Massa jenis zat cair (kg/m3) g = Percepatan Gravitasi Bumi (m/s2) V = Volume benda (m3)
Tinjauan Lain Hukum Archimedes
Pada beberapa kasus kemungkinan untuk mengukur berat air yang dipindahkan mungkin sulit untuk dilakukan jika ketinggian air masih jauh dari bibir wadah. Misalkan kondisi benda seperti pada gamba di bawah ini
Pada gambar di atas menunjukkan sebuah kotak yang tenggal dalam sebuah fluida akan mendapatkan tekanan ke dari segala arah. Balok ini memiliki 6 sisi permukaan pada masing-masing sisi. Karena berada pada kedalam yang sama maka tekanan dari sisi belakang akan saling meniadakan dengan sisi depan dan tekanan, begitu pula dengan tekanan dari sisi kiri akan saling meniadakan dengan sisi depan.
Tekanan yang berbeda hanya terjadi pada sisi atas dan bahwa karena keduanya beradap pada ketinggian berbeda. Besar tekanan tersebut adalah
P = \rho g h
Tekanan yang bekerja pada luas permukaan akan menghasilkan gaya dimana
F = PA
dengan demikian gaya apung pada benda di atas dapat ditulis sebagai berikut :
F_{apung}= F_2-F_1
F_{apung}= P_2A-P_1A
F_{apung}= (\rho g h_2-\rho g h_1)A
F_{apung}= \rho gA( h_2- h_1)
perhatikan suku h2-h1 tidak lain adalah tinggi benda dengn demikin A(h2-h1) adalah volume benda itu sendiri sehingga :
F_{apung} = \rho g V
2. Tenggelam, Mengapung dan Melayang
Posisi sebuah benda yang berada dalam sebuah fluida ditentukan oleh Gaya yang bekerja pada benda tersebut. Misalnya pada saat benda tengelam, maka gaya berat benda lebih besar dari gaya apung, sedangkan pada benda melayang dan mengapung gaya apung dan gaya berat sama. Hal ini bisa diilustrasikan pada gambar di bawah ini !
a.Syarat benda Tenggelam
Gaya yang bekerja pada benda tenggelam :
F_a+N = w_b
Karena N adalah suku yang membuat kondisi benda tenggelam memenuhi hukum I Newton (ΣF=0), Dengan demikian
F_a < w_b
menurut hukum Archimedes Gaya apung (Fa) berasal dari berat fluida yang dipindahkan, maka
\rho_f g V_f< m_bg
karena mb = ρVb, maka
\rho_aV_a < \rho_bV_b
Volume fluida (Vf) yang pindahkan itu akan sama dengan Volume benda (Vb) itu sendiri maka, syarat untuk benda bisa tenggelam :
\rho_f< \rho_b
b. Syarat benda Melayang
Pada kondisi benda melayang dalam keadaan di fluida statis. Berlaku juga hukum Newton I yakni (ΣF=0), sehingga
F_a = w_b
dengan demekian dapat dismpulkan jika syarat benda melayang adalah
\rho_f= \rho_b
c. Syarat benda Terapung
Pada saat betada pada posisi terapung, Gaya apung fluida tidaklah lebih besar dari gaya berat (Fa > wb), karena persamaan ini akan gagal menunjukkan kejadian benda diam dipermukaan. Jika Fa lebih besar dari wb maka benda akan meluncur ke atas.
Kondisi Fa > wb hanya berlaku pada saat benda meluncur ke permukaan fluida. Segera setelah sampai di permukaan, Fa akan sama dengan wb. Perbedaanya gaya Fa akan berkurang karena tidak semua volume benda tenggelam di dalam fluida hanya melainkan hanya sebagian saja dari volume benda secara utuh.
Secara matematis dapat ditulis sebagai berikut :
F_a = w_b
Volume benda yang tercelup hanya sebagaian, sehingga Vf dalam kasus berbeda dengan Vb. Kita sebut saja nVb = Vf, dimana n adalah persentasi volume benda yang tercelup dengan nilai 0 > n ≥ 1.
\rho_f g V_f= m_bg
gantikan nilai mb dengan mb = ρVb dan Vf = nVb, maka
\rho_f g nV_b= \rho_bgV_b
eliminasi unsur yang sama
n.\rho_f = \rho_b
Perhatikan unsur n yakni 0 > n > 1 sehingga nilanya haru lebih besar dari 0 dan maksimal 1, sehingga syaratnya tidak lain adalah :
\rho_f > \rho_b
Dari tiga kondisi benda tenggelam, melayan dan terapung pada fluida statis, syaratnya ditentukan perbandingan massa jenis rata-rata benda dan massa jenis fluida.
Dzargon – Fluida Dinamis adalah cabang fisika yang mempelajari fenomena dari pergerak zar cair dan gas. Fokus dari pembahasan Fluida dinamis berpusat pada pengaruh gaya terhadap pergerak dari Fluida. Perkembangan dari kajian Fluida Dinamis termasuk pada Arus Samudra, Pola Perubahan Cuaca, Gempa Tektonik, Aliran Darah dan beberapa ilmu aplikasi pada bidang tehnis dan kesehatan.
Fluida Dinamis juga menyumbang banyak prinsip dalam pengembangan pada teknologi mesin roket, mesin jet, Turbin Tenaga Angin, Pipa Pelumas Mesin, Radiator, baling-baling helikopter, sayap pesawat terbang, spoit, dan Pendingan Ruangan atau Refrigerator.
A. Aliran Fluida
Aliran Fluida secara umum menurut pada pergerakan dari partikel-partikel yang ada pada gas dan cairan. Aliran ini ditinjau dari lengkungan dan faktor fisis disekitar aliran fluida itu sendiri. Sebagai contoh aliran air yang mengalir pada pada sebuah kanal akan berbeda dengan aliran yang mengalir pada sebuah pipa.
Aliran-aliran flluida ini bisa saja dalam bentuk stabil yakni bergerak dengan kecepata tetap. Artinya volume air yang dipindahkan akan selalu sama sepanjang waktu. Aliran yang kedua adalah aliran tidak stabil dimana volume air yang mengalir tidak seragam atau terjadi perubahan kecepatan yang rambang.
Aliran fluida ini juga bisa dikelompokkan berdasarkan sifat alirannya yakni laminar dan turbelen. Laminar adalah aliran fluida yang halus / lembut sedangkan turbelen adalah aliran fluida yang sifatnya berantakan dan kacau (chaos). Faktor fisis yang mempengaruhi aliran dari sebuah fluida adalah viskositas atau kekentalan zat cair. Semakin besar viskositas akan membuat tendesi mengalir secara laminar lebih besar.
1. Laju Aliran
Misalkan sebuah pipa dilalui oleh sejumlah air dalam dengan aliran luminar. Selanjutnya kita memilih sebuah titik dari pipa tersebut sebagai acuan. Sebut saja titik O, sejumlah fluida bermassa m melewati titik tersebut sampai ke titik P seperti ilustrasi di bawah ini!
Sejumlah massa fluida (Δm) dalam selang waktu (Δt), sehingga laju fluida dalam pipa tersebut dapat dihitung :
laju \ fluida = \frac{\Delta m}{\Delta t}
Jika massa (m) dari fluida adalah ρV, maka persamaan ini dapat ditulis sebagai berikut :
perhatikan penampang pipa memiliki luas A, massa air yang mengalir dapat dihitung dari perpindahan fluida di dalam pipa, sehingga ΔV tidak lain adalah A(Δl) dan Δl/Δt adalah kecepatan (v), jadi persamaan Δm/Δt dapat ditulis
Perhatikan jumlah fluida yang mengalir dari titik O ke titik P adalah jenis yang sama. Kita tukar titik O disebut sebagai titik 1 dan P adalah titik 2 sehingga bisa disimpulkan bahwa
ρA_1v_1 = ρA_2v_2
A_1v_1 = A_2v_2
Persamaan ini disebut persamaan Kontinuitas. Mari kita tinjau persamaan awal ρΔV/Δt yakni ΔV/Δt adalah
ΔV/Δt ini adalah jumlah dari air yang mengalir dari sisi volume dalam satuan waktu yang selanjutnya disebut sebagai debit air (Q), dengan demikin Hukum Kontinuitas juga bisa ditulis sebagai berikut :
Q_1=Q_2
Aplikasi Persamaan Kontinuitas
Persamaan kontinuitas berlaku pada semua aliran air yang ada di Pipa selama aliran tersebut luminar. Termasuk untuk pipa yang ukuran berbeda. Asumsikan saja sejumlah air melewati sebuah pipa dengan luas penampang berbeda.
Pada pipa ini jumlah aliran yang mengalir, debit (Q) di titik 1 akan sama dengan di titik 2 sesuai dengan hukum Kontinuitas.
Q_1=Q_2
A_1v_1 = A_2v_2
Dengan demikin dapat disimpulkan jika luas penampang dari sebuah pipa maka kecepatan aliran fluida akan meningkat atau semakin cepat.
Aplikasi dari hukum kontinuitas dapat dilihat pada saat menyiram bunga dengan selang. JIka bunga terlalu jauh biasanya kita akan menekan ujung selang agar luas penampang semakin kecil sehingga jangkauan air semakin jauh. Jauh jangkauan dari air berasal dari kecepatan yang tinggi.
2. Persamaan Bernaulli
Debit air yang mengalir pada sebuah pipa datar dapat ditinjau secara kuantitatif dengan hukum kekekalan energi. Asumsinya adalah gerakan air di dalam pipa sifatnya luminar sehingga bisa dianggap tidak ada perubahan bentuk pada gerakan tersebut baik karena gaya gesek dan vektor rata-rata gerakan air karena aliran turbulence. Keadaan energi mekanik pada satu titik akan sama di titik lain dengan demikian Q1 akan sama dengan Q2.
Sekarang mari kita rubah sedikit bentuk penampang pipa dimana pipa mengalirkan air pada ketinggi dan luas penampang berbeda. Seperti pada gambar di bawah ini.
Mari kita tinjau keadaan fluida dinamis pada pipa dengan kondisi sebut saja kondisi di h1 dan kondisi di h2 agar sesuai dengan gambar. Asumsi yang digunakan sama dengan penjelasan sebelumnya yakni aliran yang terjadi sifatnya luminar sehingga sehingga tidak akan ada perubahan energi ke bentuk lain.
Fenomena ini pertama kali diamati secara kuantitatif oleh Bernoulli, Fisikawan Swiss pada abad 18 dan menemukan bahwa energi mekanik dari aliran fluida pada titik-titik di pipa ini akan selalu sama dengan parameter energi mekanik adalah tekanan fluida. Dengan demikian dapat dituliskan dalam bentuk persamaan
P + \frac{1}{2}\rho v^2+\rho gh= C
dimana C adalah konstan. Dengan demikian, kasus yang ada pada gambar dapat dianalsisis dengan persamaan berikut :
AhmadDahlan.NET – Fluida Statis adalah bidang kajian Mekanika Fludia yang membahas mengenai pengaruh gaya pada fluida dalam keadaan diam.
A. Rangkuman Materi Fluida Dinamis
Pada materi Fluida Statis terdapat tiga konsep yang akan dibahas yakni mengenai Hukum Archimedes, Hukum Pascal dan Tekanan Hidrostatis.
1. Hukum Archimedes
Hukum Archimedes berbicara seputar gaya apung yang dialami oleh sbeuah benda yang berada dalam fluida. Besar gaya apung dialami benda sama besarnya dengan volume zat cair yang dipindahkan.
F_a = \rho_f gV
dimana
Fa = Gaya Apung (N) ρf = Masa jenis fluida (Kg/m3) g = Percepatan Gravitasi (m/s2) V = Volume Benda (m3)
Terapung, Melayang dan Tenggelam
Posisi sebuah benda pada saat berada dalam sebuah fluida bisa dalam tiga keadaan yakni terapung, melayan dan tenggelam. Hal ini dipengaruhi oleh massa jenis relatif terhadap massa jenis zat caair dan gaya apung dari benda. Syarat sebagai berikut :
Tenggelam
\rho_{benda}>\rho_{fluida}
dan
w_{benda}> F_{fluida}
Melayang
\rho_{benda}=\rho_{fluida}
dan
w_{benda}= F_{fluida}
Mengapung
\rho_{benda}<\rho_{fluida}
dan
w_{benda}= F_{fluida}
Perhatikan pada saat benda mengapung, benda dalam keadaan diam dipermukaan Fluida, sehingga berlaku hukum I Newton yakni
\Sigma F = 0
w_{benda}-F_{fluida}=0
dengan demikian gaya berat benda akan sama dengan gaya apung fluida. Pada umumnya pada benda mengapung hanya sebagian dari volume benda yang tenggelam.
2. Tekanan Hidrostatis
Tekanan Hidrostatis adalah tekanan yang dialami oelh sebuah benda yang tercelup dalam sebuah dalam sebuah fluida. Besar tekanan ini sebanidng lurus dengan kedalaman benda tersebut tercelum dalam fluida.
P = \frac{F}{A}
Dimana F = ρgV dan V = Ah, maka
P = \rho gh
dimana :
P = Tekanan Hidristatis (N/m2) h = Kedalaman (m)
3. Hukum Pascal
Hukum Pascal berbicara mengenai tekanan yang diberikan pada sebuah fluida pada ruang tertutup akan diteruskan ke segala arah sama besarnya. Dengan demikian secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut :
P_1 = P_2
jika nilah P dimasukkan maka :
\frac{F_1}{A_1}=\frac{F_2}{A_2}
B. Contoh Soal
Soal 1
Gaya Apung yang dialami oleh sebuah benda yang tercelup dalam sebuah fluida bergantung dari … a. volume benda b. massa benda c. massa jenis benda d. massa fluida d. massa jenis fluida
Jawaban :
Menurut hukum Archimedes besar gaya apung yang dialami oleh sebuah benda yang tercelup sebanding lurus dengan Volume Fluida yang dipindahkan.
F ~ V
Volume ini berasal dari Volume benda yang tercelup dengan demikian jawaban adanya adalah
a. Volume Benda
Soal 2
Sebuah benda ditimbang diudara memiliki berat sebesar 25 N, jika benda tersebut dicelupkan ke dalam air beranya adalah 15 N. Maka massa jenis benda tersebut adalah … (asumsikan g = 10 m/s² dan ρ = 1000 kg/m3) a. 1,5 x 10³ kg/m³ b. 2,5 x 10³ kg/m³ c. 3,5. x 10³ kg/m³ d. 4,5 x 10³ kg/m³ e. 5,5 x 10³ kg/m³
Jawaban :
Langkah pertama – Tentukan Gaya Archimedes untuk menentukan Volume Benda
Sebuah benda terapung di pemrukaan air dengan volume air yang tercelup ke dalam air sebesar 75%. Jika massa jenis air adalah 1 g/cm3, maka massa jenis benda adalah … a. 1,75 gr/cm³ b. 1,00 gr/cm³ c. 0,75 gr/cm³ d. 0,50 gr/cm³ e. 0,25 gr/cm³
Solusi :
Ilustrasi benda terapung adalah :
Pada kondisi benda terapung, berlaku hukum Newton I dimana
\Sigma F = 0
w_{benda}-F_{fluida}=0
w_{benda}=F_{fluida}
Masukkan berat air dipindahkan oleh benda dan gaya apung
AhmadDahlan.NET – Mungkin kalian sudah snagat bosan mendengar pertanyaan jadul di tongkrongan yakni “manakah yang lebih berat 1 kg besi atau 1 kg kapas?”
Jawaban paling sering dilontarkan sambil mencoba melucu “Baranya sih sama, tapi kalau dilemparkan ke anda tentu saja jauh lebih berat besi”.
Tapi itukan jawaban di tongkrongan, bagaimana menurut sudut pandang sains tentang jawaban ini? Fisika sendiri punya jawaban yang berbeda tentang pertanyaan ini.
Jadi sebelum kita jawab pertanyaan ini, mari kita simak pembahasan sebagai berikut!
Massa dan Berat
Baik mari kita mulai dari konsep paling sederhana hubungan antara massa dan berat. Secara umum berat 1 kg besi akan sama dengan berat 1 kg kapas. Hal ini didapat dari persamaan berat dari Hukum Newton yakni :
w = m.g
w = (1 kg)(9,8 m/s2) = 9,8 N
Jadi menurut hukum Newton, secara umum seruluh benda dengan massa 1 kg memiliki berat 9,8 Newton di daerah katulistiwa. Jika ditimbang di eropa beratnya akan lebih dekat dengan 10 Newton.
Tapi tunggu dulu!!!. Ini bukan jawaban final. Jawabannya masih butuh pertimbangan lain.
Suka tidak suka ataupun percaya tidak bercara, 1 kg besi lebih berat dari 1 kg kapas. Bahkan jika keduanya ditimbang dalam keadaan diam.
Mengapa demikian?
Massa Besi vs Kapas
Mari kita mulai pembahasan ini dengan besaran yang terkait dengan pernyataan ini yakni massa dan berat. 1 kg kapas maupun besi menyatakan massa dari masing-masing zat. Gram (Kilogram) adalah sataun dari besaran yang disebut massa.
Massa sendiri adalah karakteristik kuantitatif (banyaknya) dari sebuah zat baik dalam bentuk padat, cair dan udara. 1 kg air memiliki massa yang sama dalam bentuk padat, cair dan gas.
Massa ini membawa karakteristik lain selain menyatakan banyaknya sebuah zat. Karakteristik ini disebut sebagai kelambaman atau kemampuan sebuah benda mempertahankan keadaannya terhadap perubahan gerakan.
Semakin besar massa benda maka semakin sulit untuk mengalami perubahan gerak. Misalnya sebuah dus mie instan akan lebih mudah digeser dibandingkan dengan lemari yang berisi penuh buku. Demikian pula dalam keandaan bergerak, benda bermassa besar akan lebih sulit dihentikan misalnya menghentikan truk yang bergerak membutuhkan gaya yang lebih besar dibandingkan dengan menghentikan bola yang menggeldinding di kecepatan yang sama.
Benda dengan massa yang sama memiliki kelambaman yang sama pula, 1 kg kapas dan 1 kg besi juga demikian.
Berat Besi dan Kapas
Selanjutnya mari kita kembali fokus ke besaran berat sebagaiman pertanyaan ini diajukan.
Berat dan massa adalah besaran yang berkaitan namun keduanya berbeda. Massa adalah besaran skalar yang nilainya akan selalu sama baik itu diam, bergerak dan dalam kondisi apapun. Berbeda dengan massa, Berat adalah besaran vektor yang nilanya dipengaruhi oleh keadaan.
Persamaan w = mg adalah persamaan umum yang hanya berlaku dalam keadaan tertentu saja. Nilai g yang sering ditulis di buku-buku fisika yakni 9,8 m/s2 dan 10 m/s2 hanya pendekatan semata. Nilainya dipengarruhi banyak hal. Misalnya posisi dari permukaan bumi atau posisi terhadap garis ekuator.
Jika kamu berada di menara Burj, Khalifa Abu Dabi, maka berat kami akan lebih ringan jika kamu mengukurnya dipuncak menara jika dibandingkan di lantai dasar.
Apalagi kalau anda naiknya ke puncak jalan kaki!
Berat juga berubah jika ditimbang dalam keadaan diam dan bergerak. Kamu akan memiliki berat yang lebih ringan saat berada dalam lift yang begerak ke atas dibandingkan bergerak ke bawah.
Lebih jauh tentang berat, besaran ini sebenarnya muncul karena adanya gaya tarik antar benda dengan medan sejenis yakni medan gravitasi yang dimiliki semua benda yang memiliki massa.
Besar gaya tarik ini adalah :
F=G\frac{Mm}{r^2}
Besar gaya tarik gravitasi ini adalah :
Mari kita hitung besar gaya gravitasi untuk benda bermassa 1 kg dengan persamaan ini. Asumsikan saja massa bumi 9,97 x 1024 kg dengan konstanta gravitasi (G) 6,673 x 10-11 Nm2.kg-2 dan jari-jari bumi adalah 6371 km, maka gaya tariknya adalah :
F = 6,673 × 10^{-11} \frac{(5,97 × 10^{24})(1)}{6 371 000^2}
Hasil perhitungan sekitar 9,814 Newton. Namun ini kita mengabaikan ukuran dari kapas dan besi itu sendiri. 1 Kg kapas tentu saja memiliki ukuran yang berbeda berbeda dengan 1 kg besi. Besi adalah materi yang jauh lebih padat dibadingkan dengan besi sehingga volume kapas pasti jauh lebih besar.
Ukuran ini tentu saja mempengaruhi jarak antara besi dan kapas terhadap pusat massa bumi karena r pada rumus gaya gravitasi adalah jarak antar pusat massa benda yang saling berinteraksi. Kita asumsuikan terlebih dahulu kedua benda adalah benda yang distribusi massanya homogen yakni sama di semua titik sehingga pusat massanya ada di bagian tengah dari masing-masing benda. Lalu asumsi berikutnya bentuknya menyerupai bola seperti berikut ini :
Dari sini kita bisa simpulkan r pada kapas dan bumi adalah Rbumi + Rkapas, sedangkan pada besi dan bumi adalah Rbumi + Rbesi. Jari-jari besi dan kapas ini dapat dihitung dengan konsep massa jenis dengan mencari terlebih dahulu volumenya.
1. Jari-jari besi
Untuk menghitung Rbesi kita terlebih mencari volume 1 kg besi dengan memasukkan massa jenis besi sebesar 7850 kg/m3 dengan demikian volumenya adalah :
\rho = \frac{m}{V}
masukkan nilai massa dan massa jenisnya
V_{besi}=\frac{1}{7850} = 0.000127 \ m ^3
Kemudian masukkan nilai volume ini ke dalam rumus volume bola :
perbandingan adalah gaya tariknya adalah 1.00000000984 : 1, dimana besi lebih berat 1.00000000984 dari berat kapas.
Pengaruh Gaya Angkat Fluida
Mari kita sepekati terlebih dahulu, kita main teka teki ini masih di salah satu area dipermukaan bumi, bukan di mars, bulan apalagi planet Namek. Karena kita berada di bumi maka otomatis pada saat beki diangkat akan ada udara di sekitar besi dan kapas. Udara sebagai fluida memiliki gaya angkat fluida seperti ilustrasi di bawah ini!
Besar gaya angkat fluida ini sama dengan :
F_f=\rho gV
Menurut Archimedes, besar gaya angkat fluida berbanding lurus dengan volume dari masing-masing benda sehingga kita bisa bandingkan bahwa kapas memiliki gaya angkat ke atas lebih besar dibandingkan dengan besi.
Jadi yuk mari kita bandingkan berat total 1 kg besi dan kapas dengan memasukkan volume yang kita sudah hitung di bagian sebelumnya. Asumsi yang kita gunakan kita berada dalam kondisi udara yang baik-baik saja sehingga massa jenisnya sekitar 1,2 kg/m3
Perbandingan gaya berat benda di udara adalah :
W_{b}-F_{fb}:W_k-F_{fk}
m_b.g-\rho_u.g.V_b:m_k.g-\rho_u.g.V_k
1-(1,2)(0.000127):1-(1,2)(0.00344)
0.9998476 :0.995872
masing masing dibagi 0.995872, maka hasilnya adalah :
1.0039920793 :1
Dari analisis tersebut kita bisa simpulkan jika Berat 1 kg besi di udara dalam keadaan standar (STP) lebih besar 1.0039920793 kali dibandingkan dengan 1 kg kapas.
Jadi jawaban dari teka-teki manakah yang lebih berat 1 kg besi atau 1 kg kapas sudah tuntas yah.
Akhir Kata
Nah ini mungkin jawaban yang lebih bertanggung jawab ketika kita diminta untuk memilih manakah yang lebib berat 1 kg kapas atau 1 kg besi. Tapi saya tidak memberi jaminan kalau tongkorongan kalian tetap asik jika kamu menjawab dengan metode ini ke teman-teman saat diberi teka-teki legend ini.
AhmadDahlan.NET – Fluids ESM will be focus to discuss Fluids for Senior High Schools Matter base on Based on Permendikbud Republik Indonesia No. 37 Tahun 2018.
The subject are :
Applying static fluids laws in daily activity
Applying the Dynamic fluids principle in technology
Designing experiment based on statics fluid law and principle
Esm Objectives :
Student are expected to be able to conduct a short article with 500 and 700 words
Archimedes Law (1st-2nd week)
Statics Fluids (3th-4th week)
Ideal Fluids (5th-6th week)
Student are expected to be able to make a short explanation video about Fluids topic for 3 – 5 minutes.
Choose on of these topics : Fluids, Hydrostatics Pressure, or the History of Torricelli (7th-9th week)
Student are expected to be able to make a simple fluids experiment guidance (10th-12th week)
In order to achieve the Objectives, student are order to
Conducts a fluid summary about fluid (topic is Coming soon!!!)
Records your self explaining about fluid topic (topic is Coming soon!!!)
Make or translating a fluid experiment guidance (topic is Coming soon!!!)
AhmadDahlan.NET – Meskipun tidak begitu dirasakan, namun udara di sekitar kita memiliki tekanan yang cukup besar ke semua benda yang di dalamnya termasuk tubuh manusia. Tekanan udara ini besarnya sebesar 1 atmosfer atau sekitar 760 mmHG.
A. Tekanan pada Fluida
Tekanan dapat didefenisikan sebagai besarnya gaya tegak lurus yang bekerja terhadap luas bidang sentuh dari gaya. Secara matematis dapat dituliskan :
P = \frac{F}{A}
dimana
P : Tekanan (N/m2)
F : Gaya (N)
A : Luas Permukaan (m2)
Tekanan adalah gaya non-Vektor atau hanya memiliki besar tanpa ada arahnya. Dalam sistem internasional, tekanan diberi satuan Pa singkatan dari Pascal yang diambil dari nama Blaise Pascal. 1 Pa didefenisikan sebagai 1 N/m2. Namun satuan tekanan sangatlah banyak, terkadang tekanan akan dinyatakan dalam Torr, Bar, lb/in2, mmHG dan sejenisnya. Hubungan antara satuan tekanan ini ditunjukkan pad atabel berikut :
N/m2
Bar
Torr
Atm
psi
1
1 x 10-5
7,50×10−3
9.87×10−6
1,45 x 10−8
Misalkan tekanan didefenisikan
P = \frac{F}{A}
Asumsikan gaya yang bekerja pada fluida adalah berat fluida itu sendiri maka maka F = w = m.g
P = \frac{mg}{A}
massa dimaksud adalah massa dari fluida yang menekan sehingga m = ρV = ρAh , maka persamaan ini bisa ditulis
P = \frac{\rho A hg}{A}
Dengan demikian tekanan hidrostatik dapat dinyatakan dalam bentuk :
P =\rho gh
dimana
P = Tekanan(Pa)
g = grafitasi (m/s2)
ρ = massa jenis (kg/m3)
h = kedalam (m)
Persamaan ini berlaku untuk fluida statis dimana besar tekanan adalah fungsi dari kedalaman, semakin dalam benda di dalam air maka semakin besar tekanan hidrostatik yang diterima.
Hal ini bisa dirasakan padasaat kita menyelam, dimana tekanan yang dialami telinga kita akan semakin besar seiring dengan semakin dalamnya kita menyelam.
Tekanan Pada Pipa U
Persamaan ini bisa digunakan untuk menyelesaikan masalah tekanan pada fluida yang saling berhubungan, dimana tekanan yang dialami di dalam fluida dengan ketinggian akan selalu sama.
Misalkan ada sebuah pipa U yang diisi dengan dua cairan yang berbeda dna memiliki massa jenis berbeda.Dua carian tersebut tidak membentuk ikatan polar sehingga keduanya terpisah dengan batas yang jelas seperti yang ada pada gambar di bawah ini !
Perhatikan gara datar yang menjadi batas antara zat cair 1 dan zat cair 2. Pada posisi tersebut tekanan akan bernilai sama sehinga
P0 + P1 = P0 + P2
ρ1 g h1 = ρ2 g h2
ρ1 h1 = ρ2 h2
B. Tekanan Atmosfer
Udara yang ada di seluruh permukaan bumi atau di sebut atsmofer merupakan fluida. Fluida terdiri dari banyak jenis gas namun mayoritas berisi banyak NItrogen, sedikit oksigen dan gas-gas lain sekitar 1 %. Karena Udara Fluida yang sama dengan air, maka berada dalam udara juga akan mengalami gaya hidrostatis. Hanya saja gaya yang ada pada udara di sekitar sangatlah lemah sheingga tekanan yang dihasilkan tidak begitu terasa oleh tubuh kita, disamping tubuh manusia yang sudah beradaptasi dengan tekanan udara di tempat mereka beraktifitas.
Toricelli kemudian mengamati fenomena tersebut dan mencoba membuat standar pengukuran untuk nenetukan besar tekanan dari udara di atmosfer. Sebatang pipa kaca sepanjang satu meter kemudian di isi penuh raksa oleh Toricelli. Pipa ini kemudian ditutup dengan kaca dan dibalikkan secara cepat. Air raksa dalam tabung terus turun sampai akhirnya berhenti setelah mencapai 760 mm, seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini !
Tekanan udara yang pada bagian atas di dalam tabung membuat air raksa turun yang semula 1 meter. Pada saat tekanan udara di dalam dan di luar tabung sama maka air raksa akan berhenti mengalir. Hasilnya ketinggian yang ditemukan Toricelli adalah 760 mm. Tekanan ini kemudian dijadikan standar untuk nilai dari 1 atm dan karena menggunakan air raksa maka tekanan ini dikenal dengan sebutan 760 mmHg, dimana Hg adalah Hydragyrum atau nama latin dari raksa.
Besar tekanan udara 1 atm ini kemudian dikonversi ke dalam sistem metrik
P = ρ g h
P = (13 600 kg/m3) (9,80 m/s2) (0,76 m) = 1,013 x 105 N/m2
Nilai tekanan ini, 1,013 x 105 N/m2 di setarakan dengan 1 atm.
Ketinggian dan tekanan Atmosfer
Sebagai mana yang kita ketahui bahwa medan gravitasi bumi berbanding terbalik dengan kudrat jari-jari bumi. Partikel-partikel udara yang ada di muka bumi akan menumpuk di bagian bawah samapi mencapai kepadatan jenuh. Kepadatan ini terus berkurang sebanding dengan naiknya ketinggian dari permukaan bumi, hasilnya tekanan udara pada daerah kurang pada akan semakin rendah. Dengan demikian tekanan udara di permukaan di atas gunung akan lebih rendah dari permukaan laut.
Tentu saja parameter gravitasi yang bekerja pada tekanan udara dipermukaan bumi bukanlah satu-satunya besaran fisika yang berpengaruh ke tekanan udara. Terdapat banyak faktor yang akan berpengaruh terhadap tekanan atmosfer suatu tempat sepeti suhu udara, kondisi lingkungan, jenis-jenis zat, kelembaban, aktifitas mayor manusia di daerah tersebut, namun pada umumnya ketinggian akan menjadi faktor paling besar menentukan tekanan udara di suatu daerah.
Soal Latihan
Jelaskan mengapa suhu udara di atas gunung bisa lebih rendah dibandingkan dengan dataran rendah?
Mengapa tekanan Hidrostatis di dalam air jauh lebih tinggi dibandingkan di udara?
Jika paru-paru manusia mampu menahan tekanan 85 mmHg, berapakah ke dalaman maksimun seseroang dapat berenang tanpa alat bantu?
Ahmaddahlan.NET – Pesawat dan burung yang terbang di udara adalah benda yang berkerja sangat baik melawan gaya gravitasi yang menarik mereka ke permukaan bumi. Dua benda ini berkerja sama sangat baik dengan fluida sehingga mereka mendapatkan gaya apung yang cukup besar membuat mereka melayang di udara meskipun tanpa tali penggantung.
Fluida dan Wujud Materi
Materi adalah segala benda yang memiliki massa dan menampati ruang, wujudnya pada umumnya terdiri dari tigas fase yang kita kenal sebagai padat (solid), cair (liquid), dan gas. Tiga dase ini dijadikan patokan paling sederhana dalam membedakan fase materi. Misalnya (1) padat adalah fase dimana materi akan memiliki bentuk yang independent selama tidak ada gaya yang cukup besar untuk mengubah bentukknya, (2) cair adalah fase dimana zat akan memiliki kecenderungan berbetuk sesuai dengan wadahnya dan selali berada di bagian dasar wadah, dan (3) gas adalah fase dimana zat memiliki bentuk sangat bebas dan mengikuti volume dari wadah penampunya.
Dua fase dari zat memiliki kriteria yang sama yakni sama-sama tidak memiliki bentuknya sendiri karena selalu mengikuti wadah yang menampungnya. Zat menyusun dari benda dalam bentuk cair dan gas akan sangat mudah diipsahkan karena gaya ikat antar partikelnya yang lemah, jika beri ganguan partikel-partikel akan dengan mudah mengalir, seperti pada saat kita meniup balon atau menumpahkan air dari sebuah ember. Hal ini membuat dua zat tersebut dimasukkan dalam bagian kajian Fluida yang secara harifah berarti mengalir.
Wujud Materi Lain
Dalam kajian fisika materi dan larutan, wujud zat secara detail tidak hanya dibedakan ke dalam tiga wujud saja, tapi ada banyak jenis wujud zat tergantung dari karakteristik yang ingin dikaji. Misalnya dalam larutan, zat cair masih dibagi ke dalam beberapa fase seperti darah yang sifatnya koloid dimana materimateri penyusunnya terpisah sangat jelas tidak laurt seperti ketika melaurtkan gula ke dalam air.
Pada kondisi tertentu misalnya temperature yang sangat tinggi, atom-atom dari zat tertenti dapat terionisasi sehingga membentuk plasma. Kristal Cair juga dikenal sebagai fase antara padat dan cair yang banyak digunakan pada perangkat elektronik seperti televisi, smartphone, dan komputer. Padat sendiri memiliki banyak fase yang kadang kita kenal dengan sebutan cristal, amorf dan lain sejenisnya. Hanya saja dalam kajian fluida kita hanya mengkaji zat mengalir (fluida) berdasarkan fase gas dan cair.
a. Jenis-Jenis Fluida
Sebagaimana yang telah dijelaskan sebelumnya, Fluida merupakan zat-zat yang tergabung dalam dua fase yakni fase liquid dan gas. Lebih khusus lagi, fluida mengkaji zat-zat tersebut berdasarkan sifatnya yang dapat dialirkan dengan mudah.
Dalam kajian fisika, Fluida di bagi atas dua jenis yakni (1) Fluida statis atau hidrostatis yakni kajian fluida yang dalam keadaan diam seperti massa jenis, berat jenis, tekanan, dan gaya hidrostati. Kajian kedua menyangkut (2) Fluida dinamis dimana Fluida dikaji pada saat bergerak. Kajian ini meliputi hukum paskal, hukum kontinuitas, asas bernoulli dan sejenisnya.
Selain penggolangan dua ini, Fluida dibagi ke dalam dua jenis berdasarkan kemampuannya menahan tegangan permukaan. Adapun dua fluida tersebut adalah fluida Newton dan Fluida non-Newton.
Fluida Newtonian merujuk pada fluida yang memiliki kurva tegangan/regangannya linier atau τ ∼ μ, seperti Air. Fluida Newton juga memiliki viskositas yang tetap dan tidak berubah meskipun terdapat gaya di dalam fluida ini. Viskostas dari fluida Newton hanya dipengaruhi temperature dan tekanan. Fluida non-Newton adalah fluida yang kecepatnnya akan berpengaruh terdahap viskositasnya dengan kata lain kurva tegangannya tidak linier.
b. Densitas
Kelakar anak muda di tongkrongan yang paling saintis yang pernah saya dengar mungkin pertanyaan “manakah yang lebih berat antara 1 kilogram kapas, kayu ataupun besi?” Mayoritas jawaban singkat yang dapatkan akan memilih besi, karena besi 1 kg akan jauh lebih sakit ketika menimpa kepala dibandingkan dengan kapas dan kayu.
Sejatinya 1 kg besi tidaklah lebih berat dari 1 kg kapas dan kayu karena masing-masing sama-sama memiliki berat 1 Newton dengan persamaan w=mg. Akan tetap rasa sakit yang membuat seperti lebih berat dari lainnya ketika menimpa kepala karena besi jauh lebih padat dari dua zat lainnya. Tingkat kepadatan dari suatu zat disebut sebagai densiti atau massa jenis, dimana benda padat akan memiliki lebih banyak partikel dalam satuan ruang dibandingkan dengan benda lain.
Secara matematis, kepadatan ditulis dalam bentuk
\rho=\frac{m}{V}
dimana
ρ : massa jenis (kg/m3)
m : massa (kg)
V : volume (m3)
Massa jenis mewakili kriteria dari sebuah zat murni atau zat tanpa campuran misalnya tembaga (Cu). Tembaga bisa saja memiliki bentuk yang sangat kecil seperti cincin atau berbentuk kubah pada masjid-masjid klasik di daerah Rusia, namun dimanapun tembaga berad, massa jenis akan selalu sama 8960 kg/m3.
Misalkan konsep Densitas ini dimasukkan ke dalam gaya berat maka kita akan dapatkan persamaan
m = ρV
jika ke dua ruas dikali dengan g maka kita akan dapatkan
mg = ρvg
pada ruas mg ini tidak lain adalah gaya berat sedangkan pada ruas ρvg adalah gaya yang dihasilkan oleh sebuah fluida.
Berikut ini beberapa tabel densitas (massa jenis) dari beberapa unsur dan senyawa yang diukur pada tekanan 1 atm dan suhu 0oC
Zat
Densitas (kg/m3)
Baja
7850
Tembaga
8960
Aluminium
2712
Emas
19320
Es (air solid)
917
Air 4oC
1000
Air Laut
1015
Raksa (Merkuri)
13600
Etil Alkohol
0,79
Udara
1,29
Uap Air
0,598
Helium
0,179
Massa jenis suatu unusr dan senyawa memiliki nilai tetap namun nilanya pada kondisi sama, namun nilainya tetap dipengaruhi banyak variable fisis lainnya meskipun tidka begitu besar. Misalnya saja air pada suhu 4oC akan memiliki massa jenis 1000 kg / m3, namun tidak demikian jika diukur pad asuhu lebih rendah atau tinggi.
Sola Latihan :
Mengapa Iceberg dapat mengapung di lautan?
Salah satu cara mengetahui buah yang masih segar atau tidak dengan cara melihat posisinya ketika diletakkan di dalam air, buah yang lebih segar akan tenggelam, mengapa hal tersebut dapat terjadi?
Misalkan sebuah wadah berlabel 5 liter, berisi penuh cairan raksa. Berapakah massa dari raksa yang ada di dalam wadah tersebut?
