FLUIDA

FLUIDA

Kompetensi dasar: -          Menguasai hukum fluida statis -          Menguasai hukum fluida dinamis -          Menghitung fluida statis -          Menghitung fluida dinamis

PENDAHULUAN

Fluida merupakan zat alir, yaitu zat dalam keadaan bisa mengalir. Yang termasuk fluida adalah zat cair dan gas. Fluida dalam fisika dikelompokkan menjadi fluida statik yang mempelajari fluida diam dan fluida dinamik yang mempelajari fluida bergerak.

Sifat fluida:

-          Tidak dapat dikompresi: fluida tidak mengalami perubahan volume

-          Non-viscous: fluida tidak mengalami gesekan

-          Stasioner: dalam alirannya, fluida mengikuti arah garis lurus

1.                      Fluida statik

a. Tekanan

Tekanan adalah gaya yang bekerja pada suatu benda tiap satuan luas benda itu.

P = tekanan pada benda (Pa = N/m²)

F = gaya (N)

A = luas permukaan benda yang mendapatkan gaya (m²)

1 bar = 76 cmHg = 1,01 . 10⁵ Pa

1)   Tekanan Hidrostatis

Tekanan hidrostatis adalah tekanan pada fluida tak bergerak yang diakibatkan oleh adanya gravitasi. Tekanan pada kedalaman h dalam suatu fluida memiliki massa jenis ρ, dinyatakan oleh:

P_h = tekanan hidrostatis

ρ = massa jenis (kg/m³)

g = percepatan gravitasi (m/s²)

h = kedalaman (m)

latihan soal:

sebuah kapal selam menyelam hingga kedalaman 200 m di bawah permukaan laut. Jika massa jenis air laut 10³ kg/m³ dan tekanan udara di permukaan laut diabaikan, berapakah besar tekanan yang dialami oleh dinding kapal selam?

Penyelesaian:

h = 200 m

ρ =10³ kg/m³

P_A = ............?

                                                        = 10³) (10) (200)

                                                        = 2,6 x 10⁶ Pa

Latihan soal: 1.       Seorang penyelam berada pada kedalaman 25 m di bawah permukaan laut. Jika massa jenis air laut 1,2 x 103 kg/m3, tentukan tekanan hidrostatis yang dialami penyelam tersebut! 2.       Seorang penyelam menyelam dibawah permukaan laut dengan menggunakan alat yang mampu menahan tekanan 500000 N/m2. Jika massa jenis air laut 103 kg/m3, berapakah keadaan maksimum yang dapat dijangkau penyelam tersebut?

2)   Tekanan mutlak/absolut

Patm

Ph

h

 

b.Hukum-hukum Fluida Statis

1)   Hukum Utama Hidrostatis (HUH)

Menyatakan: semua titik yang terletak pada satu bidang datar dalam satu zat cair memiliki tekanan yang sama.

Hukum utama hidrostatis dapat diterapkan untuk menentukan massa jenis zat cair dengan menggunakan pipa U.

Sesuai hukum utama hidrostatis:

Contoh soal:

Sebuah pipa U diisi air, kemudian pada salah satu kakinya dituangi oli. Pada keadaan seimbang, tinggi air 3,4 cm dan tinggi minyak 4 cm. Hitung massa jenis oli!

Penyelesaian:

h_a = 3,5 cm

h_oli = 4 cm

ρ_oli = ......?

2)   Hukum Pascal

Menyatakan: tekanan yang diberikan pada suatu fluida dalam ruang tertutup akan diteruskan ke segala arah sama rata

Penerapan hukum Pascal antara lain: rem hidrolik, pompa hidrolik, dongkrak hidrolik.

3)   Hukum Archimedes

Menyatakan: suatu benda yang dicelupkan dalam suatu fluida mengalami gaya ke atas sebesar fluida yang dipindahkan oleh benda tersebut.

F_a         = gaya ke atas (N)

ρ                    = massa jenis fluida (kg/m³)

V_celup     = volum benda tercelup (m³)

g          = percepatan gravitasi (m/s²)

a.      Terapung

a

c

b

F_a > W

ρ₁ > ρ_benda

b.      Melayang

F_a = W

ρ₁ = ρ_benda

c.       Tenggelam

F_a < W

ρ₁ < ρ_benda

Gaya apung: gaya ke atas yang dikerjakan fluida pada benda yang tercelup sebagian atau seluruhnya dalam fluida.

Contoh soal:

Pada permukaan air diletakkan sebuah papan kayu dengan dimensi panjang x lebar x tinggi, yaitu 2 m x 1 m x 10 cm (posisi tinggi papan berada atas bawah). Jika massa jenis kayu dan air berturut-turut 0,9 g/cm³ dan 1 g/cm³, tentukan perbandingan bagian kayu yang tenggelam terhadap yang muncul di permukaan air.

Penyelesaian:

Konsep yang perlu diperhatikan adalah, dalam kondisi setimbang, gaya angkat sama dengan berat kayu yang dipindahkan. Hitung dulu berat papan kayu.

Gaya angkat F_A dikerahkan oleh air hanya bekerja pada volume benda yang tercelup. Kita misalkan volume yang tercelup adalah V (dengan V < V_kayu). Berarti:

Karena F_A = W_kayu, diperoleh  1800 = 10000 V

V adalah volume papan kayu yang tercelup. Jika tinggi papan yang tercelup adalah h, maka:

Tinggi yang tidak tercelup: h’ = 10 – h = 10 – 9 = 1 cm

Jadi perbandingan tinggi yang tercelup dan yan tidak tercelup adalah 9 : 1

Latihan soal: 1.       Logam A merupakan campuran antara logam B dan C. Massa logam A di udara adalah 300 g. Jika dicelupkan ke dalam air, massa logam A menjadi 280 g. Jika massa jenis logam B dan C berturut-turut 20 g/cm3, tentukan perbandingan massa logam B dan C.

 

c.  Tegangan Permukaan

Tegangan permukaan zat cair berhubungan dengan gaya tegang yang dimiliki oleh permukaan zat cair tersebut.

Tegangan permukaan merupakan perbandingan antara gaya tegangan permukaan F dan panjang permukaan d

Seutas kawat lurus dengan panjang l,

Contoh: nyamuk di atas air, silet mengapung di air, dll.

d.Kapilaritas

Kapilaritas: peristiwa naik turunnya permukaan zat cair pada pipa sempit (pipa kapiler).

y = kenaikan/penurunan permukaan zat cair (m)

γ = tegangan permukaan (N/m)

θ = sudut kontak

g = percepatan gravitasi (m/s²)

r = jari-jari (m)

ρ = massa jenis cairan (kg/m³)

Contoh soal:

Sebuah pipa kapiler yang berdiameter 6 mm ditancapkan pada zat cair yang bermassa jenis 1,2 x 10³ kg/m³ dan mempunyai tegangan permukaan 6 N/m. Jika besar sudut kemiringan permukaan zat cair di dalam pipa 60^o, berapakah besar pergeseran permukaan zat cair?

Penyelesaian:

r = 3 x 10^-3 m

ρ = 1,2 x 10³ kg/m³

γ = 6 N/m

θ = 60^o

y...............?

e. Viskositas

Viskositas: kekentalan fluida. Suatu benda yang dijatuhkan dalam suatu cairan akan mempunyai kecepata konstan, kecepatan ini disebut kecepatan terminal.

v = kecepatan terminal (m/s)

g = percepatan gravitasi (m/s²)

η = koefisien viskositas (Pa.s)

r = jari-jari (m)

ρ_b = massa jenis benda (kg/m³)

ρ_f = massa jenis fluida (kg/m³)

contoh soal:

Hitunglah kecepatan terminal sebuah bola baja (ρ = 7,85 g/cm3, r = 10 cm) yang tercelup pada tangki air (ρ = 1 g/cm3)

Penyelesaian:

Latihan: 1.       Sebuah pipa kapiler jari-jari 1 mm dimasukkan ke dalam fluida yang mempunyai massa jenis 800 kg/m3, ternyata kenaikan fluida di dalam pipa kapiler 4 cm. Jika sudut kontak 60o dan g = 10 m/s2, tentukan tegangan permukaan fluida? 2.       Sebuah bola baja 2 mm dijatuhka dalam sejenis minyak (ρ = 900 kg/m) yang mempunyai koefisien viskositas 1,2 kg/ms. Jika massa jenis baja = 1800 kg/m3, maka kecepatan terminal bola baja tersebut adalah?

 

2.                      Fluida Dinamis

a. Persamaan kontinuitas

Persamaan kontinuitas: hasil kali kelajuan aliran fluida ideal dalam wadah dengan luas penampang wadah selalu konstan.

A₁ = luas penampang 1

v₁ = kecepatan aliran pada A₁

A₂ = luas penampang 2

v₂ = kecepatan aliran pada A₂

Debit: volume fluida yang mengalir per satuan waktu

Q = debit (m³/s)

V = volume (m³)

t = waktu (s)

A = luas penampang (m²)

v = kecepatan alir (m/s)

b.Persamaan bernoulli

P = tekanan (Pa)

ρ = massa jenis fluida (kg/m³)

g = percepatan gravitasi (m/s²)

h = tinggi acuan di atas h₁ (m)

v = kecepatan aliran(m/s)

h2

V2

V1

h1

Latihan soal:

1.      Sebuah kolam yang berkapasitas 40 m3 diisi dengan air hingga penuh menggunakan pompa berkekuatan 0,25 m3/s. Berapakah lama waktu yang diperlukan?

2.      Fluida ideal mengalir dengan laju 6 m/s di dalam pipa yang bergaris tengah 4 cm menuju ke pipa yang bergaris tengah 68 cm. Tentukan laju air pada penampang besar

Penyelesaian:

1.      V = 40 m³

Q = 0,25 m³/s

t = .....?

2.      v₁ = 6 m/s

d₁ = 4 cm = 4.10^-2 m

d₂ = 8 cm = 8.10^-2 m

v₂............?

Penerapan hukum Bernoulli

1)      Gaya angkat pesawat terbang

Pada dasarnya, ada 4 buah gaya yang bekerja pada sebuah sebuah pesawat terbang, yaitu:

a)      Berat pesawat yang disebabkan oleh gaya gravitasi bumi.

b)      Gaya angkat yang disebabkan oleh bentuk pesawat.

c)      Gaya ke depan yang disebabkan oleh gesekan udara.

d)      Gaya hambatan yang disebabkan oleh gerakan udara.

Sayap pesawat terbang dirancang agar kecepatan udara bagian atas lebih besar daripada kecepatan udara bagian bawah. Hal ini menyebabkan tekanan bagian atas lebih kecil dibandingkan bagian bawah. Perbedaan ini menyebabkan gaya angkat pesawat

Atau

2)      Tabung pitot

Yaitu: alat yang digunakan untuk mengukur kelajuan gas.

Jika 

3)      Kecepatan air pada lubang kebocoran

dari persamaan Bernoulli dengan menganggap tekanan di permukaan dan di lubang kebocoran sama, serta kecepatan fluida di permukaan = 0, maka dapat dirumuskan:

4)      Venturimeter

Pipa venturi digunakan untuk mengukur laju aliran zat cair. Dengan persamaan Bernoulli diperoleh:

                        Latihan soal:

Sebuah tangki raksasa setinggi 25 m penuh terisi air. Pada dinding tangki yang berjarak 5 m dari dasar terdapat celah kebocoran.

Hitunglah:

a.      Laju aliran kebocoran

b.      Jauh pancaran air dari dinding tangki

Penyelesaian:

h = 25 – 5 = 20 m

y = 5 m

g = 10 m/s²

v.......? dan   x.......?

a. 

b. 

jadi laju aliran pada celah kebocoran adalah 20 m/s dan jauh pancaran air dari dinding tangki adalah 20 m.

1.       Sebuah pompa air mampu mengisi penuh sebuah ember berkapasitas 10 L dalam waktu 1 menit. Jika diketahui diameter nozzle pompa air adalah 500 mm, berapa laju alir pada pompa air? 2.       Berapa debit air yang mengalir pada kecepatan 30 km/jam pada sebuah pipa PDAM yang berdiameter 5 cm? 3.       Pipa venturi mempunyai jari-jari penampang 6 cm dan 3 cm. Jika laju aliran pada penampang kecil 2 m/s, tentukan beda tinggi permukaan air pada kedua pipa manometer! 4.       Suatu pesawat terbang, terbang mendatar. Kecepatan arus udara di bawah dan di atas pesawat masing-masing v1 = 75 m/s dan v2 = 105 m/s. Luas penampang sayap dan bodi pesawat ke arah mendatar 20 m2. Massa jenis udara 1 kg/m3 dan percepatan gravitasi 10 m/s2. Massa pesawat tersebut adalah?

 

Posted in: