FLUIDA STATIS DAN DINAMIS (FISIKA)

FLUIDA STATIS DAN DINAMIS

FLUIDA STATIS

1.        Tekanan Hidrostatik (Ph)

Fluida adalah zat yang dapat mengalir. Contohnya yaitu : air, minyak, udara dll.

Ø  Massa Jenis (ρ = “rho”)

dimana : m = massa (kg)

V = volume (m³)

ρ = massa jenis (kg/m³)

massa jenis air raksa 13,6 g/cm³ = ... kg/m³

 

Ø  Tekanan (P)

 

dimana : F = gaya (N)

A = luas penampang (m²)

P = tekanan (N/m² = Pascal = Pa)

Ø  Tekanan hidrostatik (Ph)

h

A

  

Atau

Dimana :

 Ph = tekanan hidrostatik (N/m² = Pa = Pascal)

ρ = massa jenis (kg/m³)

g = percepatan gravitasi (m/s²) = 10 m/s²

h = tinggi / kedalaman (m)

Po = tekanan udara luar / tekanan atmosfer

Contoh soal :

Seorang penyelam berada pada kedalaman 200 m di bawah permukaan air laut yang massa jenisnya 1,2 g/cm³. Tentukan :

a.       tekanan yang dialami penyelam

b.      jika tekanan udara luar 105.000 Pa, tentukan tekanan yang dialami penyelam ?

Diketahui : h = 200 m

ρ = 1,2 g/cm³ = 1200 kg/m³

Po = 105.000 Pa = 105.000 Pa

Ditanya :

a.       P_h = … ?

b.      P_h = … ?

Jawab :

a.

b.

Ø  Hukum Utama hidrostatik

“ Semua titik yang terletak pada satu bidang datar dalam satu jenis zat cair maka akan mengalami tekanan yang sama besar”

Contoh : teko, selang pada tukang bangunan

Pipa U

.1

.2

  

Contoh soal :

Pada gambar di samping, jika tinggi h1 adalah 10 cm, tinggi h2 adalah 8 cm dan massa jenis zat cair 1 1600 kg/m3, berapa besarnya massa jenis zat cair 2 ?

Diketahui : h₁ = 10 cm

h₂ = 8 cm

ρ₁ = 1600 kg/m³

Ditanya : ρ₂ = …. ?

Jawab :

2.        Hukum Pascal

“Tekanan yang diberikan pada zat cair dalam ruang tertutup akan diteruskan ke segala arah dengan sama besar”

                 

Jika diketahui jari – jari atau diameternya maka rumusan di atas menjadi :

Contoh soal :

1.      Sebuah kempa hidrolik luas penampangnya masing – masing 10 cm² dan 200 cm². Jika pada penampang kecil ditekan dengan gaya sebesar 80 N. Berapa gaya yang dihasilkan pada penampang besar ?

2.      Sebuah dongkrak hidrolik penampangnya berdiameter 4 cm dan 120 cm. Berapa gaya minimum yang harus diberikan untuk mengangkat beban yang beratnya 9000 N ?

Penerapan hukum Pascal :

-          Dongkrak hidrolik

-          Pompa hidrolik

-          Rem hidrolik

-          Pengepres hidrolik, dll

3.         Hukum Archimedes

“Sebuah benda yang dicelupkan sebagian atau seluruhnya ke dalam zat cair akan mendapat gaya ke atas seberat fluida yang dipindahkan”

   

W_f = berat benda di fluida

W_u = berat benda di udara

F_A = gaya apung/ke atas/archimedes

_ρf = massa jenis fluida

g = percepatan gravitasi

V_bf = volume benda yang masuk dalam fluida

-          Benda mengapung

Benda dikatakan mengapung jika

F_A > w_b atau ρ_f > ρ_b

Khusus untuk benda mengapung berlaku :

 

atau

-          Benda melayang

Benda dikatakan melayang jika

F_A = w_b atau ρ_f = ρ_b

-          Benda tenggelam

Benda dikatakan tenggelam jika

F_A < w_b atau ρ_f < ρ_b

Contoh soal

1.      Sebuah balok di udara beratnya 60 N, ketika dimasukkan dalam air beratnya 30 N. Hitunglah

a.       Gaya apung benda oleh air !

b.      Besarnya massa jenis balok !

2.      Sebuah balok kayu terapung dalam air ¾ bagian volumenya berada di atas permukaan air. Jika massa jenis air 1000 kg/m³, berapa besarnya massa jenis balok kayu ?

Penerapan hukum Archimedes :

1.      hidrometer

2.      balon udara

3.      kapal selam

4.      jembatan ponton

5.      galangan kapal

4.        Tegangan permukaan

Tegangan permukaan adalah kecenderungan permukaan zat cair untuk menegang, sehingga permukaannya seperti ditutupi oleh suatu lapisan elastis.

Y = F/d

dimana d = 2L

Sehingga Y = F/2L

Contoh peristiwa tegangan permukaan :

a.        

Klip kertas  atau silet jika diletakkan di permukaan air tidak tenggelam meskipun massa jenisnya lebih besar daripada massa jenis air.

b.       

Serangga dapat berjalan di permukaan air

c.        

Air di daun membentuk bulatan

5.        Kapilaritas

Kapilaritas adalah peristiwa naik atau turunnya zat cair dalam pipa kapiler

Contohnya :

-          Sumbu kompor

-          Handuk basah meskipun hanya sebagian yang tercelup ke dalam air

-          Naiknya air dari dalam tanah melalui pembuluh kayu, dsb

6.        Viskositas dan hukum Stokes

Sifat kekentalan pada zat cair. Viskositas (kekentalan) fluida menyatakan besarnya gesekan yang dialami oleh suatu fluida saat mengalir. Makin besar viskositas suatu fluida, makin sulit suatu fluida mengalir dan makin sulit suatu benda bergerak di dalam fluida tersebut.

η = koefisien kekentalan (eta)

Bola tersebut saat bergerak dengan kecepatan konstan dalam fluida yang kental kecapatan geraknya dinamakan kecepatan terminal (v_t) :

Fs

FA

wb

 

Sehingga didapatkan v_t :

FLUIDA DINAMIS

1.      Fluida ideal

Fluida yang dibahas dalam fluida dinamis adalah fluida ideal, yaitu :

a.       Fluida yang tidak kental

b.      Fluida yang kecepatan alirannya konstan

c.       Fluida yang tidak mengalami perubahan volume

2.      Debit aliran air (Q)

Debit (Q) adalah banyaknya zat cair yang mengalir tiap satuan waktu. Besarnya debit air yaitu :

V = volume (m3) t = waktu (s) Q = debit aliran air (m3/s)

,

atau

A = luas penampang (m2) v = laju aliran zat cair (m/s) Q = debit aliran air (m3/s)

 

,

Contoh soal :

Sebuah bak mandi yang volumenya 1 m³ hendak diisi dari kran yang penampang lubangnya 2 cm². Bila kecepatan aliran kran 2 m/s, berapa waktu yang diperlukan supaya bak mandi tersebut terisi penuh ?

3.      Persamaan kontinuitas

“Besarnya debit tiap penampang selalu tetap”, sehingga dapat ditulis :

Q₁ = debit pada penampang 1

Q₂ = debit pada penampang 2

A₁ = luas penampang 1

A₂ = luas penampang 2

v₁ = laju aliran zat cair pada penampang 1

v₂ = laju aliran zat cair pada penampang 2

Contoh soal :

Air mengalir melalui pipa mendatar dengan luas penampang pada masing – masing ujungnya 20 cm² dan 5 cm². Jika kecepatan fluida pada penampang kecil 30 m/s, berapa kecepatan fluida pada penampang besar ?

4.      Hukum Bernoulli

Suatu fluida yang mengalir melalui suatu penampang dengan ketinggian tertentu, maka berlaku :

Atau

h1

h2

Contoh penerapan azas Bernoulli antara lain :

a.       Penyemprot nyamuk

b.      Karburator : pencampur bahan bakar (bensin) dengan udara

c.       Tabung venture (venturimeter)

Venturimeter adalah alat yang digunakan untuk mengukur kelajuan cairan dalam pipa.

 

                                        

 

                                                              

d.      Menentukan kecepatan aliran pada tangki bocor

Kecepatan aliran pada tangki bocor :     h = tinggi lubang bocor dari permukaan Jarak jatuhnya air dari tangki bocor : Debit semburan air :

 

e.       Tabung pitot

Tabung pitot adalah alat yang digunakan untuk mengukur kecepatan aliran gas atau angin.

f.        Gaya angkat sayap pesawat terbang

Pesawat terbang dapat terangkat ke udara karena kelajuan udara yang melalui sayap pesawat.22

Gambar : garis arus di atas sayap pesawat lebih rapat daripada bagian bawahnya. Ini berarti kelajuan udara pada bagian atas sayap lebih besar daripada bagian bawah.

Garis arus di bagian atas sayap lebih rapat daripada bagian bawahnya artinya kelajuan udara pada bagian atas sayap lebih besar daripada bagian bawahnya, v₂ > v₁ sesuai dengan azas Bernoulli maka tekanan pada sisi bagian atas sayap lebih kecil daripada bagian bawah sayap P₂ < P₁. Perbedaan tekanan P₁ – P₂ menghasilkan gaya angkat sebesar :

h₁ = h₂, maka persamaan Bernoulli menjadi :

                                              

sehingga gaya angkat sayap pesawat menjadi :

 

                                                                                                                               

Dimana :

A = luas penampang total pesawat

ρ  = massa jenis udara

ν₁ = kecepatan aliran udara di bawah pesawat

ν₂ = kecepatan aliran udara di atas pesawat

Latihan soal :

1.      Bila tekanan udara luar 10⁵ Pa, percepatan gravitasi 10 m/s², dan massa jenis air 1000 kg/m³. Berapa tekanan pada kedalaman 5 m dalam suatu danau ?

2.       

Pada gambar di samping jika tinggi h1 = 10 cm dan tinggi h2 = 8 cm, dan massa jenis zat cair 1 adalah 600 kg/m3. Berapa massa jenis zat cair 2 ?

3.      Sebuah alat hidrolik, luas penampang penghisap besar A₂ = 180 cm² dan penghisap kecil A₁ = 8 cm². pada penghisap kecil bekerja gaya 400 N. Tentukan gaya yang dihasilkan pada penghisap besar ?

4.      Alat pengangkat mobil berbentuk pompa hidrolik mempunyai jari – jari penampang silinder  15 cm dan 60 cm. Bila pada penghisap besar dapat mengangkat mobil yang massanya 800 kg (g= 10 m/s²), berapa gaya yang diberikan pada penghisap kecil ?

5.      Sebuah batu volumenya 0,5 m³ tercelup seluruhnya kedalam zat cair yang massa jenisnya 1,5 g/cm³. Jika percepatan gravitasi 10 m/s², berapa besarnya gaya ke atas ?

6.      Suatu balok kayu volumenya 450 cm³, dimasukkan ke dalam air dengan massa jenis

1000 kg/m³. Ternyata bagian balok yang terapung adalah 0,6 bagian. Berapa besarnya

gaya  Archimedes yang dialami balok kayu tersebut ?

7.      Berat benda di udara 40 N dan ketika di dalam air 36 N. Jika g = 10 m/s², tentukan :

a.       Gaya apung benda !

b.      Massa jenis benda !

8.      Sepotong kayu terapung dengan 1/5 bagian tercelup didalam air. Jika massa jenis air 1000 kg/m³, berapakah massa jenis kayu ?

9.      Sebuah bak volumenya 1 m³ diisi air dari aliran kran yang mempunyai luas penampang 2 cm². Jika kita menginginkan waktu pengisian bak 10 menit, hitunglah kecepatan aliran airnya !

10.  Air mengalir dalam pipa dari penampang besar menuju penampang kecil dengan kecepatan 10 m/s. Jika luas penampang besar 200 cm² dan luas penampang kecil 25 cm². Berapa kecepatan air yang keluar dari penumpang kecil ?

11.  Sebuah tangki yang tingginya 2 m diisi penuh air, pada ketinggian 20 cm dari dasar tangki dibuat lubang. Bila g = 10 m/s², tentukan :

a.       Kecepatan aliran pada lubang bocor !

b.      Jarak jatuhnya air dari lubang bocor !