BAB I
PENDAHULUAN
A. LATAR BELAKANG
Ilmu yang mempelajari gejala alam
disebut sains. Sains berasal dari kata Latin yang berarti mengetahui. Sains
terbagi atas beberapa cabang ilmu, diantaranya adalah fisika. Fisika
mempelajari gejala-gejala alam seperti gerak, kalor, cahaya, bunyi, listrik,
dan magnet. Semua gejala ini berbentuk energi. Oleh karena itu, dapat
disimpulkan bahwa fisika adalah ilmu yang mempelajari hubungan antara materi
dan energi (Kanginan, 2007).
Perubahan global berlangsung cukup
cepat menempatkan fisika sebagai salah satu ilmu pengetahuan yang merupakan
tulang punggung teknologi terutama teknologi manufaktur dan teknologi modern.
Teknologi modern seperti teknologi informasi, elektronika, komunikasi, dan
teknologi transportasi memerlukan penguasaan fisika yang cukup mendalam.
Salah satu visi pendidikan sains
adalah mempersiapkan sumber daya manusia yang handal dalam sains dan teknologi
serta memahami lingkungan sekitar melalui pengembangan keterampilan berpikir,
penguasaan konsep esensial, dan kegiatan teknologi. Kompetensi rumpun sains
salah satunya adalah mengarahkan sumber daya manusia untuk mampu menerjemahkan
perilaku alam (Azizah & Rokhim, 2007).
Salah
satu fenomena alam yang sering ditemukan adalah fenomena fluida. Fluida
diartikan sebagai suatu zat yang dapat mengalir. Istilah fluida mencakup zat
cair dan gas karena zat cair seperti air dan zat gas seperti udara dapat
mengalir. Zat padat seperti batu atau besi tidak dapat mengalir sehingga tidak
bisa digolongkan dalam fluida. Air merupakan salah satu contoh zat cair. Masih
ada contoh zat cair lainnya seperti minyak pelumas, susu, dan sebagainya. Semua
zat cair itu dapat dikelompokan ke dalam fluida karena sifatnya yang dapat
mengalir dari satu tempat ke tempat yang lain (Lohat, 2008).
Fenomena
fluida statis (fluida tak bergerak) berkaitan erat dengan tekanan hidraustatis.
Dalam fluida statis dipelajari hukum-hukum dasar yang berkaitan dengan konsep
tekanan hidraustatis, salah satunya adalah hukum Pascal. Hukum Pascal
diambil dari nama penemunya yaitu Blaise Pascal (1623-1662) yang berasal dari Perancis (Kanginan, 2007).
Hukum-hukum
fisika dalam fluida statis sering dimanfaatkan untuk kesejahteraan manusia
dalam kehidupannya, salah satunya adalah prinsip hukum Pascal. Namun, belum
banyak masyarakat yang mengetahui hal tersebut. Oleh karena itu, diperlukan
studi yang lebih mendalam mengenai hukum Pascal dan penerapannya dalam
kehidupan.
B. RUMUSAN MASALAH
Berdasarkan
latar belakang di atas dapat di rumuskan masalah sebagai berikut:
1.
Apa yang dimaksud dengan
fluida?
2.
Apa yang dimaksud dengan Fluida
statis?
3.
Apa saja prinsip-prinsip fluida
statis dan aplikasinya dalam kehidupan sehari-hari?
4.
Apa yang dimaksud dengan fluida
dinamis?
5.
Apa saja prinsip-prinsip dalam
fluida dinamis dan aplikasinya dalam kehidupan sehari-hari?
C. TUJUAN PENULISAN MAKALAH
Tujuan dari penulisan makalah ini adalah
1.
Mengetahui pengertian fluida.
2.
Mengetahui pengertian fluida
statis.
3.
Mengetahui prinsip-prinsip
fluida statis beserta aplikasinya dalam kehidupan sehari-hari.
4.
Mengetahui pengertian fluida
dinamis.
5.
Mengetahui prinsip-prinsip
dalam fluida dinamis beserta aplikasinya dalam kehidupan sehari-hari.
D.
MANFAAT
Manfaat yang bisa diambil dari penulisan makalah ini
adalah :
1.
Manfaat bagi siswa
a.
Sebagai sarana edukasi dan
media sosialisasi untuk mengetahui lebih jelas mengenai aplikasi fluida dalam
kehidupan sehari-hari.
b.
Sebagai landasan dan pedoman
solusi dalam dalam mengerjakan soal-soal ulangan maupun test yang berhungan
pelajaran Fisika khususnya pada Bab Dinamika Fluida.
c.
Sebagai barometer dalam
meningkatkan aplikasi displin ilmu siswa dalam mengatasi permasalahan yang
berkaitan dengan aplikasi prinsip-prinsip fluida dalam kehidupan sehari-hari.
d.
Sebagai input bagi siswa yang
sekiranya sebagai sarana penambah ilmu pengetahuan sekaligus dalam upaya
pembelajaran tentang Dinamika Fluida dalam kaitannya dengan pemanfaatan
prinsip-prinsip dasar fluida dalam kehidupan sehari-hari.
e.
Sebagai media pengembang
kreativitas bagi para siswa.
2.
Manfaat bagi pengajar
Sebagai input bagi
pengajar untuk memantau perkembangan pembelajaran anak didiknya dalam usaha
mengenal dan memahami mata pelajaran fisika khususnya pada Bab Dinamika Fluida
dan aplikasinya dalam kehidupan sehari-hari.
BAB II
PEMBAHASAN
A. PENGERTIAN FLUIDA
Fluida diartikan sebagai suatu zat
yang dapat mengalir. Istilah fluida mencakup zat cair dan gas karena zat cair
seperti air atau zat gas seperti udara dapat mengalir. Zat padat seperti batu
dan besi tidak dapat mengalir sehingga tidak bisa digolongkan dalam fluida.
Air, minyak pelumas, dan susu merupakan contoh zat cair. Semua zat cair itu
dapat dikelompokan ke dalam fluida karena sifatnya yang dapat mengalir dari
satu tempat ke tempat yang lain. Selain zat cair, zat gas juga termasuk fluida.
Zat gas juga dapat mengalir dari satu satu tempat ke tempat lain. Hembusan
angin merupakan contoh udara yang berpindah dari satu tempat ke tempat lain
(Lohat, 2008).
Fluida merupakan salah satu aspek
yang penting dalam kehidupan sehari-hari. Setiap hari manusia menghirupnya,
meminumnya, terapung atau tenggelam di dalamnya. Setiap hari pesawat udara
terbang melaluinya dan kapal laut mengapung di atasnya. Demikian juga kapal
selam dapat mengapung atau melayang di dalamnya. Air yang diminum dan udara
yang dihirup juga bersirkulasi di dalam tubuh manusia setiap saat meskipun
sering tidak disadari (Lohat, 2008).
Setiap fluida selalu memberikan
tekanan pada semua benda yang bersentuhan dengannya. Air yang dimasukan ke
dalam gelas akan memberikan tekanan pada dinding gelas. Demikian juga seseorang
yang mandi dalam kolam renang atau air laut, air kolam atau air laut tersebut
juga memberikan tekanan pada seluruh tubuh orang tersebut (Lohat, 2008).
Tekanan total air pada kedalaman
tertentu, misalnya tekanan air laut pada kedalaman 200 meter merupakan jumlah
tekanan atmosfer yang menekan permukaan air laut dan tekanan terukur pada
kedalaman 200 meter. Jadi, selain lapisan bagian atas air menekan lapisan air
yang ada di bawahnya, terdapat juga atmosfer (udara) yang menekan permukaan air
laut tersebut (Lohat, 2008).
Tekanan yang ditimbulkan oleh lapisan
fluida yang ada di atas dapat dikatakan sebagai tekanan dalam karena tekanan
itu sendiri berasal dari dalam fluida sedangkan tekanan atmosfer dapat kita
katakana tekanan luar karena atmosfer terpisah dari fluida. Tekanan atmosfer
(dalam kasus ini merupakan tekanan luar) bekerja pada seluruh permukaan fluida
dan tekanan tersebut disalurkan pada seluruh bagian fluida. Oleh karena itu,
tekanan total fluida pada kedalaman tertentu selain disebabkan oleh tekanan
lapisan fluida pada bagian atas, juga dipengaruhi oleh tekanan luar (Lohat,
2008).
B. FLUIDA STATIS
Fluida dibagi menjadi dua bagian
yakni fluida statis (fluida diam) dan fluida dinamis (fluida bergerak). Fluida
statis ditinjau ketika fluida yang sedang diam atau berada dalam keadaan
setimbang.
Fluida statis erat kaitannya dengan
hidraustatika dan tekanan. Hidraustatika merupakan ilmu yang mempelajari
tentang gaya maupun tekanan di dalam zat cair yang diam (Kanginan, 2007).
Sedangkan tekanan didefinisikan sebagai gaya normal per satuan luas permukaan (Resnick,
1985).
C. PRINSIP-PRINSIP FLUIDA
STATIS DAN APLIKASINYA DALAM KEHIDUPAN SEHARI-HARI
1.
Tekanan Hidrostatis
Dalam ilmu fisika, Tekanan diartikan sebagai gaya per satuan luas,
di mana arah gaya tegak lurus dengan luas permukaan. Secara matematis, tekanan dapat
dinyatakan dengan persamaan berikut ini :
Dengan :
P = tekanan
F = gaya
A = luas permukaan.
Satuan gaya (F) adalah Newton (N),
satuan luas adalah meter persegi (m2). Karena tekanan adalah gaya per satuan
luas maka satuan tekanan adalah N/m2. Nama lain dari N/m2 adalah pascal (Pa).
Pascal dipakai sebagai satuan Tekanan untuk menghormati Blaise Pascal.
Ketika kita membahas Fluida, konsep
Tekanan menjadi sangat penting. Ketika fluida berada dalam keadaan tenang,
fluida memberikan gaya yang tegak lurus ke seluruh permukaan kontaknya.
Misalnya kita tinjau air yang berada di dalam gelas, setiap bagian air tersebut
memberikan gaya dengan arah tegak lurus terhadap dinding gelas. Jadi setiap
bagian air memberikan gaya tegak lurus terhadap setiap satuan luas dari wadah
yang ditempatinya, dalam hal ini gelas. Demikian juga air dalam bak mandi atau
Air kolam renang. Ini merupakan salah satu sifat penting dari fluida statis
alias fluida yang sedang diam. Gaya per satuan luas ini dikenal dengan istilah
tekanan.
Mengapa pada fluida diam arah gaya
selalu tegak lurus permukaan ? hal ini berhubungan dengan Hukum Newton. Hukum
III Newton yang pernah kita pelajari mengatakan bahwa jika ada gaya aksi maka
akan ada gaya reaksi yang besarnya sama tetapi berlawanan arah. Ketika fluida
memberikan gaya aksi terhadap permukaan, di mana arah gaya tidak tegak lurus,
maka permukaan akan memberikan gaya reaksi yang arahnya juga tidak tegak lurus.
Hal ini akan menyebabkan fluida mengalir. Tapi pada kenyataannya fluida tetap
diam (statis). Jadi kesimpulannya, pada fluida diam, arah gaya selalu tegak
lurus permukaan wadah yang ditempatinya.
Sifat penting lain dari fluida diam
adalah fluida selalu memberikan tekanan ke semua arah. Untuk lebih memahami
penjelasan ini, silahkan masukan sebuah benda yang bisa melayang ke dalam gelas
atau penampung yang berisi air. Jika air sangat tenang, maka benda yang anda
masukan tadi tidak bergerak karena pada seluruh permukaan benda tersebut
bekerja tekanan yang sama besar. Jika tekanan air tidak sama besar maka akan
ada gaya total, yang akan menyebabkan benda bergerak (hukum II Newton).
Pengaruh
Kedalaman Terhadap Tekanan
Pada penjelasan di atas, telah
dijelaskan dua sifat-sifat fluida statis, yakni memberikan tekanan ke segala
arah dan gaya yang disebabkan oleh tekanan fluida selalu bekerja tegak lurus
terhadap permukaan benda yang bersentuhan dengan fluida tersebut. Ilustrasi
yang kita gunakan adalah zat cair (air). Bagaimana pengaruh kedalaman (atau
ketinggian) terhadap tekanan? Apakah tekanan air laut pada kedalaman 10 meter
sama dengan tekanan air laut pada kedalaman 100 meter?
Hal itu dapat dijelaskan dengan persamaan di bawah
ini,
Dengan :
p = tekanan hidrostatis (Nm-2)
p (rho)
= massa jenis fluida (kgm-3)
h = kedalaman fluida pada titik pengamatan dari permukaan (m)
g = perceptan gravitasi (ms-2)
Berdasarkan persamaan di atas,
tampak bahwa tekanan berbanding lurus dengan massa jenis dan kedalaman zat cair
(percepatan gravitasi bernilai tetap). Jika kedalaman zat cair makin bertambah,
maka tekanan juga makin besar. Ingat bahwa cairan hampir tidak termapatkan
akibat adanya berat cairan di atasnya, sehingga massa jenis cairan bernilai
konstan di setiap permukaan. Jika perbedaan ketinggian sangat besar (untuk laut
yang sangat dalam), massa jenis sedikit berbeda. Tapi jika perbedaan ketinggian
tidak terlalu besar, pada dasarnya massa jenis zat cair sama (atau perbedaanya
sangat kecil sehingga diabaikan).
Jika ditinjau kembali persamaan di
atas, tekanan hdrostatis pada suatu titik di dalam fluida ditentukan oleh
kedalaman fluida yang diukur dari permukaan dan tidak bergantung pada luas
penampang tempat fluida tersebut, serta tidak bergantung pada bentuk
penampangnya. Sehingga apabila suatu benda terletak pada titik pengamatan yang
sama namun memilki luas dan bentuk penampang yang berbeda akan memiliki tekanan
hidrostatis yang sama.
Tekanan Atmosfir
(Tekanan Udara)
Sebagaimana setiap fluida, tekanan
atmosfir bumi juga berubah terhadap kedalaman (atau ketinggian). Tetapi tekanan
atmosfir bumi agak berbeda dengan zat cair. Perubahan massa jenis zat cair
sangat kecil untuk perbedaan kedalaman yang tidak sangat besar, sehingga massa
jenis zat cair dianggap sama. Hal ini berbeda dengan massa jenis atmosfir bumi.
Massa jenis atmosfir bumi bervariasi cukup besar terhadap ketinggian. Massa
jenis udara di setiap ketinggian berbeda-beda sehingga kita tidak bisa
menghitung tekanan atmosfir menggunakan persamaan yang telah diturunkan di
atas. Selain itu tidak ada batas atmosfir yang jelas dari mana h dapat dukur.
Tekanan atmosfir juga bervariasi terhadap cuaca. Jika demikian, bagaimana kita
mengetahui besarnya tekanan udara? untuk mengetahui tekanan atmosfir, kita
melakukan pengukuran.
Pengukuran
Tekanan
Evangelista Torricelli (1608-1647), membuat suatu
metode alias cara untuk mengukur tekanan atmosfir pada tahun 1643 menggunakan
barometer air raksa hasil karyanya. Barometer tersebut berupa tabung kaca yang
panjang, di mana dalam tabung tersebut diisi air raksa. Nah, tabung kaca yang
berisi air raksa tersebut dibalik dalam sebuah piring yang juga telah diisi air
raksa.
Ketika tabung kaca yang berisi air raksa dibalik
maka pada bagian ujung bawah tabung (pada gambar terletak di bagian atas) tidak
terisi air raksa, isinya cuma uap air raksa yang tekanannya sangat kecil
sehingga diabaikan (p2 = 0). Pada permukaan air raksa yang berada di dalam
piring terdapat tekanan atmosfir yang arahnya ke bawah (atmosfir menekan air
raksa yang berada di piring). Tekanan atmosfir tersebut menyanggah kolom air
raksa yang berada dalam pipa kaca. Pada gambar, tekanan atmosfir dilambangkan
dengan P0. Besarnya
tekanan atmosfir dapat dihitung menggunakan persamaan :
P0
=
= (13,6 x 103 kgm-3)(9,8
ms-2)(0,76 m) = 1,013 x 105 Nm-2
Pengkuran di atas menggunakan
prinsip yang telah ditunjukan oleh percobaan torricelli di atas. Tinggi kolom
air raksa yang digunakan adalah 76 cm (tekanan atmosfir hanya dapat menahan
kolom air raksa yang tingginya hanya mencapai 76,0 cm), di mana suhu air raksa
yang digunakan tepat 0oC dan besarnya percepatan gravitasi 9,8 ms-2.
Massa jenis air raksa pada kondisi ini adalah 13,6 x 103 kgm3.Berdasarkan
hasil pengukuran, rata-rata tekanan atmosfir pada permukaan laut adalah 1,013 x
105 Nm-2. Besarnya tekanan atmosfir pada permukaan laut
ini digunakan untuk mendefinisikan satuan tekanan lain, yakni atm (atmosfir).
Jadi 1 atm = 1,013 x 105 N/m2 = 101,3 kPa (kPa = kilo pascal). Satuan tekanan
lain adalah bar (sering digunakan pada meteorologi). 1 bar = 1,00 x 105 Nm-2
= 100 kPa.
Alat pengukur
tekanan
Terdapat banyak alat yang digunakan untuk mengukur
tekanan, di antaranya adalah manometer tabung terbuka.
Pada manometer tabung terbuka, di mana tabung
berbentuk U, sebagian tabung diisi dengan zat cair (air raksa atau air).
Tekanan yang terukur dihubungkan dengan perbedaan dua ketinggian zat cair yang
dimasukan ke dalam tabung. Besar tekanan dihitung menggunakan persamaan :
P = pa +
gh
Dengan :
P = tekanan dalam tabung (dalam ruangan)
Pa = tekanan atmosfer
pgh
= tekanan hidrostatis
Selain manometer, terdapat juga
pengukur lain yakni barometer aneroid, baik mekanis maupun elektrik, termasuk
alat pengukur tekanan ban dkk. Alat yang digunakan oleh paman torricelli untuk
mengukur tekanan atmosfir disebut juga barometer air raksa, di mana tabung kaca
diisi penuh dengan air raksa kemudian dibalik ke dalam piring yang juga berisi
air raksa.
Tekanan Terukur,
Tekanan gauge dan Tekanan absolut
Tekanan absolut = tekanan atmosfir + tekanan
terukur. Jadi untuk mendapatkan tekanan absolut, kita menambahkan tekanan
terukur dengan tekanan atmosfir. Dengan kata lain, tekanan absolut = tekanan
total. Secara matematis bisa ditulis :
p = pa + p ukur
misalnya jika tekanan ban yang kita ukur = 100 kPa,
maka tekanan absolut adalah :
p = pa + pukur
p = 101 kPa + 100 kPa (pa = tekanan atmosfer = 1 atm
= 101,3 kPa = 101 kPa)
p = 201 kPa
Besarnya tekanan absolut = 201 kPa.
Ada satu lagi istilah, yakni
tekanan gauge alias tekanan tolok. Tekanan gauge merupakan kelebihan tekanan di
atas tekanan atmosfir. Misalnya kita tinjau tekanan ban sepeda motor. Ketika
ban sepeda motor kempes, tekanan dalam ban = tekanan atmosfir (Tekanan atmosfir
= 1,01 x 105 Pa = 101 kPa). Jika anda ingin mengunakan ban tersebut sehingga
sepeda motor yang “ditunggangi” bisa kebut-kebutan di jalan, maka anda harus
mengisi ban tersebut dengan udara. Ketika ban diisi udara, tekanan ban pasti bertambah.
Nah, ketika tekanan ban menjadi lebih besar dari 101 kPa, maka kelebihan
tekanan tersebut disebut juga tekanan gauge.
2.
Hukum Pascal
a.
Pengertian Hukum Pascal
Bila ditinjau dari zat cair yang berada
dalam suatu wadah, tekanan zat cair pada dasar wadah tentu saja lebih besar
dari tekanan zat cair pada bagian di atasnya. Semakin ke bawah, semakin besar
tekanan zat cair tersebut. Sebaliknya, semakin mendekati permukaan atas wadah,
semakin kecil tekanan zat cair tersebut. Besarnya tekanan sebanding dengan pgh
(p = massa jenis, g
= percepatan gravitasi dan h = ketinggian/kedalaman) (Lohat,
2008).
Setiap titik pada kedalaman yang sama
memiliki besar tekanan yang sama. Hal ini berlaku untuk semua zat cair
dalam wadah apapun dan tidak bergantung pada bentuk wadah tersebut. Apabila
ditambahkan tekanan luar misalnya dengan menekan permukaan zat cair tersebut,
pertambahan tekanan dalam zat cair adalah sama di segala arah. Jadi, jika
diberikan tekanan luar, setiap bagian zat cair mendapat jatah tekanan yang sama
(Lohat, 2008).
Jika seseorang memeras ujung kantong
plastik berisi air yang memiliki banyak lubang maka air akan memancar dari
setiap lubang dengan sama kuat. Blaise Pascal (1623-1662)
menyimpulkannya dalam hukum Pascal yang berbunyi, “tekanan yang
diberikan pada zat cair dalam ruang tertutup diteruskan sama besar ke segala
arah” (Kanginan, 2007).
Blaise Pascal (1623-1662)
adalah fisikawan Prancis yang lahir di Clermount pada 19 Juli 1623. Pada usia
18 tahun, ia menciptakan kalkulator digital pertama di dunia. Ia menghabiskan
waktunya dengan bermain dan melakukan eksperimen terus-menerus selama
pengobatan kanker yang dideritanya. Ia menemukan teori hukum Pascal dengan
eksperimenya bermain-main dengan air (Kanginan, 2007).
b.
Prinsip dan Persamaan Hukum
Pascal
Jika suatu fluida yang dilengkapi dengan sebuah
penghisap yang dapat bergerak maka tekanan di suatu titik tertentu tidak hanya
ditentukan oleh berat fluida di atas permukaan air tetapi juga oleh gaya yang
dikerahkan oleh penghisap. Berikut ini adalah gambar fluida yang dilengkapi
oleh dua penghisap dengan luas penampang berbeda. Penghisap pertama memiliki
luas penampang yang kecil (diameter kecil) dan penghisap yang kedua memiliki
luas penampang yang besar (diameter besar) (Kanginan, 2007).
Gambar : Fluida yang Dilengkapi Penghisap dengan Luas
Permukaan Berbeda
Sesuai dengan hukum Pascal bahwa tekanan yang
diberikan pada zat cair dalam ruang tertutup akan diteruskan sama besar ke
segala arah, maka tekanan yang masuk pada penghisap pertama sama dengan tekanan
pada penghisap kedua (Kanginan, 2007).
Tekanan dalam
fluida dapat dirumuskan dengan persamaan di bawah ini.
P = F : A
sehingga persamaan
hukum Pascal bisa ditulis
sebagai berikut.
P1
= P2
F1 : A1 = F2 : A2
dengan P = tekanan (pascal), F
= gaya (newton), dan A = luas permukaan penampang (m2).
Ada berbagai macam satuan tekanan.
Satuan SI untuk tekanan adalah newton per meter persegi (N/m2) yang
dinamakan pascal (Pa). Satu pascal sama dengan satu newton per meter persegi.
Dalam sistem satuan Amerika sehari-hari, tekanan biasanya diberikan dalam
satuan pound per inci persegi (lb/in2). Satuan tekanan lain yang
biasa digunakan adalah atmosfer (atm) yang mendekati tekanan udara pada
ketinggian laut. Satu atmosfer didefisinikan sebagai 101,325 kilopascal yang
hampir sama dengan 14,70 lb/in2. Selain itu, masih ada beberapa
satuan lain diantaranya cmHg, mmHg, dan milibar (mb).
1 mb = 0.01 bar
1 bar = 105 Pa
1 atm = 76 cm Hg = 1,01 x 105 Pa= 0,01 bar
1 atm = 101,325 kPa = 14,70 lb/in2
Untuk menghormati Torricelli, fisikawan Italia penemu
barometer (alat pengukur tekanan), ditetapkan satuan dalam torr, dimana 1 torr
= 1 mmHg (Tipler, 1998).
c.
Aplikasi Hukum Pascal
Hidraulika adalah ilmu yang
mempelajari berbagai gerak dan keseimbangan zat cair. Hidraulika merupakan
sebuah ilmu yang mengkaji arus zat cair melalui pipa-pipa dan pembuluh–pembuluh
yang tertutup maupun yang terbuka. Kata hidraulika berasal dari bahasa Yunani
yang berarti air. Dalam teknik, hidraulika berarti pergerakan-pergerakan,
pengaturan-pengaturan, dan pengendalian-pengendalian berbagai gaya dan gerakan
dengan bantuan tekanan suatu zat cair (Krist, 1980).
Semua instalasi hidraulika pada
sistem fluida statis (tertutup) bekerja dengan prinsip hidraustatis. Dua hukum
terpenting yang berhubungan dengan hidraustatistika adalah :
1.
Dalam sebuah ruang tertutup
(sebuah bejana atau reservoir), tekanan yang dikenakan terhadap zat cair akan
merambat secara merata ke semua arah,
2.
Besarnya tekanan dalam zat cair
(air atau minyak) adalah sama dengan gaya (F) dibagi oleh besarnya bidang tekan
(A) (Krist, 1980).
Dari hukum Pascal diketahui
bahwa dengan memberikan gaya yang kecil pada penghisap dengan luas penampang
kecil dapat menghasilkan gaya yang besar pada penghisap dengan luas penampang
yang besar (Kanginan, 2007). Prinsip inilah yang dimanfaatkan pada peralatan
teknik yang banyak dimanfaatkan manusia dalam kehidupan misalnya dongkrak
hidraulik, pompa hidraulik, dan rem hidraulik (Azizah & Rokhim, 2007).
☼
Prinsip Kerja Dongkrak
Hidrolik
Prinsip kerja dongkrak hidraulik adalah dengan
memanfaatkan hukum Pascal. Dongkrak hidraulik terdiri dari dua tabung
yang berhubungan yang memiliki diameter yang berbeda ukurannya. Masing-masing
ditutup dan diisi air. Mobil diletakkan di atas tutup tabung yang berdiameter
besar. Jika kita memberikan gaya yang kecil pada tabung yang berdiameter kecil,
tekanan akan disebarkan secara merata ke segala arah termasuk ke tabung besar
tempat diletakkan mobil (Anonim,2009a). Jika gaya F1 diberikan pada
penghisap yang kecil, tekanan dalam cairan akan bertambah dengan F1/A1.
Gaya ke atas yang diberikan oleh cairan pada penghisap yang lebih besar adalah
penambahan tekanan ini kali luas A2. Jika gaya ini disebut F2,
didapatkan
F2 = (F : A1)
x A2
Jika A2 jauh lebih besar
dari A1, sebuah gaya yang lebih kecil (F1) dapat
digunakan untuk menghasilkan gaya yang jauh lebih besar (F2) untuk
mengangkat sebuah beban yang ditempatkan di penghisap yang lebih besar (Tipler,
1998).
Berikut ini contoh perhitungan
tekanan pada sebuah dongkrak hidraulik. Misalnya, sebuah dongkrak hidraulik
mempunyai dua buah penghisap dengan luas penampang melintang A1 =
5,0 cm2 dan luas penampang melintang A2 = 200 cm2.
Bila diberikan suatu gaya F1 sebesar 200 newton, pada penghisap
dengan luas penampang A2 akan dihasilkan gaya F2 = (F1
: A1) x A2 = (200 : 5) x 200 = 8000 newton.
Gambar : contoh dongkrak hidrolik
Gambar : prinsip pascal dan
aplikasinya
Apabila
piston yang luas permukaannya kecil ditekan ke bawah, maka setiap bagian cairan
juga ikut tertekan. Besarnya tekanan yang diberikan oleh piston yang
permukaannya kecil (gambar kiri) diteruskan ke seluruh bagian cairan.
Akibatnya, cairan menekan piston yang luas permukaannya lebih besar (gambar
kanan) hingga piston terdorong ke atas. Luas permukaan piston yang ditekan
kecil, sehingga gaya yang diperlukan untuk menekan cairan juga kecil. Tapi
karena tekanan (Tekanan = gaya / satuan luas) diteruskan seluruh bagian cairan,
maka gaya yang kecil tadi berubah menjadi sangat besar ketika cairan menekan
piston di sebelah kanan yang luas permukaannya besar. Jarang sekali orang
memberikan gaya masuk pada piston yang luas permukaannya besar, karena tidak
menguntungkan. Pada bagian atas piston yang luas permukaannya besar biasanya
diletakan benda atau begian benda yang mau diangkat (misalnya mobil dkk).
Anda
jangan heran jika mobil yang massanya sangat besar dengan mudah diangkat hanya
dengan menekan salah satu piston. Ingat bahwa luas permukaan piston sangat
kecil sehingga gaya yang kita berikan juga kecil. Walaupun demikian gaya
masukan yang kecil tersebut bisa berubah menjadi gaya keluaran yang sangat
besar bila luas permukaan keluaran sangat besar. Jika dongkrak hidrolik
dirancang untuk mengangkat mobil yang massanya sangat berat maka perancang
perlu memperhatikan besar gaya berat mobil tersebut dan besarnya gaya keluaran
yang dihasilkan oleh dongkrak. Semakin besar gaya berat mobil yang diangkat
maka semakin besar luas permukaan keluaran dari dongkrak hidrolik. Minimal gaya
keluaran yang dihasilkan oleh dongkrak hidrolis lebih besar/sama dengan gaya
berat benda yang diangkat.
☼
Prinsip Kerja Rem Hidraulik
Dasar kerja pengereman adalah
pemanfaatan gaya gesek dan hukum Pascal. Tenaga gerak kendaraan akan
dilawan oleh tenaga gesek ini sehingga kendaraan dapat berhenti (Triyanto,
2009). Rem hidraulik paling banyak digunakan pada mobil-mobil penumpang dan
truk ringan. Rem hidraulik memakai prinsip hukum Pascal dengan tekanan
pada piston kecil akan diteruskan pada piston besar yang menahan gerak cakram.
Cairan dalam piston bisa diganti apa saja. Pada rem hidraulik biasa dipakai
minyak rem karena dengan minyak bisa sekaligus berfungsi melumasi piston
sehingga tidak macet (segera kembali ke posisi semula jika rem dilepaskan).
Bila dipakai air, dikhawatirkan akan terjadi perkaratan (Anonim, 2009b).
Gambar
: system rem hidrolik pada mobil
Gambar : gesekan pada rem hidrolik
3.
Hukum Archimedes
Pernahkah anda melihat kapal laut? Coba bayangkan. Kapal yang
massanya sangat besar tidak tenggelam, sedangkan sebuah batu yang ukurannya
kecil dan terasa ringan bisa tenggelam. Aneh bukan? Mengapa bisa demikian?
Semua jawabannya ada pada prinsip-prinsip Hukum Archimedes.
Gaya Apung
Ketika anda menimbang batu di dalam
air, berat batu yang terukur pada timbangan pegas menjadi lebih kecil
dibandingkan dengan ketika anda menimbang batu di udara (tidak di dalam air).
Massa batu yang terukur pada timbangan lebih kecil karena ada gaya apung yang
menekan batu ke atas. Efek yang sama akan dirasakan ketika kita mengangkat
benda apapun dalam air. Batu atau benda apapun akan terasa lebih ringan jika
diangkat dalam air. Hal ini bukan berarti bahwa sebagian batu atau benda yang
diangkat hilang sehingga berat batu menjadi lebih kecil, tetapi karena adanya
gaya apung. Arah gaya apung ke atas, alias searah dengan gaya angkat yang kita
berikan pada batu tersebut sehingga batu atau benda apapun yang diangkat di
dalam air terasa lebih ringan.
Keterangan gambar :
F pegas = gaya pegas,
w = gaya berat batu,
F1 = gaya yang diberikan fluida pada bagian atas
batu,
F2 = gaya yang diberikan fluida pada bagian bawah
batu,
F apung = gaya apung.
F apung merupakan gaya total yang diberikan fluida
pada batu (F apung = F2-F1). Arah gaya apung (F apung) ke
atas, karena gaya yang diberikan fluida pada bagian bawah batu (F2)
lebih besar daripada gaya yang diberikan fluida pada bagian atas batu (F1).
Hal ini dikarenakan tekanan fluida pada bagian bawah lebih besar daripada
tekanan fluida pada bagian atas batu.
Dalam kehidupan sehari-hari, kita
akan menemukan bahwa benda yang dimasukan ke dalam fluida seperti air misalnya,
memiliki berat yang lebih kecil daripada ketika benda tidak berada di dalam
fluida tersebut. Anda mungkin sulit mengangkat sebuah batu dari atas permukaan
tanah, tetapi batu yang sama dengan mudah diangkat dari dasar kolam. Hal ini
disebabkan karena adanya gaya apung sebagaimana telah dijelaskan sebelumnya.
Gaya apung terjadi karena adanya perbedaan tekanan fluida pada kedalaman yang
berbeda. Seperti yang telah dijelaskan pada pokok bahasan Tekanan pada Fluida,
tekanan fluida bertambah terhadap kedalaman. Semakin dalam fluida (zat cair),
semakin besar tekanan fluida tersebut. Ketika sebuah benda dimasukkan ke dalam
fluida, maka akan terdapat perbedaan tekanan antara fluida pada bagian atas
benda dan fluida pada bagian bawah benda. Fluida yang terletak pada bagian
bawah benda memiliki tekanan yang lebih besar daripada fluida yang berada di
bagian atas benda. (perhatikan gambar di bawah).
Pada gambar di atas, tampak sebuah
benda melayang di dalam air. Fluida yang berada dibagian bawah benda memiliki
tekanan yang lebih besar daripada fluida yang terletak pada bagian atas benda.
Hal ini disebabkan karena fluida yang berada di bawah benda memiliki kedalaman
yang lebih besar daripada fluida yang berada di atas benda (h2 > h1).
Besarnya tekanan fluida pada kedalaman h2
adalah :
Besarnya tekanan fluida pada kedalamana h1
adalah :
F2 = gaya yang diberikan oleh fluida pada
bagian bawah benda, F1 = gaya yang diberikan oleh fluida pada bagian
atas benda, A = luas permukaan benda
Selisih antara F2 dan F1
merupakan gaya total yang diberikan oleh fluida pada benda, yang kita kenal
dengan istilah gaya apung. Besarnya gaya apung adalah :
Keterangan :
Karena
Maka persamaan yang menyatakan besarnya gaya apung
(Fapung) di atas bisa kita tulis menjadi :
mFg = wF = berat fluida yang memiliki volume yang
sama dengan volume benda yang tercelup. Berdasarkan persamaan di atas, kita
bisa mengatakan bahwa gaya apung pada benda sama dengan berat fluida yang
dipindahkan. Ingat bahwa yang dimaksudkan dengan fluida yang dipindahkan di
sini adalah volume fluida yang sama dengan volume benda yang tercelup dalam
fluida. Pada gambar di atas, digunakan ilustrasi di mana semua bagian benda
tercelup dalam fluida (air). Jika dinyatakan dalam gambar maka akan tampak
sebagai berikut :
Apabila benda yang dimasukkan ke dalam fluida,
terapung, di mana bagian benda yang tercelup hanya sebagian, maka volume fluida
yang dipindahkan = volume bagian benda yang tercelup dalam fluida tersebut.
Tidak peduli apapun benda dan bagaimana bentuk benda tersebut, semuanya akan
mengalami hal yang sama. Ini adalah hukum yang dicetuskan oleh Archimedes
(287-212 SM). Prinsip Archimedes menyatakan bahwa :
“Ketika sebuah
benda tercelup seluruhnya atau sebagian di dalam zat cair, zat cair akan
memberikan gaya ke atas (gaya apung) pada benda, di mana besarnya gaya ke atas
(gaya apung) sama dengan berat zat cair yang dipindahkan.”
Anda bisa membuktikan prinsip
Archimedes dengan melakukan percobaan kecil-kecilan berikut. Masukan air ke
dalam sebuah wadah (ember dkk). Usahakan sampai meluap sehingga ember tersebut
benar-benar penuh terisi air. Setelah itu, silahkan masukan sebuah benda ke
dalam air. Setelah benda dimasukan ke dalam air, maka sebagian air akan tumpah.
Volume air yang tumpah = volume benda yang tercelup dalam air tersebut. Jika
seluruh bagian benda tercelup dalam air, maka volume air yang tumpah = volume
benda tersebut. Tapi jika benda hanya tercelup sebagian, maka volume air yang
tumpah = volume dari bagian benda yang tercelup dalam air Besarnya gaya apung
yang diberikan oleh air pada benda = berat air yang tumpah (berat air yang
tumpah = w = mairg = massa jenis air x volume air yang tumpah x percepatan
gravitasi). Volume air yang tumpah = volume benda yang tercelup dalam air.
4.
Tegangan Permukaan
Sebelum melangkah lebih jauh,
alangkah baiknya jika anda melakukan percobaan kecil-kecilan mengenai tegangan
permukaan. Masukan air ke dalam sebuah wadah (misalnya gelas). sediakan juga
sebuah penjepit kertas (klip). Nah, sekarang letakan klip secara perlahan-lahan
di atas air. Jika dilakukan secara baik dan benar, maka klip tersebut akan
mengapung di atas permukaan air. Biasanya klip terbuat dari logam, sehingga
kerapatannya lebih besar dari kerapatan air. Karena massa jenis klip lebih
besar dari massa jenis air, maka seharusnya klip itu tenggelam. Tapi kenyataannya
klip terapung. Fenomena ini merupakan salah satu contoh dari adanya Tegangan
Permukaan.
Untuk menjelaskan fenomena klip
yang terapung di atas air, terlebih dahulu harus diketahui apa sesungguhnya
tegangan permukaan itu. Tegangan permukaan terjadi karena permukaan zat cair
cenderung untuk menegang sehingga permukaannya tampak seperti selaput tipis.
Hal ini dipengaruhi oleh adanya gaya kohesi antara molekul air. Agar semakin
memahami penjelasan ini, perhatikan ilustrasi berikut. Kita tinjau cairan yang
berada di dalam sebuah wadah.
Molekul cairan biasanya saling
tarik menarik. Di bagian dalam cairan, setiap molekul cairan dikelilingi oleh
molekul-molekul lain di setiap sisinya; tetapi di permukaan cairan, hanya ada
molekul-molekul cairan di samping dan di bawah. Di bagian atas tidak ada
molekul cairan lainnya. Karena molekul cairan saling tarik menarik satu dengan
lainnya, maka terdapat gaya total yang besarnya nol pada molekul yang berada di
bagian dalam cairan. Sebaliknya, molekul cairan yang terletak dipermukaan
ditarik oleh molekul cairan yang berada di samping dan bawahnya. Akibatnya,
pada permukaan cairan terdapat gaya total yang berarah ke bawah. Karena adanya
gaya total yang arahnya ke bawah, maka cairan yang terletak di permukaan
cenderung memperkecil luas permukaannya, dengan menyusut sekuat mungkin. Hal
ini yang menyebabkan lapisan cairan pada permukaan seolah-olah tertutup oleh
selaput elastis yang tipis. Fenomena ini kita kenal dengan istilah Tegangan
Permukaan.
Lalu mengapa
klip tidak tenggelam ?
Ketika klip diletakan secara
hati-hati ke atas permukaan air, molekul-molekul air yang terletak di permukaan
agak ditekan oleh gaya berat klip tersebut, sehingga molekul-molekul air yang
terletak di bawah memberikan gaya pemulih ke atas untuk menopang klip tersebut
(ingat kembali elastisitas). Dalam kenyataannya, bukan hanya klip alias
penjepit kertas, tetapi juga bisa benda lain seperti jarum. Apabila kita
meletakan jarum secara hati-hati di atas permukaan air, maka jarum akan
terapung. Adanya tegangan permukaan cairan juga menjadi alasan mengapa serangga
bisa mengapung di atas air.
Persamaan
Tegangan Permukaan
Pada pembahasan sebelumnya, kita
telah mempelajari konsep tegangan permukaan secara kualitatif (tidak ada
persamaan matematis). Kali ini kita tinjau tegangan permukaan secara
kuantitatif. Untuk membantu kita menurunkan persamaan tegangan permukaan, kita
tinjau sebuah kawat yang dibengkokkan membentuk huruf U. Sebuah kawat lain yang
berbentuk lurus dikaitkan pada kedua kaki kawat U, di mana kawat lurus tersebut
bisa digerakkan (lihat gambar di bawah).
Jika kawat ini dimasukan ke dalam
larutan sabun, maka setelah dikeluarkan akan terbentuk lapisan air sabun pada
permukaan kawat tersebut. Mirip seperti ketika dirimu bermain gelembung sabun.
Karena kawat lurus bisa digerakkan dan massanya tidak terlalu besar, maka
lapisan air sabun akan memberikan gaya tegangan permukaan pada kawat lurus
sehingga kawat lurus bergerak ke atas (perhatikan arah panah). Untuk
mempertahankan kawat lurus tidak bergerak (kawat berada dalam kesetimbangan),
maka diperlukan gaya total yang arahnya ke bawah, di mana besarnya gaya total
adalah F = w + T. Dalam kesetimbangan, F = gaya tegangan permukaan yang
dikerjakan oleh lapisan air sabun pada kawat lurus.
Misalkan panjang kawat lurus adalah
l. Karena lapisan air sabun yang menyentuh kawat lurus memiliki dua permukaan,
maka gaya tegangan permukaan yang ditimbulkan oleh lapisan air sabun bekerja
sepanjang 2l. Tegangan permukaan pada lapisan sabun merupakan perbandingan antara
Gaya Tegangan Permukaan (F) dengan panjang permukaan di mana gaya bekerja (d).
Untuk kasus ini, panjang permukaan adalah 2l. Secara matematis, ditulis :
Karena tegangan permukaan merupakan
perbandingan antara Gaya tegangan permukaan dengan Satuan panjang, maka satuan
tegangan permukaan adalah Newton per meter (N/m) atau dyne per centimeter
(dyn/cm).
1 dyn/cm = 10-3 N/m = 1 mN/m
Berdasarkan data Tegangan
Permukaan, tampak bahwa suhu mempengaruhi nilai tegangan permukaan fluida.
Umumnya ketika terjadi kenaikan suhu, nilai tegangan permukaan mengalami
penurunan (Bandingkan nilai tegangan permukaan air pada setiap suhu. Lihat
tabel). Hal ini disebabkan karena ketika suhu meningkat, molekul cairan
bergerak semakin cepat sehingga pengaruh interaksi antar molekul cairan
berkurang. Akibatnya nilai tegangan permukaan juga mengalami penurunan.
Aplikasi Konsep
Tegangan Permukaan dalam kehidupan sehari-hari
Pernahkah anda bertanya, mengapa
kita harus mencuci pakaian dengan sabun? Persoalannya, agar pakaian yang kita
cuci benar-benar bersih maka air harus melewati celah yang sangat sempit pada
serat pakaian. Untuk itu diperlukan penambahan luas permukaan air. Nah, hal ini
sangat sukar dilakukan karena adanya tegangan permukaan. Mau tidak mau nilai
tegangan permukaan air harus diturunkan dahulu. Kita bisa menurunkan tegangan
permukaan dengan cara menggunakan air panas. Makin tinggi suhu air, maka baik
karena semakin tinggi suhu air, semakin kecil tegangan permukaan (lihat tabel).
Ini alternatif pertama dan merupakan cara yang jarang digunakan. Kecuali mereka
yang suka bermain dengan air panas.
Alternatif lainnya adalah
menggunakan sabun. Pada suhu 20oC, nilai Tegangan Permukaan air
sabun adalah 25,00 mN/m. Coba bandingkan antara air sabun dan air panas,
manakah nilai tegangan permukaan paling kecil? Pada 100oC, nilai
tegangan permukaan air panas = 58,90. Pada suhu 20oC, nilai tegangan
permukaan air sabun adalah 25,00 mN/m. Lebih menguntungkan pakai sabun selain
itu airnya juga tidak panas. Jangan heran kalau sabun sangat laris di pasar.
5.
Kapilaritas
Kapilaritas
disebabkan oleh interaksi molekul-molekul di dalam zat cair. Di dalam zat cair
molekul-molekulnya dapat mengalami gaya adhesi dan kohesi. Gaya kohesi adalah
tarik-menarik antara molekul-molekul di dalam suatu zat cair sedangkan gaya
adhesi adalah tarik menarik antara molekul dengan molekul lain yang tidak
sejenis, yaitu bahan wadah di mana zat cair berada. Apabila adhesi lebih besar
dari kohesi seperti pada air dengan permukaan gelas, air akan berinteraksi kuat
dengan permukaan gelas sehingga air membasahi kaca dan juga permukaan atas
cairan akan melengkung (cekung). Keadaan ini dapat menyebabkan cairan dapat
naik ke atas oleh tegangan permukaan yang arahnya keatas sampai batas
keseimbangan gaya ke atas dengan gaya berat cairan tercapai. Jadi air dapat
naik keatas dalam suatu pipa kecil yang biasa disebut pipa kapiler. Inilah yang
terjadi pada saat air naik dari tanah ke atas melalui tembok.
D. FLUIDA DINAMIS
Dalam fluida dinamis, kita
menganalisis fluida ketika fluida tersebut bergerak. Aliran fluida secara umum
bisa kita bedakan menjadi dua macam, yakni aliran lurus alias laminar dan
aliran turbulen. Aliran lurus bisa kita sebut sebagai aliran mulus, karena
setiap partikel fluida yang mengalir tidak saling berpotongan.
Salah satu contoh aliran
laminar adalah naiknya asap dari ujung rokok yang terbakar. Mula-mula asap naik
secara teratur (mulus), beberapa saat kemudian asap sudah tidak bergerak secara
teratur lagi tetapi berubah menjadi aliran turbulen. Aliran turbulen ditandai dengan
adanya lingkaran-lingkaran kecil dan menyerupai pusaran dan kerap disebut
sebagai arus eddy. Contoh lain dari aliran turbulen adalah pusaran air. Aliran turbulen menyerap energi yang sangat
besar.
Ciri-ciri umum dari aliran fluida :
1.
Aliran fluida bisa berupa
aliran tunak (steady) dan aliran tak tunak (non-steady). aliran fluida dikatakan aliran tunak jika kecepatan setiap partikel di suatu titik selalu
sama. Katakanlah partikel fluida mengalir melewati titik A dengan kecepatan
tertentu, lalu partikel fluida tersebut mengalir dengan kecepatan tertentu di
titik B. Ketika partikel fluida yang lain menyusul dari belakang melewati titik
A, kecepatan alirannya sama dengan partikel fluida yang bergerak mendahului
mereka. Hal ini terjadi apabila laju aliran fluida rendah alias partikel fluida
tidak kebut-kebutan. Contohnya adalah air yang mengalir dengan tenang. Aliran tak tunak berlawanan dengan
aliran tunak. Jadi kecepatan partikel fluida di suatu titik yang sama selalu
berubah. Kecepatan partikel fluida yang lebih dulu berbeda dengan kecepatan
partikel fluida yang berikutnya.
2.
Aliran fluida bisa berupa
aliran termampatkan (compressible) dan aliran tak-termapatkan (incompressible).
Jika fluida yang mengalir mengalami perubahan volum (atau massa jenis) ketika
fluida tersebut ditekan, maka aliran fluida itu disebut aliran termapatkan.
Sebaliknya apabila jika fluida yang mengalir tidak mengalami perubahan volum
(atau massa jenis) ketika ditekan, maka aliran fluida tersebut dikatakan tak
termampatkan. Kebanyakan zat cair
yang mengalir bersifat tak-termampatkan.
3.
Aliran fluida bisa berupa
aliran berolak (rotational) dan aliran tak berolak (irrotational). Contohnya,
sebuah kincir mainan yang dibuang ke dalam air yang mengalir. Jika kincir itu
bergerak tapi tidak berputar, maka gerakannya adalah tak berolak. Sebaliknya
jika bergerak sambil berputar maka gerakannya kita sebut berolak. Contoh lain adalah pusaran air.
4.
Aliran fluida bisa berupa
aliran kental (viscous) dan aliran tak kental (non-viscous). Kekentalan dalam
fluida itu mirip seperti gesekan pada benda padat. Makin kental fluida, gesekan antara partikel fluida makin
besar.
E. PRINSIP-PRINSIP FLUIDA
DINAMIS DAN APLIKASINYA DALAM KEHIDUPAN SEHARI-HARI
1. Fluida Ideal
Fluida ideal adalah fluida yang tunak,tak termampatkan,tak kental
dan streamline (garis arus).
Sifat Fluida
Ideal :
·
Tidak dapat ditekan (volume tetap karena tekanan)
·
Dapat berpindah tanpa mengalami gesekan
·
Mempunyai aliran stasioner (garis alirnya tetap bagi setiap partikel)
·
Kecepatan partikel-partikelnya sama pada penampang yang sama
Definisi garis arus adalah aliran
fluida yang mengikuti suatu garis (lurus melengkung) yang jelas ujung dan
pangkalnya.
Garis Arus dan Tabung Alir
Garis Arus (stream line)
Selain
Garis Alir, ada juga namanya Garis Arus. Perhatikan gambar di bawah. Garis yang
berwarna biru merupakan Garis Arus.
Pada aliran tunak, kecepatan setiap partikel fluida di suatu titik,
katakanlah titik A (lihat gambar) selalu sama. Ketika melewati titik B,
kecepatan partikel fluida mungkin berubah. Walaupun demikian, ketika tiba di
titik B, partikel fluida yang nyusul dari belakang mengalir dengan kecepatan
yang sama seperti partikel fluida yang mendahuluinya. Demikian juga ketika tiba
di titik C dan seterusnya. Garis Arus itu merupakan kurva yang menghubungkan
titik A,B dan C (catatan : kecepatan itu
beda dengan kelajuan. Kecepatan punya arah).
Tabung Alir (flow tube)
Pada dasarnya kita bisa menggambarkan setiap garis arus melalui
tiap-tiap titik dalam aliran fluida tersebut. Jika kita menggangap aliran
fluida tunak, sejumlah garis arus yang melewati sudut tertentu pada luas
permukaan imajiner (luas permukaan khayalan) membentuk suatu tabung aliran.
Tidak ada partikel fluida yang saling berpotongan tapi selalu sejajar dan tabung
aliran tersebut akan menyerupai sebuah pipa yang bentuknya selalu sama. Fluida
yang masuk pada salah satu ujung tabung akan keluar dari tabung tersebut di
ujung lainnya.
Debit
Dalam kehidupan sehari-hari orang sering menggunakan istilah
“Debit”. Debit itu menyatakan volume suatu fluida yang mengalir melalui
penampang tertentu dalam selang waktu tertentu. Secara matematis, bisa
dinyatakan sebagai berikut :
Untuk menambah pemahamanmu, kita gunakan contoh. Misalnya fluida
mengalir melalui sebuah pipa. Pipa biasanya berbentuk silinder dan memiliki
luas penampang tertentu. Pipa tersebut juga punya panjang (Lihat gambar di
bawah).
Ketika fluida mengalir dalam pipa tersebut sejauh L, misalnya, maka
volume fluida yang ada dalam pipa adalah V = AL (V = volume fluida, A =
luas penampang dan L = panjang pipa). Karena selama mengalir dalam pipa
sepanjang L fluida menempuh selang waktu tertentu, maka kita bisa mengatakan
bahwa besarnya debit fluida :
Dengan demikian, ketika fluida mengalir melalui suatu pipa yang
memiliki luas penampang dan panjang tertentu selama selang waktu tertentu, maka
besarnya debit fluida (Q) tersebut sama dengan luas permukaan penampang (A)
dikalikan dengan laju aliran fluida (v).
2. Persamaan Kontinuitas
Aliran fluida pada sebuah pipa yang mempunyai diameter berbeda,
seperti tampak pada gambar di bawah.
3.
Gambar ini menujukan aliran fluida dari kiri ke kanan (fluida
mengalir dari pipa yang diameternya besar menuju diameter yang kecil). Garis
putus-putus merupakan garis arus.
Keterangan gambar : A1 = luas penampang bagian pipa yang
berdiameter besar, A2 = luas penampang bagian pipa yang berdiameter
kecil, v1 = laju aliran fluida pada bagian pipa yang berdiameter
besar, v2 = laju aliran fluida pada bagian pipa yang berdiameter
kecil, L = jarak tempuh fluida.
Pada aliran tunak, kecepatan aliran partikel fluida di suatu titik
sama dengan kecepatan aliran partikel fluida lain yang melewati titik itu.
Aliran fluida juga tidak saling berpotongan (garis arusnya sejajar). Karenanya
massa fluida yang masuk ke salah satu ujung pipa harus sama dengan massa fluida
yang keluar di ujung lainnya. Jika fluida memiliki massa tertentu masuk pada
pipa yang diameternya besar, maka fluida tersebut akan keluar pada pipa yang
diameternya kecil dengan massa yang tetap. Kita tinjau bagian pipa yang
diameternya besar dan bagian pipa yang diameternya kecil.
Selama selang waktu tertentu, sejumlah fluida mengalir melalui
bagian pipa yang diameternya besar (A1) sejauh L1 (L1
= v1t). Volume fluida yang mengalir adalah V1 = A1L1
= A1v1t. Nah, Selama selang waktu yang sama,
sejumlah fluida yang lain mengalir melalui bagian pipa yang diameternya kecil
(A2) sejauh L2 (L2 = v2t). Volume
fluida yang mengalir adalah V2 = A2L2 = A2v2t.
(sambil lihat gambar di atas).
Persamaan Kontinuitas untuk Fluida Tak-termampatkan (incompressible)
Pertama-tama tinjau kasus untuk Fluida Tak-termampatkan. Pada fluida
tak-termampatkan (incompressible), kerapatan alias massa jenis fluida tersebut
selalu sama di setiap titik yang dilaluinya.
Massa fluida yang mengalir dalam pipa yang memiliki luas penampang A1
(diameter pipa yang besar) selama selang waktu tertentu adalah :
Demikian
juga, massa fluida yang mengalir dalam pipa yang memiliki luas penampang A2
(diameter pipa yang kecil) selama selang waktu tertentu adalah :
Mengingat
bahwa dalam aliran tunak, massa fluida yang masuk sama dengan massa fluida yang
keluar, maka :
4.
Catatan : massa jenis fluida dan selang waktu sama sehingga
dilenyapkan.
Jadi,
pada fluida tak-termampatkan, berlaku persamaan kontinuitas :
5.
A1v1 = A2v2
— Persamaan 1
Di
mana A1 = luas penampang 1, A2 = luas penampang 2, v1
= laju aliran fluida pada penampang 1, v2 = laju aliran fluida pada
penampang 2. Av adalah laju aliran volume V/t alias debit (sudah gurumuda
jelaskan di atas)
Persamaan Kontinuitas untuk Fluida Termampatkan (compressible)
Untuk
kasus fluida yang termampatkan alias compressible, massa jenis fluida tidak
selalu sama. Dengan kata lain, massa jenis fluida berubah ketika dimampatkan.
Kalau pada fluida Tak-termampatkan massa jenis fluida tersebut kita lenyapkan
dari persamaan, maka pada kasus ini massa jenis fluida tetap disertakan. Dengan
berpedoman pada persamaan yang telah diturunkan sebelumnya, mari kita turunkan
persamaan untuk fluida termampatkan.
Mengingat
bahwa dalam aliran tunak, massa fluida yang masuk sama dengan massa fluida yang
keluar, maka :
Ini
adalah persamaan untuk kasus fluida termampatkan. Bedanya hanya terletak pada
massa jenis fluida. Apabila fluida termampatkan, maka massa jenisnya berubah.
Sebaliknya, apabila fluida tak termampatkan, massa jenisnya selalu sama
sehingga bisa kita lenyapkan. Untuk lebih memahami hubungan antara massa jenis
dan fluida termampatkan/tak-termampatkan
6. Azas Bernoulli
Persamaan
yang telah dihasilkan oleh Bernoulli tersebut juga dapat disebut sebagai Hukum
Bernoulli, yakni suatu hukum yang dapat digunakan untuk menjelaskan gejala yang
berhubungan dengan gerakan zat alir melalui suatu penampang pipa. Hukum tersebut diturunkan dari Hukum Newton
dengan berpangkal tolak pada teorema kerja-tenaga aliran zat cair dengan
beberapa persyaratan antara lain aliran yang terjadi merupakan aliran steady (mantap, tunak), tak
berolak (laminier, garis alir streamline),
tidak kental dan tidak termampatkan.
Persamaan
dinyatakan dalam Hukum Bernoulli tersebut melibatkan hubungan berbagai besaran
fisis dalam fluida, yakni kecepatan aliran yang memiliki satu garis arus,
tinggi permukaan air yang mengalir, dan tekanannya. Bentuk
hubungan yang dapat dijelaskan melalui besaran tersebut adalah besaran usaha
tenaga pada zat cair.
Selanjutnya untuk menurunkan persamaan yang menyatakan Hukum Bernoulli
tersebut dapat dikemukakan dengan gambar sebagai berikut.
Gambar 13. Gerak
sebagian fluida dalam penurunan persamaan Bernoulli
Keterangan gambar :




Gambar di bagian depan merupakan aliran zat cair
melalui pipa yang berbeda luas penampangnya dengan tekanan yang berbeda dan
terletak pada ketinggian yang berbeda hingga kecepatan pengalirannya juga
berbeda. Dalam aliran tersebut diandaikan zat cair tidak termampatkan,
alirannya mantap sehingga garis alir merupakan garis yang streamline, demikian pula
banyaknya volume yang dapat mengalir tiap satuan waktu dari pipa sebelah kiri
dan kanan adalah sama.
Dari gambar, dapat dikemukakan bahwa
zat cair pada semua titik akan mendapatkan
tekanan. Hal ini berarti pada kedua permukaan yang kita tinjau (lihat gambar
yang diarsir) akan bekerja gaya yang
arahnya ke dalam. Jika bagian ini bergerak dari posisi pertama menuju bagian
kedua, gayayang
bekerja pada permukaan pertama akan melakukan usaha terhadap unsur yang
ditinjau tadi sedangkan bagan tersebut akan melakukan usaha terhadap gaya yang
bekerja pada permukaan sebelah kanan. Selisih antara kedua besaran usaha
tersebut sama dengan perubahan energi gerak ditambah
energi potensial dari bagian tersebut. Selisih kedua besaran energi tersebut disebut sebagai energi netto. Secara matematis dapat dinyatakan
sebagai berikut:
p1 ∆1 ∆11 – p2 ∆2 ∆12 = (½ mv21 – ½ mv22) + (mgh2 – mgh1)
A ∆ 1 = v
p1 v1 – p2 v2 = ½ m (v21 – v22) + mg (h2 – h1)
v = m/ρ, maka persamaan dapat diubah menjadi:
p1 (m/ρ) – p2 (m/ρ) = ½ m (v21 – v22) + mg (h2 – h1)
atau dapat diubah menjadi:
p1 (m/ρ) + ½ m v21 + mgh1 = p2 (m/ρ) + ½ m v22 + mgh2
Persamaan tersebut
dapat disederhanakan menjadi:
p1 + ½ ρ v21 + ρ gh1 = p2 + ½ ρ v22 + ρ gh2
atau ditulis secara umum menjadi:
p + ½ ρ v2 + ρ gh = konstan
Persamaan di atas merupakan persamaan yang menyatakan
Hukum Bernoulli yang menyatakan hubungan antara kecepatan aliran dengan tinggi
permukaan air dan tekanannya.
Penerapan Hukum Bernoulli dalam Kehidupan
Sehari-hari
Dalam kehidupan
sehari-hari Hukum Bernoulli memiliki penerapan yang beragam yang ada
hubungannya dengan aliran fluida, baik aliran zat cair maupun gas. Penerapan tersebut
sebagian besar dimanfaatkan dalam bidang teknik dan ilmu pengetahuan yang berkaitan dengan aliran fluida. Semua
peralatan tersebut bekerja berdasarkan perbedaan tekanan fluida, yaitu pada
daerah kecepatan aliran fluida rendah akan diperoleh tekanan yang lebih besar.
Sebaliknya jika kecepatan aliran fluidanya tinggi, tekanan pada daerah tersebut
menjadi lebih kecil. Berikut adalah beberapa penerapan persamaan Bernoulli dalam kehidupan
sehari-hari.

Pesawat terbang dapat naik atau turun karena pengaruh gaya dari sayap
pesawat. Jika pesawat akan naik, gaya angkat pesawat dibuat lebih besar
daripada berat pesawat. Sebaliknya jika posisi pesawat akan diturunkan,
misalnya saat pendaratan, maka gaya angkat pesawat akan dikurangi secara
perlahan.
Dengan mengusahakan bentuk sayap pesawat terbang seperti yang tergambar di
bawah ini, maka bagian depan dari sayap tersebut memiliki permukaan yang tidak
kaku sehingga dapat memberikan kemudahan dalam aliran udara.
Gambar 14. Penampang sayap pesawat terbang.
Bentuk sayap yang demikian sengaja dirancang agar aliran yang mengenai
bagian depan dari sayap akan membentuk
aliran laminier. Dari gambar di samping ini dapat dijelaskan bahwa apabila
pesawat terbang digerakkan dengan ke depan kecepatan udara di bagian atas
pesawat dan kecepatan udara yang lewat bagian bawah pesawat terbang akan menjadi tidak sama. Kecepatan aliran
udara pada bagian atas akan cenderung
lebih besar daripada kecepatan aliran udara bagian bawah pesawat terbang. Hal
ini mengakibatkan munculnya gaya pengangkatan
yang bekerja pada pesawat terbang sehingga pesawat terbang dapat naik ke udara.

Fungsi kaburator motor atau mobil adalah untuk menguapkan bensin menjadi
bentuk gas sehingga mudah terbakar. Sebelum terbakar, bensin yang sudah
berbentuk uap atau gas tersebut harus dicampur dengan udara bersih.
Udara dilewatkan pada sebuah pipa venturi, yaitu pipa yang menyempit
seperti leher botol. Oleh karena ada penyempitan luas penampang pipa maka laju
aliran udara akan menjadi lebih besar dan tekanan pada daerah venturi tersebut
akan turun sehingga bensin yang tekanannya lebih besar pada tempat penampungan
akan keluar bercampur dengan udara membentuk uap bensin. Kemudian, uap bensin
ini akan mengalir sampai pada tempat pembakaran yang merupakan sumber energi
penggerak motor atau mobil.
Jadi, prinsip kerja karburator adalah adanya perbedaan tekanan antara ruang
venturi dan ruang pelampung tempat bensin. Hal ini sesuai dengan azas
Bernoulli.
Pada saat mobil berjalan kencang, pedal gas ditekan lebih dalam. Semakin
dalam pedal gas ditekan, semakin cepat putaran kipas di dalam karburator
tersebut dan semakin deras laju aliran udara di dalam venturi sehingga semakin
banyak juga bensin yang tersedot dari penampungnya.

Jika pengisap pompa P ditekan, udara yang melewati pipa venturi V akan
memiliki kelajuan yang besar. Oleh karena kelajuan aliran udara pada pipa
venturi besar, tekanannya akan menjadi rendah sehingga cairan obat nyamuk yang
bertekanan lebih tinggi yang ada pada tabung T akan naik dan ikut keluar
bersama udara.
Semakin besar gaya yang diberikan pada pengisap P, semakin besar laju udara
pada venturi dan semakin banyak pula cairan obat nyamuk yang keluar bersama
udara.
Gambar : penyemprot nyamuk.

Pipa venturi merupakan sebuah pipa yang memiliki penampang
bagian tengahnya lebih sempit dan diletakkan mendatar dengan dilengkapi dengan
pipa pengendali untuk mengetahui permukaan air yang ada sehingga besarnya
tekanan dapat diperhitungkan. Dalam pipa
venturi ini luas penampang pipa bagian tepi memiliki penampang yang lebih luas
daripada bagian tengahnya atau diameter pipa bagian tepi lebih besar daripada
bagian tengahnya. Zat cair dialirkan melalui pipa yang
penampangnya lebih besar lalu akan mengalir
melalui pipa yang memiliki penampang yang lebih sempit, dengan demikian maka
akan terjadi perubahan kecepatan. Apabila kecepatan aliran yang melalui
penampang lebih besar adalah v1 dan
kecepatan aliran yang melalui pipa sempit adalah v2, maka kecepatan
yang lewat pipa sempit akan memiliki
laju yang lebih besar (v1 <
v2). Dengan cara demikian
tekanan yang ada pada bagian pipa lebih sempit akan menjadi lebih kecil
daripada tekanan pada bagian pipa yang berpenampang lebih besar. Lihat gambar di bawah ini.
Gambar 16. Venturimeter
Dalam aliran
seperti yang digambarkan di atas akan berlaku
Hukum Bernoulli sebagai berikut :
p1 + ρ gh1 + ½ ρ v21 = p2 + ρ gh2 + ½ ρ v22
pipa dalam keadaan mendatar h1 =
h2
ρ gh1 + ρ gh2
Sehingga : p1 + ½ ρ v21 = p2 + ½ ρ v22
Di sini v1 > v2 maka p2 < p1
Akibatnya p1 – p2 = ½ ρ (v22 -
v21)
Padahal : p1 = pB + ρ gha
p2 = pB = ρ ghb
Selanjutnya didapat:
p1 – p2 = ρ g (ha - hb)
Apabila ha - hb = h yakni selisih tinggi antara
permukaan zat cair bagian kiri dan kanan, maka akan didapat :
p1 – p2 = ρ gh
Dengan mengetahui selisih tinggi permukaan zat cair pada pipa pengendalli akan dapat diketahui perubahan tekanannya
yang selanjutnya perubahan kecepatan dapat juga diketahui. Oleh sebab itu pipa
venturi ini akan sangat berguna untuk pengaturan aliran
bensin dalam sistem pengapian pada kendaraan bermotor.

Tabung Pitot atau sering disebut pipa Pitot ini merupakan suatu peralatan
yang dapat dikembangkan sebagai pengukur kecepatan gerak pesawat terbang. Melalui tabung ini umumnya dapat diketahui adalah
kecepatan gerak pesawat terbang terhadap udara. Hal ini berarti apa yang
terukur bukanlah kecepatan gerak terhadap kedudukan bumi. Oleh sebab itu untuk
dapat mengukur kecepatan gerak pesawat terbang terhadap bumi, maka kecepatan
udara harus dapat diketahui. Prinsip
kerjanya tabung Pitot ini perhatikan gambar di bawah ini :
Gambar : tabung
pitot.
Adapun cara kerjanya
dapat dikemukakan sebagai berikut: apabila alat ini digerakkan dengan cepat
sekali (diletakkan dalam badan pesawat terbang) ke arah kiri sehingga udara
akan bergerak dalam arah yang sebaliknya yakni menuju arah kanan. Mula-mula udara akan masuk melalui lubang pertama,
selanjutnya mengisi ruang tersebut sampai penuh. Setelah udara dapat mengisi
ruang tersebut melalui lubang pertama dengan penuh maka udara tersebut akan dalam keadaan diam. Udara yang lewat
lubang kedua akan selalu mengalir dan kecepatan udara yang mengalir melalui
lubang pertama jauh lebih kecil daripada kecepatan pengaliran udaran yang
melalui lubang kedua. Oleh sebab itu dapat dianggap v1 = 0 dan perbedaan tekanan diketahui
dari perbedaan tinggi permukaan air raksa dalam pipa U. Untuk memudahkan
perhitungan dalam keadaan mendatar maka tidak terdapat selisih tinggi hingga
akan berlaku h1 = h2 dan Hukum Bernoulli dapat ditulis
menjadi:
p1 + ½ ρ v21 = p2 + ½ ρ v22
v1 = 0, maka
p1 = p2 + ½ ρ v22
untuk v2 =
v
maka p1 - p2 = ½ ρ v2
2 (p1 - p2)
atau v =
ρ
Selisih tekanan
dapat diketahui dengan mengukur perbedaan tinggi air raksa dalam pipa U
tersebut maka kecepatan gerak pesawat terbang terhadap udara dapat diketahui
dan dihitung dengan persamaan tersbeut.
Untuk menurunkan
tekanan dalam suatu ruangan tertentu dapat dipergunakan pompa penghisap udara
yang bekerja berdasarkan Hukum Bernoulli. Prinsip kerjanya dapat dilukiskan dalam gambar sebagai berikut:
Gambar : Prinsip kerja pipa
penghisap udara.
Andaikan udara dalam ruangan R akan dikurangi atau dihisap melalui pompa
penghisap yang bekerja berdasarkan Hukum Bernoulli maka dapat dilakukan dengan
mengalirkan udara melalui pipa sempit A udara disemprotkan dengan kecepatan
sangat besar (v) selanjutnya akibat aliran udara yang keluar dari pipa A
tersebut maka tekanan udara yang berada pada tabung B akan menjadi semakin
kecil. Hal ini
mengakibatkan terjadinya perbedaan tekanan. Udara tersebut pada akhirnya akan keluar melalui lubang C secara
terus-menerus. Selanjutnya dengan menyemprotkan yang berulang dan diperbesar
kecepatan alirannya maka udara pada tabung R akan dapat
berkurang terus-menerus sesuai dengan yang dikehendaki. Prinsip inilah yang merupakan prinsip kerja dari pompa penghisap.

Laju kebocoran
yang terjadi pada sebuah dinding tangki berisi air dapat ditentukan dengan
menggunakan Persamaan Bernoulli.
Gambar kebocoran
dinding tangki
Ketinggian
permukaan air tangki dari alasnya adalah h1.
Pada dinding tangki terdapat kebocoran kecil dengan ketinggian h2 dari alasnya dan air jatuh
pada jarak x dari dinding tangki. Dengan menggunakan Persamaan Bernoulli akan
diperoleh :
Dengan p1 adalah
tekanan pada permukaan air karena pengaruh tekanan udara luar dan p2 adalah
tekanan dari udara luar pada dinding yang bocor. Jadi, p1 = p2 = p adalah
tekanan udara luar. Jika luas kebocorannya sempit, laju penurunan air permukaan
tangki (v1) kecil sekali dibandingkan dengan laju kebocorannya (v2). Dengan
demikian, besar v1 dapat diabaikan, sehingga Persamaan Bernoullinya akan
menjadi :
Kemudian persamaan
tersebut dibagi dengan massa jenis (rho), sehingga :
Persamaan di atas
dikenal juga sebagai Teorema Torricelli. Untuk menentukan tempat jatuhnya air
diukur dari dinding tangki, dapat digunakan cara sebagai berikut.
® Gerak air dalam arah vertikel
merupakan gerak jatuh bebas. Oleh karena itu, air dalam arah gerak vertikel
tidak memiliki kecepatan awal. Kecepatan awal hanya dalam arah horizontal.
® Gerak air dalam arah
horizontal merupakan gerak lurus beraturan. Oleh karena itu, dalam arah
horizontal air tidak memiliki percepatan. Resultan kedua jenis gerakan tersebut
akan membentuk lintasan parabola. Dengan menggunakan Teorema Torricelli dan
persamaan di atas maka akan didapatkan :
BAB III
PENUTUP
A.
KESIMPULAN
Adapun kesimpulan yang
dapat diperoleh dari makalah Aplikasi Fluida dalam Kehidupan Sehari-hari adalah
sebagai berikut.
1. Fluida diartikan sebagai suatu zat yang dapat mengalir. Istilah
fluida mencakup zat cair dan gas karena zat cair seperti air atau zat gas
seperti udara dapat mengalir.
2. Fluida statis ditinjau ketika fluida yang sedang diam atau berada
dalam keadaan setimbang.
3. Penerapan prinsip fluida statis dalam kehidupan sehari-hari meliputi
prinsip kerja dongkrak dan rem hidrolik yang mana mengikuti prinsip Hukum
Pascal.
4. Dalam fluida dinamis, kita
menganalisis fluida ketika fluida tersebut bergerak.
5. Adapun aplikasi fluida dinamis
meliputi gaya angkat pesawat terbang, prinsip kerja karburator motor atau
mobil, prinsip kerja penyemprot nyamuk, tabung pitot, tabung venturi, dan
kebocoran dinding tangki yang mengikuti prinsip kerja azas atau Teorema Torricelli
B. SARAN
Penulis mengharapkan
saran, terutama dari guru pembimbing terhadap kemajuan makalah yang dibuat
selanjutnya agar menjadi lebih baik.
DAFTAR
PUSTAKA
Kamajaya. 2007. Cerdas
Belajar Fisika. Bandung : Grafindo Media Pratama