Makalah Fluida

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang Masalah

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.

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.

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 dan hukum Archimedes. Hukum Pascal diambil dari nama penemunya yaitu Blaise Pascal (1623-1662) yang berasal dari Perancis. Sedangkan hukum Archimedes diambil dari nama penemunya yaitu Archimedes (287-212 SM) yang berasal dari Italia.

Hukum-hukum fisika dalam fluida statis sering dimanfaatkan untuk kesejahteraan manusia dalam kehidupannya, salah satunya adalah prinsip hukum Pascal dan prinsip hokum Archimedes. Namun, belum banyak masyarakat yang mengetahui hal tersebut. Oleh karena itu, diperlukan studi yang lebih mendalam mengenai hukum Pascal dan hokum Archimedes serta penerapannya dalam kehidupan.

BAB II

PEMBAHASAN

2.1. 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.

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.

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 dinamis ditinjau ketika fluida ketika sedang dalam keadaan bergerak).

Fluida statis erat kaitannya dengan hidraustatika dan tekanan. Hidraustatika merupakan ilmu yang mempelajari tentang gaya maupun tekanan di dalam zat cair yang diam. Sedangkan tekanan didefinisikan sebagai gaya normal per satuan luas permukaan.

2.2. Hukum Pascal

2.2.1. 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).

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.

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”.

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.

2.2.2. 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).

Gambar : Fluida yang Dilengkapi Penghisap dengan Luas Permukaan Berbeda (Sumber: 4.bp.blogspot.com)

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. 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

2.2.3. Penerapan 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.

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).

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. Prinsi inilah yang dimanfaatkan pada peralatan teknik yang banyak dimanfaatkan manusia dalam kehidupan misalnya dongkrak hidraulik, pompa hidraulik, dan rem hidraulik.

ü Prinsip Kerja Dongkrak Hidraulik

Prinsip kerja dongkrak hidraulik adalah dengan memanfaatkan hukum Pascal. Dongkrak hidraulik terdiri dari dua tabung yang berhubungan yang memiliki diameter yang berbeda ukurannya. Masing- masig 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. Jika gaya F₁ diberikan pada penghisap yang kecil, tekanan dalam cairan akan bertambah dengan F₁/A_1. 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.

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 A₂akan dihasilkan gaya F₂= (F₁ : A₁) x A₂ = (200 : 5) x 200 = 8000 newton.

ü 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. 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.

Gambar Gaya Gesekan pada Prinsip Kerja Rem Hidraulik (Sumber: www.yanto-triyanto.co.cc)

ü Prinsip Kerja Pompa Hidraulik

Dalam menjalankan suatu sistem tertentu atau untuk membantu operasional dari sebuah sistem, tidak jarang kita menggunakan rangkaian hidraulik. Sebagai contoh, untuk mengangkat satu rangkaian kontainer yang memiliki beban beribu–ribu ton, untuk memermudah itu digunakanlah sistem hidraulik.

Sistem hidraulik adalah teknologi yang memanfaatkan zat cair, biasanya oli, untuk melakukan suatu gerakan segaris atau putaran. Sistem ini bekerja berdasarkan prinsip Pascal, yaitu jika suatu zat cair dikenakan tekanan, tekanan itu akan merambat ke segala arah dengan tidak bertambah atau berkurang kekuatannya. Prinsip dalam rangkaian hidraulik adalah menggunakan fluida kerja berupa zat cair yang dipindahkan dengan pompa hidraulik untuk menjalankan suatu sistem tertentu.

Pompa hidraulik menggunakan kinetik energi dari cairan yang dipompakan pada suatu kolom dan energi tersebut diberikan pukulan yang tiba-tiba menjadi energi yang berbentuk lain (energi tekan). Pompa ini berfungsi untuk mentransfer energi mekanik menjadi energi hidraulik. Pompa hidraulik bekerja dengan cara menghisap oli dari tangki hidraulik dan mendorongnya kedalam sistem hidraulik dalam bentuk aliran (flow). Aliran ini yang dimanfaatkan dengan cara merubahnya menjadi tekanan. Tekanan dihasilkan dengan cara menghambat aliran oli dalam sistem hidraulik. Hambatan ini dapat disebabkan oleh orifice, silinder, motor hidraulik, dan aktuator. Pompa hidraulik yang biasa digunakan ada dua macam yaitu positive dan nonpositive displacement pump. Ada dua macam peralatan yang biasanya digunakan dalam merubah energi hidraulik menjadi energi mekanik yaitu motor hidraulik dan aktuator. Motor hidraulik mentransfer energi hidraulik menjadi energi mekanik dengan cara memanfaatkan aliran oli dalam sistem merubahnya menjadi energi putaran yang dimanfaatkan untuk menggerakan roda, transmisi, pompa dan lain-lain.

2.3. Hukum Archimedes

Pernahkah melihat kapal laut ? jika belum pernah melihat kapal laut secara langsung, mudah-mudahan pernah melihat kapal laut melalui televise. 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 ?

Jawabannya sangat mudah jika memahami konsep pengapungan dan prinsip Archimedes. Pada kesempatan ini kami ingin membimbing untuk memahami apa sesungguhnya prinsip archimedes.

Sebelum membahas prinsip Archimedes lebih jauh, kami ingin mengajak kalian untuk melakukan percobaan berikut ini.

2.3.1. Tenggelam

Sebuah benda yang dicelupkan ke dalam zat cair akan tenggelam jika berat benda (w) lebih besar dari gaya ke atas (Fa).

w > Fa

ρb X Vb X g > ρa X Va X g

ρb > ρa

Volume bagian benda yang tenggelam bergantung dari rapat massa zat cair (ρ)

2.3.2. Melayang

Sebuah benda yang dicelupkan ke dalam zat cair akan melayang jika berat benda (w) sama dengan gaya ke atas (Fa) atu benda tersebut tersebut dalam keadaan setimbang

w = Fa

ρb X Vb X g = ρa X Va X g

ρb = ρa

Pada 2 benda atau lebih yang melayang dalam zat cair akan berlaku :

(FA)tot = Wtot

rc . g (V1+V2+V3+V4+…..) = W1 + W2 + W3 + W4 +…..

2.3.3. Terapung

Sebuah benda yang dicelupkan ke dalam zat cair akan terapung jika berat benda (w) lebih kecil dari gaya ke atas (Fa).

w = Fa

ρb X Vb X g = ρa X Va X g

ρb < ρa

Misal : Sepotong gabus ditahan pada dasar bejana berisi zat cair, setelah dilepas, gabus tersebut akan naik ke permukaan zat cair (terapung) karena :

FA > Wrc . Vb . g > rb . Vb . grc $rb

Selisih antara W dan FA disebut gaya naik (Fn).

Fn = FA - W

Benda terapung tentunya dalam keadaan setimbang, sehingga berlaku :

FA’ = Wrc . Vb2 . g = rb . Vb . g

Dengan :

Ø FA’ = Gaya ke atas yang dialami oleh bagian benda yang tercelup di dalam zat cair.

Ø Vb1 = Volume benda yang berada dipermukaan zat cair.

Ø Vb2 = Volume benda yang tercelup di dalam zat cair.

Vb = Vb1 + Vb 2

FA’ = rc . Vb2 . g

Berat (massa) benda terapung = berat (massa) zat cair yang dipindahkan

Daya apung (bouyancy) ada 3 macam, yaitu :

· Daya apung positif (positive bouyancy) : bila suatu benda mengapung.

· Daya apung negatif (negative bouyancy) : bila suatu benda tenggelam.

· Daya apung netral (neutral bouyancy) : bila benda dapat melayang.

Bouyancy adalah suatu faktor yang sangat penting di dalam penyelaman. Selama bergerak dalam air dengan scuba, penyelam harus mempertahankan posisi neutral bouyancy.

a. Konsep Melayang, Tenggelam dan Terapung.

Kapankah suatu benda dapat terapung, tenggelam dan melayang ?

· Benda dapat terapung bila massa jenis benda lebih besar dari massa jenis zat cair.
(miskonsepsi).

· Benda dapat melayang bila massa jenis benda sama dengan massa jenis zat cair.
(konsepsi ilmiah)

· Benda dapat tenggelam bila massa jenis benda lebih besar dari massa jenis zat cair.

(konsepsi ilmiah).

· Terapung, melayang dan tenggelam dipengaruhi oleh volume benda. (miskonsepsi).

· Terapung, melayang dan tenggelam dipengaruhi oleh berat dan massa benda

b. Penerapan Hukum Archimedes dalam Kehidupan Sehari-hari

1. Hidrometer

Hidrometer adalah alat yang dipakai untuk mengukur massa jenis cairan. Nilai massa jenis cairan dapat kita ketahui dengan membaca skala pada hidrometer. Misalnya, dengan mengetahui massa jenis susu, maka dapat ditentukan kadar lemak dalam susu, dan dengan mengetahui massa jenis zat cairan anggur, dapat ditentukan kadar alkohol dalam cairan anggur. Hidrometer umumnya digunakan untuk memeriksa muatan aki mobil. Hidrometer terbuat dari tabung kaca dan desainnya memiliki tiga bagian.

Agar tabung kaca terapung tegak di dalam zat cair, bagian bawah tabung haruslah dibebani dengan butiran timbel. Diameter bagian bawah tabung juga harus dibuat lebih besar supaya volum zat cair yang dipindahkan hidrometer lebih besar. Jadi, gaya apung yang dihasilkan menjadi lebih besar sehingga hidrometer dapat mengapung di dalam zat cair.

Perbedaan bacaan pada skala untuk berbagai jenis cairan menjadi lebih jelas karena tangkai tabung kaca didesain supaya perubahan kecil dalam berat benda yang dipindahkan menghasilkan perubahan besar pada kedalaman tangkai yang tercelup di dalam cairan.

Ø Prinsip kerja Hidrometer :

Gaya ke atas = berat hidrometer

V_bfρ_fg = w, w hidrometer konstan

(Ah_bf) ρ_fg = mg, sebab V_bf = Ah_bf

Ø Persamaan Hidrometer :

h_bf =	m
h_bf =	Aρf

Ket : h_bf = tinggi tangkai yang tercelup (m)

m = massa hidrometer (kg)

A = luas tangkai (m²)

ρ_f = massa jenis cairan (kg/m³)

Massa hidrometer m dan luas tangkai A adalah tetap, sehingga tinggi tangkai yang tercelup di dalam cairan h_bfberbanding terbalik dengan massa jenis cairan ρ_f. Jika massa jenis cairan kecil (ρ_fkecil), tinggi hidrometer yang tercelup di dalam cairan besar (h_bfbesar). Akan didapat bacaan skala yang menunjukkan angka yang lebih kecil.

2. Kapal Laut

Massa jenis besi lebih besar daripada massa jenis air laut, tetapi mengapa kapal laut yang terbuat dari besi mengapung di atas air? Badan kapal yang terbuat dari besi dibuat berongga. Ini menyebabkan volum air laut yang di pindahkan oleh badan kapal menjadi sangat besar. Gaya apung sebanding dengan volum air yang dipindahkan, sehingga gaya apung menjadi sangat besar. Gaya apung ini mampu mengatasi berat total kapal sehingga kapal laut mengapung di permukaan laut. Jika dijelaskan berdasarkan konsep massa jenis, maka massa jenis rata-rata besi berongga dan udara yang menempati rongga masih lebih kecil daripada massa jenis air laut. Itulah sebabnya kapal laut mengapung.

Ø Titik penting dalam stabilitas kapal

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/id/thumb/7/70/Stabilitas.jpg/300px-Stabilitas.jpg

Diagram stabilitas kapal, pusat gravitasi (G), pusat daya apung (B), dan Metacenter (M) pada posisi kapal tegak dan miring. Sebagai catatan, G pada posisi tetap sementara B dan M berpindah kalau kapal miring. Ada tiga titik yang penting dalam stabilitas kapal, yaitu:

§ G adalah titik pusat gravitasi kapal.

§ B adalah titik pusat apung kapal.

§ M adalah metacenter kapal (titik perpotongan garis vertikal B dengan garis pusat kapal).

Ø Bagaimana kapal laut bisa tenggelam?

Jika M di bawah G, kopel menghasilkan torsi yang searah dengan jarum jam. Torsi ini justru membuat kapal lebih miring lagi, dan keseimbangan menjadi tidak stabil sehingga dapat membuat kapal tenggelam. Untuk kestabilan maksimal, haruslah G rendah dan M tinggi.

3. Kapal Selam

Kapal selam adalah kapal laut yang dapat berada dalam tiga keadaan, yaitu mengapung, melayang, dan tenggelam. Ketiga keadaan ini dapat dicapai dengan cara mengatur banyaknya air dan udara dalam badan kapal selam.

Pada badan kapal selam terdapat tangki pemberat yang dapat diisi udara atau air. Tangki ini terletak di antara lambung sebelah dalam dan lambung sebelah luar. Ketika kapal selam ingin terapung maka tangki tersebut harus berisi udara. Ketika akan melayang, udaranya dikeluarkan dan diisi dengan air sehingga mencapai keadaan melayang. Jika ingin tenggelam maka airnya harus lebih diperbanyak lagi.

4. Balon Udara

Balon udara adalah penerapan prinsip Archimedes di udara. Balon udara harus diisi dengan gas yang massa jenisnya lebih kecil dari massa jenis udara atmosfer sehingga balon udara dapat terbang karena mendapat gaya ke atas, misalnya diisi udara yang dipanaskan.

Secara sepintas, mungkin kamu tidak melihat hubungan antara balon udara yang naik tinggi di angkasa dengan kapal selam yang menyelam di lautan. Sebenarnya, kapal selam maupun balon udara harus diatur beratnya untuk naik, turun, ataupun melayang pada ketinggian atau kedalaman tertentu. Beratnya diatur berdasarkan besar gaya apungnya.

Catatan :

· Pada cairan bisa terjadi hanya sebagian benda yang tercelup dalam cairan, hingga V_bf belum tentu sama dengan V_b. Dalam udara, volum benda yang tercelup selalu sama dengan volum benda (V_bf = V_b).

· Massa jenis gas panas lebih kecil daripada massa jenis udara

BAB III

PENUTUP

3.1. Kesimpulan

Jadi dapat kita simpulkan bahwa 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.

DAFTAR PUSTAKA

4. Balon Udara

4 komentar:

Chat Us

Recent Posts

Artikel Terkait

Kategori

Followers