Fluida statis atau hidrostatika merupakan salah satu cabang ilmu sains yang membahas karakteristik fluida saat diam, biasanya membahas mengenai tekanan pada fluida ataupun yang diberikan oleh fluida (gas atau cair) pada objek yang tenggelam didalamnya.

Lihat juga materi StudioBelajar.com lainnya:
Fluida Dinamis
Lensa Cembung dan Cekung

Fluida statis dipakai untuk menjelaskan fenomena-fenomena seperti kenaikan besar tekanan air terhadap kedalamannya dan perubahan besar tekanan atmosfer terhadap ketinggian pengukuran dari permukaan laut.

Massa Jenis

Massa jenis merupakan suatu ukuran kerapatan suatu benda dan didefinisikan sebagai berat suatu benda dibagi dengan dengan volumenya. Semakin besar massa jenisnya, maka benda tersebut memiliki kerapatan yang besar.

$\rho = \frac{m}{V}$

Dimana:
ρ (dibaca rho) merupakan massa jenis suatu benda (kg/m3)
m merupakan massa benda (kg)
V merupakan volume benda (m^3)

Secara kasar, massa jenis dapat digunakan untuk mengetahui apakah benda dapat mengapung di permukaan air. Benda/objek yang memiliki massa jenis lebih kecil akan selalu berada di atas massa jenis yang lebih besar. Contohnya, minyak akan selalu mengapung diatas permukaan air karena massa jenis minyak lebih kecil dari massa jenis air.

Semua benda/objek yang memiliki massa jenis lebih besar dari massa jenis air akan selalu tenggelam. Prinsip inilah yang dipakai oleh insinyur kapal dalam merancang kapal. Perhatikan gambar dibawah ini, prinsip inilah yang dipakai sehingga kapal selam dapat menyelam dan mengapung kembali ke permukaan laut.

Tekanan Hidrostatis

Tekanan hidrostatis (ketika fluida dalam keadaan diam) pada titik kedalaman berapapun tidak dipengaruhi oleh berat air, luasan permukaan air, ataupun bentuk bejana air, akan berdasarkan luasan objek yang menerimanya atau kedalaman ukur. Tekanan hidrostatis menekan ke segala arah dan didefinisikan sebagai gaya yang diberikan pada luasan yang diukur atau dapat dihitung berdasarkan kedalamaan objeknya dengan persamaan

$P_h = \rho g h$

dimana:
ρ adalah berat jenis air (untuk air tawar, ρ = 1.000 kg/m3)
g adalah besar percepatan gravitasi (percepatan gravitasi di permukaan bumi sebesar g=9,8 m/s2)
h adalah titik kedalaman yang diukur dari permukaan air

Satuan tekanan adalah Newton per meter kuadrat (N/m2) atau Pascal (Pa). Contoh tekanan hidrostatik yakni pada pada aliran darah atau yang biasa kita sebut sebagai tekanan darah, merupakan tekanan yang diberikan oleh darah (sebagai fluida) terhadap dinding.

Tekanan mutlak merupakan tekanan total yang di alami benda atau objek yang berada didalam air dan dinyatakan dengan

$P=P_h+P_{atm}$

Dimana Patm merupakan tekanan atmosfer. Tekanan mutlak merupakan tekanan sebenarnya, sehingga jika kita melakukan eksperimen dan mendapat data mengenai tekanan, maka perlu ditambah dengan tekanan atmosfer.

Hukum Pascal

Tekanan didefinisikan sebagai gaya yang diberikan dibagi luasan yang menerima gaya tersebut.

$P = \frac{F}{A}$

Dimana F merupakan besarnya gaya (Newton)
A merupakan luasan penampang (m2)

Dibawah ini merupakan satuan-satuan tekanan dan konversinya. Pascal merupakan satuan internasional untuk tekanan, dan atm (atmosfer) merupakan satuan yang menunjukkan tekanan atmosfer (tekanan atmosfer di atas permukaan laut sebesar 1 atm).

Hukum Pascal menyatakan bahwa tekanan yang diberikan kepada fluida dalam ruang yang tertutup akan diteruskan sama besar ke segala arah. Formula hukum Pascal dalam sistem tertutup dapat disimpulkan dengan:

$P_{masuk} = P_{keluar}$

$P_1=P_2$

Seperti yang sudah kita tahu bahwa tekanan adalah gaya dibagi besar luasan penampangnya, maka persamaan diatas dapat ditulis kembali sebagai berikut:

$\frac{F_1}{A_1} = \frac{F_2}{A_2}$

Sehingga:

$F_1=(\frac{d_1}{d_2})F_2$

Dimana d1 merupakan diameter permukaan 1 dan d2 merupakan diameter permukaan 2.

Perhatikan skema mekanisme hidrolik diatas. Karena cairan tidak dapat ditambahkan ataupun keluar dari sistem tertutup, maka volume cairan yang terdorong di sebelah kiri akan mendorong piston (silinder pejal) di sebelah kanan ke arah atas. Piston di sebelah kiri bergerak ke bawah sejauh h1 dan piston sebelah kanan bergerak ke atas sejauh h2. Sesuai hukum Pascal, maka:

$A_2 h_2=A_1 h_1$

Sehingga:

$\frac{d_2}{d_1} = \frac{h_2}{h_1}$

Contoh Soal Fluida Statis dan Pembahasan

Contoh Soal Fluida Statis 1

Sebuah bola besi yang bermassa 220 kg dan volume 0,2 m3 masuk ke dalam kolam. Apakah bola tersebut akan tenggelam atau mengapung ke permukaan air?

Pembahasan:

$\rho_{bola} = \frac{m_{bola}}{V_{bola}}$

$\rho_{bola} = \frac{220 kg}{0,2 m^3} = 1100 kg/m^3$

Diketahui bahwa $\rho_{air} = 1000 kg/m^3$

Oleh karena $\rho_{bola} > \rho_{air}$ maka bola akan tenggelam.

Contoh Soal Fluida Statis 2

Berapa besar balon yang diisi dengan gas mulia helium yang dibutuhkan untuk mengangkat seorang lelaki yang bermassa 100 kg? Massa jenis helium sebesar $\rho_{he} = 0,164 kg/m^3$ dan massa jenis udara sebesar $\rho_u = 1,29 kg/m^3$ . Massa balon diabaikan.

Pembahasan:

Agar balon dapat mengangkat orang tersebut, maka massa (balon+orang) harus lebih rendah dari massa udara.

$m_{lk} + m_{he} = m_u$

Diketahui bahwa $m = \rho V$

$m_{lk} + \rho_{he} V < \rho_u V$

$\rho _{he} - \rho_u V < - m_{lk}$

$\rho_u V - \rho_{he} V > m_{lk}$

$(\rho_u - \rho_{he} V > m_{lk}$

$V > \frac{m_{lk}}{(\rho_u - \rho_{he})}$

$V > \frac{100 kg}{(1,29 - 0,164)kg/m^3}$

$V > 88,8 m^3$

Sehingga dapat diketahui besar volume balon yang harus diisi dengan helium yakni harus lebih besar dari 88,8 m^3 agar laki-laki tersebut dapat terangkat (massa jenisnya menjadi lebih ringan dari massa jenis udara).

Sumber : https://www.studiobelajar.com

Hukum Hooke dan Elastisitas

Jika suatu benda diberikan suatu gaya yang cukup untuk merubah bentuk benda tersebut maka kondisi benda tersebut dapat menjadi elastis, plastis, ataupun hancur. Hancur merupakan kondisi kegagalan benda karena sudah melewati titik patahnya (breaking point). Plastis merupakan kondisi benda yang tidak dapat kembali lagi menjadi kondisi awalnya jika gaya yang diberikan dihilangkan. Contoh benda yang bersifat plastis dapat kamu lihat pada plastisin, tanah liat, dan bahkan permen karet.

Elastis atau Elastisitas (Fisika) adalah kemampuan sebuah benda untuk kembali ke kondisi awalnya ketika gaya yang diberikan pada benda tersebut dihilangkan. Contoh benda elastis adalah pegas. Selain bersifat elastis, pegas juga dapat berubah menjadi bersifat plastis jika ditarik dengan gaya yang besar melewati batas elastisnya. Jika pegas sudah menjadi plastis kamu pasti tahu bahwa pegas tersebut sudah rusak.

Agar kamu memahami materi Elastisitas dan Hukum Hooke dengan baik, kamu harus memahami terlebih dahulu:

Seperti yang sudah dijelaskan diatas, kamu pasti tahu jika suatu gaya diberikan pada suatu benda, contohnya pada batang besi vertikal yang tergantung seperti pada gambar dibawah, maka panjang batang besi tersebut akan berubah.

[Sumber: Douglas C. Giancoli, 2005]

$\Delta L$ atau seterusnya disebut $\Delta x$ merupakan pertambahan panjang pada batang besi tersebut. Semakin besar gaya [F] yang diberikan maka pertambahan panjangnya ( $\Delta x$ ) juga akan semakin besar. Dapat disimpulkan bahwa pertambahan panjang benda sebanding dengan besarnya gaya tarik.

Perbandingan besar gaya tarik [F] terhadap pertambahan panjang benda ( $\Delta x$ ) bernilai konstan. Konstan artinya sebanding. Proporsionalitas kedua besaran tersebut dinotasikan dengan rumus persamaan:

$F = k \Delta x$

Dimana,

$F$ = besarnya gaya yang diberikan atau gaya tarik (N)

$\Delta$ = pertambahan panjang benda (m)

$k$ = konstanta benda (N/m)

$k$ merupakan koefisien elastisitas benda ataupun ukuran kelenturan pegas. Hubungan ini pertama kali diketahui oleh Robert Hooke (1635 – 1703), oleh karena itu dikenal juga sebagai Hukum Hooke. Hukum Hooke hanya berlaku hingga batas elastisitas. Batas elastisitas merupakan gaya maksimum yang dapat diberikan pada benda sebelum benda berubah bentuk secara tetap dan panjang benda tidak dapat kembali seperti semula (menjadi plastis ataupun hancur).

Kita akan mengamati sebuah objek yaitu pegas, sebuah benda yang dapat menjadi elastis. Pada kondisi pegas saat ditarik, terdapat gaya pada pegas yang besarnya sama dengan gaya tarikan pada pegas tetapi arahnya berlawanan ( $F_{aksi} = - F_{reaksi}$ ). Jika gaya tersebut disebut dengan gaya pegas ( $F_p$ ) maka gaya ini pun sebanding dengan pertambahan panjang pegas ( $\Delta x$ ). Perhatikan Gambar dibawah ini.

[Sumber: Halliday – Resnick – Walker, 2005]

Persamaan gaya pegas dinotasikan dengan rumus:

$F_p = - F$

$F_p = - k \cdot \Delta x$

Dimana,

$F_p$ = gaya pegas (N)

$\Delta x$ = pertambahan panjang pegas (m)

$k$ = konstanta pegas (N/m)

Kamu tidak perlu khawatir terhadap tanda minus (-). Tanda tersebut hanya menyatakan arah gaya pegas yang berlawanan dengan arah gaya tarik.

Sifat pegas yang elastis banyak digunakan dalam kegunaan sehari-hari. Contoh penggunaan pegas dapat kamu lihat pada kasur pegas (spring bed) atau pada kendaraan bermotor. Pada kendaraan bermotor pegas digunakan sebagai peredam kejut (shockbreaker). Penggunaan pegas biasanya dipakai secara bersamaan dalam satu sistem pegas. Nilai konstanta pegas tersebut akan berubah tergantung susunannya.

Dua buah pegas atau lebih yang disusun secara seri dinyatakan oleh rumus:

$\frac{1}{k_s}=\frac{1}{k_1}=\frac{1}{k_2}=\frac{1}{k_3}=\cdots=\frac{1}{k_n}$

Jika pegas disusun secara paralel, maka dinyatakan dengan rumus:

$k_p = k_1 + k_2 + k_3 + \cdots + k_n$

Contoh Soal Hukum Hooke

Tiga pegas identik (k = 200 N/m) dan dua beban (massa masing-masing m = 0,5 kg) disusun seperti pada gambar. Pertambahan panjang total pegas adalah … (Simak UI 2014)

A. 4,0 cm
B. 5,0 cm
C. 6,0 cm
D. 7,0 cm
E. 8,0 cm

Solusi:

Kita bagi dua komponen pegas pada sistem tersebut, pertama komponen pegas paralel yang terdiri dari dua pegas, kedua komponen pegas paling bawah.

Untuk komponen pegas pertama:

$k_p = k+k = 2k$

Pertambahan panjang pada komponen pertama, massa kedua benda dijumlahkan untuk mencari gaya beratnya.

$F_1 = k_p \cdots \Delta x$

$\Delta x_1 = \frac{F_1}{k_p} = \frac{2mg}{2k} = \frac{2(0,5 \: kg)g}{2(200 \: N/m)} = 0,0025g \: m$

Untuk komponen pegas kedua:

$k_2 = k$

Pertambahan panjang pada komponen kedua, gaya berat yang mempengaruhinya hanya pada satu benda.

$F_2 = k_2 \cdot \Delta x$

$\Delta x_2 = \frac{F_2}{k_2} = \frac{mg}{k} = \frac{(0,5 \: kg)g}{(200 \: N/m)} = 0,--25 g \: m$

Jadi, total pertambahan panjang pada sistem:

$\Delta x_{total} = \Delta x_1 + \Delta x_2 = 0,0025 g + 0,0025g = 0,005 g \: m$

Jika gaya gravitasi dianggap sebesar 10 m/s2, maka total pertambahan panjang pada sistem tersebut sebesar 0,05 meter atau sepanjang 5,0 cm.

Jawaban: B

Sumber : https://www.studiobelajar.com/

FISIKA SMABI

Rabu, 24 Juni 2020

Fluida Statis

Massa Jenis

Tekanan Hidrostatis

Hukum Pascal

Contoh Soal Fluida Statis dan Pembahasan

Contoh Soal Fluida Statis 1

Contoh Soal Fluida Statis 2

Elastisitas

Hukum Hooke dan Elastisitas

Contoh Soal Hukum Hooke

VEKTOR

Laporkan Penyalahgunaan

Label