Fluida Statis

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.

fluida statis dan massa jenis

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.

perbandingan massa jenis

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 hidrostatis

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).

satuan tekanan dan konversinya

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.

hukum pascal

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).

Artikel: Fluida Statis
Kontributor: Ibadurrahman, S.T.
Mahasiswa S2 Teknik Mesin FT UI

Materi StudioBelajar.com lainnya:

  1. Hukum Kepler
  2. Energi Potensial dan Energi Kinetik
  3. Gerak Parabola