Home / Fisika / fluida statis

Fluida Statis

  • 11 min read

Penulis:  Deyan Prashna, Departemen Fisika, Universitas Indonesia 2016

Apa yang kalian ketahui tentang fluida? Fluida ada dua jenis loh, yaitu fluida statis dan fluida dinamis. Pada artikel ini hanya membahas fluida statis. Lantas, apa itu fluida statis? Kalian akan mengetahui jawabannya setelah membaca artikel ini.

Pengertian Fluida Statis

Fluida adalah suatu zat yang mengalir atau mengalami perubahan bentuk secara berkelanjutan (continue) akibat adanya tekanan atau pun gaya dari luar (eksternal). Fluida hanya berlaku untuk zat cair dan gas saja, sedangkan zat padat tidak termasuk dalam kategori fluida karena tidak mengalami perubahan bentuk secara berkelanjutan.

Zat cair memiliki interaksi antar partikel yang lemah dan tidak dapat dimampatkan, tetapi zat gas interaksinya jauh lebih lemah dibanding zat cair dan dapat dimampatkan. Kedua zat tersebut akan memberikan tekanan ke segala arah terhadap wadahnya (sehingga dapat menyebar dengan cepat).

Zat cair penyebarannya/alirannya bergantung pada ketinggian tempat, sedangkan zat gas bergantung pada tekanan udara di tempatnya berada terhadap tekanan udara di tempat lainnya dimana akan bergerak ke tempat yang bertekanan lebih rendah.

Secara fisis, fluida dibedakan menjadi fluida statis dan dinamis. Fluida statis merupakan fluida yang berada dalam keadaan diam dalam suatu wadah tertentu dan tidak mengalir ke tempat yang lebih rendah.

Pada fluida statis kecepatan antar partikelnya sangat kecil sehingga dapat diabaikan dan tidak menyebabkan terjadinya tegangan geser. Objek yang berada di dalamnya tetap mengalami tekanan.

Fluida statis dapat diterapkan untuk menghitung tekanan atmosfer dan tekanan hidrostatis. Sehingga pada tekanan atmosfer kita dapat menentukan tekanan di setiap lapisan atmosfer.

Hubungan antara tekanan atmosfer dengan tekanan hidrostatis bagaikan berkebalikan dimana dalam tekanan atmosfer semakin tinggi pengukuran dari permukaan tanah, maka tekanannya akan semakin kecil. Sedangkan pada tekanan hidrostatis, semakin dalam pengukuran dari permukaan air maka tekanannya akan semakin besar.

Fluida statis pun dapat dibedakan menjadi dua, yaitu fluida statis sederhana dan tidak sederhana. Pada fluida statis sederhana, tidak ada gaya luar (eksternal) yang mengakibatkan airnya dapat bergerak, contoh air dalam wadah gelas.

Sedangkan untuk fluida statis tidak sederhana, terdapat pergerakan tetapi perlu diketahui bahwa kecepatan gerak partikelnya konstan dari permukaan sampai dasar. Sifat dari fluida lebih mudah dipahami dalam keadaan statis dan juga tetap berlaku pada fluida dinamis, tapi pemahaman dan rumusnya lebih kompleks.

Besaran Fisis terkait Fluida Statis dan Rumus

Berikut besaran fisis yang terkait/berhubungan dengan fluida statis:

Massa Jenis

Merupakan ukuran kerapatan suatu zat baik itu zat padat, cair maupun gas. Semakin besar massa jenis maka volume zatnya akan semakin rendah dan sebaliknya.

Massa jenis berhubungan dengan interaksi antar partikelnya. Semakin besar massa jenis, maka interaksinya akan semakin sulit karena ruang geraknya terbatas.

Rumus fluida statis

rumus fluida statis

dimana massa jenis merupakan massa jenis (kg/m3), m merupakan massa benda (kg) dan V merupakan volume benda (m3).

Pada fluida statis (zat cair), massa jenis menjadi sangat penting dalam menentukan posisi dari benda yang berada di dalamnya. Jika massa jenis bendanya lebih kecil dari massa jenis air maka bendanya akan terapung, jika lebih besar maka akan tenggelam, dan jika mendekati atau sama dengan massa jenis air maka akan melayang di bawah permukaan air.

Perhatikan ilustrasi berikut supaya lebih mudah.

perbandingan massa jenis

Tegangan Permukaan

Tegangan permukaan disebabkan oleh interaksi antar molekul zat cair dengan molekul zat yang berada di atasnya sehingga seolah-seolah zat cair memiliki lapisan yang elastis. Tegangan permukaan merupakan suatu respon dari gaya keatas (gaya pemulih) terhadap gaya atau pun tekanan eksternal dari objek yang berada di atas permukaan air.

Sekalipun tidak ada objek yang berada di atasnya, tegangan permukaan akan tetap ada karena berinteraksi dengan zat gas (molekul udara). Faktor yang mempengaruhi tegangan permukaan yaitu suhu, zat terlarut dan surfaktan.

Semakin tinggi suhu maka tegangan permukaan akan semakin rendah karena meningkatnya energi kinetik molekul. Penambahan zat terlarut akan meningkatkan viskositas cairan dan juga tegangan permukaan.

Surfaktan merupakan zat yang dapat mengaktifkan permukaan sehingga membuat zatnya menjadi terkonsentrasi di permukaan. Berikut rumus tegangan permukaan:

rumus tegangan permukaan

dimana tegangan permukaan merupakan tegangan permukaan (N/m), F merupakan gaya (N), dan d atau l merupakan panjang permukaan tempat gaya itu bekerja (m).

Kapilaritas

Merupakan peristiwa naik atau turunnya zat cair melalui pembuluh atau celah atau pun pori-pori yang sangat kecil. Kapilaritas disebabkan oleh adanya interaksi antara molekul-molekul pada dinding wadahnya (molekul penyentuh) dengan zat cair (molekul yang disentuh) dan juga disebabkan oleh adanya tegangan permukaan pada molekul-molekul tersebut yang melakukan kontak dengan zat cair di sekelilingnya.

Sifat kapilaritas dapat diterapkan pada pipa kapiler (pipa dengan luas penampang yang sempit) dimana ketika mencelupkan pipa kapiler yang berisi air ke dalam wadah berisi air akan mengakibatkan permukaan air di dalam pipa menaik dan membentuk permukaan (meniskus) cekung. Sedangkan pada pipa kapiler berisi air raksa yang dicelupkan ke dalam wadah berisi air raksa akan mengakibatkan air raksa di dalam pipa menurun dan membentuk permukaan (meniskus) cembung.

Gejala tersebut disebabkan oleh adanya interaksi yang dinamakan sebagai gaya kohesi dan adhesi. Gaya kohesi merupakan gaya tarik-menarik antar molekul yang sejenis, contoh molekul air dengan molekul air.

Sedangkan gaya adhesi merupakan gaya tarik menarik antar molekul yang tak sejenis, contoh molekul air dengan dinding wadah. Pada kohesi, molekulnya akan saling melekat karena adanya tarik menarik, sedangkan pada adhesi molekulnya tidak melekat karena tolak menolak.

Contoh lain dari gejala kapilaritas adalah naiknya air dari akar ke batang melalui pembuluh kayu, kertas dapat meresap air, dan naiknya minyak tanah melalui sumbu kompor sehingga kompor dapat digunakan untuk memasak. Rumus kapilaritas sbb:

Rumus kapilaritas

dimana h merupakan kenaikan atau penurunan zat cair dalam pipa (m), zat cair dalam pipa merupakan tegangan permukaan (N/m), sudut kontak merupakan sudut kontak, massa jenis zat cair merupakan massa jenis zat cair (kg/m3), percepatan gravitasi bumi merupakan percepatan gravitasi bumi (m/s2), dan r merupakan jari-jari pipa (m).

Viskositas

Merupakan ukuran dari ketahanan fluida (zat cair) yang diberi pengaruh tegangan atau pun tekanan. Viskositas dapat berarti ketebalan atau pergesekan internal.

Semakin tinggi viskositas, maka semakin sulit terjadi pergerakan dalam fluida tersebut dan sebaliknya. Viskositas yang lebih besar dimiliki oleh fluida yang lebih kental (contoh, madu), sedangkan viskositas yang lebih kecil dimiliki oleh fluida yang lebih encer (contoh, air).

Viskositas bukan hanya berlaku untuk fluida cair saja tetapi gas juga termasuk. Fluida yang memiliki ketahanan terhadap tekanan atau tegangan dinamakan fluida kental. Sedangkan fluida yang tidak memiliki ketahanan terhadap tekanan maupun tegangan dinamakan fluida ideal. Berikut rumus viskositas fluida:

dimana koefisien viskositas merupakan koefisien viskositas, F merupakan gaya (N), l merupakan jarak antar wadah (m), A merupakan luas penampang wadah (m2) dan kecepatan fluida merupakan kecepatan fluida (m/s2). Satuan viskositas berupa Ns/m2 dimana 1 Ns/m2 sama dengan 1 Pas (pascal second).

Tekanan

Merupakan gaya yang bekerja pada luas penampang tertentu dan dapat digunakan untuk mengukur kekuatan dari suatu fluida gas maupun cair. Semakin besar gaya yang diberikan, maka tekanannya akan semakin besar dan sebaliknya.

Sedangkan untuk luas penampang yang semakin besar, maka tekanannya akan semakin kecil dan sebaliknya. Satuan SI dari tekanan adalah Pa dimana 1 Pa sama dengan 1 N/m2 dan Satuan SI dari tekanan adalah Pa

Tekanan pada artikel ini dapat dibedakan menjadi tekanan hidrostatis dan tekanan mutlak.

a. Tekanan Hidrostatis

Merupakan tekanan yang disebabkan oleh adanya gaya yang diberikan oleh fluida cair dan menekan ke segala arah dan semakin dalam dari permukaan maka tekanan hidrostatisnya akan semakin besar dan sebaliknya. Berikut rumus dari tekanan hidrostatis:

rumus dari tekanan hidrostatis

dimana Ph merupakan tekanan hidrostatis (N/m2), p merupakan massa jenis air (kg/m3), percepatan gravitasi bumi merupakan percepatan gravitasi bumi (m/s2), dan h merupakan ketinggian (m).

b. Tekanan mutlak

Merupakan tekanan total yang dialami oleh benda yang berada di dalam air. Dalam melakukan pengukuran terhadap tekanan objek yang berada di dalam air, perlu ditambahkan tekanan atmosfer untuk menghitung tekanan keseluruhan (tekanan mutlak).

Perhatikan kembali gambar 1 dimana wadah tersebut terbuka (tanpa tutup) dan terdapat tekanan udara yang bekerja terhadap permukaan air, tekanannya dinamakan sebagai tekanan atmosfer, Patm. Coba kamu baca materi mengenai tekanan hidrostatis (telah di-publish sebelumnya) agar lebih mudah dalam memahaminya.

Berikut rumus tekanan mutlak:

rumus tekanan mutlak

dimana P merupakan tekanan mutlak (N/m2).

Hukum Pascal

Hukum Pascal mengatakan bahwa tekanan yang diberikan kepada fluida dalam ruang tertutup akan diteruskan ke segala arah. Peralatan yang bekerja berdasarkan hukum Pascal yaitu dongkrak hidrolik, rem hodrolik dan mesin hidrolik pengangkat mobil.

hukum pascal

Berlaku persamaan sbb:

persamaan hukum pascal

dimana F1 merupakan gaya yang diberikan pada luas penampang 1, A1 merupakan luas penampang 1, F2 merupakan gaya yang diberikan pada luas penampang 2, A2 merupakan luas penampang 2.

Hukum Archimedes

Hukum Archimedes mengatakan bahwa benda yang dicelupkan ke dalam fluida akan menerima gaya apung yang besarnya sama dengan berat fluida yang dipindahkan. Perhatikan ilustrasi berikut.

hukum archimedes

Benda A dicelupkan dengan volume yang tercelup sebesar VT dan mengalami gaya keatas sebesar FA. Gaya ke atas yang diterima oleh benda A sama dengan besar volume yang tercelupkan tersebut.

Hukum Archimedes dirumuskan sbb:

rumus hukum archimedes

dimana massa jenis air merupakan massa jenis air (kg/m3), gaya ke atas merupakan gaya ke atas (N), percepatan gravitasi bumi merupakan percepatan gravitasi bumi (m/s2), dan volume tercelup merupakan volume tercelup (m3).

Benda A yang tercelup akan mengalami berat yang lebih ringan dibanding dengan di udara, dengan keterangan sbb:

Benda A yang tercelup akan mengalami berat yang lebih ringan dibanding dengan di udara

dimana berat benda di udara merupakan berat benda di udara (N) dan berat benda di air merupakan berat benda di air (N).

Demkian, pembahasan artikel ini mengenai fluida statis. Semoga bermanfaat!

Contoh Soal Latihan

  1. Jelaskan mengenai fluida statis itu apa?

Jawab

Fluida statis merupakan fluida yang berada dalam keadaan diam dan tidak mengalir ke tempat yang lebih rendah. Kata diam yang dimaksud di sini adalah dalam keadaan makro karena pada dasarnya partikel fluida tersebut juga melakukan pergerakan secara mikro dengan kecepatan yang kosntan dan tidak mengubah keadaan sistem (secara makro).

2. Perhatikan gambar berikut!

penerapan hukum pascal

Benda A akan diangkat secara hidrolik dengan menggunakan gaya F1 sebesar 10 N pada luas penampang 1, A1, seluas 5 m2. Berapa berat benda A pada luas penampang 2, A2, seluas 13 m2?

Jawab:

jawaban fluida statis

3. Perhatikan gambar berikut!

benda b berada dalam air

Benda B ketika ditimbang di luar wadah memiliki berat 50 N. Kemudian dicelupkan ke dalam wadah dan terapung sekitar 50% beratnya berada di dalam air. Berapa besar gaya ke atas yang dialami oleh benda B?

Jawab:

jawaban 3 fluida statis

Daftar Pustaka

  • Aerospace, Mechanical & Mechatronic Engg – University of Sydney. 2005. Fluid Statics. Diperoleh dari http://www-mdp.eng.cam.ac.uk/ (diakses pada 29 April 2020).
  • Dosenpendidikan. 2019. Fluida Statis. Diperoleh dari https://www.dosenpendidikan.co.id/fluida-statis/ (diakses pada 29 April 2020).
  • Ibadurrahman. Fluida Statis. Diperoleh dari https://www.studiobelajar.com/fluida-statis/ (diakses pada 29 April 2020).
  • Rahmah, Azzahra. 2020. Fluida Statis – Pengertian, Sifat, Jenis, Konsep, hukum. Diperoleh dari https://rumus.co.id/fluida-statis/ (diakses pada 29 April 2020).
  • Rangga, Aditya. Tegangan Permukaan. Diperoleh dari https://cerdika.com/tegangan-permukaan/ (diakses pada 29 April 2020).
  • Rumah Belajar. Pengertian Kapilaritas. Diperoleh dari https://sumberbelajar.belajar.kemdikbud.go.id/ (diakses pada 29 April 2020).
  • Si Manis. 2018. Pengertian Viskositas, Pengaruh, Contoh dan Rumus Viskositas dan Fluida Viskositas Fisika Terlengkap. Diperoleh dari https://www.pelajaran.co.id/2018/22/pengertian-pengaruh-contoh-dan-rumus-viskositas-dan-fluida-viskositas-fisika.html (diakses pada 29 April 2020).

Baca juga: