Fluida

 A.     Definisi Fluida

Fluida merupakan zat, sebagai cairan atau gas, yang mampu mengalir dan berubah bentuk pada tingkat yang stabil ketika ditindaklanjuti oleh kekuatan atau tekanan. Fluida adalah suatu benda atau zat yang bisa mengalami perubahan-perubahan bentuknya secara continue/terus-menerus bila terkena tekanan/gaya geser walaupun relatif kecil atatu bisa juga dikatakan suatu zat yang mengalir, kata fluida mencakup zat cair, gas, air, dan udara karena zat-zat ini dapat mengalir. Sebaliknya batu dan benda2 keras (seluruh zat-zat padat tidak dapat dikategorikan sebagai fluida karena zat-zat tersebut tidak bisa mengalir secara continue). Fluida adalah gugusan yang tersusun atas molekul2 dengan jarak pisah yang cukup besar untuk gas dan jarak pisah yang cukup kecil untuk zat cair.

Molekul2 tersebut tidak dapat terikat pada suatu sisi, melainkan zat-zat tersebut saling bergerak bebas terhadap satu dengan yang lainnya. Fluida merupakan salah zat-zat yang bisa mengalir yang mempunyai partikel kecil sampi kasat mata dan mereka dengan mudah untuk bergerak serta berubah-ubah bentuk tanpa pemisahan massa.

Fluida adalah benda yang dapat mengalami perubahan bentuk secara terus menerus karena gaya gesek yang bekerja terhadapnya. Fluida di bagi menjadi2 bagian di antaranya adalah

1.      Fluida Statis (fluida yang diam)

merupakan fluida yang berada dalam keadaan diam dan tidak bergerak. Contoh dari fluida statis yaitu air dalam ember, air sumur, air dalam botol minuman. Fluida statis ini merupakan cikal bakal para ilmuwan fisika menemukan hukum dasar fisika seperti hukum Archimedes, hukum Pascal, hukum Boyle, teori tekanan hidrostatik. Beberapa contoh aplikasi yang berhubungan dengan fluida statis yaitu kapal yang melayang dan mengapung di air, dongkrak hidrolik yang dapat mengangkat benda berat.

 

2.      Fluida Dinamis (fluida yang bergerak)

merupakan fluida yang berada dalam keadaan bergerak atau mengalir. Contoh dari fluida dinamis yaitu angin, air mengalir dari selang, aliran air sungai. Fluida dinamis ini merupakan media ditemukannya energi potensial yang dapat digunakan sebagai seumber energi listrik. Beberapa contoh aplikasi yang berhubungan dengan fluida dinamis yaitu pembuatan PLT air dinama aliran air menggerakan kincir dan menghasilkan listrik, PLT angin dimana angin yang bertiup menggerakan turbin angin dan menghasilkan listrik.

 

B.     Hukum Pascal

Hukum Pascal dinyatakan oleh seorang filsuf sekaligus ilmuwan Prancis, Blaise Pascal (1623-1662) menyatakan bahwa:

“Jika tekanan eksternal diberikan pada sistem tertutup, tekanan pada setiap titik pada fluida tersebut akan meningkat sebanding dengan tekanan eksternal yang diberikan.”

Hukum Pascal ini menggambarkan bahwa setiap kenaikan tekanan pada permukaan fluida, harus diteruskan ke segala arah fluida tersebut. Hukum pascal hanya dapat diterapkan pada fluida, umumnya fluida cair.

Rumus hukum Pascal dalam sistem tertutup dapat disimpulkan dengan: 

Agar lebih simpel, formula diatas ditulis dengan 

Seperti yang sudah kita tahu bahwa tekanan adalah gaya dibagi besar luasan penampangnya (P = F/A), maka persamaan diatas dapat ditulis kembali sebagai berikut:

 

Atau 

Besarnya keuntungan mekanis dari sistem fluida/hidrolik yang menggunakan hukum Pascal dapat diketahui dari rasio gaya yang keluar dibagi gaya yang diberikan. 

Karena luasan penampang berbanding lurus dengan gaya, maka keuntungan mekanis juga dapat langsung diketahui dari rasio kedua luasan penampang.

Perhatikan gambar 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: 

Penerapan Hukum Pascal

Hukum Pascal banyak diterapkan untuk memudahkan pekerjaan manusia. Salah satu contoh yang paling sederhana adalah pengungkit hidrolik. Pada pengungkit hidrolik, sedikit gaya masuk yang diberikan digunakan untuk menghasilkan gaya keluar yang lebih besar dengan cara membuat luasan piston bagian luar lebih besar daripada luasan piston bagian dalam. Dengan cara ini, keuntungan mekanis yang didapatkan akan berlipat ganda tergantung rasio perbedaan luasan piston. Sebagai contoh, jika luasan piston luar 20 kali lebih besar daripada piston bagian dalam, maka gaya yang keluar dikalikan dengan faktor 20; sehingga jika gaya yang diberikan setara dengan 100 kg,  maka dapat mengangkat mobil hingga seberat 2000 kg atau 2 ton.

 

 C.      Hukum Archimedes

Archimedes merupakan seorang ilmuwan terkemuka yang berasal dari Syracusa, Yunani. Ilmuwan satu ini diprediksi hidup di zaman 287 – 212 sebelum Masehi. Sebagai seorang ilmuwan besar di zaman itu, Archimedes mampu menguasai beberapa bidang sekaligus, mulai Matematika, Fisika, Filsafat, Astronomi, dan Teknik. Kisah Archimedes mulai dikenal setelah ia diminta oleh Raja Hiero II untuk membuktikan kemurnian emas mahkota milik sang raja. 

Mendapatkan tugas seperti itu, Archimedes tidak tinggal diam. Ia berpikir keras untuk memecahkan masalah ini. Oleh karena tak kunjung mendapatkan solusi, Archimedes kesal lalu menceburkan dirinya ke dalam bak mandi. Saat ia masuk ke dalam bak mandi yang penuh dengan air, ternyata ada air yang tumpah ke lantai. Berbekal dari hal sepele itulah kemudian Archimedes berhasil membuktikan kemurnian emas milik sang raja. Bagaimana caranya? 

Archimedes memasukkan mahkota ke dalam air. Perubahan volume air akibat adanya mahkota tersebut dijadikan dasar untuk mencari massa jenis, yaitu membagi massa mahkota dengan besarnya perubahan volume air. Massa jenis yang ia peroleh dari hasil percobaan itu disamakan dengan massa jenis emas murni. Terbukti, jika emas yang ada di mahkota raja ternyata bukan emas murni, melainkan campuran.

Hukum Archimedes menyatakan bahwa benda yang dicelupkan ke dalam zat cair, akan mengalami gaya angkat ke atas yang besarnya sama dengan zat cair yang dipindahkan. Gaya angkat ke atas inilah nantinya disebut sebagai gaya Archimedes. Adapun ilustrasinya, ditunjukkan oleh gambar berikut.

 

Berbekal pernyataan yang telah disebutkan sebelumnya, gaya Archimedes bisa dirumuskan sebagai berikut.

Keterangan:

FA = gaya angkat ke atas atau gaya Archimedes (N);

ρf = massa jenis fluida (kg/m3);

g = percepatan gravitasi Bumi (m/s2); dan

Vbf = volume benda tercelup (m3).

Ternyata, konsep gaya angkat ke atas ini menyebabkan tiga kemungkinan posisi benda di dalam zat cair, yaitu terapung, melayang, dan tenggelam. Bagaimana syarat benda dikatakan terapung, melayang, dan tenggelam? Perhatikan gambar berikut.

Jika Quipperian perhatikan, gaya Archimedes menyebabkan berat benda di dalam zat cair seolah berbeda dengan beratnya di udara. Apakah benar? Jawabannya adalah benar karena saat ditimbang, berat benda di dalam zat cair lebih kecil dibandingkan di udara. Oleh karena itu, berat benda di dalam zat cair disebut sebagai berat semu. Secara matematis, berat semu dirumuskan sebagai berikut.

Keterangan:

wbf = berat benda di dalam fluida (N);

wu = berat benda di udara (N);

FA = gaya Archimedes (N);

ρb = massa jenis benda (kg/m3);

ρf= massa jenis fluida (kg/m3);

Vbf = volume benda tercelup (m3); dan

g = percepatan gravitasi (m/s2).

 

 

 

D.     Soal-soal

1.            Apakah yang dimaksud dengan fluida?

2.            Apakah kelebihan mesin dengan penggerak fluida?

3.            Sebutkan kekurangan mesin yang menggunkan fluida?

4.            Sebutkan jenis fluida yang sering dipakai dalam dunia teknik?

5.            Sebuah benda seberat 40 N diletakkan di atas meja. Jika luas alas penampang benda tersebut 20 cm2, maka besar tekanan yang diberikan benda tersebut terhadap meja adalah

 

Daftar pustaka

 

https://www.quipper.com/id/blog/mapel/fisika/hukum-archimedes/

https://www.studiobelajar.com/hukum-pascal/

http://sekitarkita0.blogspot.com/2018/07/pengertian-fluida-jenis-tekanan-kedalaman-fluida.html