Hukum – Hukum Pokok Hidrostatika

F 1 A 1 = F 2 A 2 F 5 = 1800 50 F = 180050 x 5 = 180 Newton Tekanan gauge.Nilai tekanan yang diukur oleh alat pengukur tekanan disebut tekanan gauge.Adapun tekanan disebut tekanan mutlak. Tekanan mutlak = tekanan gauge + tekanan atmosfer p=p gauge + p atm Sebagai contoh,sebuah ban yang berisi udara dengan tekanan gauge 2 atm diukur oleh alat ukur memiliki tekanan mutlak kira – kira 3 atm sebab tekanan atmosfer pada permukaan laut sekitar 1 atm. Tekanan mutlak pada suatu kedalaman zat cair h. Pada permukaan zat cair bekerja tekanan atmosfer P o .Sehingga tekanan mutlak pada kedalaman h adalah : P = p o + ρgh Tekanan atmosfer yang sering digunakan dalam soal adalah sebesar 1 atm = 76 cmHg = 1,01 x 10 5 Pa.

b.Hukum – Hukum Pokok Hidrostatika

1.Hukum Pokok Hidrostatis 9 Menyatakan bahwa semua titik yeng terletak pada satu bidang datar didalam zat cair akan memiliki tekanan hidrostatis yang sama.Pernyataan ini dapat diaplikasikan untuk menentukan massa jenis zat cair menggunakan pipa U. 2.Hukum Pascal Menyatakan bahwa jika fluida diberi tekanan dari luar maka tekanan tersebut akan diteruskan kesegala arah dengan sama besar.prinsip hukum pascal diterapkan pada akat – alat hidrolik seperti : pompa hidrolik , dongkrak hidrolik , pengangkat hidrolik dan lain – lain.  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 Kanginan, 2007. 10 Gambar 1: 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 Kanginan, 2007. Tekanan dalam fluida dapat dirumuskan dengan persamaan di bawah ini. P = F : A sehingga persamaan hukum Pascal bisa ditulis sebagai berikut. P 1 = P 2 F 1 : A 1 = F 2 : A 2 dengan P = tekanan pascal, F = gaya newton, dan A = luas permukaan penampang m 2 .  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 Krist, 1980. 11 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 Krist, 1980. 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 Kanginan, 2007. Prinsi inilah yang dimanfaatkan pada peralatan teknik yang banyak dimanfaatkan manusia dalam kehidupan misalnya dongkrak hidraulik, pompa hidraulik, dan rem hidraulik Azizah Rokhim, 2007. 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 Anonim,2009a. Jika gaya F 1 diberikan pada penghisap yang kecil, tekanan dalam cairan akan bertambah dengan F 1 A 1. Gaya ke atas yang diberikan oleh cairan pada penghisap yang lebih besar adalah penambahan tekanan ini kali luas A 2 . Jika gaya ini disebut F 2 , didapatkan 12 F 2 = F : A 1 x A 2 Jika A 2 jauh lebih besar dari A 1 , sebuah gaya yang lebih kecil F 1 dapat digunakan untuk menghasilkan gaya yang jauh lebih besar F 2 untuk mengangkat sebuah beban yang ditempatkan di penghisap yang lebih besar Tipler, 1998. Berikut ini contoh perhitungan tekanan pada sebuah dongkrak hidraulik. Misalnya, sebuah dongkrak hidraulik mempunyai dua buah penghisap dengan luas penampang melintang A 1 = 5,0 cm 2 dan luas penampang melintang A 2 = 200 cm 2 . Bila diberikan suatu gaya F 1 sebesar 200 newton, pada penghisap dengan luas penampang A 2 akan dihasilkan gaya F 2 = F 1 : A 1 x A 2 = 200 : 5 x 200 = 8000 newton. 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 Triyanto, 2009. 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 Anonim, 2009b. 13 Gambar 2 Gaya Gesekan pada Prinsip Kerja Rem Hidraulik Sumber: www.yanto-triyanto.co.cc 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 14 dengan pompa hidraulik untuk menjalankan suatu sistem tertentu Anonim, 2009c. 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 Aziz, 2009. 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 3.Hukum Archimedes Hukum archimedes berbunyi: “gaya apung yang bekerja pada suatu benda yang dicelupkan sebagian atau seluruhnya kedalam suatu fluida sama dengan berat fluida yang dipindahkan oleh benda tersebut”. 15 Gaya Apung Gaya apung muncul karena selisih antara gaya hidrostatis yang dikerjakan fluida terhadap permukaan bawah dengan permukaan atas benda. Gaya apung dapat dirumuskan sebagai berikut. F a = ρ f V bf g Dengan ρ f adalah massa jenis fluida dan V bf adalah volume benda yang tercelup dalam fluida. Jika benda tercelup semuanya, V bf = volume benda. Tetapi jika volume benda hanya tercelup sebagian, V bf = volume benda yang tercelup dalam fluida saja. Mengapung, Melayang, Dan Tenggelam Suatu benda mengapung, melayang, atau tenggelam hanya di tentukan oleh massa jenis benda dan massa jenis zat cair. Jika massa jenis rata rata benda lebih kecil daripada massa jenis zat cair, maka benda mengapung di permukaan zat cair, jika massa jenis benda lebih besar daripada massa jenis zat cair, maka benda tenggelam di dasar wadah zat cair.jika massa jenis sama dengan massa jenis zat cair,maka benda melayang dalam zat cair. Melayang pb, rata-rata = pf w = Fa Keterangan : pb = massa jenis benda pf = massa jenis fluida w = berat benda Fa = gaya Apung Tenggelam pb, rata-rata pf w Fa 16 Keterangan : pb = massa jenis benda pf = massa jenis fluida w = berat benda Fa = gaya Apung Terapung pb, rata-rata pf w = Fa Keterangan : pb = massa jenis benda pf = massa jenis fluida w = berat benda Fa = gaya Apung Aplikasi Archimedes Berikut ini adalah beberapa contoh penerapan Hukum Archimedes dalam kehidupan sehari-hari. a. Hidrometer Hidrometer adalah alat untuk mengukur massa jenis zat cair. Alat ini digunakan utuk mengetahui bahwa air accu sudah tidak dapat digunakan.lagi. Penggunaan Hidrometer , yaitu mencelupkan nya pada zat cair yang yang akan diukur massa jenisnya. b. Jembatan Ponton Jembatan ponton dibuat dari drum-drum berongga yang dijajarkan melintang aliran sungai. Jembatan ponton dibuat dengan memanfaatkan hukum Archimedes. Volume air yang dipindahkan menghasilkan gaya apung yang mampu menahan berat drum dan benda-benda yang melintas diatasnya. Setiap drum penyusun jembatan harus tertutup agar air tidak dapat masuk kedalamnya. 17 c.Kapal Selam Kapal selam dapat diposisikan mengapung,melayang,dan tenggelam di dalam air laut. Oleh karena itu, kapal selam sangat cocok digunakan dalam bidang militer dan penelitian. Bentuk badan kapal selam dirancang agar dapat melayang,mengapung,dan telenggelam dalam air. Selain itu, dirancang untuk menahan tekanan air dikedalaman laut. Badan kapal selam diberi rongga udara yang berfungsi sebagai tempat masuk dan keluarnya air atau udara. Rongga udara terletak di lambing kapal. Rongga tersebut dilengkapi dengan katup bagian atas dan bawahnya. Ketika rongga terisi udara, volume air yang dipindahakan sama dengan berat kapal, kapal selam mengapung. Ketika rongga katup atas dan bawah pada rongga kapal dibuka, udara dalam rongga keluar atau air massuk mengisi rongga tersebut. Akibatnya, kapal selam mulai tenggelam. Katup akan ditutup jika kapal selam telah mencapai kedalaman yang diinginkan. Dalam keadaan tersebut, kapal selam dalam keadaan melayang. Jika katup udara pada rongga dibuka kembali, volume air dalam rongga akan bertanbah sehingga kapal selam akan tenggelam. Jika kapal selam akan muncul ke permukaan dari keadaan tenggelam, air dalam rongga dipompa keluar sehingga rongga hanya terisi udara. Dengan demikian, kapal selam mengalami gaya apung sama dengan berat kapal selam. Akibatnya, kapal selam akan naik ke permukaan dan mengapung. d.Balon Udara Balon udara adalah penerapan prinsip Archimedes di udara. Balon udara harus diisi dengan gas yang bermassa jenis lebih kecil dari massa jenis udara atmosfer, sehingga, balon udara dapat terbang karena mendapat gaya keatas, misalnya diisi udara yang dipanaskan Contoh : 18 1.Sebuah benda memiliki berat 30N ketika ditembang diudara dan ketika dimasukkan kedalam air beratnya menjadi 22,5N.Jika massa jenis air 1000kgm 3 .Berapakah massa jenis benda tersebut ? Pembahasan : Dik : ρ air : 100kgm 3 W udara = 30N W air = 22,5N Dit : ρ benda ....... ? Penyelesaian : ρ benda = mbenda Vbenda mbenda = Wog F A = ρ air g V benda W udara – W air = ρ air g V benda 30 – 22,5 = 10 5 x10xV benda 7,5 = 10 -4 V benda V benda = 7,5 10−4 = 7,5 x 10 -4 m 3 M benda = Wog 7,5.10−4 = 3010 7,5.10−4 = 3.10 4 7,5 = 4.10 3 kgm 2.Sebuah balok massa jenisnya 800kgm 3 .Jika balok dimasukkan kedalam air berapa bagian balok yang muncul diatas permukaan ?\ Pembahasan : Dik : ρ balok = 800kgm 3 Dit : V muncul .... ? Penyelesaian : FA = W ρ air g V celup V benda = ρ benda g V benda 10 3 V celup V benda = 800.V benda 19 V celup = 800 1000 = 4 5 V = - 4 5 V = 1 - 4 5 = 1 5 3.Segumpal es mengapung pada air dengan volume yang muncul diatas permukaan air sebanyak 250cm 3 .Jika massa jenis es 900kgm 3 .Berapa volume es seluruhnya ? Pembahasan : Dik : V muncul = 250cm 3 ρ es = 900kgm 3 Dit : V es ..........??? Penyelesaian : FA = W ρ air g V celup = ρ es g V es 10 3. V celup = 900.V es 10 3 V es – V muncul = 900.V es 10 3 V es – 250 = 900.V es 1000 V es – 250.10 3 = 900.V es 1000 – 900 V es = 250.10 3 V es = 250.10 3 100 = 2500 Tegangan Permukaan dan Viskositas Tegangan Permukaan Yaitu kecendrungan permukaan zat cair yang membentuk suatu lapisab yang tertegang tapi e;astis.Hal inidiakibatkan adanya gaya kohesi yaitu antara 20 partikel – partikel zat cair tersebut.Karena adanya tegangan permukaan maka dapat terjadi peristiwa – peristiwa seperti : silet dan djarum dapat terapung diair ,tetes air cenderung berbentuk bulat .Serangga dapat berjalan diatas air dan sebagainya.. Selain gaya kohesi pada zat cair juga bekerja gaya adhesi yaitu gaya tarik antara partikel air dengan partikel dimana zat cair berada. Viskositas Viskositas merupakan ukuran kekentalan fluida yang menyatakan besar kecilnya gesekan didalam fluida. Hukum Stokes F f = 6πηrv Dengan η adalah koefisien viskositas yang dinyatakan dalam kg m -1 s -1 atau Pa s. Kecepatan Terminal V t Suatu benda yang dijatuhkan bebas dalam suatu fluida kental,kecepatannya makin membesar sampai mencapai suatu kecepatan terbesar yang tetap.Kecepatan terbesar yang tetap ini dinamakan kecepatan terminal V t = V b gρ b – ρ f 6πηrv Untuk benda yang berbentuk bola dengan jari – jari r , maka volume benda v b = 4 3 πr 2 , sehingga diperoleh persamaan . V t = 2r 2 g 9η ρ b – ρ f 2.Fluida dinamis Aliran fluida secara umum bisa kita bedakan menjadi dua macam, yakni aliran lurus alias laminar dan aliran turbulen. Aliran lurus bisa kita sebut sebagai aliran mulus, karena setiap partikel fluida yang mengalir tidak saling berpotongan. 21 Salah satu contoh aliran laminar adalah naiknya asap dari ujung rokok yang terbakar. Mula-mula asap naik secara teratur mulus, beberapa saat kemudian asap sudah tidak bergerak secara teratur lagi tetapi berubah menjadi aliran turbulen. Aliran turbulen ditandai dengan adanya linkaran-lingkaran kecil dan menyerupai pusaran dan kerap disebut sebagai arus eddy. Contoh lain dari aliran turbulen adalah pusaran air.

a.Ciri-ciri umum dari aliran fluida