FASA BENDA, DEFINISI FLUIDA, MASSA JENIS, TEKANAN, HUKUM PASCAL, GAYA APUNG (HUKUM ARCHIMEDES)

A. Fase pada Benda • Ada tiga (3) fase atau keadaan dari benda : padat, cair dan gas.

• Zat padat : fase dimana benda mempertahankan bentuk dan
ukurannya, walaupun ada sejumlah gaya yang besar bekerja pada benda tersebut, bentuk dan volume benda tidak akan berubah.
• Zat cair : fase dimana benda tidak dapat mempertahankan bentuk
tetapnya tapi bergantung pada medium yang ditempatinya. Zat cair tidak dapat dikompres dan volumenya hanya dapat berubah jika diberikan gaya yang besar.
Gas : tidak memiliki bentuk dan volume yang tetap.
• Karena zat cair dan gas tidak dapat mempertahankan bentuk yang
tetap, maka memiliki kemampuan untuk mengalir, sehingga zat cair dan gas disebut FLUIDA (Zat alir).

FASE LAIN :

Plasma : fase benda yang terjadi pada temperatur yang

sangat tinggi dan terdiri dari atom-atom yang terionisasi (elektron-elektron terlepas dari inti atomnya).

Koloid : suspensi dari partikel-partikel kecil didalam zat cair.

Kristal cair : suatu fase diantara zat padat dan zat cair.

GAS

FLUIDA = zat alir

Zat cair

Molekul bergerak bebas dan saling bertumbukan
Tekanan akibat tumbukan antar molekul
Tekanan terjadi tidak tegak lurus bidang<>Molekul terikat secara longgar tapi berdekatan
Tekanan yang terjadi karena gaya gravitasi bumi
Tekanan terjadi tegak lurus bidang

B. Densitas atau Massa Jenis

Besaran untuk mengungkapkan massa lebih dalam suatu

volume tertentu lebih umum digunakan densitas atau massa

3 [ kg / m ]

V Dimana m = massa benda, dan V adalah volume benda.

Massa jenis merupakan karakteristik dari zat (substansi)

murni. Contoh emas murni dapat memiliki ukuran dan massa

C. Tekanan Tekanan didefinisikan sebagai gaya persatuan luas : F

2 P [ N / m ] A

2 Satuan lain dari tekanan adalah Pascal (Pa), 1 Pa = 1 N/m .

Fluida dapat memberikan gaya pada suatu benda/objek

Jika benda memiliki luas permukaan A dan tinggi h, maka tekanan pada benda yang diberikan oleh fluida :

F mg Vg Ahg P A A A A Tekanan Atmosfer

Tekanan atmosfer bumi bergantung pada ketinggian/kedalaman seperti halnya pada fluida.

Namun tekanan atmosfer sangat kompleks, karena bukan hanya massa jenisnya yang bervariasi bergantung pada posisinya tapi juga karena kita bisa mengukur tekanan atmosfir pada ketinggian yang berbeda. Secara umum, tekanan atmosfer dapat diukur dari perbedaan tekanan pada posisi yang berbeda.

P g h

2 Pada permukaan laut, tekanan atmosfir rata-rata adalah 1,013 x 10 N/m (sering disebut dengan tekanan atmosfir).

1 atm = 1,013 x 10 N/m = 101,3 Pa

1 bar = 1,00 x 10 N/m

Mengapa tubuh kita mampu menahan tekanan atmosfir yang

sangat besar ?

Karena sel-sel dalam tubuh kita akan mempertahankan

tekanan internalnya yang besarnya hampir sama dengan

Kasusnya sama dengan tekanan didalam balon udara yang

Kalau tekanan sel-sel dalam tubuh

kita tidak sama, bagaimana ?

D. Hukum Pascal

 Tekanan yang dialami oleh benda yang berada didalam fluida, adalah tekanan dari fluida ditambah dengan tekanan atmosfir.

 Contoh : tekanan yang dialami seseorang yang menyelam di danau dengan kedalaman 100 meter akan mengalami tekanan sebesar P = gh = 9,8 x 105 N/m2 atau 9,7 atm. Jika danau tersebut berada sejajar dengan permukaan laut, maka tekanan total yang dialami orang tadi menjadi 9,7 atm + 1 atm = 10,7 atm.

 Jika tekanan luar diberikan pada suatu fluida, maka tekanan pada setiap titik di dalam fluida akan meningkat sebesar tekanan luar (Hukum Pascal).

F in

F out in out in out in in out out in out

A A F F A F A F P P Rasio F out

/F in disebut keuntungan mekanik dari sistem hidrolik

Bagaimana cara mengukur tekanan ? 

Cara paling sederhana mengukur tekanan adalah manometer, yaitu

tabung berbentuk U yang diisi sebagian oleh zat cair, umumnya air raksa

2 Tekanan yang diukur P berkaitan dengan

P P

perbedaan ketinggian h dari zat cair :

P P g h P adalah tekanan atmosfir.

Seringkali tekanan diukur menggunakan satuan

mm-Hg atau mm-H O dengan konversi :

1 mm-Hg = 133 N/m (1 torr)

1 mmH O = 9,81 N/m

GAYA APUNG DAN HUKUM ARCHIMEDES

Suatu benda yang berada di dalam zat cair “terlihat” lebih ringan dibandingkan jika berada di luar zat cair.

Ini diakibatkan oleh gaya apung (bouyancy), yaitu karena adanya tekanan pada benda oleh zat cair/fluida yang semakin besar jika semakin dalam.

Gaya dari atas benda, F :

1 F

1 A

1 F P A gh A

2 Gaya dari bawah benda, F :

h=h -h

1 F P A gh A

2 F

2 F F Maka gaya apung yang bekerja pada benda : F F F gA h h

1 F

1 gA h gV

F F m g

Gaya apung pada suatu benda didalam fluida sama

dengan berat fluida yang dipindahkan oleh benda tersebut (Hukum Archimedes) KESETIMBANGAN PADA BENDA/OBJEK YANG MENGAPUNG F V g

B F displace Jika F = mg maka benda

B akan mengapung Jika F < mg maka benda

B akan tenggelam

V g V g F displace mg V g

V displace = massa jenis fluida

V F V = volume fluida yang dipindahkan oleh benda displace

V = volume benda

GERAK FLUIDA

Laju alir fluida dan

persamaan kontinuitas Fluida adalah zat alir, sehingga memiliki kemampuan untuk mengalir.

Ada dua jenis aliran fluida : laminar dan turbulensi

Aliran laminar adalah jenis aliran dimana fluida mengalir

Aliran turbulensi adalah jenis aliran dimana fluida mengalir

“tidak terarah”. Pandang fluida yang mengalir dalam pipa yang diameternya berbeda. Fluida mengalir dengan laju air massa = m/ t, yaitu jumlah massa fluida yang mengalir persatuan waktu.



1 

2 v

1 A2

1 A

1 Jika fluidanya tidak dapat

m m

dikompres (massa jenisnya tidak berubah

t t

dengan tekanan), maka

V V

= , sehingga :

2 t t

A v = A v

2 A  A  

2 v t t t

Contoh :

1. Dalam tubuh manusia, darah

mengalir dari jantung kedalam aorta dan kemudian ke arteri- arteri mayor (kapiler). Dari kapiler kemudian mengalir ke dalam bagian-bagian dalam organ tubuh yang lain. Jika jari- jari aorta adalah 1,0 cm dengan laju aliran darah 30 cm/s, jari-jari dari kapiler-

kapiler 4 x 10 cm dan laju alir darah di kapiler 0,1 cm/s.

Berapakah jumlah kapiler di dalam tubuh?

SOLUSI :

Asumsikan luas aorta adalah A dan luas satu kapiler didalam

1 tubuh adalah A , maka luas seluruh kapiler adalah NA .

2 Massa jenis darah tidak berubah dengan tekanan.

Asumsikan pembuluh darah berbentuk silinder dengan

penampang berbentuk lingkaran, maka A = r , maka berdasarkan persamaan kontinuitas :

A v NA v

2 v r Nv r

1 aorta 2 kapiler

2 v r

9 1 aorta N 1 ,

9 x

2 v r

2 kapiler

PERSAMAAN BERNOULLI

Hidrodinamika 

Mempelajari fluida mengalir 

Percobaan Bernoulli Asumsi :

1. Tanpa gesekan (tidak viskos)

2. Alirannya stationer (konstan)

3. Tidak termampatkan (kontinu) m m

2 Hukum Bernoulli

1 P v gy konstan

2 m A x

1 Tekanan zat cair berkurang, jika kecepatan aliran

Persamaan Bernoulli dapat diterapkan dalam berbagai situasi. Contoh : menghitung kecepatan zat cair yang mengalir keluar dari bejana melalui keran yang sempit.

Jika luas penampang bejana jauh lebih besar dibandingkan dengan saluran pipa, maka kecepatan air di bejana adalah nol (v = 0).

2 y y

1 Permukaan bejana dan pipa

terhubung dengan atmosfir, maka P

1 = P .

2 Maka persamaan Bernoulli : v

1 v gy gy

2 v 2 g y y

Teorema Torricelli

APLIKASI PRINSIP BERNOULLI

ALIRAN DARAH DALAM TUBUH MANUSIA

distribusi sel darah : (a). eritrosit, (b) neutrofil (c) eosinofil (alergi) dan (d) limposit (antibodi) Sirkulasi darah dalam tubuh sel darah merah : oksigenasi sel darah putih Dalam bidang kesehatan persamaan Bernoulli digunakan untuk menjelaskan TIA (transient ischemic attack) yaitu kekurangan supplai darah secara temporer kedalam otak). Akibatnya syaraf tidak berfungsi. TIA (mini stroke) biasanya terjadi kurang dari 24 jam. Jika lebih dari 24 jam, maka terjadi stroke.

Akibat dari TIA bergantung pada daerah otak yang terlibat. Umumnya rendahnya daya pandang mata (low of vision), kesulitan bicara (aphasia) dan lemahnya satu sisi dari tubuh (hemiparesis)

Penyumbatan arteri

TIA terjadi karena adanya penyumbatan pembuluh darah (arteri) di otak, tekanan

Arteri

darah tinggi, penyakit jantung, migren,

normal

vertigo, merokok, kolesterol tinggi, diabetes, penggunaan obat terus menerus dalam

VISKOSITAS DAN

VISKOSITAS

F v v F A d d

= viskositas (Poisseuille, Pa.s) A = luas permukaan d = jarak dari permukaan ke dasar

HUKUM POISEUILLE ; ALIRAN DARAH

1 P

Makin ke tengah kecepatan mengalir makin besar, dan bentuk aliran darah adalah parabola
• Debit atau volume zat cair yang mengalir melalui penampang per detik,
(laju alir dari zat cair) menurut Hukum Poiseuille :

8 ) P P ( r v

Digunakan untuk menjelaskan mengapa penderita usia lanjut mengalami pingsan
• Hukum Poisseuille hanya berlaku jika alirannya linier (laminer) dengan
bilangan Reynold 2000.
Hukum Poisseuille dapat dituliskan :

8 L

V IR ( Hk . Ohm ) ( P P ) v

4 r

4 bergantung pada :

Tahanan R = 8 L/ r

1. Panjang pembuluh

2. Diameter/jari-jari pembuluh

3. Viskositas/kekentalan

4. Tekanan

Hasil Rumus Poiseuille

600 cm

Kecepatan 5 cm/s

2 18 cm

Luas

2 3 cm 1 mm/sec

Aorta Kapiler Vena cava Pertukaran O dan CO

1. Efek Panjang Pembuluh terhadap debit

Jika diameter pembuluh sama, maka semakin panjang

pembuluh, zat cair akan mendapat tahanan semakin besar,

Panjang = 3 1 ml/min Panjang = 2 2 ml/min

Panjang = 1 3 ml/min

2. Efek diameter pembuluh

Zat cair akan dihambat oleh dinding pembuluh, maka semakin besar diameter pembuluh, semakin besar kecepatan aliran zat cair. d = 1 1 ml/min d = 2 16 ml/min

P = 100 mmHg d = 3 256 ml/min

3. Efek kekentalan

Semakin kental zat cair semakin besar gesekan terhadap dinding pembuluh, sehingga tahanannya semakin besar.

Kekentalan penting untuk mengetahui konsentrasi sel darah merah

1 cm air

Note :

Pada darah normal kekentalan

1,5 cm 3,5 x kekentalan air. plasma

Jika konsentrasi darah 70 kali di atas normal, maka kekentalannya 20 kali air.
Konsentrasi darah merah dari

3,5 cm

penderita anemia rendah,

darah sehingga alirannya cepat.

4. Efek tekanan terhadap debit

 Zat air mengalir dari tekanan tinggi ke rendah, sehingga aliran zat cair/darah berbanding lurus dengan tekanan.

1 ml/min 2 ml/min 3 ml/min

EFEK VISKOSITAS TERHADAP

Laju Endap Darah

 Jika sebuah benda dijatuhkan di dalam tabung yang berisi air dan tabung yang berisi minyak, maka benda akan jatuh ke dasar tabung dengan waktu tempuh yang berbeda.

 Perbedaan ini disebabkan oleh massa jenis air dan minyak yang berbeda.

F a

 Benda akan jatuh dengan gaya berat W, yang dipengaruhi oleh gravitasi bumi.

 Gaya jatuh akan diimbangi oleh gaya apung F

a (Bouyancy force).

 Jika benda jatuh dijatuhkan di dalam zat cair, maka gerak jauh benda juga akan dihambat oleh gaya Stokes, F . W

Gaya Stokes ini berkaitan dengan viskositas (kekentalan) zat cair.

= massa jenis benda W mg gV

3 V = volume benda = 4 r /3 (bola)

3 r g r = jari-jari benda/bola

4 F

3 a

S F r g a

3 = viskositas/kekentalan (poise, Pa.s)

F 6 r v S v = laju benda jatuh

Dari arah gaya-gaya yang bekerja pda benda (gambar), maka : W

W F F S a

F W F S a

3 6 r v r g r g

2 2 r laju alir benda dalam zat cair

 Pengukuran Laju Endap Darah (LED) banyak dilakukan di klinik/rumah sakit untuk mengetahui beberapa penyakit, seperti :  Rematik,  Asam urat (gout) dll

 Laju benda jatuh dalam zat cair, sering digunakan dalam mengukur laju endap darah.

 Beberapa nama lain dari LED, adalah BBS (Bloed Bwzinking Snellheid), BSR (Basal Sedimentation Rate) atau KPD (Kecepatan Pengendapan Darah).

 Nilai LED normal untuk laki-laki (4

– 14 mm/jam)* dan wanita (6
– 20 mm/jam)*

BAGAIMANA MENGUKUR

TEKANAN DARAH ?

Bagaimana mengukur tekanan darah

Darah mengalir dalam tubuh normalnya laminer, sedangkan turbulensi terjadi hanya pada beberapa tempat saja, misalnya pada katup jantung.



Bunyi jantung tidak akan terdengar jika aliran darah bersifat laminer, sehingga dengan bantuan pressure

cuff pada sphygmomanometer,

aliran menjadi turbulensi. Dengan demikian bunyi jantung dapat didengar.



Aliran laminer dapat diubah menjadi aliran turbulensi, jika pembuluh darah secara pelan diciutkan/diperkecil. Laju aliran darah akan mencapai tekanan kritis (P ).

c Aliran darah, jika pembuluh darah diperkecil

Turbulensi (cepat)

Aliran laminer (lambat)

Kecepatan kritis menurut Reynold berbanding lurus dengan kekentalan/viskositas ( ) dan berbanding terbalik dengan massa jenis ( ) dan jari-jari pembuluh darah (r)

K adalah bilangan Reynold (1000 untuk air dan

P K C

2000 untuk darah)

r Hubungan Debit dan Tekanan untuk Aliran Laminer dan Turbulensi A laju bit/

Pembuluh darah normal P ₁ De

V B

Pembuluh darah mengalami penyempitan

V A

P ₂ P P tekanan

• Jika terjadi penyempitan pembuluh darah, maka laju aliran darah akan lebih kecil
dibandingkan dengan pembuluh darah normal.
• Jika pada pembuluh darah yang mengalami penyempitan lajungan dinaikkan dari

TEKANAN DARAH SISTEMIK

120

80 Sistolik

Diastolik Tek rata-rata t

P Tekanan rata-rata Menentukan banyaknya darah yang mengalir tiap satuan waktu t rata rata

P dt t T P

) (

TEGANGAN PERMUKAAN

Permukaan suatu zat cair dalam keadaan diam berperilaku sangat menarik, seolah-olah diregangkan oleh suatu tegangan (tension). Contoh : tetesan air pada keran, embun di ujung daun yang berbentuk bulat seolah-olah seperti balon tipis berisi air atau serangga air yang berjalan diatas permukaan air.

Permukaan zat cair berperan seperti dibawah tekanan yang menyebar diseluruh permukaannya akibat gaya tarik-menarik antar molekulnya. Efek ini disebut dengan tegangan permukaan :

F [ N / m ] L

Tegangan permukaan darah (37

C) adalah 0,058 N/m, air (0

C) = 0,076 N/m, air pada 100 C = 0,059 N/m, larutan sabun (20 C) = 0,025 N/m.

Udara

KOMPONEN UDARA Komponen udara adalah gas nitrogen (N ), oksigen(O ) dan air (H O).

2 Menghirup udara (menarik nafas) 0,04% CO

2 80% N 19% O

mengeluarkan udara Setiap hari manusia menghirup udara sebanyak 10 kg, dan yang

4% CO

diserap paru-paru sekitar 0,5 kg 80% N 16% O

2 dan sedikit CO .

MEKANIKA PARU-PARU

Terdapat pleura viseralis yang menjadi satu dgn jaringan paru-paru.
Diluarnya terdapat pleura parietalis.
Ruang antara pleura viseralis dan pleura parietalis adalah ruang intrapleural yang berisi cairan yang tipis.

pleura parietalis pleura viseralis ruang intrapleural Mekanisme pernafasan paru-paru dapat dimodelkan dengan piston yang bergerak atau ditarik, jika sedang menarik nafas) pleura viseralis pleura parietalis ruang intrapleural

 Jika Piston ditarik maka volume di ruang intrapleural meningkat,
sedangkan tekanannya berkurang drastik.
 Pada penyakit fibrosis paru-paru ( pembentukan jaringan pada paru-
paru), ketika piston ditarik, pegasnya lemah sehingga pleura visceralis juga tertatik, sehingga perubahan tekanan kecil  kompliansi

Hubungan antara tekanan dan volume udara dalam paru-paru tekanan v ol ume PV = konstan

Paru-paru normal tekanan v ol ume PV = konstan

Paru-paru tidak-normal

V P

HUKUM-HUKUM FISIKA YANG

BERLAKU DALAM PERNAFASAN

Hukum-hukum Fisika yang berlaku adalah :

1. Hukum Dalton tentang tekanan parsial

2. Hukum Boyle : bahwa PV adalah konstan

3. Hukum Laplace

1. Hukum Dalton



Jika udara merupakan campuran dari beberapa gas, maka tekanan total adalah jumlah dari masing-masing tekanan dari komponen udara tersebut.



Contoh : Jika dalam paru-paru tekanannya adalah 760 mmHg (1 atm), maka tekanan oksigen adalah 20% x 760 = 152 mmHg, tekanan nitrogen 80% x 760 = 608 mmHg.

 Tekanan parsial udara bergantung pada kelembaban.

% O P O % CO P CO

2 (mmHg) (mmHg)

Udara inspirasi 20,9 150 0,04 0,3 Alveoli paru-paru 14,0 100 5,6

40 Udara ekspirasi 16,3 116 4,5

2. Hukum Boyle



Untuk gas ideal, dimana PV = nRT , untuk massa dan tekanan tetap, maka PV adalah tetap.



Jika terjadi peningkatan volume paru-paru (inspirasi/menarik nafas), maka tekanan intrapleura akan berkurang.



Pada saat ekspirasi, volume udara paru-paru akan berkurang, sehingga tekanan udara akan meningkat.

A. Tekanan Intrapleura

T eka na n in trap le ura no rmal (cm H

inspirasi ekspirasi t

2 O)

B. Volume paru-paru ru

pa ru ter) pa (li ume ol

2 t inspirasi ekspirasi

C. Debit/Laju

10 laju it/ menit) er/ t

Deb (lit

3. Hukum Laplace



Tekanan pada gelembung alveoli berbanding lurus dengan tegangan permukaan ( ) dan berbanding terbalik dengan radius (R) dari gelembung alveoli.

4 Satuan tegangan permukaan : N/m atau dyne/cm P al

Karena R > R , maka :

2 P

1 P

2 P P

1 P

2 Katup

Jika katup dibuka, maka udara yang bertekanan lebih tinggi P akan mengalir ke P .

Akibatnya radius (P ) akan

mengembang atau membesar P

dan tekanannya menjadi lebih kecil (P ), sedangkan

gelembung yang kecil P

menjadi setengah lingkaran dan tekanannya besar (P ).

Walaupun alveoli tidak sama dengan P yang mengalami

kolaps, Namun jika gelembung alveoli mengalami kolaps, maka disebut Atelectasis.

Agar tidak kolaps, maka diperlukan surfactant untuk menurunkan tegangan permukaan, sehingga tekanannya berkurang.
Bayi lahir tanpa memiliki surfactant menimbulkan : RESPIRATORY DISTRES SYNDROME.

Efek ketinggian terhadap tekanan udara 

Semakin tinggi posisi dari permukaan laut (ketinggian), maka tekanan barometrik menurun. Penurunan tekanan barometrik diikuti oleh tekanan oksigen (O ) dan tekanan

2 parsial N dan CO di udara. Akibatnya tekanan udara

2 didalam alveoli dan kandungan oksigen dalam darah arteri berkurang.

 Akibatnya tubuh akan anoksia, kolaps.

TUGAS-1

Bagaimana pengaruh kedalaman dibawah permukaan laut

terhadap tekanan barometrik, tekanan parsial dan jelaskan

FASA BENDA, DEFINISI FLUIDA, MASSA JENIS, TEKANAN, HUKUM PASCAL, GAYA APUNG (HUKUM ARCHIMEDES)