Konsep Fluida Statik

Fluida statik adalah cabang fisika yang mempelajari fluida dalam keadaan diam, termasuk zat cair dan gas yang tidak mengalami perpindahan atau aliran. Dalam kondisi statik, fluida tetap berada dalam wadahnya dan hanya dikenai gaya akibat beratnya sendiri atau gaya luar. Contoh sehari-hari fluida statik meliputi air dalam gelas, minyak dalam botol, dan udara dalam ruang tertutup.

Besaran-Besaran Fisika Terkait Fluida

Setiap zat, baik itu padat, cair, maupun gas, memiliki sifat fisis seperti massa jenis, volume, berat, dan berat jenis. Berikut ini adalah penjelasan dari masing-masing besaran.

Massa jenis merupakan ukuran kerapatan suatu zat, yakni banyaknya massa yang terkandung dalam setiap satuan volume. Semakin besar massa jenis suatu zat, semakin rapat partikel-partikelnya.

Dengan:

m = massa fluida (kg atau g)

V = volume fluida (m³ atau cm³)

No.	Nama Fluida	Massa Jenis (kg/m³)	Jenis Zat
1 —	Aluminium —	— <span data-tex="2,70×{10}^{3}"></span>	Padat —
2 —	Besi —	— <span data-tex="7,8×{10}^{3}"></span>	Padat —
3 —	Tembaga —	— <span data-tex="8,9×{10}^{3}"></span>	Padat —
4 —	Timah —	— <span data-tex="11,3×{10}^{3}"></span>	Padat —
5 —	Emas —	— <span data-tex="19,3×{10}^{3}"></span>	Padat —
6 —	Granit —	— <span data-tex="2,7×{10}^{3}"></span>	Padat —
7 —	Kayu —	— <span data-tex="0,3-0,9×{10}^{3}"></span>	Padat —
8 —	Es —	— <span data-tex="0,917×{10}^{3}"></span>	Padat —
9 —	Air (4°C) —	— <span data-tex="1,00×{10}^{3}"></span>	Cair —
10 —	Air laut —	— <span data-tex="1,025×{10}^{3}"></span>	Cair —
11 —	Raksa —	— <span data-tex="13,6×{10}^{3}"></span>	Cair —
12 —	Alkohol —	— <span data-tex="0,79×{10}^{3}"></span>	Cair —
13 —	Bensin —	— <span data-tex="0,68×{10}^{3}"></span>	Cair —
14 —	Udara —	— <span data-tex="1,29"></span>	Gas —
15 —	Helium —	0,179 —	Gas —
16 —	Uap air (100°C) —	0,598 —	Gas —

Berat jenis menunjukkan perbandingan antara berat suatu zat dengan volumenya. Berat jenis berbeda dengan massa jenis karena menyertakan pengaruh gravitasi.

Hubungan antara berat jenis dan massa jenis dirumuskan sebagai:

Dengan:

w = berat fluida (N)

V = volume fluida (m³)

s = berat jenis fluida (N/m³)

g = percepatan gravitasi (m/s²)

Jika dua atau lebih zat cair dicampur, maka massa jenis campurannya merupakan rata-rata dari massa jenis masing-masing fluida berdasarkan volume.

Dengan:

Tekanan adalah besarnya gaya yang bekerja pada suatu permukaan bidang dibagi dengan luas permukaan bidang tersebut.

Dengan:

F = gaya tekan (N)

A = luas bidang tekan (m²)

P = tekanan (Pa)

Semakin kecil luas bidang dengan gaya yang sama, semakin besar tekanan yang dihasilkan.

Tekanan Hidrostatik

Tekanan hidrostatik adalah tekanan yang ditimbulkan oleh zat cair pada kedalaman tertentu akibat berat zat cair itu sendiri. Semakin dalam suatu titik berada dalam zat cair, maka semakin besar tekanan yang diterima titik tersebut.

Dengan:

g = percepatan gravitasi (m/s²)

h = tinggi zat cair (m)

P = tekanan total (Pa)

Hukum Utama Hidrostatika

Hukum ini menyatakan bahwa tekanan zat cair pada kedalaman yang sama adalah sama, meskipun bentuk bejananya berbeda. Peristiwa ini dikenal sebagai paradoks hidrostatik.

Gambar percobaan menunjukkan lima bejana dengan bentuk berbeda namun memiliki tinggi zat cair yang sama. Tekanan pada dasar masing-masing bejana adalah:

Penerapan Hukum Hidrostatika

Pipa U digunakan untuk menentukan massa jenis suatu zat cair dengan membandingkannya dengan zat cair lain yang sudah diketahui massa jenisnya. Ketika dua jenis zat cair yang tidak saling tercampur dimasukkan ke dalam pipa U, tekanan pada titik di dasar yang sama akan setara:

Dengan:

Manometer adalah alat untuk mengukur tekanan gas. Manometer terbuka memiliki satu sisi terbuka ke atmosfer dan sisi lain terhubung dengan ruang tertutup berisi gas. Tekanan gas diukur dari selisih tinggi permukaan zat cair:

Manometer Tertutup digunakan jika salah satu sisi ditutup secara permanen. Tekanan gas dihitung dari:

Hukum pada Fluida Statik

Hukum Pascal menyatakan bahwa tekanan yang diberikan pada zat cair dalam ruang tertutup akan diteruskan ke segala arah dengan besar yang sama.

Ketika sebuah piston ditekan, tekanan yang diberikan akan diteruskan secara merata ke seluruh bagian zat cair dalam bejana. Rumus hukum Pascal adalah:

Dengan:

Penerapan hukum Pascal dapat ditemukan pada dongkrak hidrolik dan rem hidrolik.

Archimedes menyatakan bahwa suatu benda yang dicelupkan sebagian atau seluruhnya ke dalam zat cair akan mengalami gaya ke atas sebesar berat zat cair yang dipindahkan oleh benda tersebut. Gaya ke atas ini disebut gaya apung. Gaya ke atas yang dialami benda dapat dihitung melalui:

Dengan:

g = percepatan gravitasi (m/s²)

V = volume benda yang tercelup (m³)

Dengan:

Ketika sebuah benda dicelupkan ke dalam zat cair, akan ada tiga kemungkinan kondisi yaitu, benda tenggelam, melayang, atau terapung. Keadaan ini dipengaruhi oleh perbandingan antara berat benda dan gaya ke atas (gaya apung) dari zat cair yang dipindahkan.

Tenggelam terjadi jika berat benda lebih besar daripada gaya ke atas:

Melayang terjadi jika berat benda sama dengan gaya ke atas:

Terapung terjadi jika berat benda sama dengan gaya ke atas, namun volume zat cair yang dipindahkan lebih kecil daripada volume benda:

Gejala-Gejala pada Fluida Statik

Tegangan permukaan adalah gaya yang bekerja oleh selaput zat cair pada permukaan yang cenderung mengecilkan luas permukaan zat cair tersebut. Tegangan permukaan inilah yang menyebabkan benda-benda ringan seperti jarum atau peniti bisa "mengambang" di atas permukaan air tanpa tenggelam.

Pada percobaan kawat berbentuk U, jika kawat ditarik vertikal dan ada selaput sabun di antara ujungnya, maka gaya tegangan permukaan dapat dihitung:

Dengan:

F = gaya oleh tegangan permukaan (N)

L = panjang permukaan zat cair (m)

Teori Partikel

Gaya tarik antarmolekul zat cair menghasilkan tegangan permukaan. Tarik-menarik antara partikel sejenis disebut gaya kohesi, sedangkan tarik-menarik antara partikel zat cair dan partikel lain disebut gaya adhesi. Jika kohesi lebih kuat dari adhesi, permukaan cenderung membulat (seperti air raksa), dan sebaliknya.

Bentuk Permukaan Zat Cair dan Sudut Kontak

Kapilaritas adalah naik atau turunnya permukaan zat cair dalam pipa kecil (pipa kapiler) karena pengaruh tegangan permukaan, kohesi, dan adhesi. Naik turunnya zat cair dalam pipa kapiler dirumuskan:

Dengan:

y = tinggi naik/turunnya zat cair (m)

g = percepatan gravitasi (m/s²)

r = jari-jari pipa kapiler (m)

Viskositas menunjukkan tingkat kekentalan fluida. Semakin besar viskositas, semakin besar hambatan terhadap gerak benda di dalamnya.

Hukum Stokes

Jika bola kecil bergerak dalam fluida kental dengan kecepatan v, maka gaya gesekan oleh fluida dinyatakan:

Dengan:

r = jari-jari bola (m)

v = kecepatan bola (m/s)

Kecepatan Terminal

Dengan

w = berat benda (N)

r = jari-jari bola (m)

Kegiatan Kelompok 1

Bentuk kelompok terdiri dari 3–5 siswa.

Pilih satu dari tiga topik eksperimen berikut ini:

Eksperimen Tegangan Permukaan: Amati bagaimana jarum atau klip kertas dapat "mengambang" di atas air, kemudian teteskan sabun cair dan amati perubahan yang terjadi.

Eksperimen Kapilaritas: Siapkan air berwarna dan kertas tisu, atau gunakan batang gelas kapiler untuk mengamati kenaikan permukaan zat cair.

Eksperimen Viskositas: Bandingkan kecepatan jatuh bola logam kecil dalam tabung berisi air dan minyak (atau sirup) untuk menentukan perbedaan viskositas.

Catat semua data pengamatan dan ukur besaran fisika yang terlibat, misalnya:

Tegangan permukaan:

Kapilaritas:

Viskositas (Hukum Stokes):

atau kecepatan terminal:

Analisis hasil percobaan dalam bentuk laporan kelompok yang mencakup:

Latar belakang teori singkat

Langkah kerja dan alat bahan

Hasil pengamatan dan perhitungan

Interpretasi hasil dan kaitannya dengan fenomena sehari-hari

Refleksi kelompok terhadap proses kerja sama dan penemuan ilmiah

Sampaikan hasil diskusi dalam bentuk presentasi atau poster ilmiah.