Fluida ( zat alir ) adalah zat yang dapat mengalir, misalnya zat cair dan gas. Fluida dapat digolongkan dalam dua macam, yaitu fluida statis dan dinamis.Sifat fisis fluida dapat ditentukan dan dipahami lebih jelas saat fluida berada dalam keadaan diam (statis). Statis adalah fluida yang berada dalam fase tidak bergerak (diam) atau fluida dalam keadaan bergerak tetapi tak ada perbedaan kecepatan antar partikel fluida tersebut atau bisa dikatakan bahwa partikel-partikel fluida tersebut bergerak dengan kecepatan seragam sehingga tidak memiliki gaya geser.Hukum-hukum yang terkait di dalam fluida statik adalah tekana hidrostatis hukum Pascal dan hukum Archimedes.
Tekanan hidrostatis
Penerapan konsep tekanan dalam kehidupan seharihari misalnya pada pisau dan paku. Ujung paku dibuat runcing dan pisau dibuat tajam untuk mendapatkantekanan yang lebih besar, sehingga lebih mudah menancap pada benda lain. Tekanan yang berlaku pada zat cair adalah tekanan hidrostatik, yang dipengaruhi kedalamannya. Hal ini dapat dirasakan oleh perenang atau penyelam yang merasakan adanya tekanan seluruh badan. Karena fluida memberikan tekanan ke segala arah.
Untuk mengetahui tekanan hidrostatis itu dapat dilihat pada Sebuah bejana berisi air yang diam. Mengapa di titik A ada tekanan hidrostatis. Sesuai definisinya, tekanan adalah besarnya gaya persatuan luas maka di titik A terasa ada tekanan karena ada gaya berat dari air di atasnya.

F2 = 5.000 N
Contoh Soal 6 :
Contoh Soal 2 :


h1 = m / A ρ1
(1–21)
Berarti tekanan hidrostatis di titik A dapat ditentukan sebagai berikut:
dengan :
P = tekanan hidrostatis (Pa)
ρ = massa jenis fluida (kgm2)
h = kedalaman fluida (m)
g = 10 m/s2, percepatan gravitasi
Makin tinggi suatu tempat, makin kecil kerapatan udaranya. Untuk tekanan total yang dialami suatu zat cair pada ketinggian tertentu dapat dicari dengan menjumlahkan tekanan udara luar dengan tekanan hidrostastis.
Ptotal = P0 +Ph
Hukum pascal
Hukum Pascal menyatakan bahwa tekanan yang diberikan di dalam ruang tertutup diteruskan sama besar ke segala arah. Berdasarkan hukum ini diperoleh prinsip bahwa dengan gaya yang kecil dapat menghasilkans uatu gaya yang lebih besar.
Perhatikan Gambar Apabila pengisap 1 ditekan dengan gaya F1, maka zat cair menekan ke atas dengan gaya PA1. Tekanan ini akan diteruskan ke penghisap 2 yang besarnyaPA2. Karena tekanannyasama ke segala arah.
Maka didapatkan persamaan sebagai berikut :
dengan:
F1 = gaya yang dikerjakan pada pengisap 1 (N)
F2 = gaya yang dikerjakan pada pengisap 2 (N)
A1 = luas pengisap 1 (m2)
A2 = luas pengisap 2 (m2)
Contoh Soal 1 :
Alat pengangkat mobil yang memiliki luas pengisap masing-masing sebesar 0,10 m2 Cerdas dan 4 × 10–4 m2 digunakan untuk mengangkat mobil seberat 2 × 104 N. Berapakah besar gaya yang harus diberikan pada pengisap yang kecil?
Kunci Jawaban :
Diketahui: A1 = 4 × 10–4 m2, A2 = 0,1 m2, dan F2 = 2 × 104 N.
F1 = 80 N.
Dengan demikian, gaya yang harus diberikan pada pengisap yang kecil adalah 80 N.
Dengan demikian, gaya yang harus diberikan pada pengisap yang kecil adalah 80 N.
Contoh Soal 2 :
Sebuah pompa hidrolik berbentuk silinder memiliki jari-jari 4 cm dan 20 cm. Jika pengisap kecil ditekan dengan gaya 200 N, berapakah gaya yang dihasilkan pada pengisap besar?
Jawaban :
Diketahui: r2 = 20 cm, r1 = 4 cm, dan F1 = 200 N.
F2 = 5.000 N
Contoh Soal 6 :
Sebuah pipa berdiameter 9 cm dialiri air berkecepatan 5 m/s, kemudian terhubung dengan pipa berdiameter 3 cm. Kecepatan air pada pipa yang berdiameter 3 cm adalah ....
Hukum Pascal dimanfaatkan dalam peralatan teknik yang banyak membantu pekerjaan manusia, antara lain dongkrak hidrolik, pompa hidrolik, mesin hidrolik pengangkat mobil, mesin pres hidrolik, dan rem hidrolik. Berikut pembahasan mengenai cara kerja beberapa alat yang menggunakan prinsip Hukum Pascal.
Hukum archimides
Anda tentunya sering melihat kapal yang berlayar di laut, benda-benda yang terapung di permukaan air, atau batuan-batuan yang tenggelam di dasar sungai. Konsep terapung, melayang, atau tenggelamnya suatu benda di dalam fluida, kali pertama diteliti oleh Archimedes.
Menurut Archimedes, benda yang dicelupkan sebagian atau seluruhnya ke dalam fluida, akan mengalami gaya ke atas. Besar gaya ke atas tersebut besarnya sama dengan berat fluida yang dipindahkan oleh benda. Secara matematis, Hukum Archimedes dituliskan sebagai berikut.
FA = ρfVf g
dengan:
FA = gaya ke atas (N),
ρf = massa jenis fluida (kg/m3),
Vf = volume fluida yang dipindahkan (m3), dan
g = percepatan gravitasi (m/s3)
Berdasarkan Persamaan dapat diketahui bahwa besarnya gaya ke atas yang dialami benda di dalam fluida bergantung pada massa jenis fluida, volume fluida yang dipindahkan, dan percepatan gravitasi Bumi. Hukum archimedes menyebabkan benda yang dimasukkan ke dalam air akan mengalami tiga kemungkinan, yaitu terapung, melayang, dan tenggelam .
a. Terapung
Benda dikatakan terapung dalam zat cair jika tidak seluruh bagian benda tercelup dalam zat cair. Hal ini terjadi karena massa jenis benda lebih kecil daripada massa jenis zat cair ( ρb< ρc). sehingga berat benda sama dengan gaya keataas wb =Fa. Contoh peristiwa terapung, antara lain, plastik atau kayu yang dimasukkan ke dalam air, kapal dalam air.
b. Melayang
Benda dikatakan melayang dalam zat cair apabila keseluruhan permukaan benda tercelup dalam zat cair dan benda diam (tidak jatuh ke bawah tetapi juga tidak mun- cul ke permukaan). Kondisi ini dapat terjadi karena massa jenis benda samadengan massa jenis zat cair ( ρb = ρc), sehingga berat benda menjadi sama Wb=Fa Dengan kata lain, berat benda di dalam zat cair sama dengan nol. Contoh peristiwa melayang adalah ikan-ikan di dalam air.
c. Tenggelam
Benda dikatakan tenggelam dalam zat cair apabila benda jatuh ke bawah/dasar wadah saat dimasukkan ke dalam zat cair tersebut. Hal ini terjadi karena massa jenis benda lebih besar dari pada massa jenis zat cair ( ρb > ρc), sehingga berat benda juga lebih besar daripada gaya archimedes wb > Fa. Contoh peristiwa tenggelam, antara lain, batu dan yang dimasukkan ke dalam air.
Contoh Soal 1 :
Sebuah batu memiliki berat 30 N Jika ditimbang di udara. Jika batu tersebut ditimbang di dalam air beratnya = 21 N. Jika massa jenis air adalah 1 g/cm3, tentukanlah:
a. gaya ke atas yang diterima batu,
b. volume batu, dan
c. massa jenis batu tersebut.
Jawaban :
Diketahui: w = 30 N, wbf = 21 N, dan ρair = 1 g/cm3.
ρ air = 1 g/cm3 = 1.000 kg/m3
a. wbf = w – FA
21 N = 30 N – FA
FA = 9 N
b. FA = ρ air V batu g
9 N = (1.000 kg/m3) (Vbatu) (10 m/s2)
Vbatu = 9 × 10–4 m3
c. 
ρ batu = 3.333,3 kg/m3.
Contoh Soal 2 :
Sebuah bola logam padat seberat 20 N diikatkan pada seutas kawat dan dicelupkan ke dalam minyak (ρ minyak = 0,8 g/cm3). Jika massa jenis logam 5 g/cm3, berapakah tegangan kawat?
Jawaban :
Diketahui: wbola = 20 N, ρ minyak = 0,8 g/cm3, dan ρlogam = 5 g/cm3.
Berdasarkan uraian gaya-gaya yang bekerja pada bola, dapat dituliskan persamaan :
T + FA = w
T = w – FA = w – ρ minyak V bola g
T = 16,8 N.
Contoh Soal 3 :
Sebuah benda memiliki volume 20 m3 dan massa jenisnya = 800 kg/m3. Jika benda tersebut dimasukkan ke dalam air yang massa jenisnya 1.000 kg/m3, tentukanlah volume benda yang berada di atas permukaan air.
Jawaban :
Diketahui: Vbenda = 20 m3, ρbenda = 800 kg/m3, dan ρair = 1.000 kg/m3.
Volume air yang dipindahkan = volume benda yang tercelup
FA = ρ air V air-pindah g = berat benda
FA = ρ air V bagian tercelup g = mg
ρ air V bagian tercelup = ρ benda V benda
(1 kg/m3) (Vbagian tercelup) = (800 kg/m3) (20 m3)
Vbagian tercelup = 16 m3
Vmuncul = 20 m3 – 16 m3 = 4 m3.
Contoh Soal 4 :
Sebuah benda dimasukkan ke dalam air. Ternyata, 25% dari volume benda terapung di atas permukaan air. Berapakah massa jenis benda tersebut?
Jawaban :
Diketahui : Vbenda terapung = 25%.
wbenda = FA
mg = ρ air V benda tercelup g
ρ air V benda g = ρ air V benda tercelup g
Aplikasi Hukum Archimedes
a. Hidrometer
Hidrometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur massa jenis zat cair. Proses pengukuran massa jenis zat cair menggunakan hidrometer dilakukan dengan cara memasukkan hidrometer ke dalam zat cair tersebut. Angka yang ditunjukkan oleh hidrometer telah dikalibrasi sehingga akan menunjukkan nilai massa jenis zat cair yang diukur.
Berikut ini prinsip kerja hidrometer.
Gaya ke atas = berat hidrometer
FA = whidrometer
ρ1 V1 g = mg
Oleh karena volume fluida yang dipindahkan oleh hidrometer sama dengan luas tangkai hidrometer dikalikan dengan tinggi yang tercelup maka dapat dituliskan :
ρ1 (A h1) = m
dengan :
m = massa hidrometer (kg),
A = luas tangkai (m2),
hf = tinggi hidrometer yang tercelup dalam zat cair (m), dan
ρf = massa jenis zat cair (kg/m3).
Hidrometer digunakan untuk memeriksa muatan akumulator mobil dengan cara membenamkan hidrometer ke dalam larutan asam akumulator. Massa jenis asam untuk muatan akumulator penuh kira-kira = 1,25 kg/m3 dan mendekati 1 kg/m3 untuk muatan akumulator kosong.
b. Kapal Laut dan Kapal Selam
Mengapa kapal yang terbuat dari baja dapat terapung di laut? Peristiwa ini berhubungan dengan gaya apung yang dihasilkan oleh kapal baja tersebut. Perhatikan Gambar berikut :
Balok besi yang dicelupkan ke dalam air akan tenggelam, sedangkan balok besi yang sama jika dibentuk menyerupai perahu akan terapung. Hal ini disebabkan oleh jumlah fluida yang dipindahkan besi yang berbentuk perahu lebih besar daripada jumlah fluida yang dipindahkan balok besi. Besarnya gaya angkat yang dihasilkan perahu besi sebanding dengan volume perahu yang tercelup dan volume fluida yang dipindahkannya. Apabila gaya angkat yang dihasilkan sama besar dengan berat perahu maka perahu akan terapung. Oleh karena itu, kapal baja didesain cukup lebar agar dapat memindahkan volume fluida yang sama besar dengan berat kapal itu sendiri.
Kapal selam memiliki tangki pemberat di dalam lambungnya yang berfungsi mengatur kapal selam agar dapat terapung, melayang, atau tenggelam. Untuk menyelam, kapal selam mengisi tangki pemberatnya dengan air sehingga berat kapal selam akan lebih besar daripada volume air yang dipindahkannya. Akibatnya, kapal selam akan tenggelam. Sebaliknya, jika tangki pemberat terisi penuh dengan udara (air laut dipompakan keluar dari tangki pemberat), berat kapal selam akan lebih kecil daripada volume kecil yang dipindahkannya sehingga kapal selam akan terapung. Agar dapat bergerak di bawah permukaan air laut dan melayang, jumlah air laut yang dimasukkan ke dalam tangki pemberat disesuaikan dengan jumlah air laut yang dipindahkannya pada kedalaman yang diinginkan.
c. Balon Udara
Balon berisi udara panas kali pertama diterbangkan pada tanggal 21 November 1783. Udara panas dalam balon memberikan gaya angkat karena udara panas di dalam balon lebih ringan daripada udara di luar balon. Balon udara bekerja berdasarkan prinsip Hukum Archimedes. Menurut prinsip ini, dapat dinyatakan bahwa sebuah benda yang dikelilingi udara akan mengalami gaya angkat yang besarnya sama dengan volume udara yang dipindahkan oleh benda tersebut.
1. Persamaan Kontinuitas
Dalam mempelajari materi fluida dinamis, suatu fluida dianggap sebagai fluida ideal. Fluida ideal adalah fluida yang memiliki ciri-ciri berikut ini.
a. Fluida tidak dapat dimampatkan (incompressible), yaitu volume dan massa jenis fluida tidak berubah akibat tekanan yang diberikan kepadanya.
b. Fluida tidak mengalami gesekan dengan dinding tempat fluida tersebut mengalir.
c. Kecepatan aliran fluida bersifat laminer, yaitu kecepatan aliran fluida di sembarang titik berubah terhadap waktu sehingga tidak ada fluida yang memotong atau mendahului titik lainnya.
Jika lintasan sebuah titik dalam aliran fluida ideal dilukiskan, akan diperoleh suatu garis yang disebut garis aliran (streamline atau laminer flow).
Perhatikanlah Gambar 25.
Suatu fluida ideal mengalir di dalam pipa. Setiap partikel fluida tersebut akan mengalir mengikuti garis aliran laminernya dan tidak dapat berpindah atau berpotongan dengan garis aliran yang lain.
![]() |
| Gambar 25. Setiap partikel fluida ideal mengalir menurut garis alirannya masing-masing dan tidak pernah memotong garis aliran partikel lain. |
Pada kenyataannya, Anda akan sulit menemukan fluida ideal. Sebagian besar aliran fluida di alam bersifat turbulen (turbulent flow). Garis aliran turbulen memiliki kecepatan aliran yang berbeda-beda di setiap titik. Debit aliran adalah besaran yang menunjukkan volume fluida yang mengalir melalui suatu penampang setiap satuan waktu.
Q = v / t = Av
dengan :
V = volume fluida yang mengalir (m3),
t = waktu (s),
A = luas penampang (m2),
v = kecepatan aliran (m/s), dan
Q = debit aliran fluida (m3/s).
Untuk fluida sempurna (ideal), yaitu zat alir yang tidak dapat dimampatkan dan tidak memiliki kekentalan (viskositas), hasil kali laju aliran fluida dengan luas penampangnya selalu tetap. Secara matematis, dituliskan sebagai berikut.
A1 v1 = A2 v2 (1–18)
Persamaan 1.18 di atas disebut juga persamaan kontinuitas.
Contoh Soal :
Sebuah pipa lurus memiliki dua macam penampang, masing-masing dengan luas penampang 200 mm2 dan 100 mm2. Pipa tersebut diletakkan secara horisontal, sedangkan air di dalamnya mengalir dari penampang besar ke penampang kecil. Jika kecepatan arus di penampang besar adalah 2 m/s, tentukanlah:
a. kecepatan arus air di penampang kecil, dan
b. volume air yang mengalir setiap menit.
Jawaban :
Diketahui: A1 = 200 mm2, A2 = 100 mm2, dan v1 = 2 m/s.
a. A1v1 = A2v2
(200 mm2) (2 m/s) = (100 mm2)v2
v2 = 4 m/s
Q = v / t = Av → V = Avt
Q = (200 × 10–6 m2) (2 m/s) (60 s) = 24 × 10–3 m3 = 2,4 × 10–4 m3.
2. Persamaan Bernoulli
Perhatikanlah Gambar 27.
Suatu fluida bergerak dari titik A yang ketinggiannya h1 dari permukaan tanah ke titik B yang ketinggiannya h2 dari permukaan tanah. Pada pelajaran sebelumnya, Anda telah mempelajari Hukum Kekekalan Energi Mekanik pada suatu benda. Misalnya, pada benda yang jatuh dari ketinggian tertentu dan pada anak panah yang lepas dari busurnya. Hukum Kekekalan Energi Mekanik juga berlaku pada fluida yang bergerak, seperti pada Gambar 27. Menurut penelitian Bernoulli, suatu fluida yang bergerak mengubah energinya menjadi tekanan.
![]() |
| Gambar 27. Fluida bergerak dalam pipa yang ketinggian dan luas penampangnya yang berbeda. Fluida naik dari ketinggian h1 ke h2 dan kecepatannya berubah dari v1 ke v2. |
Secara lengkap, Hukum Bernoulli menyatakan bahwa jumlah tekanan, energi kinetik per satuan volume, dan energi potensial per satuan volume memiliki nilai yang sama di setiap titik sepanjang aliran fluida ideal.
Persamaan matematisnya, dituliskan sebagai berikut.
p + 1/2 ρv2 + ρgh =konstan
atau
p1 + 1/2 ρv12 + ρgh = p2 + 1/2 ρv22 + ρgh
dengan:
p = tekanan (N/m2),
v = kecepatan aliran fluida (m/s),
g = percepatan gravitasi (m/s2),
h = ketinggian pipa dari tanah (m), dan
ρ = massa jenis fluida.
3. Penerapan Persamaan Bernoulli
Hukum Bernoulli diterapkan dalam berbagai peralatan yang digunakan dalam kehidupan sehari-hari. Berikut uraian mengenai cara kerja beberapa alat yang menerapkan Hukum Bernoulli.
a. Alat Ukur Venturi
Alat ukur venturi (venturimeter) dipasang dalam suatu pipa aliran untuk mengukur laju aliran suatu zat cair. Suatu zat cair dengan massa jenis ρ mengalir melalui sebuah pipa dengan luas penampang A1 pada daerah (1). Pada daerah (2), luas penampang mengecil menjadi A2. Suatu tabung manometer (pipa U) berisi zat cair lain (raksa) dengan massa jenis ρ' dipasang pada pipa. Perhatikan Gambar 28.
Kecepatan aliran zat cair di dalam pipa dapat diukur dengan persamaan.
![]() |
| Gambar 28. Penampang pipa menyempit di A2 sehingga tekanan di bagian pipa sempit lebih kecil dan fluida bergerak lebih lambat. |
Contoh Soal :
Pipa venturi meter yang memiliki luas penampang masing-masing 8 × 10–2 m2 dan 5 × 10–3m2 digunakan untuk mengukur kelajuan air. Jika beda ketinggian air raksa di dalam kedua manometer adalah 0,2 m dan g = 10 m/s2, tentukanlah kelajuan air tersebut ( ρ raksa = 13.600 kg/m3).
Jawaban :
b. Tabung Pitot (Pipa Prandtl)
Tabung pitot digunakan untuk mengukur kelajuan aliran suatu gas di dalam sebuah pipa. Perhatikanlah Gambar 29.
Misalnya udara, mengalir melalui tabung A dengan kecepatan v. Kelajuan udara v di dalam pipa dapat ditentukan dengan persamaan :
![]() |
| Gambar 29. Prinsip kerja pipa Prandtl. |
c. Gaya Angkat pada Sayap Pesawat Terbang
Penampang sayap pesawat terbang memiliki bagian belakang yang lebih tajam dan sisi bagian atasnya lebih melengkung daripada sisi bagian bawahnya. Bentuk sayap tersebut menyebabkan kecepatan aliran udara bagian atas lebih besar daripada di bagian bawah sehingga tekanan udara di bawah sayap lebih besar daripada di atas sayap. Hal ini menyebabkan timbulnya daya angkat pada sayap pesawat. Agar daya angkat yang ditimbulkan pada pesawat semakin besar, sayap pesawat dimiringkan sebesar sudut tertentu terhadap arah aliran udara. Perhatikanlah Gambar 30.
![]() |
| Gambar 30. (a) Ketika sayap pesawat horizontal, sayap tidak mengalami gaya angkat. (b) Ketika sayap pesawat dimiringkan, pesawat mendapat gaya angkat sebesar F1 - F2. |
Gaya angkat pada sayap pesawat terbang dirumuskan sebagai berikut :
F1 – F2 = ½ ρ A (v22 - v11) (1–23)
dengan :
F1 – F2 = gaya angkat pesawat terbang (N),
A = luas penampang sayap pesawat (m2),
v1 = kecepatan udara di bagian bawah sayap (m/s),
v2 = kecepatan udara di bagian atas sayap (m/s), dan
ρ = massa jenis fluida (udara).
Contoh Soal :
Sebuah pesawat terbang bergerak dengan kecepatan tertentu sehingga udara yang melalui bagian atas dan bagian bawah sayap pesawat yang luas permukaannya 50 m2 bergerak dengan kelajuan masing-masing 320 m/s dan 300 m/s. Berapakah besarnya gaya angkat pada sayap pesawat terbang tersebut? (ρ udara = 1,3 kg/m3)
Jawaban :
Diketahui: A = A = 50 m2, v2 = 320 m/s, v1 = 300 m/s, dan ρ udara = 1,3 kg/m3.
½ (1,3 kg/m3)(50 m2)(320 m/s)2 – (300 m/s)2 = 403.000 N
F1 – F2 = 1/2 ρ A (v22 - v11)
d. Penyemprot Nyamuk
Alat penyemprot nyamuk juga bekerja berdasarkan Hukum Bernoulli. Tinjaulah alat penyemprot nyamuk pada Gambar 31.
Jika pengisap dari pompa ditekan maka udara yang melewati pipa sempit pada bagian A akan memiliki kelajuan besar dan tekanan kecil. Hal tersebut menyebabkan cairan obat nyamuk yang ada pada bagian B akan naik dan ikut terdorong keluar bersama udara yang tertekan oleh pengisap pompa.
![]() |
| Gambar 31. pB < pA sehingga cairan obat nyamuk di B bisa memancar keluar. |
e. Kebocoran Pada Dinding Tangki
Jika air di dalam tangki mengalami kebocoran akibat adanya lubang di dinding tangki, seperti terlihat pada Gambar 32, kelajuan air yang memancar keluar dari lubang tersebut dapat dihitung berdasarkan Hukum Toricelli.
Menurut Hukum Toricelli, jika diameter lubang kebocoran pada dinding tangki sangat kecil dibandingkan diameter tangki, kelajuan air yang keluar dari lubang sama dengan kelajuan yang diperoleh jika air tersebut jatuh bebas dari ketinggian h. Perhatikanlah kembali Gambar 32 dengan saksama. Jarak permukaan air yang berada di dalam tangki ke lubang kebocoran dinyatakan sebagai h1, sedangkan jarak lubang kebocoran ke dasar tangki dinyatakan h2. Kecepatan aliran air pada saat kali pertama keluar dari lubang adalah :
![]() |
| Gambar 32. Tangki dengan sebuah lubang kecil di dindingnya. Kecepatan aliran air yang keluar dari tangki sama dengan kecepatan benda yang jatuh bebas. |
Jarak horizontal tibanya air di tanah adalah :
Gambar di atas menunjukkan sebuah reservoir yang penuh dengan air. Pada dinding bagian bawah reservoir itu bocor hingga air memancar sampai di tanah. Jika g = 10 m/s2, tentukanlah:
a. kecepatan air keluar dari bagian yang bocor;
b. waktu yang diperlukan air sampai ke tanah;
c. jarak pancaran maksimum di tanah diukur dari titik P.
Jawaban :
Diketahui: h1 = 1,8 m, h2 = 5 m, dan g = 10 m/s2.

.png)
.png)



.png)

















Tidak ada komentar:
Posting Komentar