BAB
I
PENDAHULUAN
1.1 LATAR BELAKANG
Fluida merupakan salah
satu aspek yang penting dalam kehidupan kita sehari‐hari.
Dalam fisika, fluida diartikan sebagai suatu zat yang dapat mengalir. Zat
fluida tersebut mencakup zat cair dan zat gas,
karena zat tersebut memiliki kemampuan untuk mengalir dari satu tempat
ke tempat yang lain dan tidak mempertahankan bentuk yang tetap. Lain halnya
dengan zat padat yang tidak dapat mengalir seperti air dan udara, dan zat padat
cenderung tegar dan mempertahankan bentuknya. Sehingga zat padat tidak dapat
digolongkan ke dalam fluida (Alexander, 2008: 3). Selain zat padat, zat cair dan
zat gas, terdapat suatu jenis zat lagi yang dinamakan plasma. Plasma merupakan zat gas yang terionisasi dan sering dinamakan
sebagai wujud keempat dari materi. Keadaan plasma ini hanya terjadi pada
temperatur yang sangat tinggi dan terdiri dari atom-atom yang terionisasi
(elektron yang terpisah dari inti) (Giancoli, 2001: 324). Dalam hal ini, zat
plasma juga tidak dapat digolongkan ke dalam fluida.
Fluida
adalah kumpulan molekul yang tersusun secara acak dan melekat bersama-sama
akibat suatu gaya kohesi lemah akibat gaya-gaya yang dikerjakan oleh
dinding-dinding wadah (Serway dan Jewett, 2009: 638). Tanpa disadari dalam
kehidupan sehari-hari, kita sering melakukan konsep mekanika fluida. Setiap
hari kita menghirupnya, meminumnya atau bahkan terapung atau teggelam di
dalamnya. Setiap hari pesawat udara terbang melaluinya, kapal laut mengapung di
atasnya, dan kapal selam dapat mengapung atau melayang di dalamnya. Air yang
kita minum dan udara yang kita hirup juga bersirkulasi di dalam tubuh kita
setiap saat, hingga kadang tidak kita sadari.
Semua
fenomena di atas merupakan konsep dari mekanika fluida. Konsep tersebut dibagi
menjadi dua bagian, yaitu Fluida Statis (Fluida Diam) dan Fluida Dinamis
(Fluida Bergerak). Yang ditinjau dalam Fluida Statis adalah ketika fluida yang
sedang diam pada keadaan setimbang. Jadi kita meninjau fluida ketika tidak
sedang bergerak. Sedangkan pada Fluida Dinamis, kita akan meninjau fluida
ketika bergerak (Alexander, 2008: 3). Dalam makalah ini, kelompok kami akan
membahas konsep mengenai “Fluida Statis” (Fluida Diam) serta penerapannya dalam
kehidupan sehari-hari.
1.2 RUMUSAN MASALAH
Berdasarkan
latar belakang di atas, dapat dirumuskan beberapa permasalahan, diantaranya
sebagai berikut:
1.
Apakah
yang dimaksud dengan massa jenis?
2.
Bagaimanakah
konsep tekanan hidrostatis dalam tekanan fluida?
3.
Bagaimanakah
konsep tekanan gauge dalam tekanan fluida?
4.
Bagaimanakah
konsep tekanan mutlak dalam tekanan fluida?
5.
Apa saja penerapan konsep tekanan pada kehidupan sehari-hari?
6.
Bagaimanakah
konsep Hukum Pascal dalam fluida statis?
7.
Apa saja penerapan Hukum Pascal dalam kehidupan
sehari-hari?
8.
Bagaimanakah
konsep Hukum Archimedes dalam fluida statis?
9.
Apa saja penerapan Hukum Archimedes dalam kehidupan
sehari-hari?
10. Bagaimanakah konsep tegangan permukaan
dalam fluida?
11. Apa saja manfaat dari konsep tegangan
permukaan?
12. Bagaimanakah konsep kapilaritas dalam
fluida?
13. Apa saja penerapan sehari-hari dari konsep kapilaritas?
1.3. TUJUAN
Adapun tujuan secara umum yang ingin
dicapai dalam penulisan makalah ini, yaitu sebagai berikut:
1.
Mampu mendefinisikan pengertian massa jenis.
2.
Mampu menganalisi konsep tekanan hidrostatis dalam tekanan fluida.
3.
Mampu menganalisis konsep tekanan gauge dalam tekanan fluida.
4.
Mampu menganalisis konsep tekanan mutlak dalam tekanan fluida.
5.
Mampu menjelaskan penerapan konsep tekanan dalam kehidupan sehari-hari.
6.
Mampu menganalisis konsep Hukum Pascal dalam fluida statis.
7.
Mampu menjelaskan penerapan Hukum Pascal dalam kehidupan sehari-hari.
8.
Mampu menganalisis konsep Hukum Archimedes dalam fluida statis.
9.
Mampu menjelaskan penerapan Hukum Archimedes dalam kehidupan
sehari-hari.
10. Mampu menganalisis konsep
tegangan permukaan dalam fluida.
11. Mampu menyebutkan manfaat
dari konsep tegangan permukaan.
12. Mampu menganalisis konsep
kapilaritas dalam fluida.
13. Mampu menyebutkan manfaat
dari konsep kapilaritas.
1.4.
MANFAAT
Adapun
manfaat yang ingin dicapai dalam penulisan makalah ini, adalah sebagai berikut:
1.
Memberikan pengetahuann mengenai Fluida Statis bagi mahasiswa 1/B
Pendidikan Fisika Universitas Pendidikan Ganesha.
2.
Menambah modul pembelajaran mengenai Fluida Statis.
3.
Memberikan tambahan wawasan mengenai Fluida Ststis.
BAB II
PEMBAHASAN
2.1.1 MASSA JENIS
Pernahkah Anda membandingkan berat
antara kayu dan besi?Kadang
–kadang dikatakan bahwa besar “lebih berat” dari pada kayu.Hal ini belum tentu
benar karena satu batang kayu yang besar lebih berat dari paku besi.Yang
seharusnya kita katakana adalah besi lebih rapat dari kayu.
(dibaca “rho” ) merupakan huruf kecil dari
abjad Yunani yang digunakan untuk menyatakan massa jenis. Satuan SI untuk massa
jenis adalah kg/m3. Kadang-kadang massa jenis dinyatakan dalam
satuan CGS yaitu gr/cm3.
Salah satu
sifat penting dari suatu zat adalah
kerapatan atau yang sering disebut dengan massa jenis. Massa jenis merupakan ukuran massa setiap
satuan volume benda.
Semakin tinggi massa jenis suatu benda, maka semakin besar pula massa setiap
volumenya. Kerapatan atau massa jenis
didefinisikan sebagai perbandingan massa terhadap volume suatu zat.
Secara matematis dapat ditulis dalam persamaan:
|
|
(2.1)
Keterangan:
=massa jenis (kg/m3)
=
massa (kg)
= volume (m3)
Massa jenis adalah besaran
khas yang menyatakan jenis suatu zat. Suatu zat yang sejenis walaupun ukuran
dan massa bendanya berbeda, massa jenisnya tetap sama.Massa
jenis dari suatu fluida dapat bergantung pada faktor lingkungan, seperti
temperatur (suhu) dan tekanan. Seperti contoh ketika kita sedang memanaskan
air, volume air akan bertambah. Air yang di panaskan menyebabkan molekul antar
air akan merenggang.
Massa jenis berfungsi untuk menentukan zat. Setiap zat
memiliki massa jenis yang berbeda. Dan satu zat berapapun massanya berapapun
volumenya akan memiliki massa jenis yang sama (Gumelar, 2008: tanpa halaman).
Berikut
ini merupakan Tabel 2.1 Data Massa Jenis
dari Beberapa Zatpada suhu 0˚C tekanan 1 atm.
|
Zat
|
Massa
jenis (kg/m3)
|
|
Padat
|
|
|
Aluminium
|
2,70 × 103
|
|
Besi dan Baja
|
7,8 × 103
|
|
Tembaga
|
8,9 × 103
|
|
Timah
|
11,3 × 103
|
|
Emas
|
19,3 × 103
|
|
Beton
|
2,3 × 103
|
|
Granit
|
2,7 × 103
|
|
Kayu
|
0,3-0,9 × 103
|
|
Gelas
|
2,4-2,8 × 103
|
|
Es
|
0,917 × 103
|
|
Tulang
|
1,7-2,0 × 103
|
|
Cair
|
|
|
Air
|
1,00 × 103
|
|
Darah
|
1,05 × 103
|
|
Air laut
|
1,025 × 103
|
|
Air raksa
|
13,6 × 103
|
|
Alkohol
|
0,79 × 103
|
|
Bensin
|
0,68 × 103
|
|
Gas
|
|
|
Udara
|
1,29
|
|
Helium
|
0,179
|
|
Karbondioksida
|
1,98
|
|
Uap air
|
0,598
|
Contoh
Soal
Sebuah
kubus memiliki massa 75 gram. Bila volume bola tersebut adalah125
cm3, tentukan massa jenis kubus
tersebut!
Penyelesaian:
Diketahui: m = 75
gr
V
= 125 cm3
Ditanya:
=
. . . ?
Jawab:
=
=
=
0,06 gr/cm3
Alat Ukur Massa Jenis
Massa jenis zat cair dapat diukur
secara langsung dan tidak langsung. Mengukur massa jenis zat cair secara
langsung dengan menggunakan hidrometer. Alat itu berupa tabung kaca berskala
dan bagian bawahnya diberi pemberat (Gambar 2.1). Cara menggunakan alat ini yaitu
dengan cara memasukkan zat cair yang ingin diketahui massa jenisnya ke dalam
tabung kaca tersebut. Massa jenis zat cair dapat diketahui secara langsung dari
skala yang segaris dengan permukaan zat cair.
Selain
hidrometer, massa jenis juga dapat diukur dengan specific gravity(Gambar 2.2). Gravitasi khusus (specific gravity) dari suatu benda didefinisikan sebagai
perbandingan massa jenis benda dengan massa jenis air pada suhu 4˚C. Berbeda
dengan massa jenis, gravitasi khusus tidak bersatuan dan mempunyai nilai
numerik sama dengan massa jenis benda tersebut bila dinyatakan dalam gr/cm3.
Hal ini disebabkan karena massa jenis air pada suhu 4˚C sebesar 1
gr/cm3 (Efrizon, tanpa tahun: 114)
|
(Sumber: http://mpi.uny.ac.id/content/006-hidrometerjpg)
|
|
(Sumber: www.lotusoverseas.com)
|
2.1.2 TEKANAN FLUIDA
Tekanan didefinisikan
sebagai gaya persatuan luas, dimana gaya F
dipahami bekerja tegak lurus terhadap permukaan A. Secara matematis, tekanan dapat dinyatakan dengan persamaan
berikut ini:
|
|
(2.2)
Keterangan:
p = tekanan [Pascal (Pa)]
F = gaya [Newton (N)]
A = luas permukaan [Meter persegi (m2)]
Satuan tekanan dapat dituliskan
dalam satuan SI yaitu Newton per meter persegi (N/m2). Satuan ini
dikenal dengan nama pascal (Pa), jadi 1 Pa = 1 N/m2. Untuk
selanjutnya, satuan ini tidak banyak dipakai, dan yang sering digunakan dalam
standar SI adalah yang diberikan harga awalan, seperti kPa atau Mpa. Dalam
system satuan di Inggris, tekanan biasanya diberikan satuan poun per inci
persegi (lb/in2). Ini biasanya ditulis dengan psi. Untuk
pengkonversian biasanya 1 psi kurang lebih sama dengan 6,895 kPa (Sumardi,
tanpa tahun: 1).
Untuk keperluan cuaca
digunakan satuan atmosfer (atm), cmHg
atau mmHd, dan milibar (mb).
1mb = 0,001 bar; 1 bar =
105 Pa
1 atm = 76 cmHg = 1,013
105
Pa= 1,01 bar
Ketika fluida berada
dalam keadaan tenang, fluida memberikan gaya yang tegak lurus ke seluruh
permukaan kontaknya. Misalnya air yang berada di dalam gelas, setiap bagian air
tersebut memberikan gaya dengan arah tegak lurus terhadap dinding gelas. Jadi
setiap bagian air memberikan gaya tegak lurus terhadap setiap satuan luas dari
wadah yang di tempatinya. Gaya per satuan luas ini dikenal dengan istilah
tekanan.
Penerapan Konsep Tekanan dalam
Kehidupan Sehari-hari
a.
Kapak
Mata kapak dibuat tajam untuk
memperbesar tekanan sehingga memudahkan tukang kayu dalam memotong atau membelah
kayu. Orang yang memotong kayu dengan kapak yang tajam akan lebih sedikit
mengeluarkan tenaganya daripada jika ia menggunakan kapak yang tumpul dengan
gaya yang sama. Jadi, kapak yang baik adalah kapak yang mempunyai luas
permukaan bidang yang kecil.Dalam bahasa sehari-hari luas permukaan kapak yang
kecil disebut tajam.
b. Sirip Ikan
Sirip ikan yang lebar memungkinkan
ikan bergerak dalam air karena memperoleh gaya dorong dari gerakan siripnya
yang lebar. Sirip ini memberikan tekanan yang besar ke air ketika sirip
tersebut digerakkan. Akibatnya, ikan memperoleh gaya dorong air sebagai
reaksinya.
a.
Sepatu Salju
Untuk dapat meluncur di atas
kolam es beku, pemain luncur es menggunakan sepatu luncur. Sepatu luncur
tersebut memiliki pisau pada bagian bawahnya (Gambar
2.3). Pisau ini memberi tekanan yang besar pada lantai es beku,
hingga es yang berada tepat di bawah pisau mencair, tetapi di kiri-kanannya
tidak. Cairan tepat di bawah pisau berfungsi sebagai pelumas, sedangkan es batu
di kiri dan kanan pisau tetap mencengkram pisau, sehingga sepatu luncur beserta
pemain dapat meluncur di atas kolam beku.
Jika pemain ski menggunakan
sepatu luncur es, pisau memberi tekanan besar pada lapisan salju, hingga
lapisan salju mencair dan pemain ski justru tidak dapat meluncur di atas salju.
Oleh sebab itu, pemain ski harus menggunakan sepatu ski atau lebih dikenal
dengan papan ski yang memiliki luas bidang cukup besar, seperti yang terlihat
pada Gambar 2.4. Ini dilakukan agar
tekanan yang diberikan pemain ski yang berdiri pada sepatu ski tidak membuat
salju mencair, sehingga pemain ski dapat meluncur di atas salju.
|
(Sumber: www.world.kbs.co.kr)
|
|
(Sumber: www.tessarahmadewi.multiply.com)
|
Tekanan
Hidrostatis
Fluida tidak dapat
menahan tegangan geser ataupun tegangan tarik. Oleh karena itu, satu-satunya
tekanan yang dapat diberikan pada benda yang dibenamkan dalam fluida yang
statis adalah tekanan yang cenderung menekan bendanya dari semua sisi. Dengan
kata lain, gaya yang dipengaruhi fluida statis pada benda selalu tegak lurus
dengan permukaan benda (Serway dan Jewett, 2009: 638). Misalnya seorang
perenang menyelam di dalam air, ia akan merasakan tekanan karena air. Tekanan
ini tidak hanya terasa di punggung saja tetapi juga di dada atau bagian tubuh
yang lain. Ini menunjukkan bahwa air (dan fluida lain) memberikan tekanan ke
segala arah, bekerja pada permukaan secara tegak lurus. Tekanan tersebut
disebut Tekanan Hidrostatis (ph).
Besarnya tekanan
hidrostatis tidak hanya tergantung pada bentuk bejana dan jumlah zat cair dalam
bejana, tetapi juga tergantung pada massa jenis zat cair, percepatan gravitasi
bumi dan kedalamannya. Secara matematis tekanan hidrostatis pada suatu titik,
diturunkan dari konsep tekanan pada persamaan 2.2.
ph=
=
(2.3)
Karena,
(2.4)
Maka,
(2.5)
|
|
(2.6)
Keterangan:
ph = Tekanan Hidrostatis (N/m2)
h = Kedalaman/tinggi diukur dari permukaan
fluida(m)
g = Percepatan gravitasi (m/s2)
Berdasarkan
persamaan di atas, tampak bahwa tekanan berbanding lurus dengan massa jenis, percepatan gravitasi, dan kedalaman
zat cair.Jika kedalaman zat
cair makin bertambah, maka tekanan juga makin besar. Ingat bahwa cairan hampir
tidak termapatkan akibat adanya berat cairan di atasnya, sehingga massa jenis
cairan bernilai konstan di setiap permukaan. Jika perbedaan ketinggian sangat besar,
seperti laut yang sangat dalam, massa jenis sedikit berbeda. Tapi jika
perbedaan ketinggian tidak terlalu besar, pada dasarnya massa jenis zat cair
sama atau perbedaanya sangat kecil sehingga diabaikan.
Untuk
menghitung perbedaan tekanan pada setiap kedalaman yang berbeda, diturunkan persamaan 2.6 menjadi:
|
|
(2.7)
Keterangan:
= perbedaan tekanan
= perbedaan ketinggian
Sadar
atau tidak setiap hari kita selalu diselimuti oleh udara. Ketika kita menyelam
ke dalam air, semua bagian tubuh kita diselubungi oleh air. Semakin dalam kita
menyelam, semakin besar tekanan yang kita rasakan. Sebenarnya setiap hari kita
juga diselubungi oleh atmosfer yang selalu menekan seluruh bagian tubuh kita
seperti ketika kita berada di dalam air. Namun kita tidak pernah merasakan
tekanan atmosfer tersebut, hal ini disebabkan karena sel‐sel
tubuh kita mempertahankan tekanan dalam yang besarnya hampir sama dengan
tekanan luar. Hal ini yang membuat kita tidak merasakan efek perbedaan tekanan
tersebut.
Jika tekanan udara
luar/atmosfer (patm)
mempengaruhi tekanan hidrostatis maka tekanan total pada suatu titik adalah
|
|
(2.8)
Keterangan :
patm= tekanan atmosfer (atm)
1 atm = 1,013
105
Pa
Hukum
Pokok Hidrostatis
Semua titik yang terletak pada
bidang datar yang sama di dalam zat cair yang sejenis memiliki tekanan yang
sama (Gambar 2.5). Pernyataan inilah
yang disebut sebagai Hukum Pokok Hidrostatis (Marthen,
2006: 233).
|
(Sumber: http//789science.blogspot.com)
|
|
(Sumber: http//yueembembem.blogspot.com)
|
Jika
pipa bentuk U (Gambar 2.6)diisi
dua fluida yang berbeda (misalnya air dan minyak) maka pada bidang batas garis
lurus akan berlaku:
(2.9)
(2.10)
|
|
(2.11)
Keterangan:
=
massa jenis minyak (kg/m3)
=
massa jenis air (kg/m3)
= ketinggian minyak (m)
= perbedaan keinggian air (m)
Contoh
Soal
1.Sebuah tempa air berbentuk kubus memiliki panjang
rusuk 60 cm diisi 180 liter air (massa jenis air = 103 kg/m3).
Jika g = 10 m/s2, tentukan :
a. tekanan hidrostatik pada dasar kubus;
b. gaya hidrostatik pada dasar kubus;
c. gaya hidrostatik pada titik B yangberjarak 0,25 m
dari permukaan air.
Jawaban
V = 180 L = 0,18 m3;
ρ = 103 kg/m3
g = 10 m/s2;
A = 0.36 m2
s = 60
cm;
hB =
0,25
m
hA= =
= 0,5
jawab :
a.
PA = ρ.g.h
= 1000.10.0,5
= 5000 Pa
b. FA = PA.A
= 5000.0,36
= 1800 N
c. PB = ρ.g.h
= 1000.10.0,25
= 2500 Pa
FB = PB.A
= 2500.0,25
= 900 N
Jadi besar tekanan hidrostatis pada dasar kubus adalah
PA = 5000 Pa, gaya hidrostatis pada dasar kubus adalah FA
= 1800 N, dan gaya hidrostatis pada titik B adalah FB = 900 N.
2.Sebuah pipa U yang memiliki luas penampang sama, mula-mula
berisi air. Kemudian salah satu ujungnya diisi minyak setinggi 20 cm. Tentukan tinggi kenaikan air pada pipa yang lain!
Penyelesaian:
Diketahui:
= 0,8 gr/cm3
= 20 cm
= 1
gr/cm3
Ditanya:
= . . . ?
Jawab:
=
=
0,8 . 20 = 1 .
= 16 cm
Tekanan
Gauge
Tekanan gauge merupakan
kelebihan tekanan di atas tekanan atmosfer. Misalnya kita tinjau tekanan ban
sepeda motor. Ketika ban sepeda motor kempes, tekanan dalam ban = tekanan
atmosfer (Tekanan atmosfer = 1,01 x 105
Pa = 101 kPa). Ketika ban diisi udara, tekanan ban pasti
bertambah. Ketika tekanan ban menjadi lebih besar dari 101 kPa, maka kelebihan
tekanan tersebut disebut juga Tekanan Gauge (Alexander, 2008: 13).
Secara sistematis, dapat ditulis dalam persamaan:
|
|
(2.12)
Keterangan:
= tekanan gauge
pabs = tekanan absolut
patm = tekanan atmosfer
Dalam system satuan di Inggris
satuan psig digunakan untuk satuan tekanan gauge.
Tekanan
Mutlak/Absolut
Telah disebutkan sebelumnya bahwa pada lapisan atas zat cair
bekerja tekanan atmosfer. Tekanan absolut adalah
jumlah tekanan atmosfer dengan tekanan terukur. Jadi untuk mendapatkan tekanan
absolut, kita menambahkan tekanan terukur dengan tekanan atmosfer. Dengan kata
lain, tekanan absolut disebut juga tekanan total. Secara matematis dapat
ditulis:
|
|
(2.13)
Keterangan:
= tekanan absolut
p = tekanan yang
diukur
= tekanan atmosfer
Alat
Ukur Tekanan
Pada segmen
prakiraan cuaca dalam suatu program televesi, tekanan barometik terkadang
diberitahukan pada pemirsa. Tekanan tersebut merupakan tekanan atmosfer saat
ini yang berubah dalam batas kecil dari nilai standar yang telah disediakan
sebelumnya. Alat yang digunakan untuk menghitung tekanan atmosfer adalah
barometer umum, yang diciptakan oleh Evangelista Torricelli (1608-1647). Sebuah
tabung panjang yang ditutup di salah satu sisinya diisi dengan raksa dan
kemudian dijungkirbalikkan pada suatu nampan berisi raksa (Gambar 2.7). Ujung yang tertutup dari tabung nyaris hampa,
sehingga tekanan di ujung bagian atas kolom raksa dapat dianggap nol. Pada Gambar 2.7, tekanan pada titik A akibat
kolom raksa, haruslah sama dengan tekanandi titik B, akibat dari atmosfer. Jika
tidak demikian, maka akan ada gaya netto yang akan memindaahkan raksa dari satu
titik ke titik lainnya sampai kondisi keseimbangannya tercapai. Ketika tekanan
atmosfernya berubah, maka tinggi kolom raksanya juga berubah sehingga
ketinggiannya dapat dikalibrasi untuk menghitung tekanan atmosfer.
Sebuah alat untuk mengukur tekanan gas di dalam
kapal laut adalah manometer tabung terbuka yang ditunjukkan pada Gambar 2.8. Salah satu ujung dari pipa U
yang berisi cairan berhubungan langsung dengan atmosfer, dan ujung lainnya
berhubungan dengan sistem yang tekanannya tidak diketahui (P). Tekanan dititik
A dan B harus sama (jika tidak, bagian dari cairan yang membentuk kurva akan
mengalami sebuah gaya netto dan akan bergerak dipercepat), dan tekanan di A
adalah tekanan gas yang tidak diketahui.
Gambar 2.7 Barometer Gambar 2.8 Manometer
(Sumber: Fisika untuk Sains dan Teknik oleh Serway &
Jewett)
Dengan menerapakn hukum pokok hidrostatis di titik
A dan B, maka
untuk manometer (Gambar 2.8) :
|
|
(2.14)
Untuk barometer(Gambar 2.7) :
|
|
(2.15)
2.2
Hukum-Hukum Dasar Fluida Statis serta
Penerapannya
2.2.1
Hukum Pascal
Atmosfir
bumi memberikan tekanan pada semua benda yang bersentuhan dengannya, termasuk
fluida lainnya. Tekanan luar yang bekerja pada fluida disalurkan ke seluruh
fluida. Ini merupakan prinsip umum yang dicetuskan oleh filsuf dan ilmuwan
Prancis Blaise Pascal ( 1623-1662 ). Hukum pascal
adalah salah satu hukum dalam ilmu fisika yang berhubungan dengan zat cair dan
gaya-gaya yang ada padanya.
Prinsip Pascal menyatakan bahwa tekanan yang diberikan pada fluida dalam
suatu tempat akan menambah tekanan keseluruhan dengan besar yang sama Tekanan yang ada didalam bejana sama besar. (Giancoli,
2001). Berdasarkan hal tersebut dapat dirumuskan :
Dengan, P = tekanan benda ( Pa)
F = gaya
yang bekerja (N)
A = luas
penampang benda (m2)
Dalam satuan SI pascal disimbolkan
dengan Pa. Satu pascal
setara dengan satu newton per meter persegi.
Penerapan Prinsip Pascal dalam Kehidupan Sehari-hari
a.
Dongkrak hidrolik
Gambar 4. Dongkrak
hidrolik
Prinsip kerja dongkrak hidrolik adalahdenganmemanfaatkan
hukum Pascal. Dongkrak hidrolik terdiri dari dua tabung
berhubungan yang memiliki diameter berbeda ukuran. Masing- masing 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. Dengan menaikturunkan piston, maka tekanan pada
tabung pertama akan dipindahkan ke tabung kedua sehingga dapat mengangkat beban
yang berat.
b.
Mesin Pengangkat mobil
Gambar 5. Mesin
Pengangkat mobil
Aplikasi hukum pascal berikutnya adalah mesin
hidrolik pengangkat mobil ini memiliki prinsip yang sama dengan dongkrak
hidrolik. Perbedaannya terletak pada perbandingan luas penampang pengisap yang digunakan.
Pada mesin pengangkat mobil, perbandingan antara luas penampang kedua pengisap
sangat besar sehingga gaya angkat yang dihasilkan padapipa berpenampang besar
dan dapat digunakan untuk mengangkat mobil.
- Tensimeter atau sfigmomanometer
Gambar 6. Tensimeter
Prinsip kerjanya, cairan yang tekanannya akan diukur harus
memiliki berat jenis yang lebih rendah dibanding cairan manometrik, oleh karena
itu pada alat pengukur tekanan darah dipilih air raksa sebagai cairan
manometrik karena air raksa memiliki berat jenis yang lebih besar dibandingkan
dengan berat jenis darah. Berikut skema pengukuran tekanan menggunakan
manometer. Tekanan dalam fluida statis adalah sama pada setiap tingkat
horisontal (ketinggian) yang sama, sehingga untuk lengan tangan kiri manometer
untuk lengan tangan kanan manometer. Disini kita mengukur tekanan tolok (gauge
pressure), kita dapat menghilangkan P atmosfer.
Dari persamaan tersebut dapat diambil kesimpulan bahwa tekanan pada A sama
dengan tekanan cairan manometrik pada ketinggian h2 dikurangi
tekanan cairan yang diukur pada ketinggian h2. Dalam kasus alat
pengukur tekanan darah yang menggunakan air raksa, berarti tekanan darah dapat
diukur dengan menghitung berat jenis air raksa dikali gravitasi dan ketinggian
air raksa kemudian dikurangi berat jenis darah dikalikan gravitasi dan
ketinggian darah. Tekanan yang ada dibola sama dengan tekanan yang
berada di
, maka dapat
dirumuskan :
- Rem hidrolik
Gambar 7. Rem
Hidrolik
Setiap rem mobil dihubungkan oleh pipa-pipa menuju ke silinder master.
Pipa-pipa penghubung dan master diisi penuh dengan minyak. Ketika kaki menekan
pedal rem, master silinder tertekan. Tekanannya diteruskan oleh minyak rem ke
setiap silinder rem (ada 4 buah). Gaya tekan pada silinder rem menekan sepasang
sepatu rem sehingga, menjepit piringan logam. Akibatnya, jepitan ini
menimbulkan gesekan pada piringan yang melawan arah gerak piringan hingga
akhirnya menghentikkan putaran roda.
- Pompa hidrolik
|
Gambar 8.PompaHidrolik BanSepeda
|
Pompa hidrolik menggunakan energi kinetik dari
cairan yang dipompakan pada suatu kolom dan energi tersebut diberikan pukulan
yang tiba-tiba menjadi energi berbentuk lain (energi tekan). Pompa ini
berfungsi untuk mentransfer energi mekanik menjadi energi hidrolik. Pompa
hidrolik bekerja dengan cara menghisap oli dari tangki hidrolik dan
mendorongnya kedalam sistem hidrolik dalam bentuk aliran (flow). Aliran
ini yang dimanfaatkan dengan cara merubahnya menjadi tekanan. Tekanan
dihasilkan dengan cara menghambat aliran oli dalam sistem hidrolik.
Hambatan ini dapat disebabkan oleh orifice,
silinder, motor hidrolik, dan aktuator. Pompa hidrolik yang biasa digunakan ada
dua macam yaitu positive dan nonpositive displacement
pump. Ada dua macam peralatan yang biasanya digunakan dalam merubah energi
hidrolik menjadi energi mekanik yaitu motor hidrolik dan aktuator. Motor
hidrolik mentransfer energi hidrolik menjadi energi mekanik dengan cara
memanfaatkan aliran oli dalam sistem merubahnya menjadi energi putaran yang
dimanfaatkan untuk menggerakan roda, transmisi, pompa dan lain-lain.
- Alat press hidrolik pada Pengepress Kapas
Gambar 9. Mesin
Pengepress Kapas
Prinsip
kerja alat press hidrolik, silinder kecil terdiri dari sebuah pompa yang akan
menekan cairan dibawah pengisap kecil. Tekanan pada pengisap kecil akan
diteruskan oleh cairan dengan besar sama kuat menuju penghisap besar pada
silinder yang besar. Akibatnya akan ada dorongan ke atas pada pengisap besar.
Dorongan ini akan mengepress kapas yang diletakkan pada sebuah ruang diatas pengisap
besar.
Contoh Soal:
Alat pengangkat mobil yang memiliki luas pengisap
masing-masing sebesar 0,10 m2 dan 2 × 10–4 m2
digunakan untuk mengangkat mobil seberat 104 N. Berapakah besar gaya
yang harus diberikan pada pengisap yang kecil?
Jawab: F1/A1 = F2/A2
104/0,1 = F1/2 × 10–4
100.000 =
F1/2 × 10–4
F1 = 20 N
2.2.2
Hukum Archimedes
Hukum Archimedes adalah
sebuah hukum tentang prinsip pengapungan diatas benda cair yang ditemukan oleh
Archimedes (287-212 SM), seorang
ilmuwan Yunani yang juga merupakan penemu pompa spiral untuk menaikan air yang
dikenal dengan istilah Sekrup Archimedes. Hukum Archimedes berhubungan dengan
gaya berat dan gaya ke atas suatu benda jika dimasukan kedalam air. Bunyi hukum
Archimedes, "Bila sebuah benda diletakkan di dalam fluida, maka fluida
tersebut akan memberikan gaya ke atas (FA) pada benda tersebut yang besarnya
sama dengan berat fluida yang dipindahkan oleh benda tersebut".
Gambar 10. Berat
benda dalam zat cair dan berat sesungguhnya
Dari gambar dapat kita lihat bahwa besarnya berat benda
di udara (WU) adalah:
Wudara = WU
= m .g ..................................................(1)
Sedangkan berat benda
di dalam air (Wair), yaitu :
Wair = WU –
Fa = m.g – Fa ......................................(2)
dimana: m = massa benda (kg)
g = percepatan
grafitasi bumi (m/det2)
W = berat benda (N)
Fa = gaya ke atas (N)
Dari persamaan (2) di atas tampak jelas bahwa Wair
lebih kecil dari Wudara. Hal ini terjadi karena ada gaya apung ke atas yang dikerjakan oleh
fluida. Gaya apung terjadi karena tekanan dalam sebuah fluida naik sebanding dengan
kedalaman. Dengan demikian, tekanan ke atas pada permukaan bawah benda yang
tenggelam lebih besar daripada tekanan ke bawah pada permukaan atas benda. Gaya
apung didefinisikan sebagai selisih antara gaya ke atas yang dilakukan oleh
fluida di bagian bawah benda dengan gaya ke bawah yang dilakukan oleh fluida di
bagian atas benda (Satriawan, 2007).
|
|
Gambar 11. Berat benda di air diukur menggunakan neraca
pegas
Secara matematis, hukum Archimedes dapat ditulis
sebagai berikut:
Gaya ke atas = Berat fluida
yang dipindahkan.
Fa = Wf
Fa = mf .g ....................................(4)
Dari persamaan :
mf = ρf . v
Sehingga :
|
Fa = ρf .g .vbf
|
Dimana : Fa
= gaya ke atas (N)
ρf = massa jenis
fluida (kg/m3)
g = Percepatan
grafitasi bumi (m/det2)
vbf = volume benda
yang tercelup dalam fluida (m3)
Jika benda diletakkan di dalam zat cair, maka
akan memiliki 3 macam keadaan:
1.
Benda Tenggelam
Gambar 12. Benda
Tenggelam
Sebuah benda yang dicelupkan ke dalam zat
cair akan tenggelam jika berat benda (w) lebih besar dari gaya ke atas (Fa)
W > Fa
ρb . Vb . g > ρa .Va
. g
ρb > ρa
Volume bagian benda yang tenggelam
bergantung dari rapat massa zat cair (ρ).
2. Benda Melayang
Gambar 13. Benda
Melayang
Sebuah
benda yang dicelupkan ke dalam zat cair akan melayang jika berat benda (w) sama
dengan gaya ke atas (Fa) atu benda tersebut tersebut dalam keadaan setimbang
w = Fa
ρb .Vb . g = ρa . Va . g
ρb = ρa
3.
Benda Terapung
Gambar 14. Benda Terapung
Sebuah benda yang
dicelupkan ke dalam zat cair akan terapung jika berat benda (w) lebih kecil
dari gaya ke atas (Fa).
w < Fa
ρb . Vb . g < ρa . Va . g
ρb < ρa
Selisih antara W dan FA disebut gaya naik
(Fn).
Fn = FA - W
Benda
terapung tentunya dalam keadaan setimbang, sehingga berlaku :
FA = W . Vb2 . g
= rb . Vb1 . g
Dengan:
FA = Gaya ke atas yang dialami oleh bagian
benda yang tercelup di dalam zat cair.
Vb1
= Volume benda yang berada
dipermukaan zat cair.
Vb2 = Volume benda yang tercelup di dalam
zat cair.
Vb
= Vb1 + Vb 2
FA’
= rc . Vb2 . g
Berat (massa) benda terapung = berat
(massa) zat cair yang dipindahkan
Penerapan Hukum Archimedes dalam Kehidupan Sehari-hari
a.
Hidrometer
Hidrometer merupakan alat
untuk mengukur berat jenis atau massa jenis zat cair. Hidrometer terbuat dari
tabung kaca. Agar tabung kaca tersebut terapung dan tegak dalam zat cair, maka
bagian bawahnya diberi butiran timbal yang berfungsi sebagai beban. Makin besar
massa jenis zat cair, makin sedikit bagian hidrometer yang tenggelam.
Hidrometer banyak digunakan untuk mengetahui besar kandungan air pada bir atau
susu.
|
Gambar 15.
Hidrometer
|
Dasar matematis prinsip kerja
hidrometer adalah sebagai berikut:
Gaya keatas = Berat Hidrometer
|
Gambar
16. PrinsipKerja
|
a.
|
Gambar
17. Kapal selam
|
Kapal Selam
Kapal selam adalah salah satu
jenis kapal laut yang dapat mengapung, melayang, dan tenggelam. Kapal selam
menggunakan prinsip yang sama dengan kapal laut ketika mengapung di permukaan
laut. Pada kapal selam terdapat rongga yang terletak di antara lambung dalam
dan lambung luar. Rongga ini memiliki katup di bagian atas dan bagian bawahnya.
Rongga ini berfungsi sebagai jalan keluar masuk udara dan air.
Pada saat mengapung di
permukaan air, rongga ini hanya berisi sedikit air laut sedemikian rupa hingga
gaya ke atas oleh air laut lebih besar dibandingkan gaya berat kapal. Apabila
kapal selam akan melayang di dalam air, katup yang ada di bagian bawah kapal
akan dibuka sehingga air laut masuk ke rongga. Demikian pula halnya dengan
katup di bagian atas. Katup tersebut akan terbuka untuk mengeluarkan udara. Air
yang diisikan ke dalam rongga tidaklah penuh, namun diusahakan agar gaya berat
kapal dan gaya ke atas air laut sama besar sehingga kapal dapat melayang.
Supaya kapal dapat tenggelam, rongga ini harus ditambahkan air (Nuhroman,
2009).
b.
Kapal Laut
|
Gambar 18.KapalLaut
|
Kapal laut dapat mengapung di
permukaan air karena adanya rongga di dalam tubuh kapal. Rongga ini berisi
udara sehingga mampu memindahkan volume air yang cukup besar, Oleh karena
volume air yang dipindahkan cukup besar, kapal akan mendapat gaya tekan ke atas
yang menyamai berat kapal. Gaya ke atas ini mampu rnenahan kapal laut tetap
berada di permukaan air.
|
Gambar 19. Jembatan Piston
|
c.
Jembatan Ponton
Jembatan ponton adalah kumpulan drum-drum kosong yangberjajar
sehingga menyerupai jembatan. Jembatan ponton merupakan jembatan yang dibuat
berdasarkan prinsip benda terapung. Drum-drum tersebut harus tertutup rapat
sehingga tidak ada air yang masuk ke dalamnya.
Jembatan ponton digunakan
untuk keperluan darurat. Apabila air pasang, jembatan naik. Jika air surut,
maka jembatan turun. Jadi, tinggi rendahnya jembatan ponton mengikuti pasang
surutnya air.
d.
Balon Udara
Balon
udara panas adalah teknologi penerbangan pertama oleh manusia, ditemukan oleh Montgolfier bersaudara yang berasal dari Annonay, Perancis pada 1783. Balon udara ini dapat melayang karena di dalam
balon tersebut berisi gas hydrogen atau helium. Massa jenis gas tersebut lebih
ringan dibandingkan dengan udara (Nuhroman, 2009).
Gas dalam balon ini merupakan
udara panas. Jadi, ketika awak balon udara hendak menerbangkan balonnya, ia
harus menambahkan udara panas ke dalam balon. Jika balon udara sudah mencapai
ketinggian yang dikehendaki. udara panas dikurangi sehingga gaya ke atas sama
dengan berat balon. Jika ingin turun, gaya ke atas harus lebih kecil daripada
berat balon udara. yaitu dengan mengurangi udara panas. Jadi, udara mmiliki
sifat yang sama dengan zat cair. Semakin besar volume udara yang dipindahkan
balon udara, semakin besar pula gaya ke atas udara terhadap balon.
|
Gambar 20. Balon Udara
|
CONTOH SOAL :
Sebuah
Benda dicelupkan ke air yang massa jenisnya 1000 Kg/m3. Volume benda
yangtercelup 1.5 m3, berapakah gaya ke atas yang dialami benda?
Diketahui : ρ = 1000 Kg/m3
g = 9.8 m/s2
V = 1.5 m3
Ditanyakan: FA? ........
Jawab :
FA = ρ.g.V FA
= 1000 Kg/ m3.9,8 m/.1,5 m3 FA
=
14.700 N
Jadi,
gaya ke atas yang dialami benda adalah 14.700
2.3
TEGANGAN
PERMUKAAN
2.3.1 Tegangan Permukaan
Tegangan permukaan merupakan gaya yang diakibatkan oleh suatu benda yang
bekerja pada permukaan zat cair sepanjang permukaan yang menyentuh benda itu.Untuk
dapat memahami konsep tegangan permukaan
bisa dilakukan percobaan sederhana. Misalnya dengan meletakan klip di
atas air secara perlahan-lahan. Jika hal ini dilakukan secara baik dan benar,
maka klip tersebut akan mengapung di atas permukaan air. Pada umumnya, klip
terbuat dari logam, sehingga klip mempunyai massa jenis lebih besar dari massa
jenis air. Karena massa jenis klip lebih
besar dari massa jenis air, maka seharusnya klip itu tenggelam. Namun,
kenyataannya klip terapung, seperti yang terlihat pada Gambar 2.25.Fenomena
ini merupakan salah satu contoh dari adanya Tegangan Permukaan.
Untuk menjelaskan
fenomena klip yang terapung di atas air, terlebih dahulu harus diketahui apa
sesungguhnya tegangan permukaan itu. Tegangan
permukaan terjadi karena permukaan zat cair yang cenderung untuk menegang
sehingga permukaannya tampak seperti selaput tipis. Hal ini dipengaruhi
oleh adanya gaya kohesi antara molekul air. Perhatikan Gambar 2.26.
|
B
|
|
A
|
|
Gambar 2.25Klip terapung
|
|
Gambar 2.26 Partikel A dan partikel B.
|
|
(Sumber:http//agnes-sahabat.blogspot.com)
|
|
(Sumber:
www.fisikaasyik.com)
|
Pada Gambar 2.26,A mewakili pertikel di dalam
zar cair, sedangkan B mewakili partikel di permukaan zat cair. Partikel A
ditarik oleh gaya yang sama besar ke segala arah oleh partikel-partikel di
dekatnya. Sehingga, resultan gaya pada partikel-partikel di dalam zat cair (diwakili
oleh A) adalah sama dengan nol dan di
dalam zat cair tidak ada tegangan
permukaan.
Partikel B ditarik oleh
partikel-partikel yang ada di samping dan di bawah dengan gaya-gaya yang sama
besar, tetapi B tidak ditarik oleh partikel-partikel di atasnya, karena di atas
B tidak ada zat cair.Sehingga, terdapat resultan gaya berarah ke bawah yang
bekerja pada permukaan zat cair. Resultan gaya ini menyebabkan lapisan-lapisan
atas seakan-akan tertutup oleh hamparan selaput elastik yang ketat. Selaput ini
cenderung menyusut sekuat mungkin.Oleh karena itu, sejumlah tertentu cairan
cenderung mengambil bentuk dengan permukaan sesempit mungkin.Inilah yang
disebut dengan tegangan permukaan(Alexander, 2008: 34).
Akibat tegangan
permukaan ini, setetes cairan cenderung berbentuk bola.Karena dalam bentuk bola, cairan mendapatkan daerah permukaan
yang sempit. Inilah yang menyebabkan tetes air yang jatuh dari kran dan
tetes-tetes embun yang jatuh pada sarang laba-laba berbentuk bola.
Tarikan pada permukaan
cairan membentuk semacam kulit penutup yang tipis. Nyamuk dapat berjalan di
atas air karena berat nyamuk dapat diatasi oleh kulit ini. Peristiwa yang sama
terjadi pada klip kertas yang perlahan-lahan diletakkan di atas permukaan air.
Persamaan
Tegangan Permukaan
Pada Gambar 2.27
menunjukkan contoh lain dari tegangan permukaan. Sebuah kawat yang dibengkokkan
membentuk huruf U. Seutas kawat kedua yang berbentuk lurus dikaitkan pada kedua
kaki kawat U, di mana kawat kedua tersebut bisa digerakkan.
|
(Sumber:
http//agnes-sahabat.blogspot.com)
|
|
Gambar 2.27
Kawat kedua cenderung meluncur ke atas.
|
Jika kawat ini
dimasukan ke dalam larutan sabun, maka setelah dikeluarkan pada permukaan kawat
tersebut akan terbentuk lapisan air sabun. Karena kawat lurus dapat digerakkan
dan massanya tidak terlalu besar, maka lapisan air sabun akan memberikan gaya
tegangan permukaan pada kawat kedua sehingga kawat kedua bergerak ke atas (perhatikan
arah panah pada Gambar 2.27).Untuk mempertahankan kawat kedua tidak
bergerak (kawat berada dalam kesetimbangan), maka diperlukan gaya total yang
arahnya ke bawah, di mana besarnya gaya total adalah F = w + T. Dalam kesetimbangan, F
= gaya tegangan permukaan yang dikerjakan oleh lapisan air sabun pada kawat
lurus.
Misalkan panjang kawat kedua adalah l. Karena lapisan air sabun yang
menyentuh kawat kedua memiliki dua permukaan, maka gaya tegangan permukaan yang
ditimbulkan oleh lapisan air sabun bekerja sepanjang 2l.Tegangan permukaan pada lapisan sabun merupakan
perbandingan antara Gaya Tegangan Permukaan (F) dengan panjang permukaan di
mana gaya bekerja (d). Untuk kasus
ini, panjang permukaan adalah 2l.
Secara matematis, ditulis:
|
=
|
(2.30)
Dalam kasus ini d = 2l, sehingga
|
=
|
(2.31)
Keterangan:
l
= Panjang permukaan/batang (m)
= Tegangan permukaan (N/m)
F = Gaya tegangan permukaan (N)
Karena tegangan permukaan
merupakan perbandingan antara Gaya tegangan permukaan dengan Satuan
panjang, maka satuan tegangan permukaan adalah Newton per meter(N/m)atau
dyne per centimeter(dyn/cm).
1 dyn/cm = 10-3 N/m =
1 mN/m
Contoh
Soal
Sebatang jarum jahit sepanjang 5 cm
dapat terapung di atas permukaan larutan aseton pada suhu 20°. Bila tegangan
muka permukaan aseton pada suhu tersebut 22,8.10-3 N/m. Tentukan
massa jarum (g= 10 m/s2).
Diketahui: l = 5 cm = 5. 10-2
m
= 22, 8.10-3
g = 10 m/s2
Ditanya:
m = …?
Jawab:
=
22, 8.10-3 =
22, 8.10-3 =
2m = 22, 8.10-5 = 11,4,10-5 kg
m = 11,4.10-2 gram
Penerapan
Tegangan Permukaan dalam Kehidupan Sehari-hari
Tegangan
permukaan air berhubungan dengan kemampuan air membasahi benda.Makin kecil
tegangan permukaan air, makin baik kemampuan air untuk membasahi benda, ini
berarti kotoran-kotoran pada benda lebih mudah larut dalam air.Prinsip inilah
yang banyak dimanfaatkan dalam kehidupan fisika sehari-hari.
Mengapa mencuci dengan air panas lebih mudah
dan menghasilkan cucian yang lebih bersih?Tegangan permukaan air
dipengaruhi oleh suhu.Makin tinggi suhu air, makin kecil tegangan permukaan
air, dan ini berarti makin baik kemampuan air untuk membasahi benda.Karena itu,
mencuci dengan air panas menyebabkan kotoran pada pakaian lebih mudah larut dan
cucian menjadi lebih bersih.
Detergen sintetis modern dibuat untuk
meningkatkan kemampuan air membasahi kotoran yang melekat pada pakaian, yaitu
dengan menurunkan tegangan air.Banyak kotoran pakaian yang tidak larut dalam
air murni, tetapi larut di dalam air yang diberi detergen.Pengaruh detergen
dapat dilihat dengan meneteskan air murni dan air yang mengandung detergen ke
atas lilin yang bersih.Air murni tidak membasahi lilin dan bentuk butirannya
tidak banyak berubah.
Contoh dalam keseharian
dapat dilihat pada itik yang berenang di air.Itik dapat berenang di air karena
bulu-bulunya tidak basah oleh air. Jika air diberi detergen, tegangan permukaan
pada air akan berkurang dan itik yang berusaha berenang bulu-bulunya akan basah
oleh air. Sehingga, itik akan tenggelam.
Antiseptik yang dipakai untuk mengobati
luka, selain memiliki daya bunuh kuman yang baik, juga memiliki tegangan
permukaan yang rendah sehingga antiseptik dapat membasahi seluruh luka.Jadi,
alkohol dan hampir semua antiseptik memiliki tegangan permukaan yang rendah.
2.3.2 KAPILARITAS
1. Gaya
Kohesi dan Adhesi
Gaya
Kohesimerupakan
gaya tarik menarik antara molekul dalam zat yang sejenis, sedangkan gaya tarik
menarik antara molekul zat yang tidak sejenis dinamakan Gaya Adhesi. Misalnya
ketika menulis pada kertas menggunakan tinta.Kohesiterjadi ketika molekul tinta saling tarik menarik,
sedangkan adhesiterjadi ketika
molekul tinta dan molekul kertas saling tarik menarik.
Gaya adhesi dan gaya kohesi berpengaruh pada
peristiwa Kapilaritas.Misalnya jika ditinjau dari cairan yang berada
dalam sebuah gelas. Ketika gaya kohesi molekul cairan lebih besar daripada gaya
adhesi (gaya tarik menarik antara molekul cairan dengan molekul gelas) maka
permukaan cairan akan membentuk lengkungan ke atas (konveks). Contoh untuk kasus ini adalah ketika air
raksa berada dalam tabung (Gambar 2.29b).
Sebaliknya apabila gaya adhesi lebih besar maka permukaan cairan akan
melengkung ke bawah (konkaf). Contohnya ketika air berada di dalam tabung (Gambar 2.29a).
|
Gambar 2.29 (a) Air dalam
tabung, (b) Raksa dalam tabung
|
|
Hg
|
|
air
|
|
(Sumber:
www.ayumaulida22.wordpress.com)
|
Sudut
yang dibentuk oleh lengkungan itu dinamakan sudut kontak (teta). Ketika gaya kohesi cairan lebih
besar daripada gaya adhesi, maka sudut kontak yang terbentuk umumnya lebih
besar dari 90° (Gambar 2.29b). Sebaliknya, apabila gaya adhesi lebih
besar daripada gaya kohesi cairan, maka sudut kontak yang terbentuk lebih kecil
dari 90° (Gambar 2.29a). Gaya adhesi dan gaya kohesi secara teoritis
sulit dihitung, tetapi sudut kontak dapat diukur (Siti dan Rokhim, tanpa tahun:
27).
2. Konsep Kapilaritas
Kapilaritas merupakan peristiwa naik atau turunya zat cair
dalam pipa kapiler. Kapilaritas disebabkan adanya
gaya adhesi atau kohesi antara zat cair dengan dinding celah itu. Akibatnya,
bila pembuluh kaca dimasukkan dalam zat cair, permukannya menjadi tidak sama.Apabila gaya kohesi
cairan lebih besar dari gaya adhesi, maka permukaan cairan akan melengkung ke
atas. Ketika kita memasukan tabung atau pipa tipis (pipa yang diameternya lebih kecil dari wadah), maka akan
terbentuk bagian cairan yang lebih tinggi. Dengan kata lain, cairan yang
ada dalam wadah naik melalui kolom pipa tersebut(Gambar 2.30). Hal ini disebabkan
karena gaya tegangan permukaan total sepanjang
dinding tabung bekerja ke atas. Ketinggian maksimum yang dapat dicapai cairan
adalah ketika gaya tegangan permukaan sama atau setara dengan berat cairan yang
berada dalam pipa. Jadi, cairan hanya mampu naik hingga ketinggian di mana gaya
tegangan permukaan seimbang dengan
berat cairan yang ada dalam pipa.
|
Gambar 2.30 Terdapat bagian yang lebih
tinggi dari permukaan wadah.
|
|
(Sumber:
www.egiemeyskaputri.wordpress.com)
|
Sebaliknya,
jika gaya adhesi lebih besar daripada gaya kohesi cairan, maka permukaan cairan
akan melengkung ke bawah (Gambar 2.31). Ketika kita memasukan
tabung atau pipa tipis (pipa yang
diameternya lebih kecil dari wadah), maka akan terbentuk bagian cairan
yang lebih rendah.
|
(Sumber:
www.egiemeyskaputri.wordpress.com)
|
|
Gambar 2.31 Terdapat bagian yang lebih
rendah dari permukaan wadah.
|
Efek ini dikenal dengan
istilah gerakan kapiler atau kapilaritasdan
pipa tipis tersebut dinamakan pipa
kapiler.Pembuluh darah kita yang terkecil juga bisa disebut pipa
kapiler, karena peredaran darah pada pembuluh darah yang kecil juga terjadi
akibat adanya efek kapilaritas.Demikian juga fenomena naiknya leleh lilin atau
minyak tanah melalui sumbu.Selain itu, kapilaritas juga diyakini berperan
penting bagi perjalanan air dan zat bergizi dari akar ke daun melalui pembuluh xylem
yang ukurannya sangat kecil. Bila tidak ada kapilaritas, permukaan tanah
akan langsung mengering setelah turun hujan atau disirami air. Efek penting
lainnya dari kapilartas adalah tertahannya air di celah-celah antara partikel
tanah (Alexander, 2008: 40).
3. Persamaan Kapilaritas
Ketinggian maksimum yang
dapat dicapai cairan ketika cairan naik melalui pipa kapiler terjadi ketika
gaya tegangan permukaan seimbang dengan berat cairan yang ada dalam pipa
kapiler. Untuk membantu menurunkan
persamaan, perhatikan Gambar 2.30.
Tampak bahwa cairan naik
pada kolom pipa kapiler yang memiliki jari-jari r hingga ketinggian h.
Gaya yang berperan dalam menahan cairan pada ketinggian h adalah komponen gaya
tegangan permukaan pada arah vertikal :F
cos θ. Bagian atas pipa kapiler terbuka sehingga terdapat tekanan atmosfer
pada permukaan cairan. Panjang permukaan sentuh antara cairan dengan pipa
adalah 2 π r (keliling
lingkaran). Dengan demikian, besarnya gaya tegangan permukaan komponen vertikal
yang bekerja sepanjang permukaan kontak adalah:
F
=
d (2.31)
F =
d cos θ (2.32)
|
F
=
2π r cosθ
|
(2.33)
Keterangan:
F = gaya tegangan
permukaan (N)
=
tegangan permukaan (N/m)
r = jari-jari pipa kapiler (m)
θ
= sudut kontak
Apabila permukaan cairan yang
melengkung ke atas diabaikan, maka volume cairan dalam pipa adalah :
Volume
cairan = Luas permukaan pipa x Ketinggian cairan
V
= Ah
V
= (π r2)h (2.34)
Apabila komponen vertikal dari Gaya Tegangan Permukaan
seimbang dengan berat kolom cairan dalam pipa kapiler, maka cairan tidak dapat
naik lagi. Dengan kata lain, cairan akan mencapai ketinggian maksimum, apabila
komponen vertikal dari gaya tegangan permukaan(persamaan
2.33) seimbang
dengan berat cairan setinggi h.
Sedangkan berat cairan
dalam pipa kapiler adalah:
w = mg
w = V
ρ
g (substitusi persamaan 2.34)
w = ρ(π r2h)g (2.35)
Ketika cairan mencapai ketinggian
maksimum (h), Komponen vertikal dari gaya tegangan permukaan harus sama
dengan berat cairan yang ada dalam pipa kapiler. Secara matematis dapat
ditulis:
F =
w
2π r cos θ =ρ(π r2h)g (2.36)
|
h =
|
(2.38)
Keterangan:
= tegangan permukaan (N/m)
= massa jenis
fluida (kg/m3)
g = gravitasi (m/s2)
r = jari-jari
pipa (m)
h = ketinggian maksimum (m)
θ = sudut kontak
Penerapan
Kapilaritas dalam Kehidupan Sehari-hari
Salah satu fenomena yang
menarik yang berhubungan dengan kapilaritas dapat adalah ketika lilin sedang menyala.Bagian
bawah dari sumbu lilin yang terbakar biasanya selalu basah oleh leleh
lilin.Adanya leleh lilin pada sumbu membuat lilin bisa menyala dalam waktu yang
lama.
Fenomena yang sama bisa
diamati pada lampu minyak(Gambar 2.32).Lampu
minyak terdiri dari wadah yang berisi bahan bakar dan sumbu.Sebagian sumbu
dicelupkan dalam wadah yang berisi minyak tanah, sedangkan sebagian lagi
dibungkus dalam pipa kecil.Pada ujung atas pipa tersebut, disisakan sebagian
sumbu.Jika menggunakan lampu minyak, maka sumbu yang terletak di ujung atas
pipa kecil tersebut harus dibakar.Sumbu tersebut bisa menyala dalam waktu yang
lama karena minyak tanah yang berada dalam wadah merembes ke atas, hingga mencapai
ujung sumbu yang terbakar.
|
Gambar 2.33 Lampu minyak)
(Sumber:
http//littlecolourfulmacaw.blogspot.com)
|
|
Gambar 2.34 Proses pengangkutan pada
tumbuhan
(Sumber:
http//arnisemestahati.blogspot.com)
|
Mengapa tumbuhan dapat menyerap
air dan mineral dari dalam tanah?
Konsep kapilaritas
digunakan dalam proses pengangkutan pada tumbuhan. Pembuluh xylem yang terdapat pada batang dan akar
tumbuhan dianggap sebagai pipa kapiler. Air akan naik melalui pembuluh kayu
(xylem) sebagai akibat dari gaya adhesi antara dinding pembuluh kayu dengan
molekul air(Gambar 2.34).
Lalu
bagaimana air dan mineral tersebut menyerap hingga mencapai ketinggian ratusan
meter?
Tumbuhan memanfaatkan perbedaan tekanan air di
dalam dan di luar sel pengangkut (xilem).Jadi, tumbuhan harus
terus menyesuaikan tekanan di dalam sel-sel xilemnya.Saat tekanan di luar sel
tinggi, maka tumbuhan harus berusaha untuk mempertahankan tekanan di dalam selnya
dengan tidak menguapkannya terlalu banyak, karena hal itu dapat menyebabkan air
di luar sel masuk terlalu banyak dan yang nantinya dapat menyebabkan tumbuhan
kelebihan air dan membusuk. Lalu, jika tekanan di luar sel rendah, maka
tumbuhan harus menyesuaikan tekanan di dalam selnya untul lebih rendah agar air
dari tumbuhan tidak keluar dari sel dan sebaliknya, air dari luar sel dapat
masuk ke dalam sel. Dengan begitu, tumbuhan dapat mengambil air
sebanyak-banyaknya.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar