Hukum Pascal dan Hukum Archimedes Dalam Fluida Statis

Fluida Statis

Fluida statis atau fluida diam adalah fluida yang tidak mengalami perpindahan bagian-bagiannya. Fluida statis memiliki sifat-sifat seperti memiliki tekanan, tegangan permukaan dan kapilaritas. Dalam Fluida statis berlaku Hukum Pascal dan Hukum Archimedes.

Tekanan

Tekanan dalam fisika didefinisikan sebagai gaya yang bekerja pada suatu bidang persatuan luas bidang tersebut. Bidang atau permukaan yang dikenai gaya disebut bidang tekan, sedangkan gaya yang diberikan pada bidang tekanan disebut gaya tekan. Apabila gaya F bekerja secara tegak lurus dan merata pada permukaan bidang seluas A, maka tekanan pada permukaan itu dirumuskan:

Hukum Pascal dan Hukum Archimedes Dalam Fluida Statis

dengan:

p : tekanan (Pa)

F : gaya tekan (N)

A : luas bidang tekan (m²)

Tekanan adalah suatu besaran skalar. Satuan internasional (SI) dari tekanan adalah pascal (Pa). Satuan ini dinamai sesuai dengan nama ilmuwan Prancis, Blaise Pascal. Satuan tekanan yang lain adalah atmosfer (atm), cm raksa (cmHg), dan milibar (mb).

1 N/m² = 1 Pa

1 atm = 76 cmHg = 1,01 x 10⁵ Pa

1 bar = 1,0 x 10⁵ Pa

Penerapan konsep tekanan dalam kehidupan sehari-hari misalnya pada pisau dan paku. Ujung paku dibuat runcing dan pisau dibuat tajam untuk mendapatkan tekanan yang lebih besar, sehingga lebih mudah menancap pada benda lain.

Tekanan Hidrostatis

Tekanan yang berlaku pada zat cair adalah tekanan hidrostatik, yang dipengaruhi kedalamannya. Sehingga titik-titik yang berada pada kedalaman yang sama mengalami tekanan hidrostatik yang sama pula. Hal ini dapat dirasakan oleh perenang atau penyelam yang merasakan adanya tekanan seluruh badan, karena fluida memberikan tekanan ke segala arah. Fenomena tersebut dikenal dengan Hukum Hidrostatika yang dinyatakan:

Tekanan hidrostatik di semua titik yang terletak pada satu bidang mendatar di dalam satu jenis zat cair besarnya sama.

Persamaan Tekanan hidrostatis dapat dituliskan

Dengan:

P : tekanan yang dialami zat cair/tekanan hidrostastis (Pa)

r : massa jenis zat cair (kg/m³)

g : percepatan gravitasi bumi (m/s²)

h : kedalaman/tinggi titik ukur dari permukaan (m)

Tekanan hidrostatis dapat digunakan untuk menentukan massa jenis zat cair dengan menggunakan pipa U. Zat cair yang sudah diketahui massa jenisnya ( r2) dimasukkan dalam pipa U, kemudian zat cair yang akan dicari massa jenisnya (r1) dituangkan pada kaki yang lain setinggi h1. Adapun h2 adalah tinggi zat cair mula-mula, diukur dari garis batas kedua zat cair.

Berdasarkan Hukum Hidrostatika, maka:

Hidrostatika dimanfaatkan antara lain dalam mendesain bendungan, yaitu semakin ke bawah semakin tebal; serta dalam pemasangan infus, ketinggian diatur sedemikian rupa sehingga tekanan zat cair pada infus lebih besar daripada tekanan darah dalam tubuh.

Tekanan total

Tekanan total yang dialami pada ketinggian tertentu dapat dicari dengan menjumlahkan tekanan udara luar dengan tekanan hidrostastis.

Secara matematis tekanan total dapat dituliskan

dengan

p₀ : tekanan udara luar

p_h : tekanan yang dialami zat cair/tekanan hidrostastis (Pa)

Hukum pascal

Selain tekanan oleh beratnya sendiri, pada suatu zat cair (fluida) yang berada di dalam ruang tertutup dapat diberikan tekanan oleh gaya luar. Jika tekanan udara luar pada permukaan zat cair berubah, maka tekanan pada setiap titik di dalam zat cair akan mendapat tambahan tekanan dalam jumlah yang sama. Peristiwa ini pertama kali dinyatakan oleh Blaise Pascal sehingga disebut Hukum Pascal.

Bunyi Hukum Pascal adalah sebagai berikut:

“Tekanan yang diberikan pada zat cair dalam ruang tertutup akan diteruskan ke segala arah dengan sama besar”.

Berdasarkan Hukum Pascal diperoleh prinsip bahwa dengan memberikan gaya yang kecil akan dihasilkan gaya yang lebih besar.

Sebuah bejana tertutup berisi air yang dilengkapi dua buah pengisap yang luas penampangnya berbeda. Jika pengisap kecil dengan luas penampang A1 ditekan dengan gaya F1, maka zat cair dalam bejana mengalami tekanan yang besarnya:

Berdasarkan Hukum Pascal, tekanan yang diberikan akan diteruskan ke segala arah sama besar, sehingga pada pengisap besar dihasilkan gaya F2 ke atas yang besarnya:

karena P₁= P₂, maka:

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)

Jika penampang pengisap dongkrak hidrolik berbentuk silinder dengan diameter tertentu, maka persamaan di atas dapat pula dinyatakan sebagai berikut.

Contoh alat-alat yang prinsip kerjanya berdasarkan Hukum Pascal adalah rem hidrolik, sistem alat pengangkat air, alat pengepres, dongkrak hidrolik, dan drum hidrolik.

Hukum Archimedes

Hukum Archimedes mempelajari tentang gaya ke atas yang dialami oleh benda apabila berada dalam fluida. Benda-benda yang dimasukkan pada fluida seakan-akan mempunyai berat yang lebih kecil daripada saat berada di luar fluida. Sesungguhnya berat benda tersebut tidak berkurang, gaya tarik bumi yang bekerja pada benda tetap sama. Namun, zat cair mengerjakan gaya yang arahnya berlawanan dengan gaya gravitasi sehingga berat benda seakan-akan berkurang.

Sehingga berat benda di dalam air besarnya:

w_air = w_ud – F_A

dengan:

w_air = berat benda di dalam air (N)

w_ud = berat benda di udara (N)

F_A = gaya tekan ke atas (N)

Besarnya gaya ke atas yang dikerjakan air pada benda sebanding dengan berat air yang ditumpahkan oleh benda. Artinya, suatu benda yang dicelupkan sebagian atau seluruhnya ke dalam zat cair mengalami gaya ke atas yang besarnya sama dengan berat zat cair yang dipindahkan oleh benda tersebut. Peryataan ini dikenal sebagai hukum Archimedes.

Bunyi Hukum Archimedes adalah sebagai berikut:

“Sebuah benda yang tercelup sebagian atau seluruhnya di dalam fluida mengalami gaya ke atas yang besarnya sama dengan berat fluida yang dipindahkan”.

Secara matematis hukum Archimedes dapat dinyatakan sebagai berikut.

Ketika sebuah benda padat dicelupkan ke dalam zat cair, maka ada tiga kemungkinan yang terjadi pada benda, yaitu tenggelam, melayang, atau terapung. Mengapa suatu benda bisa tenggelam, melayang, atau terapung? Peristiwa ini dapat dijelaskan dengan menggunakan Hukum Archimedes.

1. Benda tenggelam

Benda dikatakan tenggelam, jika benda berada di dasar zat cair. Sebuah benda akan tenggelam ke dalam suatu zat cair apabila gaya ke atas yang bekerja pada benda lebih kecil daripada berat benda.

Jadi, benda tenggelam jika massa jenis benda lebih besar daripada massa jenis zat cair. Contoh peristiwa tenggelam, antara lain, batu yang dimasukkan ke dalam air.

2. Benda melayang

Benda dikatakan melayang jika seluruh benda tercelup ke dalam zat cair, tetapi tidak menyentuh dasar zat cair. Sebuah benda akan melayang dalam zat cair apabila gaya ke atas yang bekerja pada benda sama dengan berat benda.

karena Vb = Vf ,

Jadi, benda akan melayang jika massa jenis benda sama dengan massa jenis zat cair.

3. Benda terapung

Benda dikatakan terapung jika sebagian benda tercelup di dalam zat cair. Jika volume yang tercelup sebesar Vf , maka gaya ke atas oleh zat cair yang disebabkan oleh volume benda yang tercelup sama dengan berat benda.

karena Vb < Vf maka benda akan terapung jika massa jenis benda lebih kecil daripada massa jenis fluida.

Contoh peristiwa terapung, antara lain, plastik atau kayu yang dimasukkan ke dalam air.

Baca juga
Alat-Alat yang Menggunakan Prinsip Hukum Archimedes

Soal Latihan

Soal Fisika SMA kelas 11 Tentang Fluida Statis dan Pembahasannya