Massa Jenis

Salah satu sifat penting dari suatu zat adalah massa jenis. Massa jenis merupakan rasio massa terhadap volumenya (Tipler, 1998). Secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut:

ρ = V/m

Keterangan

ρ = massa jenis (kg/m3)

V = volume benda (m3)

m = massa benda (kg)

Tekanan Dalam Fluida

Tekanan merupakan gaya normal (tegak lurus) yang bekerja pada suatu bidang dibagi dengan luas bidang tersebut (Kanginan, 2017). Secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut:

P = F/A

Keterangan

P = tekanan (pascal)

F = gaya yang bekerja (N)

A = luas permukaan (m3)

Sebuah zat cair dalam sebuah wadah memiliki gaya gravitasi yang selalu menekan ke bawah. Semakin tinggi zat cair maka tekan zat cair semakin besar. Tekanan Hidrostatik adalah tekanan zat cair yang hanya disebabkan oleh beratnya sendiri (Kanginan, 2017). Perhatikan gambar di bawah ini:

Gambar 1 Balok Dengan Luas Penampang

Sumber: Kanginan (2017)

Jika luas penampang persegi yang diarsir  yang terletak pada kedalaman  di bawah permukaan zat cair (massa jenis = ρ). Volume zat cair dalam balok V = plh  sehingga massa zat cair di dalam balok adalah sebagai berikut

m = ρV = ρplh

Berat zat cair di dalam balok adalah sebagai berikut

F = mg = ρplh

Tekanan zat cair di sembarang y = titik pada luas bidang yang diarsir adalah sebagai berikut:

Ph = F/A = ρplhg / pl = ρgh

Tekanan hidrostatik zat cair Ph dengan massa jenis  ρ pada kedalaman h dapat dirumuskan sebagai berikut

Ph = ρgh

Jika ilustrasi sebelumnya menunjukkan tekan akibat zat cair saja. Sedangkan, jika zat cair tersebut berada pada lingkungan udara bumi maka akan terdapat tekanan yang diakibatkan atmosfer/udara.  Tekanan atmosfer di permukaan laut disimbolkan (P0 )  dengan besar 1,01 x 105 Pa. Perhatikan gambar di bawah ini:

Gambar 2 Permukaan Zat Cair Terjadi Tekanan Atmosfer

Sumber: Kanginan (2017)

Tekanan pada permukaan zat cair adalah tekanan atmosfer P0. Tekan hidrostatik pada kedalaman h adalah ρgh, maka tekan mutlak pada kedalam  dapat dirumuskan

P = P0 + ρgh

Hukum Pokok Hidrostatika

Hukum pokok hidrostatika menjelaskan bahwa “Semua titik yang terletak pada bidang datar yang sama di dalam zat cair yang sejenis memiliki tekanan (mutlak) yang sama (Kanginan, 2017). Jika sebuah pipa U yang diisi dengan sebuah air ketinggian air akan terlihat seperti gambar berikut

Gambar 3 Pipa U yang Diisi Air

Sumber: Kanginan (2017)

Kemudian pada salah satu ujung diletakkan sebuah minyak, sesuai dengan hukum pokok hidrostatika maka tinggi kedua cairan tidak akan sama, akan terdapat perbedaan seperti gambar berikut

Gambar 2.6 Ilustrasi Pompa Hidrolik

Sumber: Kanginan (2017)

Jika pengisap 1 diberikan tekanan gaya F1 maka zat cair akan menekan pengisap ke atas dengan gaya PA1. Akibatnya terjadi keseimbangan pada pengisap 1 dan berlaku persamaan PA1 = F1 atau P = F1/A1 Sesuai dengan hukum pascal maka tekanan zat cair dalam bejana tersebut akan diteruskan ke segala arah dengan tekanan yang sama besar, pada pengisap 2 akan bekerja gaya ke atas PA2 yang akan seimbang dengan gaya F2 maka berlaku persamaan PA2 = F2 atau P = F2/A2. Dari kedua persamaan tersebut P memiliki nilai yang sama atau dapat diformulasikan sebagai berikut

P1 = P2 

F1/A1 = F2/A2

m1g /A1 = m2g /A2

Hukum Archimedes 

Sebuah benda yang dicelupkan ke dalam zat cair  akan mendapatkan gaya ke atas sehingga benda kehilangan sebagian beratnya atau beratnya menjadi semu (Kanginan, 2017). Gaya ke atas tersebut dinamakan gaya apung yang merupakan gaya ke atas yang disebabkan oleh zat cair pada sebuah benda, munculnya gaya apung tersebut terjadi akibat konsekuensi dari tekanan zat cair yang meningkat akibat kedalaman bertambah (Kanginan, 2017).  Oleh karena itu berlaku formula berikut

Pada tahun 287-212 SM ilmuwan Yunani Archimedes menyatakan bahwa “Gaya apung yang bekerja pada suatu benda yang dicelupkan sebagian atau seluruhnya ke dalam fluida sama dengan berat fluida yang dipindahkan oleh benda tersebut”. Formulasi gaya apung yaitu:

F = ρfVbf g

Keterangan

F = Gaya apung (N)

ρf = Massa jenis fluida  (kg/m3)

Vbf  = Volume benda tercelup  (m3)

Sebuah benda akan melayang, mengapung, dan tenggelam bergantung pada massa jenis rata-rata benda dan massa jenis zat cair (Kanginan, 2017). 

Mengapung

Jika massa jenis rata-rata benda lebih kecil dari massa jenis fluida maka benda tersebut akan mengapung (Kanginan, 2017). Seperti gambar gabus berikut

Gambar 2.7 Benda Mengapung Dalam Zat Cair

Sumber: Kanginan (2017)

Tenggelam

Jika massa jenis rata-rata benda lebih besar dari massa jenis fluida maka benda tersebut akan tenggelam (Kanginan, 2017). Seperti gambar timah berikut

Gambar 2.8 Benda Tenggelam Dalam Zat Cair

Sumber: Kanginan (2017)

Melayang

Jika massa jenis rata-rata benda sama dengan massa jenis fluida maka benda tersebut akan melayang di antara dasar dan permukaan (Kanginan, 2017).Seperti gambar berikut

Gambar 2.9 Benda Melayang Dalam Zat Cair

Sumber: Kanginan (2017)

Tegangan Permukaan

Tegangan permukaan zat cair adalah kecenderungan permukaan zat cair untuk menegang sehingga permukaan seperti ditutupi sebuah lapisan elastis. Tegangan permukaan dalam zat cair terjadi karena antara partikel-partikel sejenis terjadi gaya tarik-menarik yang disebut dengan gaya kohesi. Perhatikan gambar berikut

Gambar 2.10 Ilustrasi Partikel Zat Cair

Sumber: Kanginan (2017)

Titik A mewakili partikel di dalam zat cair. Sedangkan, Titik B mewakili partikel di permukaan zat cair. Partikel A ditarik oleh gaya ke segala arah dengan sama besar oleh partikel di sekitarnya. Hasilnya resultan gaya yang diwakili oleh titik A adalah nol atau tidak ada tegangan permukaan. Partikel B ditarik partikel yang berada di samping dan di bawahnya dengan sama besar. Tetapi, partikel B tidak ditarik oleh partikel di atasnya karena tidak ada partikel air di atasnya. Hasilnya terdapat resultan gaya berarah ke bawah yang bekerja pada permukaan zat cair. Resultan gaya ini yang menyebabkan lapisan-lapisan atas seakan tertutup oleh selaput elastis. Selaput ini cenderung menyusut dengan sangat kuat sehingga zat cair membentuk permukaan dengan sesempit mungkin. Ini yang disebut dengan tegangan permukaan.

Setelah diketahui bahwa terdapat gaya kohesi antara molekul dengan jenis yang sama, maka terdapat gaya antara molekul zat cair dengan tempatnya. Gaya adhesi merupakan gaya antara molekul zat cair dengan molekul tempatnya. Permukaan air cenderung membasahi permukaan gelas karena molekul air lebih kuat tertarik ke molekul gelas atau gaya adhesi lebih besar dibandingkan gaya kohesi. Sedangkan air raksa  sebaliknya gaya kohesi lebih besar dibandingkan gaya adhesi.

Pada tabung dengan diameter yang sangat kecil , zat cair tampak naik atau turun relatif terhadap tingkat zat cair yang mengelilinginya peristiwa ini disebut dengan kapilaritas. Naik turunnya bergantung dengan gaya kohesi dan adhesi. Perhatikan gambar berikut untuk melihat peristiwa dengan jelas

Gambar 2.11 Ilustrasi Gejala Kapilaritas

Sumber: Kanginan (2017)

Viskositas

Viskositas merupakan gaya gesekan antara lapisan-lapisan yang bersisian pada fluida pada saat lapisan tersebut bergerak melewatinya (Giancoli, 2001). Jenis fluida memiliki nilai viskositas yang berbeda bergantung dengan koefisien viskositasnya ). Untuk menggerakkan lapisan dibutuhkan gaya. Semakin kental gaya yang dibutuhkan semakin besar atau dapat diformulasikan sebagai berikut

F = ηAv/l 

Keterangan

F = gaya (N)

η = koefisien viskositas (N.s/m2)

A = luas fluida yang bersentuhan (m2)

l = jarak yang di tempuh (m)

v = kecepatan (m/s2)