Fluida atau zat alir meliputi: satu, zat cair dan dua, gas. Fluida mempunyai viskositas atau kekentalan yang mencerminkan  kemampuannya untuk mengalir. Fluida dibedakan menjadi dua, yakni fluida statis dan fluida dinamis. Apabila fluida dalam keadaan diam maka hal ini akan dipelajari dalam fluida statis atau hidrostatis. Sedangkan jika bergerak akan dipelajari dalam fluida dinamis.

Fluida Statis

Fluida statis mempelajari massa jenis, Hukum Utama Hidrostatik, Hukum Archimedes, tegangan permukaan, kapilaritas, dan viskositas.

a. Massa Jenis

Massa jenis merupakan besaran yang membandingkan massa dan volume. Jika dalam soal massa jenis air tidak diketahui, maka massa jenis air adalah 1.000 kg/m3 atau 1 gr/cm3. Secara matematis dapat ditulis sebagai berikut:

Contoh soal:

Vita akan mengukur massa cincin perak pemberian tunangannya. Dia memasukkan cincin itu ke dalam gelas ukur yang berisi air. Volume air terlihat bertambah 0,5 cm3. Berapa massa perak tersebut jika massa jenis perak adalah 10,5 gr/cm3?

b. Hukum Utama Hidrostatik

Hukum Utama Hidrostatik menyatakan bahwa semua titik dalam zat cair yang tenang dan di bidang horizontal mempunyai tekanan hidrostatis yang sama (Uratmi dkk, 2014). Persamaan tekanan hidrostatis ditulis sebagai berikut:

Tekanan hidrostatis dalam pipa U secara matematis ditulis sebagai berikut:

Apabila tekanan hidrostatis melibatkan zat cair dan gas yang diperhitungkan, akan membentuk tekanan barometer. Tekanan ini melibatkan udara luar yang dinyatakan dengan atmosfer (atm). Nilai 1 atm sama dengan 76 cmHg. Secara matematis, persamaan tekanan barometer ditulis sebagai berikut:

Contoh Soal:

Vita menyelam di kolam renang Ori Green yang terletak di Sendang dengan kedalaman 4 meter dari permukaan.  Hitung tekanan yang dialami Vita jika tekanan atmosfer sebesar 3 atm! (g = 9,8 m/s2)

c. Hukum Archimedes

Hukum Archimedes menyatakan benda yang tercelup dalam zat cair akan mendapat gaya angkat yang sama dengan berat zat cair yang dipindahkan benda tersebut (Abdullah, 2016). Hukum Archimedes diaplikasikan dalam berbagai alat. Misalnya balon udara yang diisi helium akan naik ke atas, hidrometer untuk mengukur massa jenis cairan, dan kapal selam. Persamaannya sebagai berikut:

Benda yang tercelup dalam zat cair dapat tenggelam, melayang, dan terapung. Berat benda (Wb) dalam zat cair dapat diketahui dengan mengurangi berat benda di udara dengan gaya angkat (Wb = WuFA).

Gambar (3) Keadaan benda dalam zat cair

Contoh soal:

Bola yang mempunyai massa jenis 950 kg/m3 dan volume 20 m3 terapung di air. Lalu Vita sengaja menuangkan minyak (massa jenis minyak= 900 kg/m3) ke atas permukaan air hingga bola terendam seluruhnya. Hitung besar volume bola yang terendam di air jika percepatan gravitasi bumi adalah 10 m/s2!

d. Tegangan Permukaan

Tegangan permukaan adalah gaya selaput yang tegak lurus sebuah garis di permukaan tiap satuan panjang. Gaya yang muncul berasal dari gaya tarik menarik molekul sejenis (kohesi). Misalnya serangga kecil dapat berdiri di permukaan air dan tetesan air yang membentuk bola.

Persamaan tegangan permukaan zat cair yang mempunyai satu dan dua permukaan ditulis sebagai berikut:

Contoh soal:

Vita mencelupkan kawat berbentuk U dengan kawat geser sepanjang 2 m ke air sabun. Massa awal kawat adalah 1 kg, kemudian massa beban yang ditambahkan 0,8 kg. Hitung tegangan permukaannya! (g = 10 m/s2)

e. Kapilaritas

Kapilaritas merupakan naik turunnya permukaan zat cair di pipa kapiler (Chasanah dkk, 2015). Kapilaritas dipengaruhi tegangan permukaan, gaya tarik menarik molekul sejenis (kohesi), dan gaya tarik menarik molekul yang tidak sejenis (adhesi). Contoh peristiwa kapilaritas seperti air yang merembes di dinding, air dihisap tanaman, dan minyak tanah yang naik di sumbu. Persamaannya sebagai berikut:

Contoh soal:

Pipa kapiler dimasukkan dalam bejana berisi raksa (ρ_raksa=13.600 kg/m3). Hal ini menimbulkan sudut kontak sebesar 140° antara dinding pipa dan raksa. Diameter pipa diketahui 2 cm dan tegangan di permukaan raksa sebesar 0,04 N/m. Berapa penurunan raksa dalam pipa yang terjadi? (g = 10 m/s2)

f. Viskositas

Fluida dapat mendapat hambatan jika terjadi gesekan yang disebut viskositas (kekentalan). Oleh karena itu, diperlukan gaya untuk menggerakkan lapisan fluida yang ditulis sebagai berikut:

Sedangkan persamaan gaya hambat benda berbentuk bola dalam fluida sebagai berikut:

Sementara kecepatan maksimum bola dalam fluida disebut kecepatan terminal dengan persamaan sebagai berikut:

Contoh soal:

Jari-jari bola logam sebesar 4 cm dengan massa jenis 4 gr/cm3 jatuh ke kolam. Koefisien viskositas air kolam sebesar  100 Ns/m2. Berapa kecepatan akhir bola jika percepatan gravitasi sebesar 10 m/s2?

Fluida Dinamis

Ilmu yang mempelajari fluida dinamis disebut hidrodinamika (Supardianningsih dkk, 2014). Sebelumnya fluida juga dibedakan menjadi fluida ideal dan jenis aliran fluida. Fluida ideal merupakan fluida yang kompresibel (perubahan tekanan tidak menyebabkan volume fluida berubah), tidak mengalami gesekan, dan mempunyai aliran stasioner.

Sedangkan jenis aliran fluida meliputi aliran lurus atau laminer dan aliren turbulen. Aliran lurus mempunyai lintasan (garis alir) yang tidak bersilangan. Misalnya air yang mengalir di pipa. Aliran turbulen adalah aliran yang mempunyai garis alir tak menentu dan menyerupai pusaran.

Misalnya adalah aliran air di sungai. Dalam fluida dinamis sendiri, dipelajari persamaan kontinuitas dan Hukum Bernoulli.

a. Persamaan Kontinuitas

Debit aliran fluida (Q) yang selalu konstan disebut persamaan kontinuitas. Sedangkan debit fluida sendiri merupakan jumlah volume yang mengalir tiap satuan waktu (V/t). Secara matematis ditulis sebagai berikut:

Pada bejana yang bocor berlaku persamaan sebagai berikut:

b. Hukum Bernoulli

Hukum Bernoulli menjelaskan hubungan tekanan, ketinggian, dan kecepatan fluida yang ada dalam pipa. Hukum ini menyatakan tekanan energi kinetik (1/2pv2) yang bernilai sama dengan tekanan energi potensial (p g h) per satuan volume di sepanjang garis arus. Ada banyak alat yang menerapkan prinsip Hukum Bernoulli di antaranya ialah karburator, gaya angkat pesawat terbang, dan alat penyemprot parfum. Persamaannya sebagai berikut:

Contoh soal:

Sebuah pipa mempunyai penampang A dan B. Ketinggian pipa A ialah 2 meter dan pipa B setinggi 8 meter. Sedangkan luas penampang A adalah 4 m2 dan penampang B seluas 2 m2. Jika tekanan pipa A adalah 20.000 Pa dengan kecepatan aliran 2 m/s, maka berapa tekanan yang terjadi pada pipa B? (g = 10 m/s2)

Referensi

Abdullah, Mikrajuddin. 2016. Fisika Dasar I. Bandung: Institut Teknologi Bandung.

Supardianningsih dkk, 2014. Fisika: Peminatan Matematika dan Ilmu-Ilmu Alam. Klaten: Intan Pariwara.

Uratmi, Hanum dkk. 2014. Buku Pintar Belajar Fisika untuk SMA/MA Kelas X. Jakarta: Sagufindo Kinarya.