STATIKA FLUIDA

BAB II
STATIKA FLUIDA
II.A. Pengertian statika fluida dan fluida statis
Fluida adalah zat yang dapat mengalir. Kata Fluida mencakup zat car, air dan gas karena kedua zat ini dapat mengalir, sebaliknya batu dan benda-benda keras atau seluruh zat padat tidak digolongkan kedalam fluida karena tidak bisa mengalir. Susu, minyak pelumas, dan air merupakan contoh zat cair. dan Semua zat cair itu dapat dikelompokan ke dalam fluida karena sifatnya yang dapat mengalir dari satu tempat ke tempat yang lain. Selain zat cair, zat gas juga termasuk fluida. Zat gas juga dapat mengalir dari satu satu tempat ke tempat lain. Hembusan angin merupakan contoh udara yang berpindah dari satu tempat ke tempat lain.

Fluida merupakan salah satu aspek yang penting dalam kehidupan sehari-hari. Setiap hari manusia menghirupnya, meminumnya, terapung atau tenggelam di dalamnya. Setiap hari pesawat udara terbang melaluinya dan kapal laut mengapung di atasnya. Demikian juga kapal selam dapat mengapung atau melayang di dalamnya. Air yang diminum dan udara yang dihirup juga bersirkulasi di dalam tubuh manusia setiap saat meskipun sering tidak disadari. Fluida ini dapat kita bagi menjadi dua bagian yakni: 1. Fluida statis 2. Fluida Dinamis

Statika fluida, kadang disebut juga hidrostatika, adalah cabang ilmu yang mempelajari fluida dalam keadaan diam, dan merupakan sub-bidang kajian mekanika fluida. Istilah ini biasanya merujuk pada penerapan matematika pada subyek tersebut. Statika fluida mencakup kajian kondisi fluida dalam keadaan kesetimbangan yang stabil. Penggunaan fluida untuk melakukan kerja disebut hidrolika, dan ilmu mengenai fluida dalam keadaan bergerak disebut sebagai dinamika fluida.
Sistem Statika Fluida
Hukum umum statika fluida adalah, bentuk definisi fluida yang tidak terdapat/mengalami gaya geser. Sehingga gaya yang b ekerja pada dinding pembatas oleh fluida itu sendiri adalah diimbangi oleh material fluida itu sendiri ketika dinding pembatas itu hanya sebuah imaginer.

Tegangan geser akibat adanya viskusitas fluida hanya akan bekerja apabila adanya gerakan relative antar elemen fluida. Prinsip statika fluida bisa diperluas pada kasus fluida bergerak secara keseluruhan dengan catatan semua partikel mengalami stasioner relative antara satu dengan yang lainnya.
Pengertian dan Definisi Fluida Statis. Fluida statis adalah zat alir yang berada dalam kondisi diam dan tidak bergerak. Contoh Fluida statis yang paling simple adalah air yang diletakan di dalam gelas. Fluida statis merupakan ladang ilmu pengetahuan. Karena melalui fluida statis di temukan banyak sekali hukum-hukum dasar ilmu fisika yang kemudian dalam penerapannya sangat bermanfaat bagi kesejahteraan umat manusia. Contohnya hukum dasar ilmu fisika yang berasal dari fluida statis adalah teori hidrostatika, hukum pascal, hukum Archimedes, hukum Boyle, dll.
Fluida statis tidak hanya berhubungan dengan zat cair yang tidak mengalir. Gas yang tidak mengalir juga termasuk fluida statis. Namun dalam pembahasan tentang pengertian dan definisi fluida statis kali ini, Kamusq.com akan mengidentifikasikan fluida statis sebagai zat cair yang tidak mengalir dimana dari zat cair yang tidak mengalir ini di temukan hukum-hukum dasar ilmu fisika seperti hukum pascal dan hukum Archimedes. Sedangkan hukum Boyle tidak dibahas di sini karena berhubungan dengan fluida yang berbentuk gas.
Hukum dasar ilmu fisika yang tidak dapat dipisahkan dengan keberadaan fluida statis adalah hukum tentang tekanan hidrostati. Seperti disebutkan dalam artikel terdahulu tentang tekanan hidrostatik, bahwa dalam suatu fluida statis yang diletakan dalam wadah tertentu dengan kedalaman tertentu bekerja suatu gaya tekan yang sangat hebat.
Setiap ilmuwan di dunia ini sebagian besar tertarik untuk mempelajari tentang fluida statis dan fenomena yang terjadi didalamnya, karena dalam kehidupan sehari-hari kita selalu berhubungan erat dengan fluida statis. Seperti saat berlayar dilautan, saat menuang air kedalam gelas, saat menimba air disumur. Laut, sumur, gelas, dll merupakan salah satu tempat dimana fluida statis berupa zat cair ditemukan.

Contoh fenomena fluida statis dapat dibagi menjadi statis sederhana dan tidak sederhana.

Contoh fluida yang diam secara sederhana adalah air di bak yang tidak dikenai gaya oleh gaya apapun, seperti gaya angin, panas, dan lain-lain yang mengakibatkan air tersebut bergerak.

Contoh fluida statis yang tidak sederhana adalah air sungai yang memiliki kecepatan seragam pada tiap partikel di berbagai lapisan dari permukaan sampai dasar sungai. Cairan yang berada dalam bejana mengalami gaya-gaya yang seimbang sehingga cairan itu tidak mengalir. Gaya dari sebelah kiri diimbangi dengan gaya dari sebelah kanan, gaya dari atas ditahan dari bawah. Cairan yang massanya M menekan dasar bejana dengan gaya sebesar Mg. Gaya ini tersebar merata pada seluruh permukaan dasar bejana. Selama cairan itu tidak mengalir (dalam keadaan statis), pada cairan tidak ada gaya geseran sehingga hanya melakukan gaya ke bawah oleh akibat berat cairan dalamkolomtersebut.





II.B. Variasi Tekanan Fluida Statis
Karena sifatnya yang tidak dapat dengan mudah dimampatkan, fluida dapat menghasilkan tekanan normal pada semua permukaan yang berkontak dengannya. Pada keadaan diam (statik), tekanan tersebut bersifat isotropik, yaitu bekerja dengan besar yang sama ke segala arah. Karakteristik ini membuat fluida dapat mentransmisikan gaya sepanjang sebuah pipa atau tabung, yaitu, jika sebuah gaya diberlakukan pada fluida dalam sebuah pipa, maka gaya tersebut akan ditransmisikan hingga ujung pipa. Jika terdapat gaya lawan di ujung pipa yang besarnya tidak sama dengan gaya yang ditransmisikan, maka fluida akan bergerak dalam arah yang sesuai dengan arah gaya resultan.
Konsepnya pertama kali diformulasikan, dalam bentuk yang agak luas, oleh matematikawan dan filsuf Perancis, Blaise Pascal pada 1647 yang kemudian dikenal sebagai Hukum Pascal. Hukum ini mempunyai banyak aplikasi penting dalam hidrolika. Galileo Galilei, juga adalah bapak besar dalam hidrostatika.
-Tekanan Hidrostatik
Tekanan Hidrostatik adalah tekanan pada zat cair yang diam sesuai dengan namanya (hidro: air dan statik: diam). Atau lebih lengkapnya Tekanan Hidrostatik didefinisikan sebagai tekanan yang diberikan oleh cairan pada kesetimbangan karena pengaruh gaya gravitasi.

Hal ini berarti setiap benda yang berada pada zat cair yang diam, tekanannya tergantung dari besarnya gravitasi. Adakah hal lain yang mempengaruhi besarnya tekanan hidrostatik? Ya ada yaitu: kedalaman/ketinggian dan massa jenis zat cair.

Coba perhatikan gambar dan penjelasannya dibawah ini:




 Dari Penjelasan penurunan rumus tekanan hidrostatik di atas diperoleh kesimpulan beberapa hal:
Volume tidak mempengaruhi besarnya tekanan hidrostatik
Besarnya tekanan hidrostatik dipengaruhi oleh kedalaman, gravitasi dan massa jenis zat cair (fluida)
Sehingga rumus tekanan hidrostatik fluida statis adalah:

Sevolume kecil fluida pada kedalaman tertentu dalam sebuah bejana akan memberikan tekanan ke atas untuk mengimbangi berat fluida yang ada di atasnya. Untuk suatu volume yang sangat kecil, tegangan adalah sama di segala arah, dan berat fluida yang ada di atas volume sangat kecil tersebut ekuivalen dengan tekanan yang dirumuskan.
-Apungan
Sebuah benda padat yang terbenam dalam fluida akan mengalami gaya apung yang besarnya sama dengan berat fluida yang dipindahkan. Hal ini disebabkan oleh tekanan hidrostatik fluida.
Sebagai contoh, sebuah kapal kontainer dapat mengapung sebab gaya beratnya diimbangi oleh gaya apung dari air yang dipindahkan. Makin banyak kargo yang dimuat, posisi kapal makin rendah di dalam air, sehingga makin banyak air yang "dipindahkan", dan semakin besar pula gaya apung yang bekerja.
Prinsip apungan ini ditemukan oleh Archimedes.

II.C. Pengukuran Tekanan
Tekanan merupakan perbandingan antara satuan gaya dan luas. Dalam hal ini, tekanan digambarkan dalam bentuk tegak lurus antara gaya dan luas. Simbol satuan Tekanan adalah p atau pressure satuannya pascal atau . Dalam ilmu meteorology, para ahli memilih hectopascal (hPa) untuk tekanan udara atmosfer, yang setara dengan satuan yang lebih tua milibar (mbar). Untuk tekanan dalam kolom cairan, Tekanan yang diberikan oleh sebuah kolom cair dari ketinggian h dan kerapatan ρ diberikan oleh persamaan tekanan hidrostatik p = ρgh. Fluida kepadatan dan gravitasi lokal dapat bervariasi dari satu membaca yang lain tergantung pada faktor-faktor lokal, sehingga ketinggian kolom fluida tekanan tidak mendefinisikan dengan tepat.

Dalam pengukuran, kita dapat menggunakan beberapa alat ukur yang sesuai untuk kategori tekanan yang kita ukur. Diantaranya adalah manometer untuk mengukur tekanan air, dan tabung bourdon untuk mengukur tekanan udara.

-Alat Ukur Tekanan Fluida
ada 2 tipe:
Dengan prinsip penyeimbangan kolom cairan "tube gauge"
Secara mekanis " mechanical gauge"
1.Tube Gauge:
 Piezometer
Manometer :
Simple manometer 
Mikromanometer 
 Differensial manometer
Inverted differensial manometer
1.a. PIEZOMETER adalah bentuk sederhana dari manometer, dimana tekanan cairan yang diukur dapat dilihat secara langsung pada ketinggian cairan tersebut di dalam tabung.
Tekanan cairan "pressure head"
P = γ1 .h1
Tekanan dapat juga dinyatakan dalam kolom air
p/γair = (γ1/γair ) h
h = s1.h1
Dimana , s = specific gravity
= γzat/γair


Kelemahan Piezometer:
Tidak dapat untuk mengukur tekanan fluida kompresibel (gas)
Tidak dapat untuk mengukur tekanan negatif (p < patm )

1.b.MANOMETER merupakan pengembangan dari piezometer, dimana : 
dapat untuk mengukur tekanan fluida kompresibel
dapat untuk mengukur tekanan negatif
 pada tabung manometer diisi cairan. dengan syarat cairan:
tidak dapat bercampur dengan fluida yang akan diukur
berat jenis cairan lebih berat daripada berat jenis fluida yang diukur.
-Simple Manometer / U-Tube Manometer
Tekanan positif
Dimana,
P = γ1 .h1
z - z' = garis keseimbangan
Tekanan fluida dalam pipa
p + γ1 . h1 = γ2 . h2
p = γ2 . h2 - γ1 . h1
Atau, h = s2 . h2 - s1 . h1
Tekanan negatif

Tekanan fluida dalam pipa
p + γ1 . h1 + γ2 . h2 = 0
p = - (γ1 . h1 + γ2 . h2 )
Atau, h = - (s1 . h1 + s2 . h2 )
- Mikromanometer 
untuk mengetahui perubahan tekanan yang kecil pada suatu fluida. 
Misal: penurunan cairan pada tangki yang sangat kecil akan berakibat pada kenaikan cairan pada tabung yang cukup tinggi.


Pada keadaaan mula-mula, tekanan cairan dalam pipa
p + γ1 . h1 = 0
p = - γ1 . h1
Jika cairan dalam tangki turun (Δh) maka, cairan tabung akan mengalami kenaikan sebesar h2 dari keadaan mula-mula.
h2 = (A/a) Δh Δh = (a/A) h2
p + γ1 . h1 + γ1 . Δ h = γ2 . h2 + γ2 . Δ h
p = γ2 . h2 - γ1 . h1 + Δ h (γ2 - γ1 )
p = γ2 . h2 - γ1 . h1 + (a/A) h2 (γ2 - γ1 )
Atau,
h = s2 . h2 - s1 . h1 + (a/A) h2 (s2 - s1 )

-Differensial Manometer
Untuk mengukur perbedaan tekanan diantara dua titik pada suatu pipa atau diantara dua pipa yang berbeda.

II.D. Gaya Hidrostatis
Gaya hidrostatik adalah gaya yang terdapat pada fluida yang diam (tidak mengalir). Seperti kita ingat fluida (gas dan cairan) bila menerima tekanan maka akan meneruskannya ke segala arah. Gaya hidrostatik adalah perkalian antara tekanan pada suatu area dengan luas permukaan area tersebut. Makin luas permukaan tentunya gaya hidrostatik yang ada makin besar pula.
Setiap bagian di dalam fluida statis akan mendapat tekanan zar cair yang disebabkan adanya gaya hidrostatis disebut Tekanan Hidrostatis. Tekanan Hidrostatis adalah tekanan yang terjadi di bawah air. Tekanan ini terjadi karena adanya berat air yang membuat cairan tersebut mengeluarkan tekanan. Tekanan sebuah cairan bergantung pada kedalaman cairan di dalam sebuah ruang dan gravitasi juga menentukan tekanan air tersebut.
Rumus:
Gaya hidrostatis (Fh)
Fh= .g.h.A
Ket:
Fh: gaya hidrostatis
: massa jenis zat cair
g: grafitasi
h: tinggi zat cait
A: luas bidang alas
Gaya hidrostatik pada permukaan datar
Apabila variasi densitas fluida bisa diabaikan maka persamaan hidrostatik dapat diterpakan. Dengan demikian tekanan pada setiap benda yang terbebanam di dalam fluida berubah secara linear terhadap kedalaman.


Sehingga gaya hidrostatik total pada permukaan atas :
F = ʃ ρ δA
= ʃ (Pa + ρ g h) δA
= Pa A + ρ g ʃh δA


Gaya hidrostatik pada permukaan lengkung
Gaya resultan pada permukaan lengkung yang terbenam dengan fluida dapat diketahui dengan memisahkan ke komponen horizontal dan vertical dengan fluida dapat diketahui dengan memisahkan ke komponen horizontal dan vertical Fh dan Fv. Gaya ini merupakan reaksi permukaan lengkung terhadap fluida.

"Komponen horizontal dari gaya pada permukaan lengkung sama dengan gaya pada luas bidang yang dibentuk dengan memproyeksikan permukaan lengkung itu pada bidang vertical yang tegak lurus terhadap komponen tersebut.".
"Komponen vertical dari gaya tekanan pada suatu permukaan lengkung dalam besaran dan arahnya sama dengan berat seluruh kolom fluida, Baik cairan maupun atmosfir, yang berada di atas permukaan lengkung itu".

Gaya angkat Hidrostatik/Gaya Apung (Bouyancy force)

Sebuag benda apabila dimasukkan kedalam fluida, maka akan mendapatkan gaya vertical ke atas yang dilawan oleh gaya berat benda itu sendiri. Gaya berat ini juga vertical tetapi kea rah bawah. Gaya vertical ke atas tersebut disebut gaya angkat hidrostatik dan biasa dikatakan sebagai gaya apung. Fenomena ini disebut Bouyancy.
Dari persamaan (δp/δz) + ρg = ) bisa diturunkan gaya vertical melalui δAz yang besarnya adalah :
δF1 = (P0 + P1) δAz dan δF2 = (P0 + P2) δAz

Gaya angkat hidrostatk/gaya apung adalah gaya gaya vertikala ke atas ke atas yang di lawan oleh gaya berat benda itu sendiri.







II.E. Hukum Archimedes
Apabila kita mengangkat sebuah benda (misalnya batu) di udara, kemudian dimasukkan ke dalam air dan kita angkat kembal, maka ketika diangkat dari dalam air ternyata benda tersebut terasa lebih ringan dibandingkan pada saat di udara. Mengapa demikian ?. Apakah berat benda tersebut berkurang ketika berada di dalam air?.
Sesungguhnya benda yang berada di dalam air beratnya tidak berkurang. Hanya pada saat benda berada dalam air , benda mengalami gaya ke atas yang dikerjakan air pada benda, sehingga berat benda seolah – olah berkurang.
Peristiwa adanya gaya ke atas yang bekerja pada sebuah benda yang tercelup ke dalam air atau zat cair lainnyapertama kali dijelaskan oleh seorang ahlimatematika dan filsup yunani bernama Archimedes (287 – 212 SM).
 Menurut Archimedes :
Sebuah benda yang tercelup sebagaian atau seluruhnya ke dalam air atau zat cair lainnya akan mengalami gaya ke atas yang besarnya sama dengan berat zat cair yang dipindahkannya.
Pernyataan Archimedes ini disebut Hukum Archimedes
Hukum Archimedes berhubungan dengan gaya berat dan gaya ke atas suatu benda jika dimasukan kedalam air.

Rumus Hukum Archimedes
FA = ρa x Va x g
Keterangan:
FA = Gaya keatas yang dialami benda (N)
ρa= Massa Jenis zat cair (kg/m3)
Va= Volume air yang terdesak (m3)
g = Percepatan Gravitasi (m/det2)





II.E. Kesetimbangan/Stabilitas Benda Apung
Dalam kesetimbangan benda terapung maka kita akan mengacu pada Prinsip Hukum Archimedes :
" Benda yang terapung atau terendam dalam zat cair akan mengalami gaya apung sebesar berat zat cair yang dipindahkan oleh benda tersebut "

Sebuah benda dikatakan stabil apabila benda tersebut kembali keposisi kesetimbangannya semula apabila benda tersebut diusik ( meskipun sedikit). Untuk benda terapung, masalah kestabilan lebih rumit karena jika benda berotasi lokasi pusat apungnya bisa berubah. Jika hanya sebagian benda yang tercelup kedalam zat cair. Dalam hal ini berat benda lebih kesil daripada gaya keatas dari zat cair. Atau dengan kata lain supaya benda mengapung maka massa jenis benda harus lebih kecil daripada massa jenis zat cair. Suatu benda terapung dalam keseimbangan stabil apabila pusat beratnya berada dibawah pusat berat apungnya. Namun, benda terapung dalam kondisi tertentu dapat pula dalam keseimbangan stabil meski pusat beratnya berada diatas pusat apung.
Ada 3 syarat dari keseimbangan benda padat:
1. Seimbang dan stabil:
Sedikit perubahan darikeadaan seimbang ini akan menyebabkan³momen pengembalian posisi bekerja dan mengembalikan ke keadaan semula.
2. Seimbang tapi tidak stabil:
sedikit perubahandari kedudukan seimbang ini akanmenimbulkan momen guling dan tidak akankembali ke kedudukan semula.
3. Seimbang dan netral:
Benda akan tetap berada dalam keadaan seperti semula,meskipun kedudukannya diubah.







Penerapan Kesetimbangan Benda Terapung
Hidrometer adalah alat untuk mengukur berat jenis zat cair.Hidrometer bekerja atas dasar prinsip Archimedes. Alat ini terbuat dari tabungkaca yang dirancang sedemikian rupa sehingga bila dicelupkan dalam zat cair akan berdiri tegak. Pada waktu hydrometer dicelupkan ke dalam air, berathydrometer (WH) sama dengan gaya ke atas yang dialaminya.

Wh = ρ.V.g

Kapal , kapal yang terapung di samudra luas mengambil tempat di dalamair seberat kapal dan isinya. Sehingga kapal mendapat gaya ke atas dari dalamair cukup besar. Zat cair yang mempunyai massa jenis lebih besar akanmemberikan gaya ke atas lebih besar. Perhatikanlah apabila kapal berlayar disungai, ia akan mempunyai bagian yang tercelup atau terbenam lebih dalam jika dibandingkan apabila kapal berlayar di lautan.
Kapal selam memiliki tangki pengapung, bila tangki kosong kapal akanterapung di atas permukaan air. Supaya kapal dapat menyelam ia harusmengisi tangkinya dengan air, makin banyak tangki terisi air kapal akanmenyelam semakin dalam. Jika kapal akan kembali ke permukaan air, air dalam tangki harus dipompakan ke luar yaitu dengan cara memompakan udara ke dalam tangki.
Menurut Archimedes, besar gaya apung pada suatu benda, sangat dipengaruhi oleh volume benda yang tercelup kedalam air. Semakin besar volume benda yang tercelup semakin besar gaya apungnya. Suatu kapal besar dapat mengapung karena gaya apungnya sangat besar (ini disebabkan karena ukuran kapal yang besar sehingga volume kapal yang tercelup sangat besar). Disamping itu gaya apung juga dipengaruhi oleh kerapatan (densitas atau massa jenis) dari cairan. Semakin besar massa jenis cairan semakin besar gaya apungnya. Kita mengetahui bahwa apabila massa jenis suatu benda lebih kecil dari massa jenis fluida cair, maka benda akan terapung. Sebaliknya jika masa jenis suatu benda lebih besar dari masa jenis fluida cair maka benda tersebut akan tenggelam. Jika kita meninjau sebuah kapal laut yang sebagian besar terbuat dari logam, Massa jenis besi dan baja =7800 kg/m3 sedangkan masa jenis air = 1000 kg/m3. Tampak bahwa kerapatan besi dan baja lebih besar dari kerapatan air.
Namun kapal tidak tenggelam dan dapat terapung. Karena di dalam konstruksi sebuah kapal, khususnya yang tercelup di dalam air dibuat berongga. Dengan demikian jika dibandingkandengan kerapatan air, sebenarnya kerapatan total konstruksi kapal jauh lebih kecil.
Jadi sebagian besar ruang di konstruksi kapal yang tercelup dalam air diisi oleh udara. Dengan demikian kapal memiliki cadangan gaya apung yang lebih disamping "ruangan" yang demikian luas beserta rongga berisi udara yang menjadikan"volume" kapal laut menjadi sedemikian besar dan mengakibatkan massa jenisnya menjadi lebih kecil.
· Suatu benda terapung dalam keseimbangan stabil apabila pusat beratnya (G) berada di bawah pusat apung (B).
· Benda terapung dengan kondisi tertentu dapat pula dalam keseimbangan stabilmeskipun pusat beratnya (G) berada diatas pusat apung (B).
· Kondisi stabilitas benda terapung dapatdiketahui berdasar tinggi metasentrum,yang dapat dihitung dengan rumus.

Rumus tinggi metasentrum :
GM = BM – BG
BG = OG - OB

BM = I0 / V


Keterangan :
GM : Tinggi metasentrum
I0 : Momen inersia tampang benda yang terpotong permukaan zat cair
V : Volume zat cair yang di pindahkan benda
BG : Jarak antara pusat berat dan pusat apung
OG : Jarak antara pusat berat dan dasar
OB : Jarak antara pusat apung dan dasar



Daftar pustaka:
J.B. Calvert (2003) Hydrostatics from University of Denver. Accessed on 2013-05-22
http://umarcivilengineering.blogspot.com
https://iksan35.wordpress.com
http://id.wikibooks.org/wiki/Rumus-Rumus_Fisika_Lengkap/Mekanika_fluida
https://de.answers.yahoo.com
https://www.facebook.com/pages/Penggemar-buku-science
http://brainly.co.id
http://adhin-marindaramadhina.blogspot.com
http://fisikaituasyik.weebly.com
http://silancahmaung.blogspot.com/
http://dunia-atas.blogspot.com
http://id.wikipedia.org/wiki/Statika_fluida