Hidrostatika

Statika fluida atau 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 subjek 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.

Tekanan statik di dalam fluida

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 Prancis, 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 merupakan tekanan yang diberikan pada zat cair yang berada dalam keadaan diam atau mengalami kesetimbangan karena pengaruh gaya gravitasi. Besarnya tekanan hidrostatik yang diperoleh oleh suatu zat ditentukan oleh besarnya gravitasi akibat posisi kedalaman/ketinggian dan massa jenis zat cair.[1] 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 sebagai berikut

${\displaystyle \ P=\rho gh}$

dengan (dalam satuan SI),

P adalah tekanan hidrostatik (dalam pascal);

ρ adalah kerapatan fluida (dalam kilogram per meter kubik);

g adalah percepatan gravitasi (dalam meter per detik kuadrat);

h adalah tinggi kolom fluida (dalam meter).

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.

Tekanan Fluida

Fluida akan memberikan tekanan pada setiap bidang permukaan yang bersinggungan dengannya. Tekanan dapat diartikan sebagai gaya yang bekerja pada suatu permukaan dibagi luas permukaan.Penjelasan tersebut dapat dituliskan dalam bentuk persamaan sebagai berikut.

${\displaystyle P={F \over A}}$

Dimana:

${\displaystyle P}$ = Tekanan (N/m² / Pa)

${\displaystyle F}$ = Gaya (N)

${\displaystyle A}$ = Luas (m²)

Tekanan Atmosfer

Tekanan pada kedalaman tertentu juga dipengaruhi tekanan atmosfer yang menekan permukaan atas lapisan zat cair, sehingga dapat digunakan untuk mengetahui tekanan total pada kedalaman tertentu dalam zat cair dan dirumuskan sebagai berikut.

${\displaystyle P=P_{0}+\rho gh}$

Dimana:

${\displaystyle P}$ = Tekanan (N/m² / Pa)

${\displaystyle P_{0}}$ = Tekanan Atmosfer (N/m² / Pa)

Hukum Hukum Fluida Statis

1. Hukum Pascal

Hukum Pascal menyatakan bahwa tekanan yang diberikan pada fluida didalam ruang tertututp diteruskan sama besar ke segala arah.

${\displaystyle P_{1}=P_{2}}$

${\displaystyle {F_{1} \over A_{1}}={F_{2} \over A_{2}}}$

${\displaystyle {F_{1} \over {r_{1}}^{2}}={F_{2} \over {r_{2}}^{2}}}$

${\displaystyle {F_{1} \over {d_{1}}^{2}}={F_{2} \over {d_{2}}^{2}}}$

${\displaystyle r}$ = Jari Jari (m)

${\displaystyle d}$ = Diameter (m)

2. Hukum Archimedes

Hukum archimedes berbunyi " setiap benda yang terendam seluruhnya atau sebabgian di dalam fluida akan mendapatkan gaya apung dengan arah ke atas yang besarnya sama dengan berat fluida yang dipindahkan oleh benda itu". Maka, gaya keatas dituliskan dalam persamaan:

${\displaystyle F_{A}=w_{u}-w_{f}}$

atau

${\displaystyle F_{A}=\rho _{f}gV_{b}}$

dimana:

${\displaystyle F_{A}}$ = Gaya Archimedes (N)

${\displaystyle w_{u}}$ = Berat benda ketika di udara (N)

${\displaystyle w_{f}}$ = Berat benda ketika di air (N)

${\displaystyle \rho _{f}}$ = Massa jenis fluida (kg / m³)

${\displaystyle V_{b}}$ = Volume benda tercelup (m³)

Tegangan Permukaan Zat Cair

Merupakan kecenderungan zat cair untuk meregang, sehingga permukaan cairan terlihat seperti terdapat lapisan. Contoh penerapannya adalah seperti tetesan air. Tetesan air yang jatuh cenderung berbetuk bulat karena kecenderungan zat cair untuk meregang. Dirumuskan sebagai berikut.

${\displaystyle \gamma ={F \over l}}$

Persamaan berikut digunakan untuk zat cair yang memiliki 1 permukaan. Jika zat cair memiliki 2 permukaan seperti air sabun makan dirumuskan sebagai berikut.

${\displaystyle \gamma ={F \over 2l}}$

Dimana:

${\displaystyle \gamma }$ = Tegangan permukaan zat cair (N/m)

${\displaystyle l}$ = Panjang permukaan (m)

Sudut Kontak dan Kapilaritas

a. Sudut Kontak

Kelengkungan air maupun kelengkungan raksa ditarik garik garis lurus akan membentuk sudut ${\displaystyle \theta }$ terhadap dinding vertikal. Sudut ${\displaystyle \theta }$ dinamakan sudut kontak dengan sudut kontak air adalah sudut lancip ${\displaystyle (\theta <90^{\circ })}$, sedangkan sudut kontak raksa adalah sudut tumpul ${\displaystyle (90^{\circ }<\theta <180^{\circ })}$

b. Kapilaritas

Peristiwa naik turunnya permukaan zat cair pada pipa kapiler. Kenaikan dan penurunan permukaan zat cair pada pipa kapiler memenuhi persamaan berikut.

${\displaystyle h={2\gamma \cos \theta \over \rho gr}}$

Dimana:

${\displaystyle h}$ = Kenaikan zat cair (m)

${\displaystyle \gamma }$ = Tegangan permukaan zat cair (N / m)

${\displaystyle \rho }$ = Massa jenis zat cair (kg / m³)

${\displaystyle r}$ = jari-jari pipa kapiler (m)

Viskositas

Gesekan dalam fluida. Makin besar viskositasnya, makin sulit benda bergerak dalam fluida. Dalam fluida diperlukan gaya untuk menggeser satu lapisan fluida terhadap yang lain, dirumuskan sebagai berikut.

${\displaystyle F={\mu Av \over l}}$

Dimana:

${\displaystyle \mu }$ = Koefisien viskositas (kg / ms)

${\displaystyle l}$ = Jarak antara dua keping (m)

${\displaystyle v}$ = kecepatan (m / s)

${\displaystyle A}$ = Luas permukaan papan (m²)

${\displaystyle F}$ = Gaya yang untuk pergerakan benda (N)

Referensi

1. Yuberti (2013). Konsep Materi Fisika Dasar 2 (PDF). Bandar Lampung: Anugrah Utama Raharja (AURA). hlm. 26. ISBN 978-602-1297-30-8.  Parameter |url-status= yang tidak diketahui akan diabaikan (bantuan)

Lihat pula

• Dinamika fluida
• Mekanika fluida
• Tes hidrostatis

Pranala luar

• J.B. Calvert (2003) Hydrostatics from University of Denver. Accessed on 2013-05-22.