BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Dinamika fluida adalah subdisiplin dari mekanika fluida yang mempelajari fluida bergerak. Fluida terutama cairan dan gas. Penyelsaian dari masalah dinamika fluida biasanya melibatkan perhitungan banyak properti dari fluida, seperti kecepatan, tekanan, kepadatan, dan suhu, sebagai fungsi ruang dan waktu. Disiplini ini memiliki beberapa subdisiplin termasuk aerodinamika (penelitian gas) dan hidrodinamika (penelitian cairan). Dinamika fluida memliki aplikasi yang luas. Contohnya, ia digunakan dalam menghitung gaya dan moment pada pesawat, mass flow rate dari petroleum dalam jalur pipa, dan perkiraan pola cuaca, dan bahkan teknik lalu lintas, di mana lalu lintas diperlakukan sebagai fluid yang berkelanjutan. Dinamika fluida menawarkan struktur matematika yang membawahi disiplin praktis tersebut yang juga seringkali memerlukan
hukum
empirik
dan
semi-empirik,
diturunkan
dari
pengukuran arus, untuk menyelesaikan masalah praktikal. Mekanika fluida adalah subdisiplin dari mekanika kontinum yang mempelajari fluida (yang dapat berupa cairan dan gas). Mekanika fluida dapat dibagi menjadi fluida statik dan fluida dinamik. Fluida statis mempelajari fluida pada keadaan diam sementara fluida dinamis mempelajari fluida yang bergerak. 1.2 Rumusan Masalah - Apa yang dimaksud dengan tekanan hidrostatis? - Apa aplikasi tekanan hidrostatis dalam kehidupan sehari- hari? - Apa saja alat ukur tekanan hidrostatis? 1.3 Tujuan Penulisan
- Memenuhi tugas mata kuliah Pengantar Teknik Mesin Fluida - Mempelajari hidrostatistika secara teoritis - Mempelajari aplikasi tekanan hidrostatis
1
1.4 Manfaat Penulisan - Menambah wawasan mengenai hidrostatistika
- Dapat menerapkan hukum tekanan hidrostatis dalam kehidupan seharhari
BAB II PEMBAHASAN
2.1 Teori Statika fluida, kadang disebut juga hidrostatika, adalah cabang ilmu yang mempelajari fluida dalam keadaan diam, dan merupakan subbidang 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. Karena sifatnya yang tidak dapat dengan mudah dimampatkan, fluida dapat menghasilkan tekanan normal pada semua permukaan yang 2
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.
Tekanan hidrostatis atau tekanan pada zat cair. Ketika belajar tekanan pada zat padat kita tahu bahawa tekanan pada zat padat hanya ke arah bawah, hal ini berlaku jika tidak ada gaya dari luar. Hal ini berbeda dengan tekanan pada zat cair, tekanan pada zat cair menyebar ke segala arah. Mengapa hal itu dapat terjadi ? untuk lebih memahami tekanan pada zat cair atau tekanan hidrostatis perhatikan uraian berikut. Adanya tekanan di dalam zat cair disebabkan oleh gaya gravitasi yang bekerja pada setiap bagian zat cair tersebut. Besar tekanan zat cair bergantung pada kedalaman zat cair, semakin dalam letak suatu bagian zat cair, akan semakin besar pula tekanan pada bagian itu. Tekanan di dalam zat cair yang tidak bergerak sebagai akibat gaya gravitasi yang bekerja pada setiap bagian zat tersebut disebut tekanan hidrostatika. 3
2.2 Tekanan Hidrostatis Tekanan adalah gaya yang bekerja tegak lurus pada suatu permukaan bidang dan dibagi luas permukaan bidang tersebut. Secara matematis, persamaan tekanan dituliskan sebagai berikut. P = F/ A dengan: F = gaya (N), A = luas permukaan (m2), dan P = tekanan (N/m2 = Pascal). Persamaan diatas menyatakan bahwa tekanan P berbanding terbalik dengan luas permukaan bidang tempat gaya bekerja. Jadi, untuk besar gaya yang sama, luas bidang yang kecil akan mendapatkan tekanan yang lebih besar dari pada luas bidang yang besar. Tekanan Hidrostatis adalah tekanan yang terjadi di bawah air. Fluida yang berada dalam suatu wadah memiliki gaya berat, akibat pengaruh gravitasi bumi. Gaya berat fluida menimbulkan tekanan. Tekanan di dalam fluida tak mengalir, yang diakibatkan oleh adanya gaya gravitasi ini disebut tekanan hidrostatis. Tekanan hidrostatis disebabkan oleh fluida tak bergerak. Tekanan hidrostatis yang dialami oleh suatu titik di dalam fluida diakibatkan oleh gaya berat fluida yang berada di atas titik tersebut. Jika besarnya tekanan hidrostatis pada dasar tabung adalah P, menurut konsep tekanan, besarnya P dapat dihitung dari perbandingan antara gaya berat fluida (F) dan luas permukaan bejana (A). P = F/A Gaya berat fluida merupakan perkalian antara massa fluida dengan percepatan gravitasi Bumi, ditulis P = massa x gravitasi bumi / A
4
Oleh karena m = ρ V, persamaan tekanan oleh fluida dituliskan sebagai: P = ρVg / A Volume fluida di dalam bejana merupakan hasil perkalian antara luas permukaan bejana (A) dan tinggi fluida dalam bejana (h). Oleh karena itu, persamaan tekanan di dasar bejana akibat fluida setinggi h dapat dituliskan menjadi P = ρ( h) g / A = ρ h g
Jika
tekanan
hidrostatis
dilambangkan
dengan Ph,
persamaannya dituliskan sebagai berikut. Ph = ρ gh
dengan: Ph = tekanan hidrostatis (N/m2), ρ = massa jenis fluida (kg/m3), g = percepatan gravitasi (m/s2), dan h = kedalaman titik dari permukaan fluida (m). Ketika botol yang memiliki empat lubang diberi air hingga penuh, pancaran air yang mendarat di atas tanah dari pinggiran botol memiliki jarak pancaran yang sama pada keempat lubang tersebut. Dapat kita simpulkan bahwa semua titik yang terletak pada bidang datar yang sama di dalam zat cair yang sejenis memiliki tekanan (mutlak) yang sama. Pernyataan inilah yang kita sebut sebagai hukum pokok hidrostatika. Hukum pokok hidrostatik yaitu semua titik yang terletak pada suatu bidang datar di dalam zat cair yang sejenis memiliki tekanan yang sama. Tekanan di suatu titik di dalam suatu fluida yang sebenarnya disebut
5
tekanan absolut. Apabila tekanan atmosfer di permukaan zat cair ( P0) tidak di abaikan maka tekanan hidrostatis pada titik yang berada pada kedalaman (h) zat cair tersebut, dihitung dengan persamaan : P = PO + Ph = PO + ρ g h Po = tekanan atmosfer atau tekanan udara luar Semakin tinggi dari permukaan Bumi, tekanan udara akan semakin berkurang. Sebaliknya, semakin dalam Anda menyelam dari permukaan laut atau danau, tekanan hidrostatis akan semakin bertambah. Mengapa demikian? Hal tersebut disebabkan oleh gaya berat yang dihasilkan oleh udara dan zat cair. Anda telah mengetahui bahwa lapisan udara akan semakin tipis seiring bertambahnya ketinggian dari permukaan Bumi sehingga tekanan udara akan berkurang jika ketinggian bertambah. Adapun untuk zat cair, massanya akan semakin besar seiring dengan bertambahnya kedalaman. Oleh karena itu, tekanan hidrostatis akan bertambah jika kedalaman bertambah.
2.3
Aplikasi Hukum Tekanan Hidrostatis Dalam Kehidupan Sehari-hari Aplikasi hukum tekanan hidrostatis dalam kehidupan sehari-hari diantaranya: 1. Berenang Pada saat berenang semakin dalam kita menyelam maka telinga akan terasa sakit. Hal ini karena semakin dalam kita menyelam maka tekanan hidrostatis juga akan semakin besar. 2. Pembuatan bendungan Mengapa tukang bangunan membuat dinding bendungan bagian bawah lebih tebal dari bagian atas ? sesuai konsep tekanan hidrostatis bahwa semakin dalam maka tekanan akan semakin besar. Dinding bendungan bagian bawah dibuat lebih tebal dari bagian atas agar bendungan tidak jebol karena tekanan zat cair terbesar berada pada dasar permukaan zat cair. 3. Pemasangan infus 6
Sebelum infus dipasang biasanya dilakukan pengukuran tekanan darah pasien. Hal ini dilakukan karena pemasangan infus harus memperhatikan tekanan darah pasien. Dimana tekanan infus harus lebih tinggi dari tekanan darah pasien agar cairan infus mengalir ke dalam tubuh pasien. Jika tekanan darah pasien lebih besar dari tekanan cairan infus maka yang terjadi darah pasien akan mengalir melalui selang infus menuju kantong infus.
4. Pengukuran Tekanan Darah Merujuk kepada tekanan yang dialami darah pada pembuluh arteri darah ketika darah di pompa oleh jantung ke seluruh anggota tubuh manusia. Tekanan darah dibuat dengan mengambil dua ukuran dan biasanya diukur seperti berikut - 120 /80 mmHg. Nomor atas (120) menunjukkan tekanan ke atas pembuluh arteri akibat denyutan jantung, dan disebut tekanan sistole. Nomor bawah (80) menunjukkan tekanan saat jantung beristirahat di antara pemompaan, dan disebut tekanan diastole. Saat yang paling baik untuk mengukur tekanan darah adalah saat Anda istirahat dan dalam keadaan duduk atau berbaring. Tekanan darah dalam kehidupan seseorang bervariasi secara alami. Bayi dan anak-anak secara normal memiliki tekanan darah yang jauh lebih rendah daripada dewasa. Tekanan darah juga dipengaruhi oleh aktivitas fisik, dimana akan lebih tinggi pada saat melakukan aktivitas dan lebih rendah ketika beristirahat. Tekanan darah dalam satu hari juga berbeda; paling tinggi di waktu pagi hari dan paling rendah pada saat tidur malam hari. Bila tekanan darah diketahui lebih tinggi dari biasanya secara berkelanjutan, orang itu dikatakan mengalami masalah darah tinggi. Penderita darah tinggi mesti sekurang-kurangnya mempunyai tiga bacaan tekanan darah yang melebihi 140/90 mmHg saat istirahat.
7
2.4 Aplikasi Tekanan Hidrostatis Pada Tangki Terbuka Dan Tangki
Tertutup Setiap zat cair yang menempati sebuah bejana/vessel/tangki, akan memiliki tekanan hidrostatik yang besarnya sebanding dengan level zat cair tersebut, dengan asusmsi masa jenis (sg = specific gravity)-nya tetap.
Gambar di atas adalah sebuah tangki terbuka (permukaannya terhubung ke atmosfer), dimana disitu akan bekerja tekanan P1 sebesar tekanan atmosfer, yang kemudian akan kita abaikan karena kita akan mengukur tekanan “gauge”. Asumsikan zat cairnya adalah air, dengan masa jenis ρ = 1000 kg/m³. Dengan ketinggian permukaan dari dasar tangki tempat pengukuran tekanan adalah 10 meter. Maka tekanan P2 yang bekerja pada pressure gauge adalah: ρ = masa jenis air = 1000 kg/m³ g = gaya gravitasi bumi = 9,8 m/s² h = ketinggian air dasar tanki = 10 m P2 = ρ × g × h P2= 1000 kg/m³ × 9,8 m/s² × 10 m P2 = 98000 kg/m³ × m/s² × m P2 = 98000 kgmm/m³s² P2 = 98000 kgm/s²m² P2 = 98000 Nm² P2 = 98000 Pascal P2 = 98 kilopascal = 14.2136983 PSI = 0.9993218887 kg/cm² 8
1 kilopascal = 0.1450377377 PSI (pound per square inch) 1 kilopascal = 0.01019716213 kg/cm² Udara di dalam ruang tertutup memiliki ciri yang berbeda dengan udara di ruang terbuka (atmosfer). Ciri-ciri tersebut menyangkut volume, tekanan, dan suhu. Alat pengukur tekanan udara dalam ruang tertutup disebut manometer. Ada beberapa jenis manometer, yakni manometer raksa terbuka, manometer raksa tertutup, dan manometer Bourdon. a. Manometer Raksa Terbuka Manometer raksa terbuka terbuat dari pipa berbentuk U, seperti gambar di bawah ini.
Disebut manometer raksa terbuka karena salah satu ujung pipa terbuka atau terhubung dengan udara luar (tekanan atmosfer), sedangkan kaki lainnya dihubungkan ke ruang yang akan diukur tekanan gasnya (kaki tertutup). Sebelum kaki tertutup dihubungkan dengan ruang gas, permukaan raksa sama tinggi. Namun setelah kaki tertutup dihubungkan dengan ruang gas bertekanan lebih besar dibandingkan tekanan atmosfer, permukaan raksa dalam kaki tertutup ditekan turun dan permukaan raksa dalam kaki terbuka akan naik.
9
Perbedaan tekanan udara di dalam dan di luar ruang ditunjukkan oleh perbedaan ketinggian permukaan zat cair tersebut. Semakin besar tekanan udara di dalam ruang, perbedaan ketinggian ini juga semakin besar. Permukaan raksa dalam kaki tertutup akan lebih rendah h mmHg dibandingkan permukaan raksa kaki terbuka. Rumus: Pgas= tekanan atmosfer + h mmHg
Namun jika kaki tertutup dihubungkan dengan ruang gas yang tekanannya lebih kecil dibandingkan tekanan atmosfer, permukaan kaki tertutup akan lebih tinggi h mmHg daripada permukaan raksa kaki terbuka. Rumus: P gas= tekanan atmosfer- h mmHg Penggunaan
manometer
raksa
terbuka
harus
didampingi barometer untuk mengukur tekanan atmosfer.
b. Manometer raksa tertutup Disebut manometer raksa tertutup karena salah satu ujung pipa tertutup. Ujung yang terbuka dihubungkan ke suplai gas. Pipa U diisi raksa dan ruang diatas permukaan raksa pada pipa tertutup adalah vakum. Jika gas tidak memiliki tekanan atau tekanan=0, maka permukaan raksa pada kedua kaki sama tinggi. Namun jika gas memiliki tekanan, maka permukaan raksa pada ujung tertutup akan naik dan lebih tinggi h mmHg daripada permukaan raksa yang kakinya berhubungan dengan suplai gas. Rumus:
10
P gas= h mmHg Penggunaan manometer raksa tertutup tidak perlu didampingi barometer karena langsung dapat membaca tekanan gas. c. Manometer Bourdon Manometer Bourdon atau manometer logam dihubungkan ke tangki gas yang akan diukur tekanannya. Perhatikan gambar di bawah ini, tekanan dari dalam ruang tertutup akan mengubah kelengkungan pipa lentur. Ujung pipa itu dihubungkan dengan jarum berskala. Ketika pipa itu berubah kelengkungannya akibat tekanan, penunjukan jarum tersebut juga berubah.
Manometer Bourdon atau manometer logam mampu mengukur tekanan udara sangat tinggi, sehinng sering digunakan oleh montir untuk mengukur tekanan udara di dalam ban.
2.5
Percobaan Tekanan Hidrostatis Alat dan bahan: -Botol bekas -Paku -Plester -Air 11
Langkah kerja: 1. Lubangi botol bekas dengan paku 2. Buatlah empat lubang secara vertical yang berbeda ketinggiannya 3. Tutuplah lubang-lubang tersebut dengan plester 4. Isilah botol tersebut dengan air hingga penuh 5. Tariklah plester secara cepat 6. Amati lintasan air yang menyemprot keluar dari setiap lubang
Hasil pengamatan: Lubang 1 mengalami tekanan hidrostatis yang paling besar sehingga menyebabkan lubang 1 memancarkan air lebih jauh dari lubang 2, lubang 3, dan lubang 4 sedangkan lubang 4 mengalami tekanan hidrostatis yang paling kecil sehingga memancarkan air lebih kecil dari lubang 1, lubang 2 dan lubang 3.
Kesimpulan: Gaya gravitasi menyebabkan zat cair dalam suatu wadah selalu tertarik ke bawah. Makin tinggi zat cair dalam wadah, maka makin berat zat cair tersebut, sehingga makin besar pula tekanan zat cair pada dasar wadahnya. Kita anggap saja zat cair tadi terdiri dari beberapa lapisan diatasnya sehingga yang berada paling bawah menderita tekanan paling besar. Tekanan zat cair yang hanya disebabkan oleh beratnya sendiri disebut tekanan hidrostatis.
12
BAB III PENUTUP
3.1 Kesimpulan Gaya berat fluida menimbulkan tekanan. Tekanan di dalam fluida tak mengalir, yang diakibatkan oleh adanya gaya gravitasi ini disebut tekanan hidrostatis. Tekanan hidrostatis disebabkan oleh fluida tak bergerak. Tekanan hidrostatis yang dialami oleh suatu titik di dalam fluida diakibatkan oleh gaya berat fluida yang berada di atas titik tersebut. Jika besarnya tekanan hidrostatis pada dasar tabung adalah P, menurut konsep tekanan, besarnya P dapat dihitung dari perbandingan antara gaya berat fluida (F) dan luas permukaan bejana (A). P = F/A Hukum Pascal dikemukakan oleh Blaise Pascal seorang ilmuwan Perancis yang berbunyi, tekanan yang diadakan dari luar kepada zat cair yang ada di dalam ruangan tertutup akan diteruskan oleh zat cair itu ke segala arah dengan sama rata. Alat Ukur Tekanan Udara dalam Ruangan tertutup Udara di dalam ruang tertutup memiliki ciri yang berbeda dengan udara di ruang terbuka (atmosfer). Ciri-ciri tersebut menyangkut volume, tekanan, dan suhu. Alat pengukur tekanan udara dalam ruang tertutup disebut manometer. Ada
beberapa
jenis manometer,
yakni manometer
raksa
terbuka, manometer raksa tertutup, dan manometer Bourdon.
13
3.2 Saran Dalam penulisan makalah ini, penulis berharap agar lebih banyak diadakan penelitian atau praktek di laboratorium khususnya di Universitas Palangka Raya agar dapat membantu mahasiswa dalam memahami dan menguasai konsep hidrostatis dan konsep ilmu lainnya serta penulis berharap agar laboratorium disertai fasilitas yang menunjang penelitian.
14
