Untuk memahami perbedaan antara fluida statis dan dinamis, maka hal pertama yang harus dipahami adalah konsep fluida. Konsep mengenai fluida sendiri sebenarnya sudah dipelajari sejak bangku SMP. Pelajar di bangku SMP sudah dikenalkan beberapa jenis-jenis zat yakni zat padat, zat cair dan zat gas.
Pengertian Fluida
Jenis zat secara umum bisa dibedakan menjadi tiga macam yakni zat padat, zat cair dan zat gas. Zat cair dan zat gas adalah zat yang dapat mengalir dari satu tempat ke tempat lainnya dan memiliki bentuk yang bisa berubah-ubah sesuai wadah tempat menampung zat tersebut.
Oleh karena sifat zat cair dan zat gas yang dapat mengalir, maka keduanya disebut sebagai fluida atau zat alir. Sehingga fluida tidak hanya terbatas pada zat cair semata seperti yang selama ini dipahami, namun seluruh jenis zat yang bisa mengalir adalah fluida.
Ciri khas lain dari fluida adalah bentuknya akan berubah-ubah sesuai dengan tempatnya. Misalnya fluida zat cair akan mengikuti bentuk wadahnya. Fluida dalam Fisika digolongkan ke dalam dua macam yakni fluida statis dan fluida dinamis.
Fluida Statis
Fluida statis adalah jenis fluida yang diam (statis) atau tidak bergerak sehingga tidak mengalami perpindahan pada bagian-bagian fluida. Fluida statis berupa zat cair yang disimpan dalam wadah yang tidak mengalami kebocoran atau zat gas di dalam wadah tertutup sehingga tidak bocor keluar.
Sifat fluida statis adalah mempunyai tekanan serta tegangan permukaan.
Fluida Dinamis
Fluida dinamis adalah jenis fluida yang bergerak mengalir.
Fluida Statis dan Dinamis dalam Kehidupan Sehari-Hari
Aplikasi fluida statis dan dinamis sangat banyak ditemukan dalam kehidupan sehari-hari. Aplikasi fluida digunakan dalam dongkrak hidrolik, rem motor dan sayap terbang.
- Dongkrak Hidrolik
Dongkrak hidrolik adalah aplikasi dari konsep fluida khususnya hukum Pascal yang digunakan untuk mengangkat kendaraan di bengkel mobil dan sebagainya. Pada dongkrak hidrolik terdapat pompa yang mengalirkan cairan ke silinder besar.
Saat pengungkitnya ditekan, maka katup atas pipa mendapat dorongan yang sangat besar.
- Rem Motor (Hidrolik)
Rem motor hidrolik bekerja dengan menjepit cakram menuju ke dalam dan mendesak ke bagian luar. Timbulnya gaya gesek dari cakram dan penjepit berguna untuk menghentikan gerak kendaraan. Rem hidrolik digunakan dalam aplikasi ban kendaraan.
- Sayap Pesawat Terbang
Pada sayap pesawat terbang, ketika pesawat akan terbang maka sayap dibuat bengkok ke bagian bawah. Tujuan dari desain sayap pesawat terbang seperti ini agar tekanan pada bagian atas pesawat lebih kecil karena kecepatan udara di bagian atas pesawat lebih besar dibandingkan bagian bawahnya.
Sementara tekanan di bawah sayap lebih besar sehingga udara dapat mengangkat pesawat ketika take off. Desain sayap pesawat terbang berkaitan dengan hukum Bernoulli.
Rumus Fluida Statis dan Dinamis
Hukum Pascal
Bunyi hukum Pascal yakni tekanan pada fluida di dalam bejana tertutup akan didistribusikan ke berbagai titik fluida dan dinding bejana. Fluida pada kedalaman yang sama akan mengalami tekanan yang sama besarnya.
Aplikasi hukum Pascal pada dongkrak hidrolik, rem hidrolik dan mesin hidrolik untuk mengangkat kendaraan. Berikut adalah rumus Pascal:
dimana:
A1 = Luas permukaan A1 (cm²)
A2 = Luas permukaan A2 (cm²)
F1 = Gaya pada bidang A1 (N)
F2 = Gaya pada bidang A2 (N)
Tekanan Hidrostatis
Tekanan adalah gaya yang bekerja di suatu bidang persatuan luas dari bidang tersebut. Pada fluida statis, tekanan yang diterima fluida dibedakan berdasarkan dua macam yakni tekanan di ruang tertutup dan tekanan di ruang terbuka.
Tekanan hidrostatis adalah tekanan yang dialami oleh fluida statis yang disebabkan oleh gaya gravitasi. Tekanan hidrostatis pada setiap titik di kedalaman yang sama maka akan sama nilainya. Pada fluida ruang terbuka, maka lapisan paling atas akan memperoleh tekanan dari atmosfer udara.
Selanjutnya tekanan tersebut akan menekan lapisan di bawahnya. Oleh karena itu tekanan hidrostatis di lapisan terbawah paling besar. Berikut adalah rumus tekanan hidrostatis:
Ph = ρ x g x h
P = Po + Ph
dimana:
P = Tekanan yang dialami fluida pada titik tertentu (Pa atau N/m²)
Ph = Tekanan hidrostatis (Pa atau N/m²)
Po = Tekanan atmosfer yang dialami permukaan fluida (Pa atau N/m²)
ρ = Massa jenis fluida (kg/m²)
g = Percepatan gravitasi (10 m/s²)
h = Kedalaman fluida (m)
Gaya Archimedes
Gaya Archimedes atau gaya ke atas merupakan gaya yang dialami benda di dalam zat fluida baik benda tersebut tercelup sebagian, seluruhnya, atau tenggelam di dalam zat fluida dimana besar gaya yang dialami benda sama dengan berat zat fluida yang dipindahkan oleh benda.
Sehingga rumus gaya Archimedes adalah sama dengan berat zat cair yang dipindahkan:
dimana:
Hukum Bernoulli
Azas Bernoulli berlaku untuk tekanan pada fluida yang bergerak atau fluida dinamis. Pada fluida dinamis, bekerja persamaan energi kinetik pada fluida tersebut. Bunyi azas Bernoulli yakni hukum kekekalan tekanan pada semua titik fluida berlaku untuk fluida dinamis.
Pada hukum Bernoulli maka hubungan antara tekanan, tinggi dan kecepatan fluida bisa dituliskan pada suatu garis lurus sebagai berikut:
P + (½ x ρ x v²) + (ρ x g x h) = konstan
atau
P1 + (½ x ρ x va²) + (ρ x g x ha) = P2 + (½ x ρ x vb²) + (ρ x g x hb)
dimana:
P = Tekanan fluida (Pa atau N/m²)
ρ = Massa jenis fluida (kg/m²)
h = Ketinggian pipa dari titik acuan (m)
g = Percepatan gravitasi (10 m/s²)
v = Kecepatan fluida mengalir (m/s)
Contoh Soal Fluida Statis dan Dinamis
- Soal
Benda berbentuk bola pejal mempunyai berat 120 N saat diukur di udara bebas. Bola pejal tersebut kemudian ditimbang di dalam air dengan berat 80 N (massa jenis 1000 kg/m³). Tentukan volume gaya bola pejal tersebut.
Jawab:
Berat bola pejal di udara = 120 N
Berat bola pejal di air = 80 N
Gaya Archimedes = 120 N – 80 N = 40 N
Volume bola pejal:
Dari berbagai jenis zat di lingkungan, ada beberapa zat yang digolongkan sebagai fluida atau zat alir. Jenis fluida dibedakan menjadi fluida statis dan dinamis. Materi mengenai fluida sangat penting dipelajari karena berkaitan erat dengan berbagai peristiwa sehari-hari di lingkungan.