Fluida Statis: Pengertian, Rumus, Hukum, dan Contoh Soalnya

Pernah nggak Sobat Pijar bertanya-tanya kenapa sebuah kapal yang terbuat dari besi dan mempunyai bobot yang berat tapi tidak tenggelam? Nah, ternyata ini semua terjadi karena adanya Fluida Statis. Jadi, massa jenis kapal lebih besar daripada massa jenis air. Inilah yang membuat kapal tidak tenggelam meskipun berbobot berat.

Ingin tau lebih banyak tentang materi fluida statis kelas 11? Yuk, baca artikel ini sampai habis, Sobat Pijar!

Baca juga: Hukum Hooke: Bunyi, Rumus, dan Contohnya

Pengertian Fluida Statis

Fluida statis merujuk kepada fluida yang berada dalam keadaan diam atau fase tidak bergerak, fluida yang dalam kondisi bergerak tetapi dengan tidak ada perbedaan kecepatan antara partikel-partikelnya. Dengan kata lain, partikel-partikel dalam fluida ini bergerak dengan kecepatan seragam dan tidak menyebabkan gaya geser.

Rumus Fluida Statis

Berikut ini beberapa kumpulan rumus fluida statis, yaitu : 

Massa Jenis

Massa jenis fluida statis adalah ukuran seberapa padat suatu fluida. Ini mengacu pada seberapa besar massa dari suatu fluida tertentu yang terkandung dalam satu volume tertentu dari fluida tersebut. Massa jenis biasanya disimbolkan dengan huruf Yunani ρ (rho) dan diukur dalam satuan kilogram per meter kubik ($kg/m^3$).

Rumusnya massa jenis adalah: 

$\rho = \frac{m}{v}$

Keterangan: 

$\rho$ = massa jenis $(kg/m^3$)

$m$ = massa ($kg$ atau $gram$)

$v$ = volume ($m^3$ atau $cm^3$)

Tekanan

Tekanan fluida statis adalah besaran yang mengukur gaya yang diberikan oleh fluida pada suatu area tertentu. Tekanan dinyatakan dalam satuan pascal (Pa) atau newton per meter persegi $N/m^2$.

Rumus dasar untuk tekanan adalah: 

$P = \frac{F}{A}$

Keterangan: 

$P$ = tekanan ($Pa$ atau $Nm^2$)

$F$ = gaya tekanan ($N$)

$A$ = luas permukaan tekan ($m^2$)

Tekanan Hidrostatis

Tekanan hidrostatis adalah tekanan yang diberikan oleh lapisan fluida yang ada di atas suatu titik dalam fluida. Tekanan hidrostatis bergantung pada kedalaman dalam fluida dan massa jenis fluida tersebut.

Rumus tekanan hidrostatis adalah: 

$P = \rho .g.h$

Keterangan: 

$P$ = tekanan hidrostatik ($Pa$)

$\rho$ = massa jenis zat cair ($kg/m^3$)

$g$ = percepatan gravitasi ($m/s^2$)

$h$ = kedalaman zat cair dari permukaan ($m$)

Ini berarti semakin dalam suatu titik di dalam fluida, semakin besar tekanan hidrostatis yang diberikan oleh fluida di atasnya.

Viskositas

Viskositas fluida statis adalah besaran yang mengukur ketahanan suatu fluida terhadap pergerakan internal atau geseran. Fluida dengan viskositas tinggi akan mengalir lebih lambat daripada yang memiliki viskositas rendah. Viskositas biasanya diukur dalam satuan pascal-sekon (Pa·s) atau poise (P).

Viskositas kinematik (ν) adalah perbandingan antara viskositas dinamik (μ) dengan massa jenis (ρ). 

Rumusnya adalah: 

$v = \frac{\mu }{\rho }$

Keterangan:

$v$ = Viskositas kinematik

$\mu$ = Viskositas Dinamik

$\rho$ = Massa jenis

Kapilaritas

Kapilaritas mengacu pada kemampuan suatu fluida untuk naik atau turun dalam sebuah tabung kapiler yang sempit, seperti pipet atau tabung berdiameter kecil. Kapilaritas disebabkan oleh kombinasi antara gaya kohesi dan adhesi antara molekul-molekul fluida dan dinding kapiler.

Hukum Jurin adalah salah satu rumus yang digunakan untuk menjelaskan kapilaritas. Rumus ini menyatakan bahwa tinggi air dalam kapiler (h) bergantung pada tegangan permukaan (γ), sudut kontak (θ), massa jenis fluida (ρ), percepatan gravitasi (g), dan radius kapiler (r).

Rumus-rumus di atas penting dalam memahami sifat-sifat fluida statis, tekanan dalam fluida, viskositas, dan fenomena kapilaritas. Mereka membantu ilmuwan dan insinyur dalam menganalisis perilaku fluida dalam berbagai situasi dan aplikasi.

Hukum Hidrostatis

Hukum utama hidrostatis adalah prinsip yang berhubungan dengan distribusi tekanan saat suatu fluida ditempatkan dalam bidang datar. Pernyataan prinsip utama hidrostatis menyatakan bahwa semua titik yang terletak di dalam suatu bidang datar dalam fluida memiliki tekanan yang sama.

Bunyi hukum hidrostatis : 

"Tekanan hidrostatis selalu sama untuk semua titik yang berada pada kedalaman yang setara."

Sumber: Repositori Kemdikbud

Oleh karena itu, segala titik yang berada pada bidang datar dalam satu jenis zat cair memiliki tekanan yang seragam. Prinsip ini dikenal sebagai hukum dasar hidrostatika, dan tekanan ini disebut sebagai tekanan hidrostatis.

P hidrostatik di titik A = P hidrostatik di titik B

Hukum Pascal

Hukum pascal berbunyi : 

“Tekanan yang diberikan pada zat cair dalam ruang tertutup disebarkan dengan besaran yang sama ke segala arah.”

Sumber: Repositori Kemdikbud

Perhatikan ilustrasi mekanisme hidrolik di atas. Karena cairan tidak dapat ditambahkan atau dikeluarkan dari sistem yang tertutup, dorongan volume cairan di sebelah kiri akan menggerakkan piston (silinder padat) di sebelah kanan ke arah atas.

Hukum pascal rumus yaitu : 

$P_1 = P_2$

$\frac{F_1}{A_1} = \frac{F_2}{A_2}$

Keterangan: 

$P_1$ = Tekanan pada penampang 1 ($Pa$)

$P_2$ = Tekanan pada penampang 2 ($Pa$)

$F_1$ = Gaya pada penampang 1 ($N$)

$F_2$ = Gaya pada penampang 2 ($N$)

$A_1$ = Luas penampang 1 ($m^2$)

$A_2$ = Luas penampang 2 ($m^2$)

Hukum Archimedes

Hukum Archimedes fluida statis menyatakan, "Benda yang tenggelam sebagian atau sepenuhnya dalam fluida akan mengalami gaya angkat yang besarnya sama dengan berat fluida yang telah dipindahkan oleh benda tersebut."

Gaya angkat ini merujuk pada perbedaan antara berat benda saat berada di udara dan berat benda saat berada dalam fluida.

$F_A = W_u - W_f$

Keterangan:

$F_A$ = gaya ke atas = gaya apung ($N$) 

$W_u$ = gaya berat benda di udara ($N$) 

$W_f$ = gaya berat benda di fluida ($N$)

Mengapung

Sumber: Repositori Kemdikbud

Apabila sebuah benda tenggelam dalam fluida, benda tersebut akan muncul sebagian ke permukaan air, hal ini disebabkan berat benda lebih kecil daripada gaya apung yang diberikan oleh fluida (Fa < W). Inilah prinsip dasar mengapung. Dari prinsip ini, kita dapat menyusun hubungan antara massa jenis benda dan massa jenis fluida.

$\rho _b = \frac{V_{bf}}{V_b} \rho _f$

Keterangan:

$\rho _b$ = massa jenis benda ($kg.m^3$)

$V_{bf}$ = volume benda yang tercelup ($m^3$)

$V_b$ = volume benda ($m^3$)

$\rho _f$ = massa jenis fluida ($kg.m^3$)

Melayang 

Sumber: Repositori Kemdikbud

Apabila suatu benda tenggelam sepenuhnya dalam fluida, seperti air, maka gaya apung ($Fa$) akan setara dengan berat benda ($W$), artinya $Fa = W$.

Tenggelam 

Sumber: Repositori Kemdikbud

Jika suatu benda tenggelam sepenuhnya dalam fluida, seperti air, maka gaya apung (Fa) akan lebih kecil daripada berat benda (W), sehingga benda akan mengalami gerakan ke bawah menuju dasar wadah air. Konsep ini dikenal sebagai tenggelam.

Contoh Soal Hidrostatis

Sebuah benda berbobot $200 N$ ketika berada di udara. Saat benda tersebut sepenuhnya tenggelam di dalam minyak, beratnya berkurang menjadi $160 N$. Jika massa jenis minyak adalah $800 kg/m³$, hitunglah massa jenis benda tersebut!

Diketahui : 

Berat di udara ($W_u$) = $200 N$

Berat dalam minyak ($W_m$) = $160 N$

Massa jenis minyak ($\rho _m$) = $800 kg/m³$

Ditanya : Massa jenis benda ($\rho _b$) ....?

Jawab : 

Kita tahu bahwa berat dalam fluida ($w_f$) adalah berat di udara dikurangi gaya apung yang dialami oleh benda, seperti rumus berikut:

$$$W_f = W_u -F_a$

Kita juga tahu bahwa gaya apung ($Fa$) dapat dihitung dengan rumus Hukum Archimedes:

$F_a = \rho _f .g.V_b$

Kemudian kita dapat menggabungkan dua rumus di atas dan menggantikan nilai yang diberikan:

$W_m = W_u - (\rho.g.V_b)$

$160 N=200 N-(800 kg/m^3 . 10 m/s^2 . V_b)$

Selanjutnya, kita bisa mencari volume benda yang tenggelam ($V_b$) sebagai berikut : 

$V_b = \frac{200 N - 160N}{800 kg/m^3.10m/s^3} = 0,005m^3 = 5 \times10^{-3}m^3$

Terakhir, kita dapat mencari massa jenis benda ($\rho _b$) dengan rumus massa jenis ($\rho$) yang dihitung sebagai berikut :

$\rho _b = \frac{W_u}{V_b} = \frac{200N}{0,005m^3} = 40.000kg/m^3$

Jadi massa jenis benda tersebut adalah $40.000kg/m^3$.

Baca juga: Materi Fisika Kelas 11 - Besaran, Satuan, dan Dimensi

_________________________________

Dalam mengkaji fluida statis, sobat Pijar akan semakin memahami bagaimana prinsip-prinsip dasar seperti hukum Archimedes dan konsep tekanan hidrostatis mempengaruhi perilaku fluida yang diam. Semoga artikel ini membantu kamu dalam memahami konsep fluida statis dan aplikasinya dalam kehidupan sehari-hari, ya!

Ingin belajar mengenai materi Fluida Statis lebih lanjut? Yuk, belajar di mana saja dan kapan saja bareng Pijar Belajar! Kamu bisa mengakses ribuan konten pelajaran Fisika, Matematika, Biologi, Kimia, hingga Bahasa Indonesia dan Bahasa Inggris hanya dengan sekali berlangganan saja!

Yuk, belajar di Pijar Belajar sekarang juga!