BAB 6

STATIKA FLUIDA

Pada bab ini kita akan mempelajari benda yang memiliki sifat sebaliknya, yaitu
sangat mudah mengalami perubahan bentuk apabila dikenai gaya. Benda tersebut
dinamai fluida. Yang termasuk fluida adalah gas dan zat cair.
Salah satu ciri utama fluida adalah kemampuan untuk mengalir. Di samping itu,
bentuk fluida selalu mengikuti bentuk wadah. Dalam botol, bentuk fluida sama dengan
bentuk botol, dan dalam kotak bentuk fluida sama dengan bentuk kotak. Pada bab ini
kita akan batasi pembahasan pada fluida yang diam, atau fluida statik. Sifat-sifat fluida
yang bergerak atau fluida dinamik akan dibahas pada Bab 7.

6.1 Massa Jenis

Salah satu besaran fisis fluida yang penting adalah massa jenis. Massa jenis
adalah massa fluida per satuan volum. Massa jenis rata-rata fluida memenuhi

m
 (6.1)
V

denga m massa total fluida, V volum total fluida, dan massa jenis fluida. Tabel 1 adalah
massa jenis rata-rata sejumlah fluida. Tetapi jika massa jenis pada berbagai tempat
berbeda-beda, yaitu merupakan fungsi posisi maka massa jenis fluida pada sembarang
titik memenuhi

dm
 (r)  (6.2)
dV

Contoh massa jenis rata-rata yang merupakan fungsi posisi adalah massa jenis gas di
atmosfer. Makin jauh dari permukaan bumi maka massa jenis gas di atmosfer makin
kecil. Air laut juga sedikit mengalami perubahan massa jenis ketika kita makin jauh ke
dasar laut. Penyebabnya adalah makin dalam suatu lokasi maka tekanan pada air laut
makin besar sehingga air laut sedkit mengalami kompresi. Massa jenis gas-gas
pembentuk bindtang juga merupakan fungsi jarak dari pusat bintang. Ketika orang
membuat sebuah material, kadang massa jenis material yang dibuat berbeda-beda pada
posisi yang berbeda.

Fisika Dasar 1 48
Tabel 6.1 Massa jenis beberapa fluida
Fluida Massa Jenis (kg/m3)
Air (pada suhu 4 oC) 1,00 x 103
Air laut 1,025 x 103
Air raksa 13,6 x103
Alkohol 0,79 x 103
Bensin 0,68 x 103
Udara (0 oC, 1 atm) 1,29
Helium (0 oC, 1 atm) 0,179
o
Karbon dioksida (0 C, 1 atm) 1,98
Uap air (100 oC, 1 atm) 0,598

Massa jenis campuran fluida

Jika beberapa fluida yang memiliki massa jenis berbeda dicampur, maka massa
jenis campuran fluida merupakan harga rata-rata massa jenis fluida yang dicampur
tersebut. Berapa massa jenis rata-rata tersebut? Misalkan kita mencapur N buah fluida
dengan massa jenis rata-rata masing-masing <1>, <2>, ..., <N>, dan volum masing-
masing V1, V2, ..., VN. Massa masing-masing fluida tersebut adalah m1 = <1> V1, m2 =
<2> V2, ..., mN = <N> VN. Jika N buah fluida tersebut dicampur maka massa jenis rata-
rata hasil campuran akan bergantung pada volum total hasil pencampuran. Jika fluida
tidak mengalami perubahan vilum setelah pencampuran maka massa jenis rata-rata
adalah

m1  m2  ...  mN

V1  V2  ...  VN

1 V1  2 V2  ...   N VN
 (6.3)
V1  V2  ...  VN

Jika volum fluida setelah dicampur lebih kecil dari jumlah volum fluida mula-mula maka
massa jenis rata-rata lebih besar daripada yang diungkapkan oleh persamaan (6.3).
Sebaliknya, jika volum hasil campuran lebih besar daripada jumlah volum fluida mula-
mula maka massa jenis campuran lebih kecil dari yang diungkapkan oleh persaman (6.3).

Fisika Dasar 1 49
Contoh
Air dan alcohol masing-masing dengan volum 100 mL dan 300 dicampur. Jika dianggap
tidak ada perubahan volum selama pecmapuran, berapa massa jenis rata-rata hasil
pencampuran?

Jawab
Dari Tabel 1 kita peroleh 1 = 1000 kg/m3 = 1 g/mL dan 2 = 790 kg/m3 = 0,79 g/mL.
Massa jenis rata-rata campuran adalah

1V1  2V2 1100  0,79  300

  =0,843 g/mL = 843 kg/m3.
V1  V2 100  300

6.2 Tekanan Hidrostatik

Penyelam yang menyelam cukup dalam di laut biasanya melengkapi diri
dengan alat penutup telinga, di samping alat bantu pernapasan. Jika penutup telinga
tidak dikenakan, seringkali telinga penyelam berdarah. Kenapa hal tersebut terjadi?
Jawabanya adalah karena adanya tambahan tekanan yang dihasilkan air laut pada
tempat yang dalam. Tekanan tersebut mendorong bagian dalam rongga telinga sehingga
menimbulkan pendarahan telinga.

Gambar 6.1 Penyelam mengenakan pakaian khusus sebelum masuk ke dalam laut

Sebelum pesawat terbang, khususnya pesawat jet, tinggal landas, kabin

pesawat diisi udara secukupnya. Pintu pesawat ditutup rapat sehingga udara tidak dapat
mengalir keluar dari kabin. Biasanya sekeliling pintu ada karet pengaman untuk
menghindari kebocoran udara. Hal ini dilakukan karena pada tempat yang tinggi di

Fisika Dasar 1 50
atmosfer, tekana udara sangat rendah dan dapat membahayakan pernapasan manusia.
Dengan menutup rapat kabin pesawat maka udara dari kabin tidak dapat mengalir keluar
saat pesawat berada pada lokasi yang tinggi, sehingga tekanan udara dalam kabin tidak
merosot tajam seperti tekanan udara luar pada ketinggian terbang. Tekanan di dalam
kabin pesawat Boeing 777 sekitar 8,5 PSI (pound per square inch), yaitu kira-kira sama
dengan setengan tekanan atmosfer. Kedua fenomena di atas menunjukkan bahwa
dalam fluida ada tekanan yang dihasilkan oleh fluida itu sendiri. Makin ke dalam, tekanan
yang dihasilkan oleh fluida makin besar.

Gambar 6.2 Ketika tekanan udara dalam kabin pesawat turun secara tiba-tiba maka
masker oksigen jatuh secara otomatis dari atas tempat duduk penumpang

Bagaimana hubungan tekanan tersebut dengan kedalaman lokasi dalam fluida?

Untuk menentukan tekanan tersebut, mari kita lihat Gbr. 6.3.

Gambar 6.3 Menentukan tekanan yang dihasilkan fluida.

Kita ingin menentukan tekanan yang berada pada kedalaman h dari permukaan

Fisika Dasar 1 51
fluida. Untuk itu kita buat sebuah silinder dengan luas penampang A dan panjangnya h.
Salah satu sisi berada di permukaan fluida dan sisi yang lain memuat titik yang kita tinjau.
Volume silinder adalah

V  Ah

Massa silinder adalah

m  V  Ah

Dengan  adalah massa jenis fluid. Dasar silinder menanggung beban fluida di atasnya
sebesar

W  mg  Ahg

Tekanan didefinisikan sama dengan gaya pr satuan luas. Gaya yang dihasilkan oleh
silinder ditanggung oleg bidang seluas A. Dengan demikian, tekanan yang dialami titik
yang berada di dasar silinder, yang merupakan tekanan fluida pada kedalaman h adalah

P
W Ahg

A A

atau

P  gh (6.4)

Tekanan yang diungkapkan oleh persamaan (6.3) disebut tekanan hidrostatik, yang
artinya adalah tekanan yang dihasilkan oleh fluida yang diam.
Contoh
Berapakah tekanan hidrostatik pada dasar sungai yang memiliki kedalaman
10 m? Berapakah gaya yang dilakukan air sungai pada tiap 10 m2 luas dasar sungai?
Jawab
Tekanan hidrostatik pada dasar sungai
P  gh  103 10 10 = 105 Pa

Fisika Dasar 1 52
Besar gaya pada A = 10 m2 adalah
F = P A = 105  10 = 106 N

Sifat Tekanan Hidrostatik

Tekanan hidrostatik memiliki sifat-sifar menarik sebegai berikut
i) Besarnya tekanan hidrostatik hanya bergantung pada kedalaman fluida dan tidak
bergantung pada bentuk wadah. Pada Gbr. 6.4 tinggi permukaan fluda sama. Maka
tekanan hidrostatik sepanjang garis semuanya sama.

Gambar 6.4 Tekanan hidrostatik hanya bergantung pada kedalaman fluida. Tekanan
hidrostatik sepanjang garis horizontal semuanya sama.

ii) Pada bidang sentuh antara fluida dengan benda, gaya yang dihasilkan tekanan
hidrostatik selalu tegak lurus permukaan bidang batas tersebut.

Gambar 6.5 Gaya yang dihasilkan tekanan hidrostatik selalu tegak lurus bidang batas
ntara benda dan fluida.

Fisika Dasar 1 53
 Pengaruh tekanan atmosfer
Tekanan total pada suatu titik dalam fluida merupakan jumlah dari tekanan
yang sudah ada di permukaan fluida dan tekanan hidrostatik. Misalkan fluida dibiarkan
terbuka di udara. Di permukaan fluida sudah ada tekanan, yaitu tekanan atmosfer, Po.
Maka tekanan total pada kedalaman h dari permukaan fluida adalah

PT  Po  gh (6.5)

Po

P=Po+gh

Gambar 6.6 Tekanan total di dalam fluda sama dengan jumlah tekanan di permukaan
dan tekana hidrostatik.

Contoh
Tentukan tekanan hidrostatik dan tekanan total pada kedalamam 25 m di bawah
permukaan laut, jika tekanan di permukaan laut adalah 1,01 x 105 Pa?

Jawab
Berdasarkan Tabel 10.1, massa jenis air laut  = 1,025  103 kg/m3. Tekanan hidrostatik
yang dihasilkan air laut
P  gh  1,025 103 10  25 = 2,56  105 Pa.

Tekanan total pada kedalaman tersebut

PT = Po + P = 1,01  105 + 2,56  105 = 3,57  105 Pa

Pipa Berhubungan
Bagaimana menentukan massa jenis suatu fluida jika timbangan tidak ada? Jika
kita memiliki pipa U atau selang transparan yang dibentuk membentuk huruf U maka
massa jenis fluida dapat ditentukan asal: (i) ada fluida lain yang telah diketahui massa
jenisnya, (ii) kedua fluida tidak bercampur.

Fisika Dasar 1 54
Masing-masing fluida dimasukkan pada masing-masing mulut pipa U. Karena dua fluida
tidak bercampur maka dengan mata akan tampak kolom fluida yang terpisah. Volume
satu fluida cukup banyak dibandingkan dengan volum fluida yang lain sehingga tampak
seperti Gbr 6.7.

Po

Po
h1
h2

A B

Gambar 6.7 Dua jenis fluida dimasukkan dalam pipa U

Ingat, dalam fluida yang sama, titik yang lokasinya berada pada satu garis horizontal
memiliki tekanan yang sama. Pada Gambar 6.7 titik A berada pada fluida 1. Titik B tepat
berada di batas fluida A dan B sehingga masih berada di fluida 1. Dengan demikian,
tekanan di titik A dan B tepat sama.
i) Tekanan di titik A merupakan jumlah dari tekanan udara luar dan tekanan hidrostatik
kolom fluida 1 setinggi h1.
ii) Karena titik B hampir bersentuhan dengan batas dua fluida, maka tekanan di titik B
merupakan jumlah dari tekanan udara luar dan tekanan hidrostatik kolom fluida 2
setinggi h2.
Jadi

PA  PB

Po  1 gh1  Po  2 gh2
atau

1h1  2 h2 (6.6)
dengan 1 massa jenis fluida 1, 2 massa jenis fluida 2, h1 tinggi kolom fluida 1 diukur
dari garis yang sejajar dengan batas dua fluida, dan h2 tinggi kolom fluida 2 diukur dari

Fisika Dasar 1 55
garis yang sejajar dengan batas dua fluida.

Contoh
Minyak dan air dimasukkan secara hati-hati ke dalam masing-masing mulut pipa
U. Minyak dan air tersebut tidak bercampur. Jumlah air yang dimasukkan lebih
banyak daripada minyak. Jika diukur dari garis horizontal yang melalui perbatasan
minyak dan air, tinggi permukaan minyak adalah 27,2 cm sedangkan permukaan air
berada 9,41 cm lebih rendah dari permukaan minyak. Berapakah massa jenis minyak?

Jawab
Informasi yang diberikan soal adalah massa jenis air a = 1000 kg/m3 = 1 g/cm3, hm =
27,2 cm, ha = 27,2 – 9,41 = 17,79 cm. Pertanyaan adalah m = … ? Kita gunakan
persamaan (6.6)

m hm  a ha
atau

a ha  117,79 = 0,654 g/cm3 = 654 kg/m3

m 
hm 27,2

Barometer
Barometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur trkanan udara.
Barometer yang sederhana adalah barometer fluida. Fluida yang umumnya digunakan
adalah air raksa. Bagaimana membuat barometer?
Sebuah pipa dipasangkan tegak. Ujung yang terbuka disebelah bawah
dicelupkan ke dalam fluida. Dari ujung atas pipa pompa vakum dipasang untuk
menyedot udara dalam pipa sehingga terjadi ruang hampa. Akibatnya, fluida dari dasar
pipa didesak oleh tekana udara atmosfer sehingga masuk dan naik sepanjang pipa.
Fluida naik sampai ketinggian tertentu sehingga tekanan hidrostatik yang dihasilkan di
dasar pipa sama dengan tekanan udara luar. Berdasarkan ketinggian tersebut,
bagaimana menentukan tekanan udara luar?

Fisika Dasar 1 56
 Divakumkan

Po Po
A
Po

Gambar 6.8 Cara membuat barometer

Pada Gbr. 6.8 kanan, karena titik A sejajar dengan permukaan fluida di luar,
maka tekanan di titik A sama dengan tekanan udara luar. Karena udara dalam tabung
telah divakumkan maka tekanan udara di atas pemukaan fluida dalam tabung nol.
Tekanan di titik A semata-mata merupakan tekanan hidrostatik kolom fluida di atasnya.
Jadi PA  gh . Karena PA  P0 maka
,

Po  gh (6.7)

Persamaan (6.7) menyatakan bahwa hanya dengan mengukur ketinggian kolom fluida
dalam vakum maka tekanan udara dapat ditentukan. Persamaan ini yang menjadi prinsip
dasar perancangan barometer zat cair seperti barometer air raksa.

Contoh
Berapa tinggi kolom air raksa pada barometer ketika tekanan udara luar 1 atm?
Diketahui 1 atm = 1,013 x 105 Pa.

Jawab
Po = 1,013  105 Pa.
 = 1,36  104 kg/m3
g = 9,82 m/s2
Fisika Dasar 1 57
Maka P
h
1,013 105
g  = 0,76 m
1,36 104  9,82

Tekanan Udara dalam Ruang Tertutup

Untuk mengukur teknan udara dalam ruang tertutup kita dapat menggunakan
fluida dan pipa. Gambar 6.9 adalah contah bagaimana mengukur tekanan tersebut.

Po

A B

Gambar 6.9 Cara mengukur tekanan fluida dalam ruang tertutup

Karena titik A dan B berada pada fluida yang sama dan berada pada satu garis
horizontal maka tekanan kedua titik tersebut sama besar.
Tekanan di titik A: PA  Po  gh

Tekanan di titik B = tekanan udara dalam ruang: PB  P

Jadi tekanan di titik B yang merupakan tekanan udara dalam ruang tertutup adalah

P  Po  gh (6.8)

Contoh
Saat pengukur tekanan udara dalam sebuah tabung tertutup, permukaan air

Fisika Dasar 1 58
raksa di pipa U yang kontak dengan udara luar turun sejauh 1 cm dibandingkan dengan
permukaan air raksa yang kontak dengan udara dalam tabung. Berapakah tekanan
udara dalam tabung?

Jawab
Karena permukaan air raksa yang kontak dengan udara luar lebih rendah, maka
ketinggian h pada persamaan (10.8) diberi nilai negatif. Jadi, h = - 3 cm = - 0,03 m.
Tekanan udara dalam tabung adalah

P  Po  gh  1,013 105  1,36 104  9,82  (0,03) = 9,7  104 Pa.

Kedalaman Sumur
Berapa kedalaman maksimum air sumur agar air bisa dipompa keluar?
Jawabannya adalah sekitar 10 meter! Mengapa? Sebelumnya menjawap pertanyan
tersebut kita perlu tahu bagaimana prinsip kerja pompa air pada sumur (bukan jet pump).

Gambar 6.10 (kiri) Pompa air tangan dan (kanan) pompa air listrik

Prinsip kerja pompa air adalah memevakumkan udara di ujung atas pipa
sehingga air dari permukaan sumur terdesak ke atas. Air dari dalam sumur ditekan oleh
tekanan atmosfer hingga mencapai ketinggian tertentu di mana tekanan atmosfer sama
dengan tekanan hisrostatik kolom air dalam pipa. Misalkan tinggi kolom air naik adalah
h. Misalkan ruang di ujung atas pipa benar-benar vakum. Tekanan hidrostatik yang
dihasilkan oleh kolom air dalam pipa adalah gh. Tekanan ini sama dengan tekanan
atmosfer sehingga terpenuhi

Po = gh
Fisika Dasar 1 59
Dengan demikian tinggin kenaikan zat cair dalam pipa akibat pemvakuman di ujung
atas adalah

Po
h
g
Dengan menggunakan tekanan atmosfer di dasar sumur Po = 1,013 x 105 Pa dan
massa jenis air  = 1000 kg/m3 maka tinggi maksimum kenaikan air dalam pipa adalah

1,013 105
h  10,5 m
103  9,8

Jadi maksimum kenaikan air dalam pipa adalah 10 meter. Kondidi ini tercapai jika ujung
atas pipa benar-benar vakum. Namun, tidak mungkin memvakumkan secara total udara
di ujung atas pipa. Jadi ketingian kenaikan air dalam pipa sedikit lebih kecil dari 10 meter.

6.3 Gaya Angkat Archimedes

Sifat tekanan hidrostatik dalam fluida yang bergantung pada kedalaman
menimbulkan femomena yang menarik, yaitu adanya gaya angkat. Jika sebuah benda
dicelupkan ke dalam fluida, maka bagian dasar benda mendapatkan tekanan yang lebih
besar daripada bagian puncaknya. Akibatnya, gaya yang dialami bagian dasar benda
(arah ke atas) lebih besar daripada gaya yang dialami bagian puncak benda (arah ke
bawah). Hasilnya adalah benda mendapat gaya netto ke atas dari fluida.
Untuk menentukan besarnya gaya angkat ketika benda dimasukkan ke dalam
fluida, mari kita lihat sebuah kubus yang dicelupkan ke dalam fluida.

s
s
s

Gambar 6.11 Sebuah kubus dengan sisi-sisi s dicelupkan ke dalam fluida

Fisika Dasar 1 60
 Tekanan hidrostatik pada sisi atas kubus adalah: P1  gh

 Tekanan hidrostatik pada sisi bawah kubus adalah: P2  g(h  s)

 Luas tiap sisi kubus adalah: A  s 2

 Gaya ke bawah pada sisi atas kubus: F1  P1 A  ghA
 Gaya ke atas pada sisi bawah kubus: F2  P2 A  g(h  s) A

 Sisi kiri dan sisi kanan kubus menghasilkan gaya yang sama besar tetapi berlawanan arah
sehingga saling meniadakan.
 Begitu pula sisi depan dan sisi belakang kubus menghasilkan gaya yang sama besar tetapi
berlawanan arah sehingga saling meniadakan
 Dengan demikian, gaya total yang dihasilkan fluida pada kubus adalah gaya ke atas yang
besarnya

FA  F2  F1  g(h  s) A  ghA  gsA

Tetapi sA = V , yaitu volum benda, sehingga dapat ditulis

FA  gV (6.9)

dengan  massa jenis fluida, g percepatan gravitasi, dan V : volume benda yang tercelup
dalam fluida. Persamaan (6.9) sering disebut gaya angkat Archimedes. Persamaan
tersebut menjelaskan banyak peristiwa seperti terapungnya kapal laut, terapung,
tenggelam dan melayangnya kapal selam.

Gambar 6.12 Tanker dan kapal selam yang begitu besar massanya tidak tenggelam
karena adanya gaya angkat

Fisika Dasar 1 61
Titanic
Kapal pesiar besar R.M.S. (Royal Mail Ship) Titanic dibuat di Belfast, Irlandia
oleh Harland and Wolff Shipbuilders. Diperlukan waktu dua tahun dengan jumlah tenaga
kerja 3 000 orang untuk merampungkan kapal tersebut. Biaya yang dihabikan adalah
7,5 juta dolar tahun itu ( setara dengan 140 juta dolar tahun 2004). Panjang kapal adalah
882,5 kaki dan memiliki empat cerobong. Berat kapal adalah 46 000 ton. Hanya tiga
cerobong yang berfungsi sebagai lubang asap dan satu cerobong berfungsi sebagai
ventilasi udara.
Titanic mulai berlayar dari dok White Star di Southampton, Inggris, dalam
perjalanan menuju New York pada tanggal 10 April 1912. Pada jam 6:35 sore kapal
merapat di Cherbourg, Perancis. Titanic kemudian meninggalkan Cherbourg pada jam
8:10 malam dan tiba di Iralandia siang hari tanggal April 11. Kemudian kapal
meninggalkan Irlansia pada jam 1:30 siang.
Pada tanggal 14 April jam 11:40 malam Titanic menabrak gunung es di samudra
Atlantik Utara di lepas pantai Newfoundland. Gunung es tersebut menciptakan lubang di
lambung. Dari lubang tersebut diperkirakan sekitar 16,000 kaki cubic air masuk hanya
dalam waktu 40 menit. Tanggal 15 April jam 12:45 siang sekoci mulai diturunkan dari
kapal untuk menyelamatkan penumpang. Jam 1:15 siang kapal mulai turun ke bawah.
Kapal kemudian tenggelam pada jam 2:20 siang.

Gambar 6.13 (kiri) Titatic saat berlayar. Gaya angkat yang besar menyebabkan kapal
terapung di laut. (kanan) Masuknya air ke dalam Titaic akibat lambung obek karena
menabrak gunung es menyebabkan berat total lebih besar dari gaya angkat sehingga
kapal tenggelam ke dasar samudera.

Contoh
Sebuah benda ditimbang beratnya dengan neraca pegas. Saat benda
menggantung bebas di udara berat benda adalah 2 N. Tetapi ketika dicelupkan ke dalam
air, pembacaan neraca adalah 1,5 N. Jika diketahui massa jenis air 1 g/cm3, berapakah

Fisika Dasar 1 62
volum benda?

Jawab
Gaya angkat yang dialami benda FA = 2 N – 1,5 N = 0,5 N
Massa jenis air  = 1 g/cm3 = 10-3 kg/10-6 m3 = 103 kg/m3.
Dengan menggunakan hokum Archimedes maka

FA
V  
0,5
 5 105 m3
g 10 10
3

Fisika Dasar 1 63
6.4 Tenggelam, Melayang, dan Terapung
Gaya ke atas yang dialami benda dalam fluida berharga maksimum jika
seluruh bagian benda tercelup ke dalam fluida. Besarnya gaya ke atas maksiumum
tersebut adalah

FA,maks   f gVb (6.10)

dengan FA,maks gaya ke atas yang dialami benda jika seluruh bagian benda tercelup
dalam fluida, f mass jenis fluida, g percepatan gravitasi, dan Vb volum total benda. Berat
benda sendiri adalah

W  mb g  bVb g (6.11)

dengan b massa jenis benda.

Ketika kita menempatkan benda ke dalam fluida maka akan terjadi salah satu
dari tiga kemungkinan: benda kan terapung, benda akan melayang, dan benda akan
tenggelam. Apa syarat terjadinya fenomena tersebut? Mari kita bahas.

Tenggelam
Benda akan tenggelam jika gaya ke atas maksimum yang dialami benda lebih
kecil daripada berat benda. Jadi, syarat benda tenggelam adalah

W  FA,maks (6.12)

Persyaratan di atas dapat ditulis sebagai

b gVb   f gVb

b   f (6.13)

Melayang
Benda dikatakan melayang jika saat benda ditempatkan di suatu titik dalam
fluida, benda tidak bergerak naik ataupun turun. Ketinggian benda selalu sama. Ini hanya
terjadi jika gaya angkat ke atas maksimum sama besar dengan berat benda. Jadi syarat
benda melayang adalah

W  FA,maks (6.14)

Fisika Dasar 1 64
Persyaratan di atas dapat ditulis sebagai

b gVb   f gVb

atau

b   f (6.15)

Untuk benda yang melayang ini, jika benda mula-mula diletakkan di atas permukaan
fluida di mana ada bagian benda yang menyembul, maka benda tersebut akan tercelup
dengan sendirinya ke dalam fluida hingga tidak ada lagi bagian yang menyembul.
Selanjutnya benda diam (tidak bergerak ke atas atau ke bawah).

Terapung
Benda terapung di permukaan fluida jika ada bagian benda yang menyembul di
atas permulaan fluida. Jika seluruh bagian benda dicelupkan ke dalam fluida kemudian
dilepaskan maka benda bergerak ke atas dan berhenti ketika ada sejumlah tertentu
bagian benda yang menyembul di atas permukaan fluida. Ini hanya terjadi jika gaya ke
atas maksimum yang dialami benda (ketika seluruh bagian benda tercelup dalam fluida)
lebih besar daripada berat benda. Jadi, syarat benda terapung adalah

W  FA,maks (6.16)

Persyaratan di atas dapat ditulis sebagai

b gVb   f gVb

atau

b   f (6.17)

Benda yang terapung selalu diam di permukaan fluida. Saat di permukaan ini berat
benda persis sama dengan gaya ke atas yang dimiliki benda. Misalkan volume benda
yang tercelup adalah V1 dan volume yang menyembul di atas fluida adalah V2 maka

V  V1  V2 (6.18)

Gaya ke atas yang dialami benda adalah

Fisika Dasar 1 65
 FA   f gV1 (6.19)

sedangkan berat benda adalah

W  bVg

Karena benda tidak bergerak ke atas atau ke bawah lagi (seimbang) maka

FA  W (6.20)
atau

 f gV1  bVg

atau  
 
V1  b V (6.21)

FA < FA,maks

FA = FA,maks
W
FA = FA,maks

W
Tenggelam Melayang Mengapung

Gambar 6.14 Tenggelam, melayang, dan terapung.

Fisika Dasar 1 66
Contoh
Sebuah benda yang bentuknya tidak teratur dimasukkan ke dalam air. Tampak
bahwa 10% volum benda menyembul di atas permukaan air. Ketika dimasukkan ke
dalam suatu jenis fluida, volume benda yang menyembul adalah 25%. Berapakah massa
jenis fluida kedua tersebut?

Jawab
Ketika dimasukkan dalam air, volum benda yang menyembul adalah V2 = 10%  V = 0,1
V. Volum benda yang tercelup dalam fluida adalah V1 = V-V2 = V – 0,1 V = 0,9 V. Dengan
demikian massa jenis benda adalah

  0,9V a  0,9 1000 = 900 kg/m3

V1
 
b a
V V

Ketika dimasukkan ke dalam zat cair lain, voum benda yang menyembul adalah V2 =
25%  V = 0,25 V. Volum benda yang tercelup adalah V1 = V-V2 = V – 0,25 V = 0,75 V.
Massa jenis fluida menjadi

V V
 c     900 = 1 200 kg/m3
b b
V1 0,75V 0,75

6.5 Hukum Pascal

Hukum Pascal menjelaskan sifat fluida yang mampu mentransfer tekanan dari
satu titik ke titik lain dalam fluida. Hukum Pascal berbunyi jika satu bagian fluida dalam
wadah tertutup diberi penambahan tekanan maka seluruh bagian lain fluida
tersebut mendapat penambahan tekanan yang sama besarnya.

A
A B
B

Gambar 6.15 Penambagan tekanan fluida di titik A mencapai juga titik B

Misalkan tekanan di posisi A dinaikkan sebesar P. Tekanan di titik B juga mengalami
kenaikan sebesar P. Sifat ini berbeda dengan zat padat. Jika ujung batang besi ditekan
maka ujung yang lain, atau bagian yang lain belum tentu mendapat tekanan.

Fisika Dasar 1 67
Dongkrak hidrolik
Kalian telah melihat dongkrak bukan? Hanya dengan putaran ringan saja,
sebuah dongkrak dapat mengangkat mobil yang bobotnya sangat besar. Mengapa dapat
terjadi? Hal ini akan kita bahas berikut ini. Salah satu jenis dongkrak yang banyak dipakai
adalah dongkrak hidrolik. Cara kerja dongkrak ini menggunakan hukum Pascal.
Konfigurasi dongkrak sangat mirip dengan pipa U, tetapi penampang salah satu pipa
jauh lebih besar daripada penampang lainyya. Pipa yang berpenampang besar
dilengkapi dengan system pengangkat benda, sedangkan pipa yang berpenampang
kecil dilengkapi dengan system putaran tangan.

F1 A1 A2 F2
A B

Gambar 6.16 Konfigurasi dongkrak hidrolik

Tekanan input diberikan pada titik A. Titik B yang berada di bawah piston besar akan
mendapatkan tekanan output yang sama besarnya. Misalkan luas penampang pipa kecil
A1 dan pipa besar A2. Tekanan pada piston pipa kecil

F1
A 
P (6.22)
A1

Tekanan pada piston pipa besar

F2
P
B (6.23)
A2

Karena PA = PB maka

Fisika Dasar 1 68
 F1 F2
 (6.24)
A1 A2

Dengan hubungan di atas maka gaya yang perlu dilakukan oleh tengan untuk
mengangkat benda yang beratnya F2 hanyalah F1  ( A1 / A2 )F2 .

Fisika Dasar 1 69
6.6 Tegangan Permukaan
Banyak pengamatan menarik tentang permukaan fluida. Jarum yang diletakkan
perlahan-lahan di atas permukaan fluida tetap mengambang asalkan tidak basah
meskipun massa jenis jarum lebih besar daripada massa jenis fluida. Pada tempat jarum
diletakkan, permukaan fluida sedikit melengkung ke bawah mengikuti kontour
permukaan jarum. Fenomena ini memperlihatkan bahwa permukaan fluida berperan
sangat mirip dengan membran yang direntangkan. Jarum akan masuk tenggelam ke
dalam fluida jika permukaan fluida tertusuk, yang mirip dengan robeknya membran.
Karena permukaan fluida mirip dengan membran yang direntangkan, maka
permukaan fluida menarik benda pada tepinya dengan gaya yang sejajar permukaan.
Contohnya, air yang ada dalam gelas. Pada tempat kontak dengan gelas, permukaan
air menarik dinding gelas. Berapakah besar gaya tariuk oleh permukaan fluida?

Udara

Fluida

Gambar 6.17 Jarum terapung di atas permukaan fluida

Dari hasil pengamatan diperoleh bahwa besarnya gaya tarik oleh permukaan
fluida pada tempat kontak dengan zat padat adalah

F  L (6. 25)

dengan F gaya oleh permukaan fluida, L panjang garis kontak antara permukaan fluida
dengan zat padat, dan  konstanta yang dikenal dengan tegangan permukaan fluida.
Tegangan permukaan beberapa fluida tampak pada Tabel 6.2

Tabel 6. 2 Tegangan permukaan beberapa fluida

Fluida Tegangan permukaan (N/m)
o
Air raksa (20 C) 0,44
Alkohol (20 oC) 0,023
Air (0 oC) 0,076
o
Air (20 C) 0,072
Air (100 oC) 0,059
Benzen (20 oC) 0,029

Fisika Dasar 1 70
UJI KOMPETENSI
1) Dongkrak hidrolik memiliki perbandingan perbandingan luas penampang output dan
input sebesar 40. Jika gaya maksimum yang dapay diberikan di lengan imput 200 N,
tentukan massa maksimum yang dapat diangkat dongkrak.
2) Sebuah pipa U yang berisi air raksa digunakan untuk mengukur tekanan udara
dalam ruang tertutup. Selisih tinggi permukaan air raksa dalam pipa adalah 10 cm.
Jika salah satu ujung pipa bersentukan langsung dengan atmosfer, tentukan tekanan
udara dalam ruang tertutup tersebut.
3) Sebuah pipa U yang berisi air raksa berada dalam posisi tegak. Masing-masing ujung
pipa dihubungan dengan wadah bersisi gas dalam ruang tertutup. Tampak bahwa
permukaan air raksa dalam pipa memiliki perbedaan ketinggian 8 cm. Tentukan
perbedaan tekanan gas dalam dua wadah tersebut.
4) Jika barometer air raksa yang sedang mengukur tekanan 1 atm dimiringkan hingga
membentuk sudut 45o terhadap horizontal, berapakah panjang kolom air raksa dalam
barometer tersebut?
5) Ketika sepotong kayu diletakkan di air, sebanyak 20% volumnya menyembul di atas
permukaan air. Berapa persen volum katu tersebut yang menyembul jika diletakkan
dalam fluida yang memiliki massa jenis 1,2 g/cm3?
6) Berapa ketebalan lapisan atmosfer jika massa jenis udara dianggap sama untuk
semua ketinggian, yaitu 1,29 kg/m3.
7) Berapa fraksi aluminium yang tercelup dalam air raksa ketika batang aluminium
mengapung di atas air raksa? Massa jenis aluminium adalah 2700 kg/m3.
8) Massa jenis baja jauh lebih besar daripada massa jenis air laut. Mengapa kapal
laut yang terbuat dari baja bisa terapung di atas air laut?

Fisika Dasar 1 71