Fluida Statis: Tekanan Hidrostatika dan Penerapannya

A. FAKTA

Pernahkah kalian menyelam? Apa yang kalian rasakan ketika mencapai kedalaman tertentu?  Dapatkah kalian bertahan dalam waktu yang lama pada kedalaman tersebut?  Peristiwa tersebut adalah salah satu contoh peristiwa pada fluida statis. Sudah tahukah kalian dengan apa yang dinamakan fluida? Fluida adalah zat yang bisa mengalir. Contohnya adalah zat cair dan zat gas. Sedangkan statis artinya diam. Berarti fluida statis mempelajari tentang sifat-sifat fluida (zat alir) yang diam. Untuk lebih memahaminya ikuti uraian berikut. 

B. Konsep

1. Massa jenis adalah pengukuran massa setiap satuan volume benda
2. Tekanan adalah gaya per satuan luas

C. Prinsip

1. Tekanan yang dihasilkan fluida menyebar ke segala arah
2. Tekanan pada kedalaman yang sama dalam zat cair sejenis adalah sama
3. Besarnya tekanan hidrostatik tidak bergantung pada bentuk wadah
4. Tekanan hidrostatik hanya bergantung pada massa jenis fluida, percepatan gravitasi, dan kedalaman

D. Materi Pembelajaran

TEKANAN HIDROSTATIKA
Fluida statis atau hidrostatika merupakan salah satu cabang ilmu sains yang membahas karakteristik fluida saat diam. Fluida statis bermanfaat untuk menjelaskan fenomena-fenomena seperti kenaikan besar tekanan air terhadap kedalamannya dan perubahan besar tekanan atmosfer terhadap ketinggian pengukuran dari permukaan laut.

Tekanan hidrostatis menekan ke segala arah dan didefinisikan sebagai gaya yang diberikan pada luasan yang diukur atau dapat dihitung berdasarkan kedalamaan objeknya dengan persamaan:

Keterangan:

P_h = Tekanan Hidrostatis (Pa)

ρ = massa  jenis

g = besar percepatan gravitasi

h = titik kedalaman yang diukur dari permukaan air (m)

Tambahan:

Massa jenis air = 1000 kg/m³ atau 1 gr/cm³

Massa jenis raksa = 13600 kg/m³ atau 13,6 gr/cm³

Karena volume tidak berpengaruh pada besarnya tekanan hidrostatik, apapun bentuk wadahnya jika kedalamannya sama akan menghasilkan tekanan hidrostatik yang sama pula. Seperti diperlihatkan gambar berikut:

Tekanan Mutlak

Tekanan mutlak merupakan tekanan total hasil penjumlahan tekanan hidrostatik dengan tekanan atmosfer (udara). Seperti ditunjukkan rumus berikut:

Bukan hanya zat cair saja, namun udarapun memiliki tekanan yang disebut tekanan atmosfer (udara), sehingga jika dihitung secara total antara tekanan udara yang menekan zat cair dalam wadah tentu akan semakin besar.  Perhatikan gambar berikut: Pair maksud (air = udara).

Besarnya tekanan atmosfer pada keadaan normal adalah 1 atm (satu atmosfer) = 10⁵ Pa

CONTOH SOAL

Sebuah benda berada pada kedalaman 50 meter di bawah permukaan air.  Jika massa jenis air 1000 kg/m³, percepatan gravitasi bumi 10 m/s² dan tekanan udara luar 10⁵ N/m, tentukan :

a) tekanan hidrostatis yang dialami benda
b) tekanan total yang dialami benda

Penyelesaian

Diketahui: h = 50 m, ρ = 1000 kg/m³ , g = 10 m/s²

Ditanya   : P_h = ......?

Jawab     : 

a) tekanan hidrostatis yang dialami benda adalah: 

                 P_h = ρ g h

                 P_h = 1000 (10) (50) 

                 P_h = 500.000 Pa

                 P_h = 5 x 10⁵ Pa

b) tekanan total yang dialami benda adalah :  

                 P = P_h  +  Patm      

                 P =  5 x 10⁵  + 10⁵

                 P =  6 x 10⁵ Pa

HUKUM POKOK HIDROSTATIKA

Bejana berhubungan pada Gambar dibawah berisi fluida sejenis. Jika kita perhatikan masing-masing bejana mempunyai bentuk yang berbeda-beda. Titik A, B, C, dan D mempunyai kedalaman yang sama. Perlu kita ingat, tekanan hidrostatik pada suatu titik bergantung pada massa jenis fluida dan kedalaman titik dari permukaan fluida.

Sehingga bentuk bejana yang berbeda-beda tidak berpegaruh terhadap tekanan hidrostatik pada setiap titik. Fenomena ini akan membawa kalian pada Hukum Pokok Hidrostatika. Bunyi Hukum Pokok Hidrostatika adalah semua titik yang terletak pada kedalaman yang sama dan dalam fluida yang sama, maka besar tekanan hidrostatisnya sama besar.

Hukum pokok hidrostatika dapat digunakan untuk menentukan massa jenis fluida dengan menggunakan pipa U seperti gambar disamping. Zat cair yang sudah diketahui massa jenisnya (ρ₂) dimasukkan dalam pipa U, kemudian zat cair yang akan dicari massa jenisnya (ρ₁) dituangkan pada kaki yang lain setinggi h₁. Adapun h₂ adalah tinggi zat cair mula-mula, diukur dari garis batas kedua zat cair. Berdasarkan hukum pokok hidrostatika, maka:

Aplikasi Tekanan Hidrostatis Dalam Kehidupan Sehari-hari

1. Menyelam

Ketika berenang, semakin dalam kamu menyelam maka kamu akan merasakan telingamu semakin sakit. Ini dikarenakan semakin mendekati dasar, tekanan hidrostatisnya semakin besar.

2. Pembuatan bendungan, kolam renang, dan gelas

Dinding bendungan bagian bawah didesain lebih tebal dari bagian atas didasarkan pada 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. Hal ini juga berlaku pada pembuatan kolam renang. Dasar kolam bisa dipertebal pada samping luar yang berarti luas dasar sama besar dengan luas permukaan. Atau bisa pula dipertebal pada samping dalamnya seperti bentuk gelas yang mengecil pada bagian bawahnya. Volume cairan yang lebih sedikit pada dasar mampu mengurangi tekanan yang dihasilkan. Ini ditujukan agar besarnya tekanan tidak menyebabkan kerusakan pada dasarnya.

3. Pemasangan infus

Sebelum infus dipasang, perlu dilakukan pengukuran tekanan darah pasien. 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 adalah darah pasien yang akan mengalir melalui selang infus menuju kantong infuse.

4. Lubang keran tangki penampungan air

Kalau kamu perhatikan, posisi keran pada tangki air diletakkan di sebelah bawah. Selain agar keseluruhan air dalam tangki dapat dialirkan, posisi keran di bawah ini juga dapat menjadikan aliran lebih deras. Ini disebabkan oleh tekanan hidrostatis pada dasar tangki yang besar, ditambah tekanan yang berasal dari permukannya yang menekan ke bawah.

Latihan Soal-soal

Soal 01

Sebuah benda berada pada kedalaman 10 meter di bawah permukaan air.  Jika massa jenis air 1000 kg/m³, percepatan gravitasi bumi 10 m/s². Maka tekanan hidrostatis yang dialami benda adalah ....

A. 10² Pa

B. 10³ Pa

C. 10⁴ Pa

D. 10⁵ Pa

E. 10⁶ Pa

Soal 02
Dari soal nomor 01 diatas, maka tekanan total yang dialami benda adalah ....
A. 2 x 10² Pa
B. 2 x 10³ Pa
C. 2 x 10⁴ Pa
D. 2 x 10⁵ Pa
E. 3 x 10⁶ Pa

Soal 03

Seekor ikan menyelam di laut (ρ_{air laut} = 1,013 gram/cm³) ikan mengalami tekanan hidrostatis yang sama dengan tekanan atmosfer. Maka kedalaman ikan tersebut, jika percepatan gravitasinya g = 10 m/s²adalah ...

A. 5 m

B. 10 m

C. 15 m

D. 20 m

E. 10 m

Soal 04

Soal 05

Soal 06

Soal 07

Pipa U pada gambar dibawah ini digunakan untuk mengetahui massa jenis minyak. Jika beda tinggi kolom minyak dan air adalah 2 cm dan diketahui massa jenis air 1.000 kg/m³, maka massa jenis minyak adalah ..... 

A. 750 kg/m³

B. 800 kg/m³

C. 850 kg/m³

D. 900 kg/m³

E. 1000 kg/m³

DAFTAR PUSTAKA

Foster, Bob. 1999. Terpadu Fisika SMU Jilid 1B. Jakarta: Erlangga.

Haryadi, Bambang. 2009. Fisika SMA/MA. Jakarta: Pusat Perbukuan Departemen Pendidikan Nasional.

Humaidi, A. H. & Maksum. 2009. Fisika untuk SMA/MA. Jakarta: Pusat Perbukuan Departemen Pendidikan Nasional.

Kamajaya. 2007. Cerdas Belajar Fisika. Bandung: Grafindo.

Widodo, Tri. 2009. Fisika untuk SMA/MA. Jakarta: Pusat Perbukuan Departemen Pendidikan Nasional.