Kapilaritas Dan Fluida [PDF]

Citation preview

MEKANIKA FLUIDA



ZUL FAKHRI NUSKIN D111 15 027



TEKNIK SIPIL FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS HASANUDDIN 2018



MATERI KAPILARITAS Pada musim hujan, sering ditemukan bagian dalam tembok rumah menjadi lembab atau basah. Padahal, tembok tersebut tidak terkena hujan. Atau, kadang kita menemukan lantai rumah menjadi basah, padahal tidak ada air yang tumpah di atasnya. Mengapa peristiwa ini bisa terjadi?



Atau peristiwa yang satu ini juga sering kita alami. Ketika merendam pakaian di dalam ember, mungkin ada bagian pakaian yang tidak terendam ke dalamnya. Setelah beberapa saat kemudian, bagian yang tidak terendam tersebut ikut menjadi basah. Mengapa bisa terjadi demikian? Apakah peristiwa ini ada kaitannya dengan meresapnya air hujan pada bagian dalam tembok rumah?



Penjelasan jawaban mengenai kedua peristiwa di atas akan dibahas pada materi ini, yaitu tentang kapilaritas. Selain kedua peristiwa di atas, juga akan dijelaskan beberapa contoh peristiwa yang sering ditemukan dalam kehidupan sehari-hari yang berkaitan dengan kapilaritas. Dari peristiwa tersebut, juga akan dijelaskan tentang keuntungan dan kerugian dari kapilaritas. 1. Apa itu kapilaritas? Kapilaritas atau gejala kapiler adalah peristiwa naik atau turunnya zat cair melalui celah sempit atau pipa rambut yang dimasukkan sebagian ke dalam zat cair. Celah sempit atau pipa rambut ini disebut sebagai pipa kapiler. Kapilaritas ini terjadi karena pengaruh adhesi dan kohesi. Semakin sempit diameter pipa semakin besar kenaikan zat cair.



2. Bagaimana pengaruh adhesi dan kohesi terhadap peristiwa kapilatitas? salah satu sifat zat adalah gaya Tarik antar partikel. Gaya Tarik antar partikel zat dibedakan menjadi dua jenis yaitu gaya kehesi dan gaya adhesi. Kohesi didefinisikan sebagai gaya Tarik menarik antar partikel sejenis. Kohesi dipengaruhi



jarak antarpartikel dan kerapatan suatu zat. Haya kohesi zat padat lebih kuat jika dibandingkan dengan zat cair maupun gas. Akibat gaya kohesi menyebabkan dua zat tidak akan bercampur walaupun berada dalam satu tempat. Contoh : minyak tidak akanbersatu dengan air ketika berada dalam wadah yang sama. Sedangkan adhesi didefinisikan sebagai gaya Tarik menarik antar partikel yang berbeda jenis. Akibat adanya gaya adhesi akan mengakibatkan dua zat akan melekat bila dicampurkan. Contoh: menempelkan kapur pada papan tulis, bercampurnya kopi dalam air. Akibat adanya gaya kohesi dan adhesi, maka ada tiga kemungkinan yang akan terjadi jika dua zat bercampur: 1. Apabila gaya kohesi lebih besar daripada gaya adhesi maka kedua zat tika akan bercampur. Contoh: minyak goreng. 2. Apabila gaya adhesi sama besar daripada gaya kohesi maka kedua zat akan bercampur merata. Contoh: air yang dicampurkan dengan alcohol. 3. Jika gaya adhesi lebih besar daripada gaya kohesi maka kedua zat akan saling menempel. Contoh: air yang menempel pada kaca. Akibat adanya gaya adhesi dan kohesi tersebut, terjadi peristiwa unik dalam fisika yaitu salah satunya kapilaritas. Zat cair akan naik melalui pipa kapiler apabila zat cair membasahi tabung yaitu ketika gaya adhesi zat cair lebih besar daripada gaya kohesi. Hal ini disebabkan gaya tegangan permukaan sepanjang dinding tabung bekerja ke arah atas. Ketinggian maksimum terjadi pada saat gaya tegangan permukaan setara atau sama dengan berat zat cair yang berada dalam pipa kapiler. Permukaan zat cair akan turun apabila zat cair tidak membasahi tabung yaitu pada saat gaya kohesi lebih besar daripada gaya adesi. Ketika permukaan zat cair naik di dalam pipa kapiler sudut kontak yang terbentuk kurang dari 90⁰ dan ketika permukaan zat cair turun di dalam pipa kapiler maka sudut kontak yang terbentuk lebih dari 90⁰. Sudut kontak merupakan sudut yang terbentuk oleh lengkungan. Kohesi merupakan gaya tarik menarik



antara molekul-molekul dalam zat sejenis, sedangkan adhesi merupakan gaya tarik menarik antara molekul-molekul zat yang tidak sejenis. Gaya kohesi dan gaya adhesi berpengaruh pada gejala kapilaritas. Kapilaritas adalah gejala naik turunnya cairan di dalam pipa kapiler atau pipa kecil. Sebuah pipa kapiler kaca bila dicelupkan pada tabung berisi air akan dijumpai air dapat naik ke dalam pembuluh kaca pipa kapiler, sebaliknya bila pembuluh pipa kapiler dicelupkan pada tabung berisi air raksa akan dijumpai bahwa raksa si dalam pembuluh kaca kapiler lebih rendah permukaannya dibandingkan permukaan raksa dalam tabung. Jadi, kapilaritas sangat tergantung pada kohesi dan adhesi. Air naik dalam pembuluh pipa kapiler dikarenakan adhesi. Sedangkan raksa turun dalam pembuluh pipa kapiler dikarenakan kohesi. Sekarang banyak dikembangkan teknologi yang mendasarkan pada gaya ahdesi maupun kohesi.



3. Bagimana menentukan kenaikan atau penurunan kapilaritas cairan? Untuk memahami bagaimana menentukan kenaikan atau penurunan cairan pada pipa kapiler, perhatikanlah gambar berikut ini. Permukaan zat cair mengadakan kontak dengan pipa sepanjang 2ᴫr. Gaya tegangan permukaan di tiap-tiap titik membentuk sudut θ dengan garis vertikal. Dari persamaan tegangan permukaan, diperoleh F = ᵞd merupakan pipa yang mengdakan kontak dengan zat cair yang besarnya 2ᴫr. oleh karena itu, resultan gaya ke atas adalah:



Berat zat cair dalam pipa setinggi h ialah w = mg. Karena m = Ρv, V = Ah, dan A = 𝜋𝑟 2 , maka persamaan (1) di atas dapat ditulis menjadi:



Resultan gaya yang mengangkat zat cair ke atas = gaya berat zat cair dalam pipa setinggi h, yaitu:



Dengan mensubtitusi persamaan (1) dan (2) ke dalam persamaan (3), maka diperoleh persamaan 2 πγcosθ = 𝜌𝜋𝑟 2 hg. Persamaan ini dapat disederhanakan menjadi:



Keterangan: h = kenaikan atau penurunan cairan dalam pipa kapiler (m) γ = tegangan permukaan (N.m-2) θ = sudut kontak (0) ρ = massa jenis (kg.m-3) g = percepatan gravitasi bumi (9,8 m.s-2) r = jari-jari pipa kapiler (m) Jadi, persamaan di atas adalah persamaan umum yang digunakan untuk menentukan kenaikan atau penurunan airan dalam pipa kapiler. 4. Bagaimana contoh peristiwa kapilaritas dalam khidupan sehari-hari? Beberapa contoh perisitiwa kapilaritas dalam kehidupan sehari-hari adalah sebagai berikut. a. Naiknya air dan zat hara nelalui akar pada tumbuhan hijau b. Naiknya minyak pada sumbu lampu minyak c. Menetesenya air pada ujung kain atau pada ujung kertas. d. Menyebarnya tinta di atas permukaan kertas e. Air yang tergenang dapat diserap oleh kain pel maupun spons. f. Basahnya dinding dalam rumah pada waktu musim hujan.



5. Bagaimana manfaat kapilaritas dalam kehidupan sehari-hari? Manfaat kapilaritas dalam kehidupan sehari-hari adalahs sebagai berikut. a. Pada manusia: hemoglobin (Hb) akan mengambil oksigen dari paru-paru akan dilepaskan pada saat sel darah merah (eritrosit) melewati pembuluh kapiler. b. Pada ikan: filamen pada pembuluh darah insang mengandung pembuluh kapiler untuk memudahkan proses pertukaran oksigen dan karbondioksida. c. Pada tumbuhan: rambut akar dan batang tumbuhan terdiri dari pembuluh kapiler sehingga air dan zat hara dari dalam tanah akan naik menuju batang, dahan, dan ranting tumbuhan.



6. Bagaimana kerugian kapilaritas dalam kehidupan sehari-hari? Kerugian kapilaritas dalam kehidupan sehari-hari adalah sebagai berikut. a. Dinding rumah bagian dalam menjadi basah pada musim hujan. Air hujan yang mengenai dinding luar dapat merembes ke dinding dalam melalui pori-pori dinding. Poripori dalam dinding terbentuk karena campuran adukan semen yang tidak tepat (terlalu banyak mengandung air). Untuk mengatadi masalah ini, tentu saja campuran adukan semen haruslah tepat, sehingga tidak terbentuk pori-pori yang dapat berfungsi sebagai pipa kapiler. b. Lumut yang menempel pada dinding c. Cat pada dinding rumah menjadi rusak karena



MATERI FLUIDA 1. STATIKA FLUIDA Fluida adalah zat yang dapat mengalir. Jadi istilah fluida berlaku untuk zat cair maupun gas. 1.1.



TEKANAN Untuk suatu fluida diam gaya yang bekerja padanya harus selalu tegak lurus dengan permukaan fluida. Fluida diam tidak mampu menahan gaya tangensial yang menyebabkan fluida tersebut. mengalir. Jadi gaya yeng bekerja pada fluida diam adalah gaya normal. Gaya yang bekerja per satuan luas permukaan fluida disebut tekanan (p). p = F/A satuan dari tekanan adalah Pascal (N/m2), satuan lain : 1 bar = 105 Pa 1 atm = 101.325 Pa = 14,7 lb/in2 = 760 mm Hg



1.2.



VARIASI TEKANAN PADA FLUIDA YANG DIAM Perhatikan suatu fluida yang diam, dalam keadaan keseimbang- an.



Elemen fluida setebal dy dengan bentuk cakram mempunyai luas A. Berat elemen tersebut : dW =  g A dy Gaya gaya yang dikerahkan pada elemen tersebut selalu tegak lurus permukaan elemen fluida tersebut.  gaya horizontal resultannya adalah nol. Fluida tidak mempunyai percepatan dalam arah horizontal.  gaya vertikal resultannya juga nol, elemen fluida tersebut tidak mempunyai percepatan dalam arah vertikal. pA = (p + dp).A + dW



pA = pA + A dp +  g A dy dp = -  g dy dp/dy = -  g Tanda negatip menyatakan kalau elevasi bertambah maka tekanannya akan turun. Kuantitas  g disebut berat jenis fluida tsb. Jika p1 adalah tekanan di y1 dan p2 adalah tekanan di y2 , maka p2 y2  dp = -   g dy p1 y1 p2 - p1 = -  g (y2 - y1 ) Bila fluida mempunyai permukaan bebas, dari permukaan bebas inilah nanti jarak akan diukur. Maka y2 dipilih untuk elevasi di permukaan. Tekanan di permukaan merupakan tekanan yang diberikan oleh atmosfir bumi po. po - p = -  g (y2 - y1 ) karena y2 - y1 = h, yaitu kedalam fluida dari permukaan bebas. po - p = -  g h p = po +  g h



1.3. PRINSIP PASCAL Tekanan p di suatu titik di kedalaman h adalah p = po +  g h Bila tekana di permukaan diubah sebesar  po denga cara memberikan gaya F, maka tekanan di titik A berubah sebesar p, apabila massa jenis fluida kostan. p = po dari sini tampak bahwa perubahan tekanan pada permukaan akan diteruskan ke setiap titik pada fluida. Hal ini dinyatakan oleh Blaise Pascal (1623 - 1662) dan disebut hukum Pascal : Perubahan tekanan yang diberikan pada fluida akan diteruskan ke setiap titik pada fluida dan dinding tempat fluida berada.



1.4. PRINSIP ARCHIMEDES Bila sebuah benda dicelupkan di dalam fluida, seluruhnya atau sebagian, maka fluida tersebut akan mengerahkan tekanan kepada permukaan benda yang bersentuhan dengan air. Gaya yang dilakukan oleh fluida ke-pada benda tersebut, disebut gaya apung. Misalkan sebuah silinder dengan luas penampang A dan panjang h.



Gaya oleh fluida pada penampang atas, F1 =



p1 A =  g h1 A



Gaya oleh fluida pada penampang bawah, F2 =



p2 A =  g h2 A



Gaya resultan oleh fluida pada benda tersebut : F = F2 – F1 F =  g h2 A -  g h1 A F =  g A (h2 - h1) F=gAh F=gV Gaya tersebut sebesar berat zat cair yang dipindahkan oleh benda tersebut.