Massa jenis
Massa
jenis adalah pengukuran massa setiap satuan volume
benda. Semakin tinggi massa jenis suatu benda, maka semakin besar pula massa
setiap volumenya. Massa jenis rata-rata setiap benda merupakan total massa
dibagi dengan total volumenya. Sebuah benda yang memiliki massa jenis lebih
tinggi (misalnya besi)
akan memiliki volume yang lebih rendah daripada benda bermassa sama yang
memiliki massa jenis lebih rendah (misalnya air).
Massa jenis berfungsi untuk
menentukan zat. Setiap zat memiliki massa jenis yang berbeda. Dan satu zat
berapapun massanya berapapun volumenya akan memiliki massa jenis yang sama.
Rumus untuk menentukan massa jenis
adalah
dengan
ρ adalah massa jenis,
m adalah massa,
V adalah volume.
Satuan massa jenis dalam 'CGS
[centi-gram-sekon]' adalah: gram
per sentimeter kubik (g/cm3).
1 g/cm3=1000 kg/m3
Massa jenis air murni adalah 1 g/cm3
atau sama dengan 1000 kg/m3
Selain karena angkanya yang mudah
diingat dan mudah dipakai untuk menghitung, maka massa jenis air dipakai
perbandingan untuk rumus ke-2 menghitung massa jenis, atau yang dinamakan
'Massa Jenis Relatif'
Rumus massa jenis relatif = Massa
bahan / Massa air yang volumenya sama
Tekanan
A. Pengertian Tekanan
B. Besar tekanan di definisikan sebagai gaya tiap
satuan luas. Apabila gaya sebesar F bekerja secara tegak lurus dan merata pada
permukaan bidang seluas A, tekanan ada permukaan itu dapat di rumuskan sebagai
berikut:
Keterangan :
P = tekanan (N/m2)
F = gaya (N)
A = luas (m2)
Satuan tekanan dalam SI adalah N/m2 atau
disebut juga Pascal (Pa). untuk tekanan udara kadang-kadang digunakan satuan
atmosfer (atm), cm raksa (cmHg), mmHg (atau torr dari Torricelli) atau milibar
(mb).
Aturan konversinya adalah sebagai berikut :
1 mb = 10-3 bar
1 bar = 105 Pa
1 atm = 76 cmHg = 1,01 x 105 Pa
1 mmHg = 1 torr = 1,316 x 10-3 atm =
133,3 Pa
B. Tekanan Hidrostatik
Pada zat padat, tekanan yang di hasilkan
hanya ke arah bawah (jika pada zat padat tidak diberikan gaya luar lain, pada
zat padat hanya bekerja gaya gravitasi) sedangkan pada fluida, tekanan yang di
hasilkan menyebar ke segala arah.
Tekanan di dalam zat cair disebabkan oleh
adanya gaya gravitasi yang bekerja pada tiap bagian zat cair, besar tekanan itu
bergantung pada kedalaman, makin dalam letak suatu bagian zat cair, semakin
besar tekanan pada bagian itu. Tekanan di dalam fluida tak bergerak yang
diakibatkan oleh adanya gaya gravitasi disebut tekanan hidrostatika.
Teori
tentang tekanan hidrostatika juga dapat dijelaskan dengan mengamati bejana atau
gelas yang berisi air sebagai contohnya. Perhatikanlah gambar berikut ini:
Sehingga
besar tekanan pada alas bejana adalah:
Jadi, besarnya tekanan hidrostatik secara umum di
rumuskan dengan
jika tekanan armosfer di permukaan zat cair itu adalah P0
maka tekanan mutlak pada tempat atau titik yang berada pada kedalaman h adalah
Gaya hidrostatik pada alas bejana
ditentukan dengan rumus sebagai berikut
Sedangkan untuk satu jenis zat cair besar tekanan di dalamnya
tergantung pada kedalamannya. Setiap titik yang berada pada kedalaman sama akan
mengalami tekanan hidrostatik yang sama pula.
"Tekanan hidrostatik pada sembarang titik yang terletak pada satu
bidang datar di dalam satu jenis zat cair yang diam, besarnya sama."
Pernyataan di atas dikenal sebagai hukum utama hidrostatika.
Perhatikan gambar berikut:
Berdasarkan hukum utama hidrostatika dapat dirumuskan:
PA = PB = PC
PD = PE
Hukum utama hidrostatika dapat diterapkan untuk menentukan masa jenis zat cair
dengan menggunakan pipa U. Perhatikanlah gambar berikut!
Dalam hal ini, dua cairan yang digunakan
tidak akan tercampur. Pipa U mula-mula diisi dengan zat cair yang sudah
diketahui massa jenisnya, kemudian salah satu kaki dituangi zat cair yang di
cari massa jenisnya hingga setinggi h1. Kemudian, tarik garis
mendatar AB sepanjang pipa. Ukur tinggi zat cair mula-mula di atas garis AB
(misal : h2)
Menurut hukum utama hidrostatika, tekanan di A sama dengan di B.
I. Hukum Archimedes
Hukum Archimedes menyatakan
bahwa, sebuah benda yang tercelup sebagian atau seluruhnya ke dalam zat cair
akan mengalami gaya ke atas yang besarnya sama dengan berat zat cair yang
dipindahkannya.
Sebuah benda yang tenggelam
seluruhnya atau sebagian dalam suatu fluida akan mendapatkan gaya angkat ke
atas yang sama besar dengan berat fluida fluida yang dipindahkan. Besarnya gaya
ke atas menurut Hukum Archimedes ditulis dalam persamaan :
Fa = ρ v g
Keterangan :
Fa = gaya ke atas (N)
V = volume benda yang tercelup (m3)
ρ = massa jenis zat cair (kg/m3)
g = percepatan gravitasi (N/kg)
Hukum ini juga bukan suatu hukum
fundamental karena dapat diturunkan dari hukum newton juga.
- Bila gaya archimedes sama dengan gaya berat
W maka resultan gaya = 0 dan benda melayang .
- Bila FA>W maka benda akan terdorong
keatas akan melayang.
- Bila FA<W maka benda akan terdorong
kebawah dan tenggelam.
Berdasarkan Hukum Archimedes, sebuah
benda yang tercelup ke dalam zat cair akan mengalami dua gaya, yaitu gaya
gravitasi atau gaya berat (W) dan gaya ke atas (Fa) dari zat cair itu. Dalam
hal ini ada tiga peristiwa yang berkaitan dengan besarnya kedua gaya tersebut
yaitu seperti berikut.
• Tenggelam
Sebuah benda yang dicelupkan ke
dalam zat cair akan tenggelam jika berat benda (w)
lebih besar dari gaya ke atas (Fa).
w > Fa
ρb X Vb X g > ρa X Va X g
ρb > ρa
Volume bagian benda yang
tenggelam bergantung dari rapat massa zat cair (ρ).
• Melayang
Sebuah benda yang dicelupkan ke
dalam zat cair akan melayang jika berat benda (w)
sama dengan gaya ke atas (Fa) atu benda
tersebut tersebut dalam keadaan setimbang.
w = Fa
ρb X Vb X g = ρa X Va X g
ρb = ρa
Pada 2 benda atau lebih yang melayang dalam
zat cair akan berlaku :
(FA)tot = Wtot
rc . g (V1+V2+V3+V4+…..) = W1 +
W2 + W3 + W4 +…..
• Terapung
Sebuah benda yang dicelupkan ke
dalam zat cair akan terapung jika berat benda (w)
lebih kecil dari gaya ke atas (Fa).
w = Fa
ρb X Vb X g = ρa X Va X g
ρb < ρa
Misal : Sepotong gabus ditahan pada dasar
bejana berisi zat cair, setelah dilepas, gabus
tersebut akan naik ke permukaan zat cair
(terapung) karena :
FA > W
rc . Vb . g > rb . Vb . g
rc $rb
Selisih antara W dan FA disebut gaya naik
(Fn).
Fn = FA - W
Benda terapung tentunya dalam keadaan
setimbang, sehingga berlaku :
FA’ = W
rc . Vb2 . g = rb . Vb . g
FA’ = Gaya ke atas yang dialami oleh bagian
benda yang tercelup di dalam zat cair.
Vb1 = Volume benda yang berada dipermukaan
zat cair.
Vb2 = Volume benda yang
tercelup di dalam zat cair.
Vb = Vb1 + Vb 2
FA’ = rc . Vb2 . g
Berat (massa) benda terapung = berat (massa)
zat cair yang dipindahkan
Daya apung (bouyancy) ada 3 macam, yaitu :
1. Daya apung positif (positive bouyancy) :
bila suatu benda mengapung.
2. Daya apung negatif (negative bouyancy) :
bila suatu benda tenggelam.
3. Daya apung netral (neutral bouyancy) :
bila benda dapat melayang.
Bouyancy adalah suatu faktor yang
sangat penting di dalam penyelaman. Selama
bergerak dalam air dengan scuba, penyelam
harus mempertahankan posisi neutral
bouyancy.
Penerapan
Hukum Archimedes
Setelahnya memahami ilmu tentang
pentingnya konsep gaya archimedes kini kita akan lebih mengetahui seberapa
besar ilmu yang ditemukan secara tidak sengaja ini.Penerapan hukum Archimedes
dapat Anda jumpai dalam berbagai peralatan dari yang sederhana sampai yang
canggih, misalnya hidrometer, kapal laut, kapal selam, galangan kapal, balon
udara, dan jembatan ponton.
Hidrometer
Hidrometer merupakan alat untuk mengukur berat jenis atau massa
jeniszat cair. Jika hidrometer dicelupkan ke dalam zat cair, sebagian alat
tersebut akan tenggelam. Makin besar massa jenis zat cair, Makin sedikit bagian
hidrometer yang tenggelam. Hidrometer banyak digunakan untuk mengetahui besar
kandungan air pada bir atau susu.
Hidrometer terbuat dari tabung kaca. Supaya
tabung kaca terapung tegak dalam zat cair, bagian bawah tabung dibebani dengan
butiran timbal. Diameter bagian bawah tabung kaca dibuat lebih besar supaya
volume zat cair yang dipindahkan hidrometer lebih besar. Dengan demikian,
dihasilkan gaya ke atas yang lebih besar dan hidrometer dapat mengapung di
dalam zat cair. Tangkai tabung kaca hidrometer didesain supaya perubahan kecil
dalam berat benda yang dipindahkan (sama artinya dengan perubahan kecil dalam
massa jenis zat cair) menghasilkan perubahan besar pada kedalaman tangki yang
tercelup di dalam zat cair. Artinya perbedaan bacaan pada skala untuk berbagai
jenis zat cair menjadi lebih jelas.
II. Hukum Pascal
Apabila suatu zat cair yang diam dalam suatu
wadah tertutup kemudian dikerjakan suatu gaya dari luar sebesar F/A , maka
tekanan hidrostatik zat cair yang sebelumnya rhg, menjadi rgh + F/A, rumus ini
berlaku untuk semua nilai h. Perhatikan gambar di bawah ini.
Suatu wadah tertutup yang berisi zat cair
diberi tekanan sebesar F/A
Gambar di atas dapat dijelaskan menggunakan
hukum pascal yang berbunyi :
Tekanan yang diberikan pada zat cair di dalam
ruang tertutup akan diteruskan kesegala arah dan semua bagian ruang tersebut
dengan sama besar.
Hukum Pascal dinyatakan oleh seorang ahli
matematika dan fisika berkembangsaan Prancis Blaise Pascal (1623 –
1662). Hukum ini terlahir dari suatu percobaan yang dilakukan oleh Pascal
menggunakan alat penyemprot atau pesawat Pascal seperti tampak pada gambar di
bawah ini .
Dari hasil percobaan , ketika batang
penghisap ditekan , air yang berada di dalam tabung tertekan ke segala arah
sehingga air menyembur ke luar melalui lubang – lubang pada tabung . Semburan
air yang keluar dari lubang – lubang tersebut tekanannya sama rata.
Prinsip hukum Pascal ini banyak digunakan
untuk membuat peralatan hidrolik, seperti dongkrak hidrolik, pompa hidrolik,
rem hidrolik dan mesin pengepres hidrolik. Prinsip ini digunakan karena dapat
memberikan gaya yang kecil untuk menghasilkan gaya yang besar.
Sebuah contoh pemakaian hukum Pascal yaitu
pada dongkrak hidrolik, yang prinsipnya ditunjukkan pada gambar berikut.
Alat ini berupa bejana tertutup yang dilengkapi
dengan dua buah penghisap pada kedua kakinya. Misalnya luas penampang penghisap
A1 dan luas penampang 2 adalah A2 dengan A1 < A2. Jika penghisap 1 diberi
gaya F1 ke bawah, maka zat cair yang berada dalam dalam bejana tersebut akan
mengalami tekanan P1 sebesar F1/A1.
Berdasarkan hukum Pascal , tekanan P1 akan
diteruskan kesegala arah dengan sama besar ke penghisap 2 dengan luas penampang
A2 menerima tekanan P1. Seandainya gaya yang dihasilkan oleh tekanan P1pada
penampang A2 adalah F2, maka akan diperoleh persamaan sebagai berikut.
Karena A2 > A1 maka F2 > F1 , hal ini
yang menyebabkan gaya yang bekerja pada penampang A2 menjadi lebih besar.
