Fluida Statis

Apakah Superman bisa mengunakan sedotan untuk menghisap air dengan kedalaman 11 meter? Pertanyaan ini dijawab dengan pendekatan Fisika, khususnya konsep Fluida Statis! 🙂

Beberapa waktu yang lalu ada murid yang ngasih pertanyaan yang menarik. Pertanyaannya gini:

Bisa nggak Superman menggunakan sedotan untuk menghisap air yang kedalamannya 11 meter?

superman-vs-glasswater

Gue juga nggak tau sih, kenapa harus Superman. Kalau Superman-nya diganti jadi Gatot Kaca, Son Goku, atau Powerpuff Girls juga boleh kok 🙂 Yang akan kita bahas di sini bukan superhero-nya. Tapi lebih ke konsep Fisika dari sedotan, terutama yang terkait sama Tekanan Fluida.

Sebelum kita jawab pertanyaan itu, kita harus tau dulu nih, apa sih yang bikin kita bisa menyedot air minum pakai sedotan. Jadi konsepnya gini. Kalau sedotannya cuma kita masukkan ke dalam gelas, maka nggak ada air yang keluar kan? Kenapa bisa begitu? Karena perbedaan tekanan antara dasar sedotan dengan ujung atas sedotan nggak cukup besar untuk mengangkat air ke atas. Biar kebayang maksudnya gimana, coba lihat gambar di bawah.

tekanan-ujung-sedotan

Di gambar, gue kasih label P_1 dan P_2 berturut-turut untuk tekanan di dasar sedotan dan tekanan di ujung atas sedotan. Nah, besar P_1 bisa dicari dengan persamaan ini

    <span class="ql-right-eqno"> (1) </span><span class="ql-left-eqno">   </span><img src="https://www.zenius.net/blog/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-90a6100e54f48e6490815df72a5a99d9_l3.png" height="17" width="128" class="ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format" alt="\begin{align*} P_1 = P_0 + \rho.g.h_1 \end{align*}" title="Rendered by QuickLaTeX.com"/>

Di mana P_0 itu tekanan udara di atmosfer, \rho massa jenis air, dan h_1 kedalaman air. Bagian \rho.g.h_1-nya itu adalah tekanan hidrostatis. Kalau pengen tau kenapa rumus tekanan hidrostatis itu kayak gitu, tonton video ini deh:

Kalau mau tau lagi kenapa rumusnya jadi

    <span class="ql-right-eqno"> (2) </span><span class="ql-left-eqno">   </span><img src="https://www.zenius.net/blog/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-90a6100e54f48e6490815df72a5a99d9_l3.png" height="17" width="128" class="ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format" alt="\begin{align*} P_1 = P_0 + \rho.g.h_1 \end{align*}" title="Rendered by QuickLaTeX.com"/>

, bisa lanjutin lagi tonton video Fluida Statis di zenius.net, di bagian tekanan mutlak pada zat cair.

Kalau sedotannya didiemin aja, maka tekanan pada P_2 akan sama dengan tekanan atmosfer, yaitu P_0. Dan ini nggak akan cukup untuk mengangkat air ke atas. Sekarang, supaya air bisa tersedot ke atas, berapa besar tekanan di P_2? Kita lihat lagi gambarnya di bawah :

air-terangkat-dalam-sedotan

 

Gambar tersebut adalah kondisi di mana air bisa terangkat ke atas. Dari gambar, kita bisa lihat kalau P_2 bisa dihitung:

\Delta P = P_1-P_2 = \rho.g.h_2

Di mana h_2 itu adalah tinggi sedotan (jarak dari dasar sedotan ke bagian atas sedotan). Kalau gitu kita substitusi persamaan (1) ke P_1, sehingga:

    <span class="ql-right-eqno"> (3) </span><span class="ql-left-eqno">   </span><img src="https://www.zenius.net/blog/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-f0825ea28f89060cb0b6e15c6669cf0a_l3.png" height="70" width="291" class="ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format" alt="\begin{align*} P_0 + \rho.g.h_1-P_2 &= \rho.g.h_2 \nonumber \\ P_2 &= P_0 - \rho.g.(h_2-h_1) \nonumber  \\ P_2 &= P_0 - \rho.g.\Delta h \end{align*}" title="Rendered by QuickLaTeX.com"/>

Jadi nilai P_2 sebenernya cuma bergantung sama \Delta h aja, yaitu jarak antara permukaan air ke ujung atas sedotan. Variabel lainnya biasanya udah fixed. Misalnya kita mau menyedot air di gelas dengan jarak \Delta h = 10 cm (atau 0,1m), berarti dari persamaan (2) kita bisa langsung hitung nilai P_2 gini:

    <span class="ql-right-eqno">   </span><span class="ql-left-eqno">   </span><img src="https://www.zenius.net/blog/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-af6643d6bbc9459634731cca38cdbfe7_l3.png" height="103" width="209" class="ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format" alt="\begin{align*} P_2 &= P_0 - \rho.g. \Delta h \\ &= 10^5-(1000)(10)(0,1) \\ &= 10 \times 10^4 - 0,1 \times 10^4 \\ &= 9,9 \times 10^4 Pa \end{align*}" title="Rendered by QuickLaTeX.com"/>

Nah, jadi kita cuma butuh membuat tekanan di mulut menjadi 9,9 \times 10^4 Pa untuk bisa menyedot air tersebut. Btw, ini sebenernya perhitungan kasar aja yah. Angka-angka yang dimasukin juga pakai pembulatan (seperti angka gravitasi dan tekanan udara*). Tapi, yang penting lo dapet konsepnya lah.

sedikit catatan tentang pembulatan gravitasi dan tekanan udara (klik aja)

*) Di perhitungan ini, gue pake nilai tekanan udara P_0 = 10^5 Pa dan gravitasi g = 10 m/s^2. Tapi sebenernya tekanan udara dan gravitasi ini beda-beda di setiap tempat, dan angka yang lebih akurat adalah P_0 = 1,01 \times 10^5 Pa dan g = 9,8 m/s^2. Dan untuk simplifikasi, perhitungan ini juga mengabaikan aturan angka penting.

Ketika kita menggunakan sedotan, diafragma di bawah paru-paru kita turun, sehingga paru-paru mengembang dan membuat tekanan udara di paru-paru turun. Ini juga membuat tekanan udara di mulut turun.

Sekarang kita bisa balik lagi ke pertanyaan awal. Superman bisa nggak ya menyedot air kalau kedalamannya 11 meter?

Superman kan hebat banget. Anggap aja dia bisa bikin tekanan udara di mulutnya keciiil banget, sampai nol. Hal ini bisa terjadi kalau Superman bisa bikin mulutnya menjadi hampa udara (vacuum). Kalau gitu, kita masukin aja nilai P_2 = 0 ke persamaan (2) untuk mencari nilai \Delta h yang mungkin. Coba yah.

    <span class="ql-right-eqno">   </span><span class="ql-left-eqno">   </span><img src="https://www.zenius.net/blog/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-6135c37c9336f2b67029a3c5cc0474d2_l3.png" height="116" width="215" class="ql-img-displayed-equation quicklatex-auto-format" alt="\begin{align*} P_2 &= P_0 - \rho.g. \Delta h \\ 0 &= 10^5-(1000)(10)(\Delta h) \\ \Delta h &= \frac{10^5}{1000.10} \\ &= 10m \end{align*}" title="Rendered by QuickLaTeX.com"/>

Jadi kelihatan kan kalau kedalaman maksimum untuk menyedot air itu adalah 10 meter. Artinya, kalau dia mau menyedot air yang kedalamannya 11 meter, dia harus membuat tekanan di mulutnya menjadi kurang dari nol, which is impossible.

Tapi ya… namanya juga Superman. Dia udah berkali-kali melanggar hukum Fisika di komiknya. Jadi, kalau si pengarang komik ini bikin cerita tentang Superman yang bisa menyedot air di kedalaman 11 meter, sah-sah aja. Dan tergantung fantasi lo juga Superman ini bisa atau nggak 🙂

Biar konsep fluida-nya makin OK, lo lanjut tamatin deh video kita di zenius.net. Ini link-nya:

Fluida Statis dan Fluida Dinamis (kelas 11 KTSP)

Fluida Statis (kelas 10 Kurikulum 2013)

Okay deh gitu aja. Have fun yah!!!

 

Tertarik belajar dengan zenius.net? Kamu bisa pesan membership zenius.net di sini.