Bidang Fisika Statika Fluida

Statika fluida adalah bidang fisika yang melibatkan studi tentang cairan saat istirahat. Karena cairan ini tidak bergerak, itu berarti mereka telah mencapai keadaan keseimbangan yang stabil, sehingga statika fluida sebagian besar tentang memahami kondisi kesetimbangan fluida ini. Ketika berfokus pada cairan yang tidak dapat dimampatkan (seperti cairan) sebagai lawan dari cairan yang dapat dimampatkan (seperti kebanyakan gas), terkadang disebut sebagai hidrostatik.

Cairan saat istirahat tidak mengalami stres semata, dan hanya mengalami pengaruh kekuatan normal cairan di sekitarnya (dan dinding, jika dalam wadah), yang merupakan tekanan. (Lebih lanjut tentang ini di bawah ini.) Bentuk kondisi kesetimbangan fluida dikatakan sebagai a kondisi hidrostatik.

Cairan yang tidak dalam kondisi hidrostatik atau saat istirahat, dan karena itu dalam semacam gerakan, jatuh di bawah bidang mekanika fluida lainnya, dinamika fluida.

Pertimbangkan irisan penampang cairan. Dikatakan mengalami stres belaka jika mengalami stres yang coplanar, atau stres yang menunjuk ke arah dalam pesawat. Stres belaka, dalam cairan, akan menyebabkan gerakan di dalam cairan. Stres normal, di sisi lain, adalah dorongan ke daerah penampang itu. Jika area tersebut bersandar pada dinding, seperti sisi gelas kimia, maka area penampang cairan akan mengerahkan kekuatan pada dinding (tegak lurus dengan penampang - oleh karena itu,

Konsep gaya normal mungkin akrab sejak awal dalam mempelajari fisika, karena itu muncul banyak dalam bekerja dengan dan menganalisis diagram benda bebas. Ketika sesuatu duduk diam di tanah, ia mendorong ke bawah ke tanah dengan kekuatan yang sama dengan beratnya. Tanah, pada gilirannya, memberikan gaya normal kembali di bagian bawah objek. Ia mengalami kekuatan normal, tetapi kekuatan normal tidak menghasilkan gerakan apa pun.

Kekuatan semata akan terjadi jika seseorang mendorong benda dari samping, yang akan menyebabkan benda bergerak begitu lama sehingga dapat mengatasi hambatan gesekan. Namun, coplanar gaya dalam cairan tidak akan mengalami gesekan, karena tidak ada gesekan antar molekul cairan. Itu bagian dari apa yang membuatnya menjadi cairan, bukan dua padatan.

Tapi, Anda berkata, bukankah itu berarti bahwa penampang sedang didorong kembali ke sisa cairan? Dan bukankah itu berarti bergerak?

Ini adalah poin yang sangat bagus. Sepotong cross-sectional fluida didorong kembali ke dalam sisa cairan, tetapi ketika itu terjadi maka sisa fluida mendorong kembali. Jika cairan tidak tertekan, maka dorongan ini tidak akan memindahkan apa pun ke mana pun. Cairan akan mendorong kembali dan semuanya akan tetap diam. (Jika kompresibel, ada pertimbangan lain, tapi mari kita tetap sederhana untuk saat ini.)

Semua bagian kecil cairan saling mendorong satu sama lain, dan ke dinding wadah, mewakili sedikit kekuatan, dan semua kekuatan ini menghasilkan sifat fisik penting lainnya dari fluida: the tekanan.

Alih-alih daerah penampang, pertimbangkan cairan dibagi menjadi kubus kecil. Setiap sisi kubus didorong oleh cairan di sekitarnya (atau permukaan wadah, jika di sepanjang tepi) dan semua ini adalah tekanan normal terhadap sisi-sisi tersebut. Cairan yang tidak dapat dimampatkan di dalam kubus kecil tidak dapat dikompres (artinya, "yang tidak dapat dimampatkan" berarti demikian), jadi tidak ada perubahan tekanan di dalam kubus-kubus kecil ini. Gaya yang menekan pada salah satu kubus kecil ini akan menjadi gaya normal yang secara tepat membatalkan gaya dari permukaan kubus yang berdekatan.

Ini pembatalan gaya di berbagai arah adalah penemuan kunci dalam kaitannya dengan tekanan hidrostatik, yang dikenal sebagai Hukum Pascal setelah fisikawan dan ahli matematika Prancis yang brilian Blaise Pascal (1623-1662). Ini berarti bahwa tekanan pada titik mana pun adalah sama di semua arah horisontal, dan oleh karena itu perubahan tekanan antara dua titik akan sebanding dengan perbedaan ketinggian.

Konsep kunci lain dalam memahami statika fluida adalah massa jenis dari cairan. Ini angka ke dalam persamaan Hukum Pascal, dan setiap cairan (serta padatan dan gas) memiliki kepadatan yang dapat ditentukan secara eksperimental. Berikut adalah beberapa kepadatan umum.

Kepadatan adalah massa per satuan volume. Sekarang pikirkan tentang berbagai cairan, semua terbagi menjadi kubus kecil yang saya sebutkan sebelumnya. Jika setiap kubus kecil memiliki ukuran yang sama, maka perbedaan dalam kepadatan berarti bahwa kubus kecil dengan kepadatan yang berbeda akan memiliki jumlah massa yang berbeda di dalamnya. Sebuah kubus kecil dengan kepadatan lebih tinggi akan memiliki lebih banyak "barang" di dalamnya daripada kubus kecil dengan kepadatan lebih rendah. Kubus dengan kerapatan lebih tinggi akan lebih berat daripada kubus kecil dengan kerapatan lebih rendah, dan karenanya akan tenggelam dibandingkan dengan kubus kecil dengan kerapatan lebih rendah.

Jadi jika Anda mencampur dua cairan (atau bahkan non-cairan) bersama-sama, bagian yang lebih padat akan tenggelam sehingga bagian yang kurang padat akan naik. Ini juga terbukti dalam prinsip daya apung, yang menjelaskan bagaimana perpindahan cairan menghasilkan gaya ke atas, jika Anda ingat Archimedes. Jika Anda memperhatikan pencampuran dua cairan saat itu terjadi, seperti ketika Anda mencampur minyak dan air, akan ada banyak gerakan cairan, dan itu akan ditutupi oleh dinamika fluida.

Tetapi begitu cairan mencapai kesetimbangan, Anda akan memiliki cairan dengan kepadatan berbeda yang telah mengendap menjadi lapisan-lapisan, dengan cairan dengan kepadatan tertinggi membentuk lapisan bawah, hingga Anda mencapai yang terendah massa jenis cairan di lapisan atas. Contoh dari ini ditunjukkan pada grafik di halaman ini, di mana cairan dari berbagai jenis telah membedakan diri menjadi lapisan berlapis berdasarkan kepadatan relatifnya.