KEINDAHAN FISIKA PADA FLUIDA (Kajian Ayat-ayat Allah seperti QS. 2 : 22, 264-265 dst)

KEINDAHAN FISIKA PADA FLUIDA

(Kajian Ayat-ayat Allah seperti QS. 2 : 22, 264-265 dst)

Oleh: Suyuti, S.Pd., M.Si. (SMAN 1 Marioriwawo Soppeng Sul-Sel)

Allah SWT menciptakan segala sesuatu dengan hak sesuai eksistensi penciptaannya di alam semesta ini termasuk berbagai macam fluida, sehingga semua ciptaan Allah tidak ada yang sia-sia , semua penuh manfaat. (QS. Ali Imran : 190-191)

Perhatikan arti firman Allah berikut:

1. QS. Yunus (10) : 5 yang artinya :” ... Allah tidak menciptakan yang demikian itu melainkan dengan hak  (penuh hikmah/tujuan)⁶⁶⁹...”
2. Al-Baqarah (2) : 22 , yang artinya :“ Dialah yang mernjadikan bumi sebagai hamparan  bagimu dan langit sebagai atap, dan Dia menurunkan  air (hujan) dari langit, lalu Dia menghasilkan dengan hujan itu segala buah-buahan  sebagai rezki untukmu; karena itu janganlah kamu mengadakan sekutu-sekutu bagi Allah³⁰) padahal kamu mengetahui.“
3. Al-Baqarah (2) :  164 yang artinya “ ... dan apa yang Allah turunkan dari langit berupa air, lalu dengan air  itu Dia  hidupkan bumi sesudah mati (kering)-nya dan Dia sebarkan di Bumi itu segala jenis hewan,...; Sungguh terdapat tanda-tanda (keesaan dan kebesaran Allah) bagi kaum yang memikirkan”.
4. QS. Al A’raaf (7) : 57; yang artinya:“ ... , Kami halau awan ke suatu daerah yang tandus, lalu Kami turunkan hujan di daerah itu, maka Kami keluarkan dengan sebab hujan itu berbagai macam buah-buahan..., Mudah-mudahan kamu mengambil pelajaran“.
5. (QS. An Nahl (16) : 78;  ; dan QS. An-Naml : 88. (Tuliskan makna yang terkandung dalam ayat-ayat in, lalu diskusikan dengan kelompok kerja anda,kemudian buatlah kesimpulan masing-masing!)

            Ayat-ayat Allah SWT di atas menjelaskan kepada kita bahwa air sebagai salah satu jenis fluida merupakan syarat yang mutlak dibutuhkan oleh setiap mahluk untuk dapat hidup  di bumi.  Untuk menjaga keseimbangan dan kelestarian air di Bumi, maka Allah SWT menciptakan siklus air yang secara otomatis terus berjalan sesuai kehendak-Nya. Oleh karena itu kita sebagai makhluk yang dimuliakan Allah wajib  terus bersyukur dan menjaga kelestarian air di bumi ini sebagai salah satu tugas kekhalifaan. Setiap jenis fluida memiliki tekanan tersendiri yang merupakan ketetapan Allah.

I. Tekanan Hidrostatika

Tekanan ;didefinisikan sebagai tekanan persatuan luas. Jika gaya F (N) bekerja secara merata dan tegak lurus pada suatu permuakaan seluas A (m²) , maka tekanan P (N/m²)  pada permukaan tersebut sebesar :

P = F/A                                                    

Tekanan Hidrostatika P_h;  merupakan besar  tekanan di dalam fluida tak bergerak yang diakibatkan  oleh adanya gaya gravitasi. Jadi tekanan di dalam zat cair disebabkn oleh adanya  gaya gravitasi yang bekerja pada  tiap bagian zat cair ; besar tekanan itu bergantung pada kedalaman h (m); makin dalam letak suatu zat cair, makin besar pula tekanan pada bagian tersebut.

P_h = berat / luas alas = rAhg/A =  rhg                                                  

Hukum pokok hidrostatika, berbunyi:  semua titik yang terletak pada suatu bidang datar di dalam zat cair yang sejenis  memiliki tekanan P yang sama

Tekanan di suatu titik di dalam fluida  pada bejana terbuka   merupakan tekanan absolut yang besarnya dapat dihitung dengan rumus:

                        P = Po + P_h = Po + rhg                                                     

Po merupakan tekanan atmosfer yang besarnya 1 atm = 1,013 x 10⁵ Pa.

II. Hukum Pascal

            Blaise Pascal,  seorang ilmuwan Perancis menyatakan bahwa ketika perubahan tekanan diberikan pada suatu fluida pada ruang tertutup, perubahan tersebut akan diteruskan sama besar ke segala arah. Jika zat cair diberi tekanan sebesar P, maka setiap bagian zat cair dan dinding bejana mengalami tekanan sebesar  P. Jadi Hukum Pascal dapat dinyatakan :

            Tekanan yang diadakan dari luar kepada zat cair yang ada di  dalam ruangan tertutup akan diteruskan oleh zat cair itu ke segala arah dengan sama besar.

                                            P₁  = P_{2     atau}          F₁ / A₁  =  F₂  / A₂          

III. Hukum Archimedes

Hukum Archimedes (287 – 212 SM);  Apabila benda seluruhnya atau sebagian tenggelam dalam fluida, maka pada benda bekerja gaya apung yang mengangkat  benda, yang besarnya sama dengan berat fluida yang dipindahkan. Besar gaya apung tersebut merupakan gaya Archimedes :

                                    F_apung = berat fluida yang dipindahkan

                                    F_apung = r_fluida . g . V_{benda tercelup}

Benda yang dicelupkan ke dalam fluida akan mengalami tiga kemungkinan, yaitu:

1. Benda Terapung; Benda akan terapung jika memenuhi syarat-syarat berikut:

         a. Massa jenis benda lebih kecil daripada massa jenis fluida (zat cair)

         b. Gaya ke atas yang dikerjakan oleh fluida lebih besar dari gaya berat benda.

   c. Gaya ke atas yang dikerjakan oleh fluida sama dengan volume benda yang tercelup (v_a) dikali massa jenis fluida r_a dikali percepatan gravitasi g. F_apung = v_a r_a g.

d. Saat terjadi  keseimbangan, maka  berlaku    F_apung  = w.

2. Benda Tenggelam; Benda akan tenggelam jika memenuhi syarat-syarat berikut:

         a. Massa jenis benda lebih besar daripada massa jenis fluida (zat cair)

         b. Gaya ke atas yang dikerjakan oleh fluida lebih kecil dari gaya berat benda.

   c. Gaya ke atas yang dikerjakan oleh fluida sama dengan volume benda yang tercelup (v_a) dikali massa jenis fluida r_a dikali percepatan gravitasi g. F_apung = v_a r_a g.

d. Saat terjadi  keseimbangan, maka  berlaku    F_apung  = w.

3. Benda Melayang; Benda akan melayang  jika memenuhi syarat-syarat berikut:

         a. Massa jenis benda sama dengan massa jenis fluida (zat cair)

         b. Gaya ke atas yang dikerjakan oleh fluida sama dengan gaya berat benda.

   c. Gaya ke atas yang dikerjakan oleh fluida sama dengan volume benda (v_a) dikali massa jenis fluida r_a dikali percepatan gravitasi g. F_apung = v_a r_a g   dengan    v_a = v_b

d. Saat terjadi  keseimbangan, maka  berlaku F_apung  = w = m.g

Contoh Penerapan Hukum Archimedes :

-          Hidrometer (alat untuk mengukur massa jenis

-          Kapal Laut

-          Kapal Selam

-          Balon Udara

Contoh .3.3. Sebuah benda beratnya di udara w_u =  40 N dan  ketika  di dalam  air  w_a = 36 N.  Jika g = 10 m/s², maka hitunglah : a. Gaya apung benda.             b. Massa jenis benda.

                     Jawab : a. F_a  = w_u  - w_a  = 4 N             

b. r_b = m_b / V_b  dengan  m_b  = w_u / g dan V_b = F_a / r_ag , sehingga  diperoleh  massa jenis benda r_b = 10000 kg/m³

 

Gejala Kapilaritas adalah  gejala naik atau turunnya permukaan zat cair dalam pipa kapiler, seperti tampak pada gambar di atas. Tinggi h (naik/turun) zat cair dapat dihitung dengan menggunakan konsep hokum III Newton (aksi – reaksi). Dalam kasus ini  berat zat cair yang naik = besar gaya vertikal yang menarik/menekan  zat cair sehingga naik/turun sebasar h.

Dari pasangan  gaya aksi – reaksi, diperoleh  ketinggian h yang dapat dinyatakan :

h = 2gcos q/rgr

IV. Fluida Ideal

            Ciri-ciri umum fluida ideal sebagai berikut:

1.      Tak termampatkan (tidak kompresibel);  tidak mengalami perubahan volume ketika mendapat pengaruh tekanan. Seperti air.

2.      Tidak kental (non-viskos); tidak mengalami gesekan antara lapisan fluida dengan lapisan lain termasuk dinding saluran.

3.      Alirannya tidak bergolak (non-turbulen); memiliki aliran garis arus (streamline) sehingga tidak elemen fluida yang memiliki kecepatan sudut tertentu.

4.      Alirannya tidak bergantung wakatu (tunak); kecepatan v fluida tiap titik tertentu adalah konstan. Aliran ini sering juga disebut  aliran laminer (aliran berlapis-lapis).

V. Persamaan Kontinuitas

            Debit fluida (Q) adalah besar volume V (m³) fluida  yang mengalir pada suatu penampang A (m²) tiap satuan waktu t (sekon) .  Secara matematis debit fluida dapat dinyatakan:

Q

Selama t (sekon) fluida bergerak kekanan pada A₁ menempuh jarak S₁ dan fluida bergerak pada A₂ menempuh jarak S₂. Volume fluida V₁ = A₁S₁ yang masuk di A₁ akan keluar dengan volume fluida V₂ = A₂S₂  melalui A₂. Dengan  menyamakan massa fluida yang melalui A₁ dengan massa fluida yang melalui A₂, akan diperoleh :

A₁v₁= A₂v₂

(Persamaan Kontinuitas)

Pada fluida yang tak termampatkan, berlaku :

1.      Hasil kali kelajuan v fluida  dengan luas A selalu tetap (konstan)  

2.      Debit fluida di titik mana saja  selalu konstan  atau  ( Q₁  =  Q₂ )

3.      Kelajuan fluida v berbanding terbalik dgn luas penampang A, berlaku (v₁ /v₂ =A₂ / A₁ )    

4.      Kelajuan fluida v berbanding terbalik dengan kuadrat jari-jari ( r² )  atau diameter penampang ( d² ), berlaku (v₁ / v₂ = r₂² / r₁² )     atau (v₁ / v₂ = d₂² / d₁²)    

Contoh . Suatu tabung dengan luas A₁ =  0,5 m² dilalui fluida dengan kecepatan v₁ = 3 m/s. Jika tabung ini dihubungkan dengan tabung lain yang luasnya  A₂ = 0,25 m², maka hitunglah kecepatan fluidapada saat melewati tabung ke dua (v₂ ).

Jawab : Gunakan persamaan (3.13), akan diperoleh v₂ = 6 m/s

  Daya ( P ) air terjun;  Air terjun dapat digunakan sebagai pembangkit tenaga listrik dengan daya sebesar : 

P = hrQgh                                        

            Daniel Bernoulli (1700-1782). Menjelaskan hubungan tekanan P dengan kelajuan fluida v; pada pipa mendatar (horizontal), tekanan fluida paling besar pada saat kelajuan  alirnya paling kecil, dan tekanan paling kecil pada sat kelajuannya paling besar. Pernyataan inilah yang  dikenal sebagai Asas Bernoulli.

Asas bernoulli ini merupakan  merupakan persamaan pokok hidrodinamika untuk fluida mengalir  dengan arus stasioner. Asas ini menjelaskan hubungan tekanan, kecepatan alir, dan tinggi tempat dalam satu garis lurus.

 Tugas : Jelaskan konsep kerja lenkap rumusnya masing-masing contoh Penerapan Asas Bernoulli berikut ini!

1.      Bejana Berlubang

2.      Venturimeter; mengukur kelajuan air atau gas dalam pipa.

3.      Gaya angkat pesawat terbang

4.      Alat Penyemprot

5.      Karburator

Tabung pitot

 Untuk memperkaya keindahan Fiska dalam hati kita, maka mari kita mengkaji  uraian berikut!

QS. Al-Baqarah (2) ayat 50 50. Dan (ingatlah), ketika Kami belah laut untukmu, lalu Kami selamatkan kamu dan Kami tenggelamkan (Fir'aun) dan pengikut-pengikutnya sedang kamu sendiri menyaksikan[47].

[47]. Waktu Nabi Musa a.s. membawa Bani Israil ke luar dari negeri Mesir menuju Palestina dan dikejar oleh Fir'aun, mereka harus melalui laut Merah sebelah Utara. Maka Tuhan memerintahkan kepada Musa memukul laut itu dengan tongkatnya. Perintah itu dilaksanakan oleh Musa hingga belahlah laut itu dan terbentanglah jalan raya ditengah-tengahnya dan Musa melalui jalan itu sampai selamatlah ia dan kaumnya ke seberang. Sedang Fir'aun dan pengikut-pengikutnya melalui jalan itu pula, tetapi di waktu mereka berada di tengah-tengah laut, kembalilah laut itu sebagaimana biasa, lalu tenggelamlah mereka.

                            QS. Al-Maidah (5) ayat 96

96. Dihalalkan bagimu binatang buruan laut[442] dan makanan (yang berasal) dari laut[443] sebagai makanan yang lezat bagimu, dan bagi orang-orang yang dalam perjalanan; dan diharamkan atasmu (menangkap) binatang buruan darat, selama kamu dalam ihram. Dan bertakwalah kepada Allah Yang kepada-Nyalah kamu akan dikumpulkan.

[442]. Maksudnya: binatang buruan laut yang diperoleh dengan jalan usaha seperti mengail, memukat dan sebagainya. Termasuk juga dalam pengertian laut disini ialah: sungai, danau, kolam dan sebagainya. [443]. Maksudnya: ikan atau binatang laut yang diperoleh dengan mudah, karena telah mati terapung atau terdampar dipantai dan sebagainya.

QS. An-Naml (27) ayat 61

61. Atau siapakah yang telah menjadikan bumi sebagai tempat berdiam, dan yang menjadikan sungai-sungai di celah-celahnya, dan yang menjadikan gunung-gunung untuk (mengkokohkan)nya dan menjadikan suatu pemisah antara dua laut[1103]? Apakah disamping Allah ada tuhan (yang lain)? Bahkan (sebenarnya) kebanyakan dari mereka tidak mengetahui.

[1103]. Yang dimaksud dua laut di sini ialah laut yang asin dan sungai yang besar bermuara ke laut. Sungai yang tawar itu setelah sampai di muara tidak langsung menjadi asin

 QS. Thaahaa (20) ayat 77

77. Dan sesungguhnya telah Kami wahyukan kepada Musa: "Pergilah kamu dengan hamba-hamba-Ku (Bani Israil) di malam hari, maka buatlah untuk mereka jalan yang kering dilaut itu[933], kamu tak usah khawatir akan tersusul dan tidak usah takut (akan tenggelam)."

[933]. Membuat jalan yang kering di dalam laut itu ialah dengan memukul laut itu dengan tongkat. Lihat ayat 63 surat Asy Syu'araa.

 QS. Faathir (35) ayat 12

12. Dan tiada sama (antara) dua laut; yang ini tawar, segar, sedap diminum dan yang lain asin lagi pahit. Dan dari masing-masing laut itu kamu dapat memakan daging yang segar dan kamu dapat mengeluarkan perhiasan yang dapat kamu memakainya, dan pada masing-masingnya kamu lihat kapal-kapal berlayar membelah laut supaya kamu dapat mencari karunia-Nya dan supaya kamu bersyukur.

QS. Lukman (31)  ayat 27

27. Dan seandainya pohon-pohon di bumi menjadi pena dan laut (menjadi tinta), ditambahkan kepadanya tujuh laut (lagi) sesudah (kering)nya, niscaya tidak akan habis-habisnya (dituliskan) kalimat Allah[1183]. Sesungguhnya Allah Maha Perkasa lagi Maha Bijaksana.

[1183]. Yang dimaksud dengan Kalimat Allah ialah: Ilmu-Nya dan Hikmat-Nya.

 QS, Al-Kahfi (18) ayat 61

61. Maka tatkala mereka sampai ke pertemuan dua buah laut itu, mereka lalai akan ikannya, lalu ikan itu melompat mengambil jalannya ke laut itu.

QS. Al-‘Araaf (7) ayat  163

163. Dan tanyakanlah kepada Bani Israil tentang negeri[578] yang terletak di dekat laut ketika mereka melanggar aturan pada hari Sabtu[579], di waktu datang kepada mereka ikan-ikan (yang berada di sekitar) mereka terapung-apung di permukaan air, dan di hari-hari yang bukan Sabtu, ikan-ikan itu tidak datang kepada mereka. Demikianlah Kami mencoba mereka disebabkan mereka berlaku fasik.

[578]. Yaitu kota Eliah yang terletak di pantai laut Merah antara kota Mad-yan dan bukit Thur. [579]. Menurut aturan itu mereka tidak boleh bekerja pada hari Sabtu, karena hari Sabtu itu dikhususkan hanya untuk beribadat.

QS. (42). Asy Syuura ayat 32

32. Dan di antara tanda-tanda kekuasaan-Nya ialah kapal-kapal di tengah (yang berlayar) di laut seperti gunung-gunung.

 QS. Ashaaffaat (37)

141. kemudian ia ikut berundi[1289] lalu dia termasuk orang-orang yang kalah dalam undian.

[1289]. Undian itu diadakan karena muatan kapal itu sangat penuh. Kalau tidak dikurangi mungkin akan tenggelam. Oleh sebab itu diadakan undian. Siapa yang kalah dalam undian itu dilemparkan kelaut. Yunus a.s. termasuk orang-orang yang kalah dalam undian tersebut sehingga ia dilemparkan ke laut.

QS. Al-Israa (17) ayat 69

69. atau apakah kamu merasa aman dari dikembalikan-Nya kamu ke laut sekali lagi, lalu Dia meniupkan atas kamu angin taupan dan ditenggelamkan-Nya kamu disebabkan kekafiranmu. Dan kamu tidak akan mendapat seorang penolongpun dalam hal ini terhadap (siksaan) Kami.

Semoga Manfaat......