Hidrostatika adalah cabang ilmu hidrolika yang mempelajari hukum kesetimbangan zat cair dan mengkajinya aplikasi praktis hukum-hukum ini. Untuk memahami hidrostatika, perlu didefinisikan beberapa konsep dan definisi.
Hukum Pascal untuk hidrostatika.
Pada tahun 1653, ilmuwan Perancis B. Pascal menemukan hukum yang biasa disebut hukum dasar hidrostatika.
Kedengarannya seperti ini:
Tekanan pada permukaan cairan yang dihasilkan kekuatan eksternal, disalurkan dalam zat cair secara merata ke segala arah.
Hukum Pascal mudah dipahami jika Anda perhatikan struktur molekul zat. Dalam cairan dan gas, molekul memiliki kebebasan relatif; mereka dapat bergerak relatif satu sama lain, tidak seperti padatan. Dalam padatan, molekul dirangkai menjadi kisi kristal.
Kebebasan relatif yang dimiliki molekul cairan dan gas memungkinkan tekanan yang diberikan pada cairan atau gas ditransfer tidak hanya ke arah gaya, tetapi juga ke segala arah lainnya.
Hukum Pascal untuk hidrostatika banyak digunakan dalam industri. Pekerjaan otomatisasi hidrolik, yang mengendalikan mesin CNC, mobil dan pesawat terbang, serta banyak mesin hidrolik lainnya, didasarkan pada undang-undang ini.
Pengertian dan rumus tekanan hidrostatis
Dari hukum Pascal yang dijelaskan di atas maka:
Tekanan hidrostatik adalah tekanan yang diberikan pada cairan secara gravitasi.
Besarnya tekanan hidrostatis tidak bergantung pada bentuk bejana tempat zat cair berada dan ditentukan oleh produk
P = ρgh, dimana
ρ – kepadatan fluida
g – percepatan jatuh bebas
h – kedalaman di mana tekanan ditentukan.
Untuk mengilustrasikan rumus ini, mari kita lihat 3 bejana dengan bentuk berbeda.
Dalam ketiga kasus tersebut, tekanan zat cair di dasar bejana adalah sama.
Tekanan total zat cair dalam bejana adalah
P = P0 + ρgh, dimana
P0 – tekanan pada permukaan cairan. Dalam kebanyakan kasus, tekanan ini diasumsikan sama dengan tekanan atmosfer.
Kekuatan tekanan hidrostatik
Mari kita pilih volume tertentu dalam cairan dalam kesetimbangan, lalu potong menjadi dua bagian dengan bidang sembarang AB dan secara mental membuang salah satu bagian ini, misalnya bagian atas. Dalam hal ini, kita harus menerapkan gaya pada bidang AB, yang aksinya akan setara dengan aksi volume bagian atas yang dibuang pada bagian bawahnya yang tersisa.
Mari kita perhatikan pada bidang bagian AB kontur tertutup dengan luas ΔF, termasuk beberapa titik sewenang-wenang A. Biarkan gaya ΔP bekerja pada area tersebut.
Kemudian tekanan hidrostatis yang rumusnya seperti ini
= ΔP / ΔF
mewakili gaya yang bekerja per satuan luas, disebut tekanan hidrostatik rata-rata atau tekanan tekanan hidrostatik rata-rata pada luas ΔF.
Tekanan sebenarnya masuk poin yang berbeda area ini mungkin berbeda-beda: di beberapa titik mungkin lebih besar, di titik lain mungkin lebih kecil dari tekanan hidrostatis rata-rata. Jelas terlihat bahwa dalam kasus umum, tekanan rata-rata Рср akan berbeda lebih kecil dari tekanan sebenarnya di titik a, semakin kecil luas ΔF, dan pada batasnya tekanan rata-rata akan bertepatan dengan tekanan sebenarnya di titik a.
Untuk fluida dalam kesetimbangan, tekanan hidrostatik fluida sama dengan tegangan tekan pada padatan.
Satuan SI untuk tekanan adalah newton per meter persegi(N/m 2) - disebut pascal (Pa). Karena nilai pascal sangat kecil, satuan yang diperbesar sering digunakan:
kilonewton per meter persegi – 1 kN/m 2 = 1*10 3 N/m 2
meganewton per meter persegi – 1MN/m2 = 1*10 6 N/m2
Tekanan sebesar 1*10 5 N/m 2 disebut bar (bar).
DI DALAM sistem fisik Satuan intensi tekanan adalah dyne per sentimeter persegi (dyne/m2), in sistem teknis– gaya kilogram per meter persegi (kgf/m2). Dalam praktiknya, tekanan zat cair biasanya diukur dalam kgf/cm2, dan tekanan sebesar 1 kgf/cm2 disebut atmosfer teknis (at).
Di antara semua unit ini terdapat hubungan sebagai berikut:
1at = 1 kgf/cm2 = 0,98 bar = 0,98 * 10 5 Pa = 0,98 * 10 6 dyne = 10 4 kgf/m2
Perlu diingat bahwa ada perbedaan antara suasana teknis (at) dan suasana fisik (At). 1 At = 1,033 kgf/cm 2 dan mewakili tekanan biasa di permukaan laut. Tekanan atmosfer tergantung pada ketinggian tempat tersebut diatas permukaan laut.
Pengukuran tekanan hidrostatik
Dalam praktiknya mereka menggunakan berbagai cara dengan mempertimbangkan besarnya tekanan hidrostatis. Jika, ketika menentukan tekanan hidrostatik, tekanan atmosfer yang bekerja pada permukaan bebas zat cair juga diperhitungkan, maka itu disebut total atau absolut. Dalam hal ini, nilai tekanan biasanya diukur dalam atmosfer teknis yang disebut absolut (ata).
Seringkali, ketika memperhitungkan tekanan, tekanan atmosfer pada permukaan bebas tidak diperhitungkan, menentukan apa yang disebut tekanan hidrostatik berlebih, atau tekanan pengukur, yaitu. tekanan di atas atmosfer.
Tekanan pengukur didefinisikan sebagai perbedaan antara tekanan absolut dalam cairan dan tekanan atmosfer.
Rman = Rabs – Ratm
dan juga diukur dalam atmosfer teknis, yang dalam hal ini disebut kelebihan.
Kebetulan tekanan hidrostatik dalam cairan lebih kecil dari tekanan atmosfer. Dalam hal ini, zat cair dikatakan mempunyai ruang hampa. Besarnya ruang hampa sama dengan perbedaan antara tekanan atmosfer dan tekanan absolut dalam cairan
Rvak = Ratm – Rab
dan diukur dari nol sampai atmosfer.
Tekanan air hidrostatik ada dua properti utama:
Ia diarahkan sepanjang garis normal internal ke area di mana ia bekerja;
Besarnya tekanan pada suatu titik tertentu tidak bergantung pada arahnya (yaitu, pada orientasi ruang di lokasi di mana titik tersebut berada).
Sifat pertama adalah konsekuensi sederhana dari kenyataan bahwa dalam fluida diam tidak ada gaya tangensial dan gaya tarik.
Mari kita asumsikan bahwa tekanan hidrostatik tidak diarahkan sepanjang garis normal, yaitu. tidak tegak lurus, tetapi pada sudut tertentu terhadap situs. Kemudian dapat diuraikan menjadi dua komponen - normal dan tangen. Adanya komponen tangensial, karena tidak adanya gaya resistensi terhadap gaya geser pada suatu fluida yang diam, mau tidak mau akan menyebabkan pergerakan fluida sepanjang platform, yaitu. akan mengganggu keseimbangannya.
Oleh karena itu satu-satunya arah yang mungkin tekanan hidrostatik adalah arahnya tegak lurus terhadap tapak.
Jika kita berasumsi bahwa tekanan hidrostatik diarahkan bukan sepanjang garis normal internal, tetapi sepanjang garis normal eksternal, yaitu. bukan di dalam benda yang ditinjau, melainkan di luarnya, maka karena zat cair tidak menahan gaya tarik, maka partikel-partikel zat cair akan mulai bergerak dan kesetimbangannya akan terganggu.
Akibatnya, tekanan hidrostatik air selalu diarahkan sepanjang garis normal internal dan mewakili tekanan tekan.
Dari aturan yang sama dapat disimpulkan bahwa jika tekanan berubah di suatu titik, maka tekanan di titik lain dalam cairan ini juga berubah dengan jumlah yang sama. Hal ini merupakan hukum Pascal yang dirumuskan sebagai berikut: Tekanan yang diberikan pada zat cair diteruskan di dalam zat cair ke segala arah dengan gaya yang sama besar.
Pengoperasian mesin yang beroperasi di bawah tekanan hidrostatis didasarkan pada penerapan undang-undang ini.
Faktor lain yang mempengaruhi nilai tekanan adalah viskositas cairan, yang sampai saat ini biasanya diabaikan. Dengan munculnya unit yang beroperasi tekanan darah tinggi viskositas juga harus diperhitungkan. Ternyata ketika tekanan berubah, kekentalan beberapa cairan, misalnya minyak, bisa berubah beberapa kali lipat. Dan ini sudah menentukan kemungkinan penggunaan cairan tersebut sebagai media kerja.
Kalkulator di bawah ini dirancang untuk menghitung besaran yang tidak diketahui dari nilai tertentu menggunakan rumus tekanan kolom cairan.
Rumusnya sendiri:
Kalkulator memungkinkan Anda menemukannya
- tekanan kolom zat cair berdasarkan massa jenis zat cair yang diketahui, tinggi kolom zat cair, dan percepatan gravitasi
- tinggi kolom zat cair berdasarkan tekanan zat cair, massa jenis zat cair, dan percepatan gravitasi yang diketahui
- massa jenis zat cair berdasarkan tekanan zat cair, tinggi kolom zat cair, dan percepatan gravitasi yang diketahui
- percepatan gravitasi berdasarkan tekanan fluida, massa jenis fluida, dan tinggi kolom fluida yang diketahui
Mendapatkan rumus untuk semua kasus adalah hal yang sepele. Untuk massa jenis, nilai defaultnya adalah massa jenis air, untuk percepatan gravitasi - percepatan bumi, dan untuk tekanan - nilai yang sama dengan tekanan satu atmosfer. Sedikit teori, seperti biasa, di bawah kalkulator.
kepadatan tekanan tinggi percepatan gravitasi
Tekanan dalam zat cair, Pa
Tinggi kolom cairan, m
Massa jenis cairan, kg/m3
Percepatan gravitasi, m/s2
Tekanan hidrostatik- tekanan kolom air di atas tingkat konvensional.
Rumus tekanan hidrostatik diturunkan dengan cukup sederhana
Dari rumus ini jelas bahwa tekanan tidak bergantung pada luas bejana atau bentuknya. Itu hanya bergantung pada kepadatan dan tinggi kolom cairan tertentu. Oleh karena itu, dengan menambah tinggi bejana, kita dapat menciptakan tekanan yang cukup tinggi dengan volume yang kecil.
Blaise Pascal mendemonstrasikan hal ini pada tahun 1648. Dia memasukkan tabung sempit ke dalam tong tertutup berisi air dan, naik ke balkon lantai dua, menuangkan segelas air ke dalam tabung ini. Karena ketebalan tabung yang kecil, air di dalamnya naik ketinggian tinggi, dan tekanan di dalam laras meningkat sedemikian rupa sehingga pengikat laras tidak tahan, dan retak.
Hal ini juga menimbulkan fenomena paradoks hidrostatis.
Paradoks hidrostatik- fenomena di mana gaya tekanan berat zat cair yang dituangkan ke dalam bejana di dasar bejana mungkin berbeda dengan berat zat cair yang dituangkan. Di kapal dengan peningkatan ke atas penampang gaya tekanan pada dasar bejana lebih kecil dari berat zat cair; pada bejana yang penampangnya mengecil ke atas, gaya tekanan pada dasar bejana lebih besar dari berat zat cair. Gaya tekanan zat cair pada dasar bejana sama dengan berat zat cair hanya untuk bejana berbentuk silinder.
Pada gambar di atas, tekanan di dasar bejana adalah sama di semua kasus dan tidak bergantung pada berat zat cair yang dituangkan, tetapi hanya pada ketinggiannya. Alasan terjadinya paradoks hidrostatik adalah bahwa cairan tidak hanya menekan bagian bawah, tetapi juga pada dinding bejana. Tekanan fluida pada dinding miring mempunyai komponen vertikal. Pada bejana yang mengembang ke atas, diarahkan ke bawah; pada bejana yang menyempit ke atas, diarahkan ke atas. Berat zat cair dalam wadah tersebut adalah sama dengan jumlahnya komponen vertikal tekanan cairan di seluruh area internal bejana
