FLUIDA

FASA BENDA, DEFINISI FLUIDA, MASSA JENIS, TEKANAN, HUKUM PASCAL, GAYA APUNG (HUKUM ARCHIMEDES)

A. Fase pada Benda Ada tiga (3) fase atau keadaan dari benda : padat, cair dan gas. Zat padat : fase dimana benda mempertahankan bentuk dan ukurannya, walaupun ada sejumlah gaya yang besar bekerja pada benda tersebut, bentuk dan volume benda tidak akan berubah. Zat cair : fase dimana benda tidak dapat mempertahankan bentuk tetapnya tapi bergantung pada medium yang ditempatinya. Zat cair tidak dapat dikompres dan volumenya hanya dapat berubah jika diberikan gaya yang besar. Gas : tidak memiliki bentuk dan volume yang tetap. Karena zat cair dan gas tidak dapat mempertahankan bentuk yang tetap, maka memiliki kemampuan untuk mengalir, sehingga zat cair dan gas disebut FLUIDA (Zat alir).

FASE LAIN : Plasma : fase benda yang terjadi pada temperatur yang sangat tinggi dan terdiri dari atom-atom yang terionisasi (elektron-elektron terlepas dari inti atomnya). Koloid : suspensi dari partikel-partikel kecil didalam zat cair. Kristal cair : suatu fase diantara zat padat dan zat cair.

FLUIDA = zat alir Zat cair GAS Molekul bergerak bebas dan saling bertumbukan Tekanan akibat tumbukan antar molekul Tekanan terjadi tidak tegak lurus bidang - Molekul terikat secara longgar tapi berdekatan Tekanan yang terjadi karena gaya gravitasi bumi Tekanan terjadi tegak lurus bidang

B. Densitas atau Massa Jenis Besaran untuk mengungkapkan massa lebih dalam suatu volume tertentu lebih umum digunakan densitas atau massa jenis : Dimana m = massa benda, dan V adalah volume benda. Massa jenis merupakan karakteristik dari zat (substansi) murni. Contoh emas murni dapat memiliki ukuran dan massa yang berbeda, namun massa jenisnya sama (tetap).

C. Tekanan Tekanan didefinisikan sebagai gaya persatuan luas : Satuan lain dari tekanan adalah Pascal (Pa), 1 Pa = 1 N/m2. Fluida dapat memberikan gaya pada suatu benda/objek dari semua arah. Jika benda memiliki luas permukaan A dan tinggi h, maka tekanan pada benda yang diberikan oleh fluida :

Tekanan Atmosfer Tekanan atmosfer bumi bergantung pada ketinggian/kedalaman seperti halnya pada fluida. Namun tekanan atmosfer sangat kompleks, karena bukan hanya massa jenisnya yang bervariasi bergantung pada posisinya tapi juga karena kita bisa mengukur tekanan atmosfir pada ketinggian yang berbeda. Secara umum, tekanan atmosfer dapat diukur dari perbedaan tekanan pada posisi yang berbeda. Pada permukaan laut, tekanan atmosfir rata-rata adalah 1,013 x 105 N/m2 (sering disebut dengan tekanan atmosfir). 1 atm = 1,013 x 105 N/m2 = 101,3 Pa 1 bar = 1,00 x 105 N/m2

Kalau tekanan sel-sel dalam tubuh kita tidak sama, bagaimana ? Mengapa tubuh kita mampu menahan tekanan atmosfir yang sangat besar ? Karena sel-sel dalam tubuh kita akan mempertahankan tekanan internalnya yang besarnya hampir sama dengan tekanan luar (tekanan dari atmosfir). Kasusnya sama dengan tekanan didalam balon udara yang hampir sama dengan tekanan dari luar. Kalau tekanan sel-sel dalam tubuh kita tidak sama, bagaimana ?

D. Hukum Pascal Tekanan yang dialami oleh benda yang berada didalam fluida, adalah tekanan dari fluida ditambah dengan tekanan atmosfir. Contoh : tekanan yang dialami seseorang yang menyelam di danau dengan kedalaman 100 meter akan mengalami tekanan sebesar P = rgh = 9,8 x 105 N/m2 atau 9,7 atm. Jika danau tersebut berada sejajar dengan permukaan laut, maka tekanan total yang dialami orang tadi menjadi 9,7 atm + 1 atm = 10,7 atm. Jika tekanan luar diberikan pada suatu fluida, maka tekanan pada setiap titik di dalam fluida akan meningkat sebesar tekanan luar (Hukum Pascal).

Rasio Fout/Fin disebut keuntungan mekanik dari sistem hidrolik

Bagaimana cara mengukur tekanan ? Cara paling sederhana mengukur tekanan adalah manometer, yaitu tabung berbentuk U yang diisi sebagian oleh zat cair, umumnya air raksa (Hg) atau air H2O. Tekanan yang diukur P berkaitan dengan perbedaan ketinggian Dh dari zat cair : P0 P P0 adalah tekanan atmosfir. Seringkali tekanan diukur menggunakan satuan mm-Hg atau mm-H2O dengan konversi : 1 mm-Hg = 133 N/m2 (1 torr) 1 mmH2O = 9,81 N/m2 Dh

GAYA APUNG DAN HUKUM ARCHIMEDES Suatu benda yang berada di dalam zat cair “terlihat” lebih ringan dibandingkan jika berada di luar zat cair. Ini diakibatkan oleh gaya apung (bouyancy), yaitu karena adanya tekanan pada benda oleh zat cair/fluida yang semakin besar jika semakin dalam. Gaya dari atas benda, F1 : F1 h1 A h2 Gaya dari bawah benda, F2 : Dh=h2-h1 F2 rF

Maka gaya apung yang bekerja pada benda : Gaya apung pada suatu benda didalam fluida sama dengan berat fluida yang dipindahkan oleh benda tersebut (Hukum Archimedes)

KESETIMBANGAN PADA BENDA/OBJEK YANG MENGAPUNG Jika FB = mg maka benda akan mengapung Jika FB < mg maka benda akan tenggelam rF = massa jenis fluida Vdisplace = volume fluida yang dipindahkan oleh benda V0 = volume benda r0 = massa jenis benda

Laju alir fluida dan persamaan kontinuitas GERAK FLUIDA Laju alir fluida dan persamaan kontinuitas

Fluida adalah zat alir, sehingga memiliki kemampuan untuk mengalir. Ada dua jenis aliran fluida : laminar dan turbulensi Aliran laminar adalah jenis aliran dimana fluida mengalir secara teratur, lambat dan “searah”. Aliran turbulensi adalah jenis aliran dimana fluida mengalir secara tidak teratur, cepat dan “tidak terarah”.

Pandang fluida yang mengalir dalam pipa yang diameternya berbeda Pandang fluida yang mengalir dalam pipa yang diameternya berbeda. Fluida mengalir dengan laju air massa = Dm/Dt, yaitu jumlah massa fluida yang mengalir persatuan waktu. A1 A21 v1 v2 Jika fluidanya tidak dapat dikompres (massa jenisnya tidak berubah dengan tekanan), maka r1 = r2, sehingga : A1 v1 = A2 v2 Persamaan kontinuitas

Contoh : Dalam tubuh manusia, darah mengalir dari jantung kedalam aorta dan kemudian ke arteri-arteri mayor (kapiler). Dari kapiler kemudian mengalir ke dalam bagian-bagian dalam organ tubuh yang lain. Jika jari-jari aorta adalah 1,0 cm dengan laju aliran darah 30 cm/s, jari-jari dari kapiler-kapiler 4 x 10-4 cm dan laju alir darah di kapiler 0,1 cm/s. Berapakah jumlah kapiler di dalam tubuh?

SOLUSI : Asumsikan luas aorta adalah A1 dan luas satu kapiler didalam tubuh adalah A2, maka luas seluruh kapiler adalah NA2. Massa jenis darah tidak berubah dengan tekanan. Asumsikan pembuluh darah berbentuk silinder dengan penampang berbentuk lingkaran, maka A = pr2, maka berdasarkan persamaan kontinuitas :

PERSAMAAN BERNOULLI

Hidrodinamika Mempelajari fluida mengalir Percobaan Bernoulli Asumsi : Tanpa gesekan (tidak viskos) Alirannya stationer (konstan) Tidak termampatkan (kontinu) Hukum Bernoulli konstan Tekanan zat cair berkurang, jika kecepatan aliran bertambah atau perbedaan tinggi bertambah.

Persamaan Bernoulli dapat diterapkan dalam berbagai situasi Persamaan Bernoulli dapat diterapkan dalam berbagai situasi. Contoh : menghitung kecepatan zat cair yang mengalir keluar dari bejana melalui keran yang sempit. Jika luas penampang bejana jauh lebih besar dibandingkan dengan saluran pipa, maka kecepatan air di bejana adalah nol (v2 = 0). Permukaan bejana dan pipa terhubung dengan atmosfir, maka P1 = P2. Maka persamaan Bernoulli : Teorema Torricelli

APLIKASI PRINSIP BERNOULLI DALAM TUBUH MANUSIA

ALIRAN DARAH DALAM TUBUH MANUSIA distribusi sel darah : (a). eritrosit, (b) neutrofil (c) eosinofil (alergi) dan (d) limposit (antibodi) Sirkulasi darah dalam tubuh merah : oksigenasi biru : deoksigenasi sel darah putih sel darah merah

Dalam bidang kesehatan persamaan Bernoulli digunakan untuk menjelaskan TIA (transient ischemic attack) yaitu kekurangan supplai darah secara temporer kedalam otak). Akibatnya syaraf tidak berfungsi. TIA (mini stroke) biasanya terjadi kurang dari 24 jam. Jika lebih dari 24 jam, maka terjadi stroke. Akibat dari TIA bergantung pada daerah otak yang terlibat. Umumnya rendahnya daya pandang mata (low of vision), kesulitan bicara (aphasia) dan lemahnya satu sisi dari tubuh (hemiparesis) TIA terjadi karena adanya penyumbatan pembuluh darah (arteri) di otak, tekanan darah tinggi, penyakit jantung, migren, vertigo, merokok, kolesterol tinggi, diabetes, penggunaan obat terus menerus dalam waktu yang lama, alkohol. Penyumbatan arteri Arteri normal

VISKOSITAS DAN HUKUM POISEUILLE

VISKOSITAS Jika lempengan kaca diletakkan di atas zat cair, kemudian digerakkan dengan kecepatan v, maka molekul-molekul zat cair dibawahnya akan bergerak dengan kecepatan v juga. Ini terjadi karena adhesi zat cair pada permukaan kaca. Lapisan zat cair dibawahnya akan berusaha melawan kecepatan tadi, sehingga lapisan paling bawah kecepatannya nol. F v d  = viskositas (Poisseuille, Pa.s) A = luas permukaan d = jarak dari permukaan ke dasar

HUKUM POISEUILLE ; ALIRAN DARAH F Makin ke tengah kecepatan mengalir makin besar, dan bentuk aliran darah adalah parabola Debit atau volume zat cair yang mengalir melalui penampang per detik, (laju alir dari zat cair) menurut Hukum Poiseuille : Digunakan untuk menjelaskan mengapa penderita usia lanjut mengalami pingsan Mengapa daerah ujung suhunya dingin.

Hukum Poisseuille hanya berlaku jika alirannya linier (laminer) dengan bilangan Reynold 2000. Hukum Poisseuille dapat dituliskan : Tahanan R = 8 L/pr4 bergantung pada : Panjang pembuluh Diameter/jari-jari pembuluh Viskositas/kekentalan Tekanan

Hasil Rumus Poiseuille Aorta Kapiler Vena cava Kecepatan 30 cm/s 1 mm/sec 5 cm/s 3 cm2 Luas 600 cm2 18 cm2 Pertukaran O2 dan CO2

Efek Panjang Pembuluh terhadap debit Jika diameter pembuluh sama, maka semakin panjang pembuluh, zat cair akan mendapat tahanan semakin besar, sehingga debit zat cair akan semakin kecil. Panjang = 3 Panjang = 2 Panjang = 1 1 ml/min 2 ml/min 3 ml/min

Efek diameter pembuluh Zat cair akan dihambat oleh dinding pembuluh, maka semakin besar diameter pembuluh, semakin besar kecepatan aliran zat cair. d = 1 1 ml/min d = 2 16 ml/min P = 100 mmHg d = 3 256 ml/min

3. Efek kekentalan Semakin kental zat cair semakin besar gesekan terhadap dinding pembuluh, sehingga tahanannya semakin besar. Kekentalan penting untuk mengetahui konsentrasi sel darah merah Note : air 1 cm plasma 1,5 cm Pada darah normal kekentalan 3,5 x kekentalan air. Jika konsentrasi darah 70 kali di atas normal, maka kekentalannya 20 kali air. Konsentrasi darah merah dari penderita anemia rendah, sehingga alirannya cepat. darah 3,5 cm

4. Efek tekanan terhadap debit Zat air mengalir dari tekanan tinggi ke rendah, sehingga aliran zat cair/darah berbanding lurus dengan tekanan. 1 ml/min 2 ml/min 3 ml/min

EFEK VISKOSITAS TERHADAP LAJU ENDAP DARAH

Laju Endap Darah Jika sebuah benda dijatuhkan di dalam tabung yang berisi air dan tabung yang berisi minyak, maka benda akan jatuh ke dasar tabung dengan waktu tempuh yang berbeda. Perbedaan ini disebabkan oleh massa jenis air dan minyak yang berbeda. Benda akan jatuh dengan gaya berat W, yang dipengaruhi oleh gravitasi bumi. Gaya jatuh akan diimbangi oleh gaya apung Fa (Bouyancy force). Jika benda jatuh dijatuhkan di dalam zat cair, maka gerak jauh benda juga akan dihambat oleh gaya Stokes, FS. Gaya Stokes ini berkaitan dengan viskositas (kekentalan) zat cair. W Fa FS

Fa FS Dari arah gaya-gaya yang bekerja pda benda (gambar), maka : W = massa jenis benda V = volume benda = 4pr3/3 (bola) r = jari-jari benda/bola W Fa FS = viskositas/kekentalan (poise, Pa.s) v = laju benda jatuh Dari arah gaya-gaya yang bekerja pda benda (gambar), maka : laju alir benda dalam zat cair

Laju benda jatuh dalam zat cair, sering digunakan dalam mengukur laju endap darah. Pengukuran Laju Endap Darah (LED) banyak dilakukan di klinik/rumah sakit untuk mengetahui beberapa penyakit, seperti : Rematik, Asam urat (gout) dll Beberapa nama lain dari LED, adalah BBS (Bloed Bwzinking Snellheid), BSR (Basal Sedimentation Rate) atau KPD (Kecepatan Pengendapan Darah). Nilai LED normal untuk laki-laki (4 – 14 mm/jam)* dan wanita (6 – 20 mm/jam)* * nilai referensi dapat berbeda bergantung nilai rujukan dari klinik/rumah sakit

BAGAIMANA MENGUKUR TEKANAN DARAH ?

Bagaimana mengukur tekanan darah Darah mengalir dalam tubuh normalnya laminer, sedangkan turbulensi terjadi hanya pada beberapa tempat saja, misalnya pada katup jantung. Bunyi jantung tidak akan terdengar jika aliran darah bersifat laminer, sehingga dengan bantuan pressure cuff pada sphygmomanometer, aliran menjadi turbulensi. Dengan demikian bunyi jantung dapat didengar. Aliran laminer dapat diubah menjadi aliran turbulensi, jika pembuluh darah secara pelan diciutkan/diperkecil. Laju aliran darah akan mencapai tekanan kritis (Pc).

Aliran laminer (lambat) Aliran darah, jika pembuluh darah diperkecil Turbulensi (cepat) Aliran laminer (lambat) Kecepatan kritis menurut Reynold berbanding lurus dengan kekentalan/viskositas () dan berbanding terbalik dengan massa jenis (r) dan jari-jari pembuluh darah (r) K adalah bilangan Reynold (1000 untuk air dan 2000 untuk darah)

Hubungan Debit dan Tekanan untuk Aliran Laminer dan Turbulensi Debit/laju Pembuluh darah normal VB B Pembuluh darah mengalami penyempitan VA P1 P2 tekanan Jika terjadi penyempitan pembuluh darah, maka laju aliran darah akan lebih kecil dibandingkan dengan pembuluh darah normal. Jika pada pembuluh darah yang mengalami penyempitan lajungan dinaikkan dari VA menjadi VB, maka pada daerah penyempitan terjadi turbulensi.

TEKANAN DARAH SISTEMIK 120 95 80 Sistolik Diastolik Tek rata-rata t P Tekanan rata-rata Menentukan banyaknya darah yang mengalir tiap satuan waktu

TEGANGAN PERMUKAAN

Permukaan suatu zat cair dalam keadaan diam berperilaku sangat menarik, seolah-olah diregangkan oleh suatu tegangan (tension). Contoh : tetesan air pada keran, embun di ujung daun yang berbentuk bulat seolah-olah seperti balon tipis berisi air atau serangga air yang berjalan diatas permukaan air. Permukaan zat cair berperan seperti dibawah tekanan yang menyebar diseluruh permukaannya akibat gaya tarik-menarik antar molekulnya. Efek ini disebut dengan tegangan permukaan : Tegangan permukaan darah (370C) adalah 0,058 N/m, air (00C) = 0,076 N/m, air pada 1000C = 0,059 N/m, larutan sabun (200C) = 0,025 N/m.

Udara

KOMPONEN UDARA Komponen udara adalah gas nitrogen (N2), oksigen(O2) dan air (H2O). Menghirup udara (menarik nafas) 0,04% CO2 80% N2 19% O2 mengeluarkan udara Setiap hari manusia menghirup udara sebanyak 10 kg, dan yang diserap paru-paru sekitar 0,5 kg dan sedikit CO2. 4% CO2 80% N2 16% O2

MEKANIKA PARU-PARU Terdapat pleura viseralis yang menjadi satu dgn jaringan paru-paru. Diluarnya terdapat pleura parietalis. Ruang antara pleura viseralis dan pleura parietalis adalah ruang intrapleural yang berisi cairan yang tipis. pleura parietalis pleura viseralis ruang intrapleural

Mekanisme pernafasan paru-paru dapat dimodelkan dengan piston yang bergerak atau ditarik, jika sedang menarik nafas) pleura viseralis pleura parietalis ruang intrapleural Jika Piston ditarik maka volume di ruang intrapleural meningkat, sedangkan tekanannya berkurang drastik. Pada penyakit fibrosis paru-paru ( pembentukan jaringan pada paru-paru), ketika piston ditarik, pegasnya lemah sehingga pleura visceralis juga tertatik, sehingga perubahan tekanan kecil  kompliansi

Hubungan antara tekanan dan volume udara dalam paru-paru Paru-paru normal Paru-paru tidak-normal PV = konstan PV = konstan volume volume tekanan tekanan

HUKUM-HUKUM FISIKA YANG BERLAKU DALAM PERNAFASAN Hukum-hukum Fisika yang berlaku adalah : Hukum Dalton tentang tekanan parsial Hukum Boyle : bahwa PV adalah konstan Hukum Laplace

1. Hukum Dalton % O2 P O2 (mmHg) % CO2 P CO2 (mmHg) Jika udara merupakan campuran dari beberapa gas, maka tekanan total adalah jumlah dari masing-masing tekanan dari komponen udara tersebut. Contoh : Jika dalam paru-paru tekanannya adalah 760 mmHg (1 atm), maka tekanan oksigen adalah 20% x 760 = 152 mmHg, tekanan nitrogen 80% x 760 = 608 mmHg. Tekanan parsial udara bergantung pada kelembaban. % O2 P O2 (mmHg) % CO2 P CO2 (mmHg) Udara inspirasi 20,9 150 0,04 0,3 Alveoli paru-paru 14,0 100 5,6 40 Udara ekspirasi 16,3 116 4,5 32

Tekanan intrapleura normal (cm H2O) 2. Hukum Boyle Untuk gas ideal, dimana PV = nRT , untuk massa dan tekanan tetap, maka PV adalah tetap. Jika terjadi peningkatan volume paru-paru (inspirasi/menarik nafas), maka tekanan intrapleura akan berkurang. Pada saat ekspirasi, volume udara paru-paru akan berkurang, sehingga tekanan udara akan meningkat. A. Tekanan Intrapleura 5 Tekanan intrapleura normal (cm H2O) t 5 inspirasi ekspirasi

B. Volume paru-paru C. Debit/Laju 3 Volume paru-paru (liter) 2 t inspirasi ekspirasi C. Debit/Laju 10 Debit/laju (liter/menit) t 10 inspirasi ekspirasi

3. Hukum Laplace Tekanan pada gelembung alveoli berbanding lurus dengan tegangan permukaan () dan berbanding terbalik dengan radius (R) dari gelembung alveoli. Satuan tegangan permukaan : N/m atau dyne/cm Karena R1 > R2, maka : P1 P2

P1 P2 Katup Jika katup dibuka, maka udara yang bertekanan lebih tinggi P2 akan mengalir ke P1. Akibatnya radius (P1) akan mengembang atau membesar dan tekanannya menjadi lebih kecil (P3), sedangkan gelembung yang kecil menjadi setengah lingkaran dan tekanannya besar (P4). P3 P4

Walaupun alveoli tidak sama dengan P2 yang mengalami kolaps, Namun jika gelembung alveoli mengalami kolaps, maka disebut Atelectasis. Agar tidak kolaps, maka diperlukan surfactant untuk menurunkan tegangan permukaan, sehingga tekanannya berkurang. Bayi lahir tanpa memiliki surfactant menimbulkan : RESPIRATORY DISTRES SYNDROME.

Efek ketinggian terhadap tekanan udara Semakin tinggi posisi dari permukaan laut (ketinggian), maka tekanan barometrik menurun. Penurunan tekanan barometrik diikuti oleh tekanan oksigen (O2) dan tekanan parsial N2 dan CO2 di udara. Akibatnya tekanan udara didalam alveoli dan kandungan oksigen dalam darah arteri berkurang. Akibatnya tubuh akan anoksia, kolaps. TUGAS-1 Bagaimana pengaruh kedalaman dibawah permukaan laut terhadap tekanan barometrik, tekanan parsial dan jelaskan efeknya terhadap kesehatan. (Tugas dikumpul minggu depan)