1.1. Latar Belakang
Salah satu fenomena alam yang sering ditemukan adalah fenomena fluida.
Fluida diartikan sebagai suatu zat yang dapat mengalir. Istilah fluida
mencakup zat cair dan gas karena zat cair seperti air dan zat gas
seperti udara dapat mengalir. Menurut Giles (1984:1) “Fluida adalah
zat-zat yang mampu mengalir dan yang menyesuaikan diri dengan bentuk
wadah dan tempatnya”. Zat padat seperti batu atau besi tidak dapat
mengalir sehingga tidak bisa digolongkan dalam fluida. Air merupakan
salah satu contoh zat cair. Masih ada contoh zat cair lainnya seperti
minyak pelumas, susu, dan sebagainya. Semua zat cair itu dapat
dikelompokan ke dalam fluida karena sifatnya yang dapat mengalir dari
satu tempat ke tempat yang lain.
Fenomena fluida statis (fluida tak bergerak) berkaitan erat dengan
tekanan hidraustatis. Dalam fluida statis dipelajari hukum-hukum dasar
yang berkaitan dengan konsep tekanan hidraustatis, salah satunya adalah
hukum Pascal dan hukum Archimedes. Hukum Pascal diambil dari nama
penemunya yaitu Blaise Pascal (1623-1662) yang berasal dari Perancis.
Sedangkan hukum Archimedes diambil dari nama penemunya yaitu Archimedes
(287-212 SM) yang berasal dari Italia. Hukum-hukum fisika dalam fluida
statis sering dimanfaatkan untuk kesejahteraan manusia dalam
kehidupannya, salah satunya adalah prinsip hukum Pascal dan prinsip
hokum Archimedes. Namun, belum banyak masyarakat yang mengetahui hal
tersebut. Oleh karena itu, diperlukan studi yang lebih mendalam mengenai
hukum Pascal dan hukum Archimedes serta penerapannya dalam kehidupan.
Balon udara adalah salah teknologi penerbangan pertama yang memanfaatkan
Hukum Archimedes, dimana hukum tersebut menyatakan bahwa ”Suatu benda
yang terendam sebagian atau seluruhnya dalam zat cair (fluida) mendapat
gaya ke atas yang besarnya sama dengan berat zat cair (fluida) yang
dipindahkan oleh benda itu”.
Sebagaimana pada zat cair, pada udara juga terdapat gaya ke atas. Gaya
ke atas yang dialami benda sebanding dengan volume udara yang
dipindahkan benda itu. Menurut Munson (2003:86) ”arah gaya apung yang
merupakan gaya dari fluida terhadap benda berlawanan arah terhadap yang
ditunjukkan dalam diagram bebas”. Suatu benda akan naik ke angkasa jika
beratnya kurang dari gaya angkat udara. Balon udara akan berhenti naik
(melayang) jika gaya ke atas oleh udara sama dengan berat total balon
udara.
Berdasarkan latar belakang yang telah diuraikan diatas, penulis tertarik
untuk membahas ” PRINSIP KERJA BALON UDARA ” dan menjadi judul pada
makalah ini.
1.2.Batasan Masalah
Dalam pembahsaan prinsip kerja balon udara tentunya akan muncul beragam
hal yang perlu dibahas, untuk itu diperlukannya pembatasan masalah.
Masalah yang dibahas pada makalah ini seputar penerapan ilmu Fisika pada
prinsip kerja balon udara
1.3. Rumusan Masalah
Adapun yang menjadi permasalahan didalam makalah ini adalah bagaimana
Prinsip Kerja Balon Udara.
.
1.4. Tujuan
Adapun tujuan dari penulisan makalah ini adalah ingin mengetahui
bagaimana prinsip kerja balon udara.
1.5.Manfaat
Adapun manfaat dari penulisan ini adalah :
a. Penulis, sebagai pelengkap syarat mata kuliah Seminar Fisika
b. Mahasiswa dan Umum, sebagai penambah pengetahuan tentang
penerapan ilmu fisika pada prinsip kerja balon udara.
BAB II
KAJIAN TEORI
2.1.Fluida
Fluida diartikan sebagai suatu zat yang dapat mengalir. Istilah fluida
mencakup zat cair dan gas karena zat cair seperti air atau zat gas
seperti udara dapat mengalir. Zat padat seperti batu dan besi tidak
dapat mengalir sehingga tidak bisa digolongkan dalam fluida. Air, minyak
pelumas, dan susu merupakan contoh zat cair. Semua zat cair itu dapat
dikelompokan ke dalam fluida karena sifatnya yang dapat mengalir dari
satu tempat ke tempat yang lain. Selain zat cair, zat gas juga termasuk
fluida. Zat gas juga dapat mengalir dari satu satu tempat ke tempat
lain. Hembusan angin merupakan contoh udara yang berpindah dari satu
tempat ke tempat lain.
Fluida merupakan salah satu aspek yang penting dalam kehidupan
sehari-hari. Setiap hari manusia menghirupnya, meminumnya, terapung atau
tenggelam di dalamnya. Setiap hari pesawat udara terbang melaluinya dan
kapal laut mengapung di atasnya. Demikian juga kapal selam dapat
mengapung atau melayang di dalamnya. Air yang diminum dan udara yang
dihirup juga bersirkulasi di dalam tubuh manusia setiap saat meskipun
sering tidak disadari. Menurut Streeter (1996:1) “fluida adalah zat yang
berubah bentuk secara kontinu (terus – menerus) bila terkena tegangan
geser, betapapun kecilnya tegangan geser itu”.
Fluida dibagi menjadi dua bagian yakni fluida statis (fluida diam) dan
fluida dinamis (fluida bergerak). Fluida statis ditinjau ketika fluida
yang sedang diam atau berada dalam keadaan setimbang. Fluida dinamis
ditinjau ketika fluida ketika sedang dalam keadaan bergerak). Fluida
statis erat kaitannya dengan hidraustatika dan tekanan. Hidraustatika
merupakan ilmu yang mempelajari tentang gaya maupun tekanan di dalam zat
cair yang diam. Sedangkan tekanan didefinisikan sebagai gaya normal per
satuan luas permukaan.
Fluida juga memiliki Berat jenis yang dilambangkan dengan γ (gamma) dan
gravitasi jenis, menurut Munson (2003:15) “berat jenis dari sebuah
fluida, dilambangkan dengan γ (gamma), didefinisikan sebagai berat
fluida persatuan volume”. Berat jenis berhubungan dengan kerapatan
melalui persamaan :
Gravitas jenis sebuah fluida dilambangkan dengan SG. Menurut
Munson (2003:15)” gravitasi jenis sebuah fluida didefinisikan sebagai
perbandingan kerapatan fluida tersebut dengan kerapatan air pada sebuah
temperatur tertentu”.
2.2.Hukum Archimedes
Gaya apung terjadi karena makin dalam zat cair, makin besar tekanan
hidrostatiknya. Hal ini menyebabkan tekanan pada bagian bawah benda
lebih besar daripada tekanan ada bagian atasnya. Gaya apung muncul
karena selisih antar gaya hidrostatik pada permukaan benda atas dan
bawah. Fluida melakukan tekanan hidrostatik p1=ρfgh1 pada bagian atas
benda. Gaya yang berhubungan dengan tekanan ini adalah F1=p1A =ρfgh1A
berarah ke bawah. Dengan cara yang sama, pada permukaan bagian bawah
diperoleh F2=p2A =rfgh2 A berarah ke atas.
Resultan kedua gaya ini adalah gaya apung Fa, yakni :
Fa = F2 – F1
= ρfgA(h2 - h1)
= ρfgAh
= ρfgVb = mf g = wf
Berdasarkan persamaan di atas, dikatakan bahwa gaya apung pada benda
sama dengan berat fluida yang dipindahkan. Hal ini dikemukakan oleh
Archimedes dalam hukumnya yang menyatakan Ketika sebuah benda tercelup
seluruhnya atau sebagian di dalam zat cair, zat cair akan memberikan
gaya ke atas (gaya apung) pada benda, di mana besarnya gaya ke atas
(gaya apung) sama dengan berat zat cair yang dipindahkan. Menurut
Munson (2003:86) ”arah gaya apung yang merupakan gaya dari fluida
terhadap benda berlawanan arah terhadap yang ditunjukkan dalam diagram
bebas”.
2.2.1. Tenggelam
Sebuah benda yang dicelupkan ke dalam zat cair akan tenggelam jika berat
benda (w) lebih besar dari gaya ke atas (Fa).
w > Fa
ρb . Vb . g > ρa .Va . g
ρb > ρa
Volume bagian benda yang tenggelam bergantung dari rapat massa zat cair
(ρ)
2.2.2. Melayang
Sebuah benda yang dicelupkan ke dalam zat cair akan melayang jika berat
benda (w) sama dengan gaya ke atas (Fa) atu benda tersebut tersebut
dalam keadaan setimbang
w = Fa
ρb .Vb . g = ρa . Va . g
ρb = ρa
Pada 2 benda atau lebih yang melayang dalam zat cair akan berlaku :
(FA)tot = Wtot
rc . g (V1+V2+V3+V4+…..) = W1 + W2 + W3 + W4 +…..
2.2.3. Terapung
Sebuah benda yang dicelupkan ke dalam zat cair akan terapung jika berat
benda (w) lebih kecil dari gaya ke atas (Fa).
w = Fa
ρb . Vb . g = ρa . Va . g
ρb < ρa
Selisih antara W dan FA disebut gaya naik (Fn).
Fn = FA - W
Benda terapung tentunya dalam keadaan setimbang, sehingga berlaku :
FA = W . Vb2 . g = rb . Vb1 . g
Dengan :
FA = Gaya ke atas yang dialami oleh bagian benda yang tercelup di dalam
zat cair.
Vb1 = Volume benda yang berada dipermukaan zat cair.
Vb2 = Volume benda yang tercelup di dalam zat cair.
Vb = Vb1 + Vb 2
FA’ = rc . Vb2 . g
Berat (massa) benda terapung = berat (massa) zat cair yang dipindahkan
Dari penjelasan konsep melayang, terapung dan tenggelam yang telah
teruraikan diatas kita asumsikan balon udara merupakan benda yang berada
didalam fluida (udara) dimana medium luar balon udara adalah udara
sekitar balon udara.
2.3.Balon Udara
2.3.1. Sejarah Penemuan Balon Udara
Pada tahun 1709 di Lisbon, Bartolomeu de Gusmo berhasil membuat balon
yang dapat bergerak naik di dalam suatu ruangan setelah udara di dalam
balon dipanaskan. Dia juga membuat balon Passarola yang berhasil
terbang dari Benteng Saint George sejauh sekitar satu kilometer.
Kemudian tahun 1766, Joseph Black berkeyakinan bahwa balon yang
diisi dengan hidrogen akan mampu naik di udara. Balon udara panas
adalah teknologi penerbangan pertama oleh manusia, ditemukan oleh
Montgolfier bersaudara di Annonay, Perancis pada 1783. Peristiwa
kebakaran pada suatu malam di benteng Gibraltar membuat Joseph
berpikir akan kemungkinan pembakaran dari bara api dapat mengangkat
sebuah benda. Dia percaya bahwa ada asap gas khusus yang
menyebabkan hal itu terjadi. Dia menyebutnya gas tersebut adalah
"Mongolfier gas".
Lewat hipotesis itu, dia membangun ruang kotak berukuran 1 x 1 x 1,3 m
dari kayu yang tipis. Lalu, sisi atasnya ditutup dengan kain ringan. Di
bagian bawah kotak, dia menyulut beberapa kertas. Ternyata, hasil
pembakaran itu mengangkat balon perlahan. Hasil percobaan itu
membuat mereka semakin bersemangat. Dua bersaudara itu mengumumkan
pembuatan proyek besar. Yakni, balon udara raksasa yang menampung
beberapa orang. Balon itu berbentuk kain kabung dengan tiga lapisan
tipis di dalamnya. Balon tersebut mampu menampung 790 m¸ udara dengan
berat 225 kg.
2.3.2. Tipe Balon Udara
Tipe balon udara dibedakan atas dua macam yaitu:
a. Balon udara yang diisi dengan udara panas
Pada jenis balon udara ini terdapat suatu pembakar yang berfungsi untuk
memanaskan udara dalam balon, sehingga udara dalam balon menjadi lebih
ringan dari udara luar sekitarnya.
b. Balon udara yang diisi dengan gas yang ringan
Gas yang biasanya digunakan adalah gas hidrogen dan gas helium. Gas
hidrogen ringan namun mudah terbakar. Sedangkan gas helium tidak
mudah terbakar.
2.3.3. Bagian Pada Balon Udara
Adapun Bagian – Bagian yang terdapat pada balon udara adalah sebagai
berikut:
image
Balon udara secara garis besarnya mempunyai tiga bagian utama yaitu
envelope, burner, dan basket.
a. Envelope bentuknya berupa kantong berupa balon tempat udara
dipanaskan. Envelope ini biasanya terbuat dari bahan nilon dan diperkuat
dengan panel-panel yang di anyam. Karena nilon ini tidak tahan api,
maka bagian bawah envelope di lapisi dengan bahan anti api (skirt)
seperti PVC.
b. Burner merupakan alat yang berfungsi untuk memanaskan udara di
dalam Envelope. Burner di letakan di atas kepala penumpang dekat ke
mulut envelope.
c. Basket atau keranjang merupakan tempat penumpang. Basket dibuat
dari bahan yang ringan dan lentur.
2.4.Prinsip Kerja Balon Udara
Prinsip kerja pada balon yang diisi dengan udara panas dan balon yang
diisi dengan gas ringan pada dasarnya sama, yaitu dengan membuat
udara dalam balon lebih ringan atau memiliki massa jenis yang
lebih kecil dari udara luar sekitar balon sehingga balon udara
dapat naik (terbang). Sesuai dengan prinsip Archimedes “Gaya apung yang
bekerja pada benda yang dimasukkan dalam fluida sama dengan berat
fluida yang dipindahkannya”. hal ini sejalan dengan udara sebagai fluida
dimana benda dapat terapung pada fluida , jika massa jenisnya lebih
kecil dari massa jenis fluida tersebut.
Semua partikel udara di atmosfer ditarik oleh gaya gravitasi ke bawah.
Namun tekanan di udara menciptakan gaya ke atas yang bekerja berlawanan
dengan gravitasi. Menurut Munson (2003:86) ”arah gaya apung yang
merupakan gaya dari fluida terhadap benda berlawanan arah terhadap yang
ditunjukkan dalam diagram bebas”. Kumpulan udara membangun keseimbangan
gaya gravitasi, dimana pada titik ini gravitasi tidak cukup
kuat untuk menarik ke bawah sejumlah besar partikel. Tingkat tekanan
ini adalah tertinggi pada permukaan bumi dimana udara pada tingkat ini
dapat menahan beban di udara diatasnya, jika lebih berat berarti
lebih besar gaya gravitasi ke bawah. Tapi gaya apung ini adalah
lemah dibandingkan dengan gaya gravitasi, hanya sekuat berat udara
yang dipindahkan oleh suatu benda. Jelas, sebagian besar benda
padat apa pun akan menjadi lebih berat daripada udara yang
dipindahkan, sehingga gaya apung tidak bergerak sama sekali.
Gaya apung hanya dapat memindahkan hal-hal yang lebih ringan daripada
udara di sekitarnya.
Untuk membuat benda mengapung di udara, maka berat balon dan
muatannya harus lebih ringan dari yang ada di udara sekitarnya,
yaitu dengan mengisi balon dengan udara yang tidak terlalu padat
daripada udara sekitarnya, semisal dengan mengisi balon udara dengan
gas hidrogen atau gas helium yang memiliki massa jenis lebih kecil
dari udara (Massa jenis helium = 0,1786 Kg/m3, udara=1,29 kg/m3). Karena
udara dalam balon memiliki kurang massa per unit volume daripada
udara di atmosfer yang membuatnya lebih ringan sehingga gaya
apung akan mengangkat balon ke atas.
Untuk Balon yang diisi dengan udara panas, prinsip yang digunakan pun
sama, jika ingin mengubah kondisi udara di dalam balon, dapat
dikurangi kepadatannya, sekaligus menjaga tekanan udara agar tetap
sama dengan pemanasan udara secara terus-menerus. Kekuatan
tekanan udara pada objek tergantung pada seberapa sering
berbenturan dengan partikel-partikel udara objek, serta gaya
masing-masing tabrakan. Kita melihat bahwa secara keseluruhan kita dapat
meningkatkan tekanan dalam dua cara:
1. Meningkatkan jumlah partikel udara sehingga ada sejumlah
besar partikel berdampak atas luas permukaan tertentu.
2. Meningkatkan kecepatan partikel sehingga partikel
menghantam daerah lebih sering dan setiap partikel bertabrakan dengan
kekuatan yang lebih besar.
Pada balon udara yang diisi dengan udara panas, agar balon udara dapat
terbang maka di dalam envelope dipanaskan dengan burner dengan
temperatur sekitar 100oC. Udara panas ini akan terperangkap di dalam
envelope. Karena udara panas memiliki massa jenis yang lebih kecil
daripada udara biasa, maka membuatnya lebih ringan sehingga balon
udara pun akan bergerak naik di dorong oleh udara yang bertekanan lebih
kuat.
Untuk mendarat, udara didinginkan dengan cara mengecilkan burner. Udara
yang mulai mendingin di dalam envelope membuat balon bergerak turun.
Untuk mempercepatnya, pilot akan membuka katup parasut (parachute valve)
sehingga udara di dalam envelope lebih cepat dingin. Sedangkan pada
balon yang berisi gas ringan, terdapat kantung-kantung pasir yang
diikatkan ditepian keranjang. Ketika balon udara ingin terbang tinggi,
maka kantung-kantung pasir tersebut dibuang di udara, namun ketika
balon udara ingin diturunkan maka gas pada balon udara dibuang.
Karena balon udara hanya bisa naik dan turun (bergerak secara
vertikal) tentu kita berpikir bagaimana cara balon udara berpindah
dari satu lokasi ke lokasi lain (bergerak secara horizontal). Pilot
memanfaatkan hembusan angin untuk bergerak secara horizontal.
Karena angin bertiup berbeda arahnya pada setiap ketinggian tertentu.
Perbedaan arah tiupan angin inilah yang dimanfaatkan oleh pilot
untuk mengendalikan balon udara dari satu lokasi ke lokasi yang
diinginkan .
BAB III
PEMBAHASAN
3.1. Gaya yang berkerja pada balon udara
Adapun gaya – gaya yang bekerja pada balon udara adalah sebagai berikut:
image
a. Gaya Apung
Balon udara akan melayang diudara apabila besarnya gaya apung sama
dengan gaya berat balon udara tersebut. Secara sistematis dapat ditulis :
Fb=Wgas + WBeban
Fb=(mgas+mbeban) . g
ρudara . V . g = (ρgas .V+mbeban).g
ρudara . V = ρgas .V+mbeban
b. Balon Naik jika
Dalam proses menaikkan balon udara, udara di dalam envelope dipanaskan
dengan burner dengan temperatur sekitar 100oC sehingga menyebabkan masa
jenis balon udara lebih kecil daripada massa jenis udara disekitar
balon, sehingga menyebabkan balon tersebut terangkat. Secara sistematis
dapat ditulis
ρudara . V > ρgas .V+mbeban
c. Balon Turun
Untuk mendarat, udara didinginkan dengan cara mengecilkan burner. Udara
yang mulai mendingin di dalam envelope membuat balon bergerak turun.
Hal ini dikarenakan balon lebih besar dari pada masa udara disekitar
balon tersebut (udara luar). Secara sistematis dapat ditulis:
ρudara . V < ρgas .V+mbeban
BAB IV
PENUTUP
4.1.Kesimpulan
Dari yang telah teruraikan dari bab sebelumnya maka dapat ditarik
kesimpulan sebagai berikut:
Ø Balon udara merupakan teknologi terbang pertama yang menerapkan
konsep fluida statis dengan menggunakan prinsip archimedes, dimana “Gaya
apung yang bekerja pada benda yang dimasukkan dalam fluida sama
dengan berat fluida yang dipindahkannya”.
a. Gaya Apung (Balon Melayang)
Balon udara akan melayang diudara apabila besarnya gaya apung sama
dengan gaya berat balon udara tersebut. Secara sistematis dapat ditulis :
ρudara . V = ρgas .V+mbeban
b. Balon Naik
Balon udara naik apabila massa jenis balon lebih kecil daripada masa
jenis udara diluar balon secara sistematis dapat ditulis
ρudara . V > ρgas .V+mbeban
c. Balon Turun
Balon Udara turun apabila massa jenis balon lebih besar daripada masa
jenis udara diluar balon secara sistematis dapat ditulis
ρudara . V < ρgas .V+mbeban
4.2. Saran
Adapun saran dari penulis pada penyusunan koloqium ini adalah semoga
dapat menambah pengetahuan tentang bagaimana penerapan ilmu fisika pada
prinsip kerja balon udara dan diharapkan adanya penyusunan koloqium
lainnya dengan menerapkan ilmu fisika didalamnya.
Copy and WIN : http://bit.ly/copy_win
Copy and WIN : http://bit.ly/copy_win
.jpg "balon udara bandung")
1.1. Latar Belakang
Salah satu fenomena alam yang sering ditemukan adalah fenomena fluida.
Fluida diartikan sebagai suatu zat yang dapat mengalir. Istilah fluida
mencakup zat cair dan gas karena zat cair seperti air dan zat gas
seperti udara dapat mengalir. Menurut Giles (1984:1) “Fluida adalah
zat-zat yang mampu mengalir dan yang menyesuaikan diri dengan bentuk
wadah dan tempatnya”. Zat padat seperti batu atau besi tidak dapat
mengalir sehingga tidak bisa digolongkan dalam fluida. Air merupakan
salah satu contoh zat cair. Masih ada contoh zat cair lainnya seperti
minyak pelumas, susu, dan sebagainya. Semua zat cair itu dapat
dikelompokan ke dalam fluida karena sifatnya yang dapat mengalir dari
satu tempat ke tempat yang lain.
Fenomena fluida statis (fluida tak bergerak) berkaitan erat dengan
tekanan hidraustatis. Dalam fluida statis dipelajari hukum-hukum dasar
yang berkaitan dengan konsep tekanan hidraustatis, salah satunya adalah
hukum Pascal dan hukum Archimedes. Hukum Pascal diambil dari nama
penemunya yaitu Blaise Pascal (1623-1662) yang berasal dari Perancis.
Sedangkan hukum Archimedes diambil dari nama penemunya yaitu Archimedes
(287-212 SM) yang berasal dari Italia. Hukum-hukum fisika dalam fluida
statis sering dimanfaatkan untuk kesejahteraan manusia dalam
kehidupannya, salah satunya adalah prinsip hukum Pascal dan prinsip
hokum Archimedes. Namun, belum banyak masyarakat yang mengetahui hal
tersebut. Oleh karena itu, diperlukan studi yang lebih mendalam mengenai
hukum Pascal dan hukum Archimedes serta penerapannya dalam kehidupan.
Balon udara adalah salah teknologi penerbangan pertama yang memanfaatkan
Hukum Archimedes, dimana hukum tersebut menyatakan bahwa ”Suatu benda
yang terendam sebagian atau seluruhnya dalam zat cair (fluida) mendapat
gaya ke atas yang besarnya sama dengan berat zat cair (fluida) yang
dipindahkan oleh benda itu”.
Sebagaimana pada zat cair, pada udara juga terdapat gaya ke atas. Gaya
ke atas yang dialami benda sebanding dengan volume udara yang
dipindahkan benda itu. Menurut Munson (2003:86) ”arah gaya apung yang
merupakan gaya dari fluida terhadap benda berlawanan arah terhadap yang
ditunjukkan dalam diagram bebas”. Suatu benda akan naik ke angkasa jika
beratnya kurang dari gaya angkat udara. Balon udara akan berhenti naik
(melayang) jika gaya ke atas oleh udara sama dengan berat total balon
udara.
Berdasarkan latar belakang yang telah diuraikan diatas, penulis tertarik
untuk membahas ” PRINSIP KERJA BALON UDARA ” dan menjadi judul pada
makalah ini.
1.2.Batasan Masalah
Dalam pembahsaan prinsip kerja balon udara tentunya akan muncul beragam
hal yang perlu dibahas, untuk itu diperlukannya pembatasan masalah.
Masalah yang dibahas pada makalah ini seputar penerapan ilmu Fisika pada
prinsip kerja balon udara
1.3. Rumusan Masalah
Adapun yang menjadi permasalahan didalam makalah ini adalah bagaimana
Prinsip Kerja Balon Udara.
.
1.4. Tujuan
Adapun tujuan dari penulisan makalah ini adalah ingin mengetahui
bagaimana prinsip kerja balon udara.
1.5.Manfaat
Adapun manfaat dari penulisan ini adalah :
a. Penulis, sebagai pelengkap syarat mata kuliah Seminar Fisika
b. Mahasiswa dan Umum, sebagai penambah pengetahuan tentang
penerapan ilmu fisika pada prinsip kerja balon udara.
BAB II
KAJIAN TEORI
2.1.Fluida
Fluida diartikan sebagai suatu zat yang dapat mengalir. Istilah fluida
mencakup zat cair dan gas karena zat cair seperti air atau zat gas
seperti udara dapat mengalir. Zat padat seperti batu dan besi tidak
dapat mengalir sehingga tidak bisa digolongkan dalam fluida. Air, minyak
pelumas, dan susu merupakan contoh zat cair. Semua zat cair itu dapat
dikelompokan ke dalam fluida karena sifatnya yang dapat mengalir dari
satu tempat ke tempat yang lain. Selain zat cair, zat gas juga termasuk
fluida. Zat gas juga dapat mengalir dari satu satu tempat ke tempat
lain. Hembusan angin merupakan contoh udara yang berpindah dari satu
tempat ke tempat lain.
Fluida merupakan salah satu aspek yang penting dalam kehidupan
sehari-hari. Setiap hari manusia menghirupnya, meminumnya, terapung atau
tenggelam di dalamnya. Setiap hari pesawat udara terbang melaluinya dan
kapal laut mengapung di atasnya. Demikian juga kapal selam dapat
mengapung atau melayang di dalamnya. Air yang diminum dan udara yang
dihirup juga bersirkulasi di dalam tubuh manusia setiap saat meskipun
sering tidak disadari. Menurut Streeter (1996:1) “fluida adalah zat yang
berubah bentuk secara kontinu (terus – menerus) bila terkena tegangan
geser, betapapun kecilnya tegangan geser itu”.
Fluida dibagi menjadi dua bagian yakni fluida statis (fluida diam) dan
fluida dinamis (fluida bergerak). Fluida statis ditinjau ketika fluida
yang sedang diam atau berada dalam keadaan setimbang. Fluida dinamis
ditinjau ketika fluida ketika sedang dalam keadaan bergerak). Fluida
statis erat kaitannya dengan hidraustatika dan tekanan. Hidraustatika
merupakan ilmu yang mempelajari tentang gaya maupun tekanan di dalam zat
cair yang diam. Sedangkan tekanan didefinisikan sebagai gaya normal per
satuan luas permukaan.
Fluida juga memiliki Berat jenis yang dilambangkan dengan γ (gamma) dan
gravitasi jenis, menurut Munson (2003:15) “berat jenis dari sebuah
fluida, dilambangkan dengan γ (gamma), didefinisikan sebagai berat
fluida persatuan volume”. Berat jenis berhubungan dengan kerapatan
melalui persamaan :
Gravitas jenis sebuah fluida dilambangkan dengan SG. Menurut
Munson (2003:15)” gravitasi jenis sebuah fluida didefinisikan sebagai
perbandingan kerapatan fluida tersebut dengan kerapatan air pada sebuah
temperatur tertentu”.
2.2.Hukum Archimedes
Gaya apung terjadi karena makin dalam zat cair, makin besar tekanan
hidrostatiknya. Hal ini menyebabkan tekanan pada bagian bawah benda
lebih besar daripada tekanan ada bagian atasnya. Gaya apung muncul
karena selisih antar gaya hidrostatik pada permukaan benda atas dan
bawah. Fluida melakukan tekanan hidrostatik p1=ρfgh1 pada bagian atas
benda. Gaya yang berhubungan dengan tekanan ini adalah F1=p1A =ρfgh1A
berarah ke bawah. Dengan cara yang sama, pada permukaan bagian bawah
diperoleh F2=p2A =rfgh2 A berarah ke atas.
Resultan kedua gaya ini adalah gaya apung Fa, yakni :
Fa = F2 – F1
= ρfgA(h2 - h1)
= ρfgAh
= ρfgVb = mf g = wf
Berdasarkan persamaan di atas, dikatakan bahwa gaya apung pada benda
sama dengan berat fluida yang dipindahkan. Hal ini dikemukakan oleh
Archimedes dalam hukumnya yang menyatakan Ketika sebuah benda tercelup
seluruhnya atau sebagian di dalam zat cair, zat cair akan memberikan
gaya ke atas (gaya apung) pada benda, di mana besarnya gaya ke atas
(gaya apung) sama dengan berat zat cair yang dipindahkan. Menurut
Munson (2003:86) ”arah gaya apung yang merupakan gaya dari fluida
terhadap benda berlawanan arah terhadap yang ditunjukkan dalam diagram
bebas”.
2.2.1. Tenggelam
Sebuah benda yang dicelupkan ke dalam zat cair akan tenggelam jika berat
benda (w) lebih besar dari gaya ke atas (Fa).
w > Fa
ρb . Vb . g > ρa .Va . g
ρb > ρa
Volume bagian benda yang tenggelam bergantung dari rapat massa zat cair
(ρ)
2.2.2. Melayang
Sebuah benda yang dicelupkan ke dalam zat cair akan melayang jika berat
benda (w) sama dengan gaya ke atas (Fa) atu benda tersebut tersebut
dalam keadaan setimbang
w = Fa
ρb .Vb . g = ρa . Va . g
ρb = ρa
Pada 2 benda atau lebih yang melayang dalam zat cair akan berlaku :
(FA)tot = Wtot
rc . g (V1+V2+V3+V4+…..) = W1 + W2 + W3 + W4 +…..
2.2.3. Terapung
Sebuah benda yang dicelupkan ke dalam zat cair akan terapung jika berat
benda (w) lebih kecil dari gaya ke atas (Fa).
w = Fa
ρb . Vb . g = ρa . Va . g
ρb < ρa
Selisih antara W dan FA disebut gaya naik (Fn).
Fn = FA - W
Benda terapung tentunya dalam keadaan setimbang, sehingga berlaku :
FA = W . Vb2 . g = rb . Vb1 . g
Dengan :
FA = Gaya ke atas yang dialami oleh bagian benda yang tercelup di dalam
zat cair.
Vb1 = Volume benda yang berada dipermukaan zat cair.
Vb2 = Volume benda yang tercelup di dalam zat cair.
Vb = Vb1 + Vb 2
FA’ = rc . Vb2 . g
Berat (massa) benda terapung = berat (massa) zat cair yang dipindahkan
Dari penjelasan konsep melayang, terapung dan tenggelam yang telah
teruraikan diatas kita asumsikan balon udara merupakan benda yang berada
didalam fluida (udara) dimana medium luar balon udara adalah udara
sekitar balon udara.
2.3.Balon Udara
2.3.1. Sejarah Penemuan Balon Udara
Pada tahun 1709 di Lisbon, Bartolomeu de Gusmo berhasil membuat balon
yang dapat bergerak naik di dalam suatu ruangan setelah udara di dalam
balon dipanaskan. Dia juga membuat balon Passarola yang berhasil
terbang dari Benteng Saint George sejauh sekitar satu kilometer.
Kemudian tahun 1766, Joseph Black berkeyakinan bahwa balon yang
diisi dengan hidrogen akan mampu naik di udara. Balon udara panas
adalah teknologi penerbangan pertama oleh manusia, ditemukan oleh
Montgolfier bersaudara di Annonay, Perancis pada 1783. Peristiwa
kebakaran pada suatu malam di benteng Gibraltar membuat Joseph
berpikir akan kemungkinan pembakaran dari bara api dapat mengangkat
sebuah benda. Dia percaya bahwa ada asap gas khusus yang
menyebabkan hal itu terjadi. Dia menyebutnya gas tersebut adalah
"Mongolfier gas".
Lewat hipotesis itu, dia membangun ruang kotak berukuran 1 x 1 x 1,3 m
dari kayu yang tipis. Lalu, sisi atasnya ditutup dengan kain ringan. Di
bagian bawah kotak, dia menyulut beberapa kertas. Ternyata, hasil
pembakaran itu mengangkat balon perlahan. Hasil percobaan itu
membuat mereka semakin bersemangat. Dua bersaudara itu mengumumkan
pembuatan proyek besar. Yakni, balon udara raksasa yang menampung
beberapa orang. Balon itu berbentuk kain kabung dengan tiga lapisan
tipis di dalamnya. Balon tersebut mampu menampung 790 m¸ udara dengan
berat 225 kg.
2.3.2. Tipe Balon Udara
Tipe balon udara dibedakan atas dua macam yaitu:
a. Balon udara yang diisi dengan udara panas
Pada jenis balon udara ini terdapat suatu pembakar yang berfungsi untuk
memanaskan udara dalam balon, sehingga udara dalam balon menjadi lebih
ringan dari udara luar sekitarnya.
b. Balon udara yang diisi dengan gas yang ringan
Gas yang biasanya digunakan adalah gas hidrogen dan gas helium. Gas
hidrogen ringan namun mudah terbakar. Sedangkan gas helium tidak
mudah terbakar.
2.3.3. Bagian Pada Balon Udara
Adapun Bagian – Bagian yang terdapat pada balon udara adalah sebagai
berikut:
image
Balon udara secara garis besarnya mempunyai tiga bagian utama yaitu
envelope, burner, dan basket.
a. Envelope bentuknya berupa kantong berupa balon tempat udara
dipanaskan. Envelope ini biasanya terbuat dari bahan nilon dan diperkuat
dengan panel-panel yang di anyam. Karena nilon ini tidak tahan api,
maka bagian bawah envelope di lapisi dengan bahan anti api (skirt)
seperti PVC.
b. Burner merupakan alat yang berfungsi untuk memanaskan udara di
dalam Envelope. Burner di letakan di atas kepala penumpang dekat ke
mulut envelope.
c. Basket atau keranjang merupakan tempat penumpang. Basket dibuat
dari bahan yang ringan dan lentur.
2.4.Prinsip Kerja Balon Udara
Prinsip kerja pada balon yang diisi dengan udara panas dan balon yang
diisi dengan gas ringan pada dasarnya sama, yaitu dengan membuat
udara dalam balon lebih ringan atau memiliki massa jenis yang
lebih kecil dari udara luar sekitar balon sehingga balon udara
dapat naik (terbang). Sesuai dengan prinsip Archimedes “Gaya apung yang
bekerja pada benda yang dimasukkan dalam fluida sama dengan berat
fluida yang dipindahkannya”. hal ini sejalan dengan udara sebagai fluida
dimana benda dapat terapung pada fluida , jika massa jenisnya lebih
kecil dari massa jenis fluida tersebut.
Semua partikel udara di atmosfer ditarik oleh gaya gravitasi ke bawah.
Namun tekanan di udara menciptakan gaya ke atas yang bekerja berlawanan
dengan gravitasi. Menurut Munson (2003:86) ”arah gaya apung yang
merupakan gaya dari fluida terhadap benda berlawanan arah terhadap yang
ditunjukkan dalam diagram bebas”. Kumpulan udara membangun keseimbangan
gaya gravitasi, dimana pada titik ini gravitasi tidak cukup
kuat untuk menarik ke bawah sejumlah besar partikel. Tingkat tekanan
ini adalah tertinggi pada permukaan bumi dimana udara pada tingkat ini
dapat menahan beban di udara diatasnya, jika lebih berat berarti
lebih besar gaya gravitasi ke bawah. Tapi gaya apung ini adalah
lemah dibandingkan dengan gaya gravitasi, hanya sekuat berat udara
yang dipindahkan oleh suatu benda. Jelas, sebagian besar benda
padat apa pun akan menjadi lebih berat daripada udara yang
dipindahkan, sehingga gaya apung tidak bergerak sama sekali.
Gaya apung hanya dapat memindahkan hal-hal yang lebih ringan daripada
udara di sekitarnya.
Untuk membuat benda mengapung di udara, maka berat balon dan
muatannya harus lebih ringan dari yang ada di udara sekitarnya,
yaitu dengan mengisi balon dengan udara yang tidak terlalu padat
daripada udara sekitarnya, semisal dengan mengisi balon udara dengan
gas hidrogen atau gas helium yang memiliki massa jenis lebih kecil
dari udara (Massa jenis helium = 0,1786 Kg/m3, udara=1,29 kg/m3). Karena
udara dalam balon memiliki kurang massa per unit volume daripada
udara di atmosfer yang membuatnya lebih ringan sehingga gaya
apung akan mengangkat balon ke atas.
Untuk Balon yang diisi dengan udara panas, prinsip yang digunakan pun
sama, jika ingin mengubah kondisi udara di dalam balon, dapat
dikurangi kepadatannya, sekaligus menjaga tekanan udara agar tetap
sama dengan pemanasan udara secara terus-menerus. Kekuatan
tekanan udara pada objek tergantung pada seberapa sering
berbenturan dengan partikel-partikel udara objek, serta gaya
masing-masing tabrakan. Kita melihat bahwa secara keseluruhan kita dapat
meningkatkan tekanan dalam dua cara:
1. Meningkatkan jumlah partikel udara sehingga ada sejumlah
besar partikel berdampak atas luas permukaan tertentu.
2. Meningkatkan kecepatan partikel sehingga partikel
menghantam daerah lebih sering dan setiap partikel bertabrakan dengan
kekuatan yang lebih besar.
Pada balon udara yang diisi dengan udara panas, agar balon udara dapat
terbang maka di dalam envelope dipanaskan dengan burner dengan
temperatur sekitar 100oC. Udara panas ini akan terperangkap di dalam
envelope. Karena udara panas memiliki massa jenis yang lebih kecil
daripada udara biasa, maka membuatnya lebih ringan sehingga balon
udara pun akan bergerak naik di dorong oleh udara yang bertekanan lebih
kuat.
Untuk mendarat, udara didinginkan dengan cara mengecilkan burner. Udara
yang mulai mendingin di dalam envelope membuat balon bergerak turun.
Untuk mempercepatnya, pilot akan membuka katup parasut (parachute valve)
sehingga udara di dalam envelope lebih cepat dingin. Sedangkan pada
balon yang berisi gas ringan, terdapat kantung-kantung pasir yang
diikatkan ditepian keranjang. Ketika balon udara ingin terbang tinggi,
maka kantung-kantung pasir tersebut dibuang di udara, namun ketika
balon udara ingin diturunkan maka gas pada balon udara dibuang.
Karena balon udara hanya bisa naik dan turun (bergerak secara
vertikal) tentu kita berpikir bagaimana cara balon udara berpindah
dari satu lokasi ada setiap ketinggian tertentu.
Perbe
Tidak ada komentar:
Posting Komentar