Halaman
Kompetensi Fisika Kelas XI Semester 2149BAB7FLUIDASelain itu adajuga hukum Stokesdan teganganpermukaan.Kali ini kita akanmempelajari fluida. Fluidaterbagi menjadi dua, yaitufluida statik dan fluidadinamik.Kita awali denganbelajar tentang fluida statik, yaitufluida yang diam dan tidak mengalir.Hukum-hukum yang terkait di dalamfluida statik adalah hukum Pascaldan hukum Archimedes.Selanjutnya kitamempelajari fluidadinamik, yaitu fluidayang bergerak ataumengalir.Asas kontinuitas danhukum Bernoulli menjadidasar pembahasan fluidamengalir.Jadi, setelahmempelajari bab inikita dapat memahamifluida beserta hukum-hukum yang terkait didalamnya.Jangan lupa!Kita pelajari juga penerap-annya. Alat venturimeter, pipapitot, dan pesawat terbangmenggunakan dasar hukumBernoulli.
Kompetensi Fisika Kelas XI Semester 2150Pernahkah kamu melihat alat hidrolik pengangkat mobil di tempat pencucian mobil?Mobil dapat dinaikkan di atas pengisap yang didorong oleh gaya hidrostatik. Gaya inimerupakan hasil kali dari tekanan dengan luas penampang pengisap yang dipakailandasan mobil. Dalam bab ini kamu akan mempelajari fluida statik dan fluida dinamik besertahukum-hukum yang terkait di dalamnya serta penerapannya dalam kehidupan sehari-hari.Kata Kunci:Kohesi dan Adhesi – Tegangan Permukaan – Hukum Pascal – Hukum UtamaHidrostatik– Hukum Archimedes – Tenggelam – Melayang – Terapung – BalonUdara – Hukum Stokes – Fluida Dinamik – Debit – Persamaan Kontinuitas –Hukum Bernoulli – VenturimeterA. Fluida StatikFluida merupakan istilah untuk zat alir. Zat alir adalah zat yangmengalirkan seluruh bagian-bagiannya ke tempat lain dalam waktu yangbersamaan. Zat alir mencakup zat dalam wujud cair dan gas.Berdasarkan pergerakannya fluida ada dua macam, yaitu fluida dinamikdan fluida statik. Sebelum mempelajari fluida dinamik kita pelajari fluidastatik terlebih dahulu. Fluida statik adalah fluida yang tidak bergerak.Contoh fluida statik misalnya air di gelas, air di kolam renang, dan airdanau. Fluida menurut sifat-sifatnya dibedakan menjadi dua, yaitu:GerbangGambar 7.1 Pemanfaatan sistem hidrolik pada alat pengangkat mobilSumber: Dok. CAPGambar 7.2 Air dalamgelas termasuk fluida statikSumber: Dok. CAP
Kompetensi Fisika Kelas XI Semester 2151Kohesi danAdhesiGambar 7.3 (a) Meniskus cekung dan(b) meniskus cembungairraksa(a)(b)1. Fluida idealFluida ideal adalah fluida yang memiliki ciri-ciri sebagai berikut.a. tidak kompresibel (volumenya tidak berubah karena perubahantekanan)b. berpindah tanpa mengalami gesekan (viskositasnya nol)2. Fluida sejatiFluida sejati memiliki ciri-ciri sebagai berikut.a. kompresibelb. berpindah dengan mengalami gesekan (viskositasnya tertentu)Kita telah mempelajari konsep fluida statik dan ciri-ciri dari fluida idealdan fluida sejati. Untuk lebih memahami konsep fluida statik, berikut inikita akan membahas konsep kohesi dan adhesi.1. Kohesi dan AdhesiMengapa setetes air yang jatuh di kaca bentuknya berbedadengan air yang jatuh di sehelai daun talas? Hal ini terjadi karenaadanya gaya tarik-menarik antarmolekul. Gaya tarik-menarikantarmolekul ada dua macam, yaitu gaya kohesi dan gaya adhesi.Gaya kohesi adalah gaya tarik-menarik antarmolekul sejenis.Sedangkan gaya adhesi adalah gaya tarik-menarik antarmolekul yangtidak sejenis. Pada saat air bersentuhan dengan suatu benda makamolekul-molekul bagian luarnya akan tarik-menarik dengan molekul-molekul luar benda tersebut. Setetes air yang jatuh di kaca bentuknyamelebar karena gaya kohesi antarmolekul air lebih kecil daripadagaya adhesi antara molekul air dengan molekul kaca. Sedangkansetetes air yang jatuh di atas daun talas bentuknya menyerupai bolakarena gaya kohesi antarmolekul air lebih besar daripada gaya adhesiantara molekul air dengan molekul daun talas.Gaya kohesi maupun gaya adhesi memengaruhibentuk permukaan zat cair dalam wadahnya. Misalnyadua buah tabung reaksi masing-masing diisikan airdan air raksa. Apa yang terjadi? Permukaan air dalamtabung reaksi berbentuk cekung yang disebutmeniskus cekung. Sedangkan permukaan air raksadalam tabung reaksi berbentuk cembung disebutmeniskus cembung. Hal ini terjadi karena gaya adhesiantara molekul air dengan molekul kaca lebih besardaripada gaya kohesi antarmolekul air. Sedangkangaya adhesi antara molekul air raksa dengan molekul kaca lebih kecildaripada gaya kohesi antarmolekul air raksa.Meniskus cembung maupun meniskus cekung menyebabkansudut kontak antara bidang wadah (tabung) dengan permukaan zatcair berbeda besarnya. Meniskus cembung menimbulkan sudutkontak tumpul (> 90°), sedangkan meniskus cekung menimbulkansudut kontak lancip (< 90°).
Kompetensi Fisika Kelas XI Semester 2152Gambar 7.4 Pipa kapiler dalamtabung berisi air dan air raksaAirAir RaksaTeganganPermukaanGaya kohesi dan gaya adhesi juga berpengaruh pada gejalakapilaritas. Sebuah pipa kapiler kaca jika dicelupkan pada tabung berisiair maka air dapat naik ke dalam pembuluh kaca pipa kapiler. Sebaliknya,jika pembuluh pipa kapiler dicelupkan pada tabung berisi air raksa makaair raksa di dalam pembuluh kaca pipa kapiler lebih rendahpermukaannya dibandingkan permukaan air raksa dalam tabung.Naiknya air dalam pembuluh pipa kapilerdikarenakan adhesi, sedangkan turunnya air raksadalam pembuluh pipa kapiler dikarenakan kohesi.Perhatikan gambar 7.4!Pada pembuluh pipa kapiler yang berisi air per-mukaannya lebih tinggi karena gaya adhesinya lebihkuat daripada gaya kohesinya.Sedangkan pada pembuluh pipa kapiler yangberisi air raksa permukaannya lebih rendah karenakohesi air raksa lebih besar daripada gaya adhesiantara air raksa dengan kaca.2. Tegangan PermukaanGaya tarik-menarik antarmolekul zat cair tidak hanyamenimbulkan gaya kohesi dan gaya adhesi saja, tetapi juga dapatmenimbulkan tegangan permukaan. Tegangan permukaan adalahkecenderungan permukaan zat cair untuk meregang sehinggapermukaannya seperti ditutupi oleh suatu lapisan elastis. Molekul-molekul yang berada pada lapisan ini selalu berusaha memperkecilluas permukaannya. Tegangan permukaan didefinisikan sebagaiperbandingan antara gaya tegangan permukaan dan panjangpermukaan.JA = F. . . (7.1)Keterangan:γ: tegangan pemukaan (N/m)F: gaya tegangan permukaan (N)A: panjang permukaan (m)Besarnya tegangan permukaan suatu zat cair dipengaruhi olehkeadaan permukaan zat cair, misalnya suhu. Semakin tinggi suhuzat cair semakin kecil tegangan permukaannya. Hal inilah yangmenyebabkan baju yang dicuci dengan air hangat lebih mudahdibersihkan daripada baju yang dicuci dengan air dingin. Berikut inimerupakan contoh tegangan permukaan pada beberapa benda.a. Tegangan Permukaan pada Kawat yang Dibengkokkan Sebuah kawat yang dibengkokkan apabila diletakkan di ataspermukaan zat cair tidak selalu tenggelam. Kawat tersebut dapatmengambang di atas permukaan zat cair karena adanya gayategangan permukaan zat cair.
Kompetensi Fisika Kelas XI Semester 2153Gaya yang digunakan untuk menahan kawatsupaya kawat dalam keadaan setimbang adalah:F= W1 + W2Perhatikan gambar 7.5! Jika kawat digesersejauh s maka ada tambahan luas = A . s. Untukmenambah luas tersebut perlu dilakukan usahadari luar sebesar W = F.s. Dengan demikianusaha yang dilakukan per satuan luas adalah:WA = A . . . 2Fss=A2 FUsaha yang dilakukan per satuan luas adalah teganganpermukaan. Sehingga besar tegangan permukaan pada kawatyang dibengkokkan adalah:γ = WA = A2 F. . . (7.2)Agar lebih mudah memahami tegangan permukaan, lakukankegiatan praktik di bawah ini bersama kelompokmu!PraktikumTegangan PermukaanA. TujuanMenentukan besarnya tegangan permukaan air dan larutan sabun.B. Alat dan Bahan1. Neraca torsi1 buah2. Bejana2 buah3. Statif dan klem1 set4. Kawat yang dibengkokkan1 buah5. Meja pengungkit1 buah6. Kepingan kaca1 buah7. Pengait1 buah8. Penggaris1 buah9. Airsecukupnya10. Larutan sabunsecukupnyaGambar 7.5 Tegangan permukaankawat yang dibengkokkanlarutan sabunkawat bengkokkawat yang bisa digeserW1W2
Kompetensi Fisika Kelas XI Semester 2154dAAC. Langkah Kerja1. Ukurlah luas kawat yang dibengkok-kan!2. Susunlah alat seperti gambar berikut!3. Turunkan meja pengungkit perlahan-lahan hingga kawat akan lepas daripermukaan air!4. Catatlah angka yang terbaca padaneraca torsi ketika kawat akan lepasdari permukaan air!5. Ulangi langkah 1 – 4 dengan meng-gunakan larutan sabun!6. Ulangi langkah 1 – 5 dengan menggunakan kepingan kaca!7. Hitunglah besar tegangan permukaan air dan larutan sabun dengan rumusberikut.a. Bila digunakan alat kawat yang dibengkokkan maka digunakan rumus:γ = A2 Fb. Bila digunakan keping kaca maka menggunakan rumus:γ = A2 ( + d)F8. Lakukan setiap langkah kerja dengan hati-hati dan cermat! Setelah kamu selesaimelaksanakan praktikum, jangan lupa untuk mengembalikan peralatan denganbaik ke tempat semula! Jagalah kebersihan lingkungan dan tubuhmu!Neraca torsiKawatBejanaberisi airMejapengungkitStatif dan klemKerja Berpasangan 1Kerjakan bersama teman sebangkumu!1. Sebuah kawat berbentuk segitiga sama sisi diletakkan perlahan-lahan di atas permukaan zat cair. Tegangan permukaan zat cair74 dyne/cm. Jika gaya oleh tegangan permukaan 1,776 dyne,tentukan tinggi segitiga tersebut!2. Sebuah pisau silet yang berukuran 3 cm × 1,5 cm, diletakkan di ataspermukaan zat cair. Tegangan permukaan zat cair 72 dyne/cm.Tentukan berat minimum silet tersebut agar tidak tenggelam!3. Untuk mengangkat sebuah jarum yang panjangnya 5 cm daripermukaan zat cair, diperlukan gaya sebesar F Newton. Jikategangan permukaan zat cair 63,1 dyne/cm, tentukan besar F!
Kompetensi Fisika Kelas XI Semester 2155b. Tegangan Permukaan Zat Cair dalam Pipa KapilerTegangan permukaan zat cair pada pipa kapiler dipengaruhioleh adhesi dan kohesi. Adhesi menyebabkan zat cair yang dekatdengan dinding naik. Sedangkan kohesi menyebabkan zat cairyang ada di tengah ikut naik. Naiknya zat cair dalam pipadiimbangi oleh berat air itu sendiri. Jika gaya yang menarik keatas 2 π r γ cos θ dan berat air π r2ρ g y, besar teganganpermukaan zat cair dalam pipa kapiler adalah sebagai berikut.Fatas= W2π r γ cos θ= π r2ρ g yγ= UT2 g y rcosKeterangan:ρ: massa jenis zat cair (kg/m3)g: percepatan gravitasi (m/s2)y: ketinggian zat cair (m)r: jari-jari pipa kapiler (m)θ: sudut kontakUntuk memudahkan pemahamanmu mengenai teganganpermukaan, simaklah contoh soal berikut ini!Contoh SoalKetinggian etil alkohol naik 25 mm dari sebuah pipa gelas yang berdiameter0,4 mm. Diketahui massa jenis etil alkohol 0,79 g/cm3. Berapakah teganganpermukaan pada suhu tersebut, jika sudut kontak antara etil alkohol dengangelas 30°!Penyelesaian:Diketahui:y= 25 mm = 0,25 cmd= 0,4 mm = 0,04 cmρ= 0,79 g/cm3θ= 30°r= 0,2 mm = 0,02 cmg= 980 cm/sDitanyakan: γ= . . . ?Jawab:γ= UT2 g y rcosγ= . . . 0,02 0,79 980 0,252 30°cosγ= 3,8711,73γ= 2,238 dyne/cm
Kompetensi Fisika Kelas XI Semester 21563. Tekanan HidrostatikSetiap benda yang terletak pada suatu bidang akan melakukantekanan pada bidang tersebut. Zat cair yang berada di dalam suatubejana juga melakukan tekanan terhadap dasar bejana itu.Tekanan yang dilakukan zat cair demikian disebut tekananhidrostatik. Sebelum kita membahas tekanan hidrostatik lebih lanjut,kita bahas dulu konsep tekanan secara umum sebagai berikut.Tekanan adalah gaya per satuan luas yang bekerja pada arah tegaklurus suatu permukaan. Dengan demikian, rumus tekanan adalah:P = FAKeterangan:P: tekanan (N/m2)F: gaya (N)A: luas permukaan (m2)Gaya berat fluida F =w = m . g.Jika m = ρ . V makaw = ρ . V . g.Tekanan hidrostatik di dasar bejanaPh= Po + FAPh= Po + U . . VgA , V = A . hmakaPh= Po + U . . . Ah gAPh= Po + ρ . g . hPo menyatakan tekanan atmosfer di permukaan fluida.Po = 1 atmosfer (1 atm) = 76 cm Hg = 105 N/m2.Jika tekanan atmosfer di permukaan fluida diabaikan maka tekananhidrostatik di dasar bejana adalah:Ph= ρ . g . h. . . (7.3)Tiap titik di dalam fluida tidak memiliki tekanan yang sama besar,melainkan berbeda-beda sesuai dengan ketinggian titik tersebut darisuatu titik acuan. Dasar bejana akan mendapat tekanan sebesar:PowhGambar 7.6 Zat cair melakukantekanan terhadap dasar bejana
Kompetensi Fisika Kelas XI Semester 2157P3P2P115 m15 mGambar 7.7 Pada kedalaman yang sama tekanan hidrostatik bernilaisama asal zat cair sejenis P1 = P2 = P315 mSeekor ikan berada di dasar kolam air tawar sedalam h = 5 meter. Hitunglahtekanan hidrostatik yang dialami ikan!Penyelesaian:Diketahui:ρair= 1000 g/cm3g= 10 m/s2h= 5 mPh= Po + Gaya berat fluida Luas penampang dasar bejanaPh= Po + U . . VgAPh= Po + U . . . gAhAPh= Po + ρ . g . hJadi tekanan hidrostatik (Ph) dirumuskan:Ph = ρ . g . h. . . (7.4)Keterangan:Ph: tekanan hidrostatik (N/m2)ρ: massa jenis fluida (kg/m3)g: percepatan gravitasi (m/s2)h: tinggi (m)Berdasarkan persamaan (7.4) maka tekanan hidrostatikdipengaruhi oleh massa jenis fluida (ρ), percepatan gravitasi (g) dankedalaman zat cair diukur di permukaan (h). Tekanan hidrostatik tidakdipengaruhi oleh bentuk bejana. Dengan demikian tiap titik konversisatuan tekanan adalah: 1 atm = 76 cm Hg dan 1 atm = 105 N/m2 =106 dyne/cm2.Tiap titik yang memiliki kedalaman sama diukur dari permukaanzat cair akan memiliki tekanan hidrostatik yang sama.Untuk memantapkan pemahamanmu, pelajarilah contoh soal berikutini kemudian kerjakan latihan di bawahnya!Contoh soal
Kompetensi Fisika Kelas XI Semester 2158Kerja Mandiri 1Kerjakan soal berikut dengan tepat!1. Apabila sebuah kapal selam menyelam sedalam 60 m, berapabesar tekanan yang dialami kapal selam tersebut (massa jenisair laut = 1,03 g/cm3)?2. Sebuah bejana yang berukuran panjang 40 cm, lebar 30 cm,dan tinggi 25 cm berisi minyak sebanyak 19,2 kg. Jika massajenis minyak = 0,8 g/cm3, g = 10 m/s2, dan tekanan udara luar= 76 cmHg, tentukan:a. tekanan total dan gaya total yang dialami dasar bejana,b. tekanan hidrostatik dan gaya hidrostatik yang dialami olehdinding bejana.Ditanyakan: Ph = . . . ?Jawab:Ph= ρ.g.hPh = 1000 . 10 . 5ph = 5 . 104 N/m24. Hukum PascalKita telah mempelajari konsep tekanan hidrostatik. Berdasarkankonsep tersebut, besar tekanan yang dilakukan fluida pada dasarbejana tergantung pada massa jenis, percepatan gravitasi, dankedalaman fluida. Bagaimana sifat tekanan hidrostatik fluida tersebutapabila ditempatkan pada pipa U. Kita akan mempelajari konseptersebut melalui hukum Pascal.Simaklah bunyi hukum Pascal berikut!Tekanan yang bekerja pada fluida di dalam ruang tertutup akanditeruskan oleh fluida tersebut ke segala arah dengan sama besar.Contoh alat yang berdasarkan hukum Pascalantara lain dongkrak hidrolik, pompa hidrolik, danalat pengangkat mobil. Perhatikan gambar 7.8!Permukaan fluida pada kedua kaki bejanaberhubungan sama tinggi. Bila kaki I yang luaspenampangnya A1 mendapat gaya F1dan kaki IIyang luas penampangnya A2 mendapat gaya F2maka menurut hukum Pascal berlaku:P1 = P211FA = 22FA atau F1 : F2 = A1 : A2. . . (7.5)HukumPascalGambar 7.8 Pinsip bejana berhubungandimanfaatkan pada mesin pengangkat mobilIIIf2f1A1A2pistonpistonh
Kompetensi Fisika Kelas XI Semester 21595. Hukum Utama HidrostatikKamu tentunya memiliki botol air bukan? Mari kita isi botol tersebutdengan air kira-kira setengah botol! Mula-mula botol kita letakkanpada permukaan meja. Kita melihat bahwa permukaan air dalam botoladalah mendatar. Sekarang botol kita miringkan, ternyata permukaanair tetap mendatar. Mengapa demikian? Untuk memahami sifat per-mukaan air tersebut, berikut ini kita bahas hukum utama hidrostatik.Perhatikan gambar 7.9 berikut.Pada gambar 7.9 tersebut ter-dapat empat bejana yang berbedabentuk dan saling berhubungan.Ketika bejana-bejana tersebut diisifluida statik yang jenisnya samaternyata dalam keadaan setimbangketinggian fluida pada tiap bejanasama. Berdasarkan konsep tekananhidrostatik, tekanan pada masing-masing dasar bejana adalah sama. Keadaan fluida seperti gambar7.9 dikenal dengan hukum utama hidrostatik.Hukum utama hidrostatik berbunyi:Tekanan hidrostatik pada sembarang titik yang terletak pada bidangmendatar di dalam wadah suatu jenis zat cair sejenis dalam keadaanseimbang adalah sama.Hukum utama hidrostatika juga berlaku pada pipa U (bejana ber-hubungan) yang diisi lebih dari satu macam zat cair yang tidakbercampur. Percobaan pipa U ini biasanya digunakan untuk menen-tukan massa jenis zat cair.Berdasarkan tekanan hidrostatik maka kita dapat menentukanbesar gaya hidrostatik yang bekerja pada dasar bejana tersebut.Contoh penerapan hukum utama hidrostatik misalnya pada peng-gunaan water pass.Hukum utama hidrostatik tidak berlaku bila:a. fluida tidak setimbang,b. bejana diisi fluida yang berbeda,c. salah satu bejana ditutup.Gaya Hidrostatik (Fh)Besarnya gaya hidrostatik (Fh) yang bekerjapada bidang seluas A adalah:Fh = Ph.A = ρ.g . h . AFh= ρ. g . V. . . (7.6)Gambar 7.9 Skema hukum utamahidrostatikAB CDHukumUtamaHidrostatikhGambar 7.10 Gaya hidro-statik pada ketinggian h
Kompetensi Fisika Kelas XI Semester 2160Kerja Berpasangan 2Kerjakan bersama teman sebangkumu!1. Dalam pipa U terdapat Hg (massa jenisnya 13,6 g/cm3). Padakaki kiri dituangkan air setinggi 20 cm kemudian minyak (massajenisnya 0,9 g/cm3) setinggi 8 cm. Pada kaki kanan ditambahkanalkohol (massa jenisnya 0,8 g/cm3) sehingga permukaan minyakdan permukaan alkohol sebidang. Berapa beda tinggi Hg padakedua kaki pipa?2. Kaki kiri dan kanan sebuah pipa U masing-masing berdiameter3 cm dan 1,5 cm, mula-mula diisi air raksa (ρHg = 13,6 g/cm3).Kemudian kaki kiri diisi alkohol (massa jenis 0,8 g/cm3), kakikanan diisi bensin (massa jenisnya 0,7 g/cm3) setinggi 2 cm,sehingga tinggi air raksa di kaki kanan naik 1 cm. Hitunglah volumealkohol yang dituangkan!3. Gaya sebesar 5 N pada pengisap yang kecil dari suatu pompahidrolik dapat mengangkat beban yang beratnya 600 N padapengisap yang besar. Jika pengisap yang kecil berpenampang400 cm2, berapakah luas penampang pengisap yang besar?6. Hukum ArchimedesJika suatu benda berada dalam bejana yang terisi zat cair diammaka gaya-gaya dengan arah horizontal akan saling menghapuskansehingga resultan gaya = 0. Sedangkan gaya-gaya dengan arahvertikal yang bekerja pada benda antara lain gaya berat benda, gayaberat zat cair, gaya tekan ke atas (gaya Archimedes), dan gayaStokes.Di laboratorium sekolahmu tentu-nya terdapat neraca pegas bukan!Perhatikan gambar 7.11! Coba kamugantungkan beban (misal bongkahanbatu) pada ujung neraca pegas! Amatiberat beban tersebut. Setelah itucelupkan ke dalam air dengan bebantetap tergantung pada neraca pegas!Amati lagi berat yang terbaca padaneraca pegas! Bandingkan denganhasil pengamatan sebelumnya!Ternyata F1 lebih besar dari F2bukan! Mengapa ini terjadi? F2 lebihkecil dari F1 karena balok mendapatgaya ke atas yang dilakukan oleh zat cair. Besarnya gaya ke atas inidirumuskan dalam Hukum Archimedes.F1F2Gambar 7.11 Zat cair memberikangaya ke atas pada batu
Kompetensi Fisika Kelas XI Semester 2161TenggelamHukum Archimedes menyatakan bahwa semua benda yangdimasukkan sebagian atau seluruhnya ke dalam zat cair akanmendapat gaya ke atas dari zat cair tersebut sebesar berat zat cairyang dipindahkan.Untuk memahami hukum Archimedes tersebut, perhatikangambar 7.12 di bawah!Volume zat cair yang terdesak sama dengan volume benda yangtercelup = Vc.Berat zat cair yang terdesak:wc= mc . g= ρc . Vc . gGaya ke atas FA sama denganberat zat cair yang terdesak:JadiFA = wcFA = ρc. Vc. gMelanjutkan pembahasan kitamengenai hukum Archimedes, kitaakan mempelajari keadaan bendayang dimasukkan ke dalam zatcair.Tiga keadaan benda yang berada dalam zat cair yaitu sebagai berikut.a. TenggelamPerhatikan gambar berikut!Dalam keadaan setimbang ΣF = 0, se-hinggaFA + N – w = 0, N = gaya normalFA = w – N sehingga FA < wBenda tercelup seluruhnya maka Vb = VcdariFA<w, w = mb.g = ρb.g.Vbρc.g.Vc<ρb.g.Vbρc<VbGambar 7.13 BendatenggelamFANwHukumArchimedesJadi, benda tenggelam dalam zat cair jika massa jenis benda(ρb) lebih besar daripada massa jenis zat cair (ρc).Keterangan:ρb: massa jenis benda (kg/m3)ρc: massa jenis zat cair (kg/m3)w: berat benda di udara (N)wc: berat benda di dalam zat cair (N)FA: gaya ke atas (N)Vb: volume benda (m3)Vc: volume zat cair (m3)F1FAwbGambar 7.12 Volume zat cair yang terdesak sama dengan volumebendaFA
Kompetensi Fisika Kelas XI Semester 2162b. Benda TerapungGambar 7.14 BendaterapungFAwBenda tercelup sebagian, volume zat cairyang terdapat (Vc) < volume benda (Vb).Pada keadaan setimbang maka ΣF = 0.FA – w= 0FA= wρc.g.Vc= ρb.g.VbKarenaVc < Vb makaρc < ρbJadi, benda terapung dalam zat cair jika massa jenis zat cair= massa jenis benda.c. Benda MelayangBenda tercelup seluruhnya dalam zat cairvolume zat cair terdesak (Vc) = volumebenda (Vb).Pada keadaan setimbang ΣF = 0.FA – w= 0FA= wρc.g.Vc= ρb.g.VbKarenaVc = Vb makaρc = ρbGambar 7.15 BendamelayangFAwMelayangTerapungBalonUdarawbebanwbalonwgasFAGambar 7.16 Balon udara memanfaatkangaya ke atas oleh udaraJadi, benda melayang dalam zat cair jika ρb = ρc.Balon UdaraKita baru saja membahas konsep hukum Archimedes.Contoh penerapan hukum Archimedes antara lain: jembatanponton, kapal laut, kapal selam, dan hidrometer.Selain penerapan hukum Archimedes di atas,hukum Archimedes juga diterapkan pada sistembalon udara. Untuk memahami prinsip kerja balonudara maka perhatikan gambar di samping!Pada keadaan setimbang ΣF = 0.FA – wgas – wbalon = 0FA = wgas + wbalon + wbebanFA = ρu.g.Vbalondi manawgas = ρgas.g.VgasFASumber: Dok. CAP
Kompetensi Fisika Kelas XI Semester 2163Sebuah balon udara dapat naik karena adanya gaya ke atasyang dilakukan oleh udara. Balon udara diisi dengan gas yanglebih ringan dari udara misalnya H2 dan He sehingga balonterapung di udara. Balon akan naik jika gaya ke atas FA> wtotBesarnya gaya naik balon adalah:F = FA – wtotFA = ρud.g.Vbalon dan wtot = wbalon + wgas + wbebanMaka:wgas = ρgas.g.Vbalon. . . (7.7)Keterangan:FA: gaya ke atas (N)F: gaya naik (N)ρgas: massa jenis gas pengisi balon (kg/m3)ρud: massa jenis udara = 1,3 kg/m3w: berat (N)V: volume (m3)Setelah mempelajari teori di atas, latihan berikut ini akanmembantumu memahami hukum Archimedes.Kerja KelompokKerjakan soal-soal berikut bersama kelompokmu!1. Sepotong logam beratnya di udara 4 N. Bila logam ini dibenamkandalam zat cair, beratnya tinggal 2,5 N. Berapakah gaya tekan keatas yang diderita benda?2. Sebatang kayu yang massa jenisnya 0,6 g/cm3 terapung di dalamair. Jika bagian kayu yang ada di atas permukaan air 0,2 m3,tentukan volume kayu seluruhnya!3. Sebuah kubus dari kayu (massa jenisnya 0,8 g/cm3), mula-muladibenamkan ke dalam bejana kemudian dilepas sehingga naikke permukaan gliserin (massa jenisnya 1,25 g/cm3) dan ternyata200 cm3 dari kayu tersebut berada di permukaan gliserin.Tentukan:a. gaya ke atas kayu pada saat masih berada seluruhnyadalam gliserin,b. gaya naik,c. gaya ke atas setelah benda setimbang,d. rusuk kubus.4. Sebuah balon udara mengalami gaya naik 2.450 N. Berat totalbalon 4.050 N. Tentukan gaya ke atas dan diameter balon udaratersebut!
Kompetensi Fisika Kelas XI Semester 21647. Hukum StokesGaya gesek antara permukaan benda padat yang bergerakdengan fluida akan sebanding dengan kecepatan relatif gerak bendaini terhadap fluida. Hambatan gerak benda di dalam fluida disebabkanoleh gaya gesek antara bagian fluida yang melekat ke permukaanbenda dengan bagian fluida di sebelahnya. Gaya gesek itu sebandingdengan koefisien viskositas (η) fluida. Menurut Stokes, gaya gesekadalah:Fs = 6 π r η v. . . (7.8)Keterangan:Fs: gaya gesek (N)r: jari-jari benda (m)v: kecepatan jatuh dalam fluida (m/s)Persamaan di atas dikenal sebagai hukum Stokes. Penentuan ηdengan mengunakan hukum Stokes dapat dilakukan denganpercobaan kelereng jatuh.Sewaktu kelereng dijatuhkan ke dalam bejana kaca yang berisicairan yang hendak ditentukan koefisien viskositasnya, kecepatankelereng semakin lama semakin cepat. Sesuai dengan hukum Stokes,makin cepat gerakannya, makin besar gaya geseknya. Hal inimenyebabkan gaya berat kelereng tepat setimbang dengan gayagesek dan kelereng jatuh dengan kecepatan tetap sebesar v sehinggaberlaku persamaan:w= Fs. . . (7.9)m. g= 6 π r η vPada kelereng juga bekerja gaya Archimedes sebesar beratcairan yang dipindahkan, yaitu:FA= ρc g V = ρc g43π r3Keterangan:V: volume kelereng (m3)ρc: massa jenis cairan (kg/m3)Ketika di SMP kamu telah mengetahui bahwa massa benda dapatdinyatakan dalam volume dan massa jenis, yaitu:m = ρb V = ρb.43π r3HukumStokes
Kompetensi Fisika Kelas XI Semester 2165FluidaDinamikρb –ρcρb –ρcDengan mensubtitusikan persamaan di atas ke persamaan 7.9kita peroleh:w = Fs + FAw – FA = Fsm .g – ρc.g .43π r3 = 6 π r η vρb.43π r3.g – ρc.g .43π r3 = 6 π r η v43π r3.g (ρb – ρc) = 6 π r η v43 r2.g (ρb – ρc) = 6η vη= 29 r2 g§· ̈ ̧©¹v. . . (7.10)Persamaan 7.10 disebut persamaan viskositas fluida. Sedangkanpersamaan kecepatannya adalah sebagai berikut.v = 29r2 gK§· ̈ ̧©¹. . . (7.11)Penerapan persamaan viskositas fluida biasa digunakan untukmenentukan kekentalan minyak pelumas. Pemakaian minyakpelumas dengan kekentalan yang sesuai akan menjadikan mesinlebih awet.B. Fluida DinamikSeperti telah disebutkan sebelumnya bahwa ada dua macam fluida,yaitu fluida statik dan fluida dinamik. Fluida statik telah kita pelajari padapembahasan sebelumnya. Sedangkan fluida dinamik akan kita pelajariberikut ini.Fluida dinamik adalah fluida yang bergerak. Tiga hal yang mendasaruntuk menyederhanakan pembahasan fluida dinamik adalah sebagaiberikut.1.Fluida dianggap tidak kompresibel.2. Fluida dianggap bergerak tanpa gesekan walaupun ada gerakanmateri (tidak mempunyai kekentalan).3. Aliran fluida adalah aliran stasioner, yaitu kecepatan dan arah gerakpartikel fluida yang melalui suatu titik tertentu selalu tetap.
Kompetensi Fisika Kelas XI Semester 2166Dalam fluida dinamik dikenal istilah-istilah berikut.1. DebitFluida dinamik selalu mengalir dengan kecepatan tertentu.Misalnya suatu fluida dinamik mengalir dalam pipa yang luaspenampangnya A dengan kecepatan v. Volume fluida tiap satuanwaktu yang mengalir dalam pipa disebut debit. Secara matematisdinyatakan dengan rumus berikut.Q = Vt. . . (7.12)Karena V = A . s maka persamaan debit menjadi:Q = .A stdanv = stmakaQ = A . v. . . (7.13)Penentuan debit suatu fluida, misalnya air terjun, biasa digunakandalam Pembangkit Listrik Tenaga Air. Dengan mengetahui debit airterjun, dapat diketahui besar energi kinetiknya. Energi kinetik tersebutkemudian diubah menjadi energi listrik yang dialirkan ke rumah-rumahpenduduk.2. Persamaan KontinuitasPerhatikan gambar 7.17 di samping! Fluida padagambar 7.17 mengalir dalam pipa yang luaspenampang kedua ujungnya berbeda.Partikel fluida yang semula di A1 setelah Δtberada di A2. Karena Δt kecil dan alirannya stasionermaka banyaknya fluida yang mengalir di tiap tempatdalam waktu yang sama akan sama pula.mA1=mA2ρ. A1. v1. Δt=ρ. A2. v2. ΔtA1. v1=A2. v2Bagaimana dengan pipa yang memilikipenampang berbeda dan terletak padaketinggian yang berbeda? Perhatikangambar 7.18 di samping! A1 adalah penam-pang lintang tabung alir di a. A2 adalah pe-nampang lintang di c.v1 adalah kecepatanalir fluida di a dan v2 adalah kecepatan alirfluida di c.Partikel-partikel yang semula di a,dalam waktu Δt sekon berpindah ke b.Demikian pula partikel yang semula di c berpindah ke d. Apabila Δtsangat kecil maka jarak a – b sangat kecil, sehingga luas penampangdi a dan b boleh dianggap sama, yaitu A1. Demikian pula jarak c – dDebitGambar 7.17 Aliran fluida dalam pipaA1V1V2A2av1A1h1bv2A2cdh2Gambar 7.18 Pipa alir
Kompetensi Fisika Kelas XI Semester 2167sangat kecil, sehingga luas penampang di c dan d dapat dianggapsama, yaitu A2. Banyaknya fluida yang masuk ke tabung alir dalamwaktuΔt sekon adalah ρ.A1.v1 .Δt dan dalam waktu yang samasejumlah fluida meninggalkan tabung alir sebanyak ρ.A2.v2.Δt. Jumlahini sama dengan jumlah fluida yang masuk ke tabung alir, sehingga:ρ.A1.v1.Δt = ρ.A2.v2.ΔtA1.v1= A2.v2. . . (7.14)Persamaan 7.14 dinamakan persamaan kontinuitas.A.v yang merupakan debit fluida sepanjang tabung alir selalukonstan (tetap sama nilainya), walaupun A dan v masing-masingberbeda dari tempat yang satu ke tempat yang lain. Dengan demikiandapat disimpulkan bahwa:Q = A1.v1= A2.v2 = konstanBila A1.v1.Δt.ρ = m maka selama Δt massa sebanyak mdianggap telah berpindah dari A1 ke A2. Kecepatannya berubah dariv1 menjadi v2 jika ketinggiannya berubah dari h1 menjadi h2. Olehkarena itu elemen massa m telah mengalami tambahan energisebesar:ΔE=ΔEk + ΔEpΔE=12 m (v22 – v12) + mg (h2 – h1)ΔE=12 m v22 –12 m v12 + mgh2 – mgh1. . . (7.15)Hal ini merupakan akibat dari adanya gaya dorong di A1 dari zatcair yang ada di sebelah kiri dengan arah ke kanan. Walaupun adajuga gaya penghambat dari sebelah kanan A2. Kerja total dari gaya-gaya ini adalah:W=F1 s1 – F2 s2W=P1 A1 v1 Δt – P2 A2 v2 ΔtW=U1PρA1v1 Δt – U2PρA2v2ΔtW=U1Pm – U2PmW=Um(P1 – P2). . . (7.16)PersamaanKontinuitas
Kompetensi Fisika Kelas XI Semester 21683. Hukum BernoulliHukum Bernoulli merupakan persamaan pokok fluida dinamikdengan arus tetap atau streamline. Di sini berlaku hubungan antaratekanan, kecepatan alir, dan tinggi tempat dalam satu garis lurus.Hubungan tersebut dapat dijelaskan sebagai berikut.Perhatikan kembali gambar 7.18! Jika tekanan P1 ke kanan padapenampang A1 dari fluida di sebelah kirinya maka gaya yang dilakukanterhadap penampang di a adalah P1 A1. Sedangkan penampang di cmendapat gaya dari fluida di kanannya sebesar P2 A2, dengan P2adalah tekanan terhadap penampang di c ke kiri. Dalam waktu Δt sekondapat dianggap bahwa fluida di penampang a tergeser sejauh v1Δtdan fluida di penampang c tergeser sejauh v2Δt ke kanan.Jadi usaha yang dilakukan terhadap a adalah: P1 A1 v1Δtsedangkan usaha yang dilakukan pada c sebesar: – P2 A2 v2Δt.Usaha total yang dilakukan gaya-gaya tersebut besarnya:Wtot=(P1 A1v1 – P2A2v2) ΔtWtot=P1A1v1Δt – P2A2v2ΔtWtot=U1PρA1v1Δt – U2Pρ A2v2ΔtWtot=U1Pm – U2Pm. . . (7.17)Dalam waktu Δt sekon fluida dalam tabung alir a – b bergeserke c – d dan mendapat tambahan energi sebesar:Em=ΔEk + ΔEpEm=§· ̈ ̧©¹11222221m m vv + (mgh2– mgh1)Em=12 m (v22 – v12) + mg (h2 – h1). . . (7.18)Dari hukum kekekalan energi diketahui bahwa perubahan energimekanik sama dengan usaha.Em = W12 m v22 – 12 m v12 + mgh2 – mgh1 = U1Pm – U2PmApabila setiap ruas dibagi dengan m kemudian dikalikan dengan ρakan diperoleh persamaan:12v22 – 12v12 + g h2– g h1=U1P – U2PU1P + 12v22 + g h2=U1P + 12v12 + g h1p1 + 12ρv12 + ρ g h1=p2 + 12ρv22 + ρ g h2HukumBernoulli
Kompetensi Fisika Kelas XI Semester 2169Gambar 7.20 Skema sayappesawat terbangP1P2v1v2atau P + 12ρv2+ ρ g h = konstan. . . (7.19)Persamaan 7.19 dikenal sebagai hukum Bernoulli. Contohpenggunaan hukum Bernoulli antara lain sebagai berikut.a. Alat Penyemprot NyamukPersamaan Bernoulli dapat di-terapkan pada prinsip alat semprotobat pembasmi nyamuk cair. Perhati-kan gambar 7.19 di samping!Obat nyamuk cair mula-muladiam sehingga v1 = 0, sedangkanudara bergerak dengan kecepatan v2karena didorong oleh pengisap. Tekanan P1 sama dengan P2yaitu tekanan udara luar. Sehingga persamaan Bernoulli menjadi:P1 + 12ρv12 + ρ g h1=P2 + 12ρv22 +ρ g h20 + ρ g h1=12ρv22 + ρ g h2g h1=12v22 + g h2g (h1 – h2)=12v22g h=12v22. . . (7.20)Dengan demikian cairan obat nyamuk akan naik setinggi hdan tersemprot karena pengaruh kecepatan v2.b. Gaya Angkat Sayap Pesawat TerbangPernahkah kamu bertanya-tanyamengapa pesawat terbang dapatterbang? Mengapa bentuk sayappesawat selalu seperti itu? Selainkarena gaya dorong mesin, sebuahpesawat dapat terbang karena adanyapenerapan hukum Bernoulli padasayap pesawat. Bentuk sayap pesawatterbang sedemikian rupa sehingga garis arus aliran udara yangmelalui sayap adalah tetap (streamline).Penampang sayap pesawat terbang mempunyai bagianbelakang yang lebih tajam dan sisi bagian yang atas lebihmelengkung daripada sisi bagian bawahnya. Bentuk inimenyebabkan kecepatan aliran udara di bagian atas lebih besardaripada di bagian bawah (v2 > v1).Gambar 7.19 Skema alatpenyemprotv2v1h
Kompetensi Fisika Kelas XI Semester 2170Dari persamaan Bernoulli kita dapatkan:P1 + 12ρ . v12 + ρ g h1 = P2 + 12ρ . v22 + ρ g h2Ketinggian kedua sayap dapat dianggap sama (h1 = h2),sehingga ρ g h1= ρ g h2. Dengan demikian, persamaan di atasdapat ditulis:P1 + 12 . v12= P2 + 12ρ . v22P1 – P2=12ρ . v22 – 12ρ . v12P1 – P2=12ρ (v22 – v12)Pada persamaan di atas dapat dilihat bahwa jika v2 > v1 kitadapatkan P1> P2 untuk luas penampang sayap F1 = P1 A danF2 = P2 A, kita dapatkan bahwa F1 > F2. Selisih gaya pada bagianbawah dan bagian atas sayap (F1 – F2) menghasilkan gayaangkat pada pesawat terbang. Dengan demikian, gaya angkatpesawat terbang dirumuskan sebagai:F1 – F2 = 12ρ A (v22 – v12). . . (7.21)c. VenturimeterVenturimeter adalah alat yang digunakan untuk menentukankecepatan aliran zat cair. Dengan memasukkan venturimeter kedalam aliran fluida, kecepatan aliran fluida dapat dihitung meng-gunakan persamaan Bernoulli berdasarkan selisih ketinggian airatau selisih ketinggian raksa.Venturimeter ada dua macam, yaitu venturimeter tanpamanometer dan venturimeter dengan manometer. Mari kita bahassatu persatu!1)Venturimeter tanpa ManometerPerhatikan gambar 7.21 di sam-ping! Air dengan massa jenis ρ me-ngalir memasuki pipa berpenampangbesar dengan kecepatan v1menujupipa berpenampang kecil dengankecepatan v2 dimana v2 > v1. Ketikaair dialirkan, terjadi perbedaanketinggian air (h) pada kedua pipavertikal. Dalam hal ini berlaku h1 = h2sehingga ρg h1= ρg h2.VenturimeterP1 A1v1v2P2 A2Gambar 7.21 Venturimeter tanpa manometerh
Kompetensi Fisika Kelas XI Semester 2171Persamaan Bernoulli pada venturimeter adalah sebagai berikut.P1 + 12ρv12 + ρ g h1=P2 + 12ρv22 +ρg h2P1 + 12ρv12=P2 + 12ρv22P1 – P2=12ρv22 – 12ρv12ΔP=12ρ(v22 – v12)ρ g h =12ρ(v22 – v12)g h =12(v22 – v12). . . (7.22)Dengan menggunakan persamaan kontinuitas A1. v1 =A2. v2 untuk mendapatkan hubungan antarav2 dan v1 makav1 dapat dihitung.2) Venturimeter dengan ManometerPerhatikan gambar 7.22! Sebuahmanometer air raksa dipasang padakedua pipa venturimeter. Air denganmassa jenis ρ mengalir memasukipipa berpenampang besar dengankecepatan v1menuju pipa ber-penampang kecil dengan kecepatanv2di mana v2 > v1. Ketika air dialirkanterjadi perbedaan ketinggian (h)raksa dengan massa jenis ρr padakedua pipa manometer. Dalam hal ini berlaku h1 = h2sehinggaρg h1= ρ g h2.Pada venturimeter tersebut berlaku persamaan Bernoullisebagai berikut.P1 + 12ρv12 + ρ g h1=P2 + 12ρv22ρ g h2P1 + 12ρv12=P2 + 12ρv22P1 – P2=12ρv22 – ρv12ΔP=12ρ(v22 – v12)(ρr – ρ) g h=12ρ(v22 – v12). . . (7.23)Dengan menggunakan persamaan kontinuitas A1.v1 =A2.v2maka v1 dapat dihitung.v1P1v2P2ρρrGambar 7.22 Venturimeter dengan manometerh
Kompetensi Fisika Kelas XI Semester 2172d. Pipa PitotPipa pitot digunakan untuk mengukur kecepatan aliran fluidadalam pipa. Biasanya pipa ini digunakan untuk mengukur lajufluida berbentuk gas. Pipa pitot dilengkapi dengan manometeryang salah satu kakinya tegak lurus aliran fluida sehingga v2=0. Ketika air mengalir terjadi perbedaan ketinggian (h) raksadengan massa jenis ρrpada kedua pipa manometer. Dalam halini berlaku h1 = h2sehingga ρg h1= ρg h2. Persamaan Bernoullipada pipa pitot adalah sebagai berikut.P1 + 12ρv12 + ρg h1=P2+ 12ρv22 + ρg h2P1 + 12ρv12=P2P1 + 12ρv12=P1 + ρr g h12ρv12=ρr g hDengan demikian kecepatan aliran fluida dalam pipa pitot adalah:v1= UU2 rg h. . . (7.24)e. Menara AirMenara air merupakan bak penampungan air dengankeran air yang dapat memancarkan air melalui sebuah lubang,baik di dasar maupun di ketinggian tertentu.Kecepatan air dipermukaan (v1) sama dengan nol karena air diam tidakmengalir. P1 = P2 = tekanan udara luar. Selisih ketinggian airdi permukaan (h1)dengan air di dasar (h2) = h.Persamaan Bernoulli pada menara air sebagai berikut.P1 + 12ρv12 + ρg h1=P2 + 12ρv22 + ρg h20 + ρg h1=12ρv22 + ρg h2g h1=12v22 + g h2g h1 – g h2=12v2212v22=g (h1– h2)12v22=g hv2=2 g h. . . (7.25)P1vρhP2Gambar 7.23 Skemamenara airh2h1
Kompetensi Fisika Kelas XI Semester 2173Persamaan tersebut tidak lain adalah persamaan gerak jatuhbebas. Jarak jatuhnya fluida diukur dari titik proyeksi lubang airdihitung menggunakan persamaan gerak lurus beraturan, yaitu:X =v2. tSedangkan waktu jatuh fluida:h = 12g t2t = 2 hgAgar lebih mudah memahami fluida dinamik, pelajarilahdengan cermat contoh soal di bawah ini!Contoh Soal1. Sebuah tangki terbuka berisi air setinggi H. Pada jarak h dari permukaanair dibuat sebuah lubang kecil, sehingga air memancar dari lubang itu.Berapa jauh air yang keluar dari tangki mengenai tanah?Penyelesaian:Persamaan Bernoulli:P1 + 12ρv12 + ρg H=P2 + 12ρv22 + ρg (H – h)ρg H=12 ρv22 + ρg (H – h)12ρv22=ρg H – ρg (H – h)12v22=g H – g (H – h)12v22=g (H – H + h)v2=2 g hGerak jatuh bebas:h = 12g t2t = 2 ( )HhgHhs
Kompetensi Fisika Kelas XI Semester 2174Gerak lurus beraturan arah mendatar:s= v . ts= 2 g h2 ( )Hhgs= 4( )h H h2. Air mengalir melalui sebuah pipa yang berbentuk corong. Garis tengahlubang corong tempat air masuk 30 cm, sedangkan garis tengah lubangcorong tempat air keluar 15 cm. Letak pusat lubang pipa yang kecillebih rendah 60 cm daripada pusat lubang yang besar. Kecepatan aliranair dalam pipa itu 140 liter/s, sedangkan tekanannya pada lubang yangbesar 77,5 cm Hg. Berapakah tekanannya pada lubang yang kecil?Penyelesaian:Diketahui:r1= 15 cmr2= 7,5 cm(h1 – h2) = 60 cmP1= 77,5 cm HgQ2= 140 L/sDitanyakan:P1 = . . . .Jawab:Q2 = A2v2140 = π (7,5)2v2v2 = S2140.000 (7, 5) = 793 cm/sA1 v1 = A2v2π (15)2v1 = π (7,5)2 793v1 = 198 cm/sP1+ 12ρv12+ ρg h1 = P2 + 12ρv22 + ρg h2P2 = P1 + 12ρv12 + ρg h1 – 12ρv22 – ρg h2P2 = P1 + 12ρ (v12 – v22) + ρg (h1 – h2)P2 = 77,5 + 12 (1982 – 7932) + 980 (60)P2 = 59,9 cm HgA2v2h1A1v1h2
Kompetensi Fisika Kelas XI Semester 21753. ViskositasFluida yang riil memiliki gesekan internal yang besarnya tertentudan disebut viskositas. Viskositas ada pada zat cair maupun gas,dan pada intinya merupakan gaya gesek antara lapisan-lapisan yangbersisian pada fluida pada waktu lapisan-lapisan tersebut bergerakantarkeduanya.Pada zat cair, viskositas tersebut disebabkan oleh gaya kohesi,yaitu gaya tarik-menarik antarmolekul-molekul sejenis. Pada gas,viskositas muncul dari tumbukan antarmolekul. Terutama dalam arusturbulen, viskositas ini naik sangat cepat.Ketika seorang penerjun jatuh kecepatannya bertambah. Ke-adaan tersebut berimplikasi pada bertambahnya gaya viskositasudara yang arahnya ke atas. Pada suatu saat, gaya tahan ke atas iniakan menjadi sama dengan beratnya, sehingga penerjun mencapaikecepatan yang konstan yang bergantung pada berat dan ukuranparasutnya. Kecepatan ini disebut kecepatan terminal.Adapun besar gaya viskositas dan kecepatan terminal dirumuskan:Fs = 6π r vηdanv= K22 9 rg(ρb – ρf)Keterangan:Fs: gaya hambat (N)η: koefisien viskositas (Pa.s)r: jari-jari bola (m)v: kecepatan konstan atau terminal (m/s)g: percepatan gravitasi (m/s)π: 3,14 atau 227ρb: massa jenis benda (kg/m3)hρb: massa jenis fluida (kg/m3)Untuk memantapkan pemahamanmu, pelajarilah contoh soal dibawah ini kemudian kerjakan latihan di bawahnya!Contoh SoalViskositasGambar 7.24 Ke-lereng yang berge-rak dalam tabungyang berisi oliSebuah kelereng dengan massa jenis 7.000 kg/m3 dan berjari-jari 1 cmdijatuhkan dalam gliserin yang memiliki massa jenis 5.000 kg/m3 dengankoefisien viskositas 1,4 Pa.s. Bila percepatan gravitasi 10 m/s2, maka tentukankecepatan terminal kelereng!Penyelesaian:Diketahui:ρb= 7.000 kg/m3r= 1 cm = 1 . 10-2 mρf= 5.000 kg/m3g= 10 m/s2η= 1,4 Pa.sDitanyakan: v = . . ?Jawab:v = K22 9 rg(ρb – ρf) = 2-2 . . . 2 1 1010 . 91,4(7.000 – 5.000) = 0,317 m/s
Kompetensi Fisika Kelas XI Semester 2176RangkumanKerja Mandiri 2Kerjakan soal berikut dengan tepat!Sebuah bola gotri dengan massa jenis 12.000 kg/m3 dan berdiameter4 cm dimasukkan dalam gliserin yang memiliki massa jenis 5.000 kg/m3dengan koefisien viskositas 1,4 Pa.s. Bila percepatan gravitasi 10 m/s2,tentukan kecepatan terminal bola gotri tersebut!1. Tekanan adalah gaya tiap satuan luas penampang, dirumuskan:P = FA2. Tekanan hidrostatik adalah tekanan pada kedalaman tertentu zat cair yang tidakmengalir, besarnya adalah:Ph = ρg h3. Hukum Pascal berbunyi bahwa tekanan yang diderita oleh zat cair akan diteruskanoleh zat cair itu ke segala arah dengan sama besarnya.11FA = 22FA4. Gaya hidrostatik dirumuskan sebagai berikut.Fh = Ph.A = ρ.g.h.A = ρ.g.V5. Pipa U dapat digunakan untuk menghitung massa jenis suatu zat cair.6. Hukum Archimedes menyatakan bahwa suatu benda yang dicelupkan ke dalamzat cair akan mendesak zat cair seberat benda yang dicelupkan.7. Gaya ke atas yang dialami benda besarnya:FA= ρc. Vb. g8. Gaya tekan ke atas sebesar selisih berat benda di udara dengan berat benda didalam zat cair adalah:FA= wu– wc9. Gaya gesek fluida dikenal sebagai hukum Stokes.Fs= 6 π r η v
Kompetensi Fisika Kelas XI Semester 217710. Persamaan viskositas fluida adalah sebagai berikut.η = 29r2 gUU§· ̈ ̧©¹bcv11. Persamaan kecepatan terminal adalah sebagai berikut:v= 29r2 gUUK§· ̈ ̧©¹bc12. Persamaan kontinuitas adalahA1. v1 = A2.v213. Hukum Bernoulli adalah sebagai berikut:atauP1 + 12ρv12 + ρ g h1=P2 + 12ρv22 + ρg h2P + 12ρv2 + ρg h= konstan
Kompetensi Fisika Kelas XI Semester 2178A.Pilihlah satu jawaban yang paling tepat!1. Sebatang jarum yang panjangnya 10 cmdiletakkan pelan-pelan di atas permu-kaan bensin. Jarum terapung di permu-kaan bensin dan tepat akan tenggelam.Massa jenis jarum ρ= 3,92 g/cm3,tegangan muka bensin pada suhutersebut = γ = 0,0314 N/m. Jika π = 3,14dan g = 10 m/s2 maka radius jarumadalah . . . .a. 3 mmb. 4 mmc. 5 mmd. 6 mme. 1 mm2. Pada sebuahtangki air ter-dapat sebuahlubang padajarak h di ba-wah permuka-an air dalam tangki, seperti ditunjuk-kan oleh gambar. Kecepatan air me-mancar keluar dari titik b adalah . . . .a.g hb.hgc.2 g hd.2hge.2gh3. Sebuah bola dari logam dijatuhkan kedalam suatu zat cair kental. Sesuaidengan hukum Stokes maka bolaakan mendapat gaya gesek ke atasyang besarnya dirumuskan sebagaiF = 6π η r v. Dimensi koefisienkekentalan η adalah . . . .a. ML-1 T2b. ML-1 Tc. ML-1 T-1d. ML2 T-1e. ML2 T-24. Sebuah pipa kapiler dimasukkantegak lurus dalam air. Diameter pipa =0,5 mm. Bila permukaan air naik 6 cmdi dalam pipa, berapakah teganganpermukaan air? g = 980 cm/s2.a. 75,3 dyne/cmb. 73,5 dyne/cmc. 72,5 dyne/cmd. 72 dyne/cme. 71 dyne/cm5. Sebuah gelembung sabun terbentukpada pipa yang dihubungkan dengansebuah manometer air. Bila tegang-an permukaan gelembung sabun =25 dyne/cm dan garis tengah gelem-bung = 2 mm, berapakah selisih tinggipermukaan air di dalam manometer?g = 980 cm/s2.a. 1 mmb. 1,01 mmc. 1,02 mmd. 1,03 mme. 1,04 mm6. Sebuah pipa horizontal yang penam-pang lintangnya 25 cm2 mempunyaipenguncupan yang penampanglintangnya 5 cm2. Jika air yang melaluipipa besar mempunyai kecepatan1,75 m/s maka kecepatan air yangmelalui penguncupan adalah . . . .a. 8 m/sb. 8,5 m/sc. 8,75 m/sd. 9 m/se. 9,5 m/sSoal-soal Uji KompetensiaHhbR
Kompetensi Fisika Kelas XI Semester 21797. Sebuah pesawat terbang yang berat-nya 350 kgf mempunyai sayap yangluasnya 11 m2. Untuk menahanpesawat itu dalam penerbangannyamendatar, di kedua sisi sayapnyadiperlukan selisih tekanan . . . .a. 0,001 kgf/cm2b. 0,002 kgf/cm2c. 0,003 kgf/cm2d. 0,004 kgf/cm2e. 0,005 kgf/cm28. Minyak yang massa jenisnya 0,8 g/cm3melalui sebuah pipa yang berbentukcorong. Penampang lintang lubangcorong masuk 500 cm2 dan penampanglintang lubang corong keluar 100 cm2.Letak pusat lubang corong yang kecil50 cm lebih rendah daripada pusatlubang yang besar. Kecepatan alirandalam pipa 100 liter/s. Jika tekanan padalubang yang besar 77 cm Hg makatekanan pada lubang yang kecil . . . .a. 50 cm Hgb. 50,5 cm Hgc. 51 cm Hgd. 51,1 cm Hge. 52 cm Hg9. Permukaan air di dalam sebuah tangkiberada 1,2 m di atas pusat sebuahlubang pada dinding tangki. Luaspenampang lubang itu 5 cm2, tetapiwaktu meninggalkan lubang itu arusmenguncup menjadi 23 dari ukuranlubang sendiri. Banyaknya air yangkeluar tiap sekon . . . .a. 1 literb. 1,2 literc. 1,5 literd. 1,6 litere. 1,7 liter10. Perhatikan gam-bar berikut. Agarsayap pesawatterbang dapatmengangkat pe-sawat makasyaratnya . . . .a.P1 = P2 dan V1 = V2b.P1 < P2 dan V1 > V2c.P1 < P2 dan V1 < V2d.P1 > P2 dan V1 > V2e.P1 > P2 dan V1 < V2B.Kerjakan soal-soal berikut dengan tepat!1. Perhatikan gambar berikut!Berapa kecepatan air yang dipancar-kan melalui lubang L, jika tekananterhadap air 106 Pa, tekanan udaraluar 105 Pa, dan kecepatan air dalamreservoir boleh diabaikan?2. Sebuah pipa panjang memiliki pe-nampang berbeda pada empat bagian.Luas penampang pipa berturut-turutpada bagian 1, bagian 2, dan bagian 3adalah 150 cm2, 100 cm2, dan 50 cm2.Laju aliran air pada bagian 1 adalah8 m/s. Sedangkan pada bagian 4 adalah4,8 m/s. Tentukanlah:a. debit air melalui keempat pe-nampang itu,b. luas penampang pada bagian 4,c. laju air pada bagian 2 dan 3.3. Air mengalir dalam suatu pipa. Di suatutempat, laju air adalah 3 m/s, sedang-kan di tempat lain yang terletak 1 meterlebih tinggi, laju air adalah 4 m/s. Hitung:P1P2v1v2L
Kompetensi Fisika Kelas XI Semester 2180a. tekanan air di tempat yang tinggibila tekanan air di tempat yangrendah 2 . 104 Pa,b. tekanan air di tempat yang tinggibila air dalam pipa berhenti dantekanan air di tempat yang rendah1,8 . 104 Pa.4. Tiap sayap sebuah pesawat terbangmemiliki luas penampang 25 m2. Jikakelajuan udara bagian bawah sayapadalah 50 m/s dan pada bagianatasnya 70 m/s, tentukanlah beratpesawat itu! (anggap pesawat terbangmendatar pada kelajuan tetap padaketinggian di mana massa jenis udarasama dengan 1)5. Debit air yang melalui sebuah pipa airadalah 5.000 cm3/s. Kelajuan air pipautama dan pipa menyempit venturi-meter masing-masing 3 m/s dan 5 m/s.Jika massa jenis air 1 g/cm3, dan g =10 m/s2, tentukan beda tekanan airantara kedua pipa tersebut!