Halaman
141FluidaA.Fluida StatisB.Fluida DinamisPerhatikanlah serangga yang sedang diam di atas permukaan air.Mengapa serangga tersebut dapat berdiri di atas permukaan air?Bagaimanakah hukum Fisika menerangkan peristiwa ini? Peristiwa seranggayang sedang berdiam diri di atas permukaan air seperti pada gambar,berhubungan dengan salah satu sifat air sebagai fluida, yaitu teganganpermukaan. Oleh karena adanya tegangan permukaan zat cair, seranggadan benda-benda kecil lainnya dapat terapung di atas permukaan air.Fluida, yaitu zat cair dan gas telah memberikan banyak manfaat bagimanusia karena keistimewaan sifat yang dimilikinya. Kemudahantransportasi air dan udara merupakan salah satu contoh aplikasi teknologiyang berkaitan dengan sifat fluida. Tahukah Anda sifat-sifat fluida lainnyadan aplikasinya dalam kehidupan sehari-hari?Pada Bab 7 ini, Anda akan mendalami pembahasan mengenai fluidayang ditinjau dari keadaan statis dan dinamisnya.Pada bab ini, Anda diajak untuk dapat menerapkan konsep dan prinsip mekanika klasik sistemkontinu dalam menyelesaikan masalah dengan cara menganalisis hukum-hukum yangberhubungan dengan fluida statis dan dinamis serta penerapannya dalam kehidupan sehari-hari.7B a b 7Sumber: www.towno lakelure.com
Praktis Belajar Fisika untuk Kelas XI142J e l a j a hF i s i k aFluida adalah zat yang dapat mengalir dan berubah bentuk (dapatdimampatkan) jika diberi tekanan. Jadi, yang termasuk ke dalam fluidaadalah zat cair dan gas. Perbedaan antara zat cair dan gas terletak padakompresibilitasnya atau ketermampatannya. Gas mudah dimampatkan,sedangkan zat cair tidak dapat dimampatkan. Ditinjau dari keadaan fisisnya,fluida terdiri atas fluida statis atau hidrostatika, yaitu ilmu yang mempelajaritentang fluida atau zat alir yang diam (tidak bergerak) dan fluida dinamisatau hidrodinamika, yaitu ilmu yang mempelajari tentang zat alir atau fluidayang bergerak. Hidrodinamika yang khusus membahas mengenai aliran gasdan udara disebut aerodinamika.Sifat fisis fluida dapat ditentukan dan dipahami lebih jelas saat fluidaberada dalam keadaan diam (statis). Sifat-sifat fisis fluida statis yang akandibahas pada subbab ini di antaranya, massa jenis, tekanan, teganganpermukaan, kapilaritas, dan viskositas. Bahasan mengenai massa jenis dantekanan telah Anda pelajari di SMP sehingga uraian materi yang disajikandalam subbab ini hanya bertujuan mengingatkan Anda tentang materitersebut.1. Massa JenisPernahkah Anda membandingkan berat antara kayu dan besi? Benarkahpernyataan bahwa besi lebih berat daripada kayu? Pernyataan tersebuttentunya kurang tepat, karena segelondong kayu yang besar jauh lebih beratdaripada sebuah bola besi. Pernyataan yang tepat untuk perbandingan antarakayu dan besi tersebut, yaitu besi lebih padat daripada kayu.Anda tentu masih ingat, bahwa setiap benda memiliki kerapatan massayang berbeda-beda serta merupakan sifat alami dari benda tersebut. DalamFisika, ukuran kepadatan (densitas) benda homogen disebut massa jenis,yaitu massa per satuan volume. Secara matematis, massa jenis dituliskansebagai berikut.mV=ρ(7–1)dengan:m= massa (kg atau g),V= volume (m3 atau cm3), danρ= massa jenis (kg/m3 atau g/cm3).Jenis beberapa bahan dan massa jenisnya dapat dilihat pada Tabel 7.1 berikut.BahanAirAluminiumBajaBenzenaBesiEmasEsEtil AlkoholTabel 7.1Massa Jenis atau Kerapatan Massa (Density)Massa Jenis(g/cm3)Nama BahanMassa Jenis(g/cm3)1,002,77,80,97,819,30,920,81GliserinKuninganPerakPlatinaRaksaTembagaTimah Hitam1,268,610,521,413,68,911,3Ikan tulang (ony ishes)memiliki kantung udara di dalamtubuhnya yang berfungsi sebagaipelampung renang. Agar dapattetap melayang di dalam air,tekanan udara dalam kantungdiatur menurut kedalaman air.Dengan menekan udara dalamkantung tersebut, tulang ikandapat turun lebih dalam lagi.Sumber:Jendela Iptek, 1997Ikan Tulang1. Sebutkanlah sifat-sifatair dan udara yang Andaketahui.2. Terangkanlah oleh Anda,mengapa perahu ataukapal laut dapatmengapung dipermukaan air?3. Jelaskanlah menurutpemahaman FisikaAnda, mengapa burungdapat terbang?PramateriSoalSumber:ollege hysics, 1980A Fluida Statis
Fluida1432. Tekanan HidrostatisMasih ingatkah Anda definisi tekanan? Tekanan adalah gaya yangbekerja tegak lurus pada suatu permukaan bidang dan dibagi luas permukaanbidang tersebut. Secara matematis, persamaan tekanan dituliskan sebagaiberikut.p = FA(7–2)dengan:F= gaya (N),A= luas permukaan (m2), danp= tekanan (N/m2 = Pascal).Persamaan (7–2) menyatakan bahwa tekanan p berbanding terbalikdengan luas permukaan bidang tempat gaya bekerja. Jadi, untuk besar gayayang sama, luas bidang yang kecil akan mendapatkan tekanan yang lebihbesar daripada luas bidang yang besar. Dapatkah Anda memberikan bebe-rapa contoh penerapan konsep tekanan dalam kehidupan sehari-hari?Tekanan hidrostatis disebabkan oleh fluida tak bergerak. Tekananhidrostatis yang dialami oleh suatu titik di dalam fluida diakibatkan olehgaya berat fluida yang berada di atas titik tersebut. Perhatikanlah Gambar7.1. Jika besarnya tekanan hidrostatis pada dasar tabung adalah p, menurutkonsep tekanan, besarnya p dapat dihitung dari perbandingan antara gayaberat fluida (F) dan luas permukaan bejana (A).==gaya berat fluidaluas permukaan bejanaFpAGaya berat fluida merupakan perkalian antara massa fluida denganpercepatan gravitasi Bumi, ditulis fluidamgpA=. Oleh karena m =ρV,persamaan tekanan oleh fluida dituliskan sebagai ρ=VgpA.Volume fluida di dalam bejana merupakan hasil perkalian antara luaspermukaan bejana (A) dan tinggi fluida dalam bejana (h). Oleh karena itu,persamaan tekanan di dasar bejana akibat fluida setinggi h dapat dituliskanmenjadi()ρρ==Ah gphgAJika tekanan hidrostatis dilambangkan dengan ph, persamaannyadituliskan sebagai berikut.ph = ρgh(7–3)dengan:ph= tekanan hidrostatis (N/m2),ρ= massa jenis fluida (kg/m3),g= percepatan gravitasi (m/s2), danh= kedalaman titik dari permukaan fluida (m).Semakin tinggi dari permukaan Bumi, tekanan udara akan semakinberkurang. Sebaliknya, semakin dalam Anda menyelam dari permukaan lautatau danau, tekanan hidrostatis akan semakin bertambah. Mengapa demikian?Hal tersebut disebabkan oleh gaya berat yang dihasilkan oleh udara dan zatcair. Anda telah mengetahui bahwa lapisan udara akan semakin tipis seiringbertambahnya ketinggian dari permukaan Bumi sehingga tekanan udara akanberkurang jika ketinggian bertambah. Adapun untuk zat cair, massanya akansemakin besar seiring dengan bertambahnya kedalaman. Oleh karena itu,tekanan hidrostatis akan bertambah jika kedalaman bertambah.hGambar 7.1Dasar bejana yang terisi denganfluida setinggi h akanmengalami tekanan hidrostatissebesar h.
Praktis Belajar Fisika untuk Kelas XI144Perhatikan Gambar 7.2. Pada gambar tersebut, tekanan hidrostatis dititik A, B, dan C berbeda-beda. Tekanan hidrostatis paling besar adalah dititik C. Dapatkah Anda menjelaskan alasannya?Prinsip tekanan hidrostatis ini digunakan pada alat-alat pengukurtekanan. Alat-alat pengukur tekanan yang digunakan untuk mengukurtekanan gas, di antaranya sebagai berikut.a.Manometer Pipa TerbukaManometer pipa terbuka adalah alat pengukur tekanan gas yang palingsederhana. Alat ini berupa pipa berbentuk U yang berisi zat cair. PerhatikanGambar 7.3. Ujung yang satu mendapat tekanan sebesar p (dari gas yanghendak diukur tekanannya) dan ujung lainnya berhubungan dengan tekananatmosfir (p0).Besarnya tekanan udara di titik y1 = p0, sedangkan tekanan udara dititik y2 = p. y1 memiliki selisih ketinggianΔ=10ydan y2 memiliki selisihketinggianΔ=2.yh Berdasarkan Persamaan (7–3) tentang besar tekananhidrostatik, besarnya tekanan udara dalam tabung pada Gambar 7.3dinyatakan dengan persamaan berikut ini. pgas = p – p0 = ρgh(7–4)dengan ρ = massa jenis zat cair dalam tabung.b.BarometerBarometer raksa ini ditemukan pada 1643 oleh Evangelista Torricelli,seorang ahli Fisika dan Matematika dari Italia. Ia mendefinisikan tekananatmosfir dalam bukunya yang berjudul "A Unit of Measurement, The Torr"Tekanan atmosfer (1 atm) sama dengan tekanan hidrostatis raksa(mercury) yang tingginya 760 mm. Cara mengonversikan satuannya adalahsebagai berikut.ρ raksa × percepatan gravitasi Bumi × panjang raksa dalam tabungatau(13.600 kg/cm3 )(9,8 m/s2)(0,76 m) = 1,103 × 105 N/m2Jadi, 1 atm = 76 cmHg = 1,013 × 105 N/m2(7–5)Gambar 7.3Manometer pipa terbukaTabung setinggi 30 cm diisi penuh dengan fluida. Tentukanlah tekanan hidrostatispada dasar tabung, jika g = 10 m/s2 dan tabung berisi:a.air,b.raksa, danc.gliserin.Gunakan data massa jenis pada Tabel 7.1.JawabDiketahui: h = 30 cm dan g = 10 m/s2.a.Tekanan hidrostatis pada dasar tabung yang berisi air:Ph = ρgh = (1.000 kg/m3) (10 m/s2) (0,3 m) = 3.000 N/m2b.Tekanan hidrostatis pada dasar tabung yang berisi air raksa:Ph = ρgh = (13.600 kg/m3) (10 m/s2) (0,3 m) = 40.800 N/m2c.Tekanan hidrostatis pada dasar tabung yang berisi gliserin:Ph = ρgh = (1.260 kg/m3) (10 m/s2) (0,3 m) = 3.780 N/m2Gambar 7.4Skema barometer raksaContoh7.1• A• B• CGambar 7.2Semakin dalam kedudukansebuah titik dalam fluida,tekanan hidrostatis di titiktersebut akan semakinbesar.Lakukanlah analisis oleh Anda tentang cara kerja dari barometer, kemudiandiskusikanlah bersama teman Anda dan buatlah laporan tertulisnya.KerjakanlahSumber: www.atmos.washington.eduhp0y1y2pgtangki gasSumber: Fundamental o hysics, 2001
Fluida145Gambar 7.6Tekanan total atau tekananmutlak yang dialami oleh titik Ayang berada di dalam suatufluida adalah sebesar A.Gambar 7.7Tekanan di titik A, B, C, dan Dsama besar, serta tidakbergantung pada bentukpenampang tempat fluidatersebut.c.Pengukur Tekanan BanAlat ini digunakan untuk mengukur tekanan udara di dalam ban.Bentuknya berupa silinder panjang yang di dalamnya terdapat pegas. Saatujungnya ditekankan pada pentil ban, tekanan udara dari dalam ban akanmasuk ke dalam silinder dan menekan pegas. Besarnya tekanan yang diterimaoleh pegas akan diteruskan ke ujung lain dari silinder yang dihubungkandengan skala. Skala ini telah dikalibrasi sehingga dapat menunjukkan nilaiselisih tekanan udara luar (atmosfer) dengan tekanan udara dalam ban.3. Tekanan TotalTinjaulah sebuah tabung yang diisi dengan fluida setinggi h, sepertitampak pada Gambar 7.6. Pada permukaan fluida yang terkena udara luar,bekerja tekanan udara luar yang dinyatakan dengan p. Jika tekanan udaraluar ikut diperhitungkan, besarnya tekanan total atau tekanan mutlak padasatu titik di dalam fluida adalah pA = p0 + ρgh(7–6)dengan:p0 = tekanan udara luar = 1,013 × 105 N/m2, danpA= tekanan total di titik A (tekanan mutlak).hAp0Jika diketahui tekanan udara luar 1 atm dan g = 10 m/s2, tentukanlah tekanan totaldi bawah permukaan danau pada kedalaman:a.10 cm,b.20 cm, danc.30 cm.JawabDiketahui: p0 = 1 atm dan g = 10 m/s2.a.Tekanan total di bawah permukaan danau pada kedalaman 10 cm:pA= p0 +ρgh = (1,013 × 105 N/m2) + (1.000 kg/m3) (10 m/s2) (0,1 m)= 1,023 × 105 N/m2b.Tekanan total di bawah permukaan danau pada kedalaman 20 cm:pA= p0 +ρgh = (1,013 × 105 N/m2) + (1.000 kg/m3) (10 m/s2) (0,2 m)= 1,033.105 N/m2c.Tekanan total di bawah permukaan danau pada kedalaman 30 cm:pA= p0 +ρgh = (1,013 × 105 N/m2) + (1.000 kg/m3) (10 m/s2) (0,3 m)= 1,043.105 N/m24. Hukum Utama HidrostatisPerhatikanlah Gambar 7.7. Gambar tersebut memperlihatkan sebuahbejana berhubungan yang diisi dengan fluida, misalnya air. Anda dapatmelihat bahwa tinggi permukaan air di setiap tabung adalah sama, walaupunbentuk setiap tabung berbeda. Bagaimanakah tekanan yang dialami olehsuatu titik di setiap tabung? Samakah tekanan total di titik A, B, C, dan Dyang letaknya segaris? Untuk menjawab pertanyaan tersebut, Anda harusmengetahui Hukum Utama Hidrostatis.Hukum Utama Hidrostatis menyatakan bahwa semua titik yang beradapada bidang datar yang sama dalam fluida homogen, memiliki tekanan totalyang sama. Jadi, walaupun bentuk penampang tabung berbeda, besarnyatekanan total di titik A, B, C, dan D adalah sama.Persamaan Hukum Utama Hidrostatis dapat diturunkan denganmemerhatikan Gambar 7.8. Misalkan, pada suatu bejana berhubungandimasukkan dua jenis fluida yang massa jenisnya berbeda, yaitu ρ1 dan ρ2.p0h1h2p0ABCDskalaP0pegastekananbanContoh7.2Gambar 7.5Alat pengukur tekanan udara didalam ban.Sumber: hysics, 1995Gambar 7.8Tekanan total di titik A dan Bpada bejana U yang terisifluida homogen adalah samabesar, pA = pB.AB
Praktis Belajar Fisika untuk Kelas XI1465. Hukum PascalBagaimana jika sebuah bejana U diisi dengan fluida homogen dan salahsatu pipanya ditekan dengan gaya sebesar F? Proses Fisika yang terjadipada bejana U seperti itu diselidiki oleh Blaise Pascal. Melalui penelitiannya,Pascal berkesimpulan bahwa apabila tekanan diberikan pada fluida yangmemenuhi sebuah ruangan tertutup, tekanan tersebut akan diteruskan olehfluida tersebut ke segala arah dengan besar yang sama tanpa mengalamipengurangan. Pernyataan ini dikenal sebagai Hukum Pascal yang dike-mukakan oleh Pascal pada 1653.Secara analisis sederhana, Hukum Pascal dapat digambarkan seperti padaGambar 7.9. Tekanan oleh gaya sebesar F1 terhadap pipa 1 yang memiliki luaspenampang pipa A1, akan diteruskan oleh fluida menjadi gaya angkat sebesarF2 pada pipa 2 yang memiliki luas penampang pipa A2 dengan besar tekananyang sama. Oleh karena itu, secara matematis Hukum Pascal ditulis sebagaiberikut.p1 = p21212FFAA=(7–8)dengan:F1= gaya pada pengisap pipa 1,A1= luas penampang pengisap pipa 1,F2= gaya pada pengisap pipa 2, danA2= luas penampang pengisap pipa 2.Perhatikanlah gambar bejana di samping.Jika diketahui massa jenis minyak 0,8 g/cm3,massa jenis raksa 13,6 g/cm3, dan massajenis air 1 g/cm3, tentukanlah perbedaantinggi permukaan antara minyak dan air.JawabDiketahui: ρm = 0,8 g/cm3, ρr = 13,6, danρair = 1 g/cm3.Air dan minyak batas terendahnya sama sehingga diperoleh persamaan berikut3maammam3a0,8 /151/hhh h=→= =×=ρρρρgcmcmgcm12 cmJadi, perbedaan tinggi permukaan minyak dan air = 15 cm – 12 cm = 3 cm.F2, p2A1pipa 1Gambar 7.9Tekanan F1 di pipa satu samabesar dengan gaya angkat dipipa dua.Jika diukur dari bidang batas terendah antara fluida 1 dan fluida 2, yaitutitik B dan titik A, fluida 2 memiliki ketinggian h2 dan fluida 1 memilikiketinggian h1.Tekanan total di titik A dan titik B sama besar. Menurut persamaantekanan hidrostatis, besarnya tekanan di titik A dan titik B bergantung padamassa jenis fluida dan ketinggian fluida di dalam tabung. Secara matematis,persamaannya dapat dituliskan sebagai berikut. pA= pBp0 + ρ1gh1= p0 + ρ2gh2ρ1 h1= ρ2 h2(7–7)dengan:h1= jarak titik A terhadap permukaan fluida 1,h2= jarak titik B terhadap permukaan fluida 2,ρ1= massa jenis fluida satu, danρ2= massa jenis fluida dua.pipa 2Contoh7.3A2airraksah= 15 cmminyakSumber: www.philothek.deJ e l a j a hF i s i k aBlaise Pascal lahir di Clermont-Ferrand, Prancis. Ia dikenalsebagai seorang matematika-wan dan fisikawan yang handal.Penelitiannya dalam ilmu Fisika,membuat ia berhasilmenemukan barometer, mesinhidrolik dan jarum suntik.Sumber:www.all iographies.comBlaise PascalF1, p1
Fluida147SolusiCerdasAlat pengangkat mobil yang memiliki luas pengisap masing-masing sebesar 0,10 m2dan 4 × 10–4 m2 digunakan untuk mengangkat mobil seberat 2 × 104 N. Berapakahbesar gaya yang harus diberikan pada pengisap yang kecil?JawabDiketahui: A1 = 4 × 10–4 m2, A2 = 0,1 m2, dan F2 = 2 × 104 N.mNm−×=→= =×424121122122410(2 10)0,1FFAFFAAA= 80 NDengan demikian, gaya yang harus diberikan pada pengisap yang kecil adalah 80 N.Sebuah pompa hidrolik berbentuk silinder memiliki jari-jari 4 cm dan 20 cm. Jikapengisap kecil ditekan dengan gaya 200 N, berapakah gaya yang dihasilkan padapengisap besar?JawabDiketahui: r2 = 20 cm, r1 = 4 cm, dan F1 = 200 N22212222211121211120(200 )4FFArrFFFFAAArrππ⎛⎞⎛⎞=→= ===⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠cmNcm= 5.000 NHukum Pascal dimanfaatkan dalam peralatan teknik yang banyakmembantu pekerjaan manusia, antara lain dongkrak hidrolik, pompa hidrolik,mesin hidrolik pengangkat mobil, mesin pres hidrolik, dan rem hidrolik.Berikut pembahasan mengenai cara kerja beberapa alat yang menggunakanprinsip Hukum Pascal.a. Dongkrak HidrolikDongkrak hidrolik merupakan salah satu aplikasi sederhana dari HukumPascal. Berikut ini prinsip kerja dongkrak hidrolik. Saat pengisap kecil diberigaya tekan, gaya tersebut akan diteruskan oleh fluida (minyak) yang terdapatdi dalam pompa. Akibatnya, minyak dalam dongkrak akan menghasilkangaya angkat pada pengisap besar dan dapat mengangkat beban di atasnya.b. Mesin Hidrolik Pengangkat MobilMesin hidrolik pengangkat mobil ini memiliki prinsip yang sama dengandongkrak hidrolik. Perbedaannya terletak pada perbandingan luaspenampang pengisap yang digunakan. Pada mesin pengangkat mobil,perbandingan antara luas penampang kedua pengisap sangat besar sehinggagaya angkat yang dihasilkan pada pipa berpenampang besar dan dapatdigunakan untuk mengangkat mobil.Gambar 7.10Skema dongkrak hidrolikGambar 7.11Mesin hidrolik pengangkatmobilA1F1F2A2P1P2Contoh7.4Contoh7.5Sumber: www.tcn .eduSebuah pipa berdiameter 9 cmdialiri air berkecepatan 5 m/s,kemudian terhubung denganpipa berdiameter 3 cm.Kecepatan air pada pipa yangberdiameter 3 cm adalah ....a. 3 m/sb. 9 m/sc. 18 m/sd. 27 m/se. 45 m/sPenyelesaian1 = πr12 = π−⎛⎞×⎜⎟⎝⎠481104m22 = πr22 = π−⎛⎞×⎜⎟⎝⎠49104m21v1 = 2v2()ππ−−⎛⎞×⎜⎟⎝⎠==⎛⎞×⎜⎟⎝⎠421124228110m 5m/s4910m4vv⎛⎞=×⎜⎟⎝⎠28159vm = 45 m/sJawab: eSoal UNAS 2005/2006F1A1A2F2Sumber: hysics, 1995
Praktis Belajar Fisika untuk Kelas XI148pedalFpiringanlogambantalanremsilinderutamac. Rem HidrolikRem hidrolik digunakan pada mobil. Ketika Anda menekan pedal rem,gaya yang Anda berikan pada pedal akan diteruskan ke silinder utama yangberisi minyak rem. Selanjutnya, minyak rem tersebut akan menekan bantalanrem yang dihubungkan pada sebuah piringan logam sehingga timbul gesekanantara bantalan rem dengan piringan logam. Gaya gesek ini akhirnya akanmenghentikan putaran roda.Sumber: www.katharinen.ingolstadt.de6. Hukum ArchimedesAnda tentunya sering melihat kapal yang berlayar di laut, benda-bendayang terapung di permukaan air, atau batuan-batuan yang tenggelam didasar sungai. Konsep terapung, melayang, atau tenggelamnya suatu bendadi dalam fluida, kali pertama diteliti oleh Archimedes.Menurut Archimedes, benda yang dicelupkan sebagian atau seluruhnyake dalam fluida, akan mengalami gaya ke atas. Besar gaya ke atas tersebutbesarnya sama dengan berat fluida yang dipindahkan oleh benda. Secaramatematis, Hukum Archimedes dituliskan sebagai berikut. FA = ρfVfg(7–9)dengan:FA= gaya ke atas (N),ρf=massa jenis fluida (kg/m3),Vf=volume fluida yang dipindahkan(m3), dan g= percepatan gravitasi (m/s3).Berdasarkan Persamaan (7–9) dapat diketahui bahwa besarnya gaya keatas yang dialami benda di dalam fluida bergantung pada massa jenis fluida,volume fluida yang dipindahkan, dan percepatan gravitasi Bumi.Gambar 7.12Prinsip kerja rem hidrolikMenguji Teori ArchimedesAlat dan Bahan1.Dua buah bejana yang identik2. Neraca sama lengan3. Neraca pegas4. Beban5. AirProsedur1.Gantunglah beban pada neraca pegas.2.Catatlah nilai yang ditunjukkan oleh neraca pegas sebagai berat beban tersebut.3.Isilah salah satu bejana dengan air, kemudian timbanglah beban di dalam air.Catatlah angka yang ditunjukkan oleh neraca pegas sebagai berat beban didalam air.4.Bandingkanlah berat beban saat ditimbang di udara dengan berat beban saatditimbang di dalam air. Apakah yang dapat Anda simpulkan dari kegiatantersebut?5.Letakkan kedua bejana identik ke setiap lengan neraca sama lengan.Mahir Meneliti 7.1Sumber: hysics, 1995J e l a j a hF i s i k aArchimedes lahir di Syracus,Romawi.Ia dikenal dan dikenangkarena sejumlah hasil karyanyadi bidang Fisika dan Matematikayang memberikan banyakmanfaat dalam kehidupanmanusia. Hasil karyanya dalamilmu Fisika antara lain alatpenaik air dan hidrostatika.Ungkapannya yang terkenal saatia menemukan gaya ke atas yangdialami oleh benda di dalamfluida, yaitu “ureka” sangatmelekat dengan namanya.Sumber:www.all iographies.comArchimedes
Fluida149Anda telah mengetahui bahwa suatu benda yang berada di dalam fluidadapat terapung, melayang, atau tenggelam. Agar Anda dapat mengingatkembali konsep Fisika dan persamaan yang digunakan untuk menyatakanketiga perisiwa tersebut, pelajarilah uraian berikut.a. TerapungBenda yang dicelupkan ke dalam fluida akan terapung jika massa jenisbenda lebih kecil daripada massa jenis fluida (ρb < ρf). Massa jenis bendayang terapung dalam fluida memenuhi persamaan berikut.=ρρbfbfbVV(7–10)atau=ρρbfbfbhh(7–11)dengan: Vbf= volume benda yang tercelup dalam fluida (m3), Vb= volume benda (m3), hbf= tinggi benda yang tercelup dalam fluida (m), hb= tinggi benda (m),ρb= massa jenis benda (kg/m3), danρf= massa jenis fluida (kg/m3).Sebuah balok kayu (ρ = 0,6 kg/m3) bermassa 60 g dan volume 100 cm3dimasukkan ke dalam air. Ternyata, 60 cm3 kayu tenggelam sehingga volumeair yang dipindahkan sebesar 60 cm3 ( 0,6 N ).b. MelayangBenda yang dicelupkan ke dalam fluida akan melayang jika massa jenisbenda sama dengan massa jenis fluida (ρb= ρf). Dapatkah Anda memberikancontoh benda-benda yang melayang di dalam zat cair?c. TenggelamBenda yang dicelupkan ke dalam fluida akan tenggelam jika massa jenisbenda lebih besar daripada massa jenis fluida (ρb > ρf). Jika benda yangdapat tenggelam dalam fluida ditimbang di dalam fluida tersebut, beratbenda akan menjadiwbf = w – FA(7–12)atauwbf = (ρb – ρf) Vb g(7–13)dengan:wbf= berat benda dalam fluida (N), danw= berat benda di udara (N).6. Isilah kedua bejana identik dengan air sampai penuh. Kemudian, secaraperlahan masukkan beban ke dalam salah satu bejana, sambil menampung airyang tumpah dari dalam bejana.7 . Amatilah posisi neraca sama lengan setelah beban berada di dalam salah satubejana.8. Hitunglah volume beban yang digunakan, kemudian bandingkan volumetersebut dengan volume air yang dipindahkan ketika beban dimasukkan ke dalamair.9 . Apakah yang dapat Anda simpulkan?10. Diskusikanlah bersama teman kelompok dan guru Fisika Anda.Gambar 7.13Balok kayu bervolume 100 cm3dimasukkan ke dalam air.100 cm3Sumber:icroso t ncarta, 2004
Praktis Belajar Fisika untuk Kelas XI150Gambar 7.14(a) Balok aluminium denganvolume 100 cm3 di udara.(b) Balok aluminium denganvolume 100 cm3 ditimbangdi dalam air Apakahberatnya sama?100 cm3100 cm3abSumber:icroso t ncarta, 2004Perhatikanlah Gambar 7.14. Aluminium (ρ = 2,7 g/cm3) yang bermassa270 g dan memiliki volume 100 cm3, ditimbang di udara. Berat aluminiumtersebut sebesar 2,7 N. Ketika penimbangan dilakukan di dalam air, volumeair yang dipindahkan adalah 100 cm3 dan menyebabkan berat air yangdipindahkan sebesar 1 N (m = ρV dan w = mg). Dengan demikian, gaya keatas FA yang dialami aluminium sama dengan berat air yang dipindahkan,yaitu sebesar 1 N. Berat aluminium di dalam air menjadiwbf= w – FA= 2,7 N – 1 N= 1,7 NSebuah batu memiliki berat 30 N Jika ditimbang di udara. Jika batu tersebutditimbang di dalam air beratnya = 21 N. Jika massa jenis air adalah 1 g/cm3,tentukanlah:a.gaya ke atas yang diterima batu,b.volume batu, danc.massa jenis batu tersebut.JawabDiketahui: w= 30 N, wbf = 21 N, dan ρair = 1 g/cm3.w = 30 N Nmsw→= ==230310/mgkgρair = 1 g/cm3 = 1.000 kg/m3a.wbf=w – FA21 N = 30 N – FA FA= 9 Nb. FA= ρairVbatug 9 N = (1.000 kg/m3) (Vbatu) (10 m/s2) Vbatu= 9 × 10–4 m3c.batukg mρ−===××43433 kg110/910m 3mV = 3.333,3 kg/m3.Contoh7.6Sebuah bola logam padat seberat 20 N diikatkan pada seutas kawat dandicelupkan ke dalam minyak (ρminyak = 0,8 g/cm3). Jika massa jenis logam 5 g/cm3,berapakah tegangan kawat?JawabDiketahui: wbola = 20 N, ρminyak = 0,8 g/cm3, dan ρlogam = 5 g/cm3.Berdasarkan uraian gaya-gaya yang bekerja pada bola, dapat dituliskan persamaanT + FA = wT = w – FA = w – ρminyakVbolagT = w – ρminyak mρ⎛⎞⎜⎟⎝⎠bolabolagT = 20 N – (800 kg/m3) kgkg cm⎛⎞⎜⎟⎝⎠325.000/ (10 m/s2)T = 16,8 N.TmwFAContoh7.7
Fluida151Sebuah benda dimasukkan ke dalam air. Ternyata, 25% dari volume bendaterapung di atas permukaan air. Berapakah massa jenis benda tersebut?Jawab:Diketahui:Vbenda terapung= 25%.wbenda= FAmg= ρairVbenda tercelup gρairVbenda g= ρairVbenda tercelupgρbendabenda tercelupairbendaρ=VV= (1 g/cm3) 75%100% = 0,75 g/cm3.W25%75%FAContoh7.9Sebuah benda memiliki volume 20 m3 dan massa jenisnya = 800 kg/m3. Jika bendatersebut dimasukkan ke dalam air yang massa jenisnya 1.000 kg/m3, tentukanlahvolume benda yang berada di atas permukaan air.JawabDiketahui: Vbenda = 20 m3, ρbenda = 800 kg/m3, dan ρair = 1.000 kg/m3.Volume air yang dipindahkan = volume benda yang tercelupFA = ρairVair-pindahg = berat benda = ρairVbagian tercelup g = mgρairVbagian tercelup = ρbendaVbenda(1 kg/m3) (Vbagian tercelup) = (800 kg/m3) (20 m3)Vbagian tercelup = 16 m3Vmuncul = 20 m3 – 16 m3 = 4 m3.Contoh7.8Penaik air ini adalah alat yangdiciptakan oleh Archimedesuntuk menaikkan air dari sungaiatau kanal. Prinsip dasar darialat ini adalah bidang miringyang disusun menjadi pilinan(heliks). Apabila pegangan diujung tabung di putar, pilinantersebut akan mengangkat airke atas.Sumber: Jendela Iptek, Penaik AirJ e l a j a hF i s i k a7. Aplikasi Hukum ArchimedesHukum Archimedes banyak diterapkan dalam kehidupan sehari-hari,di antaranya pada hidrometer, kapal laut, kapal selam, balon udara, dangalangan kapal. Berikut ini prinsip kerja alat-alat tersebut.a. HidrometerHidrometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur massa jeniszat cair. Proses pengukuran massa jenis zat cair menggunakan hidrometerdilakukan dengan cara memasukkan hidrometer ke dalam zat cair tersebut.Angka yang ditunjukkan oleh hidrometer telah dikalibrasi sehingga akanmenunjukkan nilai massa jenis zat cair yang diukur. Berikut ini prinsip kerjahidrometer. Gaya ke atas = berat hidrometer FA = whidrometerρ1V1 g= mgOleh karena volume fluida yang dipindahkan oleh hidrometer samadengan luas tangkai hidrometer dikalikan dengan tinggi yang tercelup makadapat dituliskanρ1 (Ah1) = m h1 = fmAρ(7–14)Sumber: Jendela Iptek, 1997Gambar 7.15Hidrometer
Praktis Belajar Fisika untuk Kelas XI152Sumber: onceptual hysics,1993Gambar 7.16Kapal yang sama pada saatkosong dan penuh muatan.Volume air yang di pindahkanoleh kapal ditandai dengantenggelamnya kapal hinggabatas garis yang ditunjukkanoleh tanda panah.Sumber: www.yesmag. c.caKatupKatupTangkipemberatInteriorTangkiudaraPeriskopabcdengan: m= massa hidrometer (kg), A= luas tangkai (m2), hf= tinggi hidrometer yang tercelup dalam zat cair (m), danρf= massa jenis zat cair (kg/m3).Hidrometer digunakan untuk memeriksa muatan akumulator mobildengan cara membenamkan hidrometer ke dalam larutan asam akumulator.Massa jenis asam untuk muatan akumulator penuh kira-kira = 1,25 kg/m3dan mendekati 1 kg/m3 untuk muatan akumulator kosong.b. Kapal Laut dan Kapal SelamMengapa kapal yang terbuat dari baja dapat terapung di laut? Peristiwaini berhubungan dengan gaya apung yang dihasilkan oleh kapal baja tersebut.Perhatikan Gambar 7.16 berikut.Balok besi yang dicelupkan ke dalam air akan tenggelam, sedangkanbalok besi yang sama jika dibentuk menyerupai perahu akan terapung. Halini disebabkan oleh jumlah fluida yang dipindahkan besi yang berbentukperahu lebih besar daripada jumlah fluida yang dipindahkan balok besi.Besarnya gaya angkat yang dihasilkan perahu besi sebanding dengan volumeperahu yang tercelup dan volume fluida yang dipindahkannya. Apabila gayaangkat yang dihasilkan sama besar dengan berat perahu maka perahu akanterapung. Oleh karena itu, kapal baja didesain cukup lebar agar dapat memin-dahkan volume fluida yang sama besar dengan berat kapal itu sendiri.Gambar 7.17Penampang kapal selam ketika(a) terapung, (b) melayang, dan(c) tenggelam.Tahukah Anda apa yang menyebabkan kapal selam dapat terapung,melayang, dan menyelam? Kapal selam memiliki tangki pemberat di dalamlambungnya yang berfungsi mengatur kapal selam agar dapat terapung,
Fluida153Sumber: icroso t ncarta, 2004Gambar 7.18Balon udara dapat mengambangdi udara karena memanfaatkanprinsip Hukum Archimedes.melayang, atau tenggelam. Untuk menyelam, kapal selam mengisi tangkipemberatnya dengan air sehingga berat kapal selam akan lebih besardaripada volume air yang dipindahkannya. Akibatnya, kapal selam akantenggelam. Sebaliknya, jika tangki pemberat terisi penuh dengan udara (airlaut dipompakan keluar dari tangki pemberat), berat kapal selam akan lebihkecil daripada volume kecil yang dipindahkannya sehingga kapal selam akanterapung. Agar dapat bergerak di bawah permukaan air laut dan melayang,jumlah air laut yang dimasukkan ke dalam tangki pemberat disesuaikandengan jumlah air laut yang dipindahkannya pada kedalaman yangdiinginkan.c. Balon UdaraBalon berisi udara panas kali pertama diterbangkan pada tanggal 21November 1783. Udara panas dalam balon memberikan gaya angkat karenaudara panas di dalam balon lebih ringan daripada udara di luar balon.Balon udara bekerja berdasarkan prinsip Hukum Archimedes. Menurutprinsip ini, dapat dinyatakan bahwa sebuah benda yang dikelilingi udaraakan mengalami gaya angkat yang besarnya sama dengan volume udarayang dipindahkan oleh benda tersebut.8. Tegangan PermukaanPernahkah Anda memerhatikan bentuk cairan obat yang keluar daripenetes obat atau bentuk raksa yang diteteskan di permukaan meja? JikaAnda perhatikan, tetesan cairan obat yang keluar dari alat penetesnyaberbentuk bola-bola kecil. Demikian juga dengan bentuk air raksa yangditeteskan di permukaan meja.Tetesan zat cair atau fluida cenderung untuk memperkecil luaspermukaannya. Hal tersebut terjadi karena adanya tegangan permukaan.Apakah tegangan permukaan itu? Agar dapat memahami tentang teganganpermukaan zat cair, lakukanlah kegiatan Mahir Meneliti 7.2 berikut.Sumber: icroso t ncarta,2004Mengamati Tegangan Permukaan Zat CairAlat dan Bahan1.Klip kertas atau silet2. Bejana3. Sabun cairProsedur1.Isilah bejana dengan air.2.Letakkanlah klip kertas atau silet dengan perlahan-lahan di permukaan air.3.Amatilah apa yang terjadi pada klip kertas atau silet tersebut.4.Selanjutnya, tuangkanlah sabun cair ke dalam bejana yang berisi air dan klipkertas atau silet.5.Amatilah apa yang terjadi dengan klip kertas atau silet.6. Bandingkanlah hasil pengamatan Anda pada langkah 5 dengan langkah 3.Apakah yang dapat Anda simpulkan dari kegiatan tersebut?7. Dapatkah Anda menjelaskan pengaruh sabun cair terhadap teganganpermukaan?8.Diskusikanlah dengan teman sekelompok dan guru Fisika Anda.Mahir Meneliti 7.2Gambar 7.19Tegangan permukaanmenyebabkan air yang jatuhpada daun membentukpermukaan sekecil mungkin.Peristiwa tersebut disebabkanadanya gaya kohesi antarmolekulair lebih besar daripada gayaadhesi antara air dan daun.Contoh tegangan permukaan yang lain dapat Anda lihat jika Andamemasukkan sebuah gelang kawat yang dipasang benang ke dalam larutansabun. Setelah dimasukkan ke dalam larutan sabun, pada gelang kawat akan
Praktis Belajar Fisika untuk Kelas XI154gelang kawatbenangabterdapat selaput tipis. Jika bagian tengah jerat benang ditusuk hingga pecahakan terlihat jerat benang yang pada mulanya berbentuk tidak beraturan,berubah menjadi berbentuk lingkaran.Gelang kawat dan jerat benang yang dicelupkan ke dalam larutan sabunsebelum dan sesudah selaput tipis bagian tengahnya ditusuk terlihat sepertipada Gambar 7.20 berikut.Gambar 7.20(a) Gelang kawat denganbentangan benang di tengahnyaketika dimasukkan ke dalamlarutan sabun. (b) Setelahgelang kawat dicelupkan kedalam larutan sabun, benangmenjadi teregang danmembentuk lingkaran.Gambar 7.20b menunjukkan bahwa permukaan zat cair dapat dianggapberada dalam keadaan tegang sehingga zat-zat pada kedua sisi garis salingtarik-menarik.Tegangan permukaan (γ) di dalam selaput didefinisikan sebagai per-bandingan antara gaya permukaan dan panjang permukaan yang tegak lurusgaya dan dipengaruhi oleh gaya tersebut.Perhatikan Gambar 7.21. Gambar tersebut menunjukkan percobaansederhana untuk melakukan pengukuran kuantitatif tentang teganganpermukaan. Seutas kawat dilengkungkan membentuk huruf U dan kawatkedua berperan sebagai peluncur yang diletakkan di ujung kawat berbentukU. Ketika rangkaian kedua kawat tersebut dimasukkan ke dalam larutansabun, kemudian dikeluarkan. Akibatnya, pada rangkaian kawat terbentukselaput tipis cairan sabun. Selaput tipis tersebut akan memberikan gayategangan permukaan yang menarik peluncur kawat ke bagian atas kawat U(jika berat peluncur kawat sangat kecil). Ketika Anda menarik peluncur kawatke bawah, luas permukaan selaput tipis akan membesar dan molekul-molekulnya akan bergerak dari bagian dalam cairan ke dalam lapisanpermukaan.Dalam keadaan setimbang, gaya tarik peluncur ke bawah sama dengantegangan permukaan yang diberikan selaput tipis larutan sabun padapeluncur. Berdasarkan Gambar 7.21, gaya tarik peluncur ke bawah adalahF = w + TJika A adalah panjang peluncur kawat maka gaya F bekerja pada panjangtotal 2A karena selaput tipis air sabun memiliki dua sisi permukaan. Dengandemikian, tegangan permukaan didefinisikan sebagai perbandingan antaragaya tegangan permukaan F dengan panjang d tempat gaya tersebut bekerjayang secara matematis dinyatakan dengan persamaanγ=FdOleh karena d = 2A,tegangan permukaan dinyatakan dengan persamaanγ=A2F(7–15)Gambar 7.21Rangkaian kawat untukmengukur tegangan permukaanselaput tipis larutan sabun.Dalam keadaan setimbang, gayategangan permukaan ke atasγA2 sama dengan gaya tarikpeluncur ke bawah w + T.w2yATA
Fluida155Tegangan permukaan suatu zat cair yang bersentuhan dengan uapnyasendiri atau udara hanya bergantung pada sifat-sifat dan suhu zat cair itu.Berikut harga tegangan permukaan berdasarkan eksperimen. Berikut ininilai tegangan permukaan beberapa zat cair berdasarkan hasil eksperimen.9. KapilaritasKapilaritas adalah peristiwa naik atau turunnya permukaan zat cair padapipa kapiler, seperti yang diperlihatkan pada Gambar 7.22. Pada gambartersebut, diameter dalam pipa kapiler dari kiri ke kanan semakin kecil.Semakin kecil diameter dalam pipa kapiler, kenaikan permukaan air di dalampipa kapiler akan semakin tinggi.Permukaan zat cair yang membasahi dinding, misalnya air, akan naik.Adapun yang tidak membasahi dinding, seperti raksa, akan turun. Dalamkehidupan sehari-hari, contoh-contoh gejala kapiler adalah sebagai berikut.Minyak tanah naik melalui sumbu lampu minyak tanah atau sumbu kompor,dinding rumah basah pada musim hujan, air tanah naik melalui pembuluhkayu.Peristiwa air membasahi dinding, atau raksa tidak membasahi dindingdapat dijelaskan dengan memperhatikan gaya tarik-menarik antarpartikel.Gaya tarik-menarik antarpartikel sejenis disebut kohesi, sedangkan gaya tarik-menarik antarpartikel tidak sejenis disebut adhesi. Air membasahi dindingkaca karena adanya gaya kohesi antarpartikel air yang lebih kecil daripadagaya adhesi antara partikel air dan partikel dinding kaca. Sedangkan, raksamemiliki gaya kohesi lebih besar daripada gaya adhesinya dengan dindingkaca sehingga tidak membasahi dinding kaca. Gaya adhesi air yang lebihbesar dari kohesinya menyebabkan permukaan air berbentuk meniskuscekung, sedangkan gaya kohesi raksa lebih besar dari gaya adhesinyasehingga menyebabkan permukaan raksa berbentuk meniskus cembung.Jika zat cair dimasukkan ke dalam suatu pipa kapiler, permukaan zatcair tersebut akan melengkung.Permukaan melengkung zat cair di dalampipa disebut meniskus.Zat Cair yang Berhubungandengan UdaraAirAirAirAirAir sabunBenzenaEtil AlkoholGliserinHeliumKarbon TertrakhloridaMinyak ZaitunNeonOksigenRaksaTabel 7.2Harga Tegangan Permukaan Berdasarkan Eksperimen1 °C0206010020202020–2692020–247–19320Tegangan Permukaandyne/cm75,672,866,258,925,028,922,363,1 0,1226,832,0 5,1515,7 465Sumber: ollege hysics, 1980Gambar 7.22Tabung pipa kapilerSumber: www.wtamu.edu
Praktis Belajar Fisika untuk Kelas XI156Gambar 7.23 memperlihatkan gaya tegangan permukaan cairan di dalampipa kapiler. Bentuk permukaan cairan di dalam pipa kapiler bergantungpada sudut kontak (θ) cairan tersebut. Permukaan cairan akan naik jika θ <90° dan turun jika θ > 90°.Naik atau turunnya permukaan zat cair dapat ditentukan denganpersamaan berikut. mg= F cosθρVg= γAcosθρπr2hg= γ2πr cosθ2coshgrγθρ=(7–16)dengan: h= kenaikan atau penurunan zat cair (m),γ= tegangan permukaan (N/m), g= percepatan gravitasi (m/s2), dan r= jari-jari alas tabung/pipa (m).Jika suatu zat cair membasahi dinding pipa, sudut kontaknya kurangdari 90° dan zat cair itu naik hingga mencapai tinggi kesetimbangan. Zatpencemar yang ditambahkan pada zat cair akan mengubah sudut kontakitu, misalnya detergent mengubah sudut kontak yang besarnya lebih dari 90°menjadi lebih kecil dari 90°. Sebaliknya, zat-zat yang membuat kain tahanair (waterproof) menyebabkan sudut kontak air dengan kain menjadi lebihbesar dari 90°. Berikut beberapa nilai sudut kontak antara zat cair dan dindingpipa kapilernya.Gambar 7.24Efek bertambah kecilnya sudutkontak yang ditimbulkan suatuzat pencemar.θθabFθθθwyFyGambar 7.23Gaya tegangan permukaan padafluida dalam tabung kapiler.Fluida naik jika θ< 90° danturun jika θ> 90°.Zat Cairα- Bromnaftalen(C10 H7 Br)Tabel 7.3Sudut KontakDindingGelas BiasaGelas TimbelGelas Tahan Panas (Pyrex)Gelas KuarsaGelas BiasaGelas TimbelGelas Tahan Panas (Pyrex)Gelas KuarsaParafinGelas BiasaSudut Kontak5°6° 45'20°30'21°29°30°29°33°107°140°Metilen Yodida(CH2l2)AirRaksaSumber: ollege hysics, 1980• Hukum Archimedes• Hukum Pascal• Hukum Utama Hidrostatis• Kapilaritas• Sudut kontak• Tegangan permukaan• Tekanan hidrostatis• Tekanan udara luarKata Kunci
Fluida157Suatu tabung berdiameter 0,4 cm jika dimasukkan secara vertikal ke dalam air,sudut kontaknya 60°. Jika tegangan permukaan air 0,5 N/m dan g = 10 m/s2,tentukanlah kenaikan air pada tabung.JawabDiketahui: dtabung = 0,4 cm, θ = 60°, γ = 0,5 N/m, dan g = 10 m/s2.γθρ−==×033222 cos2(0, 5 N/m)(cos60 )(10 kg/m)(10 m/s)(0,2 10 m)hgr= 0,025 m = 2,5 cm.Kerjakanlah di dalam buku latihan Anda.1.Tiga buah tabung identik diisi fluida. Jika tabungpertama berisi raksa setinggi 2 cm, tabung keduaberisi air setinggi 12 cm dan tabung ketiga berisigliserin setinggi 10 cm, tentukanlah tekananhidrostatis di dasar tabung yang paling kecil danpaling besar (g = 10 m/s2).2.Diketahui tekanan udara luar 1 atm (anggap 1 atm =105 N dan g = 10 m/s2). Tentukanlah kedalaman danauyang tekanan total di bawah permukaannya 2 atm.3.Pipa U seperti pada gambardihubungkan dengan tabungyang berisi gas. Pipa U berisiraksa. Jika tekanan udara luar1 atm, berapakah tekanan gasdalam satuan cmHg?4.Alat pengangkat mobil yang memiliki luas pengisapdengan perbandingan 1 : 1000 digunakan untukmengangkat mobil seberat 1,5 × 104 N, berapakah besargaya yang harus diberikan pada pengisap yang kecil?5.Jika sebuah benda dicelupkan ke dalam air maka 13bagiannya muncul di permukaan air. Jika bendayang sama, kemudian dicelupkan ke dalam suatuSoal PenguasaanMateri 7.1Contoh7.11gas10 cmp0larutan lain yang memiliki massa jenis 89g/cm3,berapa bagian benda yang muncul di permukaanlarutan?6.Sebuah benda memiliki berat 20 N. Jika bendadicelupkan ke dalam minyak (ρminyak = 0,8 g/cm3)maka berat benda seolah-olah 16 N. Jika g = 10 m/s2,hitunglah:a.gaya ke atas yang dialami benda, danb.volume benda.7.Air raksa memiliki massa jenis 13,6 g/cm3. Pada airraksa tersebut dimasukkan tabung kecil dengandiameter 5 mm. Ternyata air raksa di dalam tabung2 cm lebih rendah dari air raksa di luar tabung. Jikasudut kontaknya 127° (tan 127° =34), berapakahtegangan permukaan raksa tersebut?8.Jika sebuah pipa kapiler berdiameter 0,8 mm dice-lupkan ke dalam metanol, permukaan metanol naiksampai ketinggian 15,0 mm. Jika besar sudut kontaknol, hitunglah tegangan permukaan metanol (beratjenis metanol 0,79).Pada subbab ini Anda akan mempelajari hukum-hukum Fisika yangberlaku pada fluida bergerak (dinamis). Pada pembahasan mengenai fluidastatis, Anda telah memahami bahwa hukum-hukum Fisika tentang fluidadalam keadaan statis bergantung pada massa jenis dan kedalaman titikpengamatan dari permukaan fluida. Tahukah Anda besaran-besaran yangberperan pada fluida dinamis? Untuk mengetahuinya, pelajarilah bahasandalam subbab ini.1. Persamaan KontinuitasDalam mempelajari materi fluida dinamis, suatu fluida dianggap sebagaifluida ideal. Fluida ideal adalah fluida yang memiliki ciri-ciri berikut ini.B Fluida Dinamis
Praktis Belajar Fisika untuk Kelas XI158a.Fluida tidak dapat dimampatkan (incompressible), yaitu volume dan massajenis fluida tidak berubah akibat tekanan yang diberikan kepadanya.b.Fluida tidak mengalami gesekan dengan dinding tempat fluida tersebutmengalir.c.Kecepatan aliran fluida bersifat laminer, yaitu kecepatan aliran fluida disembarang titik berubah terhadap waktu sehingga tidak ada fluida yangmemotong atau mendahului titik lainnya.Jika lintasan sebuah titik dalam aliran fluida ideal dilukiskan, akandiperoleh suatu garis yang disebut garis aliran (streamline atau laminer flow).Perhatikanlah Gambar 7.25. Suatu fluida ideal mengalir di dalam pipa. Setiappartikel fluida tersebut akan mengalir mengikuti garis aliran laminernyadan tidak dapat berpindah atau berpotongan dengan garis aliran yang lain.Pada kenyataannya, Anda akan sulit menemukan fluida ideal. Sebagianbesar aliran fluida di alam bersifat turbulen (turbulent flow). Garis aliranturbulen memiliki kecepatan aliran yang berbeda-beda di setiap titik.Debit aliran adalah besaran yang menunjukkan volume fluida yangmengalir melalui suatu penampang setiap satuan waktu. Secara matematis,persamaannya dituliskan sebagai berikut.VQAvt==(7–17)dengan:V= volume fluida yang mengalir (m3),t= waktu (s),A= luas penampang (m2),v= kecepatan aliran (m/s), danQ= debit aliran fluida (m3/s).Untuk fluida sempurna (ideal), yaitu zat alir yang tidak dapat dimampatkandan tidak memiliki kekentalan (viskositas), hasil kali laju aliran fluida denganluas penampangnya selalu tetap. Secara matematis, dituliskan sebagai berikut. A1v1 = A2v2(7–18)Persamaan 7.18 di atas disebut juga persamaan kontinuitas.Sebuah pipa lurus memiliki dua macam penampang, masing-masing dengan luaspenampang 200 mm2 dan 100 mm2. Pipa tersebut diletakkan secara horisontal,sedangkan air di dalamnya mengalir dari penampang besar ke penampang kecil.Jika kecepatan arus di penampang besar adalah 2 m/s, tentukanlah:a.kecepatan arus air di penampang kecil, danb.volume air yang mengalir setiap menit.JawabDiketahui: A1 = 200 mm2, A2 = 100 mm2, dan v1 = 2 m/s.a.A1v1 = A2v2(200 mm2) (2 m/s) = (100 mm2)v2v2 = 4 m/sb.Q= Vt= Av→V = Avt= (200 × 10–6 m2) (2 m/s) (60 s) = 24 × 10–3 m3 = 2,4 × 10–4 m3.Contoh7.11A1v2v1p1p2A2Gambar 7.26Kecepatan aliran fluida di pipaberpenampang besar (v1) lebihkecil daripada kecepatan aliranfluida di pipa berpenampangkecil (v2).Adapun, tekanan dipipa berpenampang besar (p1)lebih besar daripada tekanan dipipa berpenampang kecil (p2).Gambar 7.25Setiap partikel fluida idealmengalir menurut garisalirannya masing-masing dantidak pernah memotong garisaliran partikel lain.AADGBEHCFI
Fluida1592. Persamaan BernoulliPerhatikanlah Gambar 7.27. Suatu fluida bergerak dari titik A yangketinggiannya h1 dari permukaan tanah ke titik B yang ketinggiannya h2dari permukaan tanah. Pada pelajaran sebelumnya, Anda telah mempelajariHukum Kekekalan Energi Mekanik pada suatu benda. Misalnya, pada bendayang jatuh dari ketinggian tertentu dan pada anak panah yang lepas daribusurnya. Hukum Kekekalan Energi Mekanik juga berlaku pada fluida yangbergerak, seperti pada Gambar 7.27. Menurut penelitian Bernoulli, suatufluida yang bergerak mengubah energinya menjadi tekanan.Secara lengkap, Hukum Bernoulli menyatakan bahwa jumlah tekanan,energi kinetik per satuan volume, dan energi potensial per satuan volumememiliki nilai yang sama di setiap titik sepanjang aliran fluida ideal.Persamaan matematisnya, dituliskan sebagai berikut.p + ρρ+212vgh =konstan(7–19)atau p1 + ρρ+2112vgh1 = p2 + ρρ+2212vgh2(7–20)dengan: p= tekanan (N/m2), v= kecepatan aliran fluida (m/s), g= percepatan gravitasi (m/s2), h= ketinggian pipa dari tanah (m), danρ= massa jenis fluida.3. Penerapan Persamaan BernoulliHukum Bernoulli diterapkan dalam berbagai peralatan yang digunakandalam kehidupan sehari-hari. Berikut uraian mengenai cara kerja beberapaalat yang menerapkan Hukum Bernoulli.a. Alat Ukur VenturiAlat ukur venturi (venturimeter) dipasang dalam suatu pipa aliran untukmengukur laju aliran suatu zat cair.Suatu zat cair dengan massa jenis ρ mengalir melalui sebuah pipa denganluas penampang A1 pada daerah (1). Pada daerah (2), luas penampangmengecil menjadi A2. Suatu tabung manometer (pipa U) berisi zat cair lain(raksa) dengan massa jenis ρ' dipasang pada pipa. Perhatikan Gambar 7.28.Kecepatan aliran zat cair di dalam pipa dapat diukur dengan persamaan.222122()()ghvAAAρρρ′−=−(7–21)Gambar 7.27Fluida bergerak dalam pipayang ketinggian dan luaspenampangnya yang berbeda.Fluida naik dari ketinggian h1 keh2 dan kecepatannya berubahdari v1 ke v2.12hvρρ'A1A2Gambar 7.28Penampang pipa menyempit di2 sehingga tekanan di bagianpipa sempit lebih kecil dan fluidabergerak lebih lambat.Pipa venturi meter yang memiliki luas penampang masing-masing 8 × 10–2 m2 dan5 × 10–3 m2 digunakan untuk mengukur kelajuan air. Jika beda ketinggian air raksadi dalam kedua manometer adalah 0,2 m dan g = 10 m/s2, tentukanlah kelajuan airtersebut (ρraksa = 13.600 kg/m3).JawabDiketahui: A1 = 8 × 10–2 m2, A2 = 8 × 10–3 m2, h = 0,2 m, dan g = 10 m/s2.()()33232223232322122(13.600 kg/m1.000 kg/m ) 10 m/s0,2 m2( ’)5101.000 kg/m [(8 10 m )(5 10 m ) ]()ghvAAAρρρ−−−−−==××−×− = 0,44 m/sContoh7.12p1v1h1h2v2p2AB
Praktis Belajar Fisika untuk Kelas XI160Gaya angkat pada sayap pesawat terbang dirumuskan sebagai berikut F1 – F2 = ()212112Av vρ−(7–23)dengan:F1 – F2= gaya angkat pesawat terbang (N), A= luas penampang sayap pesawat (m2), v1= kecepatan udara di bagian bawah sayap (m/s), v2= kecepatan udara di bagian atas sayap (m/s), danρ= massa jenis fluida (udara).b. Tabung Pitot (Pipa ra)Tabung pitot digunakan untuk mengukur kelajuan aliran suatu gas didalam sebuah pipa. Perhatikanlah Gambar 7.29. Misalnya udara, mengalirmelalui tabung A dengan kecepatan v. Kelajuan udara v di dalam pipa dapatditentukan dengan persamaan2’ghvρρ=(7–22)c. Gaya Angkat pada Sayap Pesawat TerbangPenampang sayap pesawat terbang memiliki bagian belakang yang lebihtajam dan sisi bagian atasnya lebih melengkung daripada sisi bagianbawahnya. Bentuk sayap tersebut menyebabkan kecepatan aliran udarabagian atas lebih besar daripada di bagian bawah sehingga tekanan udaradi bawah sayap lebih besar daripada di atas sayap. Hal ini menyebabkantimbulnya daya angkat pada sayap pesawat. Agar daya angkat yangditimbulkan pada pesawat semakin besar, sayap pesawat dimiringkan sebesarsudut tertentu terhadap arah aliran udara. Perhatikanlah Gambar 7.30.abAaliran gasvhSebuah pesawat terbang bergerak dengan kecepatan tertentu sehingga udara yangmelalui bagian atas dan bagian bawah sayap pesawat yang luas permukaannya 50m2 bergerak dengan kelajuan masing-masing 320 m/s dan 300 m/s. Berapakahbesarnya gaya angkat pada sayap pesawat terbang tersebut? (ρudara = 1,3 kg/m3)JawabDiketahui: A = 50 m2, v2 = 320 m/s, v1 = 300 m/s, dan ρudara = 1,3 kg/m3.F1 – F2=()212112Av vρ−= 12 (1,3 kg/m3)(50 m2)(320 m/s)2 – (300 m/s)2 = 403.000 NContoh7.13Gambar 7.29Prinsip kerja pipa randtl.Gambar 7.30(a) Ketika sayap pesawathorizontal, sayap tidakmengalami gaya angkat.(b) Ketika sayap pesawatdimiringkan, pesawatmendapat gaya angkatsebesar F1 - F2.ρρ'F2F1
Fluida161Habibie adalah seorang putraIndonesia yang dilahirkan diPare-Pare, Sulawesi Selatanpada tanggal 25 Juli 1936.Kecermelangannya dalam ilmupengetahuan dan teknologidibuktikan dengan ditemukannyaTeori Habibie, Faktor Habibie,dan Metode Habibie yangdiaplikasikan dalam teknologipesawat terbang. Prestasikeilmuan Habibie ini mendapatpengakuan di duniainternasional. Ia juga berhasilmenciptakan pesawat terbangpertama buatan Indonesia, yaituCN-235 dan N-250.Sumber:www. aist.ac. pBacharuddin Jusuf Habibied. Penyemprot NyamukAlat penyemprot nyamuk juga bekerja berdasarkan Hukum Bernoulli.Tinjaulah alat penyemprot nyamuk pada Gambar 7.31. Jika pengisap daripompa ditekan maka udara yang melewati pipa sempit pada bagian A akanmemiliki kelajuan besar dan tekanan kecil. Hal tersebut menyebabkan cairanobat nyamuk yang ada pada bagian B akan naik dan ikut terdorong keluarbersama udara yang tertekan oleh pengisap pompa.e. Kebocoran Pada Dinding TangkiJika air di dalam tangki mengalami kebocoran akibat adanya lubang didinding tangki, seperti terlihat pada Gambar 7.32, kelajuan air yang memancarkeluar dari lubang tersebut dapat dihitung berdasarkan Hukum Toricelli.Menurut Hukum Toricelli, jika diameter lubang kebocoran pada dindingtangki sangat kecil dibandingkan diameter tangki, kelajuan air yang keluardari lubang sama dengan kelajuan yang diperoleh jika air tersebut jatuh bebasdari ketinggian h. Perhatikanlah kembali Gambar 7.32 dengan saksama. Jarakpermukaan air yang berada di dalam tangki ke lubang kebocoran dinyatakansebagai h1, sedangkan jarak lubang kebocoran ke dasar tangki dinyatakan h2.Kecepatan aliran air pada saat kali pertama keluar dari lubang adalah12vgh=(7–24)Jarak horizontal tibanya air di tanah adalah=122xhh(7–25)Gambar 7.31pB < pA sehingga cairan obatnyamuk di B bisa memancarkeluar.Gambar 7.32Tangki dengan sebuah lubangkecil di dindingnya. Kecepatanaliran air yang keluar dari tangkisama dengan kecepatan bendayang jatuh bebas.Gambar di samping menunjukkan sebuah reservoir yangpenuh dengan air. Pada dinding bagian bawah reservoir itubocor hingga air memancar sampai di tanah. Jika g = 10 m/s2,tentukanlah:a. kecepatan air keluar dari bagian yang bocor;b. waktu yang diperlukan air sampai ke tanah;c.jarak pancaran maksimum di tanah diukur dari titik P.JawabDiketahui: h1 = 1,8 m, h2 = 5 m, dan g = 10 m/s2.a.()()()212210 m/s1,8 m6vgh===m/sb.()( )2212225 m2110hhgttg=→= ==sekonc.x = vt = (6 m/s) (1 s) = 6 m atau ()()===1222(1,8 m)(5 m)6xhhm1,8 m5 mpBAh1h2x4. ViskositasViskositas (kekentalan) fluida menyatakan besarnya gesekan yangdialami oleh suatu fluida saat mengalir. Pada pembahasan sebelumnya, Andatelah mengetahui bahwa fluida ideal tidak memiliki viskositas. Dalamkenyataannya, fluida yang ada dalam kehidupan sehari-hari adalah fluidasejati. Oleh karena itu, bahasan mengenai viskositas hanya akan Andatemukan pada fluida sejati, yaitu fluida yang memiliki sifat-sifat sebagaiberikut.a.Dapat dimampatkan (kompresibel);b.Mengalami gesekan saat mengalir (memiliki viskositas);c.Alirannya turbulen.Contoh7.14J e l a j a hF i s i k a
Praktis Belajar Fisika untuk Kelas XI162Zat cair dan gas memiliki viskositas, hanya saja zat cair lebih kental(viscous) daripada gas. Dalam penggunaan sehari-hari, viskositas dikenalsebagai ukuran ketahanan oli untuk mengalir dalam mesin kendaraan.Viskositas oli didefinisikan dengan nomor SAE’S (Society of AutomotiveEngineer’s). Contoh pada sebuah pelumas tertulisAPI SERVICE SJSAE 20W – 50Klasifikasi service minyak pelumas ini dikembangkan oleh API (AmericanPetroleum Institute) yang menunjukkan karakteristik service minyak pelumasdari skala terendah (SA) sampai skala tertinggi (SJ) untuk mesin-mesinberbahan bakar bensin.Koefisien viskositas fluida η, didefinisikan sebagai perbandingan antarategangan luncur FA⎛⎞⎜⎟⎝⎠ dengan kecepatan perubahan regangan luncur v⎛⎞⎜⎟⎝⎠A.Secara matematis, persamaannya ditulis sebagai berikut.tegangan luncurcepat perubahan tegangan luncurFAvη==AatauvFAη=A(7–26)Nilai viskositas setiap fluida berbeda menurut jenis material tempat fluidatersebut mengalir. Nilai viskositas beberapa fluida tertentu dapat Andapelajari pada Tabel 7.2.FluidaUap Air 100°CAir 99°CLight Machine Oil 20°CMotor Oil SAE 10Motor Oil SAE 20Motor Oil SAE 30Sirop Cokelat pada 20°CKecap pada 20°CTabel 7.2Harga Tegangan Permukaan Berdasarkan EksperimenViskositas0,125 cP0,2848 cP102 cP50–100 cP, 65 cP125 cP150–200 cP25.000 cP50.000 cPPoiseuille dan Poise adalahsatuan viskositas dinamis,juga disebut viskositasabsolut.1 Poiseulle (PI) = 10 Poise (P)= 1.000 cPAFablapisancairanvvdd'cc'FGambar 7.33Aliran laminer cairan kentalBernoulli adalah seorang ahliFisika dan Matematika yangberasal dari Swiss.Penemuannya yang sangatterkenal adalah mengenaihidrodinamika, yaitu HukumBernoulli. Ia juga menemukanbahwa perilaku gasberhubungan dengan perubahantekanan dan suhu gas tersebut.Penemuan tersebut mendasariteori kinetik gas.Sumber: people.ece.cornell.eduDaniel Bernoulli(1700–1782)Sumber: people.ece.cornell.eduJ e l a j a hF i s i k aKeterangan
Fluida163Benda yang bergerak dalam fluida kental mengalami gaya gesek yangbesarnya dinyatakan dengan persamaan===AAfvAFAvkvηηηUntuk benda berbentuk bola, k = 6r (perhitungan laboratorium) sehingga,diperoleh=f6Frvπη(7–27)Persamaan (7–27) dikenal sebagai Hukum Stokes.Jika sebuah benda berbentuk bola (kelereng) jatuh bebas dalam suatufluida kental, kecepatannya akan bertambah karena pengaruh gravitasi Bumihingga mencapai suatu kecepatan terbesar yang tetap. Kecepatan terbesaryang tetap tersebut dinamakan kecepatan terminal.Pada saat kecepatan terminal tercapai, berlaku keadaan∑F= 0 Ff+ FA= mg Ff= mg – FA 6πrηvT= ρbvbg – ρfvbg= (ρb – ρf) Vbg()−=bb fT6gvvrρρπηPada benda berbentuk bola, volumenya vb = 343rπ sehingga diperolehpersamaan()⎛⎞−⎜⎟⎝⎠=3bfT436grvrπρρπη()=−2Tbf29rgvρρη(7–28)dengan:vt= kecepatan terminal (m/s),Ff= gaya gesek (N),FA= gaya ke atas (N),ρb= massa jenis bola (kg/m2), danρf= massa jenis fluida (kg/m3).mgFaFfKerjakanlah di dalam buku latihan Anda.1.Sejumlah fluida ideal dengan kecepatan 3 m/s didalam pipa bergaris tengah 4 cm masuk ke dalampipa bergaris tengah 8 cm. Tentukanlah kecepatanfluida dalam pipa bergaris tengah 8 cm.2.Sebuah pipa lurus memiliki dua macam penampang,masing-masing 0,1 m2 dan 0,05 m2. Pipa tersebutdiletakkan miring sehingga penampang kecil berada2 m lebih tinggi daripada penampang besar. Tekananair pada penampang kecil 2 × 105 N/m2 dan kelajuanair pada panampang besar 5 m/s, tentukanlah:Soal PenguasaanMateri 7.2a.laju air pada penampang kecil dan tekanan airpada penampang besar, danb.volume air yang melalui pipa setiap menit.3.Sebuah pancuran yang diameter lubangnya 1 cmterletak pada permukaan tanah. Pancuran tersebutdibuat untuk menyemburkan kolom air vertikal keatas setinggi 16 m. Untuk keperluan itu pipa pancurdengan diameter 4 cm dihubungkan ke sebuahpompa air yang terletak 10 m di bawah tanah. Jikabesar tekanan udara luar 1 atm, berapakah tekananpompa tersebut?• Fluida ideal• Fluida sejati• Hukum Stokes• Persamaan kontinuitas• Persamaan Bernoulli• ViskositasKata KunciGambar 7.34Sebuah bola jatuh bebas kedalam fluida yang memilikiviskositas tertentu.
Praktis Belajar Fisika untuk Kelas XI1641.Tekanan adalah gaya yang bekerja pada suatupermukaan dibagi luas permukaan tersebut.=FpA (N/m2 = Pascal)2.Tekanan hidrostatis adalah tekanan yang disebab-kan oleh fluida tak bergerak.ph = ρgh (N/m2)Apabila tekanan udara luar (ρ0) diperhitungkan,tekanan hidrostatis ditulispA = p0 + ρgh3.Hukum Pascal menyatakan tentang sifat fluida yangmeneruskan tekanan ke segala arah sama besar.=1212FFAA4.Hukum Archimedes menyatakan bahwa gaya keatas yang dialami oleh sebuah benda dalam suatufluida sama dengan berat fluida yang dipindahkanoleh benda tersebut.FA = ρfvf gUntuk menentukan massa jenis zat cair, dibuatrangkaian alat seperti gambar di atas. Pengisap P dapatbergerak bebas dengan luas penampang 1 cm2. Jikakonstanta pegas = 100 N/m dan pegas tertekan sejauh0,4 cm, massa jenis zat cair adalah ....a.400 kg/m3d.800 kg/m3b.500 kg/m3e.1.000 kg/m3c.750 kg/m3PenyelesaianPegas tertekan oleh gaya yang besarnyazat cairPx= 0,4 cm1 cmF = kΔxF = (100 N/m)(0,4 × 10–2 m)F = 0,4 NTekanan zat cair (p):p = ρghp =EAmerupakan besar tekanan zat cair yang menekanpegas, dengan F = gaya yang menekan pegas.ρgh = FAFAghρ=()()()4220, 4 N110 m 10 m/s 1 mρ−=×ρ = 400 kg/m3Jawab: aSoal UMPTN IPA 2001SPMBPembahasan SoalRangkuman4.a.Berapakah kelajuan aliran di bagian pipa yangsempit?b.Berapakah tekanan di bagian pipa yang sempit?c.Bagaimanakah perbandingan kelajuan aliranair di kedua bagian pipa tersebut?6.Tentukanlah koefisien viskositas udara apabilakecepatan terminal satu tetes air hujan berdiameter0,5 mm yang jatuh adalah 7,5 m/s. (Diketahui massajenis udara = 1,3 kg/m3 dan percepatan gravitasiBumi = 10 m/s2)7.Sebuah kelereng berdiameter 1 cm dijatuhkan secarabebas dalam oli yang massa jenisnya = 0,8 g/cm3. Jikakoefisien kekentalan oli 0,03 Pas, massa jenis kelereng2,6 g/cm3 dan g = 10 m/s2, berapakah kecepatan terbesaryang dicapai kelereng?Sebuah pipa memancarkan air dengan kecepatan80 cm/s dengan debit 30 cm3/s sehingga menerpadinding. Setelah mengenai dinding, air bergeraksejajar dengan dinding, seperti tampak padagambar. Jika massa 1cm3 air adalah 1 gram, tentu-kanlah besar gaya yang dialami dinding.5.Air mengalir dengan kecepatan 3 m/s dalam sebuahpipa horizontal pada tekanan 200 kPa. Pipa mengecilmenjadi setengah diameternya semula.v = 80 m/sdinding
Fluida165FluidaPersamaanKontinuitasHukumBernoullimembahasFluida DinamisP e t aKonsepFluida Idealanggapanberlaku5.Tegangan permukaan (γ) terjadi karena adanyagaya kohesi dan adhesi pada fluida. Secara mate-matis, dinyatakan dengan persamaanγ=A2F6.Kapilaritas adalah peristiwa naik atau turunnyapermukaan zat cair pada pipa kapiler. Gaya kohesidan adhesi menyebabkan timbulnya meniskuscekung atau meniskus cembung pada permukaanfluida. Persamaan kapilaritas tersebut adalahγθρ=2coshgr7.Fluida ideal adalah fluida yang tidak dapat dimam-patkan, tidak mengalami gaya gesek ketika mengalir,dan alirannya stasioner.8.Fluida sejati adalah fluida yang memiliki sifat dapatdimampatkan, memiliki viskositas, dan alirannyatidak stasioner (turbulen).9 . Persamaan kontinuitas menyatakan bahwa debit air(Q) selalu tetap.Q1 = Q2A1v1 = A2v210.Hukum Bernoulli menyatakan bahwa tekanan,energi kinetik dan energi potensial per satuan volumefluida yang mengalir, nilainya sama di setiap titikaliran fluida.++=212pvghρρ konstan11.Viskositas (kekentalan) suatu fluida dirumuskandalam Hukum Stokes sebagai berikut.πη=6Fr.Setelah mempelajari bab Fluida, Anda dapat menganalisishukum-hukum yang berhubungan dengan fluida statis, fluidadinamis, serta penerapannya dalam kehidupan sehari-hari.Jika Anda belum mampu menganalisis, Anda belum menguasaimateri bab Fluida dengan baik. Rumuskan materi yang belumKaji DiriAnda pahami, lalu cobalah Anda tuliskan kata-kata kuncitanpa melihat kata kunci yang telah ada dan tuliskan pularangkuman serta peta konsep berdasarkan versi Anda. Jikaperlu, diskusikan dengan teman-teman atau guru Fisika Anda.Hukum PascalHukumArchimedesTeganganPermukaanKapilaritasTekananHidrostatisdiantaranyamengenaiFluida Statis
Praktis Belajar Fisika untuk Kelas XI166A. Pilihlah salah satu jawaban yang paling tepat dan kerjakanlah pada buku latihan Anda.1.Tekanan udara luar sekitar 1 × 105 Pa. Besarnya gayayang dilakukan udara dalam kamar pada kaca jen-dela berukuran 40 cm × 80 cm adalah ....a.1,2 × 104 Nd.3,2 × 104 Nb.1,6 × 104 Ne.6,4 × 104 Nc.2,4 × 104 N2.Pada sebuah tabung dimasukkan air setinggi 8 cm,kemudian minyak setinggi 2 cm (ρm = 0,8 g/cm3).Besar tekanan hidrostatis di dasar tabung tersebutadalah .... (g = 9,8 m/s2)a.695 Pad.941 Pab.768 Pae.1000 Pac.856 Pa3.Gambar berikut menunjukkansebatang pipa kaca yang berisiudara. Ujung atas pipa tertutup,sedangkan ujung bawah pipatertutup oleh raksa yang tinggi-nya 10 cm. Jika tekanan udaradi luar 76 cmHg, tekanan udaradi dalam pipa kaca adalahsebesar ....a.0 cmHgd.76 cmHgb.10 cmHge.86 cmHgc.66 cmHg4.udara10 cma.39,2 Nd.2 Nb.16,0 Ne.0,16 Nc.9,87 N7. Massa sebuah benda adalah 300 gram. Jika bendaditimbang dalam air, massa benda itu seolah-olahmenjadi 225 gram. Jika benda ditimbang dalam suatucairan lain, massanya seolah-olah menjadi 112,5 g.Jika kerapatan massa air 1 g/cm3, kerapatan massacairan tersebut adalah ....a.0,83 g/cm3d.2,50 g/cm3b.1,20 g/cm3e.2,67 g/cm3c.1,25 g/cm38. Sebuah balon udara berisi gas hidrogen sebanyak600 m3 yang massa jenisnya = 0,09 kg/m3 dan massabalon = 250 kg. Jika massa jenis udara di sekitarbalon = 1,2 kg/m3, balon udara tersebut mampumengangkut beban bermassa ....a.240 kga.416 kgb.250 kge.720 kgc.304 kg9. Sebuah tabung berdiameter 0,4 cm dimasukkansecara vertikal ke dalam air. Sudut kontak antaradinding tabung dan permukaan air 60°. Jika teganganpermukaan air = 0,5 N/m dan g = 10 m/s2, air padatabung akan naik setinggi ....a.0,015 md.0,045 mb.0,025 me.0,055 mc.0,035 m10. Sebuah pipa air luas penampangnya = 0,5 cm2. Jikakecepatan aliran air = 1 m/s, volume air yang keluarselama 5 menit adalah ....a.0,015 m3d.15 m3b.0,15 m3e.150 m3c.1,5 m311.6,8 cmoliraksahPerhatikan gambar bejana di atas. Jika diketahuimassa jenis oli 0,8 g/cm3 dan massa jenis raksasebesar 13,6 g/cm3, perbedaan tinggi permukaanraksa dengan oli adalah ....a.62 mmd.68 mmb.64 mme.70 mmc.66 mm5.Alat pengangkat mobil memiliki luas pengisapmasing-masing 0,10 m2 dan 2 × 10–4 m2. Alat tersebutdigunakan untuk mengangkat mobil yang memilikiberat 15 × 103 N. Gaya yang harus diberikan padapengisap yang kecil adalah ....a.10 Nd.45 Nb.20 Ne.60 Nc.30 N6.Sebuah benda jika ditimbang di udara memiliki berat4,9 N. Akan tetapi jika ditimbang dalam minyaktanah (ρm = 0,8 g/cm3) beratnya menjadi 4,74 N. Gayake atas yang dialami benda tersebut adalah ....Air mengalir ke dalam bak dengan debit 10–4 m3/s.Akan tetapi, bak tersebut bocor di bagian bawahmelalui lubang yang luasnya 1 cm2. Ketinggian mak-simum air dalam bak adalah ....a.5 cmd.2 cmb.4 cme.12cmc.3 cm12. Pada bagian bawah sebuah tangki air terdapatlubang sehingga air memancar keluar membentuksudut 60° seperti terlihat pada gambar.Evaluasi Materi Bab 7
Fluida167airraksaminyakairminyakraksah0h2h1B. Jawablah pertanyaan-pertanyaan berikut dengan benar pada buku latihan Anda.1.3.Sebuah gabus dicelupkan kedalam air seperti terlihat padagambar berikut. Volume gabus250 cm3 dan massa jenis gabusadalah 0,2 g/cm3. Oleh karenapengaruh tarikan gabus, pegasmeregang sebesar 0,2 cm. Tentukanlah konstantapegas tersebut.4.Sebuah pipa silinder yang lurus memiliki dua jenispenampang berdiameter masing-masing 20 mm dan10 mm. Pipa tersebut diletakkan secara horizontaldan air di dalamnya mengalir dari arah penampangyang besar ke penampang yang lebih kecil. Jikakecepatan arus di penampang besar adalah 2 m/s,tentukanlah kecepatan arus air di penampang kecil.5.Pesawat terbang modern dirancang untuk gayaangkat sebesar 1.300 N/m2 per luas penampangsayap. Anggap udara mengalir melalui sayap sebuahpesawat terbang dengan garis arus aliran udara. Jikakecepatan aliran udara yang melalui bagian yanglebih rendah adalah 100 m/s dan massa jenis udara1,3 kg/m3, berapakah kecepatan udara pada sisi atassayap untuk menghasilkan gaya angkat 1.300 N/m2pada setiap sayap?Perhatikan gambar bejana di atas. Diketahui massa jenisminyak = 0,8 g/cm3, massa jenis raksa = 13,6 g/cm3,dan massa jenis air = 1 g/cm3. Jika perbedaan tinggipermukaan minyak dan air adalah 5 cm, berapakahtinggi air dan tinggi minyak?2.Perhatikan gambar di atas. Massa jenis minyak =0,8 g/cm3, massa jenis raksa = 13,6 g/cm3, dan massajenis air = 1 g/cm3. Jika tinggi h1 = 1 cm dan h2 = 0cm, berapakah besar h0 =?10 cmIIIv1v2airhx60°14.Jika jarak pancar air x = 80 3cm, untuk g = 10 m/s2,tinggi air (h) dalam tangki adalah ....a.20 cmd.80 cmb.40 cme.100 cmc.60 cm13. Gaya angkat pada pesawat terbang timbul karena:1.Tekanan udara di depan sayap lebih besar dari-pada di belakang sayap.2.Kecepatan udara di atas sayap lebih besar dari-pada di bawah sayap.3.Kecepatan udara di belakang sayap lebih besardaripada di depan sayap.4.Tekanan udara di atas sayap lebih kecil dari-pada di bawah sayap.Pernyataan yang benar adalah ....a.1 dan 2d.2, 3, dan 4b.1 dan 3e.2 dan 4c.1, 3, dan 4Air mengalir dalam venturimeter seperti tampak padagambar di atas. Jika kecepatan aliran air pada penam-pang I sebesar 2 m/s, dan g = 10 m/s2, besar kecepatanaliran air pada penampang II adalah ....a.2 m/sd.3 m/sb.5m/se.5 m/sc.6m/s15. Air terjun setinggi 10 m digunakan untuk PembangkitListrik Tenaga Air (PLTA) berdaya listrik 1.000 W.Jika efisiensi generator 80% dan g = 10 m/s2, debit airyang sampai ke kincir adalah ....a.12,5 A/sd.125 A/sb.251 A/se.250 A/sc.27,5 A/s
Praktis Belajar Fisika untuk Kelas XI168Kegiatan Semester 2Konsep Fisika yang Anda pelajari dapat Anda aplikasikan dalamkehidupan sehari-hari. Jika Anda jeli dalam mengamati lingkungan Andasecara saksama, Anda akan menemukan suatu alat yang cara kerjanyamenggunakan konsep Fisika. Tentu saja, dalam melakukan hal tersebutdiperlukan kerja keras, ketelitian, dan sikap tidak mudah menyerah.Dalam kegiatan Semester 2 ini, Anda dan teman-teman kelompok Andaakan melakukan kegiatan yang dapat menggabungkan antara kesenanganmembuat perahu motor mainan dan aplikasi konsep Fisika tentangkesetimbangan gaya (Bab 6), gaya Archimedes (Bab 7), dan rangkaian listriksederhana (Kelas X). Bahan utama untuk membuat perahu motor mainan iniadalah bahan-bahan bekas sederhana yang mudah ditemukan di lingkungansekitar Anda.TujuanMemahami dan mengaplikasikan konsep Fisika mengenai kesetimbangangaya, gaya Archimedes, dan rangkaian listrik sederhana untuk membuatperahu motor sederhana.Alat dan Bahan1.Sebuah sakelar sederhana2.Sebuah motor listrik3.Tempat baterai4.Kipas pendorong5.Baut, paku, selotip, dan kabel6.Styrofoam dan papan7.Pisau atau cutter8.Lem putih atau lem kayu9.Cat minyakProsedur1.Potonglah bahan styrofoam menurut bentuk bagian-bagian perahu mo-tor. Anda juga dapat membuat bentuk-bentuk perahu kreasi Andasendiri. Kemudian, tempelkanlah setiap bagian perahu motor Andasehingga terlihat seperti tampak pada gambar berikut.Sumber: www. iniScience.com
Fluida1692.Rangkailah motor listrik, baterai, dan sakelar menurut skema rangkaianlistrik berikut.dinamosakelarbaterai+–sakelarbateraidinamoKemudian, pasangkan rangkaian listrik tersebut pada papan kayumenggunakan baut. Pakukanlah papan tersebut ke kaki perahu yangterbuat dari bahan styrofoam. Agar rangkaian listrik perahu Anda amandari air, tutuplah rangkaian listrik tersebut dengan kabin yang terbuatdari bahan styrofoam tipis atau karton.Sumber: www. iniScience.comkabin
Praktis Belajar Fisika untuk Kelas XI1703.Anda dapat mengatur letak motor listrik dan kipas pendorongnya ditempat yang Anda sukai, namun perhatikanlahlah bahwa penempatanbaterai dan motor listrik tersebut harus tetap menjaga kesetimbanganperahu motor.4.Sebagai sentuhan akhir, Anda dapat mengecat perahu motor hasil karyaAnda dengan cat minyak.Menyusun LaporanSetelah Anda menyelesaikan kegiatan ini, buatlah laporan yangmenceritakan hasil kegiatan Anda. Laporan tersebut terdiri atas pendahuluan,teori dasar, cara pembuatan, analisis pembahasan berkaitan dengan konsepkesetimbangan gaya, gaya Archimedes, dan rangkaian listrik pada perahuyang Anda buat, kesimpulan dan saran, serta daftar pustaka.Anda diharapkan dapat membuat laporan sebaik mungkin, agar oranglain yang membaca laporan Anda dapat mengerti dan memahami isi laporanAnda. Jika Anda mengalami kesulitan untuk menyusun laporan tersebut,Anda dapat mendiskusikannya dengan guru Fisika Anda.Mempresentasikan Hasil KegiatanSetelah Anda berhasil membuat perahu motor tersebut dan menyusunlaporannya, presentasikanlah hasil karya Anda tersebut di depan kelas.Dalam mempresentasikan perahu motor hasil karya Anda tersebut, Andadiharapkan mampu menjawab pertanyaan dari teman-teman sekelas Andadan mendiskusikannya dengan guru Fisika Anda.