modul fluida statis
DESCRIPTION
FILE SMT 6TRANSCRIPT
| MODUL FISIKA SMA XI 1
| MODUL FISIKA SMA XI 2
FLUIDATekanan HidrostatikakkkCair
Tegangan Permukaan
Hukum Pokok Hidrostatika
Fluida Dinamik
Fluida Statis
Gass
Fluida Archimedes
Gaya Angkat ke Atas
Hukum Pascal
Tekanan yang Diteruskan ke Segala Arah
memenuhi
Diklasifikasikan dalam keadaan keadaan
Dapat berwujud
memiliki
Diatur oleh Diatur oleh
Menyatakan adanya Menyatakan adanya
memiliki
PETA KONSEP
| MODUL FISIKA SMA XI 3
Perhatikanlah serangga yang sedang diam di atas permukaan air.
Mengapa serangga tersebut dapat berdiri di atas permukaan air?
Bagaimanakah hukum Fisika menerangkan peristiwa ini? Peristiwa
serangga yang sedang berdiam diri di atas permukaan air seperti pada
gambar, berhubungan dengan salah satu sifat air sebagai fluida, yaitu
tegangan permukaan. Oleh karena adanya tegangan permukaan zat
cair, serangga dan benda-benda kecil lainnya dapat terapung di atas
permukaan air
1. Fluida
Materi dibedakan menjadi tiga wujud, yaitu padat, cair dan gas. Benda
padat, cair dan gas. Benda padat mempunyai tidak dapat
berubah bentuk dan ukurannya juga tetap sehingga tidak
| MODUL FISIKA SMA XI 4
Gambar: Air dalam gelas adalah fluida statik
langsung terjadi perubahan volume ataupun bentuk jika terdapat gaya yang
bekerja pada benda itu. Keadaan yang berbeda terjadi pada zat cair dan gas. Zat
cair tidak mempunyai bentuk yang berbeda dan volume nya tetap sedangkan gas
tidak memiliki bentuk dan volume yang tetap. Oleh karena itu, zat cair dan gas
memiki kemampuan mengalir.Zat yang memiiliki kemampuan mengalir
digolongkan ke dalam fluida.
Fluida merupakan istilah untuk zat alir. Zat alir dibatasi pada zat
mengalirkan seluruh bagian-bagiannya ke tempat lain dalam waktu yang
bersamaan. Zat alir mencakup zat yang dalam wujud cair dan gas. Fluida statik
meninjau fluida yang tidak bergerak. Misalnya air di gelas, air di kolam renang,
air dalam kolam, air danau, dan sebagainya.
Penggolongan fluida menurut sifat-sifatnya dibedakan menjadi dua, yaitu
fluida ideal dan sejati. Fluida ideel hanya sebgai
permodelan dan tidak ada dalam kehidupan. Adapun ciri-
ciri fluida ideal antara lain: tidak dapat di kompresible atau ditekan dan
berpindah tanpa adanya gesekan. Fluida sejati merupakan jenis fluida yang
terdapat dalam kehidupan dengan ciri-ciri antara lain fluida dapat dikompresible
dan mengalami gesekan saat berpindah atau mengalir.
Sifat fisis fluida dapat ditentukan dan dipahami lebih jelas saat fluida
berada dalam keadaan diam (statis). Sifat-sifat fisis fluida statis yang akan
dibahas pada subbab ini di antaranya tekanan dan tekanan hidrostatik, tekanan
total, Hk. Pascal, Hk. Archimedes, tegangan permukaan, gejala kapilaritas, gejala
meniscus dan viskositas serta gaya stokesnya.
2. Massa Jenis
Pernahkah Anda membandingkan berat antara kayu dan besi? Benarkah
pernyataan bahwa besi lebih berat daripada kayu? Pernyataan tersebut tentunya
kurang tepat, karena segelondong kayu yang besar jauh lebih berat daripada
sebuah bola besi. Pernyataan yang tepat untuk perbandingan antara kayu dan besi
tersebut, yaitu besi lebih padat daripada kayu. Anda tentu masih ingat, bahwa
setiap benda memiliki kerapatan massa yang berbeda-beda serta merupakan sifat
alami dari benda tersebut. Dalam Fisika, ukuran kepadatan (densitas) benda
| MODUL FISIKA SMA XI 5Dimana :
= tekanan (N/m2)
F = gaya (N)
A = Luas (m2)
homogen disebut massa jenis, yaitu massa per satuan volume. Secara matematis,
massa jenis dituliskan sebagai berikut.
Fluida memiliki beragam massa jenis tergantung pada jenis masing-
masing fluidanya, seperti yang tertera pada tabel 1:
Tabel 1. Bahan Zat dan Massa jenisnya
| MODUL FISIKA SMA XI 6
ρ=mV
Dimana :
= tekanan (N/m2)
F = gaya (N)
A = Luas (m2)
Dimana :
= tekanan (N/m2)
F = gaya (N)
A = Luas (m2)
| MODUL FISIKA SMA XI 7
P= FA
1 P
a: 1
N/m
21
atm
:76
cm H
g1
mb
:0,0
01 b
ar1
bar
:105
Pa
1atm
:1,0
1x10
5 P
a
NOTE
3. Tekanan3.1. Tekanan Pada Zat Padat
Tekanan adalah gaya yang bekerja tegak lurus pada suatu
permukaan bidang dan dibagi luas permukaan bidang tersebut. Secara
matematis, persamaan tekanan dituliskan sebagai berikut.
Besarnya tekanan berbanding terbalik dengan luas permukaan
bidang tempat gaya bekerja. Jadi, untuk besar gaya yang sama, luas bidang
yang kecil akan mendapatkan tekanan yang lebih besar daripada luas
bidang yang besar.
Satuan dan dimensi tekanan
Satuan SI untuk gaya adalah N dan luas adalah m2sehingga sesuai
dengan persamaan (2), maka:
Satuan tekanan = satuan gaya
satuan tekanan =
N
m2 = N. m−2
Dan untuk menghormati Blaise
Pascal, seorang ilmuwan berkebangsaan
Prancis yang menemukan prinsip Pascal,
maka satuan tekanan dalam SI dinamakan
juga dalam Pascal (disingkat Pa), 1 Pa = 1
Nm-2. Untuk keperluan lain dalam
pengukuran, besaran tekanan juga biasa
dinyatakan dengan: atmosfere (atm), cm-raksa (cmHg), dan milibar
(mb).
| MODUL FISIKA SMA XI 8
Dimana :
P = tekanan (N/m2)
F = gaya (N)
A = Luas (m2)
Sebuah kursi yang massanya 6 kg memiliki empat kaki yang luas penampangnya
masing- masing adalah 1 x10−3 m2. Tentukan tekanan kursi trrhadap lantai jika
percepatan gravitasi g=10 m /s2
Penyelesaian :
Lantai mengalami tekanan akibat berat kursi yang tertumpu pada keempat
kakinya.
Berat kursi
w = m. g= (6kg) (10 m/s2) = 60 N
Luas alas keempat kaki kursi,
A = 4 (1 x10−3 m2 ) = 4 x 10−3 m2
Tekanan Kursi terhadap lantai
p = FA =
wA =
60 N
4 x 10−3 m2 = 15 x 103 Pa
CONTOH SOAL
| MODUL FISIKA SMA XI 9
Gambar 1. Bejana terisi fluida setinggi h, akan mengalami tekanan hidrostatik sebesar ph
3.2. Tekanan HidrostatisTekanan hidrostatis disebabkan
oleh fluida tak bergerak. Tekanan
hidrostatis yang dialami oleh suatu
titik di dalam fluida diakibatkan oleh
gaya berat fluida yang berada di atas
titik tersebut. Perhatikanlah Gambar 1. Jika besarnya tekanan hidrostatis
pada dasar tabung adalah p, menurut konsep tekanan, besarnya p dapat
dihitung dari perbandingan antara gaya berat fluida (F) dan luas permukaan
bejana (A) sehingga dirumuskan :
p = FA =
Gaya Berat fluidaLuas permukaan bejana
Gaya berat fluida merupakan perkalian antara massa fluida dengan
percepatan gravitasi bumi, ditulis p=mfluida g
A . Oleh karenam=ρ V ,
| MODUL FISIKA SMA XI 10
1. Sebuah balok memiliki panjang, lebar, dan tinggi berturut- turut 80 cm,
50 cm dan 20 cm. Hitunglah tekanan maksimum dan minimum yang
dapat dilakukan balok pada suatu permukaan datar, jika massa jenis
balok 5 g/cm3 dan percepatan gravitasi (g= 10 m/s2) adalah…?
2. Berapakah gaya yang diberikan pada bola dengan jari bola 14 m
dengan tekanan 3 x 105 Pa..?
Latihan 1
Gambar 2. Tekanan hidrostatik pada titik A-B-C-D-E besarnya sama
CONTOH SOAL
persamaan tekanan oleh fluida dituliskan sebagai p= ρ VgA
. Volume fluida
di dalam bejana merupakan hasil perkalian antara luas permukaan bejana
(A) dan tinggi fluida dalam bejana (h). Oleh karena itu, persamaan tekanan
di dasar bejana akibat fluida setinggi h dapat dituliskan menjadi:
p = ρ ( A h ) g
A = ρ h g
Jika tekanan hidrostatis dilambangkan dengan ph, persamaannya
dituliskan sebagai berikut:
Tekanan hidrostatis pada suatu
perairan sedalam 8 km lebih besar
dibandingkan dengan perairan yang
kedalamanya 5 km, mengapa demikian?
Perhatikan gambar 2. Manakah yang memiliki
tekanan hidrostatis paling besar ? Besarnya
tekanan hidrostatis pada gambar 2 adalah
sama besar. Hal ini karena besarnya tekanan
hidrostatis hanya bergantung pada kedalaman
suatu permukaan bukan bentuk
permukaannya.
| MODUL FISIKA SMA XI 11
Tabung setinggi 30 cm diisi penuh dengan fluida. Tentukanlah tekanan
hidrostatis pada dasar tabung, jika g = 10 m/s² dan tabung berisi:
a. air,
b. raksa, dan
Penyelesaian;
Diketahui: h = 30 cm dan g = 10 m/s²
a. Tekanan hidrostatis pada dasar tabung yang berisi air:
Ph = gh = (1.0001.000 kg /m3) (10 m/s²
) (0,3 m) = 3.000 N/m²
b. Tekanan hidrostatis pada dasar tabung yang berisi air raksa:
Ph = ρgh = (13.6001.000 kg /m3) (10 m/s²
) (0,3 m) = 40.800 N/m²
ph = ρ gh
Dimana ph : tekanan hidrostatis (N/m2),
: massa jenis fluida (kg/m3),g : percepatan gravitasi (m/s2), danh : kedalaman titik dari permukaan
CONTOH SOAL
Gambar. Tekanan hidrostatik pada titik a sebesar pa
3.3. Tekanan Mutlak
| MODUL FISIKA SMA XI 12
Seekor ikan berada pada kedalaman 4 m dari permukaan air sebuah danau. Jika
massa jenis air 1.000 kg /m3, tentukan tekanan hidrostatik yang dialami ikan,Penyelesaian:
Kedalaman h = 4 m ❑air = 1.000 kg /m3
Po = 1 atm = 1 x 105 N/m²
Tekanan hidrostatik yang dialami ikan
Ph = g h = (1.000 kg /m3 ¿ x (10 m/s²) x 4 m = 4 x 104N/m²
Latihan 2
1. Tabung setinggi 25 cm diisi penuh dengan fluida. Tentukanlah tekanan
hidrostatik pada dasar tabung, jika g= 10 m/s² dan tabung berisi:
a. Air, = 1.000 kg /m3
b. Raksa, = 13.600 kg /m3
c. Etanol, = 810 kg /m3
2. Di dalam sebuah tabung yang tingginya 1 meter, terdapat air dan raksa.
Tentukan perbandingan tinggi air dan raksa dalam tabung agar tekanan
hidrostatik di dasar tabung 44,8 x 103 Pa. (Diketahui: ❑air = 1 g /c m3, ❑raksa =
13,6 1 g /c m3dan g =10 m/s2)
CONTOH SOAL
Bagaimana besar tekanan jika pada permukaan terkena udara luar ?
Perhatikan gambar 3. Pada permukaan fluida yang terkena udara luar,
bekerja tekanan udara luar yang dinyatakan dengan p.
Jika tekanan udara luar ikut diperhitungkan, besarnya tekanan total atau
tekanan mutlak pada satu titik di dalam fluida sebesar .
| MODUL FISIKA SMA XI 13
Dimana :
p0 = tekanan udara luar = 1,013 × 105 N/m2,
pA = tekanan total di titik A (tekanan
mutlak).
Suatu tempat didasar danau memiliki kedalaman 20 m. Jika massa jenis air
danau 1 g/ cm3, percepatan gravitasi g = 10 m/s2
, dan tekanan diatas permukaan
air sebesar 1 atm, tentukan:
a. Tekanan hidrostatika di tempat tersebut,
b.Tekanan total di tempat tersebut.
Penyelesaian:
Tekanan hidrostatik
Ph = ρa g h = 1000 kg¿m3 x 10 m/s2
x 20 m = 2 x 105 Pa
Tekanan total adalah jumlah tekanan hidrostatika dan tekanan
atsmosfer
P = Po + Ph = 1,03 x 105 Pa + 2 x 105
Pa = 3.013 x 105 Pa
Latihan 3
Tekanan total di titik A dan B
pada bejana U yang terisi
fluida homogen adalah sama
besar, pA = pB.
4. Hukum Pokok Hidrostatis
Tekanan hidrostatik pada suatu titik
bergantung pada massa jenis dan letak titik
tersebut dibawah permukaan zat cair. Hal ini
berarti tekanan hidrostatik hanya bergantug
pada letak titik tersebut atau kedalaman. Hal ini dapat ditarik kesimpulan bahwa
semua titik yang terletak pada bidang datar di dalam satu jenis fluida zat cair
memiliki tekanan yang sama. Pernyataan ini disebut “hukum pokok
hidrostatika”
Sehingga dapat dirumuskan :
Pa=Pb
P0+ρ1 h1 g=P0+ρ2 h2 g
ρ1 h1=ρ2 h2
| MODUL FISIKA SMA XI 14
1. Seekor lumba- lumba menyelam dalam laut dan mengalami tekanan hidrostatik
sebesar tiga kali tekanan atsmosfer. Jika massa jenis laut = 920 kg¿m3, tentukan
kedalaman lumba- lumba tersebut. (1 atm= 1,03 x 105 Pa dan g= 10 m/s2)
2. Tabung setinggi 20 cm diisi penuh dengan fluida. Tentukanlah tekanan total pada
dasar tabung, jika g = 10 m/s2 dan tabung berisi:
Air, ❑air = 1.000 kg /m3 Etanol, ρ = 810 kg /m3
Sebuah pipa Uberisi air dan minyak ditunjukan pada gambar. Selisih tinggi kolom minyak dan air`pada kedua kaki adalah 3 cm. Jika massa zat cair 1000 kg/m3. Tentukan massa jenis minyakPenyelesaianPa=Pb
P0+ρminyak ha g=P0+ρair hb g
CONTOH SOAL
Dimana
ρ1 : massa jenis benda 1
ρ2 : massa jenis benda 2
h1 : jarak titik A terhdap permukaan fluida 1
h2 : jarak titik B terhdap permukaan fluida 2
5. HUKUM PASCAL
Suatu fluida yang berada di dalam ruang tertutup terdapat dua macam
tekanan yang bekerja pada fluida tersebut, yakni tekanan oleh gaya beratnya dan
tekanan yang dipengaruhi oleh udara luar. Jika tekanan udara luar pada
permukaan zat cair ndapat tambahan tekanan dalam jumlah yang sama.
| MODUL FISIKA SMA XI 15
Sebuah pipa Uberisi air dan minyak ditunjukan pada gambar. Selisih tinggi kolom minyak dan air`pada kedua kaki adalah 3 cm. Jika massa zat cair 1000 kg/m3. Tentukan massa jenis minyakPenyelesaianPa=Pb
P0+ρminyak ha g=P0+ρair hb g
Sebuah tabung berbentuk huruf U mula-mula diisi dengan air yang massa jenisnya
1gr/cm3. Pada kaki kiri tabung kemudian dituangkan minyak yang massa jenisnya
0,8 gr/cm3 setinggi 10 cm. Tentukan perbedaan ketinggian permukaan air dan
minyak pada kaki tabung.
Latihan 4
Gambar 4. Prinsip hukum pascal
Blaise Pascal (1623 – 1662) merupakan tokoh yang menyimpulkan
hasil penelitian yaitu tekanan yang diberikan kepada fluida pada ruang tertutup
akan diteruskan ke segala arah dengan sama besar tanpa mengalami
pengurangan. Pernyataan tersebut dikenal sebagai hukum pascal.
5.1. Persamaan Hukum Pascal
Jika suatu fluida yang dilengkapi dengan
sebuah penghisap yang dapat bergerak maka
tekanan di suatu titik tertentu tidak hanya
ditentukan oleh berat fluida di atas permukaan
air tetapi juga oleh gaya yang dikerahkan oleh
penghisap. Berikut ini adalah gambar fluida
yang dilengkapi oleh dua penghisap dengan luas
penampang berbeda. Penghisap pertama
memiliki luas penampang yang kecil (diameter kecil) dan penghisap yang
kedua memiliki luas penampang yang besar (diameter besar)
Persamaan hukum pascal dirumuskan sebagai berikut:
P1=P2
F1
A1
=F2
A2
Sehingga :
| MODUL FISIKA SMA XI 16
Dimana
F1 = gaya pada pengisap pipa 1,
A1 = luas penampang pengisap pipa 1,
F2 = gaya pada pengisap pipa 2, dan
A2 = luas penampang pengisap pipa 2.
Sebuah dongkrak memiliki penghisap kecil 6cm dan penghisap besar diameternya 30 cm. Apabila penghisap kecil ditekan dengan gaya 400 N. Berapagaya yang dihasilkan pada penghisap besar ?Penyelesaian:
F2=( 306 )
2
× 400=10000 N
Contoh soal
| MODUL FISIKA SMA XI 17
Gambar 5. Dongkrak hidrolik
5.2. Penerapan Hukum Pascal
Peralatan yang menerapkan prinsip hukum pascal antara lain
dongkrak hidrolik, mesin pengangkat mobil dan resm hidrolik
a. Dongkrak hidrolik
Prinsip kerjanya
memanfaatkan hukum pascal
yakni Tekanan yang diberikan
pada suatu fluida dalam ruang
tertutup akan diteruskan ke
segala arah sama rata”.
Dongkrak hidrolik terdiri dari
dua tabung yang berhubungan
| MODUL FISIKA SMA XI 18
1. Dongkrak hidrolik memiliki penampung masing-masing berdiameter 20 mm
dan 50 mm. Berapa gaya minimum yang harus dikerjakan pada penampang
kecil untuk mengangkat mobil yang beratnya 5000 N
2. Pada tabung besar diletakkan mobil yang hendak diangkat. Ketika pengisap
pada tabung kecil diberi gaya, ternyata mobil terangkat ke atas. Jika berat
mobil 3 ton, diameter pengisap tabung besar 30 cm dan tabung kecil 5 cm,
serta g = 10 m/s2, maka hitunglah gaya yang harus diberikan agar mobil
terangkat naik!
Latihan 5
yang memiliki diameter yang berbeda ukurannya. Masing- masig ditutup
dan diisi cairan seperti pelumas (oli dkk). Apabila tabung yang
permukaannya kecil ditekan ke bawah, maka setiap bagian cairan juga ikut
tertekan. Besarnya tekanan yang diberikan oleh tabung yang permukaannya
kecil diteruskan ke seluruh bagian cairan. Akibatnya, cairan menekan pipa
yang luas permukaannya lebih besar hingga pipa terdorong ke atas
b. Mesin Hidrolik Pengangkat Mobil
Mesin hidrolik pengangkat mobil ini
memiliki prinsip yang sama dengan dongkrak
hidrolik. Perbedaannya terletak pada
perbandingan luas penampang pengisap yang
digunakan. Pada mesin pengangkat mobil,
perbandingan antara luas penampang kedua
pengisap sangat besar sehingga gaya angkat
yang dihasilkan pada pipa berpenampang
besar dan dapat digunakan untuk mengangkat
mobil
6. Hukum Archimedes6.1. Gaya Apung dan Persamaan hukum Archimedes
Lakukan percobaan berikut: Ikatlah batu dengan benang,
kemudian pegang ujung lainnya secara vertikal, tarik tali perlahan- lahan
ketika batu masih di udara. Rasakan gaya tarik batu yang bergantung!
Sekarang celupkan batu kedalam ember, lalu tarik batu dengan
perlahan- lahan, lalu tarik dan rasakan gaya tarik yang anda berikan saat
batu tercelup semuanya.
Berdasarkan percobaan tersebut, berat benda di udara lebih berat
daripada berat benda di fluida. Berat benda di fluida sebenarnya tidak
| MODUL FISIKA SMA XI 19
Gambar benda terapunghttp://fisikamaker.blogspot.com
Gambar benda tenggelamhttp://fisikamaker.blogspot.com
berubah, tetapi air memberikan gaya ke atas kepada batu yang disebut
dengan gaya apung. Gaya apung diberi simbol Fa . Fa adalah selisih berat
benda di udara dengan berat benda yang tercelup oleh fluida.
Besarnya gaya apung dapat dirumuskan sebagai berikut:
6.2. Pengaruh Hukum Archimedes pada benda Gaya apung keatas memberikan pengaruh terhadap benda yaitu
a. Mengapung, Melayang dan TenggelamJika balok kayu dicelupkan seluruhnya ke dalam air, gaya apung lebih besar daripada gaya balok sehingga Fa w sehingga balok bergerak ke atassampai sebagian permukan balok muncul ke permukaan air Jika logam dimasukkan seluruhnya
ke dalam gelasyang berisi air tawar maka gaya apung lebih kecil dari gaya berat (Fa W) akibatnya logam bergerak ke bawah sampai menyentuh dasar gelas, peristiwa ini disebut tenggelam
| MODUL FISIKA SMA XI 20
Dimana:
FA = gaya ke atas (N),
ρ f = massa jenis fluida (kg/m3),
Vf= volume fluida yang
dipindahkan (m3), dan
g = percepatan gravitasi (m/s3).Sebuah kubus dengan sisi 0,2 m digantung secara vertikal dengan seutas
kawat ringan. Tentukan gaya yang dikerjakan fluida pada kubus itu:
a. Kubus dicelupkan seluruhnya kedalam air jika
b. Kubus dicelupkan
c. Penyelesaian
Kubus tercelup seluruhnya
V b , f =V kubus=0,2 x0,2 x0,2=0,008 m3
Fa=ρ f V bf g=1000 x0,008 x10=80 N
Gambar benda melayanghttp://fisikamaker.blogspot.com
Jika sebutir telur dicelupkan ke dalam air asin, maka gaya apung telur menjadi lebih besar daripada gaya beratnya
Fa W sehingga telur bergerak keatas sampai berhenti ketika telur berada diantara permukaan air dan dasar gelas. Peristiwa ini disebut melayang.
b. Syarat Benda Terapung, Tenggelam dan Melayang Adapun syarat benda dapat terapung, tenggelam dan melayang terlihat tabel 1.
Tabel 1. Kondisi bendaNo Kondisi benda Syarat1 Terapung Fa = w
(ρ¿¿b V b) g=( ρf V bf ) g¿
ρb=ρf V b , f
V b
ρb< ρf
Vb Vbf
2 Tenggelam Fa wρb> ρf
Vb=Vbf
3 Melayang Fa = wρb=ρf
Vb=Vbf
| MODUL FISIKA SMA XI 21
6.3. Penerapan Hukum Archimedesa. Kapal Laut
| MODUL FISIKA SMA XI 22
Sebuah benda memiliki volume 20 m3 dan massa jenisnya = 800 kg/m3. Jika
benda tersebut dimasukkan ke dalam air yang massa jenisnya 1.000 kg/m3,
tentukanlah volume benda yang berada di atas permukaan air.
PenyelesaianFa = w
(ρ¿¿b V b) g=( ρf V bf ) g¿800 x20=1000 xV bf
16000=1000 x V bf = 16Vbenda yngberada dipermukaan=20−16=4 m3
1. Sebuah benda terapung pada zat cair yang massa
jenisnya 800 kg/m3. Jika ¼ bagian benda tidak tercelup
dalam zat cair tersebut maka massa jenis benda ...
Latihan
Gbr. Kapal Laut sebagai aplikasi hukum archimedeshttp://sumedewiblog.wordpress.com
Gb. Galangan kapal yng menerapkan hk. Archimedeshttp:// mts-cibentang.blogspot. com
Gbr. Hidrometer sebagai aplikasi hk archimedeshttp://ainnurohmanovic.blogspot.com
Kapal laut terbuat dari baja
atau besi, dimana massa jenis baja
atau besi lebih besar daripada massa
jenis air laut. Tetapi mengapa kapal
laut bisa terapung?
Berdasarkan Hukum
Archimedes, kapal dapat terapung
karena berat kapal sama dengan gaya
ke atas yang dikerjakan oleh air laut, meskipun terbuat dari baja atau
besi. Badan kapal dibuat berongga agar volume air yang dipindahkan
oleh badan kapal lebih besar. Dengan demikian, gaya ke atas juga lebih
besar sehingga volume yang dipindahkan juga semakin besar. Kapal
laut didesain bukan hanya asal terapung, melainkan harus tegak dan
dengan kesetimbangan stabil tanpa berbalik. Kestabilan kapal saat
terapung ditentukan oleh posisi titik berat benda, dan titik di mana gaya
ke atas bekerja.
b. Galangan kapal
Untuk memperbaiki kerusakan pada
bagian bawah kapal, maka kapal
perlu diangkat dari dalam air. Alat
yang digunakan untuk mengangkat
bagian bawah kapal tersebut
dinamakan galangan kapal.Setelah
diberi topangan yang kuat sehingga
kapal seimbang, air dikeluarkan secara perlahan-lahan. Kapal akan
terangkat ke atas setelah seluruh air dikeluarkan dari galangan kapal.
c. Hidrometer
Hidrometer merupakan alat yang digunakan untuk mengukur massa
jenis zat cair. Semakin rapat suatu cairan, maka semakin besar gaya dorong ke
arah atas dan semakin tinggi
hidrometer. Hidrometer terbuat dari
tabung kaca yang dilengkapi dengan
skala dan pada bagian bawah
| MODUL FISIKA SMA XI 23
Tegangan permukaan menyebabkan air yang
jatuh pada daun membentuk permukaan sekecil
mungkin. Peristiwa tersebut disebabkan adanya
gaya kohesi antarmolekul air lebih besar
daripada gaya adhesi antara air dan daun.
dibebani butiran timbal agar tabung kaca terapung tegak di dalam zat cair. Jika
massa jenis zat cair besar, maka volume bagian hidrometer yang tercelup lebih
kecil, sehingga bagian yang muncul di atas permukaan zat cair menjadi lebih
panjang, Sebaliknya, jika massa jenis zat cair kecil, hidrometer akan terbenam
lebih dalam, sehingga bagian yang muncul di atas permukaan zat cair lebih
pendek.
7. Tegangan Permukaan
Jika kita meletakkan
sebuah jarum atau kilp kertas
dengan hati- hati, maka kedua
benda tidak tenggelam. Hal ini
karena adanya tegangan permukaan.
Perhatikan gambar disamping ini,
Mengapa bisa terjadi?
Perhatikan gambar ini
pada keadaan setimbang, gaya tarik
peluncur ke bawah sama dengan tegangan permukaan yang diberikan selaput
tipis larutan sabun pada peluncur. Berdasarkan gambar, gaya tarik peluncur ke
bawah adalah
F = w + T
Jika l adalah panjang peluncur kawat maka gaya F bekerja pada panjang
total 2l karena selaput tipis air sabun memiliki dua sisi permukaan. Dengan
demikian, tegangan permukaan didefinisikan sebagai perbandingan antara gaya
tegangan permukaan F dengan panjang d tempat gaya tersebut bekerja yang
secara matematis dinyatakan dengan persamaan
Oleh karena d = 2 l, tegangan permukaan dinyatakan dengan persamaan
| MODUL FISIKA SMA XI 24
: tegangan permukaanF : gaya yang menyinggung
permukaan (N)l : panjang (m)
Gbr. Peristiwa kapilaritashttp://aktifisika.wordpress.com
Tegangan permukaan suatu zat cair yang bersentuhan dengan uapnya
sendiri atau udara hanya bergantung pada sifat-sifat dan suhu zat cair itu.
8. Kapilaritas
Kapilaritas disebabkan oleh interaksi
molekul-molekul di dalam zat cair. Di dalam zat
cair molekul-molekulnya dapat mengalami gaya
adhesi dan kohesi. Gaya kohesi adalah tarik-
menarik antara molekul-molekul di dalam suatu zat
cair sedangkan gaya adhesi adalah tarik menarik
antara molekul dengan molekul lain yang tidak
sejenis, yaitu bahan wadah di mana zat cair
| MODUL FISIKA SMA XI 25
Batang jarum yang panjangya 5cm diletakan secara perlahan- lahan di atas permukaan air. Apabila tegangan permukaan air 0,07 N/m. Tentukan besarnya gaya tegang permukaan pada jarum!
PenyelesaianF=γ .l
0,07 x 0,05=0,00035 N
Contoh soal
Mengapa mencuci dengan air hangat menghasilkan cucian yang lebih bersih daripada dengan air dingin ?
Latihan 7
Gbr. Contoh peristiwa kapilaritashttp://aktifisika.wordpress.com
Gbr. Digram gaya pada kapilaritashttp://budisma.web.id
berada. Apabila adhesi lebih besar dari kohesi seperti pada air dengan permukaan
gelas, air akan berinteraksi kuat dengan permukaan gelas sehingga air membasahi
kaca dan juga permukaan atas cairan akan melengkung (cekung). Keadaan ini
dapat menyebabkan cairan dapat naik ke atas oleh tegangan permukaan yang
arahnya keatas sampai batas keseimbangan gaya
ke atas dengan gaya berat cairan tercapai. Jadi air
dapat naik keatas dalam suatu pipa kecil yang
biasa disebut pipa kapiler. Inilah yang terjadi
pada saat air naik dari tanah ke atas melalui
tembok.
Air dapat merembes ke atas melalui
retakan tembok sehingga membasahi tembok. Satu
contoh kapilaritas. Gejala alam kapilaritas ini memungkinkan kita menghitung
tinggi kenaikan air dalam suatu pipa kapiler
berbentuk silinder/tabung dengan jari-jari r.
Kapilaritas dipengaruhi oleh adhesi dan kohesi. Untuk zat cair yang
membasahi dinding pipa (θ < 90°), permukaan zat cair dalam pipa naik lebih
tinggi dibandingkan permukaan zat cair di luar pipa. Sebaliknya, untuk zat cair
yang tidak membasahi dinding pipa (θ < 90°) permukaan zat cair di dalam pipa
lebih rendah daripada permukaan zat cair di luar pipa.
Misalkan Bentuk permukaan air
di dalam pipa kapiler yang berjari-jari
kapiler r, teganagn permukaan zat cair γ ,
massa jenis zat cair ρ, dan besarnya sudut
kotak θ. Permukaan zat cair menyentuh
dinding pipa sepanjang keliling lingkaran
2π .r. Permukaan zat cair menarik
dinding dengan gaya F = 2π .r.γ ,
membentuk sudut θ terhadap dinding ke
bawah.Sebagai reaksinya, dinding
menarik zat cair ke atas dengan gaya F = 2π .r.γ , membentuk sudut θ terhadap
| MODUL FISIKA SMA XI 26
dinding ke atas. Komponen gaya tarik dinding ke atas sebesar F. cos θ, diimbangi
dengan gaya berat zat cair setinggi y sehingga perumusannya:
Y =2. γ . cosθ
ρ .r . g
W = F . cos θ
m . g = 2π . r .γ . cos θ
ρ . V . g = 2π . r .γ . cos θ
ρ . π . r2 . y . g = 2π . r .γ . cos θ
Jadi:
9. Viskositas dan Hukum Stokes
Viskositas merupakan ukuran kekentalan fluida yang menyatakan besar
kecilnya gesekan di dalam fluida. Makin besar viskositas suatu fluida, maka
makin sulit suatu fluida mengalir dan makin sulit suatu benda bergerak di dalam
fluida tersebut. Di dalam zat cair, viskositas dihasilkan oleh gaya kohesi antara
molekul zat cair. Sedangkan dalam gas, viskositas timbul sebagai akibat
tumbukan antara molekul gas. Viskositas zat cair dapat ditentukan secara
kuantitatif dengan besaran yang disebut koefisien viskositas. Satuan SI untuk
koefisien viskositas adalah Ns/m2 atau pascal sekon (Pa s). Ketika Anda
| MODUL FISIKA SMA XI 27
y=2 . γ . cosθρ . r . g
Dimana:
y = naik/turunnya zat cair dalm kapiler (m)
γ= tegangan permukaan zat cair (N/m)
θ = sudut kontak
ρ = massa jenis zat cair (kg/m3)
r = jari-jari penampang pipa (m)
Latihan 8
jika pembuluh xylem (pipa kecil yang mengangkut bahan makanan
dari tanah ke bagian atas sebuah pohon) memiliki radius 0,0010 cm,
hitunglah ketinggian air yang akan naik. Anggaplah sudut konak
0o,tegangan permukaan air = 0,072 N/m, dan g = 9,8 m/s2.
berbicara viskositas Anda berbicara tentang fluida sejati. Fluida ideal tidak
mempunyai koefisien viskositas. Apabila suatu benda bergerak dengan kelajuan
v dalam suatu fluida kental yang koefisien viskositasnya, maka benda tersebut
akan mengalami gaya gesekan fluida , dengan k adalah konstanta yang
bergantung pada bentuk geometris benda. Berdasarkan perhitungan laboratorium,
pada tahun 1845, Sir George Stokes menunjukkan bahwa untuk benda yang
bentuk geometrisnya berupa bola nilai k = 6 π r. Bila nilai k dimasukkan ke
dalam persamaan, maka diperoleh persamaan seperti berikut:
Perhatikan sebuah bola yang jatuh
dalam. Gaya-gaya yang bekerja pada bola
adalah gaya berat w, gaya apung Fa, dan
gaya lambat akibat viskositas atau gaya
stokes Fs. Ketika dijatuhkan, bola
bergerak dipercepat. Namun, ketika
kecepatannya bertambah, gaya stokes juga
bertambah. Akibatnya, pada suatu saat bola mencapai keadaan seimbang
sehingga bergerak dengan kecepatan konstan yang disebut kecepatan
terminal. Pada kecepatan terminal, resultan yang bekerja pada bola sama
dengan nol. Misalnya sumbu vertikal ke atas sebagai sumbu positif, maka
pada saat kecepatan terminal tercapai berlaku berlaku persamaan :
∑ F=0
Fa+ FS=W
ρ f V b ,f g+6 π r V T = ρb V b g
6 π rV T = ρb V b g−ρf V b , f g
6 π rV T = V b g ( ρb− ρf )
| MODUL FISIKA SMA XI 28
Fs = gaya stokes (N)
= koefisien viskositas (Nsm-2)
r = jari-jari bola (m) v= kece patan relative bola terhadapa
fluida (ms-1)
Maka: V T=V b g ( ρb−ρf )
6 π r
Untuk benda berbentuk bola, maka persamaannya menjadi seperti berikut :
w = Fs + FA
w FA =Fs
43 . r3 b. g –
43 r3 f g = 6 r v
43 . r3 g (b – f) = 6 r v
23 r2 g (b – f) = 3 v
=
29 r2 g (
ρb−ρc
v ) , disebut persamaan viskositas fluida.
Sedangkan persamaan kecepatannya adalah sebagai berikut.
v =
29 r2 g (
ρb−ρc
η )
| MODUL FISIKA SMA XI 29
V T=V b g ( ρb−ρf )
6 π r
dimana
η = koefisien visakositas (Nsm-2)
r = jari-jari bola (m)
g = percepatan gravitasi (ms-2)
v = kecepatan maksimum bola (ms-1)
ρb = massa jenis bola (kgm-3)
ρf = massa jenis fluida (kgm-3)
| MODUL FISIKA SMA XI 30
1. Sebuah bola baja massa jenisnya 8.000 kgm-3, dijatuhkan kedalam
gliserin yang massa jenisnya 1.300 kgm-3. Bola tersebut telah
bergerak beraturan (mencapai kecepatan maksimum), menempuh
jarak 20 cm dalam waktu 5 sekon. Jika jari-jari bola 1,5 mm,
percepatan gravitasi bumi 9,8 ms-2, berapa koefisien viskositas
gliserin?
Penyelesaian
v = st
= 4 x 10-2 m/s
η = 29
r 2. g
v (ρ’ – )
= 29
2,25 x 10−6 x 9,8
4 x 10−2 x 6.700
= 82,075 x 10 -2
= 8,2075 x 10-1 Ns/m2
2. Sebuah kelereng memiliki massa jenis 0,9 g/cm3 yang jari-jarinya
1,5 cm dijatuhkan bebas dalam sebuah tabung yang berisi oli yang
mempunyai massa jenis 0,8 g/cm3 dan koefisien viskositas 0,03 Pa
s. Tentukan kecepatan terminal kelereng tersebut?
Penyelesaian:
Contoh soal
| MODUL FISIKA SMA XI 31
1. Sebuah kelereng dengan garis tengah 1 cm dijatuhkan bebas dalam oli yang berada dalam sebuah tabung, Tentukan kecepatan yang dapat dicapai kelereng tersebut di dalam oli. Jika massa jenis oli 800 kg/m3, koefisien viskositasnya 0,003 Pa s, massa kelereng 0,0026 kg dan percepatan gravitasinya 10 m/s2
2. Sebuah benda berbentk bola dengan diameter 2 cmdijatuhkan secara bebas dalam cairan tertentu yang massa jenisnya700 kg/m3. Tentukan koefisien fluida jika kecepatan terminal 4,9 m/s, massa jenis benda 7900 kg/m3 dan percepatan gravitasi 9,8 m/s2
Latihan 9
RANGKUMAN
1. Fluida adalah suatu zat yang dapat berubah bentuk sesuai dengan wadahnya dan
dapat mengalir (zat cair & gas)
2. Fluida statis adalah fluida yang berada dalam suatu wadah yang akan
memberikan tekanan terhadap wadah
3. Tekanan adalah gaya yang bekerja per satuan luas
4. Hukum utama hidrostatik menyatakan bahwa tekanan hidrostatik pada
sembarang titik yang terletak pada satu bidang datar di dalam satu jenis zat cair
besarnya sama.
5. Hukum pascal menyatakan bahwa tekanan yang di berikan pada zat cair di dalam
ruang tertutup di teruskan sama besar ke segala arah.F1
F 1A 1 =
F 2A 2
6. Hukum Archimedes menyatakan bahwa jika sebuah benda tercelup sebagian atau
seluruhnya di dalam fluida akan mengalami gaya ke atas yang besarnya sama
dengan berat fluida yang di pindahkan.
7. Syarat benda
Benda akan terapung jika ρb < ρz,
Benda akan melayang jika ρb = ρz
Benda akan tenggelam jika ρb > ρz
8. Tegangan permukaan adalah kecenderungan zat cair seolah-olah terdapat selaput
atau lapisan yang tegang, sehingga dapat menahan benda. Hal ini terjadi karena
| MODUL FISIKA SMA XI 32
adanya gaya tarik menarik antara partikel zat cair (kohesi).
contoh: serangga air dapat berjalan di atas permukaan air, silet yang
mengambang dipermukaan air
9. Kapilaritas adalah peristiwa naik turunya zat cair di dalam pipa kapiler (pipa
yang diameternya sangat kecil).
10.Viskositas adalah suatu kekentalan dari suatu fluida yang dimana kekentalan ini
dapat menentukan aliran
Tes Uji Kompetensi
A. Pilihlah salah satu jawaban yang paling tepat!
1. Jika sebongkah batuan pada gambar bekerja dengan tekanan 50.000Pa, maka
massa bongkahan itu adalah ….
a. 10.000 kg
b. 25.000 kg
c. 50.000 kg
d. 100.000 kg
e. 250.000 kg
2. Suatu titik A dan B berada dalam air, kedalaman titik A dan B daripermukaan
masing-masing 10 cm dan 40 cm. Perbandingan tekanan hidrostatis di titik A
dan B adalah ….
a. 1:5
b. 4:1
c. 3:2
d. 1:4
e. 1:1
| MODUL FISIKA SMA XI 33
3. Pada gambar diketahui massa jenis air 1gr/cm3, massa jenis minyak 0,8/cm3.
Jika balok kayu dengan sisi 10cm dan 20% bagiannya berada dalam air, maka
massa balok kayu ….
a. 440 gram
b. 640 gram
c. 840 gram
d. 940 gram
e. 1.040 gram
4. Segumpal es dalam keadaan terapung dilaut. Volume seluruhnya adalah 5.150
dm3. Jika massa jenis es = 0,9 kg/dm3, massa jenis air laut = 1,03 kg/dm3, maka
volume es yang menonjol dipermukaan air laut adalah ….
a. 550 dm3
b. 600 dm3
c. 650 dm3
d. 700 dm3
e. 750 dm3
5. Suatu kubus dari kayu dengan rusuk 10 cm massa jenisnya 0,6 gr/cm3. Pada
bagian bawahnya digantungkan sepotong besi yang volumenya
31,25cm3 dengan cara mengikat dengan benang, ternyata semuanya melayang
dalam minyak yang massa jenisnya 0,8 gr/cm3, maka massa jenis besi tersebut
adalah …
a. 7,8 gr/cm3
b. 7,6 gr/cm3
c. 7,4 gr/cm3
d. 7,2 gr/cm3
e. 7,0 gr/cm3
| MODUL FISIKA SMA XI 34
6. Gaya apung terjadi karena adanya peningkatan kedalaman dalam suatu fluida,
maka ….
a. massa jensia berkurang
b. massa jensia bertambah
c. tekanan tetap
d. tekanan bertambah
e. tekanan berkurang
7. Sutu benda di udara yang beratnya 5 N dimasukan seluruhnya ke dalam air
yang mempunyai massa jenis 1 gr/cm3, ternyata melayang di dalam air. Besar
gaya ke atas yang dialami oleh benda tersebut adalah ….
a. 1 N
b. 2 N
c. 3 N
d. 4 N
e. 5 N
8. Sepotong kayu terapung dengan 1/5 bagian tercelup di dalam air. Jika ρair =
1.103kg/m3, maka massa jenis kayu adalah … kg/m3
a. 150
b. 175
c. 200
d. 250
e. 300
9. Gaya apung terjadi karena dengan meningkatnya kedalaman dalam suatu
fluida, maka ….
a. tekanan bertambah
b. tekanan berkurang
c. tekanan tetap
d. massa jenis bertambah
e. massa jenis berkurang
10. Sebuah tabung berdiameter 0,4 cm dimasukkan secara vertikal ke dalam air.
Sudut kontak antara dinding tabung dan permukaan air 60°. Jika tegangan
| MODUL FISIKA SMA XI 35
permukaan air = 0,5 N/m dan g = 10 m/s2, air pada tabung akan naik setinggi
….
a. 0,015 m
b. 0,025 m
c. 0,035 m
d. 0,045 m
e. 0,055 m
B. Uraian
1. Seekor ikan berada pada kedalaman 15 meter di bawah permukaan air.
Jika massa jenis air 1000 kg/m3 , percepatan gravitasi bumi 10 m/s2 dan
tekanan udara luar 105N/m, tentukan :
a) tekanan hidrostatis yang dialami ikan
b) tekanan total yang dialami ikan
2. Seorang anak hendak menaikkan batu bermassa 1 ton dengan alat seperti
gambar berikut!
Jika luas penampang pipa besar adalah 250 kali luas
penampang pipa kecil dan tekanan cairan pengisi pipa
diabaikan, tentukan gaya minimal yang harus diberikan
anak agar batu bisa terangkat!
3. Seorang anak memasukkan benda M bermassa 500 gram ke dalam sebuah
gelas berpancuran berisi air, air yang tumpah ditampung dengan sebuah gelas
ukur seperti terlihat pada gambar berikut:
Jika percepatan gravitasi bumi adalah
10 m/s2 tentukan berat semu benda di
dalam air!
| MODUL FISIKA SMA XI 36
KUNCI JAWABAN SOAL
Latihan 5
1. 800 N
2. 8,44 N
Latihan 6
2700 kg/m3
Latihan 9
1. 3,3 m/s
2. 0,32 Pa s
Uji Kompetensi
Pilihan ganda
1. A
2. D
3. C
4. C
5. D
6. C
7. E
8. C
| MODUL FISIKA SMA XI 37
9. C
10. A
Uraian
1. 1,5 x 105 N/m2 dan 2,5 x 105 N/m2
2. 40 N
3. 3 N
DAFTAR PUSTAKA
1. Su’ud Z, 2010. Physics Bringing Science To Your Life SMA/MA.
Jakarta: Bumi Aksara
2. Kanginan M. 2000. Fisika SMA XI. Jakarta: Erlangga
3. Supiyanto. 2006. Fisika untuk SMA Kelas XI. Jakarta: Phibheta
| MODUL FISIKA SMA XI 38