Lks Fisika Xi - Fluida Statis 1g4j2u

LKS Fisika kelas XI IPA

FLUIDA STATIS I. KONSEP TEKANAN DAN TEKANAN FLUIDA Fluida adalah zat yang dapat mengalir. Yang termasuk jenis ini adalah cairan dan gas. Meskipun demikian, untuk gas terdapat hukum-hukum gas yang lain (yang berbeda dengan cairan), tetapi hukum-hukum fluidapun tetap berlaku juga pada gas. Tekanan didefinisikan sebagai besarnya gaya yang bekerja tegak lurus pada suatu bidang dibagi dengan luas bidang itu.

P=

F A

, Dimana : P = Tekanan (1 N/m2 = 1 Pascal), F = Gaya (N), dan A = Luas Penampang bidang (m2).

Memperhatikan persamaan tersebut, maka dapat diketahui bahwa dengan tenaga yang sama besar (F sama), tetapi luas penampang berbeda akan diperoleh tekanan yang berbeda. Contoh : 1.

Ujung jarum dibuat setajam mungkin supaya bisa menusuk dengan lebih mudah (luas penampang kecil sehingga tekanan besar),

2.

Dinding bendungan dibuat seluas mungkin (dibuat melengkung) untuk memperkecil tekanan air.

Tekanan Fluida Fluida jelas mempunyai tekanan. Mengapa? Karena fluida pasti memiliki gaya berat. Sesuai konsep tekanan, maka gaya berat ini akan bekerja pada bidang sentuh fluida (A) dan terjadilah yang namanya tekanan fluida. Jika suatu cairan ada pada suatu wadah, maka dasar wadah akan mengalami tekanan yang disebut dengan Tekanan Hidrostatis, yaitu :

PH = ρ. g. h h air PH = Tekanan Hidrostatis (Pa), permukaan fluida (m).

ρ

= Massa jenis fluida, g = gravitasi bumi (9,8 m/s 2), h = kedalaman fluida dari

Ciri khas dari suatu fluida bukanlah massanya karena fluida mudah untuk ‘terpecah’ atau ‘terbagi-bagi’ (ciri khas benda titik/partikel adalah massanya, ciri khas benda tegar adalah momen inersianya). Karena itu ciri khas yang mendasar dari suatu fluida adalah massa jenisnya (ρ). Air setitik dengan air seember tetap memiliki massa jenis yang sama, yaitu 1000 kg/m3.

Ingat :

ρair = 1000 kg/m3 = 1 gr/cm3 = 1 gr/ml ρair raksa = 13.6000 kg/m3 = 13,6 gr/cm3

Tekanan Atmosfir Udara yang kita hirup termasuk fluida juga, berarti udara juga memiliki tekanan yang disebut tekanan udara. Berapakah besar tekanan udara? Perumusan tekanan hidrostatis tidak bisa diterapkan untuk mengetahui besarnya tekanan atmosfir. Coba jawab mengapa? Besaran ini dapat dihitung oleh Evangelista Torricelli pada tahun 1643 yang terkenal dengan nama percobaan Torricelli (lihat Box). Torricelli menemukan besarnya tekanan atmosfir di permukaan bumi adalah :

1 atm = 76 cmHg = 1,01 x 105 Pa Artinya tekanan dipermukaan bumi sama dengan tekanan hidrostatis air raksa (Hg) setinggi 76 cm. Cobalah hitung, jika yang digunakan bukan air raksa, tetapi air (H2O), berapakah ketinggian air yang sama dengan 1 atm?

LKS Fisika kelas XI IPA PERCOBAAN TORRICELLI (1643) Torricelli mengambil tabung sepanjang satu meter kemudian di isi penuh dengan air raksa lalu ujungnya ditutup dengan jari sehingga tidak ada udara sama sekali dalam tabung air raksa. Kemudian tabung itu dibalik sambil tetap ditutup oleh jari dan ujung bawahnya dicelupkan ke dalam larutan air raksa. Apakah yang terjadi ? Perhatikan gambar di bawah ini :

Ternyata Torricelli mendapati air raksa turun sehingga menciptakan ruang hampa setinggi 24 cm atau tinggi air raksa 76 cm. Meskipun dipakai tabung yang diameternya berbeda maupun tingginya berbeda, tinggi air raksa yang terjadi pastilah tepat 76 cm. Melalui percobaan ini, Torricelli menyimpulkan bahwa air raksa ditahan oleh tekanan udara sampai terjadi kesetimbangan, yaitu tekanan udara luar sama dengan tekanan 76 cm air raksa.

Dengan rumus tekanan hidrostatis, bisa kita peroleh besar tekanan 76 cm air raksa (massa jenis air raksa = 13.600 kg/m3 dan percepatan gravitasi g = 9,8 m/s2), yaitu sama dengan tekanan udara yaitu :

101.300 N/m2 = 101.300 Pa (baca : Pascal) = 101,3 kPa (baca : kilo Pascal) Tekanan udara ini dapat dinyatakan dalam berbagai bentuk satuan, yaitu :

1 atm = 76 cmHg = 760 mmHg. Atau dengan bahasa lain : atmosfir menekan setiap 1 cm2 tubuh kita dengan tekanan beban 1 kg!

Tekanan Gauge dan Tekanan absolute (mutlak) Tekanan Gauge  Nilai tekanan yang diukur oleh alat pengukur tekanan Tekanan absolut/mutlak  Tekanan yang sesungguhnya Hubungan di atas bisa dituliskan :

P absolut = tekanan Gauge + tekanan atmosfir Contoh : Tekanan udara di dalam ban motor diukur dengan alat ukur tekanan diperoleh sebesar 75 kPa, maka : Tekanan terukur = 75 kPa (tekanan gauge) Tekanan absolut = 75 kPa + 101,3 kPa = 176,3 kPa

LKS Fisika kelas XI IPA Paradoks Hidrostatika Perhatikan gambar tiga bejana berikut ini yang berisi air dengan ketinggian yang sama!

B

A

C

Dasar bejana manakah yang mendapatkan tekanan yang terbesar?

II. HUKUM POKOK HIDROSTATIKA Rumus tekanan Hidrostatis (PH = ρ.g.h) menyatakan bahwa tekanan suatu titik di kedalaman tertentu hanyalah bergantung dari jenis fluida dan kedalaman titik tersebut dari permukaan fluida. Dengan kata lain, bentuk fluida yang ada di atasnya tidak ada pengaruhnya. Perhatikan gambar di bawah ini :

Besarnya tekanan di titik A, B, C dan D adalah sama dan tidak bergantung dari bentuk fluida di atasnya. Konsep ini disebut dengan Hukum Pokok Hidrostatika, yang berbunyi : semua titik yang terletak pada kedalaman yang sama dan dalam fluida yang sama, besar tekanan hidrostatikanya sama besar. Hukum ini juga menjelaskan mengapa permukaan air dalam bejana berhubungan selalu sama rata (gambar di atas), hal ini karena besar tekanan atmosfir yang diterima setiap permukaan adalah sama besar. Aplikasi Hukum Pokok Hidrostatika: Bejana berhubungan Jika kita memasukkan cairan yang berbeda ke dalam sebuah bejana U, maka akan terdapat perbedaan tinggi cairan di kedua pipa, maka diperoleh hubungan sbb. :

PHA = PHB h

A

B air

III.

H

minyak

ρminyak.g.h = ρair.g.H ρminyak.h = ρair.H

HUKUM PASCAL

Blaise Pascal (1623-1662) adalah filsuf dan ilmuwan Perancis merumuskan Prinsip Pascal (Hukum Pascal) untuk fluida : Tekanan yang diberikan pada cairan dalam suatu tempat tertutup akan diteruskan sama besar ke setiap bagian fluida dan dinding wadah Artinya, jika ada gaya luar atau tekanan luar, maka cairan akan menyebarkan tekanan tersebut ke segala arah dengan besar yang sama untuk setiap titik pada permukaan fluida.

LKS Fisika kelas XI IPA Secara matematis bisa ditulis sebagai berikut :

Pluar = Pdi permukaan seluruh fluida

𝑭 𝑭 𝒍𝒖𝒂𝒓 = 𝒑𝒆𝒓𝒎𝒖𝒌𝒂𝒂𝒏 𝑨 𝑨 Dengan gambar sederhana, kita bisa mendapatkan :

𝑭𝒎𝒂𝒔𝒖𝒌 𝑨𝒎𝒂𝒔𝒖𝒌

=

𝑭 𝒌𝒆𝒍𝒖𝒂𝒓 𝑨𝒌𝒆𝒍𝒖𝒂𝒓

PENERAPAN HUKUM PASCAL Amatilah gambar ini. Dongkrak hidrolik pengangkat mobil terdiri dari sebuah ‘bejana U’ yang memiliki dua permukaan. Pada permukaan pertama adalah ruang tertutup yagn dapat dipompa udara ke dalamnya, permukaan yang kedua penghisap (piston), di mana luas permukaan piston di sebelah kiri lebih kecil dari luas permukaan di sebelah kanan. Bejana diisi fuida yang berupa minyak. Apabila udara dipompa ke dalam ruang di sebelah kiri, maka setiap bagian minyak menyalurkan tekanan udara yang ada. Besarnya tekanan yang diberikan oleh daerah yang permukaannya kecil (gambar kiri) diteruskan ke seluruh bagian cairan. Akibatnya, cairan menekan piston yang luas permukaannya lebih besar (gambar kanan) hingga piston terdorong ke atas. Jika perbandingan diameter kiri dan kanan 1:10, maka akan diperoleh gaya yang 100 kali lipat, artinya gaya 1 Newton mampu mengangkat beban seberat 100 N. Kamu jangan heran jika mobil yang massanya sangat besar dengan mudah diangkat hanya dengan menekan salah satu piston. Berpedoman pada prinsip Pascal ini, manusia telah menghasilkan beberapa alat, baik yang sederhana maupun canggih untuk membantu mempermudah kehidupan. Beberapa di antaranya adalah dongkrak, lift, rem cakram, mesin pengepres, dll. Coba kamu jelaskan bagaimana Hukum Pascal bekerja pada masingmasing alat tersebut!

IV.

HUKUM ARCHIMEDES

Archimedes (~200SM) menemukan suatu prinsip yang berkaitan dengan fluida yang saat ini disebut Hukum Archimedes, yang berbunyi : Ketika sebuah benda tercelup seluruhnya atau sebagian di dalam zat cair, zat cair akan memberikan gaya ke atas (gaya apung) pada benda, di mana besarnya gaya ke atas (gaya apung) sama dengan berat zat cair yang dipindahkan. Gaya Apung Jika sebuah benda berada di dalam fluida, maka benda tersebut akan menerima tekanan hidrostatis di semua sisinya (lihat gambar).

p3A

p4A

LKS Fisika kelas XI IPA

Tekanan yang bekerja pada sebuah sisi/permukaan adalah gaya yang diterima benda tersebut (F = P.A). Pada kedalaman yang sama besarnya gaya hidrostatis adalah sama, maka gayanya sama dan jika dijumlahkan saling menghilangkan, tetapi gaya yang bekerja dari atas benda dan dari bawah benda akan berbeda, karena gaya yang dari atas lebih kecil dari gaya yang di bawah (Coba jelaskan sendiri kenapa) Selisih gaya yang bekerja di bawah dan di atas benda disebut dengan gaya apung, karena itu kita bisa memahami mengapa benda lebih ringan jika berada dalam air, tentu karena air mendorong ke atas benda tersebut dengan gaya apung air sehingga berat benda menjadi berkurang. Kita bisa menjelaskannya dengan persamaan matematis sebagai berikut : Fangkat = Fke atas – Fke bawah Fangkat = P2.A – P1.A ; (P adalah tekanan hidrostatis, A adalah luas bidang benda) Fangkat = (ρf.g.h2).A – (ρf.g.h1).A ; (ρf = massa jenis fluida) Fangkat = ρf.g.A.(h2 – h1) ; (h2 – h1 adalah tinggi benda itu) Fangkat = ρf.g.A.hbenda ; (A.hbenda adalah Volume benda)

Fangkat = ρf.g.Vb

 Disebut Rumus Gaya Angkat

FENOMENA FISIKA Salah satu fenomena menarik di alam adalah Laut Mati yang ada di wilayah Timur Tengah. Kadar garam di Laut Mati dapat mencapai 25%, artinya garamnya lebih banyak 3 kali lipat daripada yang ada di lautan sehingga massa jenis air ini mencapai 1.119 kg/m3. Nilai ini lebih besar daripada massa jenis manusia sehingga manusia bisa mengapung di Laut Mati.

Turis yang sedang menikmati Gaya Archimedes sehingga dapat mengapung di Laut Mati Perhatikan rumus gaya apung tersebut, yaitu : ρf.Vb. Dari perkalian massa jenis x volume kita peroleh massa. Massa apakah yang dimaksud rumus ini? Tentu saja massa fluida tetapi dalam bentuk benda yang tercelup! Perhatikan gambar berikut ini supaya kamu menjadi semakin jelas :

Ilustrasi yang menunjukkan prinsip Archimedes

LKS Fisika kelas XI IPA Inilah yang mendasari penemuan Archimedes sehingga tanpa sadar dia berteriak “Eureka!” sambil berlari keluar dalam keadaan telanjang. (Baca box tentang Archimedes). Mari kita lihat sekali lagi tentang Prinsip Archimedes : Ketika sebuah benda tercelup seluruhnya atau sebagian di dalam zat cair, zat cair akan memberikan gaya ke atas (gaya apung) pada benda, di mana besarnya gaya ke atas (gaya apung) sama dengan berat zat cair yang dipindahkan. Kasus Tenggelam Suatu benda akan tenggelam di dalam suatu fluida jika berat benda lebih besar dari gaya angkatnya :

w > FA ρb.Vb.g > ρf.g.Vb ρb > ρf Kasus Melayang Suatu benda akan melayang di dalam suatu fluida jika berat benda sama besar dengan gaya angkatnya :

w = FA ρb.Vb.g = ρf.g.Vb ρb = ρf Kasus Mengapung Suatu benda akan mengapung di dalam suatu fluida jika berat benda lebih kecil dari gaya angkatnya :

w < FA ρb.Vb.g < ρf.g.Vb ρb < ρf

Kita bisa meninjau kasus mengapung dengan cara lain, yaitu dengan menganggap bagian benda yagn ada di dalam fluida sebagai kasus melayang, dari gambar disamping diperoleh :

H

w = FA

h

ρb.Vb.g = ρf.g.Vbf (Vbf = volume benda yang ada dalam fluida) ρb.Vb = ρf.Vbf

(Karena Vol = Luas Alas x tinggi, maka)

ρb.H = ρf.h Untuk kasus benda yang ada dalam beberapa jenis fluida :

ρb.H = ρf1.h1 + ρf2.h2 + ρf3.h3

h1 H h2 h3

LKS Fisika kelas XI IPA Bagaimana membuat benda yang berat mengapung? Yaitu dengan cara membuat lubang yang besar pada benda itu sehingga massa jenisnya menjadi kecil. Inilah yang dilakukan pada kapal laut seberat ribuan ton, ada lubang yang cukup besar pada kapal itu sehingga berat jenis totalnya lebih kecil dari berat jenis air (ρair = 1000 kg/m3).

‘Lubang‘ yang besar pada kapal yang memungkinkan kapal itu untuk mengapung di air

Kisah Archimedes Konon katanya, Archimedes yang merupakan ilmuwan besar yang hidup antara tahun 287-212 SM (~ 2200 tahun yang lalu) ditugaskan oleh Raja Hieron II untuk menyelidiki apakah mahkota yang dibuat untuk Sang Raja terbuat dari emas murni atau tidak karena dia curiga bahwa mahkotanya ada campuran perak. Untuk itu, Archimedes sebagai ilmuwan dimintai tolong oleh Sang Raja. Archimedes sangat bingung mengenai caranya. Persoalannya, bentuk mahkota itu tidak beraturan dan tidak mungkin dihancurkan dahulu agar bisa ditentukan apakah mahkota terbuat dari emas murni atau tidak. Ide brilian muncul ketika ia sedang mandi dalam bak yang penuh airnya. Ia memperhatikan bahwa ketika bagian tubuhnya (kaki maupun tangan) masuk ke dalam bak, air bak yang penuh tersebut tumpah airnya, dan dengan seketika itu juga ia mendapat jawabannya (yang saat ini kita kenal dengan prinsip Archimedes) dan mungkin karena saking senangnya, Archimedes langsung berlari dalam keadaan telanjang melalui jalan Syracuse sambil berteriak “eureka!” yang artinya “saya telah menemukannya”. Ide brilian untuk menentukan apakah mahkota raja terbuat dari emas murni atau tidak adalah dengan terlebih dahulu menentukan Berat Jenis mahkota tersebut lalu membandingkannya dengan berat jenis emas. Jika mahkota terbuat dari emas murni, maka berat jenis mahkota = berat jenis emas. Untuk menentukan berat jenis mahkota, maka terlebih dahulu mahkota ditimbang di udara(BeratMahkotaDiudara). Selanjutnya mahkota dimasukan ke dalam air lalu ditimbang lagi untuk memperoleh BeratMahkotaYangHilang. Jadi :

Setelah berat jenis mahkota diperoleh, maka selanjutnya dibandingkan dengan berat jenis emas. Berat jenis emas = 19,3 gr/cm3. Jika berat jenis mahkota = berat jenis emas, maka mahkota tersebut terbuat dari emas murni. Tapi jika mahkota tidak terbuat dari emas murni, maka berat jenis mahkota tidak sama dengan berat jenis emas. Begitu….

V. TEGANGAN PERMUKAAN, SUDUT KONTAK DAN KAPILARITAS Tegangan Permukaan Permukaan fluida memiliki tegangan yang disebut tegangan permukaan, sehingga permukaannya teregang seperti membentuk sebuah membran yang sangat tipis. Karena hal inilah maka : 

Beberapa jenis serangga tertentu dapat ‘berjalan’ di atas air.



Dengan cara yang sangat berhati-hati, jarum atau silet dapat terapung di atas air.



Setitik air akan membentuk bola, karena tarikan dari tegangan permukaan membuat setitik air membentuk permukaan sekecil mungkin, yaitu permukaan bola.



Salah satu fungsi sabun yang pertama adalah memecah tegangan permukaan air agar kotoran dapat ‘diangkat’.

LKS Fisika kelas XI IPA Tegangan permukaan dihasilkan dari Gaya Kohesi, yaitu gaya tarik menarik antara partikel yang sama (Gaya Adhesi adalah gaya tarik menarik antara partikel yang berbeda). Partikel-partikel air saling tarik menarik satu sama lain dengan Gaya Kohesi, jika partikel air ada di dalam cairan, maka resultan gaya kohesi yang bekerja pada partikel air sama dengan nol, tetapi jika partikel ada dipermukaan air, maka resultan gaya tidak sama dengan nol (lihat gambar di samping), karena akan bekerja gaya resultan ke arah bawah. Gaya ini menarik permukaan sehingga permukaan air menjadi tegang. Inilah sumber dari munculnya tegangan permukaan. Secara matematis, tegangan permukaan (γ) didefinisikan sebagai besarnya gaya persatuan panjang yang bekerja pada arah tegak lurus dengan permukaan zat cair, (satuan γ adalah N/m) atau :

𝜸=

𝑭 𝑳

Percobaan yang dipakai untuk mendapatkan nilai tegangan permukaan biasanya dengan cara seperti gambar di samping ini. Gaya permukaan selaput pada kawat U sama dengan berat beban (w2) ditambah berat kawat (w1) sepanjang L (F = w1 + w2), permukaan selaput ada dua, yaitu di depan dan dibelakang, maka :

𝜸=

𝑭 𝟐𝑳

=

𝒘𝟏 +𝒘𝟐 𝟐𝑳

Usaha yang dilakukan kawat untuk memperbesar selaput juga bisa dihitung, pertambahan luas adalah ΔA = ΔX . L, maka usaha yang dilakukan adalah :

W = γ.ΔA

Sudut Kontak dan Kapilaritas Sudut pada gambar disebut sudut kontak, yaitu sudut yang dibentuk karena kelengkungan suatu fuida pada suatu pipa.  

Untuk air  cekung (θ < 900) Untuk air raksa (Hg)  cembung (θ > 900)

Mengapa hal ini bisa terjai? Ini disebabkan karena gaya adhesi dan gaya kohesi. Gaya adhesi (gaya tarik antar partikel tidak sejenis) dari air dan kaca lebih besar dari gaya kohesi air, sehigga air lebih ‘tertarik’ ke kaca, sedangkan hal yang berkebalikan terjadi pada air raksa. Maka jika suatu pipa dimasukkan ke air, air pada pipa akan naik , tetapi jika pipa dimasukkan ke air raksa, maka air raksa pada pipa akan turun.

LKS Fisika kelas XI IPA Peristiwa naik atau turunnya fluida pada suatu pipa disebut gejala kapilaritas. Untuk pipa yang semakin sempit, maka efek kapilaritas akan semakin besar dan pipanya disebut pipa kapiler. Beberapa gejala kapilaritas :   

Minyak tanah yang naik pada sumbu kompor Naiknya air dan unsur-unsur hara dari akar ke daun melalui pembuluh xylem di sepanjang batang pohon Tersebarnya zat makanan yang telah ‘dimasak’ dari daun ke seluruh bagian tanaman melalui pembuluh floem

Rumus untuk menentukan ketinggian atau kedalaman fluida pada pipa kapiler adalah :

𝒉=

VI.

𝟐𝜸 𝐜𝐨𝐬 𝜽 𝝆𝒈𝒓

HUKUM STOKES

Viskositas 

Viskositas (η  baca: eta) adalah ukuran kekentalan fluida, dengan kata lain adalah gaya gesekan antara molekulmolekul yang menyusun suatu fluida.



Semakin cepat mengalir maka viskositas semakin kecil.



Penyebab viskositas adalah Gaya Kohesi yang sifatnya menarik.



Semakin tinggi suhu zat cair, semakin kurang kental zat cair tersebut.



Viskositas hanya dimiliki oleh fluida riil (nyata). Fluida ideal tidak memiliki viskositas



Satuan Sistem Internasional (SI) untuk koofisien viskositas adalah Ns/m2 = Pa.s (pascal sekon).



Satuan CGS (centimeter gram sekon) untuk si koofisien viskositas adalah dyn.s/cm 2 = poise (P).



Viskositas juga sering dinyatakan dalam sentipoise (). 1 = 1/100 P.



Satuan poise digunakan untuk mengenang seorang Ilmuwan Perancis, almahrum Jean Louis Marie Poiseuille (baca : pwa-zoo-yuh). 1 poise = 1 dyn . s/cm2 = 10-1 N.s/m2

Temperatur (o C)

Koefisien Viskositas (P=Poise)

0

1,8 x 10-3

20

1,0 x 10-3

60

0,65 x 10-3

100

0,3 x 10-3

Darah (keseluruhan)

37

4,0 x 10-3

Plasma Darah

37

1,5 x 10-3

Ethyl alkohol

20

1,2 x 10-3

Oli mesin (SAE 10)

30

200 x 10-3

Fluida

Air

LKS Fisika kelas XI IPA 0

10.000 x 10-3

20

1500 x 10-3

60

81 x 10-3

Udara

20

0,018 x 10-3

Hidrogen

0

0,009 x 10-3

Uap air

100

0,013 x 10-3

Gliserin

Hukum Stokes 

Jika sebuah benda bergerak dalam suatu fluida, maka pada benda tersebut akan bekerja gaya gesekan yang bergantung pada kekentalan fluida (η), kecepatan benda (v) dan bentuk benda (k) :

F = k.η.v 

Sir George Stokes pada tahun 1845 menunjukkan melalui perhitungan laboratorium, bahwa untuk benda yang berbentuk bola, maka nilai k adalah k = 6πr (r = jari-jari bola). Jadi persamaan di atas menjadi :

F = 6.π.r.η.v 

 HUKUM STOKES

Melalui Hukum Stokes, maka kita bisa menentukan besarnya Kecepatan Terminal suatu benda yang jatuh karena gravitasi di dalam suatu cairan atau udara : Pada benda berbentuk bola di samping yang jatuh dalam suatu fluida, maka akan bekerja tiga buah gaya, yaitu: gaya berat ke bawah, gaya angkat (ke atas) dan gaya gesek fluida (ke atas). Dari ketiga gaya tersebut, hanya gaya gesekan saja yang nilainya semakin membesar seiring dengan bertambahnya kecepatan benda jatuh. Pada suatu saat, nilai gaya ke atas akan menjadi sama dengan gaya ke bawah (gaya setimbang), maka kecepatan benda akan menjadi tetap sepanjang geraknya. Kecepatan tetap ini disebut kecepatan terminal (VT).

Besar kecepatan terminal (VT) bisa diturunkan secara sederhana menggunakan mekanika Newton, diperoleh :

𝟐 𝒓𝟐 𝒈 𝑽𝑻 = (𝝆𝒃 − 𝝆𝒇 ) 𝟗 𝜼 Dimana : r = jari-jari bola g = percepatan gravitasi η = koefisien viskositas ρb = massa jenis benda ρf = massa jenis fluida Karenan kecepatan terminal inilah, maka kecepatan butiran hujan ‘ditahan’ sehingga hanya sekitar 3-5 m/s saja, jika tidak, maka kecepatan setetes air hujan bisa menyamai kecepatan peluru.

TEKANAN 1. Sebuah kotak dengan massa jenis 8000 kg/m3 berukuran 2m x 4m x 8m. Carilah : a) Tekanan maksimum b) Tekanan minimum yang dapat diberikan kotak terhadap tanah!

2. Seekor gajah dengan massa 1 ton berdiri di lantai kayu dengan keempat kakinya yang masing-masing memiliki luas penampang 250 cm2, sementara itu di

LKS Fisika kelas XI IPA lantai yang sama seseorang wanita bermassa 50 kg berdiri dengan sepatu hak tinggi dengan luas penampang 1 cm2. Hitunglah perbandingan tekanan yang diberikan gajah terhadap wanita!

3. Seorang wanita dan seorang pria dengan berat yang sama 600 N. Wanita memakai sepatu dengan ukuran hak 0,5 cm x 0,5 cm, sedangkan pria menggunakan sepatu dengan ukuran 30 cm x 6 cm. Mereka berjalan di atas permukaan tanah. Tentukanlah: a) tekanan mana yang lebih besar ketika ia melangkahh dan seluruh berat badannya ditumpu oleh salah satu sepatunya b) Manakah yang lebih merusak permukaan tanah? Berikan alasannya!

TEKANAN HIDROSTATIS 4. Hitung tekanan hidrostatis pada kedalaman 80 cm di dalam : a) air (massa jenis = 1000 kg/m3) b) minyak (massa jenis = 800 kg/m3) c) raksa (massa jenis 13.600 kg/m3)

5. Dua bejana A dan B diisi dengan zat cair yang berbeda massa jenisnya terlihat seperti gambar. Perbandingan massa jenis zat cair di A dibanding dengan massa jenis di B = 5 : 4. Hitunglah nilai perbandingan tekanan di dasar bejana A dan di dasar bejana B!

6. Hitung kedalaman air laut (ρ = 1050 kg/m3) yang memberikan tekanan yang sama dengan tekanan 1 atmosfir (P0 = 1,01321 x 105 Pa)

7. Berapa cm ketinggian air raksa (ρ = 13,6 gr/cm3) dalam sebuah tabung agar tekanan hidrostatisnya sama dengan tekanan atmosfir?

8. Air raksa (ρ = 13,6 gr/cm3) pada percobaan Torriceli memiliki tinggi 76 cm di dalam tabung. Carilah tinggi sebuah cairan dalam tabung Torriceli jika cairan tersebut memiliki massa jenis 10 gr/cm3!

LKS Fisika kelas XI IPA 9. Carilah tinggi Air raksa (ρ = 13,6 gr/cm3) pada percobaan Torriceli jika percobaan dilakukan pada kondisi tekanan udara sebesar 0,8 atm!

TEKANAN GAUGE 10. Hitung tekanan pada kedalaman 5 meter di dalam suatu kolam air jika tekanan atmosfer : a) Diabaikan b) diperhitungkan

11. Sebuah bejana mengandung lapisan minyak setebal 10 cm yang mengapung di atas air yang kedalamannya 40 cm. Massa jenis minyak 800 kg/m3. a) Berapakah tekanan gauge pada bidang batas minyak dan air? b) Berapakah tekanan gauge pada dasar bejana? HUKUM UTAMA HIDROSTATIKA 12. Raksa pada bejana berhubungan seperti gambar di bawah ini mempunyai selisih permukaan 2 cm (massa jenis = 13,6 gr cm 3). Kaki sebelah kiri berisi zat cair yang tingginya 25 cm, hitunglah massa jenis zat cair!

13. Pada gambar diketahui massa jenis minyak 0,8 gr/cm3, massa jenis alkohol 0,7 gr/cm3. Bila tinggi h1 5 cm, h2 = 2 cm, berapakah besar h0?

alkohol

h2

minyak

h1

A

h0

B air

14. Sebuah pipa vertikal U dengan penampang dalam seragam mengandung air pada kedua kakinya. Minyak (ρ = 0,8 gr/cm3) setinggi 12 cm dituang ke salah satu kakinya. Kemudian alkohol (ρ = 0,7 gr/cm3) dituang ke kaki lainnya sampai permukaan atasnya sejajar dengan permukaan minyak. Tentukan panjang kolom minyak

HUKUM PASCAL 15. Sebuah pompa hidrolik digunakan untuk mengangkat mobil seberat 3 ton. Jika penghisap

LKS Fisika kelas XI IPA besar memiliki diameter 10 kali diameter penghisap kecil, berpakah besar gaya yang diperlukan untuk mengangkat mobil tersebut?

16. Sebuah pompa hidrolik diberi gaya sebesar 10 N. Jika penghisap kecil jari-jarinya 10 kali lebih kecil daripada jari-jari penghisap besar, berapakah massa beban maksimum yang dapat diangkat oleh pompa tersebut?

17. Pada sistem seperti tampak pada gambar di bawah ini, pengisap kiri M memiliki luas penampang 500 cm2 massanya A kg. Pengisap kanan N dengan luas 25 cm2 massanya diabaikan. Sistem diisi minyak yang massa jenisnya 750 kg/cm3. Jika sistem seimbang untuk F sebesar 25 N, tentukanlah massa A! 25 kg

N

2m

M

minyak

HUKUM ARCHIMEDES 18. Sebuah tiang besi (ρ = 8400 kg/m3) yang bermassa 400 kg akan diangkat dari sebuah kapal yang tenggelam. Berapa tegangan kabel pengangkat ketika : a) Patung masih berada di dalam air? b) Patung sudah keluar dari dalam air?

19. Suatu benda dengan massa jenis 8 gr/cm3 memiliki massa 2 kg. Berapakah besar gaya angkat yang dialami benda tersebut jika dicelupkan dalam air? 20. Kubus dari kayu (ρ = 0,8 gr/cm3) mengapung di atas air. Jika sisi kubus 10 cm, berapa tinggi kubus yang ada di atas permukaan air?

21. Sebuah benda mengapung dalam dua lapisan fluida. 50% volume benda berada pada lapisan fluida yang atas (ρ = 0,8 gr/cm3), 20 % berada pada lapisan fuida yang bawah (ρ = 1,2 gr/cm3). Berapakah massa jenis benda?

22. Sebuah gunung es mengapung di laut. Hitunglah berapa persen volume es yang terbenam di bawah air jika diketahui massa jenis air laut 1050 kg/m3 dan massa jenis es 950 kg/m3!

LKS Fisika kelas XI IPA

23. Sebuah balon udara berisi gas hidrogen sebanyak 600 m3 yang massa jenisnya = 0,09 kg/m3 dan massa balon = 250 kg. Jika massa jenis udara di sekitar balon = 1,2 kg/m3, balon udara tersebut mampu mengangkut beban bermassa ....

24. Sebuah balon udara (m = 50 kg) yang volume totalnya 10.000 m3 diisi dengan Helium panas yang massa jenisnya 0,1 kg/m3. Jika massa jenis udara 1,3 kg/m3, hitunglah massa minimal yang dapat diangkat oleh balon tersebut!

25. Sebuah benda diukur beratnya dengan neraca pegas. Ketika di udara beratnya 0,5 N, tetapi di dalam air beratnya 0,3 N. carilah : a) Massa jenis benda? b) Volume benda?

26. Sebuah kubus dengan sisi 0,2 m digantung vertikal pada seitas kawat ringan. Tentukan gaya apung yang dikerjakan fluida pada kubus jika kubus itu : a) Dicelupkan seluruhnya ke dalam air b) Dicelupkan 1/3 bagian di dalam air

27. Sebuah kayu bermassa 2 kg (ρK = 0,5 gr/cm3) mengapung di atas air. Berapakah massa tembaga (ρT = 8,6 gr/cm3)yang harus digantung pada kayu tersebut agar kayu itu melayang di air?

28. Sebuah kubus dengan volume 12,5 m3 dicelupkan ke dalam suatu air dan tinggi bagian yang ada di atas air adalah 10 cm. Carilah : a) massa jenis kubus b) massa kubus

29. Suatu benda mengapung di atas permukaan air raksa yang ada lapisan air di atasnya dengan ½ volume ada di air raksa, 1/3 volume ada di air dan sisanya berada di atas permukaan air. Carilah massa benda tersebut!

30. Sebuah hidrometer setinggi 30 cm dan luasnya 3 cm2 bermassa 60 gr. a) Berapa jauh dari ujung atas hidrometer skala 1 gr/cm3 harus diberi tanda? b) Berapa jauhkah skala 1 gr/cm3 ke skala 2 gr/cm3? c) Jika hidrometer dimasukkan ke dalam suatu

LKS Fisika kelas XI IPA cairan dan jarak dari ujung atas hidrometer adalah 7,5 cm, berapakah massa jenis cairan tersebut?

31. Archimedes menemukan hukumnya di dalam kamar mandi sewaktu sedang berpikir bagaimana ia dapat menguji apakah mahkota raja yang baru dibuat adalah murni dari emas atau tidak. Seperti kita ketahui bahwa massa jenis emas murni adalah 19.300 kg/m3. Untuk itu ia menimbang mahkota ketika berada di udaara dan ketika dicelup seluruhnya di dalam air. Hasil bacaan yang di dapat masing-masing 14,7 N dan 13,4 N. Apakah mahkota itu terbuat dari emas murni atau tidak? Buktikan dengan melakukan perhitungan dan berikan komentar anda! (Marthen Kanginan, Fisika 2B)

32. Sebatang perunggu (logam paduan tembaga dan seng memiliki berat 12,9 gr di udara. Ketika dicelupkan seluruhnya di dalam air beratnya 11,3 gr. Berapakah volume tembaga yan gterkjandung dalam logam paduan? Massa jenis relatif tembaga dan seng masing-masing 9,0 dan 7,2.

TEGANGAN PERMUKAAN 33. Sebuah kawat yang berbentuk U diberi seutas kawat kecil AB yang mempunyai massa 0,2 gr seperti pada gambar di samping ini. Kemudian, kawat tersebut dicelupkan ke air sabun sehingga saat diangkat terbentang lapisan sabun. Karena pengaruh tegangan permukaan fluida, kawat kecil tersebut condong ke atas. Supaya tidak condong, kawat kecil tersebut diberi beban. Jika panjang AB 10 cm dan tegangan permukaan lapisan sabun 0,025 N/m, hitunglah beban yang diberikan supaya kawat kecil menjadi lurus atau seimbang. 34. Suatu zat cair mempunyai tegangan permukaan dengan panjang permukaannya 20 cm. Apabila suatu usaha dilakukan untuk memperluas permukaan zat cair sebesar 0,04 joule, maka panjang permukaan zat cair berubah sebesar 2 cm. Tentukanlah tegangan permukaan zat cair tersebut sekarang! KAPILARITAS 35. Sebuah pipa kapiler mempunyai jari-jari 1 mm dimasukkan ke dalam air. Ternyata kenaikan air dalam pipa kapiler 5 cm. Apabila sudut kontak 600 dan g = 9,8 m/s2, maka tentukan besar tegangan permukaan air!

LKS Fisika kelas XI IPA 36. Pipa kapiler yang berjari-jari 2 mm dimasukkan tegak lurus ke dalam zat cair yang memiliki tegangan permukaan 3x 10-2 N/m. Ternyata permukaan zat cair dalam pipa naik 2 mm. Jika sudut kontak zat cair 37o dan g =10 m/s2, hitunglah massa jenis zat cair! 37. Sebuah pipa kapiler dengan jari-jari 1 mm dimasukkan vertikal ke dalam air yang memiliki massa jenis 1 g/cm3 dan tegangan permukaan 1 N/m. Jika sudut kontak 60º dan percepatan gravitasi g = 10 m/s², maka tentukan besarnya kenaikan permukaan air pada dinding pipa kapiler! 38. Air raksa memiliki massa jenis 13,6 g/cm3. Pada air raksa tersebut dimasukkan tabung kecil dengan diameter 5 mm. Ternyata air raksa di dalam tabung 2 cm lebih rendah dari air raksa di luar tabung. Jika sudut kontaknya 127° (tan 127° =3/4), berapakah tegangan permukaan raksa tersebut? 39. Sumbu kompor minyak tanah memiliki pipa kapiler dengan diameter 0,01 cm. Hitunglah ketinggian maksimum minyak tanah (ρ = 0,7 gr/cm3) yang dapat diangkat oleh sumbu tersebut! (Tegangan permukaan minyak tanah 0,02 N/m)

40. Permukaan air di dalam pipa kapiler berdiameter dalam 1 mm adalah 4 cm di atas permukaan air. Jika sudut kontak pipa 600, carilah besar tegangan permukaan air!

HUKUM STOKES 41. Bola besi berjari-jari 2 cm dimasukkan ke dalam tabung yang berisi oli. Bila koefisien viskositas oli 3,0 × 10-2 Pa s dan kecepatan bola besi 0,3 m/s, tentukan gaya gesekan oli 42. Pada suatu hari hujan turun dengan derasnya. Jika jari-jari tetes air hujan yang jatuh di udara ( ρ = 1,29 kg/m3) adalah 0,2 mm dan koefisien viskositas udara η = 1,8 × 10-5 kg/ms, maka hitunglah kecepatan terminalnya! 43. Sebuah bola yang massa jenisnya 6,26 g/cm3 dan berdiameter 2 cm jatuh ke dalam gliserin yang massa jenisnya 5,10 g/cm3 dan koefisien viskositasnya 1,4 Pa s. Jika g = 10 m/s2, maka tentukan kecepatan terminal bola tersebut! 44. Hitunglah besar kecepatan terminal setetes air hujan berdiameter 0,3 cm jika massa jenis udara 1,3 kg/m3 dam koefisien viskositas η = 1,8 x 10-5 Pa.s

LKS Fisika kelas XI IPA

45. Bola X dan bola Y dari bahan yang sama dilepaskan dari permukaan sebuah zat cair. Jika jari-jari bola X dua kali jari-jari bola Y dan massa jenis Y 1,5 kali massa jenis X, dan massa jenis cairan 0,1 kali massa jenis X, carilah perbandingan kecepatan terminal X dan Y!

SOAL PILIHAN GANDA 1. Gambar di berikut menunjukkan sebuah benda yang terapung pada zat cair yang massa jenisnya 1200 kgm-3. Bila diketahui bagian (A) adalah 1/5 dari benda maka massa joule benda tersebut ialah ........ A. 600 kgm-3 B. 960 kgm-3 C. 1000 kgm-3 D. 1200 kgm-3 E. 1200 kgm-3

2. Bejana berisi air dengan massa jenis 1000 kgm-3. Jika g = 10 ms-2tekanan hidrostatik pada titik p adalah ........ A. 2.105Nm-2 B. 2.103Nm-2 C. 2.104Nm-2 D. 1.103Nm-2 E. 1.104Nm-2 3. Gambar dibawah ini melukiskan dua buah tabung kaca berisi zat cair. Dua tabung yang besarnya lama berisi penuh zat cair, perbandingan massa jenis zat cair dalam tabung 1 dengan massa jenis zat cair dalam tabung II = 4 : 5. Maka titik pada tabung I yang mempunyai tekanan sama besar dengan tekanan titik P pada tabung II adalah . . . . A. K B. L C. M D. N E. O

4. Perhatikan gambar berikut. Bejana berujungan A dan

LKS Fisika kelas XI IPA B mula-mula hanya berisi air (ρair= 1 gr cm-3) lalu lewat mulut tabung B dimasukkan alkohol setinggi 20 cm (ρalk = 0,8 gr cm-3) dan melalui mulut tabung A dimasukkan air raksa (ρraksa = 13,6 gr cm-3) setinggi 1 cm. Hitunglah selisih ketinggian air ketika ketiga zat cair ada dalam tabung ........ A. 1,8 cm B. 2,4 cm C. 3,6 cm D. 4,8 cm E. 5,4 cm

5. Air dan minyak dimasukkan ke dalam bejana berhubungan dari lubang yang berbeda. Setelah mencapai kesetimbangan didapat gambar di samping. Bila massa jenis air 1 gram cm-3 dan massa jenis minyak 0,8 gram cm-3. Selisih tinggi permukaan air dan minyak pada bejana adalah ...... A. 1 cm B. 2 cm C. 3 cm D. 4 cm E. 5 cm

6. Apabila benda yang terapung di air massanya m mendapatkan gaya ke atas F maka .... A. F > mg B. F = m C. F < mg D. F < m E. F = mg

LKS Fisika kelas XI IPA

7. Sepotong kaca di udara memiliki berat 25,0 N. Jika dimasukkan ke dalam air beratnya menjadi 15,0 N. Bila massa jenis air adalah 1,00 x 103 kg/m3.dan percepatan gravitasinya 10 m/s2 maka massa jenis kaca adalah ........ A. 1,5 x 103 kg/m3 B. 2,5 x 103 kg/m3 C. 3,5 x 103 kg/m3 D. 4,5 x 103 kg/m3 E. 5,5 x 103 kg/m³

8. Drum yang memiliki volume rata-rata 450 liter digunakan untuk membuat jembatan ponton (terapung di atas air). Jika setiap drum menopang gaya 1500 N, bagian drum yang tercelup sebesar ........ A. 3/4 bagian B. 2/3 bagian C. 1/2 bagian D. 1/3 bagian E. 1/4 bagian

9. Sebuah benda homogen mengapung di atas air (ρair = 1 gr/cm³) dan 7/10 bagian dari benda berada di bawah permukaan air, maka massa jenis benda adalah ........ A. 0,5 gr/cm³ B. 0,6 gr/cm³ C. 0,7 gr/cm³ D. 0,8 gr/cm³ E. 0,3 gr/cm³

10. Dua bejana A dan.B diisi dengan zat cair yang berbeda massa jenisnya, terlihat seperti pada gambar. Jika tekanan di dasar A sama dengan 4/5 tekanan di dasar B dan massa jenis zat cair A 1.000 kg m-3, maka massa jenis zat cair di B adalah ........

LKS Fisika kelas XI IPA A. 1250 kg m-3 B. 2500 kg m-3 C. 3000 kg m-3 D. 4000 kg m-3 E. 5000 kg m-3

11. Sepotong kayu terapung, dengan 3/5 bagian tercelup di dalam air. Jika massa jenis air 1 x 10³ kg/m³, maka massa jenis kayu adalah ........ A. 2 x 10² kg/m³ B. 4 x 10² kg/m³ C. 6 x 10² kg/m³ D. 8 x 10² kg/m³ E. 10 x 10² kg/m³

12. Gambar di bawah menunjukkan sebatang pipa kaca yang berisi udara. Ujung pipa bawah tertutup sedang ujung atas tertutup oleh air raksa yang tingginya 5 cm. Jika g = 10 m/s², massa jenis air raksa 13,6 gr/cm³ dan tekanan udara luar 76 cm Hg. Maka tekanan udara di dalam kaca adalah ........ A. 0 B. 15 cm Hg C. 76 cm Hg D. 81 cm Hg E. 91 cm Hg

13. Sebuah benda bermassa 10 kg dan massa jenis 5 gram/cm³, dicelupkan seluruhnya kedalam, air yang massa jenisnya 1 gram/cm³ . Jika percepatan gravitasi 10 m s-2. maka gaya ke atas yang dialami benda adalah ........ A. 20 N

LKS Fisika kelas XI IPA B. 50 N C. 100 N D. 200 N E. 500 N 14. Penghisap P mempunyai luas penampang 0,75 cm3 yang bergerak bebas tanpa gesekan sehingga dapat menekan pegas sejauh x. Jika konstanta pegas 75 N/m dan massa jenis zat cair 500 kg/m3, maka x = ... cm A. 0,4 B. 0,5 C. 0,6 P 1m D. 0,7 Zat cair E. 1

x (SPMB 2003) 15. Jarum dapat terapung pada permukaan air karena ... A. Massa jenis jarum lebih kecil daripada air B. Massa jenis jarum lebih besar daripada air C. Gaya apung Archimedes D. Berat jenis jarum sama dengan berat jenis air E. Tegangan permukaan air (UMPTN 1993 16. Untuk menentukan massa jenis zat cair dirangkai alat seperti gambar di atas. Pegisap P dapat bergerak bebas dengan luas penampang 1 cm2. Jika konstanta pegas 100 N/m dan pegas tertekan sejauh 0,4 cm, maka massa jenis zat cair (dalam kg/m3) adalah ... A. 0,4 B. 0,5 C. 0,6 P D. 0,7 1m E. 1 Zat cair

X = 0,4 (UMPTN 1997) cm 17. Sebuah balon dengan diameter 10 m berisi udara panas. Kerapatan udara di dalam bola adalah 75% kerapatan udara luar (kerapatan udara luar (1,3 kg/m3). Besar massa total maksimum penumpang dan beban yang masih dapat diangkut balon tersebut adalah ... (g = 10 m/s2) A. Nol B. 1,3 kg C. 170 kg D. 510 kg E. 680 kg

LKS Fisika kelas XI IPA (UMPTN 1989) 18. Sebuah benda terapung di atas permukaan air yang berlapiskan minyak dengan volume 50% volume benda di dalam air, 30% di dalam minyak dan sisanya berada di atas permukaan minyak. Jika massa jenis minyak 0,8 gr/cm3, maka massa jenis benda tersebut adalah ... gr/cm3 A. 0,62 B. 0,68 C. 0,74 D. 0,78 E. 0,82 (UMPTN 1993) 19. Sebuah balok es terapung di dalam bejana berisi air. Jika diketahui massa jenis es dan air masing-masing adalah 0,90 gr/cm3 dan 1 gr/cm3 maka bagian es yang terendam dalam air adalah ... A. 90% B. 75% C. 65% D. 25% E. 10% (SPMB 2004) 20. Kenaikan permukaan fluida yang cekung dalam pipa kapiler berbanding lurus dengan pertambahan ... (1) sudut kontak permukaan fluida (2) jari-jari pipa kapiler (3) massa jenis fluida (4) tegangan permukaan fluida (UMPTN 1995)