BAHAN AJAR FISIKA KELAS XI SEMESTER II

SUARTI, S.Si,S.Pd

SMA NEGERI 2 TINGGIMONCONG

2009/2010

Suatu zat yang mempunyai kemampuan untukmengalir dinamakan fluida atau zat alir. Mekanikafluida yang mengkaji fluida diam dinamakan fluidastatis (hidrostatika)

Beberapa sifat fisis fluida dapat dipahami lebih jelassaat fluida dalam keadaan diam :• Tekanan• Tegangan permukaan• Viskositas.

INDIKATOR :1. Memformulasikan hukumdasar fluida statis2. Menerapkan hukumdasar fluida statis pada masalah fisika

sehari-hari

MASSA JENISMassa jenis atau kerapatan merupakan salah sati sifat fisis zat

yang menyatakan perbandingan massa zat dengan volume zattersebut.

Dengan: ρ = massa jenis (kg/m3)m = massa zat (kg)V = volume zat (m3)

Satuan massa jenis sering juga dinyatakan dengan g/cm3

1 g/cm3 = 1000 kg/m3

Atau1 kg/m3 = 0,001 g/cm3

TEKANAN PADA FLUIDA

Fluida selalu memberikan tekanan pada setiap bidangpermukaan yang bersinggungan dengannya. Tekanandidefenisikan sebagai gaya yang bekerja tegak lurus pada suatubidang persatuan luas bidang itu.

Dengan : P = tekanan (Nm-2 , Pa)F = Gaya (N)

A = Luas bidang (m2)

Untuk keperluan cuaca digunakan satuan tekanan yang lain

yaitu atmosfir (atm), cm-raksa (cmHg) dan milibar (mb)

1 mb = 0,001 bar1 bar = 105 Pa1 atm = 76 cmHg = 1,01 x 105 Pa = 1,01 bar

TEKANAN HIDROSTATIS

Sebuah gelas dengan luas penampang A berisi airyang massanya m dengan ketinggian h diukur daridasar gelas, besarnya tekanan hidrostatais didasargelas :h

Karena dalam keadaan statik, air hanya melakukan gaya beratsebagai akibat gaya grafitasi bumi, maka :

dimana

jadi

TEKANAN ATMOSFER

Tekanan pada satu kedalaman tertentu didalam zat cair jugadipengaruhi oleh tekanan atmosfer yang menekan lapisan zat cairpaling atas. Jadi tekanan total pada suatu kedalaman tertentudidalam zat cair dirumuskan :

h

Po

Pt = Po + ρ g h

Dengan :Pt = Tekanan total (N/m2, Pa)Po = Tekanan atmosfer (atm, Pa)ρ = massa jenis zat (kg/m3 )g = Percepatan gravitasi ( m/s2 )h = kedalaman zat cair diukur dari permukaannya

ketitik yang diberi tekanan (m)

CONTOH SOAL

1. Sebuah wadah berisi air (massa jenis 1000 kg/m3)setinggi 70 cm.berapakah besarnya tekananhidrostatis yang bekerja pada dasar wadahtersebut (g : 9,8 m/s2)

2. Diketahui tekanan hidrostatis yang bekerjapada dasar wadah yang berisi raksa adalah86.632 Pa. berapakah ketinggian raksa padawadah (g : 9,8 m/s2)

3. Berapakah besar tekanan didasarkolam renang yang dalamnya 2 mdan berisi air bersih jika tekananatmosfer 72 cm Hg, g = 9,8 m/s2,massa jenis raksa = 13.600 kg/m3

HUKUM-HUKUM PADA FLUIDA STATIS

HUKUM POKOK HIDROSTATIS

“Setiap titik yang terletak pada bidang datar di dalam suatuzat cair memiliki tekannan hidrostatis yang sama “

A B

airminyak hA

hB

Titik A dan titik B berada pada satu bidangdatar dan dalam satu jenis zat cair.Berdasarkan hukum pokok hidrostatik makakedua titik tersebut memiliki tekanan yangsama

HUKUM PASCAL

Hukum pascal berbunyi : “ Tekanan yang diberikan kepada zat cairdidalam ruang tertutup diteruskan sama besar kesegala arah. “

Prinsip Kerja Hukum Pascal

A1 A2

F1

F2

P1

P1

Jadi,

Dengan :

F1 = gaya pada A1 (N)F2 = gaya pada A2 (N)A1 = luas penampang 1(m2)A2 = luas penampang 2 (m2)

Karena A2 > A1 maka F2 > F1, hal ini meyebabkan gayayang bekerja pada penampang A2 menjadi lebih besar

Hukum Archimedes

“ sebuah benda yang tercelup sebagian atau seluruhnya ke dalam air atau zat cair lain akan mengalami gaya keatas yang besarnya samadengan berat zat cair yang dipindahkan”

Jika berat benda diudara W, berat benda didalam zat cair W’, maka gaya ke atas (Fa):

Fa = W – W’

Menurut archimedes

Fa = Wf Wf = mf g dan mf = ρf Vf

Maka

Fa = ρf Vf g Dengan :ρf = massa jeni fluida (zat cair)Vf = volume zat cair yang dipinadahkang = percepatan garvitasi bumi

Jika benda yang tercelup di dalam zat cair, maka selalu bekerja gayakeatas dan gaya berat yang berarah kebawah, jadi berdasarkanbesaranya kedua gaya ini posisi benda dalam zat cair dapat digolongkang menjadi tiga yaitu : melayang, tenggelam dan terapung

Mengapung

W

Fa

Gaya berat benda ( W) lebih kecil gaya keatas (Fa )Hanya sebagian benda yang tercelup dalam airVolume zat cair yang dipindahkan (Vf ) sama denganvolume benda yang tercelup kedalam zat cairVolume zat cair yang dipindahkan (Vf ) lebih kecil darivolume benda seluruhnya ( Vb )

Fy= 0W = Fa

mb g = mf g(Vb ρb ) g = (Vf ρf ) g

Vb ρb = Vf ρf

ρb = Vf ρf

Vb

karena Vf < Vb , maka ρb < ρf

Melayang

W

Fa

Gaya berat benda (W) sama dengan berat zatcair yang dipindahkan (Fa)Seluruh benda tercelup didalam zat cairVolume zat cair yang dipindahkan (Vf) samadengan volume benda seluruhnya (Vb)

W = Fa

mb g = mf g(Vb ρb ) g = (Vf ρf ) g

Vb ρb = Vf ρf

Karena Vf = Vb, maka ρb = ρf

Jadi pada kasus melayang, massa jenis benda sama dengan massajenis zat cair

Tenggelam

W

Fa

Gaya berat benda (W) lebih besar daripadagaya keatas (Fa)Seluruh benda tercelup didalam zat cairVolume zat cair yang dipindahkan (Vf) samadengan volume benda (Vb)

W > Fa

mb g > mf g(Vb ρb ) g > (Vf ρf ) g

Vb ρb > Vf ρf

Karena Vb = Vf, maka ρb > ρf

Jadi pada kasus tenggelam, massa jenis benda lebih besar dari padamassa jenis zat cair

N

F = 0N + FA – W = 0

N + FA = WN + (mf g) = (mb g)

N = (mb g) - (mf g)

Contoh Soal

1. Sebuah pipa berbentu U berisi dua jenis cairan, yaitu air dan minyak(seperti pada gambar). Perbedaan ketinggian permukaan pda keduakaki pipa U tersebut adalah 5 cm. jika massa jenis air 1000 kg/m3, tentukan massa jenis minyak.

A B

air

minyak15 cm

5 cm2. Sebuah mesin pengangkat mobil

mempunyai dua buah piston dengandiameter 50 cm dan 200 cm. jika beratmobil yang diangkat adalah 20000 N,tentukan gaya tekan yang harusdiberikan untuk mengangkat mobiltersebut

3. Sebuah balok ditimbang diudara dan diperoleh beratnya 100 N danjika ditimbang didalam air sambil dicelupkan seluruhnya diperolehberat 75 N. tentukan massa jenis balok

4. Didalam bejana yang berisi air mengapung segumpal es yang massajenisnya 0,9g/cm3. volume es yang tercelup pada air adalah 0.18 m3.Tentukan volume es seluruhnya

5. Balok yang tingginya 30 cm dan massa jenisnya 0,75 gr/cm3

mengapung di atas zat cair yang massa jenisnya 1,2 gr/cm3 .Tentukan tinggi balok yang muncul dipermukaan air

6. Sepotong gabus (massa jenis 0,24 gr/ cm3) diletakkan pada 4 cm3

kaca (massa jenis 2,5 gr/ cm3). Bila seluruhnya melayang dalam air,tentukan volume gabus!

7. Sebuah benda dengan massa jenis 0,7 gr/cm3 dan volume 150 cm3

terapung diatas permukaan air (ρair =1 gr/cm3 ), jika benda ini dilapisidengan pelat logam (ρl =2,7 gr/cm3 )benda tersebut akan melayangdalam air. Tentukan massa pelat logam yang dilapiskan tersebut

8. Diketahui berat suatu benda diudara 100 N, sedangkan biladitimbang didalam air beratnya 50 N. tentukan massa jenis bendatersebut.

TEGANGAN PERMUKAAN ZAT CAIR

Tegangan permukaan zat cair adalah kecendurungan permukaanzat cair untuk meregang sehingga permukaannya seperti ditutupioleh suatu lapisan elastis.

Untuk menghitung besarnya tegangan permukaan, misalnya sebuahkawat kecil yang panjangnya L terapung dipermukaan suatu zat cair.Dimana jika gaya yang tegak lurus terhadap kawat dan terletakdipermukaan zat cair adalah F, maka tegangan permukaan ()didefenisikan sebagai :

“ besar gaya (F) yang dialami pada permukaan zat cair per satuanpanjang (L)”

GEJALA MENISKUS

Kelengkungan permukaan zat cair di dalam tabung dinamakan meniskusGaya kohesi adalah gaya tarik menarik antara partikel sejenisGaya adhesi gaya tarik menarik antarapartikel tidak sejenis

Air (menisku cekung) Raksa (meniskus cembung)

Gaya kohesi gaya adhesi, ( 90o )

Gaya kohesi gaya adhesi(90o 180o)

Dimana : sudut kontak

KAPILARITAS

Kapiliritas : Peristiwa naik dan turunnya permukaan zat cair dalampipa kapiler (pipa sempit)

Kenaikan atau penurunan permukaan zat cair dalam pipa kapilerdapat dihitung dengan persamaan

Dengan : h = kenaikan/penurunan zat cair dalam pipa (m) = tegangan permukaan zat cair (N/m) = sudut kontakρ = massa jenis (kg/m3)g = perceptan gravitasi (m/s2)r = jari-jari pipa kapiler (m)

VISKOSITAS FLUIDA DAN HUKUM STOKES

Viskositas merupakan ukuran kekentalan fluida (koefisienviskositas) yang menyatakan besar kecilnya gesekan didalamfluida.

Jika suatu benda bergerak dengan kelajuan v dalam suatu fluidakental yang koefisien viskositasnya η, maka benda tersebut akanmengalami gaya gesekan fluida sebesar :

Dengan : k = konstanta yang bergantung pada bentuk geometris benda

Pada tahun 1845 Sir George Stokes menunjukkan bahwa benda yangbentuk geometrisnya berupa bola nilai k = 6πr

Persamaan ini dikenal dengan hukum stokes

Dengan :Fs = gaya gesekan Stokes (N)η = koefisien viskositas fluida (Pa s)r = jari-jari bola (m)v = kelajuan bola (m/s)

Jika sebuah bola yang dijatuhkan bebas didalam fluida kental,kecepatannya makin membesar sampai mencapai suatukecepatan maksimum (terbesar) yang tetap. Kecepatanmaksimum yang tetap ini dinamakan kecepatan terminal

W

Fa Fs

Karena benda bergerak dengan kecepatan tetap, makaberlaku hukum I Newton :

Dengan v = kecepatan terminal (m/s)

C O N T O H S O A L

1. Berapakah besarnya kenaikan air didalam pipa kapiler yangterbuat dari kaca yang berdiameter 0,6 mm apabila teganganpermukaan 72,8 x 10-3 N/m (ρair : 1000 kg/m3 , g : 9,8 m/s sudutkontaknya 00)

2. Sebuah pipa kapiler yang berdiameter 0,6 mm dimasukkansecara tegak lurus kedalam sebuah bejana yang berisi raksa(ρraksa : 13600 kg/m3), sudut kontak raksa dengan dinding pipaadalah 140o . Bila tegangan permukaan raksa adalah 0,06 N/m,maka berapakah penurunan raksa dalam pipa kapiler !

3. Sebuah bola baja yang berjari-jari 2mm dijatuhkan dalam minyak(ρ : 965 kg/m3 ) yang mempunyai koefisien viskositas 1,2 kg/ms.Jika massa jenis benda 8,1 x103 kg/m3, berapakah kecepatanmaksimumbola baja tersebut?