E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI 1 FLUIDA STATIK FISIKA KELAS XI PENYUSUN Fuzi Warisnan Nilam Sari PROGRAM STUDI PENDIDIKAN FISIKA FAKULTAS PENDIDIKAN MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVESRITAS PENDIDIKAN INDONESIA
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI 2 KATA PENGANTAR Assalamu’alaikum Wr.Wb Alhamdulillahirabbil’Alamin. Puji syukur kehadirat Allah SWT atas berkat dan limpahan Rahmat, hidayah-Nya penulis dapat menyelesaikan modul ini. Solawat serta salam kepada Nabi Muhammad SAW sebagai suri tauladan umat muslim. E-modul ini disusun dengan tujuan untuk membantu peserta didik dalam memahami materi Elastisitas dan fluida statis terhadap kemampuan berpikir kritis peserta didik, Insya Allah. Selain itu modul ini juga bertujuan untuk memudahkan guru dalam pelaksanaan pembelajaran. Penulis menyadari dalam penyajian E-modul ini masih terdapat kekurangan, oleh karena itu penulis mengharapkan saran dari pembaca demi tercapainya tujuan E-modul ini. Penulis juga mengucapkan terimakasih kepada rekan-rekan yang sudah memberikan saran atas pengerjaan E-modul ini. Akhir kata, semoga E-modul ini bermanfaat sebagaimana seperti yang sudah diharapkan. Wassalamu’alaikum Wr.Wb Bandung, 13 Juni 2023 Penulis
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI 3 DAFTAR ISI Daftar Isi PENDAHULUAN ............................................................................................................................... 5 A. Identitas Modul................................................................................................................................ 5 B. Kompetensi Inti ............................................................................................................................... 5 C. Kompetensi Dasar........................................................................................................................... 6 D. Deskripsi Singkat Materi............................................................................................................... 6 E. Petunjuk Penggunaan Modul....................................................................................................... 6 F. Indikator Pencapaian Kompetensi ............................................................................................ 6 G. Materi Pembelajaran...................................................................................................................... 7 H. Materi Prasyarat.............................................................................................................................. 7 I. Bagan Materi..................................................................................................................................... 7 KEGIATAN PEMBELAJARAN 1 TEKANAN HIDROSTATIK, HUKUM PASCAL, DAN HUKUM ARCHIMEDES.................... 8 A. Tujuan Pembelajaran..................................................................................................................... 8 B. Uraian Materi.................................................................................................................................... 8 1. Konsep Fluida............................................................................................................................... 8 2. Massa Jenis.................................................................................................................................... 8 3. Tekanan ......................................................................................................................................... 9 4. Tekanan Hidrostatik.................................................................................................................. 9 5. Hukum Pokok Hidrostatika...................................................................................................10 6. Hukum Pascal.............................................................................................................................13 7. Hukum Archimedes..................................................................................................................15 C. Rangkuman .....................................................................................................................................17 D. Penugasan Mandiri .......................................................................................................................18 E. Latihan Soal.....................................................................................................................................18 F. Penilaian Diri..................................................................................................................................19 KEGIATAN PEMBELAJARAN 1 TEKANAN HIDROSTATIK, HUKUM PASCAL, DAN HUKUM ARCHIMEDES...................21 A. Tujuan Pembelajaran...................................................................................................................21 B. Uraian Materi..................................................................................................................................21 1. Tegangan Permukaan ..........................................................................................................21 2. Kapilaritas ...............................................................................................................................23 3. Viskositas.................................................................................................................................25 C. Rangkuman .....................................................................................................................................27
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI 4 D. Latihan Soal.....................................................................................................................................28 E. Penilaian Diri..................................................................................................................................28 Evaluasi........................................................................................................................................................30
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI 5 PENDAHULUAN A. Identitas Modul Mata Pelajaran : Fisika Kelas : XI Judul Modul : Fluida Statis Alokasi Waktu : 2 kali pembelajaran B. Kompetensi Inti KI-1 (Spiritual) Menghayati dan mengamalkan ajaran agama yang dianutnya KI-2 (Sosial) Menunjukkan perilaku jujur, disiplin, tanggung jawab, peduli (gotong royong, kerja sama, toleran, damai), santun, responsif, dan pro-aktif sebagai bagian dari solusi atas berbagai permasalahan dalam berinteraksi secara efektif dengan lingkungan sosial dan alam serta menempatkan diri sebagai cerminan bangsa dalam pergaulan dunia KI-3 (Pengetahuan) Memahami, menerapkan, menganalisis dan mengevaluasi pengetahuan faktual, konseptual, prosedural, dan metakognitif berdasarkan rasa ingin tahunya tentang ilmu pengetahuan, teknologi, seni, budaya, dan humaniora dengan wawasan kemanusiaan, kebangsaan, kenegaraan, dan peradaban terkait penyebab fenomena dan kejadian,serta menerapkan pengetahuan prosedural pada bidang kajian yang spesifik sesuai dengan bakat dan minatnya untuk memecahkan masalah KI-4 (Keterampilan) Mengolah, menalar, menyaji, dan mencipta dalam ranah konkret dan ranah abstrak terkait dengan pengembangan dari yang dipelajarinya di sekolah secara mandiri serta
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI 6 bertindak secara efektif dan kreatif, dan mampu menggunakan metoda sesuai kaidah keilmuan C. Kompetensi Dasar 3.3 Menerapkan hukum-hukum fluida statik dalam kehidupan sehari-hari 4.3 Merancang dan melakukan percobaan yang memanfaatkan sifat-sifat fluida statik, berikut presentasi hasil dan percobaan dan pemanfaatannya D. Deskripsi Singkat Materi Semangat belajar. Semoga kita semua selalu sehat dan dalam lindungan Allah SWT. Modul ini akan mempelajari konsep dasar fluida statik, yang di dalamnya meliputi konsep tekanan hidrostatik, Hukum Hidrostatika, Hukum Archimedes, Hukum Pascal, konsep tegangan permukaan pada zat cair, kapilaritas dan viskositas. Setelah mempelajari materi yang ada dalam modul ini, diharapkan kalian dapat menerapkan konsep yang telah dipelajari dalam menyelesaikan masalah dalam kehidupan sehari-hari. Sebagai prasyarat atau bekal dasar agar bisa mempelajari modul ini dengan baik, maka kalian diharapkan sudah mempelajari: konsep Hukum Newton, konsep energi kinetik, energi potensial, hukum kekekalan energi, dan konsep perubahan bentuk benda. E. Petunjuk Penggunaan Modul 1. Pahami setiap konsep yang disajikan pada uraian materi yang disajikan dan contoh soal pada tiap kegiatan belajar dengan baik dan cermat. 2. Jawablah dengan benar soal tes formatif yang disediakan pada tiap kegiatan belajar. 3. Jika terdapat tugas untuk melakukan kegiatan praktik, maka bacalah terlebih dahulu petunjuknya, dan bila terdapat kesulitan tanyakan pada guru. F. Indikator Pencapaian Kompetensi 1. Menjelaskan konsep fluida statik
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI 7 2. Mendeskripsikan konsep tekanan, tekanan hidrostatika dan hukum pokok hidrostatika 3. Menjelaskan hukum Pascal 4. Menjelaskan hukum Archimedes 5. Mendeskripsikan konsep tegangan permukaan pada zat cair 6. Mengidentifikasi gejala meniscus 7. Mengidentifikasi gejala kapilaritas 8. Menjelaskan konsep viskositas fluida 9. Menerapkan fluida statik dalam kehidupan sehari-hari G. Materi Pembelajaran Modul ini terbagi menjadi 2 kegiatan pembelajaran dan di dalamnya terdapat uraian materi, contoh soal, soal latihan dan soal evaluasi. H. Materi Prasyarat 1. Gaya 2. Tekanan I. Bagan Materi FLUIDA STATIK TEKANAN HIDROSTATIK HUKUM POKOK HIDROSTATIKA HUKUM PASCAL HUKUM ARCHIMEDES TEGANGAN PERMUKAAN KAPILARITAS VISKOSITAS
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI 8 KEGIATAN PEMBELAJARAN 1 TEKANAN HIDROSTATIK, HUKUM PASCAL, DAN HUKUM ARCHIMEDES A. Tujuan Pembelajaran Setelah kegiatan pembelajaran 1 ini diharapkan peserta didik mampu: 1. Mengaplikasikan Hukum Hidrostatika dalam menyelesaikan permasalahan; 2. Menerapkan konsep tekanan hidrostatik untuk menyelesaikan suatu permasalahan; 3. Menerapkan Hukum Pascal untuk menyelesaikan suatu permasalahan; 4. Mengaplikasikan Hukum Archimedes dalam menyelesaikan permasalahan dalam kehidupan sehari-hari. B. Uraian Materi 1. Konsep Fluida Fluida merupakan zat yang sering kita temui dalam kehidupan sehari-hari. Fluida merupakan zat yang dapat mengalir, jadi zat cair dan gas merupakan fluida. Fluida memang zat yang dapat mengalir, tetapi tidak setiap saat fluida itu mengalir terkadang fluida itu diam. Oleh karena itu pada makalah ini kita akan membahas tentang fluida yang diam atau fluida statik. 2. Massa Jenis Setiap benda memiliki kerapatan massa yang berbeda beda serta merupakan sifat alami dari benda tersebut. Dalam ilmu fisika, massa jenis atau densitas atau rapatan adalah pengukuran massa setiap satuan volume benda. Secara matematis dapat ditulis sebagai berikut: = Berikut adalah tabel massa jenis dari beberapa bahan. Nama Bahan Massa Jenis (g/cm³) Air 1,00 Alumunium 2,7
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI 9 Baja 7,8 Gliserin 1,26 Kuningan 8,6 Perak 10,5 3. Tekanan Tekanan didefinisikan sebagai besar gaya yang bekerja pada permukaan benda tiap satuan luas. = Keterangan : P = tekanan (Pa atau Nm-2 ) F = gaya tekanan (N) A = luas permukaan tekanan (m2 ) Satuan tekanan yang sering digunakan : 1 bar = 105 Pa 1 atm = 76 cmHg = 760 mmHg = 1,01 bar = 1,01 x 105 Pa 4. Tekanan Hidrostatik Tekanan hidrostatik adalah tekanan yang diberikan oleh air ke semua arah pada titik ukur manapun akibat adanya gaya gravitasi. Tekanan hidrostatik akan meningkat seiring dengan bertambahnya kedalaman diukur dari permukaan air. Akibat gaya gravitasi, berat partikel air akan menekan partikel dibawahnya, dan begitu pula partikel-partikel air di bawahnya akan saling menekan hingga ke dasar air sehingga tekanan dibawah akan lebih besar dari tekanan diatas. Jadi, semakin dalam kita menyelam dari permukaan air, maka akan semakin banyak volume air yang ada di atas kita dengan permukaan air sehingga tekanan yang diberikan air pada tubuh kita (tekanan hidrostatis) akan semakin besar.
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI 10 Secara umum, dapat dirumuskan: ℎ = ℎ Keterangan : Ph = tekanan hidrostatik (Pa) = massa jenis zat cair (kg/m2 ) = percepatan gravitasi (m/s2 ) ℎ = kedalaman zat cair dari permukaan (m) Jadi semakin besar jarak titik ukur dengan permukaan air, maka akan semakin besar tekanan hidrostatik pada titik tersebut. 5. Hukum Pokok Hidrostatika Tekanan yang berlaku pada zat cair adalah tekanan hidrostatik, yang besarnya dipengaruhi oleh kedalamannya. Hukum pokok hidrostatika menyatakan “semua titik yang terletak pada satu bidang dalam satu jenis zat cair memiliki tekanan yang sama.” Sumber : nesabamedia.com Jadi, dapat disimpulkan: ℎ = ℎ Rumus Hukum Pokok Hidrostatik Gaya berat fluida dalam tabung yang memiliki luas dasar A, dinyatakan dengan w, dan tekanan permukaan zat cair dinyatakan dengan 0 sehingga tekanan hidrostatiknya dapat ditulis : ℎ = 0 +
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI 11 Dengan : = = Volume fluida = ℎ Sehingga : = = ℎ Dengan demikian didapat : ℎ = 0 + ( ℎ ) ℎ = 0 + ( ℎ ) Dan jika tekanan permukaan zat cair 0 diabaikan atau 0 = 0, maka tekanan hidrostatiknya diformulasikan dengan rumus berikut : ℎ = ℎ Keterangan ℎ = tekanan hidrostatis (Pa) = massa jenis zat cair (kg/m3) = percepatan gravitasi (m/s2 ) ℎ = kedalaman/tinggi titik ukur dari permukaan (m) Dari persamaannya, dapat dikatakan bahwa titik-titik yang berada pada kedalaman yang sama mengalami tekanan hidrostatik yang sama pula. Dan semakin jauh posisi titik dari permukaan zat cair (fluida), maka tekanan hidrostatiknya akan semakin tinggi.
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI 12 Grafik Hubungan antara Tekanan Hidrostatik dengan Kedalaman Kedalaman zat cair juga mempengaruhi tekanan hidrostatik pada zat cair. Semakin jauh suatu titik dalam zat cair dari permukaannya, maka akan semakin besar tekanan hidrostatiknya. Maksudnya adalah tekanan hidrostatik akan semakin meningkat seiring dengan bertambahnya kedalaman titik zat cair. Grafik Hubungan Massa Jenis terhadap Tekanan Hubungan massa jenis zat cair terhadap tekanan zat cair adalah berbanding lurus. Artinya, jika massa jenis zat cair semakin besar, maka tekanannya pun akan semakin besar pula. Contoh soal Seorang penyelam pada kedalaman 3 m, massa jenis air 1000 /3 , konstanta gravitasi pada tempat tersebut adalah 10 N/kg. Berapa besar tekanan hidrostatik yang dialami penyelam tersebut? Pembahasan Diketahui:
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI 13 ℎ = 3 = 1000 /3 = 10 / 2 Ditanyakan: ℎ = ⋯ ? ℎ = . . ℎ = 1000 × 10 × 3 = 30.000 = 30 6. Hukum Pascal Hukum Pascal berbunyi : “Tekanan yang diberikan pada zat cair dalam ruang tertutup diteruskan sama besar ke segala arah”. Sumber : studiobelajar.com 1 = 2 1 1 = 2 2 Keterangan : 1 = tekanan pada penampang 1 (Pa) 2 = tekanan pada penampang 2 (Pa) 1 = gaya pada penampang 1 (N)
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI 14 1 = gaya pada penampang 2 (N) 1 = luas penampang 1 (m2 ) 2 = luas penampang 2 (m2 ) Penerapan hukum Pascal: 1) Dongkrak, rem dan mesin pres hidrolik 2) Pompa ban sepeda 3) Mesin hidrolik pengangkat mobil Contoh soal Perhatikan gambar berikut! Sebuah pengungkit hidrolik digunakan untuk mengangkat mobil. Udara bertekanan tinggi digunakan untuk menekan piston kecil yang memiliki jari-jari 5 cm. Tekanan yang diterima diteruskan oleh cairan di dalam sistem tertutup ke piston besar yang memiliki jari-jari 15 cm. Berapa besar gaya yang harus diberikan udara bertekanan tinggi untuk mengangkat mobil yang memiliki berat sebesar 13.300 N? Pembahasan Dengan menggunakan rumus hukum Pascal, 2 2 = 1 1 dapat dicari nilai gaya yang diperlukannya dengan rumusan berikut. 1 = ( 1 2 ) 2 Sehingga didapat: 1 = (5×10−2 ) 2 (15×10−2 )2 (13.300 ) 1 = 25 225 (13.300 )
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI 15 1 = 1.480 7. Hukum Archimedes Hukum Archimedes menjelaskan hubungan antara gaya berat dan gaya ke atas (gaya apung) pada suatu benda jika dimasukkan ke dalam fluida. Akibat adanya gaya angkat ke atas (gaya apung), benda yang ada di dalam fluida, beratnya akan berkurang. Sehingga, benda yang diangkat di dalam fluida akan terasa lebih ringan dibandingkan ketika diangkat di darat. Prinsip Archimedes berlaku: “Sebuah benda yang dicelupkan ke dalam fluida akan mendapat gaya ke atas sebesar berat zat cair yang dipindahkannya”. Gaya Apung dapat dirumuskan : = − Gaya Archimedes dapat dirumuskan : = . . Keterangan : = gaya Archiemedes (N) = massa jenis fluida (kg/m3 ) = volume benda yang tercelup (L) = percepatan gravitasi (m/s2 ) Persamaan dari hukum Archimedes = Hukum Archimedes digunakan untuk menentukan letak benda yang dicelupkan ke dalam suatu fluida. Sumber :teks.co.id Kasus yang terjadi pada benda terhadap fluida : 1) Terapung
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI 16 Terjadi apabila : < < < 2) Melayang Terjadi apabila : = = = 3) Tenggelam Terjadi apabila : > = > Massa jenis benda terapung dapat dihitung : = atau = Penerapan Hukum Archimedes 1) Hidrometer, digunakan untuk mengukur massa jenis fluida 2) Kapal laut, agar dapat tetap mengapung. Besi dibuat berongga, sehingga volume air yang dipindahkan menjadi besar, dan me- nyebabkan gaya apung menjadi besar. 3) Kapal selam, diberi tangki pemberat yang dapat diisi sesuai keperluan. Agar mengapung maka tangki diisi udara, sedangkan agar tenggelam maka tangki akan diisi air. 4) Balon udara, balon akan diisi gas panas sehingga volumenya bertambah agar naik. Setelah mencapai ketinggian yang diinginkan, volume balon dijaga agar balon udara melayang. Jika ingin turun maka gas panas harus dikeluarkan sehingga volume balon berkurang. Contoh soal Sebuah benda ketika berada di udara memiliki berat 500 N, sedangkan ketika dicelupkan dalam air seluruhnya memiliki berat 400 N. Jika massa jenis air 1000 /3 , hitunglah massa jenis benda! Pembahasan Diketahui:
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI 17 = 500 = 400 = 1000 /3 Ditanya: = ⋯ ? = − . . = 500 − 400 1000 . 10 . = 100 = 0,01 3 = 10 3 C. Rangkuman 1. Tekanan didefinisikan sebagai gaya yang bekerja tegak lurus pada suatu bidang dibagi dengan luas bidang itu. Secara matematis, = 2. Hukum Hidrostatika mengatakan semua titik yang terletak pada kedalaman yang sama maka memiliki tekanan hidrostatika yang sama. 3. Tekanan hidrostatik merupakan tekanan yang hanya diakibatkan berat fluida. Makin tinggi zat cair dalam wadah, maka makin berat zat cair itu, sehingga makin besar tekanan yang dikerjakan zat cair pada dasar wadah. Secara matematis, = . . 4. Hukum Pascal mengatakan bahwa tekanan yang diberikan kepada zat cair dalam ruang tertutup diteruskan sama besar ke segala arah. Secara matematis, 1 = 2 1 1 = 2 2 5. Hukum Archimedes menyatakan bahwa “sebuah benda yang tercelup sebagian atau seluruhnya ke dalam fluida akan mengalami gaya ke atas atau gaya apung yang besarnya sama dengan berat fluida yang dipindahkannya”. Gaya apung merupakan selisih dari gaya berat benda di udara dengan gaya berat benda di dalam fluida. = −
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI 18 = D. Penugasan Mandiri Judul percobaan : Hukum Archimedes Tujuan percobaan : Menentukan massa jenis benda tak beraturan Alat dan bahan : 1. 3 jenis benda tak beraturan 2. Gelas ukur 3. Air 4. Timbangan Langkah kegiatan 1. Ambil 1 buah benda kemudian timbang dan catatlah massanya () 2. Ikat batu dengan tali rafia 3. Isi gelas ukur dengan air dan catatlah volume air tersebut (V awal) 4. Celupkan batu yang sudah diikat dengan tali ke dalam air dan catatlah volume air sekarang (V akhir) 5. Hitunglah = ℎ − 6. Hitunglah volume benda dengan rumus = 7. Ulangi langkah 1-6 untuk jenis benda yang berbeda dan masukkan datanya dalam tabel Tabel percobaan NO JENIS BENDA MASSA BENDA = ℎ − MASSA JENIS BENDA E. Latihan Soal Jawablah latihan soal berikut ini! 1. Sebuah kolam renang mempunyai kedalaman 5 dan dengan luas permukaan kolam 50 2 . Jika tekanan udara luar 105 , percepatan gravitasi 10 / 2 , dan massa jenis air 1.000 /3 . Berapakah tekanan total di dasar kolam?
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI 19 2. Sebuah bejana berhubungan mula-mula berisi air dalam keadaan setimbang. Kemudian, pada salah satu kakinya diisi dengan minyak sehingga air terdesak 2 dari keadaan setimbangnya. Jika massa jenis air 1 /3 , massa jenis minyak 0,8 /3 . Berapakah tinggi minyak di dalam bejana? 3. Diameter penampang pengisap memiliki perbandingan 1: 10. Jika gaya pada pengisap kecil adalah 20 . Berapakah beban yang dapat diangkat? 4. Sebuah benda terapung di atas permukaan air yang berlapiskan minyak dengan 50% volume benda berada di dalam air dan 30% di dalam minyak dan sisanya berada di atas permukaan minyak. Jika massa jenis minyak 0,8 /3 , berapakah massa jenis benda tersebut? F. Penilaian Diri Isilah pertanyaan pada tabel di bawah ini sesuai dengan yang kalian ketahui, berilah penilaian secara jujur, objektif dan penuh tanggung jawab dengan memberi tanda centang pada kolom jawaban. NO KETERANGAN YA TIDAK 1 Saya dapat menentukan tekanan yang dialami benda di dalam fluida dengan mengaplikasikan konsep tekanan hidrostatik. 2 Saya dapat menentukan beban yang dapat diangkat piston dengan mengaplikasikan Hukum Pascal. 3 Saya dapat menentukan massa jenis benda yang mengapung dengan mengaplikasikan Hukum Archimedes tentang konsep mengapung. 4 Saya dapat menentukan massa jenis benda yang melayang dengan mengaplikasikan Hukum Archimedes tentang konsep melayang. 5 Saya dapat menentukan massa jenis benda yang tenggelam dengan mengaplikasikan Hukum Archimedes tentang konsep tenggelam. Catatan:
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI 20 • Jika ada jawaban “tidak” maka segera lakukan review pembelajaran. • Jika semua jawaban “ya” maka Anda dapat melanjutkan kegiatan pembelajaran berikutnya.
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI 21 KEGIATAN PEMBELAJARAN 2 KAPILARITAS DAN VISKOSITAS A. Tujuan Pembelajaran Setelah kegiatan pembelajaran 2 ini diharapkan peserta didik mampu: 1. Mengaplikasikan konsep tegangan permukaan dalam menyelesaikan permasalahan dalam kehidupan sehari-hari; 2. Menerapkan konsep kapilaritas dalam menyelesaikan permasalahan; 3. Menerapkan konsep viskositas dalam menyelesaikan permasalahan; dan 4. Merancang dan melakukan percobaan viskositas. B. Uraian Materi 1. Tegangan Permukaan Tegangan permukaan terjadi akibat gaya kohesi (gaya tarik-menarik antar partikel sejenis) pada permukaan fluida tersebut. Tegangan pada permukaan fluida ini membentuk semacam kulit penutup yang tipis. Tegangan permukaan didefinisikan sebagai “perbandingan antara gaya tegangan permukaan dengan panjang permukaan dimana gaya itu bekerja”. Sumber : sekitarfisika.com = = 2 Keterangan : F = gaya (N) = tegangan permukaan (N/m)
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI 22 = panjang permukaan (m) = panjang kawat (m) Penerapan tegangan permukaan dalam kehidupan sehari-hari yang sering kita temui : ● Sabun cuci sengaja dibuat untuk mengurangi tegangan permukaan air, jadi bisa meningkatkan kemampuan air untuk membersihkan kotoran yang melekat pada pakaian. ● Mencuci pakaian menggunakan air panas atau hangat membuat pakaian menjadi lebih bersih karena dengan suhu yang tinggi tegangan permukaan akan semakin kecil dan kemampuan air untuk membasahi pakaian yang kotor lebih meningkat. ● Alkohol dan antiseptik pada umumnya punya kemampuan untuk membunuh kuman, dan mempunyai tegangan permukaan yang rendah jadi bisa membasahi seluruh permukaan kulit yang luka. ● Itik dan angsa bisa berenang dan terapung di atas permukaan air karena bulubulunya tidak basah oleh air. Kalau air dicampur dengan detergen, maka tegangan permukaan akan mengecil dan akan mengakibatkan bulu-bulu itik dan angsa basah. Jadi, itik dan angsa tersebut bisa saja tenggelam. ● Gelembung yang dihasilkan dari air sabun merupakan salah satu contoh tegangan permukaan. ● Serangga air yang bisa berjalan di permuakaan air. ● Kenaikan batas air pada pipa kapiler atau terbentuknya buih dan gelombang pada air sabun. ● Air yang keluar dari pipet berupa tetesan bebentuk bulat-bulat atau pisau silet yang bisa mengapung di atas permukaan air (diletakkan di permukaan air dengan berhati-hati). Contoh soal Perhatikan gambar di bawah!
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI 23 Sebuah kawat panjang 10 cm ditempatkan secara horizontal di permukaan air dan ditarik perlahan dengan gaya 0,02 untuk menjaga agar kawat tetap seimbang. Tentukan tegangan permukaan air tersebut! Pembahasan Diketahui: = 0,02 = 10 = 0,1 Ditanyakan: = ⋯ ? = 2 = 0,02 2(0,1) = 0,02 0,2 = 0,1 / 2. Kapilaritas Kapilaritas adalah peristiwa naik turunnya zat cair pada celah sempit atau pipa kapiler. Resultansi antara gaya kohesi (tarik-menarik antar partikel sejenis) dalam zat cair dan gaya adhesi (tarik menarik antara partikel berbeda jenis) antara zat cair dengan dinding pipa kapiler. Bila gaya kohesi lebih besar daripada gaya adhesi maka terjadi kapilaritas naik, sebaliknya bila gaya kohesi lebih kecil daripada gaya adhesi maka terjadi kapilaritas turun. Akibat gaya kohesi dan gaya adhesi, setiap fluida memiliki tegangan permukaan dengan miniskus berbeda (gejala kapilaritas). Kohesi adalah gaya tarik-menarik antar partikel sejenis, contohnya antar partikel air. Adhesi adalah gaya tarik-menarik antar dua partikel berbeda, contohnya antara fluida dengan dinding tabung. Sudut kontak adalah sudut yang dibentuk oleh pertemuan antara permukaan fluida dengan dinding tabung. 1) Jika kohesi > adhesi, maka θ > 90°, dan terbentuk meniskus cembung Sumber : shafa-cha.blogspot.com Sumber : zenius.net
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI 24 Pada peristiwa kapilaritas turun ; gaya kohesi > gaya adhesi. Pada permukaan raksa terjadi meniskus cembung. Sudut kontak > 900 → 900 < < 1800 . Raksa pada pipa turun sejauh ℎ. 2) Jika kohesi < adhesi adhesi, maka θ < 90°, dan terbentuk meniskus cekung. Sumber : shafa-cha.blogspot. Sumber : zenius.net Pada peristiwa kapilaritas naik ; gaya kohesi <gaya adhesi. Pada permukaan air terjadi meniskus cekung. Sudut kontak < 900 → 0 < < 900 . Air pada pipa naik sejauh ℎ. Besarnya kenaikan atau penurunan zat cair dalam pipa : ℎ = 2. Keterangan : ℎ = ketinggian fluida pada pipa kapiler = tegangan permukaan (N/m) = sudut kontak = massa jenis fluida (kg/m2 ) = percepatan gravitasi (m/s2 ) = jari-jari pipa kapiler (m) ● Apabila < 900 , berarti pada pipa kapiler terjadi kenaikan tinggi fluida ● Apabila > 900 , berarti terjadi penurunan tinggi fluida (nilai negatif) Gejala kapilaritas dalam kehidupan sehari-hari : 1) Gejala kapilaritas xilem pada tumbuhan dalam menyerap air dan unsur hara 2) Gejala kapilaritas sumbu obor dan minyak tanah 3) Tisu yang dibasahi salah satu ujungnya dapat menjadi basah seluruhnya 4) Basahnya dinding tembok rumah ketika hujan
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI 25 Contoh soal Sebuah pipa kapiler dengan jari-jari 1 dimasukkan ke dalam air secara vertikal. Air memiliki massa jenis 1 /3 dan tegangan permukaan 1 /. Jika sudut kontaknya 60° dan percepatan gravitasi = 10 / 2 , hitunglah besarnya kenaikan permukaan air pada dinding pipa kapiler tersebut! Pembahasan Diketahui: = 1 = 10−3 = 1 /3 = 1 / = 60° Ditanya: ℎ = ⋯ ? ℎ = 2 . . . ℎ = 2 .1 . 1 .10 .0,01 ℎ = 1 3. Viskositas Tingkat kekentalan suatu fluida dinyatakan oleh koefisien kekentalan fluida tersebut. Jika sebuah bola dijatuhkan ke dalam fluida, maka akan mengalami gaya gesek antara permukaan benda dengan fluida. Gaya gesek ini besarnya sebanding dengan koefisien viskositas fluida. Ukuran kekentalan suatu fluida dinyatakan dengan viskositas = Keterangan : = gaya gesekan fluida (N)
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI 26 = koefisien (tergantung pada geometrik benda) bisa juga menggunakan = koefisien viskositas (Pa s) = kecepatan gerak benda (m/s) Persamaan gaya gesekan fluida untuk benda berbentuk bola dapat dirumuskan sebagai berikut : = 6 Dengan : r = jari-jari bola (m) Pada saat benda bergerak dengan kecepatan terminal, pada benda tersebut bekerja tiga buah gaya, yaitu gaya berat, gaya ke atas yang dikerjakan fluida, dan gaya gesekan fluida. Koefisien viskositas didefinisikan sebagai hambatan pada aliran cairan. Koefisien viskositas dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan Poiseuille. = 2 9 2 ( − ) Keterangan : = kecepatan terminal (m/s) = viskositas fluida (Ns/m2 ) = massa jenis benda (kg/m3 ) = massa jenis benda (kg/m3 ) = percepatan gravitasi (m/s2 ) = jari-jari bola (m) Contoh soal Sebuah bola dengan jari-jari 1 dan massa jenisnya 2.500 /3 jatuh ke dalam air. Jika koefisien viskositas air 10−3 /2 dan = 10 / 2 , hitunglah kecepatan terminal! Pembahasan
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI 27 Diketahui: = 1 = 10−3 = 2.500 /3 = 10−3 /2 = 10 / 2 = 1000 /3 Ditanya: = ⋯ ? = 2 . 2 . 9 ( − ) = 2 .10−6 .10 9 .10−3 (2.500 − 1.000) = 3,3 / C. Rangkuman 1. Tegangan permukaan zat cair adalah kecenderungan zat cair untuk menegang sehingga permukaannya seperti ditutupi suatu lapisan elastis. Gaya tegangan permukaan yang dialami oleh kawat yang dicelupkan ke dalam air sabun Γ = = 2 2. Kapilaritas adalah peristiwa naik atau turunnya permukaan zat cair melalui perantara, seperti kain, dinding, pipa kapiler, dan lain sebagainya. Kenaikan atau penurunan fluida dalam pipa kapiler dirumuskan = 2 cos 3. Tingkat kekentalan (viskositas) suatu fluida dinyatakan oleh koefisien kekentalan fluida tersebut. Gaya Stokes = 6 Koefisien viskositas = 2 2 9 ( − )
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI 28 D. Latihan Soal Jawablah soal berikut ini agar dapat mengetahui tingkat pemahaman kalian 1. Sebuah kawat menyerupai huruf U, kawat AB bersama 0,3 kemudian dipasang pada kawat tersebut rangkaian kawat, kemudian dicelupkan ke dalam lapisan sabun dan diangkat sehingga terbentuk lapisan sabun pada kawat tersebut. Agar terjadi keseimbangan, maka pada kawat AB digantungkan beban bermassa 0,2 . Jika panjang AB 10 , dan = 9,8 / 2 . Hitunglah besar tegangan permukaan! 2. Sebuah kapat sepanjang 10 berada di atas permukaan zat cair. Jika gaya tegangan permukaan 4 × 10−3 , berapakah besar tegangan permukaan zat cair tersebut? 3. Jari-jari pembuluh xilem pada tanaman 10−5 . Jika tegangan permukaan air 72,8 × 10−3 /, sudut kontak 0° dan = 10 / 2 , berapakah tinggi kenaikan air pada pembuluh akibat adanya kapilaritas? 4. Sebuah kelereng berdiameter 1 dijatuhkan secara bebas dalam oli yang massa jenisnya 0,8 /3 . Jika koefisien kekentalan oli 0,03 , massa jenis kelereng 2,6 /3 dan = 10 / 2 , berapakah kecepatan terbesar yang dicapai kelereng? E. Penilaian Diri Isilah pertanyaan di bawah ini sesuai dengan yang kalian ketahui, berilah penilaian secara jujur, objektif, dan penuh tanggung jawab dengan memberi tanda centang pada kolom jawaban. NO KETERANGAN YA TIDAK 1 Saya dapat mengaplikasikan konsep tegangan permukaan untuk menyelesaikan permasalahan. 2 Saya dapat mengaplikasikan konsep kapilaritas untuk menyelesaikan permasalahan. 3 Saya dapat mengaplikasikan konsep viskositas untuk menyelesaikan masalah. Jika seluruh jawaban dalam tabel di atas sudah terjawab “ya”, lanjutkan mengerjakan evaluasi berikut!
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI 29 Jika masih ada jawaban “tidak”, pelajari kembali materinya dan coba lagi latihan soal terkait dengan materi tersebut!
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI 30 EVALUASI 1. Tekanan udara luar sekitar 105 . Besarnya gaya yang dilakukan udara dalam kamar pada kaca jendela berukuran 40 × 80 adalah .... A. 1,2 × 104 B. 1,6 × 104 C. 2,4 × 104 D. 3,2 × 104 E. 6,4 × 104 2. Seekor ikan berenang di akuarium. Ikan tersebut berada 50 dari permukaan akuarium. Berapakah tekanan hidrostatik yang diterima ikan? ( = 1000 /3 , = 10 / 2 ) A. 1000 B. 1500 C. 2000 D. 4000 E. 5000 3. Gambar di bawah ini menunjukkan sebuah tabung U yang berisi zat cair dan diberi pengisap (berat dan gesekan diabaikan). Agar pengisap tetap seimbang, maka beban 2 uang harus diberikan adalah .... A. 150 B. 400 C. 600 D. 1200 E. 2400
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI 31 4. Alat pengangkat mobil memiliki luas pengisap masing-masing 0,1 2 dan 2 × 10−4 2 . Alat tersebut digunakan untuk mengangkat mobil yang memiliki berat 15 × 103 . Gaya yang harus diberikan pada pengisap yang kecil adalah .... A. 10 B. 20 C. 30 D. 45 E. 60 5. Sepotong kaca di udara memiliki berat 25 , jika dimasukkan ke dalam air beratnya menjadi 15 . Bila massa jenis air adalah 103 /3 dan percepatan gravitasinya 10 / 2 maka massa jenis kaca adalah .... A. 1,5 × 103 /3 B. 2,5 × 103 /3 C. 3,5 × 103 /3 D. 4,5 × 103 /3 E. 5,5 × 103 /3 6. Sebuah gabus dimasukkan ke dalam air, ternyata 75% volume gabus tercelup dalam air. Berapa massa jenis gabus? A. 1,75 /3 B. 1 /3 C. 0,75 /3 D. 0,50 /3 E. 0,25 /3 7. Balok yang tingginya 20 dan memiliki massa jenis 0,75 /3 mengapung di atas zat cair yang memiliki massa jenis 1,5 /3 . Tinggi balok yang berada di permukaan zat cair adalah .... A. 5 B. 10 C. 12
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI 32 D. 15 E. 20 8. Panjang kawat = 10 dan gaya tarik minimum yang diperlukan agar kawat berada dalam keseimbangan adalah 4 × 10−3 . Berapa tegangan permukaan fluida yang berada dalam kawat? A. 2 × 10−2 / B. 2 × 10−3 / C. 2,5 × 10−2 / D. 4 × 10−2 / E. 4 × 10−3 / 9. Suatu tabung berdiameter 0,4 jika dimasukkan ke dalam air secara vertikal sudut kontaknya 60°, jika tegangan permukaan 0,5 /, maka kenaikan air dalam tabung adalah .... A. 0,5 B. 1 C. 1,5 D. 2 E. 2,5 10. Sebuah kelereng berdiameter 1 dijatuhkan secara bebas dalam oli yang massa jenisnya 0,8 /3 . Jika koefisien kekentalan oli 0,03 , massa jenis kelereng 2,5 /3 dan = 10 / 2 , berapakah kecepatan terbesar yang dicapai kelereng? A. 0,16 B. 0,32 C. 0,59 D. 0,86 E. 1