Atika Agustina Arranged by PROGRAM STUDI PENDIDIKAN FISIKA FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN UNIVERSITAS SRIWIJAYA 2023 MATERI AJAR FLUIDA STATIS KURIKULUM MERDEKA FASE F SMA
Materi Ajar Fluida Statis Penyusun Atika Agustina Untuk SMA/MA Fase F Kurikulum Merdeka
Puji dan syukur atas kehadirat Allah SWT., karna berkat rahmat dan hidayahnyalah Materi Ajar fisika yang berjudul "Fluida Statis” dapat diselesaikan dengan sebaik-baiknya atas sumbangsih ide/gagasan dan pemikiran dari para pakar pendidikan. Proses belajar di dunia pendidikan pada Era digital memang akan berjalan unik dan menarik untuk dikaji secara empiris, teoretis dan berbagai pengalaman yang dialami guru dan murid selama proses belajar dapat dijadikan inspirasi untuk diurai dalam wujud tulisan-tulisan ringan yang layak untuk diketahui banyak orang dan bayak dimuat dalam Materi Ajar ini. Penulis ini akan berbeda sudut pandangnya melihat penyelenggaraan pendidikan tetapi pada prinsipnya sama yakni bagaimana proses belajar di sekolah dan di rumah siswa dapat mengikutinya dan berbagai materi yang tertinggal selama proses belajar. Kehadiran E-Materi Ajar ini sangatlah tepat di tengah Era serba digital inovasi modul varian baru. Semoga tulisan ringan dengan berbagai topik yang menarik disampaikan penulis dengan video, dan penjelasan tentang tekanan hidrostatis, Hukum Pascal, Hukum Archimedes, dan tegangan permukaan. Materi Ajar ini juga dilengkapi dengan latihan soal untuk menguji pemahaman siswa terkait dengan materi yang terdapat pada Materi Ajar. Saya menyadari masih banyak kekurangan dalam penyusunan modul ini. Oleh karena itu, saya sangat mengharapkan kritik dan saran demi perbaikan dan kesempurnaan bahan ajar ini. Penyusun mengucapkan terima kasih kepada berbagai pihak yang telah membantu proses penyelesaian Materi Ajar ini, terutama dosen pembimbing, yang telah membimbing penyusun dalam pembuatan Materi ajar ini. Semoga bahan ajar ini dapat bermanfaat bagi kita semua, khususnya para peserta didik. Kata Pengantar i
PETA KONSEP Fluida Fluida Statis Fluida Dinamis Tekanan Hidrostatis Hukum Pascal Hukum Archimedes Tegangan Permukaan Melayang Terapung Tenggelam Dikelompokkan menjadi Terbagi menjadi Terbagi menjadi Debit Air (Persamaan Kontinuitas) Hukum Bernoulli 1
MATERI TEKANAN HIDROSTATIS A. Tekanan Tekanan didefinisikan sebagai gaya yang bekerja pada suatu bidang persatuan luas bidang tersebut. Bidang atau permukaan yang dikenai gaya disebut bidang tekan. Gaya yang diberikan pada bidang tekan disebut gaya tekan. Tekanan dirumuskan sebagai berikut. 2 B. Tekanan Hidrostatis Tekanan Hidrostatis adalah tekanan zat cair yang hanya disebabkan oleh berat zat cair tersebut. Tekanan hidrostatis dirumuskan sebagai berikut. Semakin tinggi permukaan zat cair dalam wadah, zat cair tersebut akan semakin berat sehingga tekanan yang dikerjakan zat cair pada dasar wadah semakin berat.
MATERI HUKUM PASCAL A. Sejarah Hukum Pascal Hukum Pascal ditemukan oleh salah satu ilmuwan yang berasal dari Perancis yaitu Blaise Pascal di tahun 1623 sampai dengan 1622. Ilmuwan ini menyatakan jika setiap tekanan yang ada dalam permukaan fluida ini nantinya harus diteruskan ke sejumlah arah fluida tersebut. Hukum inilah yang mampu diterapkan dalam fluida khususnya fluida cair. 3 B. Konsep Hukum Pascal Bunyi hukum pascal : “Jika tekanan yang diberikan pada suatu fluida dalam ruangan tertutup diteruskan tanpa berkurang ke tiap titik dalam fluida dan ke dinding benjana” Gaya dorong yang diberikan pada alat suntik kecil dapat memberikan gaya dorong pada beban yang terdapat di alat suntik yang lebih besar. Tentunya hal ini sesuai dengan hukum Pascal di mana tekanan yang diberikan pada zat cair dalam ruang tertutup akan diteruskan ke segala arah dengan besar yang sama. Hukum Pascal dirumuskan sebagai berikut. Gambar 2. Penerapan Hukum Pascal Gambar 1. Blaise Pascal
C. Penerapan Hukum Pascal Dalam Kehidupan Sehari-hari 4 1.Dongkrak Hidrolik Dongkrak hidrolik terdiri atas dua tabung dengan ukuran yang berbeda. Masing-masing tabung diisi oleh air dan ditutup rapat di setiap permukaannya. Salah satu bagian penting dari dongkrak hidrolik adalah piston. Piston mampu menghasilkan daya yang besar walaupun tenaga yang dibutuhkan untuk mengoperasikan alatnya relatif kecil. Bengkel mobil biasanya menggunakan dongkrak hidrolik untuk mengangkat mobil ke atas, sehingga mekaniknya lebih mudah untuk melihat mesin bagian bawah atau untuk mengganti ban mobil. Gambar 3. Dongkrak Hidrolik Gambar 4. Rem Hidrolik Gambar 5. Pompa Hidrolik 2. Rem Hidrolik Rem hidrolik biasa disebut sebagai rem cakram karena alat ini menggunakan media cakram besi untuk mengerem. Rem ini memiliki pipa hidrolik yang diisi dengan minyak rem untuk membantu melakukan pengereman. Di setiap ujung pipa ini terdapat dua piston, yakni piston pedal dan juga piston cakram. Piston pedal adalah piston yang dekat dengan pedal rem sedangkan piston cakram adalah piston yang bekerja untuk menghentikan laju cakram sehingga pengereman dapat dilakukan. 3. Pompa Hidrolik Prinsip kerja pompa hidrolik juga menggunakan hukum pascal. Tujuan dari mesin pompa hidrolik digunakan untuk memudahkan manusia untuk mengangkat beban yang berat dengan tenaga yang kecil.
MATERI HUKUM ARCHIMEDES Setelah sebelumnya kita membahas mengenai tekanan hidrostatis dan hukum pascal, pada pembahasan kali ini kita akan mempelajari bagaimana peristiwa melayang, terapung atau tenggelam. Mengapa peristiwa tersebut bisa terjadi ketika sebuah benda dengan berat tertentu dicelupkan ke dalam suatu fluida misalnya air? Mari kita selidiki lebih jauh dengan mempelajari bahan ajar berikut ini. Ayo Belajar!!! A. Sejarah Archimedes Mahkota dalam bentuk laurel karangan bunga telah dibuat untuk Raja Hiero karya Xenophon II, dan Archimedes diminta untuk memeriksa apakah mahkota tersebut benar-benar terbuat dari emas murni ataukah terbuat dari campuran emas dan perak. Karena Raja Hiero II tidak mempercayai pembuat mahkota tersebut. Berhari-hari Archimedes berpikir keras. Ia tidak tahu cara membuktikan kecurangan pandai emas. Waktu itu belum ada alat elektronik yang dapat mendeteksi apakah sebuah benda terbuat dari emas murni atau emas campuran. Ketika kepala Archimedes terasa panas karena terlalu banyak berpikir, ia masuk ke tempat mandi umum. Ia membuka pakaian dan masuk ke bak mandi yang penuh dengan air. Saat Archimedes berendam dalam bak mandinya, dia melihat bahwa air dalam bak mandinya tertumpah keluar sebanding dengan besar tubuhnya. Archimedes menyadari bahwa efek ini dapat digunakan untuk menghitung volume dan isi dari mahkota tersebut. Dengan membagi berat mahkota dengan volume air yang dipindahkan, kerapatan dan berat jenis dari mahkota bisa diperoleh. Berat Jenis mahkota akan lebih rendah daripada berat jenis emas murni apabila pembuat mahkota tersebut berlaku curang dan menambahkan perak ataupun logam dengan berat jenis yang lebih rendah. Karena terlalu gembira dengan penemuannya ini, Archimedes kemudian turun ke jalan sambil telanjang, saking gembira dengan penemuannya itu sampai-sampai ia lupa untuk berpakaian, “Eureka!” (Bahasa Yunani: “εὕρηκα!,” berarti “Aku telah menemukannya!”) 5
B. Konsep Hukum Archimedes Benda yang terendam dalam fluida, beratnya tampak lebih ringan daripada saat berada di luar fluida. Contohnya, batu besar yang akan sulit Anda angkat dari permukaan tanah, sering kali dapat dengan mudah diangkat dari dasar sungai. Ketika batu tersebut menembus permukaan air, tiba-tiba batu tersebut tampak jauh lebih berat. Banyak benda, misalnya kayu, yang mengapung di permukaan air. Ini adalah dua contoh daya apung. Pada setiap contoh, gaya gravitasi bekerja ke bawah. Namun sebagai tambahan, gaya apung ke atas diberikan oleh cairan. Gaya apung pada ikan dan penyelam bawah air Hukum Archimedes: gaya apung pada suatu benda yang tercelup dalam fluida sama dengan berat fluida yang dipindahkan oleh benda tersebut. Yang dimaksud dengan "fluida yang dipindahkan" adalah volume fluida yang sama dengan volume benda yang terendam (atau bagian benda yang terendam). Jika benda ditempatkan dalam gelas atau bak yang awalnya diisi penuh dengan air, air yang mengalir di atasnya mewakili air yang dipindahkan oleh benda tersebut. Keterangan: = gaya angkat ke atas (N) = massa jenis fluida (Kg/m ) = percepatan gravitasi (m/s ) = volume benda yang tercelup atau volume fluida yang dipindahkan (m ) = luas permukaan (m ) = selisih tinggi (m) 3 2 3 2 Gambar 6. Penentuan gaya apung 6 C. Keadaan Benda dalam Fluida Pada Hukum Archimedes menjelaskan mengapa posisi benda dalam fluida tidak sama, contohnya seperti posisi kapal selam yang tenggelam pada keadaan tertentu dan kapal layar yang terapung. Kedudukan benda dalam fluida, yakni tenggelam, terapung, dan melayang. Hukum Archimedes menyatakan bahwa suatu benda yang tenggelam di dalam fluida akan mengalami gaya apung yang besarnya sama dengan berat fluida yang dipindahkan oleh benda tersebut. Gambar 7. Kapal Selam dan kapal layar
Pada gambar 3 menunjukkan posisi terapung, hal ini disebabkan karena massa jenis benda lebih kecil dari massa jenis fluida, maka benda akan mengapung dan posisinya akan berada setengah di atas permukaan fluida dan setengah lagi tercelup di fluida. Syarat benda mengapung: Keterangan: = massa jenis benda (Kg/m ) = massa jenis fluida (Kg/m ) Pada gambar 4 menunjukkan posisi melayang, hal ini disebabkan karena massa jenis benda sama dengan massa jenis fluida, maka benda akan melayang dan posisinya tidak menyentuh dasar dan atas permukaan. Syarat benda melayang: Keterangan: = massa jenis benda (kg/m ) = massa jenis fluida (kg/m ) b. Benda Melayang Gambar 9. Posisi telur melayang dalam air 3 3 Pada gambar 5 menunjukkan posisi tenggelam, hal ini disebabkan karena massa jenis benda lebih besar dari massa jenis fluida, maka benda akan tenggelam dan posisinya akan berada di dasar permukaan. Syarat benda tenggelam: Keterangan: = massa jenis benda (kg/m ) = massa jenis fluida (kg/m ) c. Benda Tenggelam Gambar 10. Posisi telur tenggelam dalam air 3 3 Oleh karena itu, posisi benda dalam fluida akan bergantung pada massa jenis benda dan massa jenis fluida. Jika massa jenis benda lebih besar dari massa jenis fluida, maka benda akan tenggelam dan posisinya akan berada di dasar permukaan fluida. Namun, jika massa jenis benda lebih kecil dari massa jenis fluida, maka benda akan mengapung dan posisinya akan berada setengah di atas permukaan fluida dan setengah lagi tercelup di fluida. Jika massa jenis benda sama dengan massa jenis fluida maka benda akan melayang dan posisinya tidak menyentuh dasar dan atas permukaan. a. Benda Mengapung Gambar 8. Posisi telur mengapung dalam air 3 3 7
D. Penerapan Hukum Archimedes dalam kehidupan sehari-hari 1.Hidrometer Hidrometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur berat jenis cairan. Hidrometer terdiri dari tabung kaca yang diisi dengan merkuri atau timah cair, dan memiliki berbagai skala yang menunjukkan berat jenis cairan yang diukur. Hidrometer biasa digunakan dalam berbagai aplikasi seperti dalam industri kimia untuk mengukur konsentrasi larutan. Agar kapal laut tetap mengapung, besi dibuat berongga, sehingga volume air yang dipindahkan menjadi besar, dan menyebabkan gaya apung menjadi besar 2. Kapal Laut 3. Kapal Selam Kapal selam memiliki tangki pemberat yang dapat diisi sesuai keperluan. agar mengapung, tangki diisi udara, sedangkan agar tenggelam, tangki diisi air 4. Balon Udara Cara kerja balon udara, agar naik, balon diisi gas panas sehingga volumenya bertambah, volume udara yang dipindahkan menjadi besar. Setelah ketinggian yang diinginkan tercapai, agar balon udara melayang, volume balon dijaga. Agar turun, gas panas dikeluarkan dari balon udara sehingga volume balon berkurang. 8 Gambar 11. Hidrometer Gambar 12. Kapal Laut Gambar 13. Kapal Selam Gambar 14. Balon Udara
9 Tegangan permukaan suatu zat cair didefinisikan sebagai gaya setiap satuan panjang. Tegangan permukaan zat cair dituliskan dalam persamaan berikut Gambar 15. Serangga yang dapat berjalan di atas permukaan air merupakan aplikasi tegangan permukaan Selain pada zat cair, tegangan permukaan juga terjadi pada selaput sabun. Pada selaput sabun, tegangan permukaan didefinisikan sebagai gaya yang bekerja pada suatu permukaan persatuan panjang permukaan yang arahnya tegak lurus terhadap gaya tersebut. Besar tegangan permukaan suatu benda yang dipengaruhi oleh selaput sabun dirumuskan sebagai berikut. MATERI TEGANGAN PERMUKAAN
Contoh Soal Pembahasan: Pertama, cari volume benda yang tercelup terlebih dahulu Selanjutnya, cari volume benda yang muncul ke permukaan air Sebuah benda dengan volume 200 cm terapung dalam air. Massa jenis benda dan massa jenis zat cair berturut-turut 0,8 gr/cm dan 1 gr/cm. Berapa volume benda yang muncul di atas permukaan air? 3 3 3 Contoh Soal Pembahasan: Diketahui: Perhatikan gambar di samping! Sebuah benda tercelup sebagian dalam fluida yang memiliki massa jenis 0,75 gr/cm. Jika volume benda yang tercelup adalah 0,8 dari volume totalnya, tentukan massa jenis benda tersebut Ditanya: Dijawab: 3 0,8V =...? 10
Untuk menambah pemahaman kalian pada materi Hukum Archimedes kalian bisa menonton video berikut ini! 11
Sebuah balok tercelup seluruhnya dalam minyak. Bila volume balok 8 m³ , tentukan berat balok dalam minyak tanah yang memiliki massa jenis 800 kg/m³ , Tentukan gaya angkat yang dialami balok! Seorang anak sedang memasukkan sebuah benda ke dalam zat cair yang memiliki massa jenis 630 kg/m³ , ternyata benda tersebut terapung di atas permukaan air seperti gambar di bawah ini. 1. 2. Jika 30% pada bagian benda muncul ke permukaan zat cair, maka berapa massa jenis benda tersebut? 3. Andin baru saja menyelesaikan tugasnya. Setelah itu ia berpikir untuk melakukan eksperimen pada sebuah benda yang dicelupkan dalam suatu cairan. Andin pun mencelupkan benda berbentuk balok tersebut ke cairan A yang memiliki massa jenis 900 kg/m³ , ketika benda tersebut dimasukkan ke dalam cairan, ternyata 1/3 bagiannya muncul di atas permukaan. Lalu Andin pun ingin mengganti cairan tersebut yang massa jenisnya 1.200 kg/m³. Berapa bagian dari balok tersebut yang muncul jika cairan diganti dengan cairan B yang massa jenisnya 1.200 kg/m³ ? Lakukan evaluasi dengan teliti dan jujur ya! EVALUASI 12
REFERENSI 13
FLUIDA STATIS "Setiap kali kamu belajar, kamu sedang menambah kecerdasanmu dan membuka pintu kesempatan baru untuk masa depanmu."