ELASTISITAS FLUIDA STATIS E-Modul Fisika Kelas XI SMA/MA Berbasis STEM Hafis Kasrizal | 1814080004
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI Page 1 Kata Pengantar Assalamualaikum Wr. Wb Alhamdulillahirabbil'Alamin. Puji dan syukur penulis ucapkan pada Allah SWT atas limpahan rahmat, hidayah-Nya penulis dapat menyelesaikan modul ini. Salawat beriringan salam kepada Nabi Muhammad SAW sebagai suri tauladan umat muslim. E-Modul berbasis STEM 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 bahwa dalam penyajian E-Modul ini masih terdapat kekurangan, oleh karena itu penulis mengharapkan saran dari para pembaca demi tercapainya tujuan E-Modul ini. Penulis juga mengucapkan terimakasih kepada kedua orangtua atas kasih sayang dan limpahan doa yang tidak berkesudahan sampai saat ini dan juga kepada semua pihak yang telah berkontribusi dalam penyusunan modul ini. Akhir kata, semoga E-Modul ini bermanfaat sebagaimana seperti yang sudah diharapkan. Wassalamu'alaikum Wr. Wb. Padang , 1 Juli 2022 Penulis Hafis Kasrizal
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI Page 2 Daftar Isi Kata Pengantar.............................................................................................................1 Daftar isi.......................................................................................................................2 Petunjuk Penggunaan e-Modul..................................................................................4 Manfaat E-Modul.........................................................................................................4 Pendekatan STEM.......................................................................................................5 Do'a Sebelum belajar................................................................................................6 Modul 1:Elastisitas Bahan.........................................................................................7 Profil Pancasila................................................................................................7 Capaian Pembelajaran...................................................................................7 Indikator..........................................................................................................7 Tujuan...............................................................................................................7 Peta Konsep.....................................................................................................8 A. Pengantar.......................................................................................9 B. Integrasi Ayat Al-Quran dengan Materi...............................9 C. Elastisitas.....................................................................................10 D. Hukum Hooke..............................................................................17 Rangkuman........................................................................................23 Evaluasi..............................................................................................24 Kriteria Pindah Modul............................................................................................25 Modul 2......................................................................................................................26 Profil Pancasial.............................................................................................26 Capaian Pembelajaran................................................................................26
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI Page 3 Indikator.......................................................................................................26 Tujuan............................................................................................................26 Peta Konsep..................................................................................................27 A. Pengantar.....................................................................................28 B. Integrasi Ayat al-Quran dengan Materi..............................28 C. Fluida Statis................................................................................29 Rangkuman....................................................................................................46 Evaluasi......................................................................................................... 48 Kriteria Pindah Modul............................................................................................50 Do'a sesudah belajar.............................................................................................51 Kriteria Penilaian.................................................................................................... 52 Kunci Jawaban......................................................................................................... 53 Daftar Pustaka........................................................................................................ 59 Profil Penulis.............................................................................................................60
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI Page 4 Petunjuk Penggunaan E-Modul 1. Bagi Pendidik a. Pendidik membaca do'a sebelum memulai pembelajaran b. Pendidik menggunakan pendekatanSTEM c. Pendidik membimbing peserta didik dalam mengerjakan latihan soal dan evaluasi 2. Bagi Peserta didik a. Bacalah do'a sebelum mulai pembelajaran! b. Pahami terlebih dahulu profil Pancasila, capaian pembelajaran, indikator dan tujuan pembelajaran! c. Perhatikan petunjuk-petunjuk yang diberikan! d. Bacalah peta konsep sebagai gambaran awal dalam memulai pembelajaran! e. Konsultasilah dengan guru jika menemukan kesulitan! Manfaat E-Modul 1. Bagi Pendidik a. Untuk bahan ajar pada saat menyampaikan materi elastisitas dan fluida statis b. Utuk memberikan inovasi baru bagi pendidik dalam membuat bahan ajar 2. Bagi Peserta didik a. Untuk meningkatkan keterampilan berpikir kritis peserta didik pada materi elastisitas dan fluida statis b. Untuk menambah wawasan dan pengetahuan peserta didik c. Untuk memudahkan peserta didik dalam mempelajari materi elastisitas dan fluida statis. 3. Bagi Sekolah a. Untuk menambah koleksi buku bacaan bagi peserta didik di perpustakaan b. Untuk meningkatkan kompetensi peserta didik
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI Page 5 Pendekatan STEM STEM adalah pendekatan terpadu antara ilmu pengetahauan yang mengabungkan teknologi, teknik, dan disiplin ilmu matematika dengan mata pelajaran yang berbeda dalam situasi kehidupan nyata, bersama-sama dan secara bersamaan. Dalam E-Modul ini memuat ke-empat komponen STEM.. a. Sains yang mewakili pengetahuan mengenai hukum-hukum dan konsepkonsep yang berlaku di alam; b. Teknologi adalah keterampilan atau sebuah sistem yang digunakan dalam mengatur masyarakat, organisasi, pengetahuan atau mendesain serta menggunakan sebuah alat buatan yang dapat memudahkan pekerjaan; c. Teknik atau Engineering adalah pengetahuan untuk mengoperasikan atau mendesain sebuah prosedur untuk menyelesaikan sebuah masalah; dan d. Matematika adalah ilmu yang menghubungkan antara besaran, angka dan ruang yang hanya membutuhkan argument logis tanpa atau disertai dengan bukti empiris. Seluruh aspek ini dapat membuat pengetahuan menjadi lebih bermakna jika diintegrasikan dalam proses pembelajaran. Do’a sebelum belajar
E -MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI Page 6
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI Page 7 MODUL 1 ELASTISITAS BAHAN PROFIL PELAJAR PANCASILA Melalui pengetahuan sejumlah pengetahuan dan keterampilan, pelajar menjadi pribadi yang memiliki profil pelajar Pancasila sebagai berikut : Beriman, Bertakwa kepada Tuhan Yang Maha Esa dan berakhlak mulia Bernalar kritis Mandiri CAPAIAN PEMBELAJATRAN Menganalisis sifat elastisitas bahan dalam kehidupan sehari-hari INDIKATOR 1. Menguraikan sifat elastisitas bahan dalam kehidupan sehari-hari 2. Mendeteksi pengaruh gaya terhadap perubahan panjang pegas/karet 3. Memerinci data dan menganalisis data hasil percobaan ke dalam grafik 4. Menguraikan persamaan hukum hooke 5. Menganalisis hasil percobaan dengan bahan pegas/karet yang berbeda, perumusan tetapan pegas susunan seri-paralel TUJUAN a. Setelah belajar menggunakan E-modul peserta didik mampu menguraikan sifat elastisitas bahan dalam kehidupan sehari-hari b. Setelah belajar menggunakan E-modul peserta didik mampu mendeteksi pengaruh gaya terhadap perubahan panjang pegas/karet c. Setelah belajar menggunakan E-modul peserta didik mampu memerinci data dan menganalisis data hasil percobaan ke dalam grafik d. Setelah belajar menggunakan E-modul peserta didik mampu menguraikan persamaan e. Setelah belajar menggunakan E-modul peserta didik mampu menganalisis hasil percobaan dengan bahan pegas/karet yang berbeda, perumusan tetapan pegas susunan seri-paralel
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI Page 8 PETA KONSEP
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI Page 9 A.PENGANTAR Coba kalian amati benda disekitar kita, adalah benda itu sesuai dengan judul modul ini ? Benda yang akan kita bahas adalah benda-benda yang memiliki sifat unik, yaitu : “ kembali ke bentuk semula“ jika di tekan atau di tarik. Pernahkah anda mengamati benda atau kejadian seperti pada gambar ? 7. Dan Allah telah meninggikan langit dan Dia meletakkan neraca (keadilan). ( Q.S Ar – Rahman : 7 ) Dalam ayat ini tersirat yang berhubungan dengan kenyataan yang telah diketahui manusia dari berbagai gejala yang terlihat atau telah dilakukan percobaan dan pengukurannya. Dalam kaitan masalah yang akan di bahas di sini, bukan peristiwa pemuaiannya atau keseimbangannya , namun ada suatu sifat yang menertai dalam peristiwa itu yaitu sifat kelenturan atau elastis. B. Intergrasi Materi dengan Ayat al-Quran
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI Page 10 C. ELASTISITAS Elastisitas adalah kemampuan suatu benda untuk kembali ke bentuk semula setelah gaya pengubahannya hilang. Gambar 1. Karet ditarik disela-sela dua jari tangan Siapkan sebuah karet dan lakukan seperti gambar Rasakan apa yang terjadi kemudian jelaskan menurut kalimat sendiri, apa yang anda rasakan ketika : Posisi karet tepat ketika membentuk posisi seperti gambar Jauhkan jarak ke dua jari kekanan-kiri dengan tepat mempertahankan posisi karet di tempat yang sama, apa yang anda rasakan ? ( semakin berat/sakit atau sama saja tidak semakin berat/semakin sakit ? ) Tuliskan alasan apa yang anda rasakan dengan kalimat anda sendiri. Ketika karet dilepakan karet akan kembali keukuran dan bentuk semula, peristiwa ini disebut elastisitas bahan. S C I E N C E
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI Page 11 1. Stress, Strain dan Modulus Young a) Tegangan ( Stress) F A Tegangan adalah beasrnya gaya yang berkerja pada benda untuk tiap satuan luas, bila dinyatakan dalam persamaan ditulis sebagai : Keterangan : σ = tegangan (N/m2 ) F = Gaya (Newton) dan A = Luas bidang yang dikenai gaya (m2 ) Menurut persamaan tersebut, nilai tegangan akan semakin besar apabila : 1. Gaya besar ( karena T & F sebanding ) 2. Luasan kecil ( karena σ & A berbanding terbalik ) b) Regangan (Strain) Perbandingan antara perubahan panjang benda terhadap panjang benda mula-mula untuk menghitung regangan dapat dihitung dengan rumus lo F lo ∆l Keterangan : e : regangan (tanpa satuan) ∆l : pertambahan panjang (m) lo : panjang semula (m)
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI Page 12 c) Modulus Elastisistis atau Modulus Young Modulus elastisitas adalah perbandingan antara tegangan ( stress ) dengan regangan ( strain ) Keterangan : E = modulus elastisitas (N/m2 = Pascal) σ = tegangan (N/m2 ) e = regangan Atau persaman yang lain : ⁄ ⁄ ∆l = pertambahan panjang (m) lo = panjang semula (m) F = Gaya (Newton) dan A = Luas bidang yang dikenai gaya (m2 ) Berikut tabel nilai modulus elastisitas beberapa bahan untuk memberi gambaran tentang kualitas bahan dalam hubungannya dengan deformasi (perubahan bentuk, dimensi maupun posisi) : Tabel 1. modulus elastisitas bahan Bahan Modulus Young ( Pa ) Aluminium 7 x 1010 Baja 20 x 1010 Besi 21 x 1010 Karet 0,05 x 1010 Kuningan 9 x 1010 Nikel 21 x 1010 Tembaga 11 x 1010 Timah 1,6 x 1010 Beton 2,3x 1010 Kaca 5,5 x 1010 Wolfram 41 x 1010
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI Page 13 Dari table nampak bahwa nilai terkecil dari modulus elastisitas (modulus Young) adalah karet, yang artinya karet adalah bahan paling mudah mengalami perubahan bentuk benda yang paling elastis yang dituliskan pada table. Gambar grafik tegangan terhadap regangan Catatan : Deformasi elastisitas adalah perubahan yang dapat kembali ke bentuk semula. Deformasi plastis adalah perubahan yang tidak dapat berubah kembali ke bentuk semula. Contoh soal Sebuah batang memiliki panjang dan luas penampang ditunjukkan tabel berikut . Batang Panjang Batang ( m ) Luas Penampang ( m 2 ) A 45 6,28 x 10-4 B 40 7,065 x 10-4 C 50 3,14 x 10-4 MATHTEMATICS
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI Page 14 Selanjutnya, masing-masing batang tersebut ditambah beban sehingga mengalami pertambahan panjang yang dinyatakan dalam tabel berikut. Batang Massa Beban ( g ) Pertambahan Panjang ( m ) A 5 2 B 8 4 C 6 2 Berdasarkan data tersebut, urutkan nillai modulus young dari yang terbesar ! Diketahui : ...? : ⁄ ⁄ ⁄
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI Page 15 Modulus Elastisitas A. Tujuan Praktikum 1. Peserta didik dapat menentukan modolus elastisitas bahan yang benar melalui kegiatan percobaan 2. Peserta didik mampu menyajikan grafik modolus elastisitas suatu bahan dengan benar setelah melakukan kegiatan pecobaan B. Alat dan Bahan 1. Mikrometer sekrup 2. Mistar 3. Statif dan Clem 4. Dialmeter dengan ketelitian 0,001 mm 5. Neraca 6. Kawat aluminium berdiameter ( 0,8 – 1 mm ) 7. Beberapa beban C. Cara Kerja 1. Timbanglah semua beban yang akan digunakan 2. Ukurlah panjang kawat mula-mula 3. Hitunglah luas penampang kawat 4. Rangkailah alat seperti gambar berikut Let`s Do It !
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI Page 16 5. Gantungkan beban pada kawat,sehingga kawat bertambah panjang 6. Ukur pertambahan panjang kawat sesuai nilai yang di tunjukan jarum diameter 7. Ulangi langkah 5 dan 6 dengan beban yang berbeda sebanyak 3 kali 8. Buatlah laporan dengan teman sekelompok dan presentasikan D. Hasil Pratikum Panjang kawat :.............. m Luas penampang kawat : ............ m2 Massa Beban ( kg ) Berat Beban ( N ) Pertambahan Panjang ( m ) E. Pertanyaan Dan Diskusi 1. Bagaiaman hubungan berat beban terhadap pertambahan panjang kawat 2. Buatlah grafik antara berat beban ( sebagai sumbu Y ) dengan pertambahan panjang ( sebagai sumbur X ) 3. Berapa modulus elastisitas kawat berdasarkan grafik F. Jawaban
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI Page 17 D. HUKUM HOOKE Hukum Hooke berbunyi : “ Jika gaya tarik yang diberikan pada sebuah pegas tidak melampaui batas elastis bahan maka pertambahan panjang pegas berbanding lurus atau sebanding dengan gaya tarikya “. Hukum Hooke menyatakan bahwa pada daerah elastis suatu benda, besarnya pertambahan panjang sebanding dengan gaya yang bekerja pada benda itu. Secara matematis, hukum hooke dapat di tuliskan sebagai berikut : F = k. Δx atau dengan : F = gaya ( N ) Δx = pertambahan panjang (m) k = konstanta pegas ( N/m ) persamaan tersebut menunjukkan bahwa perubahan panjang benda sebanding dengan gaya yang diberikan, yang nilainya dinyatakan dengan konstanta pegas (k). Sesuai hukum Newton III, maka gaya beban pada bahan kenyal aka mendapat reaksi berupa gaya F yang besarnya sama tetapi arhanya berlawanan. Gaya ini disebut dengan gaya pemulih. Gaya pemulih besarna sama namun arahnya byang berbeda, sehingga ada tanda negatif F = -k. Δx
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI Page 18 2. Susunan Pegas Perhatikan dua gambar susunan sebuah pegas Pegas disusun SERI Pegas disusun PARALEL Untuk menjawab itu mari kita pelajari karakteristik pegas yang disusun Seri dan pegas yang disusun Paralel. a. Pegas di susun SERI Pegas disusun seri artinya disusun secara deret seperti gambar = dengan, ks = konsta ta pegas pengganti seri ( N/m) b. Pegas di susun PARAREL kp = k1 + k2 + k3 dengan kp = konstanta pegas pegganti paralel
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI Page 19 c. Energi Potensial Pegas Usaha yang di lakukan gaya tarik atau gaya tekan untuk mengubah panjang pegas di sebut sebagai energi potensial . Berikut ini adalah grafik gaya terhadap perubahan panjang pegas. Luas daerah di bawah kurva menunjukkan besar energi potensial pegas. W = Ep Ep = Luas segitiga ( F ∆x ) ( k ∆x2 Contoh soal Seorang mekanik sedang memperbaiki sepeda motor milik pelanggannya. Ia membutuhkan pegas yang memiliki konstanta 120 N/m. Ternyata pegas yang tersedia di bengkel memiliki konstanta 150 N/m dan 600 N/m. Solusinya, mekanik tersebut menyusun dua pegas tersebut secara paralel. Benarkah yang dilakukan mekanik tersebut? Diketahui : k yang dibutuhan = 120 N/m k1 tersedia = 150 N/m k2 tersedia = 600 N/m Ditanyakan : Pegas disusun paralel, benarkah k menjadi 120 N/m ?
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI Page 20 Jawab : Persamaan susunan paralel dari pegas Jadi, ketika pegas disusun seacra paralel, yang terjadi malah konstanta pegas tersebut menjadi 750 N/m menjadi 120 N/m
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI Page 21 ENGINEERING Aplikasi Materi Elastisitas dalam Kehidupan Sehari - hari Ketika dirimu duduk atau tidur di atas kasur pegas, gaya beratmu menekan kasur. Karena mendapat tekanan maka pegas kasur termampatkan. Akibat sifat elastisitasnya, kasur pegas meregang kembali. Pegas akan meregang dan termampat, demikian seterusnya. Akibat adanya gaya gesekan maka suatu saat pegas berhenti bergerak. Dirimu yang berada di atas kasur merasa sangat empuk akibat regangan dan mampatan yang dialami oleh pegas kasur. Pernahkah dirimu melihat dinamometer ? mudah-mudahan di laboratorium fisika sekolah anda ada. Dinamometer, sebagaimana tampak pada gambar di samping adalah alat pengukur gaya. Biasanya digunakan untuk menghitung besar gaya pada percobaan di laboratorium. Di dalam dinamometer terdapat pegas. Pegas tersebut akan meregang ketika dikenai gaya luar. Misalnya anda melakukan percobaan mengukur besar gaya gesekan. Ujung pegas anda kaitkan dengan sebuah benda bermassa. Ketika benda ditarik, maka pegas meregang. Regangan pegas tersebut menunjukkan ukuran gaya, di mana besar gaya ditunjukkan oleh jarum pada skala yang terdapat pada samping pegas. Nah, contoh yang sangat sederhana dan mungkin sering ananda temui adalah ketapel.Pernahkah ananda menggunakan ketapel , salah satunya ketika kita hendak menembak burung dengan ketapel misalnya, karet ketapel terlebih dahulu diregangkan ( diberi gaya tarik ). Akibat sifat elastisitanya, panjang karet ketapel akan kembali seperti semula setelah gaya tarik di hilangkan. Pegas yang digunakan sebagai peredam kejutan pada kendaraan sepeda motor. Istilah kerennya pegas digunakan pada sistem suspensi kendaraan bermotor. Tujuan adanya pegas ini adalah untuk meredam kejutan ketika sepeda motor yang dikendarai melewati permukaan jalan yang tidak rata. Ketika sepeda motor melewati jalan berlubang, gaya berat yang bekerja pada pengendara (dan gaya berat motor) akan menekan pegas sehingga pegas mengalami mampatan. Akibat sifat elastisitas yang dimilikinya, pegas meregang kembali setelah termapatkan.
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI Page 22 Ayo Pemahami Silahkan masukan barkot ini ke google lens di smartphone untuk menambah pemahaman ananda terhadap materi ini TECHNOLOGY
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI Page 23 Rangkuman Benda elastis adalah benda yang dapat kembali ke ukuran semula ketika gaya yang bekerja pada benda tersebut dihilangkan. Benda plastis adalah benda yang tidak dapat kembali ke bentuk semula ketika gaya yang bekerja pada benda tersebut dihilangkan. Stres adalah perbandingan gaya yang bekerja pada benda dengan luasan pada benda yang mendapat gaya. Strain adalah perbandingan anatara pertamabahan panjang benda dengan panjang awal. Modulus elastisitas atau disebut juga modulus Young adalah perbandingan antara stres dan strain Pegas yang disusun secara seri akan menghasilkan sistem pegas yang memiliki nilai konstanta lebih kecil Pegas yang disusun secara paralel akan menghasilkan sistem pegas yang memiliki nilai konstanta lebih besar Energi potensial pegas adalah energi yang dimiliki oleh pegas atau bendabenda elastis lain ketika panjangnya diubah Energi potensial pegas besarnya dipengaruhi oleh nilai konstanta pegas dan perubahan ukuran yang pegas. Energi potensial pegas muncul ketika ukuran pegas diubah (ditarik atau dimampatkan )
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI Page 24 Evaluasi Kerjakanlah Evaluasi Ini dengan baik dan benar buku latihan ananda! 1. Sebuah batang ditahan oleh dua utas kawat A dan kawat B yang memiliki panjang awal sama dan mengalami pertambahan panjang yang sama. Jika perbandingan diameter kawat A dan kawat B adalah 2 dan perbandingan modulus elastisitas kawat A dan kawat B adalah 4, perbandingan gaya tegangan kawat A dan kawat B adalah 2. Seorang mekanik sedang memperbaiki sepeda motor milik pelanggannya. Ia membutuhkan pegas yang memiliki konstanta 120 N/m. Ternyata pegas yang tersedia di bengkel memiliki konstanta 150 N/m dan 600 N/m. Solusinya, mekanik tersebut menyusun dua pegas tersebut secara paralel. Benarkah yang dilakukan mekanik tersebut?. 3. Sebuah batang memiliki panjang dan luas penampang ditunjukkan tabel berikut. Batang Panjang Batang (cm) Luas Penampang (m2 ) A 45 6,28 x 10-4 B 40 7,065 x 10-4 C 50 3,14 x 10-4 Selanjutnya, masing-masing batang tersebut ditambah beban sehingga mengalami pertambahan panjang yang dinyatakan dalam tabel berikut Batang Massa Beban (g) Pertambahan Panjang (m) A 3 2 B 6 4 C 8 2 Berdasarkan data di atas, analisislah faktor-faktor yang mempengaruhi modulus elastisitas suatu bahan ? 4. Satu batang baja dengan panjang 50 cm dan luas permukaan 2 mm2 ditarik dengan gaya 200 N. Bila modulus elastisitas baju 2 x 1011 N/m2 , buktikanlah : a. Stress ( tegangan ) adalah 108 N/m2 b. Strain ( regangan ) adalah 25 x 10-4 N/m2
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI Page 25 c. Pertambahan panjang adalah 2,5 x 10-4 N/m2 5. Berdasarkan soal no 3, uraikanlah nilai modulus elastisitas nilai yang di dapatkan dan simpulkan batang manakah yang tidak mengalami elastis ?
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI Page 26 Kriteria Pindah Modul Kunci Masuk Modul Berikutnya 1. Jawablah evaluasi pada setiap akhir modul 2. Jawaban benar atau salah dapat dilihat dibagian kunci jawaban. 3. Hasil evaluasi modul akan dilihat setalah ananda menyelesaikan seluruh soal Arti tingkat penguasaan yang dicapai: 91-100% = Baik sekali 81-90% Baik 70-80% = Cukup < 70 = Kurang 4. Ananda yang berhasil mencapai tingkat penguasaan Cukup-Baik Sekali dapat melanjutkan ke modul berikutnya 5. Jika ananda mencapai tingkat penguasaan 80 atau lebih dapat melakukan penguatan bersama guru atau teman sebaya dan ananda dapat melanjutkan mempelajari modul berikutnya 6. Jika ananda mencapai tingkat penguasaan dibawah 80, ananda diharuskan untuk mengulang mempelajari modul terutama pada bagian yang belum ananda kuasai dan diberikan remedial+tutorial oleh guru. 7. Setelah ananda mempelajari seluruh modul pada setiap mata pelajaran, cobalah ananda sekali lagi mengerjakan latihan pada setiap modul. Jika secara keseluruhan ananda telah mencapai tingkat penguasaan 80 atau lebih, maka ananda sudah siap menempuh ujian naik derajat.
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI Page 27 FLUIDA STATIS PROFIL PELAJAR PANCASILA Melalui pengetahuan sejumlah pengetahuan dan keterampilan, pelajar menjadi pribadi yang memiliki profil pelajar Pancasila sebagai berikut : Beriman, Bertakwa kepada Tuhan Yang Maha Esa dan berakhlak mulia Bernalar kritis Mandiri CAPAIAN PEMBELAJARAN Menerapkan hukum-hukum fluida statik dalam kehidupan sehari- hari INDIKATOR 1. Menelaah penerapan fluida dalam kehidupan sehari-hari 2. Menganalisis konsep tekanan hidrostatis 3. Menganalisis konsep hukum Archimedes 4. Menganalisis konsep hukum Pascal TUJUAN a. Setelah belajar dengan menggunakan E-Modul peserta didik mampu menelaah penerapan fluida dalam kehidupan sehari-hari b. Setelah belajar dengan menggunakan E-Modul peserta didik mampu menganalisis konsep tekanan hidrostatis c. Setelah belajar dengan menggunakan E-Modul peserta didik mampu menganalisis konsep hukum Archimedes d. Setelah belajar dengan menggunakan E-Modul peserta didik mampu menganalisis konsep hukum Pascal MODUL 2
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI Page 28 FLUIDA STATIS PETA KONSEP TEKANAN HUKUM TEGANGAN PERMUKAANN TEKANAN HIDROSTATIS HUKUM POKOK HIDROSTATIS PASCAL ARCHIMEDES KAPILARITAS SUDUT KONTAK VISKOSITAS AYAT AL-QURAN TENTANG FLUIDA STATIS
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI Page 29 A. PENGANTAR Semangat belajar. Semoga kita semua selalu sehat dan dalam lindungan Allah SWT. Dalam modul ini kalian akan mempelajari konsep dasar fluida statis, yang didalamnya meliputi konsep tekanan hidrostatis,Hukum Hidrostatika, Hukum archimides, Hukum Pascal, konsep tegangan permukaan pada zat cair, kapilaritas dan viskositas. Setelah mempelajari materi 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 kinetic, energi potensial, hukum kekekalan energi, dan konsep perubahan bentuk benda. B. Integrasi Materi dengan Ayat al – Quran 40.Tidaklah mungkin bagi matahari mendapatkan bulan dan malampun tidak dapat mendahului siang. dan masing-masing beredar pada garis edarnya. ( Q.S Yasin : 40 )
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI Page 30 Ayat di atas menjelaskan bahwasannya segala sesuatu itu telah diatur garis edarannya. Tidaklah segala sesuatu itu bisa menentang apa yang telah ditetapkan oleh Allah Swt. Tidak mungkin matahari mendahui bulan dan malam mendahului siang, atau sebaliknya. Ini sesuai dengan materi yang akan dibahas yaitu tentang dinamika rotasi. Dimana dinamika rotasi adalah ilmu yang mempelajari tentang gerak benda yang berputar mengelilingi porosnya. C. FLUIDA STATIS 1. Konsep Fluida Pada waktu di sekolah tingkat pertama, telah dikenalkan ada tiga jenis wujud zat, yaitu: zat padat, zat cair dan gas. Fluida adalah zat yang dapat mengalir dan memberikan sedikit hambatan terhadap perubahan bentuk ketika ditekan. Fluida secara umum dibagi menjadi dua macam, yaitu fluida tak bergerak (hidrostatis) dan fluida bergerak (hidrodinamis). Pada modul ini kita akan fokus pada pembahasan fluida yang tidak bergerak (hidrostatis) atau fluida statis. 2. Massa jenis didefinisikan sebagai massa persatuan volume Kerangan : ρ = massa jenis zat cair ( kg/m3 ) m = massa benda ( kg ) V = volume ( m3 ) SCIENCE
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI Page 31 3. Tekanan Tekanan didefinisikan sebagai gaya yang bekerja tegak lurus pada suatu bidang dibagi dengan luas bidang itu. Dan secara matematis dirumuskan sebagai berikut: Keterangan: P = tekanan ( Pascal= N/m2 ) F = Gaya (N) A = Luas permukaan (m2 ) 4. Tekanan Hidrostatis Makin tinggi zat cair dalam wadah, maka makin berat zat cair itu, sehingga makin besar tekanan yang dikerjakan zat cair pada dasar wadah. Dengan kata lain pada posisi yang semakin dalam dari permukaan, maka tekanan hidrostatis yang dirasakan semakin besar. Dan tekanan hidrostatis tersebut dirumuskan sebagai berikut: Ph = ρ.g.h Keterangan : Ph = tekanan hidrostatis ( Pa) ρ = massa jenis zat cair (kg/m3 ) g = percepatan gravitasi (m/s2 ) h = kedalaman ( m )
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI Page 32 Contoh soal Seorang penyelam pada kedalaman 3 m, massa jenis air 1000 kg/m3, konstanta gravitasi pada tempat tersebut adalah 10 N/kg. Buktikanlah nilai besar tekanan hidrostatis yang dialami penyelam tersebut adalah 30 Kpa ? Pembahasan Diketahui h = 3 m ρ = 1000 kg/m3 g = 10 m/s2 Ditanyakan ? P h ..? Ph = ρ.g.h = 1000 x 10 x 3 = 30.000 Pa = 30 Kpa 5. Hukum Hidrostatika Hukum pokok hidrostatika “Semua titik yang terletak pada kedalaman yang sama maka tekanan hidrostatikanya sama.” Jadi semua titik yang terletak pada bidang datar didalam satu jenis zat cair memiliki tekanan yang sama, ini dikenal dengan hukum pokok hidrostatika dan tekanan ini disebut dengan tekanan hidrostatis.
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI Page 33 Keterangan : = massa jenis zat cair ke 1 (kg/m3 ) g = percepatan gravitasi (m/s2 ) h1 = tinggi zat cair ke 1( m ) = massa jenis zat cair ke 2 (kg/m3 ) h2 = tinggi zat cair ke 2( m ) Contoh soal Raksa pada bejana berhubungna mempunyai selisih permukaan 2 cm dan zat cair pada kaki sebelah kiri 25 cm Jika massa jenis raksa 136 g/cm3 , buktikanlah jika nilai massa jenis cair adalah ! Pembahasan Diketahui : h1 = 2 cm = 0,02 m = 13,6 g/m3 = 13.000 kg/m3 h2 = 25 cm = 0,25 m g = 10 m/s2 = ........ ? Jawab : 272 = . 0,25 6. Hukum Pascal dan Penerapannya Prinsip Pascal mengatakan bahwa tekanan yang diberikan kepada zat cair dalam ruang tertutup diteruskan sama besar ke segala arah. Sebagai contoh sederhana aplikasi dari hukum Pascal adalah dongkrak hidrolik.
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI Page 34 Perhatikan gambar mekanisme hidrolik diatas. Karena cairan tidak dapat ditambahkan ataupun keluar dari sistem tertutup, maka volume cairan yang terdorong di sebelah kiri akan mendorong piston (silinder pejal) di sebelah kanan ke arah atas. Dengan menggunakan prinsip Pascal, berlaku hubungan, secara matematis: P1 = P2 Keterangan P1 = tekanan pada penampang 1 (Pa) P2 = tekanan pada penampang 2 (Pa) F1 = gaya pada penampang 1 (N) F2 = gaya pada penampang 2 (N) A1 = luas penampang 1(m2 ) A2 = luas penampang 2 (m2 ) Penerapan dalam kehidupan sehari-hari, yang menggunakan prinsip hukum Pascal antara lain dongkrak hidrolik, pompa hidrolik ban sepeda, mesin hidrolik pengangkat mobil, mesin pengepres hidrolik, dan rim piringan hidrolik. Contoh Soal Alat pengangkat mobil yang memiliki luas pengisap masing-masing sebesar 0,10 m2 dan 4 x 10-4 m 2 digunakan untuk mengangkat mobil seberat 2 x 104 N. Buktikanlah jika besar gaya yang harus diberikan pada pengisap yang kecil adalah ?
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI Page 35 Pembahasannya : Diketahui : A1 = 4 x 10-4m 2 A2 = 0,1 m2 dan F2 = 2 x 104 N Ditanya : F1 = ? F1 = F2 7. Hukum Archimedes Hukum Archimedes berbunyi, "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 ini merupakan selisih dari gaya berat benda di udara dengan gaya berat benda di dalam fluida FA = Wu - Wf Keterangan : FA = gaya ke atas = gaya apung (N) Wu = gaya berat benda di udara (N) Wf = gaya berat benda di fluida (N) Secara Matematis FA = ρf . Vbf . g Keterangan : FA = gaya ke atas = gaya apung (N) ρf = massa jenis fluida (kg/m3 ) Vbf = Volume benda yang tercelup dalam fluida (m3 ) g = percepatan gravitasi (m/s2 )
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI Page 36 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 kg/m-3 , buktikanlah jika massa jenis benda ( dalam cm3 ) adalah 0,01 x 106 cm3 ? Pembahasan Diketahui : Wu = 500 N Wf = 400 N ρf = 1000 kg/m-3 g = 10 m/s2 Ditanyakan ρB = …? FA = Wu – Wf ρf . g. Vb = Wu – Wf 1000 . 10 . Vb = 500 - 400 10000 . Vb = 100 Vb = 0,01 m3 = 0,01 x 106 cm3 Mengapung FA > W Jika benda dicelupkan ke dalam fluida, benda muncul sebagian ke permukaan air, karena berat benda lebih kecil dari gaya apung (FA > W).
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI Page 37 Ini adalah konsep mengapung. Dari konsep tersebut, dapat dirumuskan hubungan antara massa jenis benda dengan massa jenis fluida: Keterangan : ρb = massa jenis benda ( kg/m -3 ) Vbf = Volume benda yang tercelup (m3 ) Vb = Volume benda (m3 ) ρf = massa jenis fluida ( kg/m -3 ) Contoh soal Didalam bejana yang berisi air mengapung segumpul es yang massa jenisnya 900 kg/m3 . Volume es yang tercelup kedalam air 0,18 m3 . Buktikanlah jika massa jenis air 1000 kg/m3 maka volume seluruh es adalah m 3 Pembahasan Diketahui ρb = 900 kg/m3 Vbf = 0,18 m3 ρf = 1000 kg/m3 ditanya : Vb = ..... ? jawab
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI Page 38 Melayang FA = W Jika benda dicelupkan seluruhnya kedalam fluida (air), maka gaya apung (FA) sama dengan berat benda W (FA = W). Tengelam FA < W Jika benda dicelupkan seluruhnya kedalam fluida (air), maka gaya apung ( FA) lebih kecil dari berat benda W (FA < W). Sehingga benda bergerak kebawah menuju dasar wadah air. Ini adalah konsep tenggelam. 8. Tengangan Permukaan Pengertian tegangan permukaan zat cair Tegangan permukaan zat cair: adalah kecenderungan zat cair untuk menegang sehingga pernukaannya seperti ditutupi suatu lapisan elastis. Tinjau partikel didalam zat cair (A), maka resultan gaya yang bekerja pada partikel tersebut sama dengan nol, karena partikel ditarik oleh gaya yang sama besar kesegala arah. Dan partikel yang berada tepat dibawah permukaan zat cair (B), maka resultan gaya yang bekerja pada partikel tersebut tidak sama dengan nol, karena ada gaya resultan yang arahnya kebawah, sehingga lapisan atas seakan-akan tertutup oleh
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI Page 39 lapisan selaput elastis yang ketat. Selaput ini cenderung menyempit sekuat mungkin. Oleh karenanya sejumlah tertentu cairan cenderung mengambil bentuk dengan permukaan sesempit mungkin. Inilah yang disebut tegangan permukaan. Tegangan permukaan dipengaruhi oleh : jenis cairan, suhu dan tekanan, massa jenis, konsentrasi zat terlarut dan kerapatan. Besarnya tegangan permukaan untuk benda yang memiliki satu permukaan adalah Keterangan : F = gaya tegangan permukaan (N) d = panjang permukaan (m) L = panjang kawat (m) γ = tegangan permukaan ( N/m ) Contoh soal Sebuah kawat panjang 10 cm ditempatkan secara horizontal di permukaan air dan ditarik perlahan dengan gaya 0,02 N untuk menjaga agar kawat tetap seimbang. Buktikanlah jika tegangan permukaan air tersebut adalah 0,1 Nm-1 Pembahasan Diketahui : F = 0,02 N L = 10 cm = 0,1 m Ditanyakan, γ ? = 0,1 Nm-1
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI Page 40 9. Kapilaritas Kapilaritas adalah peristiwa naik atau turunnya permukaan zat cair melalui perantara, seperti kain, dinding, pipa kapiler, dan lain sabagainya. Namun tidak semua zat cair mengalami gejala kapilaritas yang sama. Misalnya pada air dan raksa. Namun tidak semua zat cair mengalami gejala kapilaritas yang sama. Misalnya pada air dan raksa. Pada zat cair berupa air. permukaan zat cair dapat membasahi dinding. Sedangkan pada zat cair berupa raksa, tidak dapat membasahi dinding, raksa malah akan turun. Air membasahi dinding karena gaya kohesi antar partikel air lebih kecil dari gaya adhesi antara partikel air dan partikel dinding. Gaya tarikmenarik antar partikel sejenis disebut gaya kohesi. Sedangkan gaya tarik menarik antar partikel berbeda jenis disebut gaya adhesi. Keterangan : = tegangan permukaan ( N/m ) θ = sudut kontak r = jari-jari pipa ( m ) g = percepatan gravitasi ( m/s2 ) ρ = massa jenis zat cair ( kg/m3 ) h = tinggi naik/turunnya zat cair ( m ) Contoh peristiwa kapilaritas dalam kehidupan sehari-har
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI Page 41 Minyak naik melalui sumbu pada kompor atau lampu minyak Dinding rumah basah pada musim hujan Air tanah naik melalui pembulu kayu Contoh Soal Sebuah pipa kapiler dengan jari jari 1 mm dimasukkan ke dalam air secara vertical, Air memiliki massa jenis 1 g/cm2 dan tegangan permukaan 1 N/m. Jika sudut kontaknya 600 dan percepatan gravitasi , g = 10 m/s2 , , maka hitunglah besarnya kenaikan permukaan air pada dinding pipa kapiler tersebut! Pembahasan Diketahui : r = 1 mm = 10-3 m ρ = 1 g/cm2 γ = 1 N/m θ = 600 Ditanyakan h = ….? Jawab : 10. Viskositas Viskositas merupakan suatu cara untuk menyatakan berapa daya tahan dari aliran yang diberkan terhadap suatu cairan. Kebanyakan dari viscometer digunakan untuk mengukur kecepatan suatu cairan yang mengalir melalui pipa gelas (gelas kapiler). Definisi lain dari
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI Page 42 viskositas ialah ukuran yang menyatakan kekentalan dari suatu cairan atau fluida. Kekentalan merupakan sifat cairan yang berhubungan erat dengan hambatan agar mengalir. Tingkat kekentalan (Viscositas) 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 viscositas fluida. Menurut Stokes, besar gaya tersebut adalah. Fs = 6πηrv Keterangan : Fs = gaya gesek (N) r = jari jari bola (m) v = kecepatan bola (m/s) Bila bola dalam fluida mencapai keseimbangan, maka kecepatan bola konstan. Kecepatan ini disebut kecepatan terminal ( vt ) ( ρb – ρa ) Keterangan : η = koefisien viskositas (Ns/m2 ) r = jari jari bola (m) ρb = massa jenis bola (kg/m3 ) ρa = massa jenis fluida ( kg/m3 )
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI Page 43 g = percepatan gravitasi ( 10 m/s2 ) vt = kecepatan terminal bola (m/s) Contoh soal Sebuah bola dengan jari jari 1 mm dan massa jenisnya 2500 kg/m3 jatuh ke dalam air. Jika koefisien viskositas air 10-3 Ns/m2 dan g = 10 m/s2 , hitunglah kecepatan terminal! Diketahui : r = 1 mm = 1.10-3 m ρb = 2500 kg/m3 η = 10-3 Ns/m2 g = 10 m/s2 ρa = 1000 kg/m3 Ditanyakan v ? Jawab ( ρb – ρa ) ( 2500 – 1000 ) ( 2500 – 1000 ) = 2,2 x 10-3 ( 1000 ) = 2,2 x 10-3 . 15 x 10-2 = 33 x 10-1 = 3,3 m/s
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI Page 44 Aplikasi Materi Fluida Statis dalam kehidupan sehari-hari Dongkrak Hidrolik Prinsip kerja dongkrak hidrolik pada penggunaannya untuk mengganti ban mobil. Tekanan yang berikan pada pemngisap yang penampangnya kecil diteruskan oleh minyak (zat cair) melaui pipa yang penampungnya besar. Pada penghisap besar memnghasilkan gaya angkat yang mampu memngngkat mobil, sehingga dapat menukar ban Dengan prinsip kerja yang sederhana, hidrometer dapat digunakan untuk mengukur massa jenis fluida. Dengan cara memasukan hidrometer ke fluida yang akan diukur massa jenisnya, maka massa jenis fluida dapat diketahui secara langsung Kapal laut dibuat berongga, sehingga volume kapal menjadi besar, akibatnya volume air yang akan dipindahkan juga besar. Dengan demikian gaya apung kapal juga besar, maka kapal tidak tenggelam. Kapal yang sarat penumpang, volume kapal yang tenggelam akan lebih besar dadripada volume kapal kosong Kapal selam memiliki rongga atau tanghki yang dilengkapi dengan katup air dan katup udara. Supaya dapat tenggelam, maka katup air pada tangki dibuka sehingga air mmasuk dan udara dikeluarkan melalui katup udara, akibatnya kapal menyelam. Sebaliknya untuk dapat muncul kembali dipermukaan, air dalam tangki dipompa dan udara masuk lewat katup udara kedalamnya. Dengan cara ini gaya apung kapal lebih besar daripada berat kapal, sehingga kapal terapung. Udara merupakan fluida, sedangkan balon sebagai benda yang melayang di udara. Sesuai dengan hukum Archimedes, balon yang berisi gas helium (He) memiliki massa jenis lebih kecil dari massa jenis udara pada umumnya, akibatnya balon akan melayang diudara ENGINEERING
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI Page 45 Ayo Memahami Silahkan masukan barkot ini ke google lens di smarphone untuk menambah pemahaman ananda terhadap materi ini TECHNOLOGY
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI Page 46 Rangkuman Tekanan didefinisikan sebagai gaya yang bekerja tegak lurus pada suatu bidang dibagi dengan luas bidang itu. Hukum Hidrostatika mengatakan semua titik yang terletak pada kedalaman yang sama maka memiliki tekanan hidrostatika yang sama. Tekanan Hidrostatis 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. Hukum Pascal,Prinsip Pascal mengatakan bahwa tekanan yang diberikan kepada zat cair dalam ruang tertutup diteruskan sama besar ke segala arah, Hukum Archimedes, Hukum Archimedes berbunyi, "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". Tegangan permukaan adalah gaya yang dikerjakan oleh zat cair dalam pipa kapiler. Kapilaritas adalah peristiwa naik atau turunnya permukaan zat cair melalui perantara, seperti kain, dinding, pipa kapiler, dan lain sebagainya. Viskositas adalah kekentalan suatu zat cair. Tingkat kekentalan (Viscositas) suatu fluida dinyatakan oleh koefisien kekentalan
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI Page 47 fluida tersebut, semakin kental suatu zat cair, maka gaya hambatannya semakin besar. Gaya Adhesi : Gaya tarik menarik antara partikel-partikel tidak sejenis Gaya Kohesi : Gaya tarik menarik antara partikel-partikel sejenis Kecepatan Terminal : Kecepatan tetap dan terbesar yang dialami oleh benda didalam fluida kental
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI Page 48 EVALUASI Kerjakanlah evaluasi ini dengan baik dan benar dibuku latihan ananda ! 1. Suatu tempat didasar danau memiliki kedalaman 20 m. Diketahui massa jenis air danau 1 gr/cm3 , percepatan gravitasi g = 10 m/s2 dan tekanan diatas permukaan air sebesar 1 atm.Uraikanlah tekanan hidrostatis dan tekanan total didasar danau dalam satuan pascal ! 2. Perhatikan gambar berikut Dari gambar di atas terlihat pompa hidrolik yang kecil dapat menggangkat beban yang benar mengapa hal tersebut bisa terjadi? Uraikan pendapatmu ! 3. Viskositas adalah Ukuran kekentalan fluida yang menyatakan besr kecilnya gesekan di dalam fluida. Semakin besar viskositas fluida, maka semakin sulit suatu fuida untuk mengalir dan juga menunjukkan semakin sulit suatu benda untuk bergerak dalam fluida tersebut. Sebuah kelereng massa jenisnya 7 gram/ cm3 dan berdiameter 1,8 cm bergerak vertikal ke bawah dengan kelajuan tetap 0,5 cm/s dalam suatu fluida yang massa jenisnya 2, gram/cm3 Maka koefisien viskositas fluida jika percepatan gravitasi 10 m/ s2 dan besar gaya gesek yang dialami kelereng tersebut adalah... 4. Fina merendam handuk dengan air panas dengan detergen. Selang beberapa saat kotoran pada handuk terangkat dan larut
E-MODUL FISIKA SMA/MA KELAS XI Page 49 ke dalam air rendaman. Menurut ananda, apa yang menyebabkan hal ini terjadi?Kaitkan pendapatmu dengan materi fluida statis 5. Perhatikan gambar percobaan di bawah ini! Dari percobaan tersebut, apakah ada perbedaan berat batu ketika di udara dengan berat batu ketika berada di dalam air? Simpulkanlah konsep tentang hukum archimedes berdasarkan percobaan tersebut!