DIKTAT FISIKA KELAS XI

FISIKA XI KELAS XI Rahmat Widodo Sekolah Menengah Kejuruan SMTI Bandar Lampung 2020

FISIKA Kelas XI | FLUIDA | SUHU & KALOR | TERMODINAMIKA | GETARAN | GELOMBANG | Penyusun: Rahmat Widodo SEKOLAH MENENGAH KEJURUAN SMTI BANDAR LAMPUNG BADAN PENGEMBANGAN SUMBER DAYA MANUSIA INDUSTRI KEMENTERIAN PERINDUSTRIAN REPUBLIK INDONESIA 2020

HALAMAN PERNYATAAN Yang bertanda tangan di bawah ini: Nama Lengkap : Rahmat Widodo, S.Si.,M.Sc. NIP : 198403182009111001 Pangkat/ Golongan : Penata / III.c Jabatan Fungsional : Guru Mata Pelajaran Fisika Instansi/Sekolah : SMK SMTI Bandar Lampung Judul Tulisan : Diktat Fisika Kelas XI Menyatakan bahwa karya tulis ilmiah ini ini benar-benar karya saya sendiri. Sepanjang pengetahuan saya, tidak terdapat karya atau pendapat yang ditulis atau diterbitkan orang lain kecuali berkedudukan sebagai acuan. Bandar Lampung, Desember 2020 Yang menyatakan Rahmat Widodo, S.Si.,M.Sc. NIP. 198403182009111001

ii Kata Pengantar Puji syukur kehadirat Allah SWT atas karuniaNya segala kebaikan hadir di bumi ini. Shalawat dan salam semoga senantiasa Allah curahkan kepada Rasulullah Muhammad SAW. Fisika adalah salah satu upaya untuk memahami alam semesta. Di dalamnya terdapat paradigma, filosofi hingga langkah-langkah teknis dalam menelisik misteri jagad raya. Apa yang dimuat dalam fisika adalah model. Model untuk memahami apa yang sebenarnya ada dan terjadi di alam ini. Salah satu cara dalam memahami alam ini, adalah dengan mengungkapkannya dalam ungkapan-ungkapan matematis. Bahasa ini ditunjukkan sebagai bahasa yang paling efektif dan universal di dunia. Bahasa matematika merupakan bahasa yang tak terbatas kebangsaan dan negara. Pun zaman dan era. Dalam kaitannya fisika, terdapat sejumlah pandangan tentang posisi matematika. Salah satu pandangan yang dianut adalah bahwa matematika merupakan ‘perangkat’ untuk memahami lebih jauh tentang fisika, tentang alam semesta. Karena itulah, dalam belajar fisika, tetaplah fokus pada aspek fisikanya. Tidak terjebak dalam matematika. Apalagi bila yang terjadi adalah, sebagian peserta didik merasa berat belajar fisika bukan karena fisika. Namun karena matematika yang ada di dalamnya. Diktat ini dihadapkan menjadi satu serpih di tengah bangunan besar rujukan dalam belajar fisika. Tidak ada yang baru di dalamnya, melainkan sekadar pengulangan dan penekanan aspek tertentu sesuai kebutuhan peserta didik. Akhir kata, semoga sejumput tulisa ini dapat bermanfaat bagi pembaca. Saran, kritik, nasihat sangat penulis harapkan guna perbaikan selanjutnya. Bandar Lampung, Desember 2020 Penyusun

iii Daftar Isi Halaman Judul i Kata Pengantar ii Daftar Isi iii Glosarium v Bab 4 FLUIDA 73 A. FLUIDA STATIS 75 9.1. Tekanan Hidrostatik 75 9.2. Hukum Pokok Hidrostatika 82 9.3. Hukum Pascal 85 9.4. Hukum Archimedes 87 9.5. Mengapung, Melayang dan Tenggelam 90 9.6. Tegangan Permukaan 93 9.7. Viskositas dan Hukum Stokes 98 B. FLUIDA DINAMIS 101 9.8. Persamaan Kontinuitas 104 9.9. Daya oleh Aliran Fluida 104 9.10. Hukum Bernoulli 106 9.11. Pesawat Terbang 111 Evaluasi Bab 4 113 4.4. Praktik Fluida Statis 130 Bab 5 SUHU DAN KALOR 133 5.1. Pengertian Suhu dan Kalor 135 5.2. Skala Suhu 135 5.3. Konversi Skala Suhu 136 5.4. Termometer 137 5.5. Pengaruh Kalor Terhadap Zat 138 5.6. Asas Black 148 5.7. Perpindahan Kalor 150 Evaluasi Bab 5 154

iv Bab 6 TERMODINAMIKA 162 6.1. Definisi Gas Ideal dan Ciri-cirinya 164 6.2. Persamaan Keadaan Gas Ideal 165 6.3. Tekanan dan Energi Kinetik Gas Ideal 169 6.4. Suhu dan Energi Kinetik Rata-rata Gas Ideal 171 6.5. Energi Dalam 172 6.6. Hukum Termodinamika: Nol, I, II dan III 173 6.7. Proses dan Siklus Termodinamika 176 6.8. Mesin Kalor 186 6.9. Efisiensi Mesin 188 Evaluasi Bab 6 190 Bab 7 GETARAN 199 7.1. Getaran 201 7.2. Besaran Fisika yang Berkaitan dengan Peristiwa Getaran 202 7.3. Periode dan Frekuensi Getaran Harmonik 203 7.4. Gerak Harmonik Sederhana 208 7.5. Energi dalam Gerak Harmonik Sederhana 212 7.6. Aplikasi Gerak Harmonik Sederhana 218 Evaluasi Bab 7 223 Bab 8 GELOMBANG 227 8.1. Gelombang 229 8.2. Frekuensi, Kecepatan Rambat dan Panjang Gelombang 229 8.3. Gelombang Transversal dan Longitudinal 230 8.4. Gelombang Tali, Gelombang Permukaan Air, Gelombang Bunyi dan Gelombang Cahaya 233 8.5. Interferensi, Resonansi, Gelombang Kejut, Efek Doppler 239 8.6. Gelombang Sonar, Supersonik dan Sonic Boom, Ultrasonik dan Infrasonik, Gelombang Radio, Gelombang TV, dan Radar 242 Evaluasi Bab 8 246 Penutup 311 Daftar Pustaka 313

v Glosarium Amplitudo: jarak perpindahan maksimum dari titik keseimbangan. Arus listrik: jumlah muatan yang mengalir melalui penampang penghantar dalam tiap satu satuan waktu. Beda potensial: besarnya energi potensial yang bekerja pada satu muatan uji. Bilangan Mach: perbandingan antara laju benda dengan laju bunyi di medium pada lokasi tersebut. Bukit gelombang: satu lengkung ke atas dari garis horizontal. Cahaya monokromatik: cahaya yang hanya memiliki satu nilai panjang gelombang. Dasar gelombang: titik-titik terendah pada gelombang. Daya disipasi: daya yang berubah menjadi panas pada suatu resistor. Daya listrik: energi yang digunakan tiap satu satuan waktu. Efek Doppler: efek yang menjelaskan adanya adanya perbedaan antara frekuensi yang dipancarkan oleh suatu sumber bunyi dengan frekuensi yang diterima oleh penerimanya. Energi kinetik: merupakan energi yang dimiliki benda karena kecepatan yang dimilikinya. Energi listrik: energi akibat mengalirnya muatan listrik dalam suatu rangkaian listrik tertutup. Energi potensial: energi yang dimiliki benda karena posisi simpangannya dari titik keseimbangan. Fluks magnet: jumlah garis gaya yang menembus tegak lurus bidang. Frekuensi: besaran yang menunjukkan ‘seberapa sering’ suatu peristiwa terjadi. Garis gaya magnet: garis khayal yang menggambarkan suatu medan magnet. Gaya Coulomb: gaya listrik, gaya yang bersumber pada muatan listrik. Gaya Lorentz: gaya yang ditimbulkan oleh muatan listrik yang bergerak atau oleh arus listrik yang berada dalam suatu medan magnet. Gaya magnet: gaya tarik ataupun gaya tolak yang bersumber pada magnet. Gaya pemulih: gaya pada getaran harmonik yang selalu sebanding dengan jarak simpangan dan arahnya berlawanan dengan arah simpangan. Gelombang elektromagnetik: gelombang transversal yang dalam perambatannya tidak memerlukan medium perantara. Gelombang elektromangetik: gelombang yang dalam perambatannya tidak memerlukan medium. Gelombang infrasonik: gelombang mekanik longitudinal dengan frekuensi kurang dari 20 Hz. Gelombang kejut: gelombang yang terjadi ketika kecepatan sumber bunyi lebih tinggi daripada kecepatan bunyi.

vi Gelombang kejut: hasil dari interferensi konstruktif dari sejumlah besar muka gelombang. Gelombang longitudinal: gelombang yang arah simpangannya sejajar/searah terhadap arah perambatannya. Gelombang mekanik: gelombang yang dalam perambatannya memerlukan medium. Gelombang sonik/audiosonik: gelombang mekanik longitudinal dengan frekuensi dalam jangkau pendengaran kita yakni 20 Hz hingga 20.000. Gelombang transversal: gelombang yang arah simpangannya tegak lurus terhadap arah perambatannya. Gelombang ultrasonik: gelombang mekanik longitudinal dengan frekuensi lebih dari 20.000 Hz. Gelombang: getaran yang merambat. Gerak harmonik sederhana: gerakan bolak-balik suatu benda melalui titik keseimbangannya tanpa teredam. Gerak lurus beraturan: gerak dengan kecepatan tetap dan lintasan lurus Getaran harmonik sederhana: merupakan getaran dengan resultan gaya yang bekerja pada titik sebarang selalu mengarah ke titik keseimbangan, dan besar resultan gaya sebanding dengan jarak titik sebarang ke titik keseimbangan tersebut. Getaran: gerak bolak-balik periodik melalui titik keseimbangan. Hukum Coulomb: hukum yang menyatakan besar gaya tarik atau gaya tolak antara dua muatan listrik sebanding dengan muatan-muatannya dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua muatan. Hukum Hooke: hukum yang menyatakan bahwa gaya yang diperlukan untuk meregangkan atau memampatkan sebuah pegas, sebanding dengan perubahan panjang pegas tersebut Hukum kelestarian energi mekanik: hukum yang menyatakan bahwa pada getaran harmonik terjadi pertukaran energi potensial menjadi energi kinetik ataupun sebaliknya, tetapi energi total (jumlah energi potensial dan energi kinetik) selalu tetap besarnya. Interferensi destruktif: peristiwa interferensi antara dua gelombang atau lebih yang fasenya berlawanan, sehingga hasilnya akan saling meniadakan. Interferensi: peristiwa ketika dua gelombang atau lebih bertemu di satu titik yang sama, pada medium yang sama, dan pada saat yang sama. Interfrensi konstruktif: peristiwa interferensi antara dua gelombang atau lebih yang sefase, sehingga hasilnya akan saling menguatkan. Kecepatan supersonik: kecepatan yang melebih kecepatan bunyi. Kecepatan: besaran yang menunjukkan ‘seberapa cepat’ suatu peristiwa terjadi. Kuat medan listrik: besar gaya Coulomb (gaya listrik) yang bekerja pada muatan uji dibagi dengan besar muatan uji. Lembah gelombang: satu lengkung ke bawah dari garis horizontal.

vii Medan listrik: ruang di sekitar muatan listrik sumber, yang pada ruangan ini muatan listrik lain mengalami gaya Coulomb atau gaya listrik (tarik atau tolak) dari muatan sumber tersebut. Medan magnet: wilayah atau ruang yang terkena medan magnet. Medium: media perambatan gelombang. Muatan negatif: muatan yang kelebihan elektron. Muatan positif: muatan yang kekurangan elektron. Muatan sumber: benda bermuatan yang menghasilkan medan listrik. Muatan uji: muatan lain yang diletakkan dalam pengaruh medan listrik dari muatan sumber. Muatan: sifat yang sudah melekat dalam suatu materi. Panjang gelombang longitudinal: (1) satu rapatan dan satu renggangan; (2) jarak antara pusat dua rapatan atau jarak antara pusat dua renggangan yang berdekatan. Panjang gelombang transversal: jarak antara dua puncak berurutan, atau dua dasar berurutan, atau jarak satu puncak dan satu gelombang terdekat. Periode: besaran yang menunjukkan ‘seberapa lama’ suatu peristiwa terjadi. Pulsa gelombang: gelombang yang muncul akibat satu gangguan. Puncak gelombang: titik-titik tertinggi pada gelombang. RADAR: Radio Detection and Ranging, sistem deteksi menggunakan gelombang radio. Resistansi: perilaku bahan dalam merespon beda tegangan yang diberikan. Resistivitas: sifat ‘bawaan’ terkait resistansi benda yang tidak terpengaruh oleh perlakuan terhadapnya. Resistor: konduktor yang fungsinya dalam rangkaian adalah untuk memberikan resistansi tertentu disebut resistor. Setengah panjang gelombang longitudinal: adalah jarak antara pusat rapatan dan pusat renggangan yang berdekatan. Solenoida: kumparan kawat berbentuk tabung panjang dengan lilitan yang sangat rapat, dengan diameter dan panjang tertentu, inti kumparan dapat berisi material ataupun tidak. Sonar: Sound Navigation Ranging, sistem pencarian menggunakan gelombang suara. Sonic boom/ledakan sonik: ledakan sonik yang keras yang melewati pendengar. Supersonik: laju yang melebihi kecepatan suara. Tangki riak (ripple tank): alat untuk eksperimen gelombang permukaan air. Tetapan pegas: tetapan yang menyatakan tingkat kekakuan pegas, semakin besar nilai tetapan pegas semakin kaku suatu pegas, dan sebaliknya. Toroida: solenoida yang dilengkungkan sehingga sumbunya berbentuk lingkaran.

FLUIDA Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 73 Bab 4. Fluida

FLUIDA Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 74 Kompetensi Pengetahuan 3.8. Menerapkan hukum-hukum yang berkaitan dengan fluida statis dan dinamis Kompetensi Keterampilan 4.8. Melakukan percobaan sederhana yang berkaitan dengan hukum-hukum fluida statis dan dinamis Langkah-langkah Pembelajaran untuk Peserta Didik Peserta didik menyimak informasi mengenai fluida statik dan dinamik. Peserta didik mengajukan pertanyaan yang berkaitan dengan konsep-konsep fluida statik dan dinamik beserta penerapannya dalam teknologi dan kehidupan sehari-hari. Peserta didik menunjukkan konsep-konsep fluida statik dan dinamik beserta penerapannya dalam teknologi dan kehidupan sehari-hari Peserta didik menerapkan konsep fluida statik dan dinamik dalam bab ini menggunakan hubungan matematis. Peserta didik mempelajari makna fisis dari setiap hukum dalam konsep fluida statik dan dinamik. Peserta didik menyaji hasil pengamatan mengenai hukum Archimedes dalam eksperimen sederhana. FLUIDA hukum terkait Tekanan besaran terkait Hukum Archimedes eksperimen sederhana perhitungan terkait Debit konsep terkait Peta Konsep Kedalaman Massa jenis Debit Mengapung, melayang, tenggelam Tekanan Hidrostatis Tekanan Udara Hukum Pascal Hukum Bernoulli Hukum Archimedes Hukum Stokes Hukum Pokok Hidrostatika Gaya Luas Volume Viskositas Viskositas Laju Fluida

FLUIDA Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 75 Bab 4 Fluida (www.fluidvisual.com) Fluida (zat alir) merupakan zat yang dapat mengalir. Termasuk dalam fluida adalah zat cair dan gas. A. FLUIDA STATIS Fluida statis adalah fluida yang berada dalam keadaan diam (tidak bergerak). Ilmu yang mempelajari fluida statis disebut sebagai statika fluida. Jika fluida diam yang ditinjau adalah zat cair, maka disebut sebagai hidrostatis. Dalam bahasan fluida statis, akan dibahas: tekanan hidrostatik, hukum pokok hidrostatika, hukum Archimedes, tegangan permukaan, viskositas dan hukum Stokes. 4.1. Tekanan Hidrostatik Tekanan Tekanan merupakan gaya yang bekerja tegak lurus pada setiap satuan luas permukaan benda. Atau, dapat pula dinyatakan bahwa gaya merupakan gaya normal (tegak lurus) yang bekerja pada suatu bidang dibagi dengan luas bidang tersebut. Secara matematis, tekanan dapat diungkapkan sebagai (4.1) Dengan: = tekanan (N/m2 atau Pa) = gaya (N) = luas permukaan bidang (m2 ) Satuan SI untuk tekanan adalah pascal (disingkat Pa) sebagai bentuk penghargaan kepada Blaise Pascal, penemu hukum Pascal. Nilai satuan pascal adalah 1 Pa = 1 N/m2 Untuk sejumlah aplikasi dan keperluan di berbagai bidang, satuan tekanan dapat pula dinyatakan sebagai: 1 bar = 105 Pa 1 atm = 1,01 x 105 Pa 1 x 105 Pa 1 atm = 76 cmHg Satuan lain, sebagai bentuk penghormatan terhadap Torricelli, fisikawan Italia penemu barometer, ditetapkan pula satuan 1 torr = 1 mmHg

FLUIDA Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 76 Berikut ini adalah sejumlah ilustrasi yang menggambarkan munculnya tekanan (a) (b) (c) Gambar 4.1 Ilustrasi tekanan pada sejumlah bidang Contoh soal dan penyelesaian 4.1 1) Berapa tekanan yang dihasilkan oleh gaya sebesar 100 N pada permukaan 5 m2 ? Penyelesaian: Diketahui: Ditanya: 2) Untuk memperoleh tekanan sebesar 490 bar pada permukaan lingkaran berjari-jari 10 cm, berapa gaya yang dibutuhkan? Penyelesaian: Diketahui: Ditanya: Kita hitung terlebih dahulu luas permukaan bidang tekan ( ) Sehingga, diperlukan gaya sebesar . 3) Berapa luas permukaan diperlukan agar gaya sebesar 45 x 103 N dapat menghasilkan tekanan sebesar 15 atm? Penyelesaian: Diketahui: Ditanya: = ? Jadi, diperlukan luas permukaan 0,03 m2 .

FLUIDA Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 77 Tekanan hidrostatis Tekanan hidrostatis merupakan tekanan yang dikerjakan zat cair pada keadaan diam. Dengan kata lain, tekanan hidrostatis timbul akibat berat dari zat cair itu sendiri. Tekanan hidrostatis merupakan dampak dari adanya gaya gravitasi yang menyebabkan zat cair dalam suatu wadah selalu tertarik ke bawah. Makin tinggi zat cair dalam suatu wadah, maka akan makin berat zat cair tersebut, sehingga akan semakin berat pula tekanan zat cair pada dasar wadahnya. Kita dapat mengilustrasikan zat cair diam yang berada dalam suatu wadah, terdiri dari ‘lapisanlapisan’ berikut Gambar 4.2 Zat cair dapat dianggap terdiri dari ‘lapisan-lapisan’ Gambar 4.2 menggambarkan bahwa lapisan bawah ditekan oleh lapisan-lapisan di atasnya, sehingga akan mengalami tekanan yang lebih besar. Sedangkan lapisan paling atas, hanya ditekan oleh udara di atasnya. Hal ini berarti bahwa permukaan zat cair (paling atas) hanya akan mengalami tekanan yang sama dengan tekanan udara atau tekanan atmosfer. Tekanan hidrostatis dapat dinyatakan secara matematis. Persamaan matematis untuk tekanan hidrostatis dapat diperoleh dengan penurunan berikut. Penurunan persamaan tekanan hidrostatis Cara I Perhatikan ilustrasi balok berisi zat cair berikut! Gambar 4.3 Balok Dari Gambar 4.3, dapat kita bayangkan sebuah balok berisi zat cair dengan luas permukaan bawah (diarsir), , yang terletak pada kedalaman di bawah permukaan zat cair (dengan massa jenis = ). Volume zat cair di dalam balok , sehingga massa zat cair di dalam balok adalah (4.2) (4.3) Gaya berat zat cair di dalam balok adalah (4.4) (4.5)

FLUIDA Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 78 Dengan mengacu pada persamaan (4.1), tekanan zat cair di sebarang titik pada luas bidang yang diarsir adalah (4.6) Sehingga, tekanan zat cair atau tekanan hidrostatis ( ) dengan massa jenis pada kedalaman dinyatakan sebagai (4.7) Dengan: = tekanan hidrostatis (Pa) = massa jenis (kg/m3 ) = percepatan gravitasi (m/s2 ) = kedalaman (m) Cara II Persamaan tentang tekanan hidrostatis dapat pula diperoleh menggunakan ilustrasi berikut: Gambar 4.4 Wadah berisi zat cair Gambar 4.4 mengilustrasikan sebuah wadah berisi zat cair bermassa jenis , dengan luas alas wadah A, pada kedalaman h terdapat titik S yang mengalami tekanan hidrostatis ( ). Dari keadaan tersebut, dapat diturunkan rumus sebagai berikut Mengacu pada persamaan 4.1, Dengan yang merupakan gaya berat, maka dari persamaan 4.1, diperoleh (4.8) Dari persamaan 4.2, kita tahu bahwa nilai Dengan adalah volume, yang jika dikaitkan dengan luas alas dan tinggi atau kedalaman air dalam wadah dengan persamaan (4.9) sehingga dari persamaan 4.2, 4.8 dan 4.9 akan diperoleh (4.10) Dengan: = tekanan hidrostatis (Pa) = massa jenis (kg/m3 ) = percepatan gravitasi (m/s2 ) = kedalaman (m)

FLUIDA Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 79 Contoh soal dan penyelesaian 4.2 1) Berapa tekanan yang dialami sebuah dadu dengan sisi 1 cm di tengah dasar wadah seluas 250 cm2 berisi air dengan kedalaman 76 cm? ( ) Penyelesaian: Diketahui: Catatan: kedalaman zat cair yang menekan permukaan dadu = kedalaman total - tinggi dadu. Ditanya: Jadi, tekanan yang dialami adalah 75x102 Pa. 2) Sebuah koin dengan diameter 2,5 cm tenggelam di dasar sebuah bak berisi zat cair. Jika koin tersebut mengalami tekanan sebesar 75 Pa pada kedalaman 150 cm, berapa massa jenis zat cair tersebut? Penyelesaian: Diketahui: 75 Pa Ditanya: Jadi, massa jenis zat cair tersebut adalah 5 kg/m3 . 3) Kepingan pipih berbentuk segitiga sama sisi dengan sisi 5 cm, berada pada wadah berisi zat cair bermassa jenis 0,5 g/cm3 . Pada kedalaman berapa kepingan tersebut akan mengalami tekanan sebesar 10 Pa? Penyelesaian: Diketahui: Ditanya: Jadi, kedalaman yang diperlukan adalah 20 x 10-4 m atau 2 mm.

FLUIDA Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 80 Tekanan gauge (Tekanan terukur) Tekanan gauge (tekanan terukur) merupakan tekanan yang terbaca dalam suatu alat ukur tekanan. Sebelumnya, perlu dipahami sejumlah konsep tentang tekanan sebagai berikut: - Tekanan gauge: tekanan yang terukur oleh suatu alat ukur tekanan. - Tekanan atmosfer: tekanan pada titik manapun di atmosfer bumi. - Tekanan mutlak: tekanan sesungguhnya, hasil penjumlahan tekanan gauge dan tekanan atmosfer. Sehingga, secara matematis hubungan antara tekanan mutlak, tekanan gauge dan tekanan atmosfer adalah (4.11) Dengan: = tekanan mutlak (Pa) = tekanan gauge (Pa) = tekanan atmosfer (Pa) Sebagai contoh, misalkan ketika kita mengukur tekanan sebuah ban dan terukur tekanan sebesar 2 atm, maka tekanan tersebut adalah tekanna gauge. Jika tekanan atmosfer adalah 1 atm, maka tekanan mutlaknya adalah 3 atm. Tekanan mutlak pada suatu kedalaman zat cair Konsep tekanan mutlak pada suatu kedalaman zat cair, sebenarnya serupa dengan konsep tekanan mutlak pada umumnya: melibatkan tekanan atmosfer/tekanan udara. Nah, pada suatu kedalaman zat cair maka tekanan mutlaknya adalah tekanan hidrostatis pada suatu kedalaman tertentu, ditambahkan dengan tekanan atmosfer di atas permukaan zat cair tersebut. Sebagai ilustrasi, dapat dilihat pada Gambar 4.5 berikut. Gambar 4.5 Tekanan atmosfer yang bekerja pada zat cair Secara matematis, tekanan mutlak pada suatu kedalaman zat cair dinyatakan sebagai (4.12) Atau (4.13) Dengan: = tekanan mutlak (Pa) = tekanan hidrostatis (Pa) = tekanan atmosfer (Pa) Sebagaimana dijelaskan di awal, bahwa tekanan hidrostatis dipengaruhi oleh gaya gravitasi. Semakin ke bawah, maka akan semakin besar tekanan hidrostatis yang dialami. Hal ini juga berlaku pada tekanan atmosfer atau tekanan udara. Semakin rendah suatu tempat, semakin tinggi tekanan atmosfernya. Di permukaan laut, tekanan atmosfernya bernilai sekitar 1 atm atau 1,01 x 105 Pa.

FLUIDA Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 81 Contoh soal dan penyelesaian 4.3 1) Berapa tekanan mutlak yang dialami suatu titik pada kedalaman 200 m di bawah permukaan laut? ( ) Penyelesaian: Diketahui: Ditanya: ( ) ( ) ( ) ( ) Jadi, tekanan mutlak yang dialami adalah 21,53 x 105 Pa. 2) Seekor ikan berada pada kedalaman 20 meter di bawah permukaan air. (http://fisikastudycenter.com) Jika massa jenis air 1000 kg/m3 , percepatan gravitasi bumi 10 m/s2 dan tekanan udara luar 1,01 x 105 N/m2 , tentukan : a) tekanan hidrostatis yang dialami ikan b) tekanan mutlak yang dialami ikan Penyelesaian: Diketahui: Ditanya: a) b) = ? a) Tekanan hidrostatis yang dialami ikan ( )( )( ) b) Tekanan mutlak yang dialami ikan ( ) ( )

FLUIDA Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 82 4.2. Hukum Pokok Hidrostatika Perhatikan gambar botol berikut! Gambar 4.6 Botol berisi air (www.triplepundit.com) Pada gambar botol berisi air di atas, jika botol tersebut di beri lubang di setiap sisinya pada ketinggian yang sama, dengan ukuran lubang yang sama, apa yang terjadi? Jika kita melakukannya dengan benar, maka air yang memancar dari setiap lubang akan memiliki jarak pancaran yang sama. Mengapa? Selain karena ukuran lubang yang sama, hal ini terutama terjadi karena lubang berada pada ketinggian yang sama, sehingga mengalami tekanan yang sama pula. Dari percobaan sederhana ini, dapat kita simpulkan apa yang disebut sebagai hukum pokok hidrostatika. Hukum pokok hidrostatika menyatakan bahwa: “semua titik yang terletak pada bidang datar yang sama di dalam zat cair yang sejenis memiliki tekanan (mutlak) yang sama”. Sistem yang lazim dipakai untuk menjelaskan Hukum pokok hidrostatika adalah sistem bejana berhubungan. Bejana berhubungan merupakan dua bejana atau lebih yang saling berhubungan. Hukum bejana berhubungan menyatakan jika bejana berhubungan diisi dengan zat cair yang sama dan dalam keadaan seimbang atau diam maka permukaan zat cair terletak pada satu bidang datar. Hukum pokok hidrostatika juga dapat diterapkan pada ilustrasi bejana berhubungan berikut (a) (b) Gambar 4.7 Pipa U dengan zat cair berbeda jenis (http://mediabelajaronline.blogspot.com)

FLUIDA Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 83 Dari Gambar 4.7 (a), dengan mengacu pada hukum pokok hidrostatika, secara matematis dapat dinyatakan (4.14) ( ) ( ) (4.15) (4.16) (4.17) Dan dari Gambar 4.7 (b) berlaku (4.18) (4.19) (4.20) ( ) (4.21) (4.22) Hukum pokok hidrostatika dapat diterapkan lebih lanjut sesuai dengan kasus yang dihadapi. Artinya, titiktitik yang ditinjau dapat berjumlah banyak dengan tetap mengacu pada hukum pokok hidrostatika. Diantara aplikasi dari hukum pokok hidrostatika ini adalah pada manometer dan barometer raksa atau dikenal pula dengan barometer Torricelli. (a) (b) (c) Gambar 4.8 (a) Barometer Torricelli, (b) Manometer Terbuka, dan (c) Manometer Tertutup (http://kimtek.brinkster.net) Barometer Torricelli merupakan barometer sederhana yang terdiri dari sebuah tabung panjang yang diisi dengan air raksa. Tabung ini posisinya dibalik di dalam sebuah bejana sehingga air raksa akan turun pada ketinggian tertentu sampai tercapai kesetimbangan antara gaya tekanan udara luar dengan berat kolom air raksa. Ruang vakum yang ada di ujung barometer disebut ruang vakumTorricelli, satuan tekanan ini adalah 1 torr yang besarnya sama dengan 760 mmHg atau disebut juga 1 atmosfir (atm). Besar 1 atm sama dengan 101.325 Pa (Pascal). Sedangkan manometer, merupakan alat yang digunakan untuk menghitung tekanan suatu gas dengan cara membandingkannya dengan tekanan atmosfer. Prinsip kerja manometer ini sama dengan barometer Torricelli. Manometer ada 2 tipe yaitu manometer tabung tertutup dan manometer tabung terbuka. Manometer tertutup umumnya digunakan untuk mengukur tekanan gas yang lebih rendah dari tekanan atmosfer sedangkan manometer terbuka digunakan untuk mengukur tekanan gas yang lebih besar dari tekanan atmosfer.

FLUIDA Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 84 Sehingga untuk barometer Torricelli berlaku (4.23) (4.24) Sedangkan untuk manometer, berlaku (4.25) (4.26) Dengan: = massa jenis raksa, dan h = tinggi kolom raksa. Digunakannya air raksa sebagai fluida dalam manometer dan barometer, karena: 1) air raksa memiliki massa jenis yang besar yaitu 13,6 g/ml, sehingga tinggi kolom dalam manometer dapat dibuat lebih pendek; 2) berwarna mencolok, sehingga mudah diamati; dan 3) tidak membasahi dinding tabung. Contoh soal dan penyelesaian 4.4 1) Pipa U diisi dengan air raksa dan cairan minyak seperti terlihat pada gambar! (http://fisikastudycenter.com) Jika ketinggian minyak h2 adalah 27,2 cm, massa jenis minyak 0,8 gr/cm3 dan massa jenis Hg adalah 13,6 gr/cm3 tentukan ketinggian air raksa (h1)! Penyelesaian: Diketahui: = 13,6 gr/cm3 = 0,8 gr/cm3 = 27,2 cm = 10 m/s2 Ditanya: = ? Jadi, ketinggian air raksa adalah 1,6 cm.

FLUIDA Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 85 2) Sebuah pipa U diisi dengan 3 buah zat cair berbeda hingga seperti gambar berikut (http://fisikastudycenter.com) Jika ρ1, ρ2 dan ρ3 berturut-turut adalah massa jenis zat cair 1, 2 dan 3 dan h1, h2, h3 adalah tinggi masingmasing zat cair seperti nampak pada gambar di atas, tentukan persamaan untuk menentukan massa jenis zat cair 1! Penyelesaian: (( ) ( )) Jadi, persamaan untuk menentukan massa jenis zat cair 1 adalah: 4.3. Hukum Pascal Berikut ini adalah ilustrasi yang menggambarkan tentang konsep dari Hukum Pascal. Gambar 4.9 Tekanan yang diberikan pada wadah tertutup, diberi lubang (http://rumushitung) Sebagaimana Gambar 4.9, Hukum Pascal menyatakan bahwa: “Tekanan yang diberikan pada zat cair dalam ruang tertutup, diteruskan sama besar ke segala arah”

FLUIDA Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 86 Berikut ini adalah ilustrasi lebih eksplisit tentang Hukum Pascal: Gambar 4.10 Pompa hidrolik sebagai aplikasi Hukum Pascal Secara matematis, Hukum Pascal dinyatakan sebagai (4.27) (4.28) Dengan: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Penerapan hukum Pascal dalam sejumlah teknologi antara lain pada pompa hidrolik, pompa, penyemprot racun nyamuk. Contoh soal dan penyelesaian 4.5 1) Seorang anak hendak menaikkan batu bermassa 1 ton dengan alat seperti gambar berikut! (http://fisikastudycenter.com) Jika luas penampang pipa besar adalah 2 m2 , dan luas penampang pipa kecil 5 cm2 , dan tekanan cairan pengisi pipa diabaikan, tentukan gaya minimal yang harus diberikan anak agar batu bisa terangkat! Penyelesaian: Diketahui: Ditanya: Sebagai gambaran, jika percepatan gravitasi 10 m/s2 , maka gaya 2,5 N setara dengan memberikan massa 0,25 kg pada pipa kecil.

FLUIDA Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 87 2) Sebuah dongkrak hidrolik digunakan untuk mengangkat beban. (http://fisikastudycenter.com) Jika jari-jari pada pipa kecil adalah 2 cm dan jari-jari pipa besar adalah 20 cm, tentukan massa beban yang mampu terangkat, dengan memberikan gaya 81 N pada pipa kecil! ( = 10 m/s2 ) Penyelesaian: Diketahui: = 2 cm = 2 x 10-2 m = 20 cm = 20 x 10-2 m = 81 N Ditanya: Dari persamaan (4.28), jika diketahui jari-jari penampang pipa, maka Sehingga, ( ) ( ) kg Jadi, massa beban yang dapat terangkat oleh dongkrak adalah 810 kg. 4.4. Hukum Archimedes Hukum Archimedes berkaitan dengan perilaku benda ketika dicelupkan ke dalam suatu cairan. Fenomena utama yang dibahas dalam Hukum Archimedes adalah adanya gaya dorong ke atas yang diberikan oleh zat cair terhadap benda yang dicelupkan ke dalamnya. Perhatikan ilustrasi berikut! (deteksiphysics.wordpress.com) (a) (b) Gambar 4.11 Pengamatan terhadap berat benda ketika di udara dan ketika dimasukkan ke dalam air

FLUIDA Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 88 Ilustrasi pada Gambar 4.11 merupakan ilustrasi ketika benda diukur beratnya pada saat (a) berada di udara dan (b) ketika benda dicelupkan ke dalam air. Dari gambar tersebut nampak bahwa benda yang ditimbang di dalam air memiliki berat yang lebih kecil daripada berat benda ketika ditimbang di udara. Peristiwa ini dikarenakan adanya gaya dorong ke atas yang diberikan oleh air terhadap benda yang dimasukkan ke dalam air tersebut. Secara sederhana, fenomena pada Gambar 4.11 dapat dinyatakan dalam ungkapan berikut gaya dorong ke atas = berat benda di udara – berat benda dalam zat cair (4.29) Gaya dorong keatas disebut pula sebagai gaya apung atau gaya Archimedes. Selain fenomena berkurangnya berat benda yang terukur ketika dicelupkan ke dalam zat cair, teramati pula adanya air yang berpindah atau mengalir keluar dari wadah (Perhatikan Gambar 4.11!). Hal ini terjadi karena volume benda yang masuk ke dalam zat cair akan menggantikan volume zat cair yang dimasukinya. Atau dengan kata lain, zat volume cair yang berpindah sama dengan volume zat cair yang dipindahkan. Sehingga, Suatu benda yang dicelupkan ke dalam zat cair akan selalu memindahkan volume zat cair sama dengan volume benda yang tercelup dalam zat cair tersebut. (4.30) Archimedes (287 – 212 SM) mengaitkan antara gaya apung pada pernyataan (4.29) dan volume zat cair yang dipindahkan pada pernyataan (4.30) sehingga dirumuskanlah hukum Archimedes yang berbunyi: Gaya apung yang bekerja pada suatu benda yang dicelupkan sebagian atau seluruhnya ke dalam suatu fluida sama dengan berat fluida yang dipindahkan oleh benda tersebut. Teknologi yang menerapkan hukum Archimedes antara lain adalah kapal laut dan kapal selam. (a) (b) Gambar 4.12 (a) Kapal laut; (b) Kapal selam Selain kapal laut dan kapal selam, penerapan lain dari hukum Archimedes di antaranya juga pada hidrometer (alat pengukur massa jenis cairan) dan balon udara. Dalam penurunan persamaan matematis Hukum Archimedes, kita gunakan ilustrasi berikut Gambar 4.13 Ilustrasi perhitungan gaya apung (gaya Archimedes)

FLUIDA Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 89 Dari Gambar 4.13, silinder dengan tinggi dan luas tabung dan atap , tercelup seluruhnya ke dalam zat cair dengan massa jenis . Fluida mengerjakan tekanan hidrostatis pada bagian atas silinder (4.31) dengan gaya (4.32) berarah ke bawah. Pada saat yang sama, fluida juga melakukan tekanan hidrostatis pada bagian bawah silinder (4.33) dengan gaya (4.34) Resultan dari gaya pada persamaan (4.32) dan (4.34) merupakan bentuk dari gaya apung atau gaya Archimedes , sehingga dengan (4.35) ( ) dengan (4.36) dengan yang merupakan volume benda yang tercelup fluida, maka (4.37) Jika kita perhatikan persamaan (4.37), maka komponen persamaan (4.38) merupakan massa fluida yang dipindahkan oleh benda, dan (4.39) merupakan berat fluida yang dipindahkan oleh benda. Sehingga dapat disimpulkan bahwa, gaya apung yang dikerjakan fluida pada benda, sama dengan berat fluida yang dipindahkan oleh benda. Pernyataan ini bersesuaian dengan hukum Archimedes dan berlaku untuk sebarang benda. Jadi, gaya apung atau gaya Archimedes dapat dinyatakan sebagai (4.40) (4.41) dengan gaya Archimedes (N) massa fluida (kg) = massa jenis fluida (kg/m3 ) = volume benda yang tercelup dalam fluida (m3 ) = percepatan gravitasi (m/s2 ) Ingat! Hukum Archimedes berlaku untuk semua fluida (zat cair dan gas) adalah volume benda yang tercelup dalam fluida.

FLUIDA Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 90 4.5. Mengapung, Melayang dan Tenggelam Peristiwa mengapung, melayang dan tenggelam berkaitan erat dengan massa jenis rata-rata benda dan massa jenis rata-rata fluida. Secara ringkas, dapat dinyatakan sebagai berikut - Mengapung : jika massa jenis rata-rata benda lebih kecil daripada massa jenis fluida. ( ) - Melayang : jika massa jenis rata-rata benda sama dengan massa jenis fluida. ( ) - Tenggelam : jika massa jenis rata-rata benda lebih besar daripada massa jenis fluida. ( ) Peristiwa mengapung, melayangan dan tenggelam juga dapat dijelaskan dari tinjauan gaya apung dan berat benda. Secara ringkat, dapat dinyatakan sebagai berikut - Mengapung atau Melayang : jika berat benda sama dengan gaya apung ( ) - Tenggelam : jika berat benda lebih besar dari gaya apung ( ) Catatan: syarat benda mengapung sama dengan syarat benda melayang, yakni berat benda sama dengan gaya apung (W=Fa). Perbedaan keduanya adalah pada volume benda yang tercelup dalam fluida (Vbf), yakni - Mengapung : jika hanya sebagian benda tercelup dalam fluida ( ) - Melayang : jika seluruh benda tercelup dalam fluida ( ) Atau dapat diringkas dalam Tabel 4.14 berikut: Tabel 4.14 Keadaan benda di fluida dalam tinjauan Hukum Archimedes Keadaan Massa jenis Berat Volume Mengapung ( ) ( ) ( ) Melayang ( ) ( ) ( ) Tenggelam ( ) ( ) ( )

FLUIDA Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 91 Salah satu penerapan konsep mengapung, melayang dan tenggelam adalah pada teknologi kapal selam. (id.wikipedia.org) (a) (putrarawit.wordpress.com) (b) (putrarawit.wordpress.com) (c) Gambar 4.15 (a) KRI Nanggala (402); (b) Tampang lintang kapal selam; (c) Ilustrasi pergerakan kapal selam mengapung-melayang-tenggelam Gambar 4.15(a) adalah KRI Nanggala. KRI Nanggala memiliki berat selam 1,395 ton. Berukuran 59,5 meter x 6,3 meter x 5,5 meter, melaju hingga kecepatan 21,5 knot (1 knot = 1.852 km/jam). Diawaki oleh 34 pelaut. KRI Nanggala dilengkapi dengan 14 buah torpedo 21 inci dalam 8 tabung dan 12 buah misil balistik 17 inchi. Sesuai dengan Gambar 4.15 (b), komponen kapal selam terdiri dari: 1. Tangki pemberat (ballast tank) berfungsi untuk menyimpan udara dan air. 2. Katup udara (air valve), berfungsi untuk memasukkan udara ke dalam tangki pemberat. 3. Katup air (water valve), berfungsi untuk memasukkan air ke dalam tangki pemberat. 4. Tangki Kompresor udara (air compressed tank), berfungsi untuk memompa air keluar dari ballast dan diganti dengan udara. 5. Ruang dalam kapal (interior), berfungsi sebagai ruang awak kapal. Kapal selam memiliki tangki pemberat yang terletak di antara lambung dalam dan lambung luarnya. Tangki pemberat ini dapat diisi dengan udara atau air. Pengaturan isi tangki pemberat berfungsi untuk menentukan berat total kapal. Sebagaimana konsep gaya apung, berat total kapal akan menentukan apakah kapal selam akan mengapung, melayang atau tenggelam, sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 4.14 (c).

FLUIDA Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 92 Contoh soal dan penyelesaian 4.6 1. Sebuah benda tercelup sebagian dalam cairan yang memiliki massa jenis 1,50 gr/cm3 seperti ditunjukkan oleh gambar berikut! (http://fisikastudycenter.com) Jika volume benda yang tercelup dalam cairan adalah 0,8 dari volume totalnya, tentukan massa jenis benda tersebut! ( = 10 m/s2 ) Penyelesaian: Diketahui: 1,50 gr/cm3 = 1,5 x 103 kg/m3 10 m/s2 Ditanya: = ? Gaya-gaya yang bekerja pada benda di atas adalah: 1) gaya berat yang berarah ke bawah, dan 2) gaya apung / gaya Archimides dengan arah ke atas. Kedua gaya dalam kondisi seimbang. Sehingga Jadi, massa jenis benda adalah 1,2 x 103 kg/m3 atau 1,2 g/cm3 . 2. Berapa volume batu yang dimasukkan ke dalam air laut jika massa air laut yang dipindahkan batu adalah 2 kg? (percepatan gravitasi = 10 m/s2 , massa jenis air laut = 1025 kg/m3 ). Penyelesaian: Diketahui: Berat air laut: 1025 kg/m3 10 m/s2 Ditanya: = ? Hukum Archimedes menyatakan bahwa berat air yang tumpah (air yang dipindahkan oleh besi) sama dengan besar gaya apung yang dikerjakan air pada batu. m 3 Jadi, volume batu yang tercelup ke dalam air laut adalah 0,0019 m3 .

FLUIDA Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 93 4.6. Tegangan Permukaan Tegangan permukaan merupakan satu fenomena yang lazim ditemui dalam kehidupan sehari-hari. Fenomena tersebut antara lain: serangga yang mampu hinggap di permukaan air, mencuci yang lebih efektif ketika dilakukan air hangat, air yang naik dalam pipa kapiler. Termasuk dalam fenomena tegangan permukaan adalah butiran air yang cenderung berbentuk bola. Gambar 1.14 menampilkan sejumlah contoh tegangan permukaan yang dapat kita temui di lingkungan sekitar kita. (fusedglass.org) (a) (reddit.com) (b) (commons.wikimedia.org) (c) (socratic.org) (d) Gambar 4.16 (a) Ilustrasi gaya tarik antarpartikel zat cair; (b) butir embun pada daun; (c) koin mengapung di permukaan air; (d) serangga hinggap pada permukaan air. Tegangan permukaan zat cair merupakan kecenderungan permukaan zat cair untuk menegang sehingga permukaannya seperti ditutupi oleh suatu lapisan elastis. Munculnya tegangan permukaan dapat ditinjau dari adanya gaya tarik-menarik antar partikel sejenis yang disebut sebagai gaya kohesi. Berikut ini adalah data sejumlah nilai permukaan tegangan permukaan zat cair yang bersentuhan dengan udara Tabel 4.1. Nilai hasil pengukuran tegangan permukaan zat cair No. Zat cair Suhu (oC) Tegangan permukaan (x 10-3 N/m) 1. Air 0 75,6 2. Air 25 72,0 3. Air 80 62,6 4. Etil alkohol 20 22,8 5. Aseton 20 23,7 6. Gliserin 20 63,4 7. Raksa 20 435 Sumber: Contemporary College Physics, Jones/Childers dalam Kanginan, M. 2010

FLUIDA Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 94 Ilustrasi gaya kohesi ditunjukkan pada Gambar 4.15 (a). Partikel-partikel yang saling berdekatan akan tarik menarik ke segala arah, sehingga resultan gaya yang berada dalam zat cair akan sama dengan nol. Namun hal tersebut tidak terjadi pada permukaan zat cair. Hal ini disebabkan tidak adanya gaya tarik ke atas pada partikel di permukaan zat cair karena tidak adanya partikel zat cair di atas permukaannya. Hasilnya, terdapat resultan gaya ke bawah yang bekerja pada permukaan zat cair. Resultan gaya ini menyebabkan lapisan-lapisan atas para permukaan air seolah tertutup oleh selaput elastis yang ketat. Selaput ini cenderung untuk menyusut sesempit mungkin. 1.6.1. Persamaan tegangan permukaan Penurunan persamaan matematis tegangan permukaan dapat diperoleh dengan mengacu ilustrasi berikut (bahanbelajarsekolah.blogspot.com) Gambar 4.17 Kawat kedua (lurus horizontal) yang cenderung meluncur ke atas karena adanya gaya tegangan permukaan, diimbangi gaya tarik ke bawah dan . Dari Gambar 4.17, ketika kawat dibengkokkan membentuk huruf U, dan kawat kecil yang panjangnya L dipasangkan pada kawat, maka ketika kawat ini dicelupkan ke dalam air sabun dan kemudian diangkat secara vertikal, akan terbentuk suatu lapisan sabun. Secara matematis, tegangan permukaan didefinisikan sebagai perbandingan antara gaya tegangan permukaan dan panjang permukaan, yang diungkapkan sebagai (4.42) Karena lapisan sabun ini memiliki dua permukaan ( 2l), maka tegangan yang dialami oleh kawat adalah : (4.43) Dengan: = tegangan permukaan (N/m) = gaya tegangan permukaan (N) = panjang permukaan atau panjang kawat (m)

FLUIDA Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 95 Contoh soal dan penyelesaian 4.7 1. Pada peristiwa tegangan permukaan diketahui gaya tegang 5 N. Jika panjang permukaannya 20 cm, maka tentukanlah besar tegangan permukaannya. Penyelesaian: Diketahui: 20 cm = 0,2 m Ditanya: = ? 2. Sebatang kawat dibengkokkan membentuk huruf U dan kawat kecil bermassa 0,25 gram dipasang dalam kawat tersebut seperti Gambar 4.17 di atas. Kawat dicelupkan ke dalam larutan sabun sehingga terbentang suatu lapisan sabun. Akibat tegangan permukaan lapisan sabun, kawat mengalami gaya tarik ke atas. Agar tetap setimbang, maka pada kawat kecil tersebut digantung beban bermassa 0,15 gram. Jika panjang kawat kecil adalah 15 cm, maka tentukanlah besar tegangan permukaan lapisan sabun tersebut! ( = 10 m/s2 ) Penyelesaian: Diketahui: = 0,25 gram = 0,25 x 10-3 kg = 0,15 gram = 0,15 x 10-3 kg = 15 cm = 15 x 10-2 m = 10 m/s2 Ditanya: = ? Gaya yang bekerja pada sistem terdiri dari gaya tegangan permukaan yang berarah ke atas: dan gaya tarik ke bawah dengan melibatkan massa kawat dan massa beban: Kedua gaya tersebut saling setimbang, sehingga ∑ ( ) ( ) Mengunakan persamaan tegangan permukaan Jadi tegangan permukaannya adalah 0,013 N/m.

FLUIDA Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 96 1.6.2. Persamaan kenaikan/penurunan permukaan zat cair dalam pipa kapiler Sebagaimana pembahasan sebelumnya, salah satu fenomena tegangan permukaan adalah adanya kenaikan maupun penurunan permukaan zat cair dalam pipa kapiler. Gejala ini, lazim disebut sebagai gejala kapiler. Gejala kapiler dapat berupa cekungan maupun cembungan, yang dikenal sebagai meniskus. Meniskus adalah peristiwa mencekung atau mencembungnya permukaan zat cair. Berdasarkan bentuk permukaan zat cair, meniskus dibedakan menjadi dua: 1) meniskus cembung dan, 2) meniskus cekung. Meniskus cekung terjadi jika adhesi lebih besar daripada kohesi (adhesi > kohesi). Sedangkan meniskus cembung terjadi jika kohesi lebih besar daripada adhesi (kohesi > adhesi). (Ingat! Kohesi: gaya tarik menarik antara partikel partikel yang sejenis. Kohesi: gaya tarik menarik antara partikel partikel yang sejenis.) Gejala kapiler merupakan akibat dari adanya gaya kohesi dari tegangan permukaan dan gaya adhesi antara zat cair dengan tabung kaca. Zat cair tersebut akan naik hingga gaya ke atas sama dengan gaya ke bawah, atau dengan kata lain, hingga tegangan permukaan zat cair sama dengan berat zat cair yang diangkat. Berikut adalah sejumlah ilustrasi terkait gejala kapiler (catalog.flatworldknowledge.com) (a) (4.bp.blogspot.com) (b) (www.ipractice.in) (c) Gambar 4.18 (a) Meniskus cekung dan cembung; (b) Gejala kenaikan permukaan zat cair pada pipa kapiler. Secara matematis, prinsip tersebut dinyatakan sebagai (4.44) Dengan: tinggi kenaikan zat cair (m) tegangan permukaan (N/m) sudut kontak (sudut antara kelengkungan permukaan zat cair dan dinding tabung) (o ) massa jenis zat cair (kg/m3 ) percepatan gravitasi (10 m/s2 ) jari-jari pipa kapiler (m)

FLUIDA Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 97 Contoh soal dan penyelesaian 4.8 1. Suatu tabung berdiameter 0,8 cm jika dimasukkan ke dalam air secara vertikal sudut kontaknya 45o . Jika tegangan permukaan air adalah 0,5 N/m, maka tentukanlah kenaikan air dalam tabung! (massa jenis air = 103 kg/m3 ) Penyelesaian: Diketahui: 45o 0,5 N/m 10 m/s2 Ditanya: = ? √ √ Jadi, kenaikan air dalam tabung 0,017 m atau 1,7 cm. 2. Tentukanlah penurunan air raksa dalam sebuah pipa berjari-jari 3 mm jika sudut kontak raksa dengan kaca sebesar 150o , tegangan permukaan 0,6 N/m dan massa jenis raksa 13.600 kg/m3 . Penyelesaian: Diketahui: 150o 0,6 N/m 10 m/s2 Ditanya: = ? √ Jadi, terjadi penurunan permukaan zat cair sebesar - 0,025 x 10-1 m 3. Suatu tabung berdiameter 0,5 cm jika dimasukkan ke dalam air secara vertikal sudut kontaknya 60o . Jika kenaikan air pada tabung adalah 3 cm, maka tentukanlah tegangan permukaan air! (massa jenis air = 103 kg/m3 ) Penyelesaian: Diketahui: 60o 3 cm = 3 x 10-2 m 10 m/s2 Ditanya: = ? Jadi, tegangan permukaan air adalah 0,75 N/m.

FLUIDA Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 98 4.7. Viskositas dan Hukum Stokes Viskositas atau kekentalan adalah sifat fluida yang menunjukkan adanya hambatan dalam pergerakan fluida. Jika dianalogikan fluida memiliki ‘lapisan-lapisan’, maka fluida dengan viskositas tinggi (kental) akan mengalami gesekan antara lapisan-lapisan fluida tersebut yang akan memperlambat pergerakan lapisan tersebut. Viskositas atau kekentalan merupakan salah satu sifat yang dimiliki oleh fluida tak ideal, dengan kata lain, pada fluida ideal, nilai viskositasnya sama dengan nol. Selain gesekan di antara lapisan-lapisan fluida, viskositas juga memunculkan adanya gesekan antara fluida dengan benda lain yang bergerak di dalam fluida. Hal ini dapat diilustrasikan sebagai berikut: Apa perbedaan ketika kita berjalan di tanah lapang dengan berjalan dalam air kolam renang? Salah satu perbedaan antara jalan di dua tempat tersebut adalah ketika Anda berjalan di dalam kolam renang rasanya akan lebih berat. Mengapa? Karena ada gesekan antara kaki dan badan kita dengan fluida statis (air dalam kolam renang). Dari gesekan tersebut timbul gaya gesek atau gaya hambat. Inilah yang diteliti lebih lanjut oleh ahli fisika asal inggris bernama Sir George Stokes pada 1845 M. Fisikawan yang juga ahli matematika ini meneliti pengaruh fluida kental terhadap benda yang bergerak di dalamnya? Ia menemukan bahwa apabila suatu benda bergerak dengan kelajuan tertentu dalam fluida kental, maka gerakan benda akan dihambat oleh gaya gesek antara permukaan benda dengan fluida. Sir George Stokes berhasil menemukan hubungan besarnya gaya yang diterima oleh sebuah bola yang bergerak dalam fluida yang dikenal sebagai Hukum Stokes. Ilustrasi pemerolehan hukum Stokes dapat ditunjukkan dengan gambar berikut Gambar 4.19 Bola pejal yang dimasukkan ke fluida kental dalam sebuah wadah Sesuai dengan Gambar 4.19, hukum Stokes dapat diungkapkan sebagai (4.45) Dengan: gaya gesek atau gaya hambat (N) 3,14 koefisien viskositas (kg/ms atau Pa.s) jari-jari bola (m) laju benda dalam fluida (m/s) Berikut ini adalah tabel koefisien viskositas untuk berbagai fluida Tabel 4.2. Nilai hasil pengukuran koefisian viskositas fluida No. Fluida Suhu (oC) Koefisien viskositas, (x 10-3 Pa.s) 1. Air 0 1,8 2. Air 20 1,0 3. Air 100 0,3 4. Darah utuh 37 4 5. Plasma darah 37 1,5 6. Ethyl alkohol 20 1,2 7. Oli mesin (SAE 10) 30 200 8. Gliserin 20 1500 9. Udara 20 0,018 10. Hidrogen 0 0,009 11. Uap air 100 0,013 Catatan: 1 Pa.s = 10 P = 1000 cP (P = poise, cP = centipoise) Sumber: Giancoli, D.C.,2001

FLUIDA Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 99 Penerapan hukum Stokes juga berlaku pada peristiwa terjun payung. Ketika seorang penerjun membuka parasusnya, maka parasut yang sudah terbuka di angkasa akan mengalami gaya hambat yang disebabkan oleh fluida yang dilaluinya. Dalam hal ini fluida tersebut adalah udara. Gaya hambat tersebut membuat orang yang melakukan terjun payung tidak jatuh bebas, tetapi jatuh secara perlahan dan mampu melayang di angkasa. Peristiwa ini akan berbeda dengan seseorang yang melakukan terjun bebas. Pada saat melakukan terjun bebas, gaya hambat yang diberikan oleh udara akan jauh lebih kecil dibandingkan dengan ketika penerjun menggunakan parasut. Sehingga, pada akhirnya penerjun bebas akan mengalami gerak jatuh bebas ke permukaan bumi. Kecepatan Terminal (Kecepatan Akhir) Benda yang Dijatuhkan dalam Fluida Pada Gambar 4.19, misalkan sebuah kelereng dijatuhkan ke dalam wadah berisi fluida. Kecepatan kelereng tersebut di dalam fluida akan semakin membesar sampai mencapai kecepatan maksimal yang nilainya tetap. Kecepatan inilah yang disebut dengan kecepatan terminal (kecepatan akhir). Ketika benda dijatuhkan dalam fluida terlibat beberapa gaya: gaya gesek fluida (hukum stokes), gaya berat, dan gaya tekan ke atas dengan rumus masing-masing gaya 1) Gaya Berat : W = m.g (arah ke bawah) 2) Gaya tekan ke atas oleh air : Fa = ρ.g.h 3) Gaya hambatan oleh fluida (hukum stokes) : Fs = 6 π η r v Ketika benda berada dalam setimbang, maka ∑ (4.46) (4.47) (4.48) Kecepatan terminal benda dalam fluida dinyatakan sebagai ( ) (4.49) Untuk benda berbentuk bola dengan jari-jari r, dan volume benda (4.50) sehingga persamaan 4.49 menjadi ( ) (4.51) ( ) (4.52) Dengan: kecepatan terminal (m/s) percepatan gravitasi (10 m/s2 ) volume benda (m3 ) massa jenis benda (kg/m3 ) massa jenis fluida (kg/m3) koefisien viskositas (Pa.s) jari-jari bola (m)

FLUIDA Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 100 Contoh soal dan penyelesaian 4.9 1. Sebuah kelereng dengan diameter 1 cm jatuh ke dalam bak berisi oli yang memiliki koefisien viskositas 110 × 10−3 Pa.s. Tentukan besar gesekan yang dialami kelereng jika bergerak dengan kelajuan 7,5 m/s! Penyelesaian: Diketahui: 110 x 10-3 Pa.s 7,5 m/s Ditanya: = ? 7771,5 x 10-5 N Jadi, beser gesekan yang dialami oleh kelereng adalah 7771,5 x 10-5 N. 2. Hitung kecepatan maksimum dari tetes air hujan (ρair = 1000 kg.m-3 ) yang berjari-jari 0,4 mm yang jatuh di udara (ρudara = 1,29 kg.m-3 ) dengan koefisien viskositas = 1,8 x 10-5 kg/ms dan g = 10 m/s2 ! Penyelesaian: Diketahui: 1,29 kg/m3 kg/m3 1,8 x 10-5 Pa.s Ditanya: = ? ( ) ( ) ( ) 19,72 m/s Jadi, kecepatan maksimum tetes air hujan adalah 19,72 m/s

FLUIDA Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 101 B. FLUIDA DINAMIS Berbeda dengan fluida statis yang merupakan fluida dalam keadaan diam, maka fluida dinamis adalah fluida yang berada dalam keadaan bergerak (mengalir). Ilmu yang mempelajari tentang fluida statis disebut sebagai statika fluida. Jika yang ditinjau adalah zat cair yang bergerak, maka disebut sebagai hidrodinamis. Dalam kajian tentang fluida dinamis, akan dipelajari sejumlah materi antara lain hukum Bernoulli dan teorema Torricelli. Peristiwa terbangnya pesawat terbang, terjun bebas dan terjun payung juga akan dijelaskan pada pembahasan tentang fluida dinamis. Fluida yang akan dipelajari pada bagian ini adalah fluida dengan sifat: - Tunak: fluida dengan kecepatan aliran di setiap titiknya konstan. - Tak termampatkan: fluida tidak mengalami perubahan volume (atau massa jenis) ketika ditekan. - Tak kental: nilai viskositas sama dengan nol. - Memiliki aliran berupa garis arus: tiap partikel fluida mengalir dengan kelajuan sama dalam satu lintasan lurus melengkung. 4.8. Persamaan Kontinuitas Persamaan kontinuitas merupakan persamaan yang mengungkapkan perilaku fluida yang mengalir secara kontinu dalam tinjauan kecepatan dan luas penampangnya. Sebelum membahas tentang persamaan kontinuitas, perlu dipahami konsep tentang debit. Debit fluida merupakan besaran yang menyatakan volume fluida yang mengalir melalui suatu penampang tertentu setiap satu satuan waktu tertentu. Secara matematis, debit fluida dinyatakan sebagai (4.53) Dengan: debit (m3 /s) volume (m3 ) waktu (s) Perhatikan ilustrasi berikut! Gambar 4.20 Fluida mengalir melalui pipa sepanjang seluas penampang dalam waktu . Mengacu pada Gambar 4.20, maka volume yang mengalir sepanjang pipa adalah (4.54) Ketika fluida mengalir dengan kecepatan dalam waktu sepanjang pipa , maka (4.55) (4.56) Sehingga, debit pada persamaan (4.53) dapat ditulis kembali menjadi (4.57)

FLUIDA Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 102 Kita lanjutkan pembahasan mengenai persamaan kontinuitas. Sebagai gambaran, pernahkah Anda mengamati aliran parit yang memiliki lebar berbeda-beda? Jika kita amati, maka aliran air pada parit yang lebih sempit akan lebih deras (lebih cepat) dibandingkan aliran air pada parit yang lebih lebar. Selanjutnya, hal ini akan dijelaskan menggunakan persamaan kontinuitas. Dalam menurunkan persamaan kontinuitas, ditinjau sistem sebagai berikut (www.zakapedia.com) Gambar 4.21 Fluida mengalir pada pipa dengan diameter berbeda Mengacu Gambar 4.21, ketika fluida mengalir secara tunak, maka massa fluida yang masuk pada satu ujung pipa haruslah sama dengan massa fluida yang keluar dari ujung pipa lainnya dalam selang waktu yang sama. Hal ini terjadi karena tidak ada garis aliran yang saling memotong dan tidak ada fluida yang keluar melalui dinding pipa. Jika ditinjau dari Gambar 4.21, dengan menyamakan massa fluida yang masuk dengan massa fluida yang keluar, maka Fluida yang mengalir adalah fluida sejenis dan mengalir pada selang waktu yang sama, dan , sehingga diperoleh (4.58) Persamaan (4.58) juga berlaku pada setiap titik, sehingga berlaku pula (4.59) Persamaan kontinuitas menyatakan bahwa: “Pada fluida tak termampatkan, hasil kali antara kecepatan aliran fluida dan luas penampang selalu konstan.” Persamaan (4.58) dapat pula dinyatakan sebagai (4.60) Sehingga dapat dituliskan bahwa: “Kecepatan aliran fluida tak termampatkan berbanding terbalik dengan luas penampang yang dilaluinya” Mengingat persamaan (4.57) bahwa , maka persamaan kontinuitas (4.59) dapat pula dinyatakan sebagai persamaan (4.61) Persamaan (4.61) dapat pula dinyatakan sebagai: “Pada fluida tak termampatkan, debit fluida di sembarang titik selalu konstan” Pernyataan pada persamaan (4.61) dikenal sebagai persamaan debit konstan.

FLUIDA Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 103 Contoh soal dan penyelesaian 4.10 1. Ember yang memiliki kapasitas 13,5 liter diisi air hingga penuh dari sebuah kran seperti gambar berikut! (http://fisikastudycenter.com) Jika luas penampang kran D2 adalah 1,5 cm2 dan kecepatan aliran air di kran adalah 9 m/s tentukan: a) Debit air b) Waktu yang diperlukan untuk mengisi penuh ember Penyelesaian: Diketahui: 9 m/s Ditanya: a) = ? ; b) a) Debit air Karena debit air di setiap titik sama, maka dapat digunakan b) Waktu pengisian penuh ember 2. Pipa saluran air bawah tanah memiliki bentuk seperti gambar berikut! (http://fisikastudycenter.com) Jika luas penampang pipa besar adalah 6 m2 , luas penampang pipa kecil adalah 1,5 m2 dan kecepatan aliran air pada pipa besar adalah 15 m/s, tentukan kecepatan air saat mengalir pada pipa kecil! Penyelesaian: Diketahui: 15 m/s Ditanya: = ?

FLUIDA Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 104 4.9. Daya oleh Aliran Fluida Ketika suatu fluida mengalir dengan debit tertentu dari suatu ketinggian, maka ia akan menghasilkan daya. Perhitungan daya diperoleh dengan meninjau sistem sebagai dari gambar berikut (www.pixoto.com) Gambar 4.22 Air terjun mengalir dengan debit dari ketinggian Kita tahu bahwa ketika suatu benda dengan massa tertentu berada pada ketinggian tertentu, maka ia akan memiliki energi potensial (4.62) Sedangkan daya, merupakan laju energi yang dihantarkan pada waktu tertentu. Jika energi yang mengalir adalah energi potensial, maka secara matematis daya diungkapkan sebagai (4.63) Dengan , maka ( ) ( ) Ingat, bahwa , sehingga daya yang dibangkitkan oleh air setinggi dengan debit adalah (4.64) Jika daya yang dihasilkan oleh debit fluida digunakan untuk membangkitkan listrik dengan efisiensi generator , maka akan diperoleh daya listrik (4.65) Dengan: daya (Watt) efisiensi generator (%) debit fluida (m3 /s) percepatan gravitasi (10 m/s2 ) tinggi aliran fluida (m)

FLUIDA Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 105 Contoh soal dan penyelesaian 4.11 1. Suatu air terjun dengan ketinggian 50 m mengalirkan air dengan debit 20 m3 /detik Berapa daya yang dapat dibangkitkan oleh air terjun tersebut jika ρair = 1000 kg/ m3 ? Penyelesaian: Diketahui: Ditanya: = ? Jadi, daya yang dibangkitkan adalah 10 MegaWatt. 2. Perhatikan gambar berikut! Pada gambar tersebut, G adalah generator 10.000 W yang digerakan dengan kincir air, generator hanya menerima energi sebesar 75% dari air. Bila generator dapat bekerja normal, maka debit air yang sampai kekincir air dalah …. (percepatan gravitasi = 10 m/s2 ; masa jenis air 103 kg/m3 ) Penyelesaian: Diketahui: Ditanya: = ? Jadi, debit air yang dibutuhkan adalah 0,13 m3 /s atau 130 L/s.

FLUIDA Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 106 4.10. Hukum Bernoulli Sebelum membahas hukum Bernoulli, perlu Anda pahami asas Bernoulli dengan ilustrasi berikut: (http://fisikastudycenter.com) Gambar 4.23 Aliran fluida pada pipa dengan luas penampang berbeda. Pada Gambar 4.23 nampak adanya perbedaan tinggi fluida pada pipa vertikal. Fluida di pipa horizontal yang lebih besar lebih tinggi daripada fluida di pipa horizontal yang lebih kecil. Peristiwa ini dirumuskan dalam asas Bernoulli yang menyatakan bahwa: “Pada pipa mendatar (horizontal), tekanan paling besar dikerjakan oleh fluida dengan kecepatan alir paling kecil, dan tekanan paling kecil paling kecil dikerjakan oleh aliran fluida dengan kecepatan alir paling besar” Pembahasan berikutnya, kita akan membicarakan tentang hukum Bernoulli. Hukum Bernoulli akan kita pelajari dengan mengacu ilustrasi berikut (www.gomuda.com) Gambar 4.24 Aliran fluida pada pipa dengan diameter dan ketinggian berbeda dari titik acuan (reference level) Bernoulli merumuskan suatu hukum yang melibatkan besaran tekanan searah aliran fluida, kecepatan aliran fluida, dan ketinggian terhadap suatu titik acuan yang dikenal sebagai Hukum Bernoulli “Hasil penjumlahan tekanan, energi kinetik per satuan volume, dan energi potensial per satuan volume memiliki nilai yang sama pada setiap titik di sepanjang garis arus” Secara matematis, Hukum Bernoulli diungkapkan sebagai (4.66) atau dapat diuraikan menjadi (4.67) Dengan: tekanan (Pa) massa jenis (kg/m3 ) kecepatan aliran fluida (m/s) percepatan gravitasi (m/s2 ) ketinggian fluida terhadap titik acuan (m)

FLUIDA Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 107 1) Kasus Khusus Setidaknya, ada dua kasus khusus yang mungkin terjadi terkait dengan penerapan Hukum Bernoulli pada persamaan (4.67) a) Fluida tidak bergerak Ketika fluida tidak bergerak, maka tidak ada kecepatan aliran arus , sehingga persamaan (1.67) dapat dituliskan menjadi ( ) (4.68) b) Fluida mengalir pada pipa mendatar Ketika fluida mengalir pada pipa mendatar, maka tidak terdapat perbedaan tinggi di antara bagian-bagian fluida , sehingga persamaan (4.67) dapat dituliskan menjadi ( ) (4.69) 2) Teorema Torricelli Selain kedua kasus khusus di atas, ada satu sistem yang berkaitan dengan suatu sistem aliran fluida sebagai berikut Gambar 4.25 Tangki berisi fluida dengan kebocoran pada kedalaman Mengacu pada Gambar 4.25, kecepatan penurunan air dalam tangki akibat kebocoran , kecepatan aliran air pada kebocoran . Luas lubang kebocoran jauh lebih kecil dibandingkan luas permukaan air , sehingga dapat dituliskan . Kecepatan penurunan permukaan air sangat lambat, sehingga dapat diabaikan ( ). Tinggi aliran dari lubang kebocoran adalah , dan tinggi aliran terhadap lubang kebocoran adalah nol. Tekanan yang bekerja di permukaan air dan tekanan pada lubang kebocoran adalah sama besar, yakni tekanan udara luar ( ). Sehingga, dari persamaan Bernoulli (persamaan 4.67) dapat dinyatakan √ (4.70) Persamaan (4.70) dikenal sebagai teorema Torricelli.

FLUIDA Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 108 Jika kita anggap kecepatan awal laju aliran kebocoran pada persamaan (4.70) sebagai kecepatan aliran dengan arah mendatar , √ (4.71) maka jarak jatuh pancaran fluida dari lubang kebocoran adalah (4.72) Gerakan jatuhnya aliran fluida ke bawah merupakan gerak lurus berubah beraturan (GLBB) dengan bentuk ketinggian jatuhnya aliran fluida (4.73) Dengan kecepatan pada saat aliran masih lubang (belum mengalir) , maka dengan mengambil nilai mutlak, akan diperoleh (4.74) √ (4.75) Sehingga, persamaan (4.72) dapat dituliskan menjadi √ √ (4.76) √ (4.77) Dengan: jarak jatuhnya pancaran dari lubang kebocoran (m) tinggi kebocoran dari lantai (m) kedalaman kebocoran dari permukaan air (m) Catatan: Teorema Torricelli hanya berlaku permukaan air terbuka terhadap atmosfer, dan luas lubang jauh lebih kecil daripada luas penampang wadah.

FLUIDA Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 109 Contoh soal dan penyelesaian 4.12 1. Pipa untuk menyalurkan air menempel pada sebuah dinding rumah seperti terlihat pada gambar berikut! Perbandingan luas penampang pipa besar dan pipa kecil adalah 5 : 1. (http://fisikastudycenter.com) Posisi pipa besar adalah 5 m diatas tanah dan pipa kecil 1 m diatas tanah. Kecepatan aliran air pada pipa besar adalah 36 km/jam dengan tekanan 9,1 x 105 Pa. Tentukan : a) Kecepatan air pada pipa kecil b) Selisih tekanan pada kedua pipa c) Tekanan pada pipa kecil (ρair = 1000 kg/m3 ; 10 m/s2 ) Penyelesaian: Diketahui: h1 = 5 m h2 = 1 m v1 = 36 km/jam = 10 m/s p1 = 9,1 x 105 Pa A1 : A2 = 5 : 1 Ditanya: a) = ?; b) ; c) a) Kecepatan aliran pada pipa kecil b) Selisih tekanan pada kedua pipa Menggunakan persamaan Hukum Bernoulli: ( ) ( ) ( ( )) ( ( )) ( ) ( ) Jadi, selisih tekanan kedua pipa adalah 11,6 x 105 Pa. c) Tekanan pada pipa kecil ( ) ( ) ( ) Jadi, tekanan pada pipa kecil adalah -2,5 x 105 Pa.

FLUIDA Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 110 2. Tangki air dengan lubang kebocoran diperlihatkan gambar berikut! (http://fisikastudycenter.com) Jarak lubang ke tanah adalah 0,8 m dan jarak lubang ke permukaan air adalah 0,8 m. Tentukan: a) Kecepatan keluarnya air b) Jarak mendatar terjauh yang dicapai air c) Waktu yang diperlukan bocoran air untuk menyentuh tanah (ρair = 1000 kg/m3 ; 10 m/s2 ) Penyelesaian: Diketahui: h = 0,8 m y = 0,8 m Ditanya: a) = ?; b) ; c) a) Kecepatan keluarnya air √ √ √ b) Jarak mendatar terjauh yang dicapai air √ √ c) Waktu yang dibutuhkan bocoran air untuk menyentuh tanah √ √ √ Jadi, waktu pancaran air untuk menyentuh tanah adalah 0,4 s. y

FLUIDA Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 111 4.11. Pesawat Terbang Peristiwa saat pesawat terbang lepas landas (take off) dapat dijelaskan dengan tinjauan hukum Bernoulli. Garis aliran udara dan kecepatan aliran udara pada di sisi bagian atas sayap lebih besar dibandingkan dengan sisi bagian bawahnya. Dengan demikian, tekanan terhadap sayap pada sisi bagian atas lebih kecil dibandingkan dengan pada sisi bagian bawah. Selisih tekanan pada sisi sayap bagian atas ( ) dengan tekanan pada sisi sayap bagian bawah ( ) ketika dikaitkan dengan gaya angkat terhadap sayap pesawat dapat dinyatakan sebagai ( ) (4.78) dengan: gaya di bagian bawah sayap (ke arah atas) (N) gaya di bagian atas sayap (ke arah bawah (N) tekanan di bagian bawah sayap (ke arah atas) (N) tekanan di bagian atas sayap (ke arah bawah) (N) luas total penampang sayap pesawat (m2 ) Nilai ( ) pada persamaan (4.78) dapat disubstitusi menggunakan nilai ( ) pada persamaan (4.69) sehingga diperoleh ( ) (4.79) Dengan: = massa jenis udara (kg/m3 ) Dengan demikian, makin besar kecepatan pesawat, makin besar pula kecepatan aliran udara, sehingga gaya angkat pesawat juga akan semakin besar. Semakin luas ukuran sayap, semakin besar pula gaya angkatnya. Singkatnya, agar pesawat dapat terangkat, gaya angkatnya harus lebih besar daripada beratnya ( ), sedangkan ketika pesawat telah terbang, untuk mempertahankan pada satu ketinggian tertentu, maka gaya angkat pesawat harus disesuaikan sedemikian rupa sehingga sama dengan beratnya ( ). Sehingga, gaya angkat pesawat dapat dituliskan sebagai ( ) (4.80) dengan = gaya angkat pesawat (N). Contoh soal dan penyelesaian 4.13 1. Sebuah pesawat dilengkapi dengan dua buah sayap masing-masing seluas 40 m2 . Jika kelajuan aliran udara di atas sayap adalah 250 m/s dan kelajuan udara di bawah sayap adalah 200 m/s tentukan gaya angkat pada pesawat tersebut, anggap kerapatan udara adalah 1,2 kg/m3 ! Penyelesaian: Diketahui: A = 2 x 40 = 80 m 2 v2 = 250 m/s v1 = 200 m/s ρudara = 1,2 kg/m3 Ditanya: ( ) ( ) 1080 kN

FLUIDA Fisika XI, Rahmat Widodo, 2020 112 2. Gaya angkat yang terjadi pada sebuah pesawat diketahui sebesar 1100 kN. Pesawat tersebut memiliki luas total penampang sayap sebesar 80 m2 . Jika kecepatan aliran udara di bawah sayap adalah 250 m/s dan massa jenis udara luar adalah 1,2 kg/m3 tentukan kecepatan aliran udara di bagian atas sayap pesawat! Penyelesaian: Diketahui: A = 80 m2 v1 = 250 m/s F = 1100 kN ρudara = 1,2 kg/m3 Ditanya: ( ) ( ) √ √ √