home [Type the document title] [Type the document subtitle] Yolanda [Pick the date]
1 KATA PENGANTAR Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT atas karunia dan rahmat-Nya, sehingga penulis dapat menyusun modul pembelajaran mata pelajaran fisika pada materi fluida statis untuk SMA/MA kelas XI. Modul ini disusun dengan pendekatan pembelajaran saintifik inkuiri terbimbing serta dengan tujuan untuk meningkatkan kemampuan berpikir kritis peserta didik. Penulis mengucapkan terimakasih kepada kedua orang tua penulis, Ibu Shofi Hikmatuz Zahroh, S.Pd., M.Pd selaku pembimbing mata kuliah laboratorium fisika dan validator 1 modul, Ibu Dr. Daru Wahyuningsih, S.Si., M.Pd selaku validator 2 modul dan dosen pembimbing 2 skripsi, teman – teman kuliah penulis, dan semua pihak yang telah memberikan dukungan untuk menyelesaikan e-modul ini. Modul Fisika Fluida Dinamis ini merupakan salah satu modul pembelajaran Fisika di SMA. Modul ini diharapkan dapat menjadi salah satu sumber belajar atau pedoman dalam kegiatan pembelajaran. Modul ini akan membahas tentang ciri – ciri fluida dinamis, jenis – jenis fluida dinamis, debit, azas kontuinuitas, azas Bernoulli dan penerapannya dalam tangki air yang berlubang, venturimeter, tabung pitot, serta sayap pesawat terbang. Modul juga dilengkapi dengan fenomena – fenomena tentang fluida dinamis, lembar kerja peserta didik, soal latihan, rangkuman, glosarium dan daftar pustaka. Dalam modul ini terdapat soal evaluasi sebagai tolak ukur tingkat pemahaman dan berpikir kritis peserta didik terhadap materi yang disajikan. Dengan ini penulis menyadari bahwa penyajian materi modul ini masih jauh dari sempurna, baik dalam tampilan atau isi materi. Oleh karena itu, penulis mengharapkan adanya kritik dan saran yang bersifat membangun dari berbagai pihak demi perbaikan pada modul ini. Penulis berharap modul ini dapat memberikan informasi kepada pembaca terkait mata pelajaran Fisika tentang fluida dinamis. Atas perhatiannya penulis ucapkan terima kasih. Surakarta, 05 Januari 2024 Yolanda Nilamsari
2 IDENTITAS MODUL PEMBELAJARAN 1. Judul : Fluida Dinamis 2. Nama Penyusun : Yolanda Nilamsari 3. Tahun : 2023 4. Mata Pelajaran : Fisika 5. Moda Pembelajaran : Tatap Muka 6. Fase/kelas/Semester : F/XI/-
3 DAFTAR ISI KATA PENGANTAR ……………………………………………………………………….1 IDENTITAS MODUL PEMBELAJARAN ………………………………………………..2 DAFTAR ISI …………………………………………………………………………………3 DAFTAR GAMBAR ………………………………………………………………………...5 DAFTAR TABEL ……………………………………………………………………………7 PENDAHULUAN …………………………………………………………………………...8 PETUNJUK PENGGUNAAN ......................................................................................9 CAPAIAN PEMBELAJARAN ……………………………………………………………..9 INDIKATOR PEMBELAJARAN …………………………………………………………9 TUJUAN PEMBELAJARAN …………………………...………………………………...10 PETA KONSEP …………………………………………………………………………….11 KEGIATAN PEMBELAJARAN 1……………………………………………………….12 SYARAT FLUIDA DINAMIS, DEBIT, DAN AZAS KONTINUITAS ………………...12 KEGIATAN PEMBELAJARAN 2 ……………………………………………………….25 PENERAPAN HUKUM BERNOULLI PADA TANGKI AIR BOCOR - (TORRICELLI) …………………………………………………………………………..25 KEGIATAN PEMBELAJARAN 3 ………………………………………………………36 PENERAPAN HUKUM BERNOULLI PADA VENTURIMETER ……….…….......... 36 KEGIATAN PEMBELAJARAN 4 ………………………………………………………46 PENERAPAN HUKUM BERNOULLI PADA TABUNG PITOT …………….……….46 KEGIATAN PEMBELAJARAN 5 ……………………………………………………... 54 PENERAPAN HUKUM BERNOULLI PADA PESAWAT TERBANG ……………...54
4 RANGKUMAN ………………………………………………………………………….. 60 PENILAIAN DIRI ………………………………………………………………………… 62 EVALUASI …………………………………………………………………………………63 GLOSARIUM ……………………………………………………………………………... 66 DAFTAR PUSTAKA ……………………………………………………………………... 68
5 DAFTAR GAMBAR Gambar 1. Aliran Turbulent dan Laminar …………………………………………….….… 14 Gambar 2. Pipa PDAM ……………………………………………………………….….… 15 Gambar 3.Azas Kontinuitas Pada PheT Colorado …………………………………….…… 17 Gambar 4a. Mengukur Kecepatan pada PheT Colorado ………………………………..….. 17 Gambar 4b. Mengukur Kecepatan pada PheT Colorado …………………………….…..…. 18 Gambar 5. Ilustrasi Azas Kontinuitas ………………………………………………………. 21 Gambar 6. Contoh Soal Azas kontinuitas ………………………………………………….. 22 Gambar 7. Soal Azas Kontinuitas ………………………………………………………….. 24 Gambar 8 : Pemadam Kebakaran ……………………………………………………….….. 25 Gambar 9 : Ilustrasi Azas Bernoulli ……………………………………………………..…. 26 Gambar 10. Contoh Soal Azas Bernoulli ………………………………………………..…. 27 Gambar 11.Gelas Bocor ………………………………………………………………….… 29 Gambar 12. Ilustrasi Tangki Air Bocor …………………………………………………….. 32 Gambar 13. Soal Bak Bocor ………………………………………………………………... 35 Gambar 14. Soal Reservoir Bocor …………………………………………………………. 35 Gambar 15. Soal Tangki Air Bocor ………………………………………………………… 35 Gambar 16. Venturi Injector Pupuk ……………………………………………………….. 37 Gambar 17. Alat Praktikum Venturimeter ………………………………………………… 38 Gambar 18. Ilustrasi Venturimeter dengan Manometer …………………………………… 41 Gambar 19. Contoh Soal Venturimeter dengan Manometer ………………………………. 42 Gambar 20. Ilustrasi Venturimeter Tanpa Manometer …………………………………….. 43 Gambar 21. Contoh Soal Venturimeter Tanpa Manometer ………………………………... 43
6 Gambar 22. Soal Venturimeter …………………………………………………………….. 45 Gambar 23. Tabung Pitot pada Pesawat Terbang ………………………………………….. 47 Gambar 24. Sebuah sedotan yang dilubangi ……………………………………………….. 48 Gambar 25. Dua sedotan yang dilubangi ………………………………………………… 48 Gambar 26. Sebuah sedotan berbentuk L …………………………………………………... 49 Gambar 27. Alat Praktikum Tabung Pitot ………………………………………………… 49 Gambar 28. Ilustrasi Tabung Pitot ………………………………………………………… 51 Gambar 29a. Soal Tabung Pitot ……………………………………………………………. 53 Gambar 29b. Soal Tabung Pitot ……………………………………………………………. 53 Gambar 30. Pesawat Terbang ………………………………………………………………. 55 Gambar 31. Ilustrasi Sayap Pesawat Terbang ……………………………………………… 57 Gambar 32. Soal Sayap Pesawat Terbang ………………………………………………….. 59 Gambar 33. Menuangkan Sirup …………………………………………………………….. 63
7 DAFTAR TABEL Tabel 1. Pengamatan Azas Kontinuitas dan Debit …………………………………………. 18 Tabel 2. Analisis Data Azas Kontinuitas dan Debit ………………………………………... 19 Tabel 3. Pengamatan Botol Bocor ………………………………………………………….. 30 Tabel 4. Hubungan Antara x dan h …………………………………………………………. 31 Tabel 5. Pengamatan Percobaan Venturimeter …………………………………………….. 39 Tabel 6. Analisis Percobaan Venturimeter …………………………………………………. 40 Tabel 7. Pengamatan Tabung Pitot …………………………………………………………. 49 Tabel 8. AnalisisTabung Pitot ………...……………………………………………………. 50
8 PENDAHULUAN Fisika merupakan salah satu cabang ilmu alam yang mendasari perkembangan teknologi. Sebagai ilmu yang mempelajari fenomena alam, memberikan pelajaran kepada manusia untuk dapat hidup selaras berdasarkan hukum alam. Pengelolaan sumber daya alam dan penguasaan teknologi tidak akan berjalan secara optimal tanpa pemahaman yang baik tentang fisika. Modul pembelajaran fisika untuk SMA/MA ini disusun berdasarkan kurikulum merdeka. Penyajian modul ini menggunakan pendekatan inkuiri dan menekankan pada pemahaman konsep atau prinsip yang direkayasa. Oleh karena itu, dalam modul ini tidak hanya disajikan pula petunjuk penerapan konsep dalam teknologi sederhana. Penguraian materi diberikan secara bertingkat dengan penggunaan bahasa yang mudah dipahami dan mengerti. Inkuiri menekankan pada proses penemuan konsep dan hubungan antar konsep dimana peserta didik merancang sendiri prosedur percobaan sehingga peran peserta didik lebih dominan, sedangkan guru membimbing peserta didik kearah yang tepat/benar. Model inkuiri terbimbing dapat meningkatkan kemampuan berpikir kritis peserta didik karena peserta didik menemukan sendiri konsep-konsep pembelajaran melalui pengalaman langsung. Model pembelajaran inkuiri terbimbing dapat membantu peserta didik berpikir kritis dan menemukan solusi kreatif terhadap masalah. Model pembelajaran inkuiri terbimbing adalah model pembelajaran yang meningkatkan kemampuan peserta didik untuk belajar melalui kegiatan pembuktian topik atau isu dengan melakukan kegiatan penyelidikan. Sehingga dengan menggunakan model inkuiri terbimbing dalam proses pembelajaran dapat melatih peserta didik untuk berpikir kritis dalam menemukan dan membagi informasi dari apa yang mereka dapatkan. Namun dalam hal ini guru wajib mendampingi peserta didik dalam kegiatan belajarnya, karena guru merupakan fasilitator dan motivator yang dapat membangun semangat belajar peserta didik untuk mencapai tujuan yang diinginkan.
9 PRTUNJUK PENGGUNAAN Sebelum memulai pembelajaran menggunakan e-modul pembalajaran ini, sebaiknya perhatikan petunjuk penggunaan e-modul pembelajaran berikut ini : 1. Berdoalah sebelum memulai dan mengakhiri belajar dengan menggunakan e-modul pembelajaran ini. 2. Baca terlebih dahulu capaian pembelajaran, indikator pembelajaran, dan tujuan pembelajaran. 3. Amati dan cermati setiap fenomena yang disajikan pada masing – masing kegiatan pembelajaran. 4. Kerjakan setiap lembar kerja peserta didik yang disajikan dengan baik dan benar. 5. Tarik kesimpulan dari LKPD yang sudah dikerjakan 6. Kerjakan soal – soal latihan dan evaluasi untuk meningkatkan pemahaman. 7. Lakukan penilaian diri.
10 CAPAIAN PEMBELAJARAN Pada akhir fase F, peserta didik mampu menerapkan konsep dan prinsip fluida dinamis. Proses pembelajaran dilakukan dengan mengamati, mempertanyakan dan memprediksi, merencanakan dan melakukan penyelidikan, memproses, menganilisis data dan infromasi, mencipta, mengevaluasi dan refleksi, serta mengkomunikasikan hasil. Peserta didik mampu memberi penguatan pada aspek fisika sesuai dengan minat untuk ke perguruan tinggi yang berhubungan dengan bidang fisika. Melalui kerja ilmiah juga dibangun sikap ilmiah dan profil pelajar pancasila khususnya berpikir kritis. INDIKATOR PEMBELAJARAN 1. Menganalisis jenis aliran fluida dinamis. 2. Menghitung debit dalam berbagai persoalan dalam kehidupan sehari-hari. 3. Menerapkan Azas kontinuitas dalam menyelesaikan masalah aliran air dalam kehidupan sehari-hari. 4. Mengaplikasikan Hukum Bernaulli dalam menyelesaikan permasalahan tangki air yang berlubang (Torricelli). 5. Menggunakan Hukum Bernaulli dalam menyelesaikan permasalahan pada venturimeter. 6. Meggunakan Hukum Bernaulli dalam menyelesikan permasalahan pada tabung pitot. 7. Mengaplikasikan Hukum Bernaulli dalam menyelesaikan permasalahan pada gaya angkat pesawat terbang.
11 TUJUAN PEMBELAJARAN 1. Peserta didik dapat menganalisis jenis aliran fluida dinamis. 2. Peserta didik dapat menghitung debit dalam berbagai persoalan dalam kehidupan sehari-hari. 3. Peserta didik dapat menerapkan Azas kontinuitas dalam menyelesaikan masalah aliran air dalam kehidupan sehari-hari. 4. Peserta didik dapat mengaplikasikan Hukum Bernaulli dalam menyelesaikan permasalahan tangki air yang berlubang (Torricelli). 5. Peserta didik dapat menggunakan Hukum Bernaulli dalam menyelesaikan permasalahan pada venturimeter. 6. Peserta didik dapat menerapkan Hukum Bernaulli dalam menyelesikan permasalahan pada tabung pitot . 7. Peserta didik dapat mengaplikasikan Hukum Bernaulli dalam menyelesaikan permasalahan pada gaya angkat pesawat terbang .
12 PETA KONSEP FLUIDA DINAMIS SYARAT FLUIDA DINAMIS DEBIT AZAS KONTINUITAS HUKUM BERNOULLI TORRICELLI VENTURIMETER TABUNG PITOT SAYAP PESAWAT TERBANG Terdiri dari Penerapan
13 KEGIATAN PEMBELAJARAN 1 SYARAT FLUIDA DINAMIS, DEBIT, DAN AZAS KONTINUITAS A. TUJUAN PEMBELAJARAN 1. Peserta didik dapat menjelaskan jenis aliran fluida dinamis. 2. Peserta didik dapat menghitung debit dalam berbagai persoalan dalam kehidupan sehari-hari. 3. Peserta didik dapat menerapkan Azas kontinuitas dalam menyelesaikan masalah aliran air dalam kehidupan sehari-hari. B. SYARAT FLUIDA DINAMIS Fluida sangat mudah kita temukan dalam kehidupan sehari-hari. Fluida dinamis adalah suatu zat yang bisa mengalami perubahan-perubahan bentuk secara kontinyu/terus menerus bila terkena tekanan atau gaya geser walaupun relatif kecil atau biasa disebut zar mengalir. Untuk mengetahui bagaimana fluida dinamis, ayo klik link di bawah : Fenomena 1 Fenomena 2 Apa yang kalian dapatkan dari ke dua fenomena tersebut? Simak uraian berikut agar pemahamanmu lebih bagus. https://youtu.be/ufGq1mAztwI https://www.youtube.com/watch?v=2qJ-JC_fOZ0
14 Fluida dinamis termasuk ke dalam fluida ideal,hal ini dikarenakan fluida dinamis mempunyai syarat – syarat sebagai fluida ideal sebagai berikut : 1. Tidak kompresibel 2. Tidak mengalami gesekan 3. Alirannya stasioner 4. Alirannya tunak (steady) Jenis aliran fluida dinamis dapat dibedakan menjadi 2, yaitu; 1. Aliran laminar/laminer /Streamline: jenis aliran fluida di mana fluida mengalir dengan lancer/ tenang atau dalam jalur yang teratur. Karakteristik : a. Dalam aliran laminar suatu fluida, berbagai lapisan fluida meluncur sejajar satu sama lain tanpa gangguan, interferensi, atau pencampuran. b. Dalam aliran laminar, lapisan-lapisan fluida bergerak dalam garis lurus atau dianggap bergerak berlapis-lapis atau lamina. c. Umumnya, aliran laminar terjadi pada fluida yang mengalir dengan kecepatan rendah. d. Aliran lamina biasanya terjadi pada pipa berdiameter kecil dimana fluida mengalir dengan kecepatan rendah. e. Aliran fluidanya teratur yaitu tidak ada pencampuran lapisan fluida yang berdekatan dan mereka bergerak sejajar satu sama lain juga dengan dinding pipa. Contoh : balon air , air mancur, aliran sirup di dalam botol yang dituang, dll. 2. Aliran turbulen/turbulent : jenis aliran di mana fluida bergerak secara acak dengan cara yang tidak teratur atau zigzag. Karakteristik : a. Aliran turbulen bersifat turbulen dan kacau. Lapisan fluida yang berdekatan bercampur satu sama lain dan ada sejumlah besar gesekan antara batas-batas lapisan ini.
15 b. Pada aliran turbulen, lapisan fluida tidak bergerak lurus, dan bergerak secara acak dengan cara zigzag. c. Aliran turbulen terjadi pada fluida yang mengalir dengan kecepatan tinggi. d. Aliran turbulen terjadi pada pipa berdiameter besar dimana fluida mengalir dengan kecepatan tinggi. e. Aliran fluida tidak teratur yaitu adanya pencampuran lapisan-lapisan fluida yang berdekatan satu sama lain dan tidak bergerak sejajar satu sama lain dan juga dengan dinding pipa. Contoh : aliran lava, gelombang di lautan, asap rokok, pesawat terbang, transportasi minyak pada pipa, dll. Gambar 1. Aliran Turbulent dan Laminar Sumber : Modul Fisika Kememdikbud 2020
16 C. DEBIT DAN AZAS KONTINUITAS Kalian sudah belajar tentang syarat – syarat fluida dinamis. Sekarang, kita akan belajar tentang salah satu penerapan fluida dinamis pada debit dan azas kontinuitas. Apakah yang dimaksud debit itu? Dan bagaiamana dengan azas kontinuitas? Untuk lebih jelasnya, kerjakan LKPD di bawah ini! LEMBAR KERJA PESERTA DIDIK 1 DEBIT DAN AZAS KONTINUITAS A. ORIENTASI Gambar 2. Pipa PDAM Sumber : Pacitan.com Gambar di atas merupakan gambar rangkaian pipa PDAM. Pipa – pipa tersebut dibuat saling menyambung antara satu pipa dengan pipa yang lain. Besarnya masing – masing diameter pipa pasti berbeda. Terdapat pipa yang berdiameter besar dan terdapat pipa dengan diameter kecil. Mengapa pipa tersebut mempunyai besar diameter yang berbeda? Apakah kalian tahu alasannya? Tentu di dalam pipa tersebut terdapat aliran air sehingga air tersebut memiliki kecepatan bukan? Apakah kalian sudah mengetahui dengan membaca materi debit dan azas kontinuitas? Apakah debit air yang dihasilkan pada pipa yang berdiameter besar dan kecil menghasilkan debit yang sama atau berbeda? Bagaimana kecepatan yang dimiliki pipa yang berdiameter besar dan kecil? Apakah keduanya berbeda atau sama? Untuk menjawab berbagai persoalan di atas, mari kita kerjakan LKPD berikut !
17 B. RUMUSAN MASALAH Berdasarkan masalah di atas dan tujuan pembelajaran yang sudah dijelaskan, buatlah rumusan masalah di kotak berikut ini ! C. HIPOTESIS SEMENTARA Berdasarkan rumusan masalah yang dibuat, tuliskan hipotesis sementara pada kotak berikut ini ; D. EKSPERIMEN 1. Alat/Bahan a. Komputer/Laptop/HP b. Kuota Internet c. Bolpoin d. Kertas 2. Langkah – langkah a. Bukalah link berikut : https://phet.colorado.edu/sims/cheerpj/fluid-pressure-andflow/latest/fluid-pressure-and-flow.html?simulation=fluidpressure-and-flow&locale=in b. Kemudian klik “Flow” atau “Aliran”. c. Centang pada kotak fluks meter.
18 d. Buatlah rangkaian pipa seperti pada gambar dengan cara mengaturnya mengunakan tombol pegangan seperti gambar berikut! Gambar 3.Azas Kontinuitas Pada PheT Colorado Sumber : PheT Colorado e. Ukurlah kecepatannya dengan cara menggeser tombol kecepatan ke dalam fluida dan ukurlah luas penampang dengan menggeser fluks meter, seperti pada gambar berikut ini ! Gambar 4a. Mengukur Kecepatan pada PheT Colorado Sumber : PheT Colorado
19 f. Ubahlah luas penampang kedua menjadi 2,9 m2 , seperti pada gambar di bawah ini Gambar 4b. Mengukur Kecepatan pada PheT Colorado Sumber : PheT Colorado g. Catat hasil percobaan pada tabel yang disediakan. h. Ubahlah besarnya luas penampang sesuai dengan tabel. i. Ulangi langkah e sampai i dengan mengganti luas penampang kecil atau kedua dengan angka yang terdapat pada tabel berikut ! Tabel 1. Pengamatan Azas Kontinuitas dan Debit No Luas Penampang Besar (A1) m 2 Luas Penampang Kecil (A2) m 2 Kecepatan Penampang Besar (v1) m/s Kecepatan Penampang kecil(v2) m/s Debit Penampa ng Besar (Q1) L/s Debit Penampa ng Kecil (Q2) L/s 1 3,1 2,9 1,6 2 3,1 2,6 1,6 3 3,1 2,4 1,6 4 3,1 2,1 1,6 5 3,1 1,9 1,6
20 E. Analisis Data Isilah tabel berikut ! Tabel 2. Analisis Data Azas Kontinuitas dan Debit No (Q1) = A1. v1 (m3 /s) (Q2) = A2. v2 (m3 /s) 1 2 3 4 5 a. Berdasarkan tabel 2 tersebut dan simulasi pada phet apakah nilai Q1 dan Q2 memiliki besar yang sama atau berbeda? b. Perhatikan tabel 1 pada kolom A2 dan V2. Bagaimana pengaruh luas penampang terhadapa kecepatan fluida yang keluar? c. Pada penerapannya dalam pipa PDAM, bagaimana debit dan kecepatan aliran yang terjadi dalam pipa yang besar dan kecil? F. Kesimpulan
21 Kalian sudah mencari tahu bagaimana debit dan azas persamaaan kontinuitas melalui LKPD 1. Untuk memahami bagaimana debit dan azas kontinuitas, kalian bisa pahami uraian berikut ! Dalam fluida yang bergerak atau fluida dinamis terdapat besaran yang dinamakan debit. Debit sering digunakan dalam pengawasan daya tampung (kapasitas) air di sungai atau bendungan supaya air yang ada dapat dikontrol. Pada saat melakukan pengisian bak air. Jika kita mengetahui debit aliran yang mengalir pada saat pengisian bak mandi air, maka kita akan tahu kapan bak tersebut penuh, sehingga air tidak akan tumpah. Lalu, apakah yang dimaksud dengan debit ? Debit merupakan jumlah volume fluida yang mengalir persatuan waktu (biasanya per detik). Persamaan debit dapat dinyatakan sebagai berikut : Debit juga dinyatakana sebagai volume fluida yang mengalir setiap satuan waktu (debit) yang merupakan perkalian antara luas penampang dengan laju aliran fluida. Sehingga persamaan debit adalah sebagai berikut : Keterangan : Q = Debit fluida ( V = Volume fluida ( ) t = Waktu (s) A = Luas penampang ( ) = Kecepatan aliran (m/s) Contoh soal : Yoni akan mengisi bak mandi dengan air mulai pukul 16.00 WIB s/d pukul 16.45 WIB. Jika debit air 10 liter/ menit, maka berapa literkah volume air yang ada dalam bak mandi tersebut ?
22 Penyelesaian : Diketahui : t = 16.45 – 16.00 = 45 menit Q = 10 liter/menit Ditanya : V = …? Jawab : V = 10 . 45 V = 450 liter Azas kontinuitas sering kita temui dalam kehidupan sehari – hari. Salah satu kegiatan yang sering dilakukan adalah menyiram tanaman di pekarangan rumah menggunakan selang air. Ketika terdapat suatu tanaman yang sedikit jauh dari posisi kita, biasanya kita malas untuk menyiramnya dari dekat. Agar air sampai pada tanaman yang posisinya agak jauh, kita dapat memencet ujung selang supaya luas permukaannya kecil sehingga air dapat memancar jauh dan mencapai tanaman tersebut. Azas kontinuitas terjadi ketika fluida tidak mampu dimampatkan (inkompresibel) dan mengalir dalam keadaan tunak, maka aliran fluida di sembarang titik sama. Jika ditinjau dari dua tempat, maka debit aliran 1 sama dengan debit aliran 2. Gambar 5. Ilustrasi Azas Kontinuitas Sumber: AhmadDahlan.Net
23 Persamaan yang dapat digunakan adalah sebagai berikut ; Keterangan : = Panjang pipa yang dilewati fluida saat penampangnya (m) = Panjang pipa yang dilewati fluida saat penampangnya (m) = Kecepatan aliran di penampang 1 (m/s) = Kecepatan aliran di penampang 2 (m/s) = Luas penampang 1 ( ) = Luas penampang 2 ( ) Contoh soal : Suatu zat cair dialirkan melalui pipa seperti tampak pada gambar dibawah ini ; Gambar 6. Contoh Soal Azas kontinuitas Sumber : Roboguru Jika luas penampang = , = dan laju zat cair . Maka besar adalah…. Penyelesaian :
24 Diketahui : = = , Ditanya : = … ? Jawab : . = . 10 . . = 4 . 4 = 1,6 m/s
25 LATIHAN I 1. Air mengalir di dalam sebuah pipa berjari jari 7 cm dengan kecepatan 10 m/s. Debit air dalam pipa adalah …. 2. Sebuah bak mandi memiliki volume 0,5 m³. Kran air pengisian bak mandi memiliki debit air sebesar 10 liter/menit. Berapa menit waktu yang diperlukan untuk mengisi bak mandi sampai penuh? 3. Perhatikan gambar berikut ! Gambar 7. Soal Azas Kontinuitas Sumber : Roboguru Jika kecepatan fluida pada kecepatan A1 = 20 m/s, luas penampang A1 = 20 cm2 dan luas penampang A2 = 5 cm2 , maka kecepatan fluida pada A2 adalah …. 4. Air mengalir pada suatu pipa dengan perbandingan diameter 1 : 2. Jika kecepatan air yang mengalir pada bagian pipa besar adalah 40 m/s. Besarnya kecepatan pada pipa air kecil adalah….
26 KEGIATAN PEMBELAJARAN 2 PENERAPAN HUKUM BERNOULLI PADA TANGKI AIR BOCOR (TORRICELLI) A. Tujuan Pembelajaran 1. Peserta didik dapat mengaplikasikan Hukum Bernaulli dalam menyelesaikan permasalahan tangki air yang berlubang (Torricelli). B. Hukum Bernoulli Hukum Bernoulli memiliki penerapan yang banyak dalam kehidupan sehari – hari. . Salah satu penerapan hukum Bernoulli dapat dilihat dengan cara klik link video di bawah ini ! Tentu peristiwa tersebut terkadang dapat di lihat melalui telelvisi atau smartphone dengan mudah adan cepat. Lalu, apakah hubungan video tersebut dengan hukum Bernoulli, Simak uraian berikut! Gambar 8 : Pemadam Kebakaran Sumber :Inakoran Pada gambar di atas terlihat pemadam kebakaran sedang memadamkan api yang berkobar di depannya dengan menggunakan selang yang sangat panjang. Jika diperhatikan selang tersebut akan mempunyai ketinggian yang berbeda di sesuaikan https://youtu.be/eGAZGhokMO4?si=BvhKSdRj5NSEp5SH
27 dengan jarak api yang di padamkan. Selang tersebut dapat di ilustrasikan menjadi gambar di bawah ini ; Gambar 9 : Ilustrasi Azas Bernoulli Sumber : Virlenda – Universitas PGRI Adi Buana Surabaya Persamaan Bernoulli dapat dinyatakan sebagai berikut ; W adalah usaha total yang dilakukan pada bagian fluida yang volumenya = yang akan menjadi tambahan energi mekanik total pada bagian fluida tersebut. Sehingga persaman akan menajadi ; ( )
28 Keterangan : P adalah tekanan (Pascal) ρ adalah massa jenis fluida (kg/ ) v adalah kecepatan fluida (m/s) g adalah percepatan gravitasi (g = 9,8 m/ ) h adalah ketinggian (m) Hukum bernoulli pada intinya menekankan bahwa suatu tekanan akan menurun apabila kecepatan aliran fluida mengalami kenaikan. Asumsi yang digunakan adalah sebagai berikut : a. Fluida dalam hal ini bersifat incompressible. b. Fluida tidak memiliki inviscid atau viskositas. c. Aliran fluida tidak mengalami perubahan terhadap waktu. d. Aliran fluida laminar, sifatnya tetap dan tidak ada pusaran. e. Tidak terjadi kehilangan energi karena gesekan fluida dan dinding. f. Tidak terjadi kehilangan energi karena turbulen yang muncul. g. Tidak ada energi panas yang dikirim pada fluida. Contoh : Air dipompa dengan kompresor bertekanan 100 kPa memasuki pipa bagian bawah dan mengalir ke atas dengan kecepatan 1 m/s. Tekanan air pada pipa bagian atas adalah…. (g = 10 m/ dan ) Gambar 10. Contoh Soal Azas Bernoulli Sumber : on_tO Channel Penyelesaian : Diketahui : = 100 kPa = 100000 Pa = 1 m/s = 12 cm = 0,12 m
29 = 6 cm = 0,06 m g = 10 m/ Ditanya : = …? Jawab : Menentukan 0,0144 = 0.0036 = 4 m/s Menghitung : Salah satu penerapan dari hukum Bernoulli adalah pada tangki air yang bocor. Peristiwa pada tangki air yang bocor erat kaitannya dengan istilah Torricelli. Untuk mengetahui lebih lanjut mengenai Torricelli, Ayok lakukan percobaan pada LKPD 2 berikut !
30 LEMBAR KERJA PESERTA DIDIK 2 TANGKI AIR BOCOR A. ORIENTASI Gambar 11.Gelas Bocor Sumber : eduFisika Gambar di atas merupakan gambar gelas yang terisi oleh cairan kemudian pada sisi lengkungnya terdapat lubang, sehingga cairan yang ada di dalam gelas mengalir keluar. Apakah kalian pernah mengalami hal tersebut? Jika pernah, kalian pasti akan segera menyumbat lubang tersebut sebelum cairan yang ada di dalamnya habis. Jika terdapat dua lubang didi samping atas dan samping bawah, apa yang terjadi dengan jarak pancaran airnya? Apakah sama atau berbeda? Mengapa bisa demikian? Untuk menjawab berbagai persoalan di atas, mari kita kerjakan LKPD berikut ! B. RUMUSAN MASALAH Berdasarkan masalah di atas dan tujuan pembelajaran yang sudah dijelaskan, buatlah rumusan masalah di kotak berikut ini ! h1 h2 h
31 C. HIPOTESIS SEMENTARA Berdasarkan rumusan masalah yang dibuat, tuliskan hipotesis sementara pada kotak berikut ini ; D. EKSPERIMEN 1. Alat/Bahan Jarum, penggaris, penyumbat, botol plastik 1 buah, air , dan alat tulis 2. Langkah Kerja a. Lubangilah masing – masing botol menggunakan jarum dengan ukuran lubang 1 = 20 cm dari dasar botol ; lubang 2 = 19 cm dari dasar botol ; lubang 3 = 18 cm dari dasar botol. Pastikan masing – masing lubang sesuai dengan ketentuan pada nomor 1. b. Sumbatlah botol menggunakan pemyumbat sebelum di isi air lalu isilah botol dengan air . c. Lepaskan penyumbat dan segeraukur berapa jarak pancaran air menggunakan penggaris. d. Lakukan hal yang sama untuk lubang 2 dan lubang . Catat hasil pengamatamu pada tabel. 3. Data Hasil Pengamatan Tabel 3. Pengamatan Botol Bocor Botol Ketinggian lubang terhadap dari dasar botol(h2) Ketinggian lubang terhadap permukaan air (h) Jarak jangkauan air dari lubang berdasarkan percobaan (x) Jarak jangkauan air dari lubang berdasarkan perhitungan (x) 1 2 3
32 E. Analisis Data Tabel 4. Hubungan Antara x dan h Percobaan x 2 4h.h2 1 2 3 1. Lubang manakah yang memiliki pancaran terjauh dan lubang manakah yang memiliki pancaran terdekat? Jelaskan alasanmu ! 2. Perhatikan tabel 4, jelaskan factor – factor apa saja yang menyebabkan adanya perbedaan jarak pancaran ! 3. Bandingkan jarak jangkauan air dari lubang berdasarkan percobaan dengan jarak jangkauan air dari lubang berdasarkan perhitungan ! Apakah hasilnya sama? F. Kesimpulan
33 C. Tangki Air Bocor (Torricelli) Salah satu penerapan azas Bernoulli adalah pada tangki air yang bocor atau sama halnya ketika kita menguras air pada tangki air. Kita pasti akan bertanya – tanya kapan air akan habis. Untuk mengetahui hal tersebut kita harus mencari tahu berapa kecepatan air yang keluar dari lubang. Hal ini dapat di kenal sebagai teori Toricelli, yang berbunyi kecepatan fluida yang keluar melalui lubang dengan suatu ketinggian sama dengan kecepatan fluida yang jatuh dari ketinggian yang sama. Persamaan yang dapat digunakan adalah sebagai berikut ; Gambar 12. Ilustrasi Tangki Air Bocor Sumber : zenius.net Sebuah tabung berisikan fluida dengan ketinggian permukaan fluida dari dasar adalah . Memiliki lubang kebocoran pada ketinggian dari dasar tabung. Jarak air yang memancar pada lubang tangki adalah sejauh x. Asumsika permukaan fluida adalah permukaan 1 dan lubang kebocoran adalah lubang 2. Karena dan , maka ( √ √
34 Air yang keluar dari tangki yang bocor akan memancar dengan jarak sejauh x di permukaan tanah. Jarak x dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan berikut ; √ Atau Keterangan : = besar kecepatan aliran fluida keluar dari tabung (m/s) g = percepatan gravitasi (m/ ) = ketinggian fluida dari dasar tabung (m) = ketinggian lubang kebocoran dari dasar tabung (m) = ketinggian fluida dari lubang yang bocor (m) = waktu tempuh fluida dari lubang tangki ke permukaan tanah (s) Contoh : Sebuah tangki air mengalami kebocoran sebagaimana gambar di atas. Diketahui letak titik bocor adalah 100 cm dari dasar tangki. Semprotan air menyentuh tanah pada jarak 2,5 meter dari drum. Tentukan kecepatan air yang keluar dari tangki air ! Penyelesaian : Diketahui : = 100 cm = 0,1 m x = 2,5 m Ditanya : = …? Jawab : Menghitung h ; √ √
35 Menghitung ; √ √ √
36 LATIHAN II 1. Sebuah bak yang besar berisi air dan terdapat sebuah kran seperti gambar. Jika g = 10 m/s2 maka kecepatan semburan air dari kran adalah... Gambar 13. Soal Bak Bocor Sumber : Roboguru 2. Gambar berikut menunjukkan reservoir penuh air yang dinding bagian bawahnya bocor, hingga air memancar di tanah. Jika g = 10 m/s2 . Jarak pancaran maksimum diukur dari P adalah… Gambar 14. Soal Reservoir Bocor Sumber : CoLearn 3. Tangki air dengan lubang kebocoran dapat dilihat pada gambar berikut; Gambar 15. Soal Tangki Air Bocor Sumber : Siti Rohmah Jarak lubang ke tanah adalah 10 m dan jarak lubang ke tanah air adalah 3,2m. Tentukan : a. Kecepatan air yang keluar dari lubang kebocoran. b. Jarak terjauh pancaran air. c. Waktu yang diperlukan air menyentuh tanah.
37 KEGIATAN PEMBELAJARAN 3 PENERAPAN HUKUM BERNOULLI PADA VENTURIMETER A. Tujuan Pembelajaran 1. Peserta didik dapat menggunakan Hukum Bernaulli dalam menyelesaikan permasalahan pada venturimeter. B. Fenomena Venturimeter Pipa venturimeter digunakan untuk untuk mengukur laju aliran suatu cairan dalam sebuah pipa. Pipa venturi merupakan sebuah pipa yang memiliki penampang bagian tengahnya lebih sempit dan diletakkan mendatar dengan dilengkapi dengan pipa pengendali untuk mengetahui permukaan air yang ada sehingga besarnya tekanan dapat diperhitungkan. Penerapan venturimeter dalam kehidupan sehari – hari sangatlah banyak. Salah satu contohnya kalian bisa amati link video berikut ! Agar lebih memahami tentang venturimeter, Ayok lakukan percobaan pada LKPD 3 berikut! https://youtu.be/0w85N4yJ_-4?si=ZtjCYD3IOEjYPIoz
38 LEMBAR KERJA PESERTA DIDIK 3 VENTURIMETER A. ORIENTASI Gambar 16. Venturi Injector Pupuk Sumber : modernpumpingtoday.com Gambar di atas merupakan gambar venture injector pupuk. Alat ini merupakan salah satu cara untuk mencampurkan pupuk dengan air kemudian ditransfer ke dalam tanah. Jika terdapat aliran di dalam bagian pipa yang seperti berbentuk U, Bagaimana kecepatan pipa kecil dan besar ? Faktor apa saja yang membuat adanya perbedaan kecepatan? Untuk menjawab berbagai persoalan di atas, mari kita kerjakan LKPD berikut ! B. RUMUSAN MASALAH Berdasarkan masalah di atas dan tujuan pembelajaran yang sudah dijelaskan, buatlah rumusan masalah di kotak berikut ini !
39 C. HIPOTESIS SEMENTARA Berdasarkan rumusan masalah yang dibuat, tuliskan hipotesis sementara pada kotak berikut ini ; D. EKSPERIMEN 1. Alat/Bahan a. Gergaji b. Plastisin c. Mistar d. Solder e. Pipa peralon berdiameter 2 cm dengan panjang 15 cm f. Pipa peralon berdiameter 3 cm dengan panjang 15 cm g. Selang transparan/manometer dengan panjang 30 cm h. Air (pada pipa) dan Sirup (pada selang) i. Kayu berukuran (40 x 20) cm j. Pipa penutup, pipa shock, dan pipa L k. Lem kayu 2. Langkah Kerja Gambar 17. Alat Praktikum Venturimeter Sumber : Skypaper’s Blog a. Gabungkan kedua pipa peralon dengan pipa shock b. Tutup pipa berdiameter 2 cm dengan pipa penutup. c. Tutup pipa berdiameter 3 cm dengan pipa L.
40 d. Buat lubang di kedua pipa dengan ukuran sama dengan diameter selang manometer, pastikan tepat di tengah – tengah masing – masing pipa menggunakan solder. e. Pasang salah satu selang manometer pada salah satu lubang tersebut. f. Letakkan plastisin di sekitar selang manometer yang melekat pada pipa untuk mencegah kebocoran air. g. Masukkan minyak ke dalam selang manometer. h. Pasang selang manometer dan letakkan plastisin di sekitar selang manometer. i. Buatlah pondasi untuk menopang pipa menggunakan kayu. j. Letakkan pipa venturimeter ke pondasi. k. Alirkan air pada pipa L. l. Lihat perbedaan ketinggian minyak pada selang manometer dan catat lah m. Letakkan botol air bervolume 1 liter di dekat penutup pipa. n. Buka penutup venturimeter, namun tetap biarkan air mengalir. o. Pastikan air mengalir ke botol. p. Catat waktu yang dibutuhkan air untuk memenuhi botol. q. Isilah data hasil pengamatan pada tabel berikut Tabel 5. Pengamatan Percobaan Venturimeter Percobaan Massa jenis air () Masa jenis sirup (′) Perbedaan tinggi (h) cm Luas penampang kecil (A1) Luas penampang besar (A2) 1 2 3
41 E. ANALISIS Tabel 6. Analisis Percobaan Venturimeter Percobaan Perbedaan tinggi (h) cm Kecepatan pipa kecil (v1) m/s Kecepatan pipa kecil (v2) m/s 1 2 3 1. Bagaimana hubungan antara perbedaan tinggi dengan kecepatan pipa kecil dan besar ? 2. Mengapa terjadi perbedaan ketinggian pada selang manometer? 3. Faktor apa saja yang membuat adanya perbedaan kecepatan? F. Kesimpulan
42 C. Venturimeter Dalam pipa venturi ini luas penampang pipa bagian tepi memiliki penampang yang lebih luas daripada bagian tengahnya atau diameter pipa bagian tepi lebih besar daripada bagian tengahnya. Zat cair dialirkan melalui pipa yang penampangnya lebih besar lalu akan mengalir melalui pipa yang memiliki penampang yang lebi sempit, dengan demikian, maka akan terjadi perubahan kecepatan.. Ada 2 macam venturimeter yaitu ; a. Venturimeter dengan manometer Gambar 18. Ilustrasi Venturimeter dengan Manometer Sumber : WordPress.com Bila venturimeter dilengkapi dengan manometer pipa U yang berisi zat cair lain, maka kecepatan fluida ditentukan dengan persamaan: √ ( ) dan √ ( ) Contoh : Untuk mengukur kelajuan aliran minyak yang memiliki massa jenis digunakan venturimeter yang dihubungkan dengan manometer ditunjukkan pada gambar berikut;
43 Gambar 19. Contoh Soal Venturimeter dengan Manometer Sumber : WordPress.com Luas penampang pipa besar adalah sedangkan penampang pipa kecil . Jika beda ketinggian Hg pada manometer adalah 20 cm. Tentukan kelajuan minyak saat memasuki pipa, gunakan g= dan massa jenis Hg adalah Penyelesaian : Diketahui : = = = g= h = 20 cm = 0,2 m = = Ditanya : = … ? Jawab : √ ( ) √ (( ) ) = √ ( ) = √ = √ =
44 b. Venturimeter tanpa manometer Gambar 20. Ilustrasi Venturimeter Tanpa Manometer Sumber : zenius.net Menggunakan Azas Bernoulli, maka Karena = , maka - √ ( ) dan √ ( ) Contoh : Pada gambar di bawah, air mengalir melalui pipa venturimeter. Jika luas penampang dan masing -masing dengan g = , maka kecepatan air yang memasuki pipa penampang 1 venturimeter adalah? Gambar 21. Contoh Soal Venturimeter Tanpa Manometer Sumber : CoLearn
45 Penyelesaian : Diketahui : = = g = h = 45 cm = 0,45 m Ditanya : = … ? Jawab : √ ( ) √ ( ) 4 m/s
46 LATIHAN III 1. Air mengalir dalam venturimeter dengan luas penampang adalah dan luas penampang adalah . Kecepatan air ( yang memasuki pipa venturimeter jika adalah ...? 2. Untuk mengukur perbedaan tekanan pada pipa berpenampang kecil dan besar pada pipa yang di aliri air, digunakan venturimeter berbentuk U yang berisi aier raksa. Perbandingan antara luas penampang pipa kecil dan besar adalah 1 : 2. Selisih tinggi permukaan air raksa dan pipa U adalah 5 cm. Kecepatan air pada pipa yang besar adalah …? ( 3. Untuk mengukur kecepatan aliran air pada sebuah pipa horizontal digunakan alat seperti diperlihatkan gambar berikut ini! Gambar 22. Soal Venturimeter Sumber : fisikastudycenter.com Jika luas penampang pipa besar adalah 5 cm2 dan luas penampang pipa kecil adalah 3 cm2 serta perbedaan ketinggian air pada dua pipa vertikal adalah 20 cm tentukan : a) kecepatan air saat mengalir pada pipa besar. b) kecepatan air saat mengalir pada pipa kecil.
47 KEGIATAN PEMBELAJARAN 4 PENERAPAN HUKUM BERNOULLI PADA TABUNG PITOT A. Tujuan Pembelajaran 1. Meggunakan Hukum Bernaulli dalam menyelesikan permasalahan pada tabung pitot. B. Fenomena Tabung Pitot Tabung pitot memiliki fungsi yang sangat penting dalam sunia penerbangan. Salah satu transportasi udara yang sering ditemukan adalah pesawat terbang. Pernahkah kalian naik pesawat? Jika pernah, apakah kalian mengetahui tabung kecil yang berada pada pesawat tersebut? Bagi kalian yang belum, lihatlah video pada link berikut ! Pada video tersebut dijelaskan bagaimana tabung pitot dapat digunakan di pesawat terbang untuk mengukur kecepatan udara. Agar lebih paham tentang tabung pitot, silahkan melakukan percobaan LKPD 4 berikut ya ! https://youtu.be/XMblsrKHUFc?si=CSUGon9trnUmr7Km
48 LEMBAR KERJA PESERTA DIDIK 4 TABUNG PITOT A. ORIENTASI Gambar 23. Tabung Pitot pada Pesawat Terbang Sumber : Prof Benji Tabung pitot digunakan untuk kecepatan aliran udara terhadap pesawat. Apa yang terjadi jika sebuah pesawat tidak menggunakan tabung pitot? Bagaimana cara sederhana untuk mengetahui kecepatan pesawat menggunakan tabung pitot? Untuk menjawab berbagai persoalan di atas, mari kita kerjakan LKPD berikut ! B. RUMUSAN MASALAH Berdasarkan masalah di atas dan tujuan pembelajaran yang sudah dijelaskan, buatlah rumusan masalah di kotak berikut ini !
49 C. HIPOTESIS SEMENTARA Berdasarkan rumusan masalah yang dibuat, tuliskan hipotesis sementara pada kotak berikut ini ; D. EKSPERIMEN 1. Alat/Bahan a. 4 sedotan bening ukuran besar. b. Gunting c. Korek api d. Solasi hitam e. Lem tembak 2. Langkah Kerja a. Lubangi sebuah sedotan seperti pada gambar berikut ; Gambar 24. Sebuah sedotan yang dilubangi Sumber : https://www.youtube.com/@IOIOO_NurulFikri b. Lubangi dua buah sedotan yang lain seperti gambar berikut ; Gambar 25. Dua sedotan yang dilubangi Sumber : https://www.youtube.com/@IOIOO_NurulFikri