KHAULIN ARIFATUN FAJRIANI 4201420053 MODUL AJAR FLUIDA STATIS FISIKA “TEKANAN HIDROSTATIS”
Kompetensi Inti KI 1 : Menghayati dan mengamalkan ajaran agama yang dianutnya KI 2 : Menunjukkan perilaku jujur, disiplin, tanggung jawab, peduli (gotong royong, kerjasama, toleran, damai), santun, responsif,dan pro-aktif sebagai bagian dari solusi atas berbagai permasalahan dalam berinteraksi secara efektif dengan lingkungan sosial dan alam serta menempatkan diri sebagai cerminan bangsa dalampergaulan dunia KI 3 : Memahami, menerapkan, dan menganalisis pengetahuan faktual, konseptual, prosedural, dan metakognitif berdasar-kan rasa ingin tahunya tentang ilmu pengetahuan, teknologi, seni, budaya, dan humaniora dengan wawasan kemanusiaan, kebangsaan, kenegaraan, dan peradaban terkait penyebab fenomena dan kejadian, serta menerapkan pengetahuan prosedural pada bidang kajian yang spesifik sesuai dengan bakat dan minat-nya untuk memecahkan masalah. KI 4 : Mengolah, menalar, dan menyaji dalam ranah konkrit dan ranah abstrak terkait dengan pengembangan dari yang dipelajarinya di sekolah secara mandiri, bertindak secara efektif dan kreatif, serta mampu menggunakan metode sesuai kaidah keilmuan. Tujuan Pembelajaran Peserta didik mampu mengetahui konsep tekanan. Peserta didik mampu mengetahui konsep tekanan hidrostatis. Peserta didik mampu mengetahui konsep tekanan mutlak. Peserta didik mampu mengetahui hukum utama hidrostatis. Peserta didik mampu menerapkan konsep tekanan hidrostatis dalam kehidupan seharihari. TEKANAN HIDROSTATIS
Fluida Statis Tekanan Hidrostatis Tekanan Mutlak Hukum Utama Hidrostatis PETA KONSEP
1. Konsep Tekanan Gambar 1.1 Seluncur es (Ski) Tahukah anda untuk dapat meluncur diatas kolam es beku, pemain luncur es menggunakan sepatu luncur. Sepatu luncur memiliki pisau pada bagian bawahnya. Pisau ini memberi tekanan yang besar pada lantai es beku, hingga es tepat di bawah pisau mencair, tetapi di kiri-kanannya tidak. Cairan di bawah es berfungsi sebagai pelumas, sedangkan es beku di kiri dan kanan pisau tetap mencengkeram pisau, sehingga sepatu luncur beserta pemain dapat meluncur di atas kolam beku. Seperti telah anda ketahui, bagian es yang mencair segera membeku setelah tekanan pisau hilang karena pemain berpindah. Jika pemain ski menggunakan sepatu luncur es, pisau memberi tekanan besar pada lapisan salju, hingga lapisan salju mencair dan pemain ski justru tidak dapat meluncur di atas salju. Pemain ski justru harus menggunakan sepatu ski yang luas bidangnya cukup besar. Ini agar tekanan yang diberikan pemain ski yang berdiri pada sepatu ski tidak membuat salju mencair, sehingga pemain ski dapat meluncur di atas salju. Tekanan didefinisikan sebagai besar gaya yang bekerja pada permukaan benda tiap satuan. TEKANAN HIDROSTATIS
Sebuah peti kayu berbentuk balok berukuran panjang 1 m dan lebar 50 cm memiliki berat sebesar 400 N. Jika peti tersebut berada di atas lantai, maka tekanan yang dihasilkan pada adalah …. Pembahasan Diketahui : Ditanya : Penyelesaian Keterangan: P = tekanan (Pa atau Nm-2 ) F = gaya tekan (N) A = luas permukaan tekan (m2 ) Satuan tekanan yang sering digunakan: 1 bar = 105 Pa 1 atm = 76 cmHg = 760 mmHg = 1,01 bar = 1,01 x 105 Pa Contoh soal : Diketahui : p = 1 m l = 50 cm = 0.5 m w = 400 N Ditanya : ⋯ /2 Penyelesaian . 400 1 ×0.5 800 /2
A. Tekanan Hidrostatis Gambar 1.2 Waduk Tekanan hidrostatis adalah tekanan yang diberikan oleh air ke semua arah pada titik ukur manapun akibat adanya gaya gravitasi. Tekanan hidrostatis akan meningkat seiring dengan bertambahnya kedalaman diukur dari permukaan air. Akibat gaya gravitasi, berat partikel air akan menekan partikel dibawahnya, dan begitu pula partikel-partikel air di bawahnya akan saling menekan hingga ke dasar air sehingga tekanan dibawah akan lebih besar dari tekanan diatas. Jadi, semakin dalam kita menyelam dari permukaan air, maka akan semakin banyak volume air yang ada di atas kita dengan permukaan air sehingga tekanan yang diberikan air pada tubuh kita (tekanan hidrostatis) akan semakin besar. Secara umum, dapat dirumuskan: Keterangan: Ph = tekanan hidrostatik (Pa) ρ = massa jenis zat cair (kg/m3 ) g = percepatan gravitasi (m/s2 ) h = kedalaman zat cair dari permukaan (m)
Jadi semakin besar jarak titik ukur dengan permukaan air, maka akan semakin besar tekanan hidrostatis pada titik tersebut. Fenomena ini dapat dilihat pada gambar dibawah dimana semakin besar ketinggian air, maka akan semakin besar pula tekanan hidrostatis di dasar bejana. Akibatnya, air akan muncrat lebih jauh pada bejana sebelah kanan karena tekanan yang lebih tinggi dibandingkan bejana di sebelah kiri. Gambar 1.3 Tekanan Hidrostatis pada Wadah berlubang B. Tekanan Mutlak Tekanan mutlak adalah penjumlah tekanan yang terdapat dalam suatu zat ditambah dengan tekanan luar (atmosfer). Tekanan mutlak zat cair Tekanan gauge (alat ukur) Keterangan: P0 = tekanan luar (Pa atau atm) Agar dapat lebih memahami prinsip tekanan, perhatikan gambar di bawah. Gambar 1.4 Tekanan Hidrostatis pada Penyelam
Suatu ketika anda pergi ke pantai, disana anda melihat beberapa wisatawan sedang berwisata diving untuk menikmati keindahan terumbu karang. Untuk dapat mengamati keindahan terumbu karang, wisatawan tersebut menyelam pada kedalaman 10 meter di bawah permukaan air laut yang massa jenisnya 1,1 g.cm-3 . Bila tekanan atmosfir di tempat itu 76 cmHg, tentukan tekanan hidrostatik dan tekanan total yang dialami penyelam.! Dikethaui: ρ = 1,1 g.cm-3 = 1100 kg.m-3 h = 10 m Po = 76 cmHg = 1,01 × 105 Pa Ditanya: Ph = ..? P = ..? Jawab: Ph = ρ.g.h = 1.100 kg.m-3 . 10 m.s-2 . 10 m = 110.000 Pa = 1,1 × 105 Pa P = Po + Ph = 1,01 × 105 Pa + 1,1 × 105 Pa = 2,11 × 105 Pa Tekanan total yang diterima oleh si pemancing adalah sebesar tekanan atmosfer (kita senantiasa menerima tekanan atmosfer setiap saat), sehingga: P1 = Patm Tekanan total yang diterima penyelam bertangki kuning adalah sebesar tekanan atmosfer ditambah tekanan hidrostatis pada kedalaman h2, sehingga: P2 = ρ g h2 + Patm Tekanan total yang diterima penyelam bertangki merah adalah sebesar tekanan atmosfer ditambah tekanan hidrostatis pada kedalaman h3, sehingga: P3 = ρ g h3 + Patm Contoh Soal
C. Hukum Utama Hidrostatis Perhatikan fluida dalam berjana berhubungan dalam gambar di bawah ini. Pertanyaanya, apakah tekanan yang dialami oleh suatu titik di setiap tabung? Samakah tekanan total di setiap titik pada bejana a, b, c, dan d yang segaris? Hukum utama hidrostatika berbunyi “semua titik yang terletak pada bidang datar yang sama di dalam zat cair yang sejenis memiliki tekanan (mutlak) yang sama”. Jadi, walaupun bentuk penampang tabung berbeda, besarnya tekanan total di setiap titik pada bejana a, b, c, dan d yang segaris adalah sama. Hukum utama hidrostatika ini dapat digunakan untuk: (a) menentukan massa jenis zat cair lain jika massa jenis suatu zat cair sudah diketahui (zat cair referensi), syaratnya adalah zat cair yang akan diukur massa jenisnya tidak boleh tercampur dengan zat cair referensi, (b) menjelaskan hukum Pascal, (c) menjelaskan percobaan Torricelli, (d) menjelaskan prinsip kerja barometer menggunakan pipa berisi raksa, (e) menjelaskan prinsip kerja manometer dengan pipa U berisi zat cair, misal raksa (baik pipa terbuka maupun pipa tertutup). Contohnya untuk menentukan massa jenis zat cair, misal adalah air dengan minyak. Metode pengukuran adalah menggunakan pipa berbentuk huruf U seperti pada gambar di bawah ini. Prinsip yang harus dipahami adalah pada ketinggian yang sama, tekanan di dalam zat cair yang sama adalah sama. Pada Gambar 10.16 titik A dan B memiliki ketinggian yang sama dan berada dalam zat cair yang sama. Dengan demikian, tekanan di titik A dan B persis sama. Hukum pokok hidrostatika menyatakan semua titik yang terletak pada satu bidang datar dalam satu jenis zat cair memiliki tekanan yang sama.
Tekanan alat ukur manometer terbuka Gambar 1.5 Manometer terbuka Tekanan alat ukur barometer Gambar 1.6 Barometer Tekanan bejana U berhubungan Gambar 1.7 Bejana U berhubungan P = 0 Po A B raksa
1. Di dalam tabung gelas terdapat minyak setinggi 20 cm. Dengan mengabaikan tekanan udara luar, tekanan yang terjadi pada dasar tabung 1.600 N/m2 . Jika g = 10 m/s2 , maka massa jenis minyak adalah … (A) 8 × 102 kg/m3 (B) 8 × 103 kg/m3 (C) 8 × 104 kg/m3 (D) 8 × 105 kg/m3 (E) 8 × 108 kg/m3 2. Sebuah benda bermassa 10 kg dan massa jenis 5 gram/cm3 dicelupkan seluruhnya ke dalam air yang massa jenisnya 1 gram/cm3 . Jika percepatan gravitasi 10 m/s2 maka gaya ke atas yang dialami benda adalah … (A) 20 N (B) 50 N (C) 100 N (D) 200 N (E) 500 N 3. Sebuah benda terapung pada suatu zat cair dengan 2/3 bagian benda itu tercelup. Bila massa jenis benda 0,6 gram/cm3 . Maka massa jenis zat cair adalah …. (A) 1.800 kg/m3 (B) 1.500 kg/m3 (C) 1.200 kg/m3 (D) 900 kg/m3 (E) 600 kg/m3 4. Sebuah talang air pada gedung setinggi 100 meter penuh berisi air. Jika permukaan talang air tersebut tertutup, tekanan air pada dasar wadah sebesar … (g = 10 m/s2 ) (A) 10 × 10-5 Pa (B) 20 × 10-5 Pa (C) 30 × 10-5 Pa (D) 40 × 10-5 Pa (E) 50 × 10-5 Pa LATIHAN SOAL
5. Besarnya gaya yang harus dilakukan oleh seorang perawat kepada penghisap sebuah semprot suntik yang diameternya 2 cm supaya tekanan zat cair di dalamnya bertambah dengan 105 Pa adalah …. (A) 30 N (B) 31,4 N (C) 40 N (D) 42,4 N (E) 125,6 N 6. Diketahui tekanan hidrostatis yang bekerja pada dasar wadah yang berisi raksa adalah 86.632 Pa. Ketinggian raksa pada wadah tersebut adalah …. ( raksa = 13.600 kg/m3 , dan g = 9,8 m/s2 ) (A) 65 cm (B) 59 cm (C) 41 cm (D) 35 cm (E) 32 cm 7. Tekanan udara pada permukaan air laut besarnya sekitar 101 kPa. Jika massa jenis air laut 1,01 g/cm3 , maka suatu titik yang tekanannya dua kali tekanan pada permukaan laut berada pada kedalaman …. (A) 10 m (B) 20 m (C) 30 m (D) 40 m (E) 50 m 8. Sebuah pipa U yang ujungnya terbuka diisi dengan alkohol. Pada salah satu sisi diisi dengan minyak sebanyak 9 cm. Jika massa alkohol dan minyak berturut-turut adalah 0,9 g/cm3 dan 0,7 g/cm3 , maka perbedaan ketinggian permukaan pada kedua sisi bejana adalah …. (A) 5 cm (B) 4 cm (C) 3 cm (D) 2 cm
(E) 1 cm 9. Sebuah pipa U yang ujungnya terbuka diisi dengan air raksa. Pada salah satu sisi diisi dengan alkohol sebanyak 5 cm dan minyak sebanyak 13 cm. Jika massa jenis raksa, alkohol, dan minyak berturut-turut adalah 13,6 g/cm3 ; 0,9 g/cm3 ; dan 0,7 g/cm3 , maka perbedaan ketinggian permukaan raksa pada kedua sisi bejana adalah …. (A) 5 cm (B) 4 cm (C) 3 cm (D) 2 cm (E) 1 cm 10. Diketahui berat sebuah benda di udara 100 Newton, sedangkan bila ditimbang dalam air beratnya 50 Newton. Massa jenis benda tersebut adalah …. (A) 1000 kg/m3 (B) 1020 kg/m3 (C) 2000 kg/m3 (D) 3150 kg/m3 (E) 19607 kg/ m3
Purwoko. Fendi.2009 . Physics 2 . Jakarta : Yudhistira Reuben M. Olson Dasar-dasar mekanika fluida teknik. Jakarta: Gramedia Sears Zemansky. 1994. Fisika untuk Universitas. Jakarta : Bina Cipta Serway Jewett. Fisika untuk Sain dan teknik. Jakrta: Salemba Teknika DAFTAR PUSTAKA