MAKALAH FISIKA TENTANG “FLUIDA STATIS”
DISUSUN OLEH : KELOMPOK 7
MA UMMATAN WASATHAN PESANTREN TEKNOLOGI RIAU
KATA PENGANTAR
Puji syukur kehadirat Alah Swt. Yang telah melimpahkan taufq, hidayah dan rahmat -Nya sehingga sehingga penulis penulis dapat meyelesaikan makalah “Fluida Statis” ini dalam waktu yang telah ditentukan.
Sholawat serta salam selalu tercurahkan buat rasulullah SAW yang telah mengubah zaman sehingga kita bisa menentukan yang haq dan yang bathil.
Dengan adanya penulisan makalah ini semoga dapat membantu dalam pembelajaran kita dan bisa menyelesaikan masalah-masalah, yang khususnya dalam ruang lingkup fluida statis.
Disaming itu penulis menyadari bahwa munkin terdapat banyak kesalahan baik dari penulisan ataupun dalam penyusunannya yang tidak penulis ketahui.
Kamis, 06 Februari 2010
Penulis
FLUIDA
STATIs
PENDAHULUAN Suatu Suatu zat yang yang mempun mempunyai yai kemamp kemampuan uan mengal mengalir ir dinama dinamakan kan fluida. Cairan adalah salah satu jenis fluida yang mempunyai kerapatan mendekati zat padat. Letak partikelnya lebih merenggang karena gaya intera interaksi ksi antar antar partike partikelny lnya a lemah. lemah. Gas juga juga merupa merupakan kan fluida fluida yang yang interaksi antar partikelnya sangat lemah sehingga diabaikan. Dengan demikian kerapatannya akan lebih kecil. Karena itu, fluida dapat ditinjau sebagai sistem partikel dan kita dapa dapatt mene menelaa laah h sifa sifatn tnya ya deng dengan an meng menggu guna naka kan n konse konsep p meka mekani nika ka partikel. partikel. Apabila fluida mengalami gaya geser maka akan siap untuk mengalir. mengalir. Jika kita mengamati mengamati fluida statik, misalnya misalnya air di tempayan. tempayan. Sistem ini tidak mengalami gaya geser tetapi mempunyai tekanan pada dinding tempayan. Berdasarkan Berdasarkan uraian di atas, maka pada modul ini akan dibahas dulu dulu mengen mengenai ai fluida fluida statik statik.. Pada Pada kegiat kegiatan an berikut berikutnya nya akan akan dibahas dibahas seca secara ra khus khusus us flui fluida da dina dinami mik. k. Pemb Pembah ahas asan an seri sering ng meng menggu guna naka kan n konsep umum maupun prinsip mekanika partikel. Dengan mempelajari modul ini berarti Anda akan dapat mengkaji sifat fluida statik dan fluida dina dinami mik k
deng dengan an meng menggu guna naka kan n
meka mekani nika ka
part partik ikel el..
Sete Setela lah h
Anda An da
mempelajari modul ini, Anda dapat: a. Menjelaskan Menjelaskan makna hukum utama hidrostat hidrostatik. ik. b. Menggunakan Menggunakan hukum hukum utama utama hidrost hidrostatik atik untuk untuk menjelaska menjelaskan n sifatsifatsifat khusus fluida statik. c. Membed Membedaka akan n macammacam-mac macam am aliran aliran fluida fluida.. d. Menghi Menghitun tung g debit debit aliran aliran flui fluida. da. e. Menjela Menjelaska skan n makna makna hukum hukum Berno Bernoulli ulli.. f. Meng Menggu guna naka kan n huku hukum m Bern Bernou oull llii untu untuk k menj menjel elas aska kan n sifa sifatt-si sifa fatt aliran fluida. g. Menjela Menjelaska skan n masala masalah h fluida fluida pada kehidupan kehidupan sehari-h sehari-hari ari dengan dengan menggunakan konsep fisika.
Fluida ( zat alir ) adalah zat yang dapat mengalir, misalnya zat cair dan gas. Fluida dapat digolongkan dalam dua macam, yaitu fluida statis dan dinamis.
FLUIDA STATIKA Pada kegiatan pertama ini dibahas mengenai fluida statik. Pada kehidupan sehari-hari, sering digunakan air sebagai contoh. Marilah kita perhatikan air tenang yang berada di tempayan.
Gambar 1. Gaya-gaya yang bekerja pada dinding tempayan tempat fluida adalah gaya normal
Cairan yang berada dalam bejana mengalami gaya-gaya yang seimba seimbang ng sehingg sehingga a cairan cairan itu tidak tidak mengal mengalir. ir. Gaya Gaya dari dari sebelah sebelah kiri kiri diimbangi dengan gaya dari sebelah kanan, gaya dari atas ditahan dari bawah. bawah. Cairan yang massanya massanya M menekan menekan dasar dasar bejana dengan gaya sebesar Mg. Gaya ini tersebar merata pada seluruh permukaan dasar bejana sebagaimana diperhatikan oleh bagian cairan dalam kolom kecil pada pada gamb gambar ar 2. Sela Selama ma caira cairan n itu itu tida tidak k meng mengal alir ir (dal (dalam am keada keadaan an statis), pada cairan tidak ada gaya geseran sehingga hanya melakukan gaya ke bawah oleh akibat berat cairan dalam kolom tersebut: W=mg=ρVg
(1)
di mana ρ adalah kerapatan zat cair dan V adalah volume kolom. Jika V = h ∆A, kita dapatkan: W = ρ h ∆A g
(2)
Jika berat itu ditopang oleh luasan ∆A, yang sebanding dengan luas ∆A, akibatnya gaya ini tersebar rata di permukaan dasar bejana. Teka Tekana nan n seba sebaga gaii perb perban andi ding ngan an gaya gaya deng dengan an luas luas,, sepe sepert rtii diilustrasikan pada gambar 2. gaya
ρ h ∆A g p =
h
=
= ρ g
(3) luas
∆A
Di mana p adalah tekanan yang dialami dasar bejana. Dalam satuan tekanan diukur dalam N/m2, dan dinamai Pascal yang disingkat Pa.
FLUIDA STATIKA Pada kegiatan pertama ini dibahas mengenai fluida statik. Pada kehidupan sehari-hari, sering digunakan air sebagai contoh. Marilah kita perhatikan air tenang yang berada di tempayan.
Gambar 1. Gaya-gaya yang bekerja pada dinding tempayan tempat fluida adalah gaya normal
Cairan yang berada dalam bejana mengalami gaya-gaya yang seimba seimbang ng sehingg sehingga a cairan cairan itu tidak tidak mengal mengalir. ir. Gaya Gaya dari dari sebelah sebelah kiri kiri diimbangi dengan gaya dari sebelah kanan, gaya dari atas ditahan dari bawah. bawah. Cairan yang massanya massanya M menekan menekan dasar dasar bejana dengan gaya sebesar Mg. Gaya ini tersebar merata pada seluruh permukaan dasar bejana sebagaimana diperhatikan oleh bagian cairan dalam kolom kecil pada pada gamb gambar ar 2. Sela Selama ma caira cairan n itu itu tida tidak k meng mengal alir ir (dal (dalam am keada keadaan an statis), pada cairan tidak ada gaya geseran sehingga hanya melakukan gaya ke bawah oleh akibat berat cairan dalam kolom tersebut: W=mg=ρVg
(1)
di mana ρ adalah kerapatan zat cair dan V adalah volume kolom. Jika V = h ∆A, kita dapatkan:
W = ρ h ∆A g
(2)
Jika berat itu ditopang oleh luasan ∆A, yang sebanding dengan luas ∆A, akibatnya gaya ini tersebar rata di permukaan dasar bejana. Teka Tekana nan n seba sebaga gaii perb perban andi ding ngan an gaya gaya deng dengan an luas luas,, sepe sepert rtii diilustrasikan pada gambar 2. gaya
ρ h ∆A g p =
h
=
= ρ g
(3) luas
∆A
Di mana p adalah tekanan yang dialami dasar bejana. Dalam satuan tekanan diukur dalam N/m2, dan dinamai Pascal yang disingkat Pa.
Untuk cairan pertama : p1 g 2 1 Untuk cairan kedua
: p1 g 2 1
Sehingga : ρ1 g 2 1 = ρ2 g (d + 2 1)
atau ρ2
2
Perb Perban and dinga ingan n
ρ1
d+21
kera kerapa pata tan n
suat uatu
baha bahan n
terh terhad adap ap
kera kerapa pata tan n
air air
dinamakan kerapatan relatif atau relatif atau gravitas spesifik dari spesifik dari bahan tersebut. Archimedes mendapatkan suatu prinsip sebagai berikut. Apabila suatu benda dicelupkan ke dalam cairan (seluruhnya atau sebagian), benda enda itu itu menga engala lam mi gay gaya ke atas atas sebes ebesar ar bera erat caira airan n yang ang dipindahkannya. Apab Ap abila ila sebu sebuah ah bend benda a dice dicelup lupkan kan ke dala dalam m caira cairan, n, seper seperti ti ditunj ditunjukka ukkan n dalam dalam gambar gambar 5, total total gaya gaya ke atas atas atau atau gaya gaya angkat angkat,, dilaku dil akukan kan pada pada benda. benda. Akibat Akibat gaya gaya ini terdap terdapat at perbeda perbedaan an tekanan tekanan pada pada bagi bagian an bawa bawah h dan dan bagi bagian an atas atas bend benda. a. Sela Selama ma teka tekana nan n ini ini tergantung pada kedalaman cairan, dengan mudah dapat kita hitung gaya ke atas untuk sederhana, antara lain untuk balok tegar di mana salah satu permukaannya horizontal.
Gambar 5. Gaya-gaya yang dialami benda di dalam cairan.
Benda yang bentuknya sembarang, agak sulit kita menentukan tekanan tekanan karena bervariasinya bervariasinya titik-titik permukaan benda. Untuk itu prinsip Archimedes sangat membantu. Andaikan benda dikeluarkan dari dalam cairan akan menggantikan tempat benda sebanyak tempat yang
tadinya ditempati oleh benda. Jika volume tempat benda itu telah diisi oleh cairan, ini menunjukkan bahwa adanya keseimbangan gaya yang terja erjadi di
antar ntar
cair cairan an
peny penyel elu ubung bung
denga engan n
bagi bagian an
cair cairan an
yang ang
menggantikan tempat benda tersebut. Jadi gaya netto yang arahnya ke atas adalah sama dengan m 1 g, di mana m1 adalah massa cairan yang mengisi volume yang ditinggalkan oleh benda. Seka Sekara rang ng kita kita ting tingga galka lkan n penga pengand ndai aian an tadi tadi deng dengan an benda benda sesungguhnya yang massanya m o. Cairan mestilah melakukan kontak dengan dengan setiap setiap titik titik pada pada permuk permukaan aan benda benda yang yang member memberikan ikan gayagayagaya gaya sama sama di mana mana-m -man ana. a. Gaya Gaya ini ini mest mestil ilah ah sama sama denga dengan n gaya gaya penopang penopang cairan yang volumenya volumenya adalah sama. Gaya ini adalah gaya angkat (ke atas) yang besar. Fb = mf g = ρ1 Vg
(5)
Di mana m1 adalah adalah massa massa cairan cairan yang dipindahkan dipindahkan oleh benda yang tercel tercelup up ke dalam dalam cairan cairan adalah adalah kerapa kerapatan tan cairan cairan.. Gaya Gaya angkat angkat ini arahnya vertikal ke atas. Persamaan 5 dinamakan Prinsip Archimedes yang dikemukakan dikemukakan oleh oleh Arch Archim imede edes s pada pada tahu tahun n 25 250 0 SM. SM. Jika Jika gaya gaya ke atas atas lebi lebih h kecil kecil daripada berat benda yang dicelupkan, mala benda itu akan tenggelam. Jik Jika a bera beratt bend benda a lebih lebih kecil kecil darip daripad ada a gaya gaya ke atas atas,, bend benda a itu itu akan akan terapung. Seandainya ρo adalah kerapatan benda, dengan volume V, maka beratnya W = mo g = ρo V g Gaya ke atas dinyatakan oleh persamaan 5. Fb = ρ1 V g
(6)
Netto gaya ke atas ketika benda semuanya tercelup dalam cairan Fnet = Fb . W =( ρf . ρo) V g
(7)
Jadi Jadi benda benda dengan dengan kerapat kerapatan an lebih lebih besar besar dari dari kerapat kerapatan an cairan cairan akan akan tenggelam, dan yang lebih kecil akan terapung. Sekarang Anda lakukan latihan sebagai berikut. 1.
Sebuah balon terbuat dari karet massanya 2 g diisi dengan gas helium yang massanya massanya ¾ g. JIka volume volume balon itu 41, akan kita cari gaya ke atas netto yang bekerja pada balon.
2.
Balok kayu yang kerapatannya 0,6 cm -3 berupa kubus dengan rusuk 10 cm terapung di dalam air seperti dilukiskan pada gambar 6. Akan kita tentukan bagian kayu yang tidak tercelup dalam air.
Gambar 6.
Gambar 6.
1.
Prinsip Archimedes di atas tidak hanya berlaku untuk cairan, tetapi berlaku juga untuk gas. Balon yang berisi gas helium memindahkan udara sebanyak volume balon yaitu 41. Balon memindahkan 41 udara. Jika kerapatan udara 1,29 g/1 atau 1,29 x 10-3 kg/1, maka massa udara yang volumenya 41 adalah 5,1 x 103 kg, sehingga gaya ke atas
Fb = Wu = mu g = (5,1 x 10 -3 kg) (9,8 m/s 2) = 5 x 10-2 N (arah ke atas) Wbalon = (2,75 x 10-3 kg) (9,8 m/s2) = 2,7 x 10-2 N (arah ke bawah) Jadi gaya ke atas netto Fnet = (5. 2,7) x 10 -2 N = 2,3 x 10 -2 N
2. Berat kubus kayu Wk = ρ k Vk g di mana = 0,6 x ρa Gaya ke atas Fb = Wa = (f Vk) g Di mana f adalah bagian bagian kubus yang di bawah permukaan permukaan air (yang terc tercel elup up). ). Dala Dalam m keada keadaan an seti setimb mban ang, g, gaya gaya nett netto o adal adalah ah nol, nol, sehingga ρ k Vk g = ρa (f Vk) g atau ρ k = ρa f sehingga 0,6 ρa f = ρ k/ρa =
= 0,6
ρa
Jadi 0,6 bagian kubus kayu tercelup di dalam air, sedang yang tidak tercelup 0,4 bagian atau setinggi h = 4 cm.
Rangkuman Besaran tekanan hidrostatik dinyatakan dengan rumus P = ρ gh. Tekana Tekanan n pada pada fluida fluida statik statik akan akan diteru diteruska skan n oleh fluida fluida itu ke segala segala arah sama rata.
TEKANAN HIDROSTATIS Tekanan hidrostatis ( Ph) adalah tekanan yang dilakukan zat cair pada bidang dasar tempatnya. Dengan rumus : F
P= A
Keterangan : p : Tekanan (Nm −2 ) F : Besar Gaya (N) A : Luas permukaan tempat gaya bekerja (m 2 )
PARADOKS HIDROSTATIS Gaya yang bekerja pada dasar sebuah bejana tidak tergantung pada bentuk bejana dan jumlah zat cair dalam bejana, tetapi tergantung pada luas dasar bejana ( A ), tinggi ( h ) dan massa jenis zat cair ( ) dalam bejana. = massa jenis zat cair h = tinggi zat cair dari permukaan g = percepatan gravitasi Pt = tekanan total Po = tekanan udara luar ρ
Ph = gh Pt = Po + Ph F=PhA=
gV
HUKUM PASCAL Tekanan yang dilakukan pada zat cair akan diteruskan ke semua arah sama. Contoh hk. Pascal dalam peralatan adalah hidrolik.
F 1 P 1 = P 2
A1
F 1 /A1 = F 2 /A2 atau
=
F 2 A2
Contoh Soal :
Sebuah pengankat hidrolik bekerja berdasarkan tekanan air. Dari gambar tentukan besar gaya F yang dibutuhkan 2
untuk mengangkatsebuah mobol yang masanya 1.200 kg, grafitasi 10 ms
−
, A 1 : 20 cm
2
Dan A
2
: 400 cm
2
. Jika masa masa pengisap dan masa alas tempat mobil diabaikan. 2
Jawab : Dik : A 1 : 20 cm
A
F Dengan persamaan :
=
=
400 400
2
2
: 400 cm
m :1.200 kg g : 10 ms
−
mg =
(1200 ).(10)
F
20
A1
2
F
A2
1200 .20 =
24000 =
400 400
=
400 400
600 600 N
jadi besar gaya yang dibutuhkan adalah 600 N....
Prinsip Pascal Pengantar Pernahkah kamu jalan-jalan ke bengkel ? Jangan jauh-jauh ke bengkel, mungkin kamu kamu pernah pernah meliha melihatt mobil mobil mogok mogok di jalan jalan karena karena ban dalam mobil mobil tersebut tersebut kempis alias pecah ?… nah, ketika roda mobil mengalami kerusakan maka om sopir sopir atau atau kondek kondektur tur harus harus mengga mengganti ntinya nya dengan dengan roda roda yang yang lain. lain. Atau Atau kadang kadang mobil harus digiring ke bengkel, soalnya yang nyetir pake dasi. Agar roda mobil yang rusak bisa diganti maka digunakan bantuan dongkrak hidrolis. Tahukah kamu bagaimana prinsip kerja dongkrak hidrolis ? mobil yang begitu berat bisa diangkat dengan mudah. Aneh bin ajaib. Hehe… semuanya karena fisika.
HUKUM ARCHIMEDES Benda di dalam zat cair akan mengalami pengurangan berat sebesar berat zat cair yang dipindahkan. Rumus : F A = p C V C g F A =Gaya keatas didalam air
p C =Massa jenis zat cair
g=Grvfitasi
V C =Vol. zat cair
Gaya keatas yang dialami sebuah benda akan berbeda-beda jika dicelupkan pada beberapa jenis fluida. Hak ini disebabkan oleh massa jenis fluida berbedabeda.
Contoh soal : Sebuah benda ditimbang di udara beratnya 200N. Ketika beda ditimbang didalam air, berat benda menjadi 100N. Akan tetapi dalam caira lain beratnya menjadi 120N. Jika massa jenis air 1 gcm −3 dan percepatan gravitasi bumi 10 ms −2 . Tentukan massa jenis cairan tersebut ? Jawab : Dik : W diudara =200N W gcm −3 =10kgm −3 =10 ms −2
diair
=100N W
didalamcai
ran
=120N p
air
=1
Ketika ditimbang didalam air, gaya keatas yang dialami oleh benda adalah F A = W diudara - W diair F A =200N-100N=100N Sehingga didapatkan F A = p
air
V b g V b =10 −2 m 3 =10 4 cm 3
100N = 10. V b .10
Ketika ditimbang didalamcairan,gaya keatas yang dialami adalah F A = W diudara - W
didalamcai
ran
F A =200N-120N = 80N Sehingga didapatkan F A = p cair V b g 80N= p cair (10)(10) = 80N=0,1 p cair p cair =
80 = 800 kgm kgm 0,1
−3
= 0,8 gcm
−3
TEGANGAN PERMUKAAN Tegangan permukaan ( ) adalah besar gaya ( F ) yang dialami pada permukaan zat cair persatuan panjang(l).
Dengan rumus:
Ket :
F =
L
Tegangan permukaan (Nm
−1 )
F= Gaya (N) L= Panjang garis pada permukaan
(m)
KAPILARITAS Kapilaritas ialah gejala naik atau turunnya zat cair ( y ) dalam tabung kapiler yang dimasukkan sebagian ke dalam zat cair karena pengarah adhesi dan kohesi. Dengan rumus:
h=
2℘cos o p c gR gR
Contoh soal:
Sebuah pipa kapiler yang diameternya 4mm dan kaedua ujung pipa simaska scara tegak lurus kedalam embr yange berisi air., jika koefisien tegangannya permukaan air adalah7,27 ×10 −2 Nm −1 , sudut kontak permukaan cair sebesar 37 °c massa massa jenis air air 2 gcm dan gravitas gravitasii bumi 10ms 10ms −2 . Tentukan tigggi kenaikan air didalam pipa? Jawab: Dik: = 7,20 ×10 −2 Nm −1 R=2mm=2 ×10 −3 m g=10ms −2 cos 37=0,8 p c =1gcm −3 =10 3 kgm −3 dengan menggunakan persamaan : 2℘cos o 2(7,27 ×10 −2 Nm Nm −1 )(0,8) h= = =0,58cm ×10 −2 m=0,58cm p c gR gR (10 3 kgm −3 )(10 ms −2 )( 2 ×10 −3 m)
jadi kenaikan air didalam pipa kapiler sebesar0.58 cm
PENUTUP Deng Dengan an rasa rasa syuk syukur ur penu penuli liss
meng menguc ucap apka kan n
Alha Alhamd mdul ulil illa lah h
kare karena na bisa bisa
meyelesaika meyelesaikan n makalah makalah fisika fisika ini. Dan penulis penulis berterima berterima kasih kepada seluruh rekanrekan yang telah banyak membantu dalam pembuatan makalah ini.
Adapun Adapun penutup kata kami dalam makalah makalah ini adalah kami berharap berharap dengan adanya makalah ini semoga dapat dipergunakan sebaik-baiknya dan bisa membantu banyak dalam proses belajar mengajar disekolah.
Wassalam...