Fluida Statis
Fluida Statis
Fisika SMA — Massa Jenis, Tekanan Hidrostatis, Hukum Pascal, Hukum Archimedes, Tegangan Permukaan, Kapilaritas, dan Soal Literasi
Daftar Isi
A. Massa Jenis
Bayangkan situasi ini:
"Sesendok besi dan sesendok kapas memiliki volume yang sama, tetapi massa besi jauh lebih besar. Mengapa? Karena besi memiliki massa jenis yang lebih besar daripada kapas."
"Sesendok besi dan sesendok kapas memiliki volume yang sama, tetapi massa besi jauh lebih besar. Mengapa? Karena besi memiliki massa jenis yang lebih besar daripada kapas."
Definisi Massa Jenis:
Massa jenis adalah massa per satuan volume suatu zat. Massa jenis merupakan besaran skalar.
Massa jenis adalah massa per satuan volume suatu zat. Massa jenis merupakan besaran skalar.
\[
\rho = \frac{m}{V}
\]
- \(\rho\) = massa jenis (kg/m³ atau g/cm³)
- \(m\) = massa benda (kg atau g)
- \(V\) = volume benda (m³ atau cm³)
Massa Jenis Beberapa Zat:
- Air: 1.000 kg/m³ = 1 g/cm³
- Minyak: 800 kg/m³
- Alkohol: 790 kg/m³
- Raksa: 13.600 kg/m³
- Besi: 7.800 kg/m³
- Udara: 1,2 kg/m³
Penerapan Massa Jenis dalam Kehidupan Sehari-hari
Minyak di Atas Air
Minyak massa jenis lebih kecil, sehingga terapung di atas air
Kapal Laut
Kapal didesain agar massa jenis rata-rata < air
Botol Kosong
Botol kosong mengapung karena massa jenis < air
Bola Plastik
Bola plastik mengapung di air (massa jenis < air)
Besi Tenggelam
Besi tenggelam karena massa jenis > air
Mengukur Volume
Massa jenis digunakan untuk menentukan kemurnian zat
B. Tekanan Hidrostatis
Pernahkah kamu menyelam di kolam renang?
"Semakin dalam kamu menyelam, semakin besar tekanan yang kamu rasakan di telinga. Inilah yang disebut tekanan hidrostatis — tekanan yang disebabkan oleh berat zat cair."
"Semakin dalam kamu menyelam, semakin besar tekanan yang kamu rasakan di telinga. Inilah yang disebut tekanan hidrostatis — tekanan yang disebabkan oleh berat zat cair."
Definisi Tekanan Hidrostatis:
Tekanan Hidrostatis adalah tekanan yang dialami oleh suatu titik di dalam zat cair akibat berat zat cair di atasnya.
Tekanan Hidrostatis adalah tekanan yang dialami oleh suatu titik di dalam zat cair akibat berat zat cair di atasnya.
\[
P_h = \rho \times g \times h
\]
- \(P_h\) = tekanan hidrostatis (Pa atau N/m²)
- \(\rho\) = massa jenis zat cair (kg/m³)
- \(g\) = percepatan gravitasi (m/s²)
- \(h\) = kedalaman dari permukaan (m)
Sifat Tekanan Hidrostatis:
- Semakin dalam suatu titik, semakin besar tekanan hidrostatisnya
- Tekanan hidrostatis tidak bergantung pada bentuk wadah
- Tekanan hidrostatis bekerja tegak lurus terhadap permukaan
Penerapan Tekanan Hidrostatis dalam Kehidupan Sehari-hari
Bendungan
Dinding bendungan dibuat tebal di bawah karena tekanan besar
Menyelam
Tekanan bertambah saat menyelam lebih dalam
Kapal Selam
Kapal selam didesain tahan tekanan besar di kedalaman
Ikan Laut Dalam
Ikan memiliki adaptasi tekanan tinggi di laut dalam
Pipa Air
Air di pipa bawah memiliki tekanan lebih besar
Bendungan Pembangkit
Tekanan air digunakan untuk memutar turbin
C. Tekanan Total Hidrostatis
Definisi Tekanan Total:
Tekanan Total adalah tekanan mutlak yang dialami suatu titik di dalam zat cair, yaitu tekanan hidrostatis ditambah tekanan atmosfer.
Tekanan Total adalah tekanan mutlak yang dialami suatu titik di dalam zat cair, yaitu tekanan hidrostatis ditambah tekanan atmosfer.
\[
P = P_0 + \rho \times g \times h
\]
- \(P\) = tekanan total (Pa)
- \(P_0\) = tekanan atmosfer (1 atm = 1,01 × 10⁵ Pa)
- \(\rho\) = massa jenis zat cair (kg/m³)
- \(g\) = percepatan gravitasi (m/s²)
- \(h\) = kedalaman dari permukaan (m)
Tekanan Atmosfer:
\(1 \text{ atm} = 76 \text{ cmHg} = 1,01 \times 10^5 \text{ Pa} = 101.300 \text{ Pa}\)
\(1 \text{ atm} = 76 \text{ cmHg} = 1,01 \times 10^5 \text{ Pa} = 101.300 \text{ Pa}\)
Penerapan Tekanan Total dalam Kehidupan Sehari-hari
Di Gunung
Tekanan atmosfer lebih rendah di ketinggian
Kapal Selam
Tekanan total sangat besar di kedalaman laut
Balon Udara
Balon mengembang karena tekanan atmosfer berkurang
D. Hukum Utama Hidrostatis
Bunyi Hukum Utama Hidrostatis:
"Tekanan hidrostatis di semua titik yang terletak pada bidang datar di dalam zat cair yang sejenis adalah sama besar."
"Tekanan hidrostatis di semua titik yang terletak pada bidang datar di dalam zat cair yang sejenis adalah sama besar."
\[
P_A = P_B
\]
\[
\rho \times g \times h_A = \rho \times g \times h_B
\]
\[
h_A = h_B
\]
Penerapan dalam Kehidupan Sehari-hari:
- Bejana berhubungan: permukaan zat cair sejenis dalam bejana berhubungan selalu mendatar (sama tinggi)
- Pengisian air pada pipa: air akan mencapai ketinggian yang sama di semua pipa yang terhubung
- Waterpass (penyipat datar): menggunakan prinsip bejana berhubungan
- Selang air: air akan mengalir sampai ketinggian yang sama
Penerapan Hukum Utama Hidrostatis dalam Kehidupan Sehari-hari
Bejana Berhubungan
Air dalam bejana berhubungan selalu mendatar
Waterpass
Alat ukur kerataan menggunakan prinsip bejana berhubungan
Pipa Air
Air dalam pipa mencapai ketinggian yang sama
Teh Celup
Air teh di gelas dan di wadah memiliki permukaan datar
Bendungan
Air di bendungan memiliki permukaan mendatar
Labu Ukur
Prinsip bejana berhubungan digunakan dalam laboratorium
E. Hukum Pascal
Pernahkah kamu melihat dongkrak hidrolik?
"Dengan gaya kecil pada piston kecil, kamu bisa mengangkat mobil yang berat. Inilah keajaiban Hukum Pascal — tekanan yang diberikan pada zat cair dalam ruang tertutup akan diteruskan sama besar ke segala arah."
"Dengan gaya kecil pada piston kecil, kamu bisa mengangkat mobil yang berat. Inilah keajaiban Hukum Pascal — tekanan yang diberikan pada zat cair dalam ruang tertutup akan diteruskan sama besar ke segala arah."
Bunyi Hukum Pascal:
"Tekanan yang diberikan pada zat cair dalam ruang tertutup akan diteruskan sama besar ke segala arah."
"Tekanan yang diberikan pada zat cair dalam ruang tertutup akan diteruskan sama besar ke segala arah."
\[
P_1 = P_2
\]
\[
\frac{F_1}{A_1} = \frac{F_2}{A_2}
\]
\[
F_1 \times A_2 = F_2 \times A_1
\]
- \(F_1, F_2\) = gaya pada piston 1 dan 2 (N)
- \(A_1, A_2\) = luas penampang piston 1 dan 2 (m²)
Keuntungan Mekanis Hukum Pascal:
\[ KM = \frac{F_2}{F_1} = \frac{A_2}{A_1} \]
Semakin besar perbandingan luas penampang, semakin besar keuntungan mekanis.
\[ KM = \frac{F_2}{F_1} = \frac{A_2}{A_1} \]
Semakin besar perbandingan luas penampang, semakin besar keuntungan mekanis.
Penerapan Hukum Pascal dalam Kehidupan Sehari-hari
Dongkrak Hidrolik
Mengangkat mobil dengan gaya kecil
Rem Hidrolik
Rem mobil menggunakan tekanan fluida
Kursi Hidrolik
Kursi dokter gigi atau barber yang naik-turun
Mesin Press Hidrolik
Mengepres benda dengan gaya besar
Tangki Hidrolik
Mengangkat beban berat di pabrik
Rem Hidrolik Sepeda
Menghentikan sepeda dengan tekanan fluida
F. Hukum Archimedes
Pernahkah kamu merasakan tubuh lebih ringan di air?
"Saat kamu berendam di kolam renang, tubuhmu terasa lebih ringan. Ini karena ada gaya apung yang mendorong tubuhmu ke atas. Inilah yang dijelaskan oleh Hukum Archimedes."
"Saat kamu berendam di kolam renang, tubuhmu terasa lebih ringan. Ini karena ada gaya apung yang mendorong tubuhmu ke atas. Inilah yang dijelaskan oleh Hukum Archimedes."
Bunyi Hukum Archimedes:
"Sebuah benda yang dicelupkan sebagian atau seluruhnya ke dalam zat cair akan mengalami gaya ke atas yang besarnya sama dengan berat zat cair yang dipindahkan oleh benda tersebut."
"Sebuah benda yang dicelupkan sebagian atau seluruhnya ke dalam zat cair akan mengalami gaya ke atas yang besarnya sama dengan berat zat cair yang dipindahkan oleh benda tersebut."
\[
F_A = \rho \times g \times V_{tercelup}
\]
- \(F_A\) = gaya Archimedes / gaya apung (N)
- \(\rho\) = massa jenis zat cair (kg/m³)
- \(g\) = percepatan gravitasi (m/s²)
- \(V_{tercelup}\) = volume zat cair yang dipindahkan (m³)
Keadaan Benda dalam Zat Cair
Terapung
\(\rho_{benda} < \rho_{cair}\)
\(F_A = w\)
\(V_{tercelup} < V_{total}\)
Contoh: Gabus di air, minyak di atas air
\(F_A = w\)
\(V_{tercelup} < V_{total}\)
Contoh: Gabus di air, minyak di atas air
Melayang
\(\rho_{benda} = \rho_{cair}\)
\(F_A = w\)
\(V_{tercelup} = V_{total}\)
Contoh: Ikan yang melayang di air
\(F_A = w\)
\(V_{tercelup} = V_{total}\)
Contoh: Ikan yang melayang di air
Tenggelam
\(\rho_{benda} > \rho_{cair}\)
\(F_A < w\)
\(V_{tercelup} = V_{total}\)
Contoh: Batu di air, besi di air
\(F_A < w\)
\(V_{tercelup} = V_{total}\)
Contoh: Batu di air, besi di air
Penerapan Hukum Archimedes dalam Kehidupan Sehari-hari
Kapal Laut
Kapal terapung karena gaya apung > berat kapal
Kapal Selam
Mengatur massa jenis dengan mengisi tangki air
Balon Udara
Terapung karena massa jenis udara panas lebih kecil
Ikan
Ikan mengatur kantung renang untuk terapung/melayang
Berenang
Gaya apung memudahkan tubuh terapung di air
Hidrometer
Alat ukur massa jenis zat cair
G. Tegangan Permukaan
Pernahkah kamu melihat serangga berjalan di atas air?
"Serangga air dapat berjalan di atas permukaan air karena ada tegangan permukaan — kecenderungan permukaan zat cair untuk meregang dan menahan benda di atasnya."
"Serangga air dapat berjalan di atas permukaan air karena ada tegangan permukaan — kecenderungan permukaan zat cair untuk meregang dan menahan benda di atasnya."
Definisi Tegangan Permukaan:
Tegangan Permukaan adalah gaya yang bekerja pada permukaan zat cair per satuan panjang.
Tegangan Permukaan adalah gaya yang bekerja pada permukaan zat cair per satuan panjang.
\[
\gamma = \frac{F}{L}
\]
- \(\gamma\) = tegangan permukaan (N/m)
- \(F\) = gaya pada permukaan (N)
- \(L\) = panjang permukaan (m)
Tegangan Permukaan Beberapa Zat Cair:
- Air: 0,073 N/m (pada 20°C)
- Raksa: 0,485 N/m
- Alkohol: 0,022 N/m
- Minyak: 0,030 N/m
Penerapan Tegangan Permukaan dalam Kehidupan Sehari-hari
Serangga Air
Serangga dapat berjalan di atas permukaan air
Tetes Air
Tetes air berbentuk bulat karena tegangan permukaan
Sabun
Sabun menurunkan tegangan permukaan air
Daun Teratai
Air membentuk tetes di daun karena tegangan permukaan
Tinta
Tinta mengalir karena tegangan permukaan
Gelembung Sabun
Gelembung berbentuk bulat karena tegangan permukaan
H. Kapilaritas
Pernahkah kamu melihat air naik di sedotan tipis?
"Air bisa naik di sedotan yang sangat tipis (pipa kapiler) karena adanya kapilaritas — peristiwa naik atau turunnya zat cair dalam pipa kapiler akibat tegangan permukaan."
"Air bisa naik di sedotan yang sangat tipis (pipa kapiler) karena adanya kapilaritas — peristiwa naik atau turunnya zat cair dalam pipa kapiler akibat tegangan permukaan."
Definisi Kapilaritas:
Kapilaritas adalah peristiwa naik atau turunnya zat cair dalam pipa kapiler (pipa dengan diameter sangat kecil).
Kapilaritas adalah peristiwa naik atau turunnya zat cair dalam pipa kapiler (pipa dengan diameter sangat kecil).
Gambar memperlihatkan gaya tegangan permukaan cairan di dalam pipa kapiler. Bentuk permukaan cairan di dalam pipa kapiler bergantung
pada sudut kontak (θ ) cairan tersebut. Permukaan cairan akan naik jika θ < 90° dan turun jika θ > 90°.
Naik atau turunnya permukaan zat cair dapat ditentukan dengan
persamaan berikut.
\[
h = \frac{2 \gamma \cos \theta}{\rho \times g \times r}
\]
- \(h\) = kenaikan/turunan zat cair (m)
- \(\gamma\) = tegangan permukaan (N/m)
- \(\theta\) = sudut kontak
- \(\rho\) = massa jenis zat cair (kg/m³)
- \(g\) = percepatan gravitasi (m/s²)
- \(r\) = jari-jari pipa kapiler (m)
Jenis Kapilaritas:
- Meniskus Cekung (naik): air dalam pipa kaca (sudut kontak < 90°)
- Meniskus Cembung (turun): raksa dalam pipa kaca (sudut kontak > 90°)
Penerapan Kapilaritas dalam Kehidupan Sehari-hari
Air Naik di Pipa Kapiler
Air naik di sedotan tipis karena kapilaritas
Air Naik ke Daun
Air naik dari akar ke daun melalui pembuluh kapiler
Kain Menyerap Air
Kain menyerap air melalui celah kapiler
Sumbu Kompor
Minyak tanah naik melalui sumbu
Tinta di Pulpen
Tinta mengalir melalui kapiler pulpen
Spons
Spons menyerap air karena kapilaritas
I. Contoh Soal Literasi
Literasi:
Soal-soal berikut disajikan dalam bentuk cerita kehidupan sehari-hari untuk melatih kemampuan literasi sains dan penerapan konsep fluida statis dalam kehidupan nyata.
Soal-soal berikut disajikan dalam bentuk cerita kehidupan sehari-hari untuk melatih kemampuan literasi sains dan penerapan konsep fluida statis dalam kehidupan nyata.
Soal Literasi 1 (Tekanan Hidrostatis - Menyelam)
Cerita:
Seorang penyelam berada pada kedalaman 20 meter di bawah permukaan laut. Massa jenis air laut adalah 1.025 kg/m³. (\(g = 10\) m/s²)
a. Berapa tekanan hidrostatis yang dialami penyelam?
b. Berapa tekanan total jika tekanan atmosfer = 1 atm = 1,01 × 10⁵ Pa?
Seorang penyelam berada pada kedalaman 20 meter di bawah permukaan laut. Massa jenis air laut adalah 1.025 kg/m³. (\(g = 10\) m/s²)
a. Berapa tekanan hidrostatis yang dialami penyelam?
b. Berapa tekanan total jika tekanan atmosfer = 1 atm = 1,01 × 10⁵ Pa?
Pa
Pa
Jawaban Benar:
\(P_h = 205.000\) Pa | \(P_{total} = 306.000\) Pa
Penyelesaian:
a. \(P_h = \rho \times g \times h = 1.025 \times 10 \times 20 = 205.000\) Pa
b. \(P_{total} = P_0 + P_h = 101.000 + 205.000 = 306.000\) Pa
\(P_h = 205.000\) Pa | \(P_{total} = 306.000\) Pa
Penyelesaian:
a. \(P_h = \rho \times g \times h = 1.025 \times 10 \times 20 = 205.000\) Pa
b. \(P_{total} = P_0 + P_h = 101.000 + 205.000 = 306.000\) Pa
Soal Literasi 2 (Hukum Pascal - Dongkrak Hidrolik)
Cerita:
Sebuah dongkrak hidrolik memiliki piston kecil dengan luas 0,02 m² dan piston besar dengan luas 0,5 m². Jika gaya 100 N diberikan pada piston kecil, berapa gaya yang dihasilkan pada piston besar?
Sebuah dongkrak hidrolik memiliki piston kecil dengan luas 0,02 m² dan piston besar dengan luas 0,5 m². Jika gaya 100 N diberikan pada piston kecil, berapa gaya yang dihasilkan pada piston besar?
N
Jawaban Benar:
\(F_2 = 2.500\) N
Penyelesaian:
\(\frac{F_1}{A_1} = \frac{F_2}{A_2}\)
\(\frac{100}{0,02} = \frac{F_2}{0,5}\)
\(5.000 = \frac{F_2}{0,5} \Rightarrow F_2 = 2.500\) N
\(F_2 = 2.500\) N
Penyelesaian:
\(\frac{F_1}{A_1} = \frac{F_2}{A_2}\)
\(\frac{100}{0,02} = \frac{F_2}{0,5}\)
\(5.000 = \frac{F_2}{0,5} \Rightarrow F_2 = 2.500\) N
J. Latihan Soal Interaktif
1
Massa Jenis Benda
Sebuah benda memiliki massa 360 gram dan volume 200 cm³. Berapakah massa jenis benda tersebut dalam g/cm³?
✅ Jawaban: 1,8 g/cm³
Rumus: ρ = m/V = 360/200 = 1,8 g/cm³
Rumus: ρ = m/V = 360/200 = 1,8 g/cm³
2
Tekanan Hidrostatis
Tabung setinggi 30 cm diisi penuh dengan fluida. Tentukanlah tekanan hidrostatis pada dasar tabung, jika g = 10 m/s² dan tabung berisi:
a. air (ρ = 1000 kg/m³)
b. raksa (ρ = 13600 kg/m³)
c. gliserin (ρ = 1260 kg/m³)
a. air (ρ = 1000 kg/m³)
b. raksa (ρ = 13600 kg/m³)
c. gliserin (ρ = 1260 kg/m³)
✅ Jawaban:
a. P = ρgh = 1000 × 10 × 0,3 = 3.000 Pa
b. P = 13600 × 10 × 0,3 = 40.800 Pa
c. P = 1260 × 10 × 0,3 = 3.780 Pa
a. P = ρgh = 1000 × 10 × 0,3 = 3.000 Pa
b. P = 13600 × 10 × 0,3 = 40.800 Pa
c. P = 1260 × 10 × 0,3 = 3.780 Pa
3
Tekanan Total di Bawah Permukaan
Jika diketahui tekanan udara luar 1 atm (1 atm = 1,01 × 10⁵ Pa) dan g = 10 m/s², tentukanlah tekanan total di bawah permukaan danau pada kedalaman:
a. 10 cm
b. 20 cm
c. 30 cm
a. 10 cm
b. 20 cm
c. 30 cm
✅ Jawaban:
a. P = P₀ + ρgh = 1,01×10⁵ + 1000×10×0,1 = 1,02 × 10⁵ Pa
b. P = 1,01×10⁵ + 1000×10×0,2 = 1,03 × 10⁵ Pa
c. P = 1,01×10⁵ + 1000×10×0,3 = 1,04 × 10⁵ Pa
a. P = P₀ + ρgh = 1,01×10⁵ + 1000×10×0,1 = 1,02 × 10⁵ Pa
b. P = 1,01×10⁵ + 1000×10×0,2 = 1,03 × 10⁵ Pa
c. P = 1,01×10⁵ + 1000×10×0,3 = 1,04 × 10⁵ Pa
4
Perbandingan Tekanan Hidrostatis
Tiga buah tabung identik diisi fluida. Tabung pertama berisi raksa (ρ = 13,6 g/cm³) setinggi 2 cm, tabung kedua berisi air (ρ = 1 g/cm³) setinggi 12 cm dan tabung ketiga berisi gliserin (ρ = 1,26 g/cm³) setinggi 10 cm. Tentukan tekanan hidrostatis di dasar tabung yang paling kecil dan paling besar (g = 10 m/s²).
✅ Jawaban:
P raksa = 13600×10×0,02 = 2.720 Pa
P air = 1000×10×0,12 = 1.200 Pa (terkecil)
P gliserin = 1260×10×0,10 = 1.260 Pa
Jadi tekanan terkecil = 1.200 Pa, terbesar = 2.720 Pa
P raksa = 13600×10×0,02 = 2.720 Pa
P air = 1000×10×0,12 = 1.200 Pa (terkecil)
P gliserin = 1260×10×0,10 = 1.260 Pa
Jadi tekanan terkecil = 1.200 Pa, terbesar = 2.720 Pa
5
Tekanan Gas pada Pipa U
Pipa U seperti pada gambar dihubungkan dengan tabung berbentuk bola yang berisi gas. Pipa U berisi air raksa. Jika tekanan udara luar 1 atm (76 cmHg), berapakah tekanan gas dalam satuan cmHg?
✅ Jawaban: 86 cmHg
P_gas = P_udara + h = 76 + 10 = 86 cmHg
P_gas = P_udara + h = 76 + 10 = 86 cmHg
6
Tekanan Udara dalam Pipa Kaca
Gambar berikut menunjukkan sebatang pipa kaca yang berisi udara. Ujung atas pipa tertutup, sedangkan ujung bawah pipa tertutup oleh raksa yang tingginya 10 cm. Jika tekanan udara di luar 76 cmHg, tentukan tekanan udara di dalam pipa kaca!
✅ Jawaban: 66 cmHg
P_udara dalam pipa = P_udara luar - h = 76 - 10 = 66 cmHg
P_udara dalam pipa = P_udara luar - h = 76 - 10 = 66 cmHg
7
Pipa U dengan Tiga Fluida
Perhatikan gambar bejana di samping. Jika diketahui massa jenis minyak 0,8 g/cm³, massa jenis raksa 13,6 g/cm³, dan massa jenis air 1 g/cm³, tentukanlah perbedaan tinggi permukaan antara minyak dan air!
✅ Jawaban: 3 cm
ρ_air × h_air = ρ_minyak × h_minyak
1 × h_air = 0,8 × 15 → h_air = 12 cm
Selisih = 15 - 12 = 3 cm
ρ_air × h_air = ρ_minyak × h_minyak
1 × h_air = 0,8 × 15 → h_air = 12 cm
Selisih = 15 - 12 = 3 cm
8
Menentukan Tinggi pada Pipa U
Perhatikan gambar di atas. Massa jenis minyak = 0,8 g/cm³, massa jenis raksa = 13,6 g/cm³, dan massa jenis air = 1 g/cm³. Jika tinggi h₁ = 1 cm dan h₂ = 0 cm, berapakah besar h₀ = ?
✅ Jawaban: 13,6 cm
ρ_air × h₀ = ρ_raksa × h₁ + ρ_minyak × h₂
1 × h₀ = 13,6 × 1 + 0,8 × 0
h₀ = 13,6 cm
ρ_air × h₀ = ρ_raksa × h₁ + ρ_minyak × h₂
1 × h₀ = 13,6 × 1 + 0,8 × 0
h₀ = 13,6 cm
9
Pegas pada Bejana
Sebuah bejana diisi air (ρ_air = 1 g/cm³ = 1000 kg/m³) dan bagian bawah terdapat lubang pipa yang diberikan penutup. Penutup diikat dengan pegas yang konstantanya 200 N/m. Sebelum ada air penutup tepat di titik A. Setelah ada air berapakah peregangan pegas? (Gunakan h = 0,25 m)
✅ Jawaban: 0,125 m
F = kx = ρghA
Dengan A = 0,001 m² (asumsi)
x = ρghA/k = 1000×10×0,25×0,001/200 = 0,0125 m
F = kx = ρghA
Dengan A = 0,001 m² (asumsi)
x = ρghA/k = 1000×10×0,25×0,001/200 = 0,0125 m
10
Menentukan Massa Jenis Zat Cair
Untuk menentukan massa jenis zat cair, dibuat rangkaian alat seperti gambar. Pengisap P dapat bergerak bebas dengan luas penampang 1 cm² (10⁻⁴ m²). Jika konstanta pegas = 100 N/m dan pegas tertekan sejauh 0,4 cm (0,004 m), tentukan massa jenis zat cair!
✅ Jawaban: 4000 kg/m³
F_pegas = kx = 100×0,004 = 0,4 N
P = F/A = 0,4/10⁻⁴ = 4000 Pa
ρ = P/(gh) = 4000/(10×0,01) = 4000 kg/m³
F_pegas = kx = 100×0,004 = 0,4 N
P = F/A = 0,4/10⁻⁴ = 4000 Pa
ρ = P/(gh) = 4000/(10×0,01) = 4000 kg/m³
11
Hukum Pascal - Alat Pengangkat Mobil
Alat pengangkat mobil yang memiliki luas pengisap masing-masing sebesar 0,10 m² dan 4 × 10⁻⁴ m² digunakan untuk mengangkat mobil seberat 2 × 10⁴ N. Berapakah besar gaya yang harus diberikan pada pengisap yang kecil?
✅ Jawaban: 80 N
F₁/A₁ = F₂/A₂
F₁ = (A₁/A₂) × F₂ = (4×10⁻⁴/0,10) × 2×10⁴ = 80 N
F₁/A₁ = F₂/A₂
F₁ = (A₁/A₂) × F₂ = (4×10⁻⁴/0,10) × 2×10⁴ = 80 N
12
Pompa Hidrolik
Sebuah pompa hidrolik berbentuk silinder memiliki jari-jari 4 cm dan 20 cm. Jika pengisap kecil ditekan dengan gaya 200 N, berapakah gaya yang dihasilkan pada pengisap besar?
✅ Jawaban: 5.000 N
A₁/A₂ = r₁²/r₂² = 4²/20² = 16/400 = 1/25
F₂ = F₁ × (A₂/A₁) = 200 × 25 = 5.000 N
A₁/A₂ = r₁²/r₂² = 4²/20² = 16/400 = 1/25
F₂ = F₁ × (A₂/A₁) = 200 × 25 = 5.000 N
13
Perbandingan Luas Pengisap
Alat pengangkat mobil yang memiliki luas pengisap dengan perbandingan 1 : 1000 digunakan untuk mengangkat mobil seberat 1,5 × 10⁴ N, berapakah besar gaya yang harus diberikan pada pengisap yang kecil?
✅ Jawaban: 15 N
F₁/F₂ = A₁/A₂ = 1/1000
F₁ = 1,5×10⁴/1000 = 15 N
F₁/F₂ = A₁/A₂ = 1/1000
F₁ = 1,5×10⁴/1000 = 15 N
14
Pemanfaatan Hukum Pascal
Sebutkan 3 contoh pemanfaatan Hukum Pascal dalam kehidupan sehari-hari!
✅ Contoh Jawaban:
1. Dongkrak hidrolik untuk mengangkat mobil
2. Rem hidrolik pada kendaraan
3. Kursi dokter gigi yang dapat diatur ketinggiannya
1. Dongkrak hidrolik untuk mengangkat mobil
2. Rem hidrolik pada kendaraan
3. Kursi dokter gigi yang dapat diatur ketinggiannya
15
Hukum Archimedes - Kesimpulan
Dari tabel percobaan di bawah, apa kesimpulan yang dapat ditarik tentang hubungan antara beda gaya berat (F_A) dengan massa jenis fluida (ρ) dan volume benda tercelup (V)?
| No | ρ (kg/m³) | V (m³) | W di udara (N) | W di air (N) | F_A (N) |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 1000 | 0,001 | 10 | 0 | 10 |
| 2 | 1000 | 0,002 | 20 | 0 | 20 |
| 3 | 800 | 0,002 | 16 | 0 | 16 |
✅ Jawaban: F_A = ρ × V × g
Dari data terbukti bahwa gaya apung (F_A) berbanding lurus dengan massa jenis fluida dan volume benda tercelup.
Dari data terbukti bahwa gaya apung (F_A) berbanding lurus dengan massa jenis fluida dan volume benda tercelup.
16
Menentukan Massa Jenis Batu
Sebuah batu memiliki berat 30 N jika ditimbang di udara. Jika batu tersebut ditimbang di dalam air beratnya = 21 N. Jika massa jenis air adalah 1 g/cm³ (1000 kg/m³), tentukanlah:
a. gaya ke atas yang diterima batu (N)
b. volume batu (m³)
c. massa jenis batu (kg/m³)
a. gaya ke atas yang diterima batu (N)
b. volume batu (m³)
c. massa jenis batu (kg/m³)
✅ Jawaban:
a. F_A = W_udara - W_air = 30 - 21 = 9 N
b. V = F_A/(ρ×g) = 9/(1000×10) = 9×10⁻⁴ m³
c. ρ_batu = m/V = (W/g)/V = (30/10)/9×10⁻⁴ = 3333,33 kg/m³
a. F_A = W_udara - W_air = 30 - 21 = 9 N
b. V = F_A/(ρ×g) = 9/(1000×10) = 9×10⁻⁴ m³
c. ρ_batu = m/V = (W/g)/V = (30/10)/9×10⁻⁴ = 3333,33 kg/m³
17
Tegangan Kawat pada Bola Logam
Sebuah bola logam padat seberat 20 N diikatkan pada seutas kawat dan dicelupkan ke dalam minyak (ρ_minyak = 0,8 g/cm³ = 800 kg/m³). Jika massa jenis logam 5 g/cm³ (5000 kg/m³), berapakah tegangan kawat?
✅ Jawaban: 16,8 N
V = W/(ρ_logam×g) = 20/(5000×10) = 4×10⁻⁴ m³
F_A = ρ_minyak×V×g = 800×4×10⁻⁴×10 = 3,2 N
T = W - F_A = 20 - 3,2 = 16,8 N
V = W/(ρ_logam×g) = 20/(5000×10) = 4×10⁻⁴ m³
F_A = ρ_minyak×V×g = 800×4×10⁻⁴×10 = 3,2 N
T = W - F_A = 20 - 3,2 = 16,8 N
18
Benda Terapung - Volume Muncul
Sebuah benda memiliki volume 20 m³ dan massa jenisnya = 800 kg/m³. Jika benda tersebut dimasukkan ke dalam air yang massa jenisnya 1000 kg/m³, tentukanlah volume benda yang berada di atas permukaan air!
✅ Jawaban: 4 m³
V_tercelup/V_total = ρ_benda/ρ_air = 800/1000 = 4/5
V_tercelup = 4/5 × 20 = 16 m³
V_muncul = 20 - 16 = 4 m³
V_tercelup/V_total = ρ_benda/ρ_air = 800/1000 = 4/5
V_tercelup = 4/5 × 20 = 16 m³
V_muncul = 20 - 16 = 4 m³
19
Menentukan Massa Jenis Benda
Sebuah benda dimasukkan ke dalam air. Ternyata, 25% dari volume benda terapung di atas permukaan air. Berapakah massa jenis benda tersebut?
✅ Jawaban: 750 kg/m³
Volume tercelup = 75% dari V_total
ρ_benda/ρ_air = V_tercelup/V_total = 75% = 0,75
ρ_benda = 0,75 × 1000 = 750 kg/m³
Volume tercelup = 75% dari V_total
ρ_benda/ρ_air = V_tercelup/V_total = 75% = 0,75
ρ_benda = 0,75 × 1000 = 750 kg/m³
20
Benda dalam Dua Fluida Berbeda
Jika sebuah benda dicelupkan ke dalam air maka ⅓ bagiannya muncul di permukaan air. Jika benda yang sama, kemudian dicelupkan ke dalam suatu larutan lain yang memiliki massa jenis 8/9 g/cm³, berapa bagian benda yang muncul di permukaan larutan?
✅ Jawaban: ¼ bagian
Di air: V_muncul = ⅓ → V_tercelup = ⅔
ρ_benda/ρ_air = ⅔ → ρ_benda = ⅔ g/cm³
Di larutan: V_tercelup/V_total = ρ_benda/ρ_larutan = (⅔)/(8/9) = ¾
V_muncul = 1 - ¾ = ¼ bagian
Di air: V_muncul = ⅓ → V_tercelup = ⅔
ρ_benda/ρ_air = ⅔ → ρ_benda = ⅔ g/cm³
Di larutan: V_tercelup/V_total = ρ_benda/ρ_larutan = (⅔)/(8/9) = ¾
V_muncul = 1 - ¾ = ¼ bagian
21
Gaya Apung dan Volume Benda
Sebuah benda memiliki berat 20 N. Jika benda dicelupkan ke dalam minyak (ρ_minyak = 0,8 g/cm³ = 800 kg/m³) maka berat benda seolah-olah 16 N. Jika g = 10 m/s², hitunglah:
a. gaya ke atas yang dialami benda (N)
b. volume benda (m³)
a. gaya ke atas yang dialami benda (N)
b. volume benda (m³)
✅ Jawaban:
a. F_A = 20 - 16 = 4 N
b. V = F_A/(ρ×g) = 4/(800×10) = 5×10⁻⁴ m³
a. F_A = 20 - 16 = 4 N
b. V = F_A/(ρ×g) = 4/(800×10) = 5×10⁻⁴ m³
22
Gabus dan Pegas
Sebuah gabus dicelupkan ke dalam air. Volume gabus 250 cm³ (2,5×10⁻⁴ m³) dan massa jenis gabus adalah 0,2 g/cm³ (200 kg/m³). Oleh karena pengaruh tarikan gabus, pegas meregang sebesar 0,2 cm (0,002 m). Tentukanlah konstanta pegas tersebut!
✅ Jawaban: 1000 N/m
W_gabus = ρ_gabus×V×g = 200×2,5×10⁻⁴×10 = 0,5 N
F_A = ρ_air×V×g = 1000×2,5×10⁻⁴×10 = 2,5 N
F_pegas = F_A - W = 2,5 - 0,5 = 2 N
k = F/x = 2/0,002 = 1000 N/m
W_gabus = ρ_gabus×V×g = 200×2,5×10⁻⁴×10 = 0,5 N
F_A = ρ_air×V×g = 1000×2,5×10⁻⁴×10 = 2,5 N
F_pegas = F_A - W = 2,5 - 0,5 = 2 N
k = F/x = 2/0,002 = 1000 N/m
23
Besi dalam Minyak Tanah
Sepotong besi di udara beratnya 100 N kemudian dimasukkan ke dalam minyak tanah dan beratnya menjadi 96 N. Apabila massa jenis minyak tersebut 8×10² kg/m³ dan g = 10 m/s², tentukan volume besi yang tercelup dalam minyak!
✅ Jawaban: 5×10⁻⁴ m³
F_A = 100 - 96 = 4 N
V = F_A/(ρ×g) = 4/(800×10) = 5×10⁻⁴ m³
F_A = 100 - 96 = 4 N
V = F_A/(ρ×g) = 4/(800×10) = 5×10⁻⁴ m³
24
Balon Udara Panas
Sebuah balon dengan diameter 10 m berisi udara panas. Kerapatan udara di dalam bola adalah 75% kerapatan udara luar (kerapatan udara luar 1,3 kg/m³). Berapakah besar massa total maksimum penumpang dan beban yang masih dapat diangkut balon tersebut! (g = 10 m/s²)
✅ Jawaban: 170,7 kg
V = 4/3×π×r³ = 4/3×3,14×125 = 523,3 m³
ρ_luar = 1,3 kg/m³, ρ_dalam = 0,75×1,3 = 0,975 kg/m³
F_A = ρ_luar×V×g = 1,3×523,3×10 = 6802,9 N
W_udara = ρ_dalam×V×g = 0,975×523,3×10 = 5102,2 N
m = (F_A - W_udara)/g = (1700,7)/10 = 170,07 kg
V = 4/3×π×r³ = 4/3×3,14×125 = 523,3 m³
ρ_luar = 1,3 kg/m³, ρ_dalam = 0,75×1,3 = 0,975 kg/m³
F_A = ρ_luar×V×g = 1,3×523,3×10 = 6802,9 N
W_udara = ρ_dalam×V×g = 0,975×523,3×10 = 5102,2 N
m = (F_A - W_udara)/g = (1700,7)/10 = 170,07 kg
25
Aplikasi Hukum Archimedes
Sebutkan 3 contoh penerapan Hukum Archimedes dalam kehidupan sehari-hari!
✅ Contoh Jawaban:
1. Kapal selam - mengatur volume air balast untuk mengapung/tenggelam
2. Balon udara - menggunakan udara panas yang lebih ringan
3. Jembatan ponton - mengapung di atas air menggunakan prinsip gaya apung
1. Kapal selam - mengatur volume air balast untuk mengapung/tenggelam
2. Balon udara - menggunakan udara panas yang lebih ringan
3. Jembatan ponton - mengapung di atas air menggunakan prinsip gaya apung
26
Tegangan Permukaan
Tegangan permukaan didefinisikan sebagai γ = F/(2×l). Sebutkan 3 contoh fenomena tegangan permukaan dalam kehidupan sehari-hari!
✅ Contoh Jawaban:
1. Tetes air berbentuk bulat di atas daun
2. Serangga air dapat berjalan di atas permukaan air
3. Kenaikan air pada pipa kapiler (pipa kecil)
1. Tetes air berbentuk bulat di atas daun
2. Serangga air dapat berjalan di atas permukaan air
3. Kenaikan air pada pipa kapiler (pipa kecil)
27
Kenaikan Air pada Tabung Kapiler
Sebuah tabung kapiler dengan jari-jari 0,2 mm (2×10⁻⁴ m) dimasukkan ke dalam air. Jika sudut kontaknya 60°, tegangan permukaan air 0,5 N/m dan g = 10 m/s², tentukanlah kenaikan air pada tabung! (ρ_air = 1000 kg/m³)
✅ Jawaban: 0,25 m
h = (2×γ×cos θ)/(ρ×g×r)
h = (2×0,5×cos 60°)/(1000×10×2×10⁻⁴)
h = (1×0,5)/(2) = 0,25 m
h = (2×γ×cos θ)/(ρ×g×r)
h = (2×0,5×cos 60°)/(1000×10×2×10⁻⁴)
h = (1×0,5)/(2) = 0,25 m
28
Tegangan Permukaan Raksa
Air raksa memiliki massa jenis 13,6 g/cm³ (13600 kg/m³). Pada air raksa tersebut dimasukkan tabung kecil dengan diameter 5 mm (jari-jari = 2,5×10⁻³ m). Ternyata air raksa di dalam tabung 2 cm (0,02 m) lebih rendah dari air raksa di luar tabung. Jika sudut kontaknya 127° (cos 127° = -0,6), berapakah tegangan permukaan raksa tersebut?
✅ Jawaban: 0,475 N/m
h = (2×γ×cos θ)/(ρ×g×r)
0,02 = (2×γ×(-0,6))/(13600×10×2,5×10⁻³)
γ = 0,02×13600×10×2,5×10⁻³/(2×(-0,6)) = 0,475 N/m
h = (2×γ×cos θ)/(ρ×g×r)
0,02 = (2×γ×(-0,6))/(13600×10×2,5×10⁻³)
γ = 0,02×13600×10×2,5×10⁻³/(2×(-0,6)) = 0,475 N/m
29
Debit dan Kebocoran Bak
Air mengalir ke dalam bak dengan debit 10⁻⁴ m³/s. Akan tetapi, bak tersebut bocor di bagian bawah melalui lubang yang luasnya 1 cm² (10⁻⁴ m²). Ketinggian maksimum air dalam bak adalah... (g = 10 m/s²)
✅ Jawaban: 0,05 m (5 cm)
Q_masuk = Q_keluar
10⁻⁴ = A×v = 10⁻⁴×√(2gh)
1 = √(2×10×h)
1 = √(20h) → h = 0,05 m
Q_masuk = Q_keluar
10⁻⁴ = A×v = 10⁻⁴×√(2gh)
1 = √(2×10×h)
1 = √(20h) → h = 0,05 m
30
PLTA dan Debit Air
Air terjun setinggi 10 m digunakan untuk Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA) berdaya listrik 1000 W. Jika efisiensi generator 80% dan g = 10 m/s², tentukan debit air yang sampai ke kincir!
✅ Jawaban: 0,0125 m³/s
η = P_listrik/P_air
0,8 = 1000/(ρ×Q×g×h)
0,8 = 1000/(1000×Q×10×10)
Q = 1000/(0,8×1000×10×10) = 0,0125 m³/s
η = P_listrik/P_air
0,8 = 1000/(ρ×Q×g×h)
0,8 = 1000/(1000×Q×10×10)
Q = 1000/(0,8×1000×10×10) = 0,0125 m³/s