MODUL FISIKA SMA IPA Kelas 11

Transkripsi

1 SM IP Kelas Menerapkan konsep dan prinsip mekanika klasik sistem kontinu (benda tegar dan fluida) dalam penyeleaian masala. 3. lirannya stasioner (non turbulen), artinya partikel mengalir menurut garis alir (jalur) dengan kecepatan konstan. Fluida sejati memiliki ciri-ciri kebalikan dari fluida ideal. Karakteristik aliran fluida : Menganalisis ukum-ukum yang berubungan dengan fluida statik dan dinamik dan dapat menerapkan konsep tersebut dalam keidupan seariari. Memformulasikan ukum dasar fluida dinamik. Menerapkan ukum dasar fluida dinamik pada masala fisika seari-ari.. LIRN FLUID. Fluida tersusun dari partikel-partikel kecil yang masing-masing bergerak dan tunduk pada ukumukum tentang gerak, artinya setiap partikel fluida yang bergerak berlaku persamaan-persamaan tentang gerak, misalnya s = v.t ( s = jarak tempu, v = kelajuan, t = waktu tempu). Fluida yang bergerak terus mengalir teradap sekitarnya dinamakan fluida bergerak (fluida mengalir). Secara umum fluida dapat dibedakan menjadi fluida ideal dan fluida sejati. Fluida ideal mempunyai ciri-ciri sebagai berikut :. non kompresible, artinya tidak mengalami perubaan volume jika ditekan. Mengalir tanpa gesekan (tidak memiliki kekentalan/viskositas). aliran tunak (steady) yang maksudnya laju pada setiap partikel fluida yang bergerak (mengalir) dan setiap saat adala konstan, karena bila kelajuannya beruba-uba akan mengakibatkan berbagai variabel yang lain juga beruba-uba. Garis arus masing-masing partikel adala sejajar yang berarti antara garis arus yang satu dengan lainnnya tidak perna saling bersilangan.. aliran tak tunak (non-steady) yang maksudnya laju pada setiap partikel dan setiap saat selalu beruba dan merupakan fungsi dari waktu. 3. aliran berolak (rotational) yang maksudnya adala partikel fluida selain bergerak linier juga bergerak anguler (berotasi) dan berarti mempunyai kelajuan sudut pula. 4. aliran tak berolak (irrotational) yang maksudnya partikel fluida tidak memiliki kelajuan sudut. 5. aliran termampatkan (compressible) 6. aliran tak termampatkan (incompressible). 7. aliran kental (viscous) 8. aliran tak kental (non-viscous) Fluida yang akan dibaas adala yang mempunyai karakteristik berikut :. tidak kental. tak termampatkan 3. tak berolak 4. tunak.

2 SM IP KELS Garis rus (stream line) adala lintasan tiap-tiap partikel sepanjang aliran fluida. B. PERSMN KONTINUITS FLUID Persamaan kontinuitas berbunyi : pada fluida yang tak termampatkan, asil kali antara kelajuan aliran fluida dalam suatu wada dengan luas penampang wada selalu konstan. Dari data : v = 0 m/s, = 0-4 m, dan = 0-5 m, maka dapat diitung dengan persamaan kontinuitas sebagai berikut,.v =.v = 0-5. v v = 00 m/s. (ternyata laju aliran air dari pipa yang besar akan bertamba cepat bila penampang pipa diuba menjadi lebi kecil). Menurut persamaan kontinuitas :.v = konstan atau : dan = luas penampang pipa (m ) v dan v = kecepatan aliran fluida (m/s) Jadi jika fluida mengalir stasioner, maka dalam waktu yang sama banyaknya fluida yang mengalir pada pipa akan sama dengan banyaknya fluida yang mengalir pada pipa. Volume fluida yang mengalir dalam sebua penampang setiap satuan waktu disebut debit (Q). Q = debit (m 3 /s) V = volume fluida (m 3 ) t = waktu fluida mengalir (s). ir mengalir melalui sebua pipa yang luas penampangngya berbeda. Diameter penampang besar 0 cm, sedangkan pipa kecil berdiamter 6 cm. Jika kelajuan aliran air pada penampang besar 5 m/s, tentukan : a. kelajuan aliran air pada pipa kecil b. debit air. Suatu zat cair mengalir melalui 3 penampang yang luasnya berbeda. Luas penampang, B dan C masing-masing 00 cm, 50 cm dan 00 cm. Jika kelajuan aliran zat cair di sebesar 5 m/s, itungla : a. kelajuan aliran di B dan C b. volume air yang mengalir di, B dan C tiap menit 3. Sebua pipa yang luas penampangnya = 8 cm dan = 0 m dialiri air dengan debit liter/sekon. Tentukan besarnya laju aliran air pada penampang dan tersebut? 4. Seorang petugas pompa bensin mengisi tangki baan baker sebua kendaraan sebanyak 50 liter dalam waktu,5 menit. Jika dimeter ujung pipa 4 cm, berapa kelajuan bensin keluar dari pipa? 5. Sebua pipa luasnya 6 cm, ujungnya mempunyai kran luasnya cm. Jika laju aliran air pada pipa 0, m/s, berapa volume air yang keluar selama 0 menit? Saluran air pada sebu ruma ada yang beruba dari pipa besar ke pipa kecil. Bila laju air pada pipa yang besar 0 m/s dan luas penampang pipa yang besar 0-4 m, itungla laju air pada pipa yang kecil berpenampang 0-5 m?. Penyelesaian :

3 SM IP Kelas C. PERSMN BERNOULLI. paka persamaan kontinuitas tetap berlaku bila diameter pipa beruba secara signifikan dan ketinggian pipa dari bidang mendatar juga beruba? Pertanyaan tersebut terjawab dengan mempelajari analisis yang dilakukan ole Bernoulli. Pada zat cair yang tidak bergerak, tekanan zat cair pada kedalaman (ketinggian) yang sama adala tetap (sama). Tetapi pada fluida bergerak, tekanan pada ketinggian yang sama akan berbeda. mana? Jawabnya tentu muda kalau ada kebocoran. Ole karenanya energi kinetik fluida pada bagian yang renda arus mampu melakukan usaa agar fluida dapat naik. Kerja yang dilakukan fluida dari ketinggian naik ke ketinggian adala : W = (p.. l - p.. l ) m.g.( - ) Bila. l = V = m, maka : W = (p p m ). - m.g.( ) Menurut persamaan kontinuitas, kelajuan aliran fluida di pipa B akan lebi besar dibanding laju aliran di. Namun ketinggian air naik pada pipa B lebi renda dibanding di. Ini membuktikan bawa tekanan pada pipa B lebi renda dibanding pada pipa. Dari percobaan tersebut, Bernoulli menyimpulkan (azas Bernoulli) bawa : Fluida yang mengalir pada pipa orizontal, tekanan yang lebi besar terdapat pada bagian pipa yang kelajuannya kecil, sebaliknya tekanan yang lebi kecil terdapat pada pipa yang kelajuannya besar. Bagaimana jika fluida mengalir pada pipa yang tidak orizontal? B Usaa agar fluida naik dari ke = perubaan E k fluida tersebut, yaitu : W Ek mv mv m ( ) mg ( ) mv mv ( ) ( ) g v v ( ) ( ) g v v tau yang dinamakan Persamaan Bernoulli. Keterangan : p = tekanan (N/m ) ρ = massa jenis fluida (Kg/m 3 ) v = laju fluida (m/s ) g = grafitasi (m/s ) = ketinggian pipa dari bidang mendatar (m) Jumla fluida yang melewati penampang pada bagian pipa yang besar dengan ketinggian tentu akan tetap sama dengan jumla fluida yang melewati penampang pada bagian pipa yang kecil dengan ketinggian. Bila tidak, tentu sebagian fluida lewat PENERPN PERSMN BERNOULLI. Persamaan Bernoulli untuk Fluida Diam Persamaan Bernoulli tetap berlaku walaupun fluida tidak mengalir ( v = 0), karena dimensi tekanannya tetap ada yang disebut dengan tekanan statik. Bila mana fluidanya bergerak ( v 0 ) suku ½ ρ.v dinamakan tekanan dinamik. 3

4 SM IP KELS seingga Karena fluida diam, maka v = v = 0, seingga persamaan Bernoulli menjadi : atau B v = kecepatan air keluar dari lubang bocor = tinggi permukaan air (m) = tinggi lubang bocor (m) Waktu yang digunakan untuk jatu dari sampai di tana adala : = v o.t + ½.g.t (v o = 0) atau :. Persamaan Bernoulli untuk Tangki Bocor Jadi jarak jatu air dari kaki tabung adala :. S = v.t =. g.( ) x g S =. B S = jarak jatui air (m) 3. Persamaan Bernoulli untuk Fluida mengalir pada pipa orizontal Pada permukaan air (titik ) kecepatan air turun relatif kecil, seingga laju turunnya permukaan air dianggap nol. Tekanan di titik dan B sama (p = p ) karena tekanan udara luar. v adala laju keluarnya air dari lubang bocor. Dengan menerapkan persamaan Bernoulli seperti berikut ini, akan diperole : p + ½ ρ.v + ρ.g. = p + ½ ρ.v + ρ.g. S ρ.g. = ½ ρ.v + ρ.g. Karena tidak ada perbedaan ketinggian, maka =, seingga persamaan Bernoulli menjadi : atau g. = ½ v + g. g. - g. = ½ v p dan p = tekanan pada pipa dan = massa jenis fluida (kg/m 3 ) 4

5 SM IP Kelas v = kecepatan fluida pada pipa v = kecepatan fluida pada pipa (w). Jika pesawat akan melayang dengan ketinggian tetap, F a = w. PENERPN HUKUM BERNOULLI. Gaya angkat pesawat terbang. Venturimeter Venturimeter berfungsi untuk mengukur kelajuan aliran zat cair. Venturimeter ada dua jenis, yaitu : a. Venturimeter tanpa manometer H Pesawat terbang dapt terangkat ke udara karena kelajuan udara yang melalui sayap bagian atas lebi besar dari bagian bawa, seingga tekanan udara bagian bawa lebi besar dibanding bagian atas. Karena v > v maka p < p seingga p mampu mengangkat sayap pesawat terbang, sedangkan agar v > v maka mesin pesawat arus mampu berkecepatan ratusan Km/jam. Perbedaan tekanan inila yang menimbulkan gaya angkat pesawat F a. F F F ( ) a Untuk pesawat yang terbang mendatar, maka =, seingga persamaan bernoulli menjadi : atau v v Persamaan-persamaan yang berlaku pada pipa venturimeter adala : Persamaan Bernoulli p p ( v v Persamaan kontinuitas v v Persamaan idrosatatis P P g Dari ketiga persamaan tersebut diperole kecepatan aliran fluida yang mengalir pada pipa ventrimeter adala : ) p p ( v v ) dan Jadi besarnya gaya angkat pesawat adala : F a = gaya angkat pesawat terbang (N) = massa jenis udara (kg/m 3 ) v = laju udara bagian atas sayap (m/s) v = laju udara bagian bawa sayap (m/s) = luas penampang sayap pesawat (m ) gar pesawat dapat terangkay maka gaya angkat pesawat (F a) arus lebi besar dari berat pesawat v = laju aliran fluida pada pipa v = laju aliran fluida pada pipa = beda tinggi fluida kedua tabung (m) g = percepatan gravitasi (m/s ). = luas penampang pipa besar (m ) 5

6 SM IP KELS = luas penampang pipa kecil b. Venturimeter dengan manometer 3. Pipa Pitot Pipa pitot digunakan untuk mengukur laju aliran gas. Pipa pitot dilengkapi dengan manometer raksa. v Manometer diisi dengan air raksa yang massa jenisnya, dan beda tinggi air raksa pada kedua pipa manometer =. Persamaan yang berlaku pada venturimeter dengan manometer adala: Persamaan Bernoulli p p ( v v Persamaan kontinuitas v v Persamaan idrosatatis p p ( ) g Dengan : = massa jenis fluida (kg/m 3 ), = massa jenis raksa dalam manometer ) Laju aliran gas di titik sama dengan nol. Udara yang mengalir dengan kelajuan v dan massa jenisnya ρ sebagian kecil masuk ke pipa dan berenti di titik karena tertaan ole tekanan fluida dengan ρ di dalam pipa uruf U yang buntu. kibatnya terdapat selisi ketinggian fluida dalam pipa U sebesar. Persamaan yang berlaku pada pipa pitot adala : Persamaan Bernoulli p p. v Persamaan idrosatatis p p ( ) g Dari kedua persamaan tersebut diperole kecepatan aliran fluida yang mengalir pada pipa ventrimeter adala :, Dari ketiga persamaan tersebut diperole kecepatan aliran fluida yang mengalir pada pipa ventrimeter adala : 4. Tenaga dorong roket dan 6

7 SM IP Kelas Fluida (baan bakar) dengan keadaan, p, dan ρ. Luas penampang jau lebi besar dibanding dengan. kibatnya v sangat besar yang berarti pula p 0 sangat kecil, seingga mampu mendorong badan roket ke atas. Kelajuan dan daya dorong fluida menyembur keluar adala : Diketaui : = 00 cm = 0,0 m = cm = 0,000 m l = 0 gr/cm 3 = kg/m 3 = gr/cm 3 = 000 kg/m 3 dan 5. lat penyemprot Obat Nyamuk/parfum = 0 cm = 0, m v l.( ). g.. atau C B l v ( ) g. ( ) ( )0.0, v 0, (0,0 0,000 ) Karena udara yang didorong piston, maka saat melalui lubang kecil diujung pipa, laju udara sangat tinggi, akibatnya tekanan udara diatas lubang tangki fluida () yaitu dibagian C sangat renda, yang menjadikan fluida terisap ke atas dari dalam tangki. Selanjutnya fluida yang suda dibagian C terdorong ole aliran udara yang cepat dan terjadila penyemprotan 6. lat penyemprot Obat Nyamuk/parfum Hampir sama dengan alat penyemprot, karburator motor bensin juga dapat dijelaskan dengan prinsip Bernoulli. Bedanya udara tidak didorong melainkan diisap diatas lubang main jet (sprayer) ole ruang bakar, seingga bensin naik dari tandon karburator untuk selanjutnya bercampur dengan udara kemudian masuk ke ruang bakar. Pipa Venturi dengan karakteristik luas penampang pipa yang besar 00 cm dan penampang pipa yang kecil cm, menggunakan fluida bermassa jenis 0 gram/cm 3 di dalam pipa U. Setela udara yang dengan massa jenis gram/cm 3 melewati pipa venturi ternyata selisi ketinggian fluida dalam pipa U sebesar 0 cm. Bila percepatan grafitasi 0 m/s, tentukan laju udara yang terukur!. Penyelesaian : (9.000) v = 0,000 v 0, (0,0 0,000 ) v 0, = 0,000 x 34, = 0,034 m/s. ir mengalir pada pipa orizontal yang luas penampangnya 40 cm dengan kelajuan 3 m/s menuju pipa yang luas penampangnya 5 cm. Jika tekanan pada pipa besar adala Pa, tentukan tekanan pada pipa kecil?. Sebua tangki berisi air setinggi 50 cm. Pada bagian samping tangi terdapat lubang bocor pada jarak 5 cm dari dasar tangki. Hitungla : a. kecepatan air keluar dari lubang bocor b. jarak jatu air di tana 3. Fluida mamancur melalui dua lubang bocor pada sebua tabung yang berisi air setinggi 8 cm. Lubang bocor berada cm dari dasar tabung, dan lubang B berada 6 cm dari dasar tabung. Tentukan perbandingan jarak jatu air dari lubang dan B! 4. Sebua pesawat terbang luas penampang sayapnya 40 cm. Kelajuan udara di bawa 7

8 SM IP KELS pesawat 60 m/s dan sisi atas 80 m/s. Jika pesawat terbang orizontal dengan kelajuan konstan dan massa jenis udara, kg/m 3, itungla: a. Gaya angkat pesawat b. Berat pesawat 5. ir mengalir pada sebua venturimeter tanpa manometer. Jika luas penampang besar dan kecil venturi adala 5 cm dan 4 cm, itungla kecepatan air yang masuk pipa venturimeter! 6. Venturimeter dilengkapi dengan manometer raksa ( raksa = 3,6 g/cm 3 ) mempunyai diamter utama 4,5 cm dan diamter pipa sempit,5 cm. Jika beda tekanan pada kedua pipa tersebut, Pa, tentukan : a. kelajuan air pada pipa kecil b. beda tinggi raksa pada kaki manometer 7. Sebua pipa pitot digunakan untuk mengukur laju udara pada sebua terowongan. Pipa pitot dilengkapi manometer alkool ( alkool = 800 kg/m 3 ). Jika perbedaan tinggi alkool pada manometer 8 cm, tentukan kelajuan udara? 8

9 SM IP Kelas PILIHN GND. Dimensi dari debit aliran adala a. LT b. LT - c. L T d. L T - e. L 3 T -. ir mengalir melalui pipa mendatar dengan luas penampang yang beruba dari 00 mm ke penampang 00 mm. Jika laju aliran pada penampang yang besar 4 m/s, maka laju aliran pada penampang yang kecil adala.m/s. a. 0,5 b. c. d. 4 e ir mengalir pada suatu pipa yang diameter penampangnya berbeda dengan perbandingan : 3. Jika laju aliran pada pipa yang kecil 36 m/s, maka laju aliran pada pipa yang besar adala.m/s. a. b. 3 c. 4 d. 5 e Sebua pipa besar luas penampangnya 6 cm. Ujungnya dipasang kran dengan luas penampang cm. Laju aliran pada pipa yang besar 3 m/s, maka volume air yang keluar dari kran selama 0 menit adala.m 3. a.,08 b. 0,8 c. 08 d. 080 e Sebua tangki air diletakkan di tana. Tinggi permukaan air dalam tangki m. Pada ketinggian 0, m dari tana terdapat lubang kecil seingga air keluar melalui lubang tersebut. Jika g = 0 m/s, maka laju air yang keluar dari lubang adala.m/s. a. b. 4 c. 6 d. 8 e Sebua tangki berisi air diletakkan di tana. Tinggi permukaan air m. Jika pada ketinggian 0,4 m dari tana terdapat lubang seingga air keluar. Jarak mendatar diitung dari sisi tangki yang dapat dicapai air saat jatu ke tana adala.m. a., b.,6 c.,8 d., e.,4 7. Peratikan penanpang sayap pesawat p dan v p dan v gar sayap pesawat dapat terangkat maka.. a. p = p dan v = v b. p > p dan v < v c. p > p dan v > v d. p < p dan v > v e. p < p dan v < v 8. Sebua pesawat luas permukaan sayapnya 50 m. Pesawat tersebut bergerak seingga laju udara di atas sayap 00 m/s dan laju udara di bawa sayap 80 m/s. Jika massa jenis udara,3 Kg/m 3, maka Gaya angkat pada saya pesawat sebesar.newton. a.,7 x 0 b.,7 x 0 3 c.,7 x 0 4 d.,7 x 0 5 e.,7 x Seorang petugas pompa bensin mengisi tangki baan bakar sebua kendaraan sebanyak 75 liter dalam waktu,5 menit. Debit aliran bensin yang keluar dari ujung selang pompa dala. m 3 /s. a. 3 x 0-4 b. 4x 0-4 c. 5 x 0-4 d. 6 x 0-4 e. 7 x Sebua pipa air berdiameter besar disambung dengan pipa berdiameter kecil. Bila kelajuan air pada pipa yang besar 4 m/s dan diameter pipa yang besar 3 kali diameter pipa yang kecil, maka kelajuan air pada pipa yang kecil.m/s. a. b. 4 9

10 SM IP KELS c. 36 d. 48 e. 60. Bila debit aliran pada pipa,8 liter per sekon dan luas penampang pipa 3 cm, maka laju aliran pada pipa adala. m/s. a. 4 b. 5 c. 6 d. 7 e. 8. ir mengalir sepanjang pipa orizontal yang luas penampangnya 40 cm dengan kelajuan 3 m/s menuju pipa dengan luas penampang 5 cm. Jika tekanan pada pipa besar Pa, maka tekanan pada pipa kecil adala... kpa a. 55, b. 5,5 c. 5,5 d. 5, e.,5 3. Sebua tandon air diletakkan 80 cm dari tana. Tandon air diisi dengan air setinggi 90 cm dan terdapat lubang bocor pada 0 cm di atas dasar tandon. Kecepatan air keluar dari lubang bocor adala m/s a. b. 4 c. 6 d. 8 e Sebua tangki berisi air setinggi 50 cm dan terdapt lubang bocor pada 5 cm dari dasar tangki. Jarak jatu air dari kaki tangki adala... m a. 0,5 b. 5 c. 0,5 5 d. 5 5 e Tangki berisi air setinggi 8 m. Pada ketinggian 6 m dan m dari dasar tangki terdapat lubang bocor, seingga air memancur melalui kedua lubang. Perbandingan lokasi pancuran air mengenai tana untuk kedua lubang adala... a. 3: b. :3 c. : d. : e. : 6. Sebua model pesawat terbang dengan luas sayap m dan menimbulkan gaya angkat sebesar F. Jika luas sayap dijadikan 4 kalinya, dengan kecepatan yang sama, maka besarnya gaya angkat pesawat menjadi... a. /4F b. F c. 4F d. 8F e. 6F 7. Sebua venturimeter memiliki luas penampang besar dan kecilnya masing-masing 8 cm dan 6 cm. Jika perbedaan tinggi pada kedua tabung 0 cm, maka laju arus air pada penampang besar adala... m/s a. ½ b. c. d. 3 e Udara yang bermassa jenis,9 kg/m 3 dialirkan melalui pipa pitot yang manometernya berisi air raksa bermassa jenis 3,6 gr/cm 3. Perbedaan ketinggian air raksa pada manometer 3 cm, kecepatan aliran udara tersebut adala... cm/s a. 7873,4 b. 7853,4 c. 7833,4 d. 783,4 e. 7803,4 9. Sebua tangki air terbuka memiliki kedalaman 0,8 m. Sebua lubang dengan luas penampang 5 cm dibuat di dasar tangki. Massa air per menit yang mula-mula akan keluar dari lubang itu adala... liter a. 0 b. 40 c. 60 d. 60 e. 00 0

11 SM IP Kelas 0. Peratikan gambar B a. 0 b. 80 c. 8 3 d. 8 e m Jika air jatu pada jarak 80 3 m dari kaki tangki, maka ketinggian air dalam tangki adala... m