Latihan Soal Fisika Materi Fluida

LATIHAN SOAL FISIKA MATERI FLUIDA :Tekanan Hidrostatis ( Ph )

Tekanan yang terdapat pada zat cair yang diam yg berada dalam suatu wadah.

Ph = ρ.g.h

Keterangan

Ph = tekanan hidrostatis (N/m2)

ρ = massa jenis cairan (kg/m3)

g = percepatan gravitasi bumi (m/s2)

h = tinggi cairan (m)

Satuan tekanan di luar SI adalah:

Pascal (Pa), atm, cmHg, dan bar

Contoh Soal:

1. Berapakah tekanan hidrostatis di dasar kolam dengan kedalaman air 2 m (ρ air = 1000 kg/m3, g = 10 m/s2)

Penyelesaian

Diketahui :

h = 2 m

ρ air = 1000 kg/m3

g = 10 m/s2

Ditanya : Ph?

Dijawab : Ph = ρ.g.h

= 1000 x 10 x 2

= 20000 N/m2

Jadi tekanan hidrostatis di dasar kolam 20000 N/m2

2. Kapal selam berada pada kedalaman 50 m dibawah permukaan laut. Bila diketahui massa jenis air laut 1,03 x 103 kg/m3 dan tekanan udara di atas permukaan laut 105 Pa, berapa tekanan hidrostatis yang dialami kapal selam tsb. ( g = 10 m/s2)

Penyelesaian

Diketahui :

H = 50 m

ρ air laut = 1,03 x 103 kg/m3

Po = 105 Pa

g = 10 m/s2

Ditanya : Ph?

Dijawab : Ph = Po + ρ.g.h

= 105 + (1,03 x 103 x 10 x 50) = 105 + (51,5 x 104)

= 105 + (5,15 x 105)

= 6,15 x 105 Pa

Hukum Pascal

Dalam ruangan tertutup tekanan yang diberikan pada zat cair diteruskan ke segala arah sama besar.

Contoh penerapan hokum Pascal:

1. Dongkrak hidroulik

2. Rem hidroulik

Persamaan Hk. pascal

F1/A1 = F2/A2

Keterangan:

F1 = gaya yang diberikan (N)

F2 = gaya yang dihasilkan (N)

A1 = luas penampang (m2)

A2 = luas penampang (m2)

Contoh Soal:

3. Sebuah dongkrak hidroulik mempunyai dua penampang masing2 A1 = 10 cm2 dan A2 = 50 cm2. Jika pada penampang A1 diberi gaya F1 = 10 N, berapakah berat beban maksimum yang dapat diangkat oleh penampang A2?

Penyelesaian

Diketahui :

A1 = 10 cm2, A2 = 50 cm2

F1 = 10 N

Ditanya : F2 ?

Dijawab :F1/A1 = F2/A210/10 = F2 /50F2 = 50 N

Jadi berat beban maksimum yang dapat diangkat oleh penampang A2 adalah 50 N

Hukum Archimedes

Suatu benda yang terendam sebagian atau seluruhnya dalam zat cair (fluida) mendapat gaya ke atas yang besarnya sama dengan berat zat cair (fluida) yang dipindahkan.

Contoh penerapan hokum Archimedes:

1. sebuah kapal besi yang besar dapat terapung di laut.

2. Kita dapat merasakan bahwa saat mandi di kolam renang tubuh akan terasa lebih ringan.

3. Bagan ikan dilaut dapat terapung karena ditopang oleh pelampung di bawahnya.

4. Naiknya balon udara.Dll

Persamaan hk. Archimedes: FA = ρ.g.V

Keterangan :

FA = gaya keatas atau gaya Archimedes (N)

ρ = massa jenis zatcair atau fluida ( kg/m3)

g = percepatan gravitasi bumi (m/s2)

V = volume zat cair atau fluida yang dipindahkan (m3)

Contoh soal :

4. Sepotong tembaga volumenya 20 cm3 dan massa jenisnya 9 gr/cm3, dimasukkan ke dalam air yang massa jenisnya 1 gr/cm3. Berapakah berat tembaga di dalam air? ( g= 9,800 cm/s2)

Penyelesaian

Diketahui : V b = 20 cm3

ρ b = 9 gr/cm3

ρ a = 1 g/cm3

g = 9,800 cm/s2

ditanya : w ( berat tembaga dlm air)

dijawab : berat tembaga di udara

Wu = mb x g

Wu = ρb . g .Vb

Wu = 9 X 9800 X 20

Wu = 1764000 dyne

Gaya ke atas ( gaya Archimedes)

F = berat air yang dipindahkan

= ma x g

= ρa . g .Va (Va = Vb)

=1 x 9800 x 20

= 196000 dyne

Jadi berat tembaga di dalam air adalah:

Wa = Wu – F

= 1764000 dyne - 196000 dyne

= 1568000 dyne

Peristiwa-peristiwa berdasarkan ukum Archimedes:

1. Terapung

Jik benda sebagian atau seluruh bagiannya berada diatas permukaan cairan.

Gaya ke atas lebih besar daripada berat benda

FA > w

ρcairan . g .V cairan > ρbenda . g . Vbenda

karena : V cairan > V benda

maka :

ρ cairan > ρ benda

2. Melayang

Jika seluruh bagiannya berada dalam cairan.

Gaya ke atas sama dengan berat benda

FA = w

ρcairan . g .V cairan = ρbenda . g . Vbenda

ρ cairan = ρ benda

3. Tengggelam

Gaya ke atas lebih kecil daripada berat benda

FA <>

ρcairan . g .V cairan < ρbenda . g . Vbenda

ρ cairan < ρ benda

Tegangan Permukaan

Peristiwa-peristiwa yang menunjukkan adanya tegangan pada permukaan air:

1. saat meniup air sabun terjadi gelembung2 balon di udara.

2. Air yang menetes keluar dari keran terlihat terputus-putus dan membentuk bola2 air.

3. Jarum atau silet yang diletakkan perlahan diatas air tidak tenggelam.

4. Serangga dapat terapung di atas air.

Dll.

Peristiwa diatas dapat terjadi akibat permukaan zat cair seolah-olah berupa selaput tipis yang mampu menahan benda-benda ringan.

Pada zat cair terdapat gaya tarik-menarik antar partikel sejnis disebut kohesi. Gaya kohesi ini menimbulkan tegangan permukaan pada air.

Besar tegangan permukaan dirumuskan

Keterangan:

γ = tegangan permukaan (N/m)

F = gaya (N)

l = panjang lapisan (m)

1. Air mengalir melalui pipa mendatar dengan luas penampang pada masing-masing ujungnya 200mm2 dan 100mm2. Bila air mengalir dari panampang besar dengan kecepatan adalah 2 m/s, maka kecepatan air pada penampang kecil adalah ….PembahasanDiketahui:A1 = 200 mm2= 2.10-4m2

A2 = 100mm2= 10-4m2

v1= 2 m/sditanyakan v2 = …. ?jawab:

Q1 = Q2

A1v1 = A2V2

v2 = A1v1/A2 = 2.10-4.2/10-4 = 4m/s

2. Azas Bernoulli dalam fluida bergerak menyatakan hubungan antara ….jawab :Dalam fluida bergerak, hubungan antara tekanan, kecepatan, dan massa jenis dinyatakan oleh Azas Bernouli.

3.

Pada gambar tersebut, G adalah generator 1.000 W yang digerakan dengan kincir angin, generator hanya menerima energi sebesar 80% dari air. Bila generator dapat bekerja normal, maka debit air yang sampai kekincir air dalah ….

jawaban:Diketahui:Pg = 103wattρg = 80% ρair = 0,8 ρair

h = 10 mDitanya Q = …. ?Pg = η.ρ.V.g.h1000 = 0,8.103.V.10.10V = 12,5.103m3 = 12,5LQ = V/t = 12,5 L/s

4. Suatu fluida ideal mengalir di dlaam pipa yang diameternya 5 cm, maka kecepatan aliran fluida adalah …. jawaban:Pembahasan:Diketahui:d = 5 cm = 5.10-2 mr = 2,5 cm = 2,5.10-2 mv = 32 m/sDitanya: v = …?Jawab:Karena memiliki besar diameter yang sama, maka kecepatan aliran fluida besarnya sama, yaitu 32 m/s.

5. Sebuah selang karet menyemprotkan air vertikal ke atas sejauh 4,05 meter. Bila luas ujung selang adalah 0,8 cm2, maka volume air yang keluar dari selang selama 1 menit adalah … liter jawaban

Diketahui:h = 4,05 mA = 0,8cm2 = 8.10-5m2

t = 1menit = 60 sekonditanya: V = ….?JawabEp = m.g.h = ½ mv2

v = √2.g.h = √2.10.4,05 = 9 m/sQ = A.v = 8.10-3.9 = 7,2.10-4 m3/sV = Q.t = 7,2.10-4.60 = 432.10-4m3 = 43,2 L

6. Minyak mengalir melalui sebuah pipa bergaris tengah 8 cm dengan kecepatan rata-rata 3 m/s. Cepat aliran dalam pipa sebesar …. jawaban:Q = π.R2.v = 3,14.16.10-4.3 = 0,151 m3/s = 151 liter/s

7. Debit air yang keluar dari pipa yang luas penampangnya 4cm2 sebesar 100 cm3/s. Kecepatan air yang keluar dari pipa tersebut adalah …. jawaban: cv = Q/A = 100/4 = 25 cm/s = 0,25 m/s

8.Air mengalir kedalam sebuah bak dengan debit tetap 0,5 liter/s. Jika bak tersebut berukuran 1x1x1 m3, maka bak tersebut akan penuh dalam waktu … menit. 10. jawaban:DiketahuiQ = 0,5 liter/s = 5.10-4 m3/sV = 1m3

A = 1m2

Ditanyakan: t = …. ?Jawab:t = V/Q = 1/5.10-4 = 2000 s = 33,3 menituraian

1. v1 = √2gh = √2.10.8 = 12,65 m/sA = Q/v1 = 5.10-5 /12,65 = 3,95.10-6 m2

Q2 = A.v2 = 55,85.10-6 m3/s = 55,85 cm3/s

2. DiktetahuiWu = 95N; Wcair = 87 NDitanya Fa = …. ?Jawab:Fa = Wu – Wcair = (95-87) = 8 N

3. Alat-alat yang prinsip kerjanya berdasarkan hukum Bernoullia. pipa pitotb. pipa venturi

c. pesawat terbangd. karburator motor

4. Diketahui:A = 25 cm2 = 25.10-4 ; v = 10 m/sDitanya: Q = ….?PenyelesaianQ = A.v = 25.10-4.10= 0,025 m3/s

Fisikastudycenter.com- Contoh Soal dan Pembahasan tentang Fluida Dinamis, Materi Fisika kelas 2 SMA. Mencakup debit, persamaan kontinuitas, Hukum Bernoulli dan Toricelli dan gaya angkat pada sayap pesawat.

Rumus Minimal

DebitQ = V/tQ = AvKeterangan :Q = debit (m3/s)V = volume (m3)t = waktu (s)A = luas penampang (m2)v = kecepatan aliran (m/s)1 liter = 1 dm3 = 10−3 m3

Persamaan KontinuitasQ1 = Q2 A1v1 = A2v2

Persamaan BernoulliP + 1/2 ρv2 + ρgh = KonstantP1 + 1/2 ρv1

2 + ρgh1 = P2 + 1/2 ρv22 + ρgh2

Keterangan :P = tekanan (Pascal = Pa = N/m2)ρ = massa jenis cairan (kg/m3) g = percepatan gravitasi (m/s2)

Tangki Bocor Mendatar

v = √(2gh)X = 2√(hH)t = √(2H/g)

Keterangan :v = kecepatan keluar cairan dari lubangX = jarak mendatar jatuhnya cairanh = jarak permukaan cairan ke lubang bocorH = jarak tempat jatuh cairan (tanah) ke lubang bocort = waktu yang diperlukan cairan menyentuh tanah

Soal No. 1Ahmad mengisi ember yang memiliki kapasitas 20 liter dengan air dari sebuah kran seperti gambar berikut!

Jika luas penampang kran dengan diameter D2 adalah 2 cm2 dan kecepatan aliran air di kran adalah 10 m/s tentukan:a) Debit airb) Waktu yang diperlukan untuk mengisi ember

PembahasanData :A2 = 2 cm2 = 2 x 10−4 m2

v2 = 10 m/s

a) Debit airQ = A2v2 = (2 x 10−4)(10) Q = 2 x 10−3 m3/s

b) Waktu yang diperlukan untuk mengisi emberData :V = 20 liter = 20 x 10−3 m3

Q = 2 x 10−3 m3/s t = V / Q t = ( 20 x 10−3 m3)/(2 x 10−3 m3/s )t = 10 sekon

Soal No. 2Pipa saluran air bawah tanah memiliki bentuk seperti gambar berikut!

Jika luas penampang pipa besar adalah 5 m2 , luas penampang pipa kecil adalah 2 m2 dan kecepatan aliran air pada pipa besar adalah 15 m/s, tentukan kecepatan air saat mengalir pada pipa kecil!

PembahasanPersamaan kontinuitasA1v1 = A2v2 (5)(15) = (2) v2 v2 = 37,5 m/s

Soal No. 3Tangki air dengan lubang kebocoran diperlihatkan gambar berikut!

Jarak lubang ke tanah adalah 10 m dan jarak lubang ke permukaan air adalah 3,2 m. Tentukan:a) Kecepatan keluarnya air b) Jarak mendatar terjauh yang dicapai airc) Waktu yang diperlukan bocoran air untuk menyentuh tanah

Pembahasana) Kecepatan keluarnya air v = √(2gh) v = √(2 x 10 x 3,2) = 8 m/s

b) Jarak mendatar terjauh yang dicapai airX = 2√(hH) X = 2√(3,2 x 10) = 8√2 m

c) Waktu yang diperlukan bocoran air untuk menyentuh tanaht = √(2H/g)t = √(2(10)/(10)) = √2 sekon

Soal No. 4Untuk mengukur kecepatan aliran air pada sebuah pipa horizontal digunakan alat seperti diperlihatkan gambar berikut ini!

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 besarb) kecepatan air saat mengalir pada pipa kecil

PembahasanRumus kecepatan fluida memasuki pipa venturimetar pada soal di atasv1 = A2√ [(2gh) : (A1

2 − A22) ]

a) kecepatan air saat mengalir pada pipa besarv1 = A2√ [(2gh) : (A1

2 − A22) ]

v1 = (3) √ [ (2 x 10 x 0,2) : (52 − 32) ]v1 = 3 √ [ (4) : (16) ]v1 = 1,5 m/s

Tips :Satuan A biarkan dalam cm2 , g dan h harus dalam m/s2 dan m. v akan memiliki satuan m/s.

Bisa juga dengan format rumus berikut:

dimana a = luas penampang pipa kecilA = luas penampang pipa besar

b) kecepatan air saat mengalir pada pipa kecilA1v1 = A2v2 (3 / 2)(5) = (v2)(3)v2 = 2,5 m/s

Soal No. 5

Pada gambar di bawah air mengalir melewati pipa venturimeter.

Jika luas penampang A1 dan A2 masing-masing 5 cm2 dan 4 cm2 maka kecepatan air memasuki pipa venturimeter adalah....A. 3 m/sB. 4 m/sC. 5 m/sD. 9 m/sE. 25 m/s

PembahasanSeperti soal sebelumnya, silakan dicoba, jawabannya 4 m/s.

Soal No. 6Pipa untuk menyalurkan air menempel pada sebuah dinding rumah seperti terlihat pada gambar berikut! Perbandingan luas penampang pipa besar dan pipa kecil adalah 4 : 1.

Posisi pipa besar adalah 5 m diatas tanah dan pipa kecil 1 m diatas tanah. Kecepatan aliran air pada pipa besar adalah 36 km/jam dengan tekanan 9,1 x 105 Pa. Tentukan :a) Kecepatan air pada pipa kecilb) Selisih tekanan pada kedua pipa c) Tekanan pada pipa kecil(ρair = 1000 kg/m3)

PembahasanData :h1 = 5 mh2 = 1 mv1 = 36 km/jam = 10 m/s

P1 = 9,1 x 105 PaA1 : A2 = 4 : 1

a) Kecepatan air pada pipa kecilPersamaan Kontinuitas :A1v1 = A2v2 (4)(10) = (1) (v2)v2 = 40 m/s

b) Selisih tekanan pada kedua pipa Dari Persamaan Bernoulli :P1 + 1/2 ρv1

2 + ρgh1 = P2 + 1/2 ρv22 + ρgh2

P1 − P2 = 1/2 ρ(v22 − v1

2) + ρg(h2 − h1)P1 − P2 = 1/2(1000)(402 − 102) + (1000)(10)(1 − 5) P1 − P2 = (500)(1500) − 40000 = 750000 − 40000P1 − P2 = 710000 Pa = 7,1 x 105 Pa

c) Tekanan pada pipa kecilP1 − P2 = 7,1 x 105

9,1 x 105 − P2 = 7,1 x 105

P2 = 2,0 x 105 Pa

Soal No. 7Sebuah pipa dengan diameter 12 cm ujungnya menyempit dengan diameter 8 cm. Jika kecepatan aliran di bagian pipa berdiameter besar adalah 10 cm/s, maka kecepatan aliran di ujung yang kecil adalah....A. 22,5 cm/s B. 4,4 cm/s C. 2,25 cm/s D. 0,44 cm/s E. 0,225 cm/s (Soal UAN Fisika 2004)

PembahasanData soal:D1 = 12 cmD2 = 8 cmv1 = 10 cm/sv2 = ........

Rumus menentukan kecepatan diketahui diameter pipa

sehingga

Soal No. 8Perhatikan gambar!

Jika diameter penampang besar dua kali diameter penampang kecil, kecepatan aliran fluida pada pipa kecil adalah....A. 1 m.s−1

B. 4 m.s−1

C. 8 m.s−1

D. 16 m.s−1

E. 20 m.s−1

(UN Fisika SMA 2012 A86)

PembahasanPersamaan kontinuitasData soal:V1 = 4D1 = 2D2 = 1V2 =...?

Soal No. 9Sebuah pesawat dilengkapi dengan dua buah sayap masing-masing seluas 40 m2. Jika kelajuan aliran udara di atas sayap adalah 250 m/s dan kelajuan udara di bawah sayap adalah 200 m/s tentukan gaya angkat pada pesawat tersebut, anggap kerapatan udara adalah 1,2 kg/m3!

PembahasanGaya angkat pada sayap pesawat:

dimana:

A = luas total penampang sayapρ = massa jenis udaraνa = kelajuan aliran udara di atas sayapνb = kelajuan aliran udara di bawah sayapF = gaya angkat pada kedua sayap

Data soal:Luas total kedua sayap A = 2 x 40 = 80 m2

Kecepatan udara di atas dan di bawah sayap:νa = 250 m/sνb = 200 m/sMassa jenis udaraρ = 1,2 kg/m3

F =.....

Soal No. 10Gaya angkat yang terjadi pada sebuah pesawat diketahui sebesar 1100 kN.

Pesawat tersebut memiliki luas penampang sayap sebesar 80 m2. Jika kecepatan aliran udara di bawah sayap adalah 250 m/s dan massa jenis udara luar adalah 1,0 kg/m3 tentukan kecepatan aliran udara di bagian atas sayap pesawat!

PembahasanData soal:A = 80 m2

νb = 250 m/sρ = 1,0 kg/m3

F = 1100 kN = 1100 000 Nνa =......

Kecepatan aliran udara di atas sayap pesawat adalah 300 m/sSoal No. 11Sebuah bak penampung air diperlihatkan pada gambar berikut. Pada sisi kanan bak dibuat saluran air pada ketinggian 10 m dari atas tanah dengan sudut kemiringan α°.

Jika kecepatan gravitasi bumi 10 m/s2 tentukan:a) kecepatan keluarnya airb) waktu yang diperlukan untuk sampai ke tanahc) nilai cos αd) perkiraan jarak jatuh air pertama kali (d) saat saluran dibuka(Gunakan sin α = 5/8 dan √39 = 6,24)

Pembahasana) kecepatan keluarnya airKecepatan keluarnya air dari saluran:

b) waktu yang diperlukan untuk sampai ke tanahMeminjam rumus ketinggian dari gerak parabola, dari situ bisa diperoleh waktu yang diperlukan air saat menyentuh tanah, ketinggian jatuhnya air diukur dari lubang adalah − 10 m.

c) nilai cos αNilai sinus α telah diketahui, menentukan nilai cosinus α

d) perkiraan jarak jatuh air pertama kali (d) saat saluran dibukaJarak mendatar jatuhnya air

Soal No. 12Untuk mengukur kelajuan aliran minyak yang memiliki massa jenis 800 kg/m3 digunakan venturimeter yang dihubungkan dengan manometer ditunjukkan gambar berikut.

Luas penampang pipa besar adalah 5 cm2 sedangkan luas penampang pipa yang lebih kecil 3 cm2. Jika beda ketinggian Hg pada manometer adalah 20 cm, tentukan kelajuan minyak saat memasuki pipa, gunakan g = 10 m/s2 dan massa jenis Hg adalah 13600 kg/m3.

PembahasanRumus untuk venturimeter dengan manometer, di soal cairan pengisi manometer adalah air raksa / Hg:

denganv1 = kecepatan aliran fluida pada pipa besarA = luas pipa yang besara = luas pipa yang kecilh = beda tinggi Hg atau cairan lain pengisi manometerρ' = massa jenis Hg atau cairan lain pengisi manometerρ = massa jenis fluida yang hendak diukur kelajuannya

Data:A = 5 cm2

a = 3 cm2

h = 20 cm = 0,2 mg = 10 m/s2

diperoleh hasil: