Afdal Jurusan Fisika Unand Fisika Dasar I 1

Afdal, Jurusan Fisika Unand Fisika Dasar I 1

Sejauh ini kita hanya mempelajari benda padat seperti balok, tongkat, bola, dll. Benda padat mempunyai bentuk yang tetap. Bahan/zat/materi terdiri atas tiga wujud/fasa yaitu padat, cair dan gas. Perbedaan antara ketiga fasa adalah gaya dan jarak antar atom. Jarak antar atom lebih besar Padat. Cair Gas Gaya antar atom lebih kuat Afdal, Jurusan Fisika Unand Fisika Dasar I 2

Pada bab ini akan dipelari mekanika dari bahan yang bentuknya tidak tetap seperti air dan udara. Bahan yang mempunyai sifat seperti ini disebut fluida. FLUIDA? contoh: zat cair, zat gas, pasir, lumpur. Beberapa sifat fluida • Fluida tak dapat menahan beratnya sendiri. • Fluida harus mempunyai wadah. • Bentuk tidak tetap (begantung wadah). Afdal, Jurusan Fisika Unand Fisika Dasar I 3

Beberapa Fenomena dan Aplikasi Fluida & Tekanan Bagaimana kapal selam dapat turun dan naik pada air laut? Balok dapat naik di udara Bagaimana pompa dapat menaikkan air atau menyedot minyak dari dalam tanah? Afdal, Jurusan Fisika Unand Fisika Dasar I 4

Afdal, Jurusan Fisika Unand Fisika Dasar I 5

Fluida Statis Fluida Dinamis Afdal, Jurusan Fisika Unand Fisika Dasar I 6

Statika Fluida • Statika fluida mempelajari masalah yang berhubungan dengan fluida yang berada dalam keadaan diam (statis). • Dalam statika fluida, tidak ada gerak relatif antara lapisan fluida bersebelahan. • Aplikasi: Benda yang terapung atau tenggelam, air bendungan dan jembatan, tempat penyimpanan zat cair, dll. Afdal, Jurusan Fisika Unand Fisika Dasar I 7

Karakteristik fluida Suatu fluida dapat dibedakan dengan fluida yang lain melalui beberapa besaran yang menunjukkan sifat atau karakteristik dari fluida tersebut. Massa Jenis atau density (r) adalah mass per satuan volume. Berat Jenis atau specific gravity (g ) adalah berat per satuan volume. Gravitasi Khusus atau Specific Gravity (SG) adalah perbandingan massa jenis fluida terhadap massa jenis air. Afdal, Jurusan Fisika Unand Fisika Dasar I 8

Tekanan atau Pressure (P) adalah gaya per satuan luas. Viskositas atau Viscosity (μ) adalah deformasi fluida bila diberi tegangan geser atau kekentalan fluida. Tegangan permukaan atau Surface tension adalah gaya antara dua cairan atau antara gas dan cairan. Massa jenis beberapa bahan Bahan lead Massa Jenis [ kg / m 3 ] 11. 000 air 1. 000 udara aluminum 1, 25 2. 700 Afdal, Jurusan Fisika Unand Fisika Dasar I 9

Tekanan (Pressure, P) Jejak siapa yang lebih dalam, beruang atau gajah? Kenapa? Kedalaman ~ Berat Benda Afdal, Jurusan Fisika Unand Fisika Dasar I 10

Bagaimana kalau orang dengan berat yang sama memakai sepatu dengan luas alas yang berbeda? Jejak mana yang lebih dalam? Jejak sepatu hak tinggi lebih dalam karena ujungnya lancip (luasnya kecil). Kedalaman berbanding terbalik dengan luas alas. Pisau dan benda tajam lainnya dibuat dengan luas permukaan sekecil mungkin, agar memberikan tekanan yang besar untuk gaya yang kecil. Afdal, Jurusan Fisika Unand Fisika Dasar I 11

Tekanan (Pressure --> P) Tekanan didefenisikan sebagai gaya yang bekerja pada suatu permukaan dibagi dengan luas permukaan tersebut. Afdal, Jurusan Fisika Unand Fisika Dasar I 12

Satuan Tekanan F= A= P= gaya (Newton) luas permukaan (m 2) tekanan ( N/m 2 ) 1 N/m 2 = 1 Pascal atau 1 Pa = 1 N/m 2 1 atm = 1, 013 x 105 Pa 1 atm = 1, 013 bar 1 atm = 76 cm. Hg (Tekanan air raksa setinggi 76 cm) Psi = pounds per square inch (psi) 1 atm = 760 Torr (mm Hg) Afdal, Jurusan Fisika Unand Fisika Dasar I 13

Contoh: Tekanan Schmedrick menggunakan bukunya dengan berat 6 N untuk megajarkan adiknya tentang densitas dan tekanan. Dia meletakkan buku tersebut di atas meja dan menghitung tekanan pada meja, yang bergantung pada arah buku. Massa jenis buku adalah 6 N / (9 cm x 14 cm x 3 cm) = 0, 0159 N / cm 3. T O F U 9 cm Tofu Cookbook 3 cm 14 cm F Tofu Cookbook P = 6 N / (9 cm x 14 cm ) = 0, 0476 N / cm 2 T O P = 6 N / (9 cm x 3 cm ) = 0, 222 N / cm 2 U P = 6 N / (3 cm x 14 cm ) = 0, 143 N / cm 2 Tekanan yang diberikan buku pada meja akan berbeda bila permukaan buku yang menekan meja berbeda. Afdal, Jurusan Fisika Unand Fisika Dasar I 14

Tekanan dalam Fluida Tekanan Atmosfir Tidak seperti tekanan buku pada meja, fluida akan memberikan tekanan pada semua arah. Pada semua titik pada permukaan benda yang tercelup dalam fluida, gaya yang diberikan oleh fluida akan tegak lurus permukaan benda. Gaya oleh fluida pada dinding wadah juga tegak lurus pada semua titik. Afdal, Jurusan Fisika Unand Tekanan atmosfir adalah berat kolom udara di atas suatu satuan luas. Tekanan atmosfir yang dirasakan oleh seseorang adalah berat kolom udara di atas badannya, dibagi dengan luas yang didiami udara. Fisika Dasar I 15

Tekanan absolut, alat, dan vakum • Tekanan sebenarnya pada suatu titik disebut tekanan absolut (absolute pressure, Pabs). • Kebanyakan alat ukur tekanan dikalibrasi sehingga bacaannya nol di atmosfir, sehingga menunjukkan tekanan alat (gauge pressure), Pgauge=Pabs - Patm. • Tekanan di bawah tekanan atmosfir disebut tekanan vakum (vacuum pressure), Pvac=Patm - Pabs. Afdal, Jurusan Fisika Unand Fisika Dasar I 16

Variasi Tekanan Terhadap Kedalaman Dalam Fluida • Tekanan yang dirasakan penyelam makin besar bila menyelam makin dalam. • Kapal selam hanya dapat mencapai kedalaman 1000 ft Dalam daerah dengan medan gravitasi, tekanan naik dengan kedalaman karena lebih banyak fluida diam pada tempat yang lebih dalam. Fisika Dasar I Afdal, Jurusan Fisika Unand 17

Kenapa P naik bila tambah dalam? Lapisan fluida harus menyokong semua fluida di atasnya Afdal, Jurusan Fisika Unand Balok pada bagian bawah menyokokong semua balok di atasnya Fisika Dasar I 18

• Sejumlah fluida diam dalam wadah. • Semua bagian dalam kesetimbangan statis. • Semua titik pada kedalaman yang sama mempunyai tekanan yang sama. • Perhatikan bagian berbentuk persegi yang berada dalam kesetimbangan, sehingga gaya total padanya adalah nol. Afdal, Jurusan Fisika Unand Fisika Dasar I 19

Tekanan di dalam fluida hanya bergantung pada: tekanan dipermukaan (Po), jenis fluida (ρ) dan kedalaman dari permukaan (h). Afdal, Jurusan Fisika Unand Fisika Dasar I 20

• Tekanan pada fluida statis tidak bergantung pada bentuk wadah. • Di dalam fluida yang sama, tekanan adalah sama pada titik yang kedalamannya sama. Lihat Demo Afdal, Jurusan Fisika Unand Fisika Dasar I 21

Suatu wadah diisi dengan tiga jenis fluida. Berapa tekanan di titik 1? Afdal, Jurusan Fisika Unand Fisika Dasar I 22

Contoh: 50 cm Suatu tabung U mula-mula berisi air dengan rapat massa 1 gr / cm 3 setinggi 50 cm. Kemudian dari sebelah kirinya dimasukkan minyak dengan rapat massa 0, 8 gr / cm 3 , sehingga permukaan kiri turun 10 cm. Berapakah tinggi minyak (h) yang dituangkan tersebut ? d A B Tinggi air pada bagian kiri turun 10 cm, maka pada sisi kanan ketinggian air naik juga 10 cm karena luas tabung di kedua sisi sama. Jadi beda ketinggian air antara sisi kanan dan kiri adalah 20 cm (d). Afdal, Jurusan Fisika Unand Fisika Dasar I 23

Latihan: Suatu pipa U dengan kedua ujung terbuka mempunyai luas penampang sama berisi merkuri. Kemudian air diisikan pada kedua sisi tabung. Jika keadaan setimbang adalah seperti Gambar, dengan h 2 = 1 cm, berapa h 1? Afdal, Jurusan Fisika Unand Fisika Dasar I 24

Alat Ukur Tekanan Manometer tabung terbuka Suatu tabung berbentuk U, satu ujung terbuka. Ujung yang lain dihubungkan dengan sistem yang tekanannya tidak diketahui. Tekanan pada sistem (P) dapat dianggap sama dengan tekanan di titik A. Untuk pengukuran yang lebih teliti, Afdal, Jurusan Fisika Unand Fisika Dasar I 25

Barometer ditemukan oleh Evangelista Torricelli (16081647). Barometer terdiri atas satu tabung panjang yang diisi dengan mercury (air-raksa) yang berhubungan dengan sebuah kontainer terbuka. Ujung tertutup tabung hampir vakum, jadi tekanannya dapat dianggap nol. Tekanan satu atmosfir (Po = 1 atm) didefenisikan sebagai tekanan yang menyebabkan kolom raksa di dalam tabung barometer naik setinggi 0, 760 m pada 0 o. C, dengan g = 9, 80695 m/s 2. Pada temperatur ini densitas raksa adalah 13, 595 x 103 kg/m 3, sehingga, Berapa ketinggian bila raksa diganti dengan air? Jurusan Fisika Unand Fisika Dasar I Afdal, 26

Prinsip Pascal Anggap anda memiliki sejumlah fluida incompressible, seperti air dalam kontainer. Setiap perubahan tekanan yang diberikan pada air akan diteruskan keseluruh bagian fluida dan dinding kontainer. Perubahan tekanan ini tidak dikurangi walaupun melewati volume yang besar. Prinsip Pascal. Contoh 1: Anda memencet satu tube pasta gigi. Tekanan pasta gigi begerak tidak hanya ke arah atas. Dia bergerak ke segala arah dalam jumlah yang sama. Afdal, Jurusan Fisika Unand Fisika Dasar I 27

Hydraulic Press Suatu gaya F 1 diberikan pada hydraulic press. Hal ini akan menaikkan tekanan keseluruhan minyak, mengangkat mobil– Prinsip Pascal. Hal ini tidak berlaku pada udara, karena udara kompresibel. Tekanan adalah sama pada keseluruhan minyak, F 1 A 1 F 2 A 2 = gaya pada pengisap 1 (N) = luas pengisap 1 (m 2) = gaya pada pengisap 2 (N) = luas pengisap 2 (m 2) Karena A 2 > A 1 maka gaya yang diberikan akan diperbesar dengan perbandingan luas. Maka keuntungan mekanis dari alat ini adalah A 2 / A 1. Afdal, Jurusan Fisika Unand Fisika Dasar I 28

Volume minyak yang didorong ke bawah pada sisi kiri sama dengan volume yang naik di sisi kanan, sehingga A 1 h 1 = A 2 h 2. Sehingga: F 2 = (A 2 / A 1) F 1 = (h 1 / h 2) F 1 F 2 h 2 = F 1 h 1 Ini menunjukkan bahwa kerja ouput sama dengan kerja input. h 2 h 1 A 2 F 1 Afdal, Jurusan Fisika Unand F 2 oil Fisika Dasar I 29

Hukum Pascal Hukum pascal menyatakan bahwa tekanan yang diberikan kepada fluida yang memenuhi ruangan tertutup akan diteruskan oleh fluida itu sama besarnya ke segala arah tanpa mengalami pengurangan. Afdal, Jurusan Fisika Unand Fisika Dasar I 30

Contoh: Suatu pipa U disi dengan raksa. Jika pipa kiri mempunyai luas penampang A 1 = 10 cm 2, dan pipa kanan mempunyai luas penampang A 2 = 5 cm 2. Bila 100 gr. air ditambahkan pada pipa kanan. (a) berapa tinggi air pada pipa kanan (b) bila massa jenis raksa 13, 6 gr/cm, berapa kenaikan raksa pada pipa kiri (h). Afdal, Jurusan Fisika Unand Fisika Dasar I 31

Benda di Dalam Fluida Kenapa benda yang beratnya di udara sama, di dalam air menjadi berbeda ? ? Kenapa ada benda yang terapung, melayang dan tenggelam di dalam fluida? Apa mekanisme yang mengatur semua ini? Afdal, Jurusan Fisika Unand Fisika Dasar I 32

Telah diketahui bahwa benda dengan densitas tinggi tenggelam di dalam fluida yang densitasnya lebih rendah. Batu tenggelam di dalam air, minyak mengapung di atas air. Lantai tetap dingin pada musim panas karena udara dingin lebih rapat daripada udara hangat. Sepotong baja tenggelam dalam air, tetapi aircraft carrier (The USS Eisenhower) mempunyai massa 95. 000 ton tetapi tetap mengapung. Jika anda menimbang berat di dalam air, skala akan menunjukkan angka yang lebih ringan. Semua fakta ini dapat dijelaskan dengan prinsip yang ditemukan oleh ilmuwan terbesar sepanjang massa --Ilmuwan Yunani, ahli matematika, insinyur -Archimedes. USS Eisenhower Afdal, Jurusan Fisika Unand Fisika Dasar I 33

Mengapung, Melayang dan Tenggelam Apakah suatu benda akan mengapung, melayang atau tenggelam di dalam fluida ditentukan oleh perbandingan nilai massa jenisnya ( ρ ) terhadap massa jenis fluida ( f ). Ada tiga skenario yang mungkin: Afdal, Jurusan Fisika Unand Fisika Dasar I 34

Kenapa kapal selam dapat terapung, melayang dan bahkan tenggelam? Afdal, Jurusan Fisika Unand Fisika Dasar I 35

Prinsip Archimedes Menurut Archimedes, suatu benda yang dicelupkan sebagian atau seluruhnya ke dalam fluida akan mengalami gaya ke atas yang besarnya sama dengan berat fluida yang dipindahkan oleh benda tersebut. Afdal, Jurusan Fisika Unand Fisika Dasar I 36

Gaya apung yang dialami suatu benda dapat dihitung sebagai perbedaan berat benda di udara dengan berat benda di dalam air. Berat air yang dipindahkan oleh benda (yang keluar) = 3 N Afdal, Jurusan Fisika Unand Fisika Dasar I 37

Benda dicelupkan ke dalam fluida dengan massa jenis f. . Besar gaya ke atas adalah Beratnya benda sama dengan Gaya total pada benda adalah Vo adalah volume benda M adalah massa benda o adalah massa jenis benda Afdal, Jurusan Fisika Unand Fisika Dasar I 38

Bila maka Benda akan bergerak ke bawah dan benda tenggelam. Benda akan bergerak ke atas dan benda terapung. Afdal, Jurusan Fisika Unand Fisika Dasar I 39

Benda Terapung Balok berada dalam kesetimbangan, sehingga gaya total padanya adalah nol. FB f VBT W Afdal, Jurusan Fisika Unand Fisika Dasar I 40

Bukti prinsip Archimides Afdal, Jurusan Fisika Unand Fisika Dasar I 41

Contoh: T W FB Suatu balok logam dengan massa 10 kg dengan ukuran 12 cm x 10 cm digantung pada timbangan pegas, kemudian di celupkan ke dalam air dengan bagian yang 12 cm pada arah vertikal dan 5 cm tebalnya berada di atas permukaan. (a) Gaya apa saja yang bekerja pada balok? (b) Berapa bacaan timbangan? (c) Berapa bacaan timbangan jika seluruh bagian balok tercelup. Bacaan timbangan = tegangan tali (c) Bila seluruh bagian balok tercelup: Afdal, Jurusan Fisika Unand Fisika Dasar I 42

The Golden Crown of Hiero II, King of Syracuse • Archimedes, 287 -212 B. C. • Hiero, 306 -215 B. C. • Hiero mempelajari rumor dimana goldsmith mengganti beberapa bagian emas pada mahkotanya dengan perak. Hiero meminta Archimedes menentukan apakah mahkota tersebut emas murni. • Archimedes harus melakukan metode uji tak-merusak (non-destructive testing method) Afdal, Jurusan Fisika Unand Fisika Dasar I 43

• Berat mahkota dan logam adalah sama (di udara): • Jika mahkota adalah emas murni, maka m = l yang berarti bahwa volumenya harus sama, Vm=Vl. • Di dalam air, gaya apung (buoyancy) adalah FB = air. V • Jika timbangan menjadi takseimbang, ini mengindikasikan Vm ≠ Vl, yang berarti m ≠ l Afdal, Jurusan Fisika Unand Fisika Dasar I 44

Latihan: Suatu pegas dengan tetapan k = 90 N/m diam dalam keadaan vertikal dengan salah satu ujung terikat pada lantai (Gambar a). Suatu balon dengan massa 2 gr. diisi dengan helium sampai volume 5 m 3 (massa jenis helium = 0, 18 kg/m 3) dan diikatkan pada pegas sehingga teregang seperti Gambar b. (a) Tentukan perpanjangan pegas (L) saat balon dalam kesetimbangan. {Massa jenis udara = 1, 2 kg/m 3} (b) Bila tiba-tiba balon terlepas dari pegas maka balon akan bergerak naik ke atas. Balon tersebut pecah setelah mencapai ketinggian 1, 5 km, berapa waktu yang dibutuhkan sejak balon terlepas sampai pecah? Afdal, Jurusan Fisika Unand Fisika Dasar I 45

Sepotong es diletakkan di atas air dalam gelas. Bila es mencair, maka permukaan air dalam gelas akan 1. Naik 2. Turun 3. Tetap Sama. Afdal, Jurusan Fisika Unand Fisika Dasar I 46