Beranda › Learning Hub › Fisika SMA › F.4 Fluida
F.4

Fluida Statis dan Fluida Dinamis

Fase F · Kelas XI–XII

Fluida adalah zat yang dapat mengalir: zat cair dan gas. Mengapa kapal baja terapung, bagaimana dongkrak mengangkat mobil dengan tangan, dan mengapa atap dapat terangkat saat angin kencang — semuanya dijelaskan oleh beberapa hukum sederhana tentang tekanan dan aliran.

📋Capaian Pembelajaran

Fase F: membuat karya yang menunjukkan penerapan hukum fluida dalam kehidupan sehari-hari. Panduan mencakup kerapatan, tekanan, gaya apung, debit, dan perilaku fluida mengalir, dengan contoh pompa hidrolik, waterpass, kapal laut dan kapal selam, serta banjir akibat debit yang meningkat.

🎯Yang perlu kamu kuasai

  • Menghitung massa jenis, tekanan hidrostatis, dan tekanan mutlak.
  • Menerapkan Hukum Pascal pada dongkrak dan rem hidrolik.
  • Menerapkan Hukum Archimedes untuk benda terapung, melayang, dan tenggelam.
  • Menghitung debit dan menerapkan persamaan kontinuitas.
  • Menerapkan Hukum Bernoulli pada teorema Torricelli, venturimeter, dan gaya angkat sayap.

📚Materi

1. Massa jenis dan tekanan hidrostatis

Massa jenis \( \rho = m/V \) (air 1.000 kg/m³). Tekanan adalah gaya per luas, \( p = F/A \) (pascal, Pa). Di dalam zat cair diam, tekanan bertambah dengan kedalaman:

\[ p_h = \rho g h, \qquad p_{\text{mutlak}} = p_0 + \rho g h \]

Tekanan hidrostatis hanya bergantung pada kedalaman, bukan bentuk wadah: semua titik pada kedalaman sama di zat cair yang sama bertekanan sama (prinsip waterpass dan bejana berhubungan). Karena itu dinding bendungan dibuat makin tebal ke bawah.

Kiri: wadah air dengan tiga titik pada kedalaman 2, 4, dan 6 meter yang tekanan hidrostatisnya 20, 40, dan 60 kilopascal. Kanan: balok kayu terapung di air dengan gaya berat ke bawah dan gaya apung ke atas.
Kiri: tekanan naik 10 kPa setiap 1 m kedalaman air. Kanan: gaya apung pada benda di dalam fluida.

2. Hukum Pascal

Tekanan yang diberikan pada zat cair dalam ruang tertutup diteruskan sama besar ke segala arah:

\[ \frac{F_1}{A_1} = \frac{F_2}{A_2} \]

Dongkrak hidrolik “mengalikan” gaya sebesar \( A_2/A_1 \), tetapi pengisap kecil harus bergerak lebih jauh — energi tidak bertambah.

3. Hukum Archimedes

Benda yang tercelup sebagian atau seluruhnya mendapat gaya apung sebesar berat fluida yang dipindahkannya:

\[ F_A = \rho_f\, g\, V_{\text{tercelup}} \]
  • Terapung: \( \rho_b < \rho_f \); bagian tercelup \( V_{\text{tercelup}}/V = \rho_b/\rho_f \).
  • Melayang: \( \rho_b = \rho_f \).
  • Tenggelam: \( \rho_b > \rho_f \); berat semu di dalam fluida \( w' = w - F_A \).

Kapal baja terapung karena bentuknya berongga sehingga massa jenis rata-rata kapal (baja + udara) lebih kecil daripada air. Kapal selam mengatur kedalamannya dengan mengisi atau mengosongkan tangki pemberat.

4. Fluida dinamis: debit dan kontinuitas

Untuk fluida ideal (tak termampatkan, aliran tunak), debit \( Q = V/t = Av \) sama di setiap penampang:

\[ A_1 v_1 = A_2 v_2 \]
Pipa yang menyempit dari penampang besar A1 ke penampang kecil A2. Panah kecepatan v1 pendek di bagian besar dan v2 lebih panjang di bagian kecil.
Di bagian pipa yang sempit, air mengalir lebih cepat. Untuk pipa lingkaran, v sebanding dengan 1/d².

Menutup sebagian ujung selang membuat air menyembur lebih jauh: penampang mengecil, kecepatan membesar.

5. Hukum Bernoulli

\[ p + \tfrac12 \rho v^2 + \rho g h = \text{tetap} \]

Di tempat yang alirannya lebih cepat, tekanannya lebih kecil. Penerapan:

  • Teorema Torricelli: air keluar dari lubang sedalam \( h \) di bawah permukaan dengan kelajuan \( v = \sqrt{2gh} \).
  • Gaya angkat sayap: udara di atas sayap lebih cepat, tekanannya lebih kecil, sehingga ada selisih tekanan ke atas.
  • Atap terangkat saat angin kencang: udara cepat di atas atap bertekanan rendah, udara diam di dalam rumah bertekanan lebih tinggi.
  • Venturimeter mengukur kelajuan aliran dari beda tekanan antara pipa lebar dan pipa sempit.

Proyek: membuat karya

Capaian Pembelajaran meminta murid membuat karya. Contoh: model dongkrak hidrolik dari dua suntikan berbeda ukuran dan selang infus; perahu dari plastisin yang dirancang menampung muatan paling banyak; atau alat penyiram tanaman yang memakai prinsip kontinuitas. Ukur dan bandingkan hasilnya dengan perhitungan.

✏️Contoh soal

Balok kayu bermassa jenis 800 kg/m³ dan bervolume 0,05 m³ terapung di air. Berapa beban maksimum yang dapat diletakkan di atasnya tanpa membuat balok tenggelam seluruhnya? (g = 10 m/s²)

Saat balok tepat tercelup seluruhnya, gaya apung maksimum:

\[ F_A = 1.000 \times 10 \times 0{,}05 = 500\ \text{N} \]

Berat balok \( 800 \times 0{,}05 \times 10 = 400 \) N, sehingga beban maksimum \( 500 - 400 = 100 \) N (massa 10 kg).

Periksa. Tanpa beban, 80% volume balok tercelup (\( 800/1.000 \)). Masih ada “cadangan” 20% volume untuk menahan beban, yaitu \( 0{,}2 \times 500 = 100 \) N.
Jebakan. Memakai massa jenis kayu dalam rumus gaya apung. Gaya apung selalu memakai massa jenis fluida.

📝Latihan

Kerjakan di kertas, lalu buka jawabannya.

1. Penyelam berada 15 m di bawah permukaan laut (ρ = 1.030 kg/m³, p₀ = 101 kPa). Berapa tekanan mutlak yang dialaminya?
\( p = 101.000 + 1.030 \times 10 \times 15 \approx 101.000 + 154.500 = 255.500 \) Pa ≈ 256 kPa.
2. Dongkrak hidrolik memiliki pengisap 10 cm² dan 500 cm². Berapa gaya minimum untuk mengangkat mobil 1.500 kg?
\( F_1 = \dfrac{10}{500} \times 15.000 = 300 \) N.
3. Batu beratnya 30 N di udara dan 20 N di dalam air. Berapa volume dan massa jenis batu?
\( F_A = 10 \) N, sehingga \( V = 10/(1.000 \times 10) = 10^{-3} \) m³. Massa 3 kg, \( \rho = 3.000 \) kg/m³.
4. Air mengalir 2 m/s dalam selang berdiameter 4 cm yang ujungnya dipersempit menjadi 1 cm. Berapa kelajuan air keluar?
\( v_2 = v_1 (d_1/d_2)^2 = 2 \times 16 = 32 \) m/s.
5. Tangki air memiliki lubang 1,25 m di bawah permukaan air. Berapa kelajuan air yang keluar?
\( v = \sqrt{2gh} = \sqrt{25} = 5 \) m/s.
6. Jelaskan dengan Hukum Bernoulli mengapa dua kapal yang berlayar berdampingan terlalu dekat dapat saling mendekat.
Air di celah sempit di antara kedua kapal mengalir lebih cepat, sehingga tekanannya lebih kecil daripada tekanan air di sisi luar. Selisih tekanan mendorong kedua kapal saling mendekat.

🎯Latihan TKA untuk topik ini

Soal-soal berikut dari latihan TKA Fisika SMA menguji materi di halaman ini. Kerjakan langsung di halaman soal, lalu buka pembahasannya.

  • Paket 1 · Soal 12 PG — Menentukan ketinggian minimum kantong infus menggunakan konsep tekanan hidrostatis.
  • Paket 1 · Soal 13 PG — Menyelesaikan permasalahan kontekstual tentang daya angkut rakit menggunakan hukum Archimedes.
  • Paket 1 · Soal 14 PGK MCMA — Menjelaskan dan menganalisis terangkatnya atap rumah oleh angin kencang menggunakan hukum Bernoulli.
  • Paket 2 · Soal 12 PG — Menerapkan hukum Pascal untuk menentukan gaya pada pengisap kecil dongkrak hidrolik.
  • Paket 2 · Soal 13 PGK Kategori — Menganalisis bagian benda yang tercelup pada benda terapung menggunakan hukum Archimedes.
  • Paket 2 · Soal 14 PG — Menerapkan persamaan kontinuitas untuk menentukan kelajuan air keluar dari ujung selang yang dipersempit.