HUKUM BERNOULLI DAN PENERAPANYA  · Web viewSuatu zat cair dengan massa jenis ρ mengalir melalui...

of 30/30
FISIKA SMA KELAS XI / 2 HUKUM BERNOULLI DAN PENERAPANYA 1 fsi HANDOUT FISIKA KELAS XI/2 HUKUM BERNOULLI DAN PENERAPANNYA RIFKA OKTAVIANI 1305746
  • date post

    18-Jun-2018
  • Category

    Documents

  • view

    237
  • download

    1

Embed Size (px)

Transcript of HUKUM BERNOULLI DAN PENERAPANYA  · Web viewSuatu zat cair dengan massa jenis ρ mengalir melalui...

HUKUM BERNOULLI DAN PENERAPANYA

( HANDOUT FISIKA KELAS XI/2HUKUM BERNOULLI DAN PENERAPANNYA)

(RIFKA OKTAVIANI 1305746)

(IDENTITAS MATA PELAJARANSATUAN PENDIDIKAN : MA NEGERI 1 BUKITTNGGIKELAS / SEMESTER : XI / IIPROGRAM KEAHLIAN : IPAMATA PELAJARAN : FISIKAALOKASI WAKTU : 12 JP)

(PETUNJUK BELAJAR)

(PETUNJUK SISWAMulailah pembelajaran dengan membaca basmalah.Pelajarilah peta konsep secra seksama terlebih dahulu.Bacalah dan pahamilah handout yang diberikan dengan seksama.Bacalah tahukah anda dan info untuk menambah wawasan dan pengetahuan.Pahami dan diskusikanlah pertanyaan pertanyaan pada Kerjakanlah soal latihan yang diberikan dengan cermat dan teliti.Buatlah jawaban pertanyaan pertanyaan yang ada pada handout di buku tugasmu.PETUNJUK GURUBimbinglah siswa dalam menggunakan bahan ajar dalam proses pembelajaranBimbinglah siswa dalam mencari informasi lain dari berbagai sumber informasiMembimbing siswa dalam menjawab pertanyaan yang ada pada bahan ajar)

(KOMPETENSI YANG INGIN DICAPAI)

A. KOMPETENSI INTI

1. Menghayati dan mengamalkan ajaran agama yang dianutnya.

2. Menghayati dan mengamalkan perilaku jujur, disiplin, tanggungjawab, peduli (gotong royong, kerjasama, toleran, damai), santun, responsif dan pro-aktif dan menunjukkan sikap sebagai bagian dari solusi atas berbagai permasalahan dalam berinteraksi secara efektif dengan lingkungan sosial dan alam serta dalam menempatkan diri sebagai cerminan bangsa dalam pergaulan dunia.

3. Memahami, menerapkan, dan menganalisis pengetahuan faktual, konseptual, prosedural, dan metakognitif berdasarkan rasa ingin tahunya tentang ilmu pengetahuan, teknologi, seni, budaya, dan humaniora dengan wawasan kemanusiaan, kebangsaan, kenegaraan, dan peradaban terkait penyebab fenomena dan kejadian, serta menerapkan pengetahuan prosedural pada bidang kajian yang spesifik sesuai dengan bakat dan minatnya untuk memecahkan masalah.

4. Mengolah, menalar, dan menyaji dalam ranah konkret dan ranah abstrak terkait dengan pengembangan dari yang dipelajarinya di sekolah secara mandiri, bertindak secara efektif dan kreatif, serta mampu menggunakan metoda sesuai kaidah keilmuan

B. KOMPETENSI DASAR

1.1 Menyadari kebesaran Tuhan yang menciptakan dan mengatur alam jagad raya melalui pengamatan fenomena alam fisis dan pengukurannya

2.1 Menunjukkan perilaku ilmiah (memiliki rasa ingin tahu; objektif; jujur; teliti; cermat; tekun; hati-hati; bertanggung jawab; terbuka; kritis; kreatif; inovatif dan peduli lingkungan) dalam aktivitas sehari-hari sebagai wujud implementasi sikap dalam melakukan percobaan , melaporkan, dan berdiskusi

3.7 Menerapkan prinsip fluida dinamik dalam teknologi

4.7 Memodifikasi ide/gagasan proyek sederhana yang menerapkan prinsip dinamika fluida

PETA KONSEP

(FLUDA DINAMIK)

(PERSAMAAN KONTINUITAS) (HUKUM BERNOULLI)

(TEOREMA TORRICELLI)

(TANGKI BOCOR)

(VENTURIMETER)

(GAYA ANGKAT PESAWAT)

(KATA KUNCIfluida gaya angkat pesawatfluida dinamik penyemprot parfum obat nyamukhukum bernoulliteorema torricelliventurimeter)

Gambar 1. Pesawat terbang di udara

jika kendaraan yang bergerak di darat mengukur kecepatan dengan menggunakan speedometer , lalu bagaimanakah dengan pesawat terbang? Seperti kamu ketahui, speedometer bergerak berdasarkan perputaran roda yang menyentuh daratan. Nah bagaimana dengan pesawat yang melayang di udara? Ingin tahu apa yang menyebabkan pesawat dapat terbang di udara, bagaimana dengan kecepatannya?,, ayo pelajari pada bab ini.

HUKUM BERNOULLI DAN PENERANNYA

(Pada subbab ini anda harus mampu:)

1. Memformulasikan persamaan umum hukum bernoulli

2. Menerapakan hukum bernoulili dalam kehidupan sehari-hari.

(Ayo Cek kemampuan Prasyaratan)

Sebelum mempelajari materi subbab ini, kerjakan soal-soal ini dibuku latiahan Anda. Jika berhasil mengerjakannya dengan baik, Anda akan mudah untuk mempelajari materi berikutnya.

1. (a) Apa defenisi massa jenis, kecepatan dan tekanan dan apa satuannya dalam SI?

(b) Nyatakan 1 g/cm3 kedalam kg/m3

(c) Massa jenis merupakan sifat khas dari suatu zat. Jelaskan maksud pernyataan ini

2. Sebuah lempeng beton berukuran 1,0m x0,5m x0,1m memiliki massa 110kg. Berapakah massa jenis benda tersebut?

(Persamaan Umum Hukum Bernoulli)Dalam fluida dinamik Anda akan mempelajari hukum-hukum dasar yang antara lain akan dapat menjawab pertanyaan-pertanyaan berikut. Kenapa pesawat dapat terbang di udara? Jika kecepatan mobil yang sedang bergerak dapat diukur dengan speedometer bagaimanakah dengan kecepatan pesawat terbang? Bagaimana prinsip kerja alat penyemprot obat nyamuk atau parfum?....untuk menjawab pertanyaan pertanyaan tersebut ayo kita kita pelajari tentang hukum bernoulli pada flida dinamik!!!

HUKUM BERNOULLI DAN PENERAPANYA

Suatu fluida bergerak dari titik A yang ketinggiannya h 1 dari permukaan tanah ke titik B yang ketinggiannya h2 dari permukaan tanah. Pada pelajaran sebelumnya, Anda telah mempelajari Hukum Kekekalan Energi Mekanik pada suatu benda. Misalnya, pada benda yang

(FISIKA SMA KELAS XI / 2)

14

fsi

(FISIKA INSPIRATIF)jatuh dari ketinggian tertentu dan pada anak panah yang lepas dari busurnya. Hukum Kekekalan Energi Mekanik juga berlaku pada fluida yang bergerak, seperti pada Gambar 2 dibawah ini.

Gambar 2. Fluida bergerak dalam pipa yang ketinggian dan luas penampangnya yang berbeda. Fluida naik dari ketinggian h1 ke h2 dan kecepatannya berubah dari v1 ke v2.

(Daniel Bernoulli adalah seorang seorang matematikawan dan fisikawan Swiss. Daniel Bernoulli lahir pada 8 Februari 1700 di Groningen, Republik Belanda. Ia adalah anak dari Johann Bernoulli, seorang ahli matematika di kota Groningen. Kakaknya yang bernama Nicolaus (II) Bernoulli dan pamannya, Jacob Bernoulli juga merupakan ahli matematika.Salah satu pemikirannya yang penting dalam dunia fisika adalah persamaan Bernoulli pada tabung arus yang digunakan untuk pengukuran kecepatan aliran karena tekanan. Ia merupakan salah satu dari banyak matematikawan terkemuka dalam keluarga Bernoulli .) Gambar 3. Daniel bernoulli

Di ujung pipa satu, mengalir air dengan volume V, bila kerapatan air adalah maka massa pada volume tersebut adalah m = V. Energy potensial yang dimiliki massa adalah EP = mgh. Fluida tak termampatkan maka pada ujung yang lainnya keluar air dengan volume yang sama dan massa yang sama. Ujung kedua memiliki ketinggian yang berbeda dengan ujung pertama. Dengan demikian, tenaga potensialnya berbeda meskipun massanya sama. Jika massa m bergerak dari ujung 1 ke ujung 2 maka massa mengalami perubahan energi potensial sebesar:

EP = mgh2 mgh1 = pv (h2 h1).(1)

Perubahan energy kinetik massa:

EK = ( mv22 mv12) = p (v22 - v12) (2)

Saat fluida di ujung kiri fluida mendapat tekanan P1dari fluida di sebelah kirinya, gaya yang diberikan oleh fluida di sebelah kirinya adalah F1= P1A1. Kerja yang dilakukan oleh gaya ini adalah:

...(3)

Pada saat yang sama fluida di bagian kanan memberi tekanan kepada fluida ke arah kiri. Besarnya gaya karena tekanan ini adalah F2= -P2A2. Kerja yang dilakukan gaya ini.

...(4)

Kerja total yang dilakukan gaya di sebelah kiri dan sebelah kanan ini adalah:

...(5)

Besar usaha total ini sesuai dengan perubahan energi mekanik (Ep+ Ek) yang terjadi saat fluida berpindah dari bagian penampang A1 ke A2

WTOTAL = EP + EK ...(6)

Setelah disubstitusikan akan diperleh:

.(7)

kita bagi kedua ruas dengan V kita memperoleh:

. (8)

kita bisa mengubah persamaan tersebut menjadi:

..(9)

Sehingga hukum bernoulli dapat dinyatakan bahwa:

.

Persamaan matematisnya, dituliskan sebagai berikut.

p + v2 +gh =konstan ...(10)

atau

...(11)

dengan:

(Menemukan contohBerjalan-jalanlah ke pusat pertokoan, bengkel,rumah sakit,dan tempat-tempat lain. Perhatikan alat-alat teknik di sekitar itu dan temukan beberapa contoh alat teknik yang memanfaatkan Hukum Bernoulli) (Kegiatan 1)

(Penerapan Hukum Bernoulli)

Hukum Bernoulli diterapkan dalam berbagai peralatan yang digunakan dalam kehidupan sehari-hari. Berikut uraian mengenai cara kerja beberapa alat yang menerapkan Hukum Bernoulli.

1. Alat Ukur Venturi

Alat ukur venturi (venturimeter) dipasang dalam suatu pipa aliran untuk mengukur laju aliran suatu zat cair. Suatu zat cair dengan massa jenis mengalir melalui sebuah pipa dengan luas penampang A1 pada daerah (1). Pada daerah (2), luas penampang mengecil menjadi A2. Suatu tabung manometer (pipa U) berisi zat cair lain (raksa) dengan massa jenis dipasang pada pipa. Perhatikan Gambar 4 dibawah ini . Kecepatan aliran zat cair di dalam pipa dapat diukur dengan persamaan.

Gambar 4. Penampang pipa menyempit di 2 sehingga tekanan di bagian pipa sempit lebih kecil dan fluida bergerak lebih lambat.

...(12)

Contoh soal:

Pipa venturi meter yang memiliki luas penampang masing-masing 8 102 m2 dan 5 103 m2 digunakan untuk mengukur kelajuan air. Jika beda ketinggian air raksa di dalam kedua manometer adalah 0,2 m dan g = 10 m/s2, tentukanlah kelajuan air tersebut ( raksa = 13.600 kg/m3).

Jawab:

Diketahui: A1 = 8 102 m2, A2 = 8 103 m2, h= 0,2 m, dan g= 10 m/s2.

v = 0,44 m/s

2. Tabung Pitot

Tabung pitot digunakan untuk mengukur kelajuan aliran suatu gas di dalam sebuah pipa. Perhatikanlah Gambar 5. Misalnya udara, mengalir melalui tabung A dengan kecepatan v. Kelajuan udara v di dalam pipa dapat ditentukan dengan persamaan

Gambar 5. Prinsip kerja pipa pitot.

(13)

3. (bagian atasnya lebih melengkung daripada sisi bagian bawahnya. Bentuk sayap tersebut menyebabkan kecepatan aliran udara bagian atas lebih besar daripada di bagian bawah v2 > v1sehingga tekanan udara di bawah sayap lebih besar daripada di atas sayap p1 > p2 . Hal ini menyebabkan timbulnya daya angkat pada sayap pesawat. Agar daya angkat yang ditimbulkan pada pesawat semakin besar, sayap pesawat dimiringkan sebesar sudut tertentu terhadap arah aliran udara)Gaya Angkat pada Sayap Pesawat Terbang

(a)

Gambar 6. (a) skema aliran udara dan tekanan pada pesawat (b) Ketika sayap pesawat dimiringkan, pesawat mendapat gaya angkat sebesar F1 F2.

Gambar 7. Gaya gaya yang bekerja pada sebuah pesawat terbang

Pada dasarnya, ada empat buah gaya yang bekerja pada sebuah pesawat terbang yang sedang mengangkasa.

1. Berat pesawat yang disebabkan oleh gaya gravitasi bumi.

2. Gaya angkat yang disebabkan oleh bentuk pesawat.

3. Gaya ke depanyang disebabkan oleh gesekan udara.

4. Gaya hambatanyang disebabkan oleh gesekan udara

Gaya angkat pada sayap pesawat terbang dirumuskan sebagai berikut

..(14)

Dengan :

F1 F2 = gaya angkat pesawat terbang (N),

A= luas penampang sayap pesawat (m2),

v1 = kecepatan udara di bagian bawah sayap (m/s),

v2 = kecepatan udara di bagian atas sayap (m/s), dan

= massa jenis fluida (udara).

(MenulisDengan menggunakan berbagai sumber informasi yang dapat Anda cari,Buatlah ringkasan tentang gaya gaya yang bekerja pada sebuah pesawat terbang di buku catatanmu!!!) (Kegiatan 2)

Contoh soal:

Sebuah pesawat terbang bergerak dengan kecepatan tertentu sehingga udara yang melalui bagian atas dan bagian bawah sayap pesawat yang luas permukaannya 50 m2 bergerak dengan kelajuan masing-masing 320 m/s dan 300 m/s. Berapakah besarnya gaya angkat pada sayap pesawat terbang tersebut? ( udara = 1,3 kg/m3)

Jawab :

Diketahui: A = 50 m2, v2 = 320 m/s, v1 = 300 m/s, dan udara = 1,3 kg/m3.

= (1,3 kg/m3)(50 m2)(320 m/s)2 (300 m/s)2 = 403.000 N

4. Penyemprot Nyamuk

Alat penyemprot nyamuk juga bekerja berdasarkan Hukum Bernoulli. Tinjaulah alat penyemprot nyamuk pada Gambar 8. Jika pengisap dari pompa ditekan maka udara yang melewati pipa sempit pada bagian A akan memiliki kelajuan besar dan tekanan kecil. Hal tersebut menyebabkan cairan obat nyamuk yang ada pada bagian B akan naik dan ikut terdorong keluar bersama udara yang tertekan oleh pengisap pompa.

Gambar 8. pB < pA sehingga cairan obat nyamuk di B bisa memancar keluar.

5. Kebocoran Pada Dinding Tangki

Jika air di dalam tangki mengalami kebocoran akibat adanya lubang di dinding tangki, seperti terlihat pada Gambar 9 kelajuan air yang memancar keluar dari lubang tersebut dapat dihitung berdasarkan Hukum Toricelli. Menurut Hukum Toricelli, jika diameter lubang kebocoran pada dinding tangki sangat kecil dibandingkan diameter tangki, kelajuan air yang keluar dari lubang sama dengan kelajuan yang diperoleh jika air tersebut jatuh bebas dari ketinggian h. Perhatikanlah kembali Gambar 9. dengan saksama. Jarak permukaan air yang berada di dalam tangki ke lubang kebocoran dinyatakan sebagai h1, sedangkan jarak lubang kebocoran ke dasar tangki dinyatakan h2.

Kecepatan aliran air pada saat kali pertama keluar dari lubang adalah

Gambar 9 Tangki dengan sebuah lubang kecil di dindingnya.

Kecepatan aliran air yang keluar dari tangki sama dengan kecepatan benda yang jatuh bebas.

....(15)

Jarak horizontal tibanya air di tanah adalah

....(16)

Contoh soal :

Gambar di bawah menunjukkan sebuah reservoir yang penuh dengan air. Pada dinding bagian bawah reservoir itu bocor hingga air memancar sampai di tanah. Jika g = 10 m/s2, tentukanlah:

a. kecepatan air keluar dari bagian yang bocor;

b. waktu yang diperlukan air sampai ke tanah;

c. jarak pancaran maksimum di tanah diukur dari titik P.

Jawab

Diketahui: h1 = 1,8 m, h2 = 5 m, dan g = 10 m/s2.

6. Hydrofoil

sayap kapal hidrofoil ini disebut foil yang berarti sayap air. Sayap ini sama dengan sayap udara pesawat terbang. Sayap air melekat pada topangan ruang membentang ke bawah dari lambung kapal. Ada 2 pasang foil, sepasang foil diletakkan di pusat gravitasi kapal dan sepasang foil lainnya diletakkan dekat bagian belakang kapal. Apabila hidrofoil meluncur pada kecepatan rendah atau sedang, maka kapal akan beroperasi seperti kapal biasa, yaitu sebagian badan masuk ke dalam air. Sewaktu kapal meluncur dengan kecepatan tinggi, air akan membelok dari permukaan bagian atas foil, seperti udara membelok dari permukaan bagian atas sayap pesawat terbang. Tekanan air pada permukaan foil atas menurun dan tekanan yang berkurang akan menimbulkan gerak mengangkat. Semakin banyak gerak mengangkat maka haluan kapal muncul dari permukaan air, sehingga seluruh lambung kapal akan naik ke atas permukaan air. Beberapa jenis kapal hidrofoil memiliki foil yang selalu berada di bawah air. Ada pula hidrofil lain yang sebagian terendam saat kapal meluncur. Jika kecepatan melambat, tekanan pada gerak mengangkat berkurang dan hidrofoil menjadi bergantung lagi pada air.

Tekanan air pada permukaan foil atas berkurang dan tekanan yang berkurang akan menimbulkan gerak mengangkat. Semakin banyak gerak mengangkat maka haluan kapal muncul dari permukaan air, sehingga seluruh lambung kapal akan naik ke atas permukaan air.

Kendaraan berbantalan udara memiliki mesin yang dirancang untuk beroperasi di atas bantalan udara pada ketinggian beberapa cm di atas permukaan tanah atau permukaan air. Bantalan udara dilengkapi dengan beberapa kipas dengan tenaga yang besar yang berputar pada sebuah poros vertikal dan diarahkan ke bawah. Agar kendaraan bergerak ke depan dan mengerem digerakkan baling-baling atau turbin yang dipasang horisontal. Beberapa jenis kendaraan berbantalan udara lainnya udara digerakkan oleh kipas-kipas melalui sisi-sisi kiri sehingga terjadi doronganhorisontal, pengereman, dan kekuatan pengontrol.

( Latihan Soal)

PILIHAN GANDA

1. Bagian pipa venturimeter yang lebih besar mempunyai luas penampang A1 = 6 cm2 dan bagian pipa yang lebih kecil mempunyai luas penampang A2 = 5 cm2. Kelajuan air yang memasuki pipa venturimeter adalah h = 20 cm, g = 10 m/s2.

A. 2 m/s

B. 3 m/s

C. 4 m/s

D. 5 m/s

E. 6 m/s

2. P1 dan v1 adalah tekanan dan kecepatan udara di atas sayap, P2 dan v2 adalah tekanan dan kecepatan udara di bawah sayap. Agar pesawat dapat terangkat maka maka syaratnya

A. P1 = P2 dan v1 = v2

B. P1 < P2 dan v1 > v2

C. P1 < P2 dan v1 < v2

D. P1 > P2 dan v1 > v2

E. P1 > P2 dan v1 < v2

3. Pampung air mempunyai sebuah lubang kecil di sisi kanan. Laju aliran air yang keluar dari lubang adalah

A. Sebanding dengan h

B. Sebanding dengan h1

C. Sebanding dengan h

D. Sebanding dengan h2

E. Sebanding dengan (h1 h2)

ESSAY

1. Sebuah bendungan berisi air sampai kedalaman 15 m. Pada kedalaman 6 m terdapat suatu pipa horisontal berdiameter 4 cm yang menembus dinding bendungan. Mula-mula pipa ini disumbat sehingga air tidak keluar dari bendungan.

a). Hitung gaya gesekan antara sumbat dan dinding pipa

b). Bila sumbatnya dibuka, berapa air yang tumpah selama 3 jam

2. Tangki 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 air

c) Waktu yang diperlukan bocoran air untuk menyentuh tanah

3. pipa 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 kecil

b) Selisih tekanan pada kedua pipa

c) Tekanan pada pipa kecil

(air = 1000 kg/m3)

( KUNCI JAWABAN)

PILIHAN GANDA

1. B. 3 m/s

2. B. P1 < P2 dan v1 > v2

3. C. Sebanding dengan h

ESSAY

1.

2. a) kecepatan air saat mengalir pada pipa besarv1 = A2 [(2gh) : (A12 A22) ]v1 = (3) [ (2 x 10 x 0,2) : (52 32) ]v1 = 3 [ (4) : (16) ]v1 = 1,5 m/s

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

3. diketahui : h1 = 5 m h2 = 1 m v1 = 36 km/jam = 10 m/sP1 = 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 v12 + gh1 = P2 + 1/2 v22 + gh2P1 P2 = 1/2 (v22 v12) + g(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 1059,1 x 105 P2 = 7,1 x 105P2 = 2,0 x 105 Pa

DAFTAR PUSTAKA

Kanginan. Marthen.1994. Seribu Pena Fisika SMA. Jakarta. Erlangga.

Kanginan. Marthen.2006. Fisika Kelas XI SMA. Jakarta. Erlangga.

Supianto.2006. Fisika Kelas XI SMA. Bandung. Phibeta.

N

x

pA

f

x

x

D

A

Pa

gh

p

a

9

,

73

)

10

57

,

12

)(

58800

(

10

57

,

12

)

10

4

(

4

4

58800

)

6

)(

8

,

9

)(

1000

(

).

4

4

2

2

2

=

=

=

=

=

=

=

=

=

-

-

-

p

p

r

3

5

2

2

2

2

1

2

2

2

1

1

2

1

2

2

2

2

2

1

1

1

2

.

147

)

3600

3

)(

10

57

,

12

)(

84

,

10

(

/

84

,

10

6

,

117

)

9

15

)(

8

,

9

(

2

)

(

2

9

6

15

15

0

2

1

2

1

).

m

x

x

t

A

V

t

Q

Volume

s

m

V

h

h

g

V

h

h

V

p

p

p

V

gh

p

V

gh

p

b

o

=

=

=

=

=

=

-

=

-

=

=

-

=

=

=

=

+

+

=

+

+

-

r

r

r

r