Fluida Statis : Contoh Soal dan Pembahasan Lengkap Fisika Kelas XI
Contoh Soal dan Pembahasan tentang Fluida Statis, Materi Fisika kelas 2 SMA. Cakupan : tekanan hidrostatis, tekanan total, penggunaan hukum Pascal, bejana berhubungan, viskositas, kecepatan terminal dan hukum Archimedes.
Soal No. 1
Seekor ikan berada pada kedalaman 15 meter di bawah permukaan air.
Jika massa jenis air 1000 kg/m3 , percepatan gravitasi bumi 10 m/s2 dan tekanan udara luar 105 N/m, tentukan :
a) tekanan hidrostatis yang dialami ikan
b) tekanan total yang dialami ikan
Pembahasan
a) tekanan hidrostatis yang dialami ikan
b) tekanan total yang dialami ikan
Soal No. 2
Seorang anak hendak menaikkan batu bermassa 1 ton dengan alat seperti gambar berikut!
Jika luas penampang pipa besar adalah 250 kali luas penampang pipa kecil dan tekanan cairan pengisi pipa diabaikan, tentukan gaya minimal yang harus diberikan anak agar batu bisa terangkat!
Pembahasan
Hukum Pascal
Data :
F1 = F
F2 = Wbatu = (1000)(10) = 10000 N
A1 : A2 = 1 : 250
Soal No. 3
Sebuah dongkrak hidrolik digunakan untuk mengangkat beban.
Jika jari-jari pada pipa kecil adalah 2 cm dan jari-jari pipa besar adalah 18 cm, tentukan besar gaya minimal yang diperlukan untuk mengangkat beban 81 kg !
Pembahasan
Data:
m = 250 kg
r1 = 2 cm
r2 = 18 cm
w = mg = 810 N
F =….
Jika diketahui jari-jari (r) atau diameter (D) pipa gunakan rumus:
Diperoleh
Soal No. 4
Pipa U diisi dengan air raksa dan cairan minyak seperti terlihat pada gambar!
Jika ketinggian minyak h2 adalah 27,2 cm, massa jenis minyak 0,8 gr/cm3 dan massa jenis Hg adalah 13,6 gr/cm3 tentukan ketinggian air raksa (h1)!
Pembahasan
Tekanan titik-titik pada cairan yang berada pada garis vertikal seperti ditunjukkan gambar diatas adalah sama.
Soal No. 5
Sebuah benda tercelup sebagian dalam cairan yang memiliki massa jenis 0,75 gr/cm3 seperti ditunjukkan oleh gambar berikut!
Jika volume benda yang tercelup adalah 0,8 dari volume totalnya, tentukan massa jenis benda tersebut!
Pembahasan
Gaya-gaya yang bekerja pada benda diatas adalah gaya berat yang berarah ke bawah dan gaya apung / gaya Archimides dengan arah ke atas. Kedua gaya dalam kondisi seimbang.
Soal No. 6
Seorang anak memasukkan benda M bermassa 500 gram ke dalam sebuah gelas berpancuran berisi air, air yang tumpah ditampung dengan sebuah gelas ukur seperti terlihat pada gambar berikut:
Jika percepatan gravitasi bumi adalah 10 m/s2 tentukan berat semu benda di dalam air!
Pembahasan
Data :
mb = 500 g = 0,5 kg
mf = 200 g = 0,2 kg
Berat benda di fluida (berat semu) adalah berat benda di udara dikurangi gaya apung (Archimides) yang diterima benda. Besarnya gaya apung sama besar dengan berat fluida yang dipindahkan yaitu berat dari 200 ml air = berat dari 200 gram air (ingat massa jenis air = 1 gr/cm3 = 1000 kg/m3).
Soal No. 7
Perbandingan diameter pipa kecil dan pipa besar dari sebuah alat berdasarkan hukum Pascal adalah 1 : 25. Jika alat hendak dipergunakan untuk mengangkat beban seberat 12000 Newton, tentukan besar gaya yang harus diberikan pada pipa kecil!
Pembahasan
D1 = 1
D2 = 25
F2 = 12000 N
Soal No. 8
Sebuah pipa U diisi dengan 3 buah zat cair berbeda hingga seperti gambar berikut
Jika ρ1, ρ2 dan ρ3 berturut-turut adalah massa jenis zat cair 1, 2 dan 3 dan h1, h2, h3 adalah tinggi masing-masing zat cair seperti nampak pada gambar di atas, tentukan persamaan untuk menentukan massa jenis zat cair 1.
Pembahasan
PA = PB
P1 = P2 + P3
ρ1 g h1 = ρ2 g h2 + ρ3 g h3
dengan demikian
ρ1 h1 = ρ2 h2 + ρ3 h3
Sehingga
ρ1 = (ρ2 h2 + ρ3 h3) : h1
Soal No. 9
Sebuah pipa U diisi dengan 4 buah zat cair berbeda hingga seperti gambar. Tentukan persamaan untuk menentukan besarnya massa jenis zat cair 1
Pembahasan
PA = PB
P1 + P4 = P2 + P3
ρ1 g h1 + ρ4 g h4 = ρ2 g h2 + ρ3 g h3
g bisa dicoret sehingga didapatkan
ρ1 h1 + ρ4 h4 = ρ2 h2 + ρ3 h3
ρ1 h1 = ρ2 h2 + ρ3 h3 – ρ4 h4
Sehingga
ρ1 = ( ρ2 h2 + ρ3 h3 – ρ4 h4) : h1
Soal No. 10
Sebuah benda berbentuk balok berada pada bejana yang berisikan air dan minyak. 50% dari volum balok berada di dalam air, 30% berada dalam minyak seperti terlihat pada gambar berikut.
Tentukan massa jenis balok tersebut
Diketahui massa jenis air adalah 1 g/cm3 dan massa jenis minyak 0,8 g/cm3
Pembahasan
a) Gaya-gaya yang bekerja pada balok adalah sebagai berikut:
Berat benda
w = mg
Karena massa benda belum diketahui, masukkan m = ρ vB sehingga w = ρ v g dengan vB adalah volum balok.
Gaya ke atas yang bekerja pada balok oleh air
Fair = ρa va g
dengan va adalah volume air yang dipindahkan atau didesak oleh balok (50%v = 0,5 vB).
Gaya ke atas yang bekerja pada balok oleh minyak
Fm = ρm vm g
dengan vm adalah volume minyak yang dipindahkan atau didesak oleh balok (30% vB = 0,3 vB).
Gaya yang arahnya ke atas sama dengan gaya yang arahnya ke bawah:
Soal No. 11
Perhatikan gambar berikut, air berada dalam sebuah pipa kapiler dengan sudut kontak sebesar θ.
Jika jari-jari pipa kapiler adalah 0,8 mm, tegangan permukaan air 0,072 N/m dan cos θ = 0,55 tentukan tentukan ketinggian air dalam pipa kapiler! (g = 10 m/s2, ρair = 1000 kg/m3)
Pembahasan
Data soal:
r = 0,8 mm = 0,8 × 10−3 m
cos θ = 0,55
γ = 0,072 N/m
g = 10 m/s2
ρair = 1000 kg/m3
h = ….
Rumus kenaikan zat cair pada suatu pipa kapiler
Masuk datanya
Soal No. 12
Sebuah pipa vertikal terpasang di dalamnya sebuah pegas dan sebuah penampang lingkaran dari karet berjari-jari 10 cm seperti terlihat pada gambar berikut.
Suatu zat cair dengan massa jenis 800 kg/m3 kemudian dimasukkan ke dalam pipa hingga setinggi 35 cm. Pegas tertekan ke bawah hingga posisinya setinggi h. Jika konstanta pegas adalah 200 N/m dan percepatan gravitasi 10 m/s2 tentukan nilai h!
Pembahasan
Tentukan dulu perubahan panjang pegas akibat diisinya pipa dengan cairan:
Gaya dari pegas = Gaya dari zat cair
Dengan demikian h = 50 cm − 44 cm = 6 cm
Soal No. 13
Sebuah kelereng dengan jari-jari 0,5 cm jatuh ke dalam bak berisi oli yang memiliki koefisien viskositas 110 × 10−3 N.s/m2. Tentukan besar gesekan yang dialami kelereng jika bergerak dengan kelajuan 5 m/s!
Pembahasan
Data:
r = 0,5 cm = 5 × 10−3 m
η = 110 × 10−3 N.s/m2
ν = 5 m/s
Ff =…..
Benda yang bergerak dalam fluida akan mengalami gesekan. Besar gesekan yang terjadi jika benda bentuknya BOLA dirumuskan:
dimana
Ff = gaya gesekan di dalam fluida
η = koefisien viskositas fluida
r = jari-jari benda
ν = kecepatan gerak benda
sehingga besarnya gesekan
Soal No. 14
Sebuah gotri yang berjari-jari 5,5 × 10−3 m terjatuh ke dalam oli yang memiliki massa jenis 800 kg/m3 dan koefisien viskositasnya 110 × 10−3 N.s/m2. Jika massa jenis gotri 2700 kg/m3, tentukan kecepatan terbesar yang dapat dicapai gotri dalam fluida!
Pembahasan
Data:
Bendanya gotri, berbentuk bola.
r = 5,5 × 10−3
ρb = 2700 kg/m3
Fluidanya oli.
ρf = 800 kg/m3
η = 110 × 10−3 N.s/m2
νT =…..?
Kecepatan terbesar yang dicapai gotri dalam fluida dinamakan kecepatan terminal atau νT. Rumus kecepatan terminal untuk benda berbentuk bola:
sehingga:
Soal No. 15
Sebuah balok yang memiliki massa 4 kg dan volume 5 × 10−4 m3 berada di dalam air digantung menggunakan sebuah pegas seperti gambar berikut.
Jika massa jenis air 1000 kg/m3 dan konstanta pegasnya 140 N/m maka pertambahan panjang pegas ditinjau dari saat pegas tanpa beban adalah….
A. 15 cm
B. 20 cm
C. 25 cm
D. 30 cm
E. 35 cm
Pembahasan
Gaya-gaya yang bekerja pada balok yaitu gaya berat balok w = mbg arahnya ke bawah, gaya angkat yang berasal dari air Fa = ρagVa arahnya ke atas, dan gaya pegas Fp = kΔx arahnya ke atas. Ketiganya dalam kondisi seimbang.
Karena seluruh balok berada di dalam air, maka volume air yang dipindahkan sama dengan volume balok. Dengan massa jenis air ρa =1000 kg/m3 dan g = 10 m/s2 diperoleh hasil:
Berikut sample soal un 2014 lalu tentang fluida dinamis:
Soal No. 16
Sebuah pipa U yang diisi minyak dan air dalam keadaan stabil tampak seperti gambar.
Massa jenis air = 1000 kg.m– 3, dan massa jenis minyak 800 kg.m– 3, maka perbedaan ketinggian (Δ h) adalah…..
A. 8 cm
B. 6 cm
C. 5 cm
D. 4 cm
E. 2 cm
Pembahasan
Tekanan hidrostatis di titik A sama dengan tekanan hidrostatis di titik B. Cari ketinggian air, kemudian selisihnya dengan tinggi minyak:
