Level 1 - Pendahuluan
Apa yang dimaksud dengan tekanan hidrostatik?
Tekanan hidrostatik adalah tekanan yang diberikan oleh fluida akibat berat fluida itu sendiri yang bergantung pada kedalaman.
Sebuah benda berbentuk balok dimasukkan ke dalam air dan mengapung dengan separuh volumenya terendam. Jelaskan apa yang dapat disimpulkan mengenai massa jenis balok dibandingkan dengan massa jenis air!
Jika balok mengapung dengan separuh volumenya terendam, maka gaya ke atas (gaya Archimedes) sama dengan berat balok. Ini berarti massa jenis balok adalah setengah dari massa jenis air.
Sebuah benda bermassa jenis 800 kg/m³ dan volume 0,02 m³ dimasukkan ke dalam air (massa jenis 1000 kg/m³). Hitung gaya ke atas (gaya Archimedes) yang dialami benda tersebut!
FA = 1000 x 9,8 x 0,02 = 196 N
Fluida Statis
Bandingkan tekanan hidrostatik pada dasar bak dan gaya total yang bekerja pada dasar bak. Jelaskan apakah kedua besaran ini menunjukkan hubungan langsung dan bagaimana keduanya bergantung pada parameter geometrik dan fisik!
Tekanan pada dasar bak
P = ρgh = 1000 x 10 x 3 = 30000 Pa
Gaya pada dasar bak:
F = PA = 30000 x (4 x 2) = 240000 N
Kesimpulan : Gaya total berbanding lurus dengan tekanan. Semakin besar tekanan maka semakin besar gaya total.
Sebutkan rumus tekanan hidrostatik!
Ph = ρgh
Mengapa tekanan di dasar laut jauh lebih besar daripada tekanan di permukaan laut? Jelaskan dengan menggunakan konsep tekanan hidrostatik!
Tekanan hidrostatik diberikan oleh rumus:
P = ρgh
Semakin dalam (semakin besar nilai h), maka tekanan akan semakin besar karena tekanan bergantung secara langsung pada kedalaman fluida. Jadi, di dasar laut, nilai h jauh lebih besar daripada di permukaan laut, sehingga tekanan juga jauh lebih besar.
Sebuah danau memiliki kedalaman 15 meter. Hitung tekanan hidrostatik pada dasar danau jika massa jenis air adalah 1000 kg/m³ dan percepatan gravitasi 9,8 m/s²!
P = ρgh = 1000 x 9,8 x 15 = 147000 Pa = 147 kPa
Fluida Statis
Jika seseorang ingin memperkuat dinding bak penampungan air, apakah dinding bawah atau dinding atas yang harus diperkuat lebih besar? Jelaskan berdasarkan distribusi tekanan pada dinding vertikal!
Berdasarkan rumus P = ρgh, dapat disimpulkan bahwa:
Tekanan meningkat seiring kedalaman. Dinding bawah mengalami tekanan yang jauh lebih besar dibanding bagian atas. Maka, dinding bawah yang perlu diperkuat.
Hukum Pascal menjelaskan tentang apa?
Hukum Pascal menyatakan bahwa tekanan yang diberikan pada fluida dalam ruang tertutup akan diteruskan sama besar ke segala arah.
Sebuah tabung berbentuk U diisi dengan air di satu sisi dan minyak di sisi lain. Permukaan minyak berada lebih tinggi dari permukaan air. Jelaskan mengapa hal ini bisa terjadi!
Karena tekanan di dasar tabung harus sama di kedua sisi, maka fluida dengan massa jenis lebih kecil (minyak) harus memiliki tinggi kolom lebih besar untuk menghasilkan tekanan yang sama dengan fluida bermassa jenis lebih besar (air).
Sebuah tabung berbentuk U diisi air di satu sisi dan raksa (ρ = 13600 kg/m³) di sisi lain. Jika tinggi air 34 cm, berapakah selisih tinggi permukaan raksa terhadap permukaan air agar tekanan seimbang?
Tekanan air :
Pair = ρair . g . h = 1000 x 9,8 x 0,34 = 3332 Pa
Selisih tinggi raksa :
hraksa = P/ρg = 3332/(13600 x 9,8)
hraksa = 0,025 m = 2,5 cm
Fluida Statis
Seorang teknisi merancang dinding bak air menggunakan bahan yang hanya mampu menahan tekanan maksimum 25.000 Pa. Evaluasilah apakah bahan tersebut aman digunakan untuk membangun dinding vertikal bak air yang berisi air penuh. Jelaskan dan beri alasan teknis.
Dikarenakan P = 30000 Pa, maka dapat diobservasi bahwa nilai tekanan air > kemampuan material, sehingga material dinding disimpulkan tidak aman. Solusi yang dapat dilakukan adalah dengan mengganti material yang mampu menahan tekanan ≥ 30000 Pa atau mengurangi tinggi air dalam bak.
Apa itu asas kontinuitas?
Asas kontinuitas menyatakan bahwa aliran massa fluida yang masuk ke dalam suatu sistem harus sama dengan aliran massa fluida yang keluar dari sistem tersebut, dengan asumsi tidak ada penyumbat di dalam sistem.
Sebuah fluida mengalir melalui pipa yang menyempit. Jelaskan mengapa kecepatan fluida meningkat saat melewati bagian sempit pipa!
Berdasarkan asas kontinuitas, saat luas penampang mengecil (A₂ < A₁), maka kecepatan fluida harus meningkat (v₂ > v₁) untuk mempertahankan debit aliran yang konstan. Ini terjadi karena volume fluida yang mengalir per satuan waktu harus sama di seluruh bagian pipa.
Air mengalir melalui pipa horizontal dari penampang besar ke penampang kecil. Luas penampang besar adalah 10 cm² dan kecil 2 cm². Jika kecepatan air di penampang besar adalah 1 m/s, hitung kecepatan di penampang kecil!
Gunakan asas kontinuitas:
v2 = A1v1/A2
v2 = 10/(2x1)
v2 = 5 m/s
Fluida Dinamis
Bandingkan kecepatan aliran air di penampang A dan B, lalu analisis bagaimana perbedaan kecepatan tersebut memengaruhi tekanan di kedua titik berdasarkan prinsip Bernoulli!
Kecepatan A dan B dapat dihitung dari rumus v = Q/A.
vA = 0,02/0,04 = 0,5 m/s;
vB = 0,02/0,01 = 2 m/s
Berdasarkan prinsip Bernoulli:
PA + 1/2 x ρVA2 + ρghA = PB + 1/2 x ρVB2 + ρghB
Karena vB >vA, maka tekanan pada penampang B lebih rendah.
Sebutkan isi prinsip Bernoulli secara singkat!
Prinsip Bernoulli menyatakan bahwa dalam fluida ideal yang mengalir, jumlah tekanan, energi kinetik per satuan volume, dan energi potensial per satuan volume bernilai tetap.
Mengapa tekanan fluida di bagian sempit pipa lebih rendah dibandingkan dengan bagian lebar? Jelaskan dengan prinsip Bernoulli!
Menurut Hukum Bernoulli, Jika kecepatan fluida meningkat (di bagian sempit), maka energi kinetik bertambah. Untuk menjaga total energi konstan, maka tekanan P harus berkurang. Oleh karena itu, semakin cepat aliran, semakin rendah tekanannya.
Air mengalir dari sebuah tangki tertutup yang tingginya 5 meter ke pipa horizontal terbuka. Hitung kecepatan keluarnya air dari pipa dengan mengabaikan gesekan dan menggunakan hukum Bernoulli!
v = √2gh = √(2 x 9,8 x 5) = √98 ≈ 9,9 m/s
Fluida Dinamis
Sebuah pabrik ingin menggunakan sistem pipa seperti pada kasus umum, tetapi ingin menjaga tekanan di penampang B tetap tinggi untuk mencegah kerusakan pompa di ujung pipa. Evaluasilah apakah desain dengan perbedaan penampang seperti ini cocok untuk tujuan tersebut. Jelaskan alasannya.
Dengan kecepatan A dan B yang sudah didapatkan, berdasarkan prinsip Bernoulli dapat disimpulkan bahwa tekanan di penampang B justru menurun. Oleh karena itu, solusi yang dapat dilakukan adalah dengan mengganti pipa di penampang B menjadi sama besar atau lebih besar dari pipa di penampang A.