Media Pembelajaran Individual PENDIDIKAN FISIKA FAKULTAS PASCA SARJANA UNIVERSITAS NEGERI PADANG Fluida Dinamis Kata Pengantar KI dan KD Tujuan pembelajaran Kata Pengantar KI dan KD Tujuan pembelajaran Pada pertemuan ini akan dipelajari materi mengenai Fluida Dinamis. Media ini disajikan semenarik mungkin sehingga ananda semangat untuk belajar Kata Pengantar KI dan KD Tujuan pembelajaran 1. Menghayati dan mengamalkan ajaran agama yang dituntut 2. Menghayati dan mengamalkan perilaku jujur, disiplin, tanggungjawab, peduli (gotong royong, kerja sama, toleran, damai) santun, responsif dan pro-aktif dan menunjukkan sikap sebagai bagian dari solusi atas berbagai permasalahan dalam interaksi secara efektif dengan lingkungan sosial dan alam serta dalam menempatkan diri sebagai cerminan bangsa dalam pergaulan dunia. Kata Pengantar KI dan KD Tujuan pembelajaran 3. Memahami, menerapkan, menganalisis pengetahuan faktual, konseptual, prosedural berdasarkan rasa ingintahunya tentang pengetahuan, teknologi, seni, budaya dan humanioradengan 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. Kata Pengantar KI dan KD Tujuan pembelajaran 4. Mengolah, menalar dan menyaji dalam ranah konkret dan ranah abstrak terkait dengan pengembangan dari yang dipelajarinya di sekolah secara mandiri dan mampu menggunakan metoda sesuai kaidah keilmuan. Kata Pengantar KI dan KD Tujuan pembelajaran 1.1 Bertambah keimanannya dengan menyadari hubungan keteraturan dan kompleksitas alam dan jagad raya terhadap kebesaran Tuhan yang menciptakan 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 dan berdiskusi Kata Pengantar KI dan KD Tujuan pembelajaran 3.7 Menerapkan prinsip fluida dinamik dalam teknologi 4.7 Memodifikasi ide atau gagasan proyek sederhana yang menerapkan prinsip dinamika fluida Kata Pengantar KI dan KD Tujuan pembelajaran 1. Siswa dapat menjelaskan prinsip kontinuitas dan prinsip bernoulli pada fluida dinamik dalam kehidupan seharihari. 2. Siswa dapat menganalisis prinsip kontinuitas dan prinsip bernaulli pada fluida dinamik dalam kehidupan seharihari. 3. Siswa dapat menerapkan prinsip kontinuitas dan prinsip bernaulli pada fluida dinamik dalam kehidupan seharihari. Perhatikan Video Dibawah ini !! VIDEO Tahu kah kamu?? Want to know, guys?? Dari video yang Mengapa pesawat terbang ditampilkan, apa Okay, lets check this yang terbuat dari logam kaitannya dengan one outdapat yangvideo amat berat konsep fisika? terbang di angkasa? Fluida Ideal Persamaan Kontinuitas Persamaan Persamaan Kontinuitas Bernoulli Penerapan Bernoulli Fluida ideal mempunyai ciri-ciri berikut ini. a. Aliran laminar adalah aliran fluida yang mengikuti suatu garis lurus atau melengkung yang jelas ujung dan pangkalnya serta tidak ada garis lurus yang bersilangan. Fluida Ideal Persamaan Kontinuitas Persamaan Persamaan Kontinuitas Bernoulli Penerapan Bernoulli b. Aliran turbulen adalah aliran fluida yang ditandai dengan adanya aliran berputar dan arah gerak partikelnya berbeda, bahkan ber-lawanan dengan arah gerak keseluruhan fluida. Fluida Ideal Persamaan Kontinuitas Persamaan Persamaan Kontinuitas Bernoulli Penerapan Bernoulli Persamaan Kontinuitas Persamaan kontinuitas menghubungkan kecepatan fluida di suatu tempat dengan tempat lain. Misalkan terdapat suatu tabung alir seperti tampak pada Gambar di bawah ini; Contoh gambar v1 A1 x1 = v . ∆t Memasukan air v2 A2 x2 = v . ∆t Maka masa air A2 = Maka masa air A1 = A1 = luas penampang 1(m ²) m2 = ρ . A2 . v2. ∆t V2 = A2 . v2. ∆t m1 = ρ . A1 . v1. ∆t VA1 2= =A1luas . v1. penampang ∆t 2 (m²) v1 = kecepatan aliran fluida pada penampang m1 1= (m/s) m2 ››› ρ . A1 . v1. ∆t = ρ . A2 . v2. ∆t Karena fluida ideal maka masa fluida yang v2 = kecepatan aliran fluida pada melewati A1 sama dengan masa fluida yang penampang 2 (m/s) A 1 . v1 = A 2 . v 2 melewati A2 Keterangan Fluida Ideal Persamaan Kontinuitas Persamaan Persamaan Kontinuitas Bernoulli Penerapan Bernoulli Persamaan kontinuitas menyatakan bahwa pada fluida tak kompresibel dan tunak, kecepatan aliran fluida berbanding terbalik dengan luas penampangnya. Pada pipa yang luas penampangnya kecil, maka alirannya besar. Jika pembuluhnya berupa silinder, sehingga penampangnya berbentuk lingkaran, maka: A = π . r² sehingga persamaan kontinuitas dapat pula dinyatakan dengan: v1 . r1² = v2 . r2² dimana r = jari-jari lingkaran. Atau v1 . d1² = v2 . d2² dimana d = diameter lingkaran Fluida Ideal Persamaan Kontinuitas Persamaan Persamaan Kontinuitas Bernoulli Penerapan Bernoulli Hasil kali A.v adalah debit, yaitu banyaknya fluida yang mengalir melalui suatu penampang tiap satuan waktu, dirumuskan: Q=V/t dimana: Q = Debit (m³/s) V = Volume fluida (m³) t = Waktu (s) Fluida Ideal Persamaan Kontinuitas Persamaan Persamaan Kontinuitas Bernoulli Penerapan Bernoulli Asas Bernoulli Saat Anda berdiri di tengah angin yang cukup besar. Udara yang bergerak mengerjakan gaya tekan pada tubuh Anda. Peristiwa ini menunjukkan bahwa fluida yang bergerak dapat menimbulkan tekanan. Contoh gambar Memasukan air v1 A2 A1 P1 h1 Gambar : Asas Bernoulli v2 P2 h2 Fluida Ideal Persamaan Kontinuitas Persamaan Persamaan Kontinuitas Bernoulli Penerapan Bernoulli Gambar di atas menggambarkan suatu arus stasioner yang mengalir dari tempat I ke tempat II. Kita tinjau dua sampel fluida dari fluida yang mengalir pada tempat I ke tempat II yang volumnya sama dan bergerak dalam selang waktu yang sama. Volum masing-masing sampel adalah V dengan selang waktu t. Misalkan fluida sebatas dari penampang A1 sampai penampang A2 kita anggap suatu sistem maka diperoleh: • Usaha yang dilakukan terhadap sistem oleh F1 dapat dinyatakan: W1 = F1 . v1 . t = P1 . A1 . v1 . t Fluida Ideal Persamaan Kontinuitas Persamaan Persamaan Kontinuitas Bernoulli Penerapan Bernoulli • Usaha total yang dilakukan oleh sistem oleh F2 dapat dinyatakan: W2 = -F2 . v2 . t = -P2 . A2 . v2 . t Dengan demikian usaha total yang dilakukan oleh fluida dari penampang A1 hingga penampang A2 dapat dinyatakan: W = W 1 + W2 W = P1 . A1 . v1 . t – P2 . A2 . v2 . T …..................................... (1) Demikian juga dari penampang A1 ke A2 terjadi perubahan energi mekanik sebesar: ΔEm = ΔEk + ΔEp ΔEm = (1 ⁄2 . m . v2² – 1 ⁄2 . m . v1²) + (m . g . h2 – m . g . h1) ........ (2) Fluida Ideal Persamaan Kontinuitas Persamaan Persamaan Kontinuitas Bernoulli Penerapan Bernoulli Menurut hukum kekekalan energi maka diperoleh: W = Em P1 . A1 . v1 . t – P2 . A2 . v2 . t = 1 ⁄2 . m . v2 – 1 ⁄2 . m.v1² + m.g.h2 – m.g.h1 P1 . V – P2 . V = 1 ⁄2.m.v2² – 1 ⁄2 .m.v1²+ m.g.h2 – m.g.h1 P1 – P2 = 1 ⁄2 . (m/V) . v2² –1 ⁄2 . (m/V) . v1² + (m/V) . g.h2 –(m/V) .g.h1 P1 – P2 = 1 ⁄2 . ρ . v2² – 1 ⁄2 . ρ . v1² + ρ. g.h2 – ρ. g.h1 P1 + 1 ⁄2 ρ . v1² + ρ. g.h1 = P2 + 1 ⁄2 ρ . v2² + ρ. g.h2 Fluida Ideal Persamaan Kontinuitas Persamaan Persamaan Kontinuitas Bernoulli Penerapan Bernoulli Persamaan tersebut di atas disebut persamaan Bernoulli. Persamaan Bernoulli dapat juga dinyatakan dengan: P + 1⁄2 . ρ . v2 + ρ. g.h = konstan Keterangan : P = tekanan (N/m²) ρ = massa jenis fluida (kg/m³) v = kecepatan aliran (m/s) g = percepatan gravitasi (m/s²) h = ketinggian pipa diukur dari bidang acuan (m) Fluida Ideal Persamaan Kontinuitas Persamaan Persamaan Kontinuitas Bernoulli Penerapan Bernoulli Pada persamaan Bernoulli terdapat beberapa hal yang istimewa antara lain sebagai berikut. 1. Pada fluida tak bergerak Dalam hal ini v1 = v2 = 0 sehingga diperoleh persamaan: P1 – P2 = ρ . g (h2 – h1) Persamaan ini adalah bentuk lain dari persamaan yang menyatakan tekanan hidrostatis dalam zat cair. 2. Untuk fluida yang bergerak dengan ketinggian yang sama, dalam hal ini h2 = h1, diperoleh persamaan: P1 + 1 ⁄2 . ρ . v1² = P2 + 1 ⁄2 . ρ . v2² = tetap Hal ini berarti bahwa di tempat yang lajunya besar tekanannya kecil dan sebaliknya. Fluida Ideal Persamaan Kontinuitas Persamaan Persamaan Kontinuitas Bernoulli Penerapan Bernoulli P1 + 1 ⁄2 ρ . v1² + ρ. g.h1 = P2 + 1 ⁄2 ρ . v2² + ρ. g.h2 Dari persamaan diatas mengatakan “Jumlah tekanan energi kinetik persatuan volume dan energi potensial persatuan volume sama di setiap titik sepanjang aliran garis lurus”. Pertnyataan ini merupakan bunyi “hukum Bernoulli” Fluida Ideal Persamaan Kontinuitas Persamaan Persamaan Kontinuitas Bernoulli Penerapan Bernoulli Penerapan Persamaan Bernoulli 1. Alat penyemprot nyamuk Alat penyemprot nyamuk juga bekerja berdasarkan Hukum Bernoulli. Tinjaulah alat penyemprot nyamuk pada Gambar berikut ini: 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. Fluida Ideal Contoh gambar Persamaan Kontinuitas Persamaan Persamaan Kontinuitas Bernoulli Penerapan Bernoulli Menyemprot udara A B Fluida Ideal Persamaan Kontinuitas Persamaan Persamaan Kontinuitas Bernoulli Penerapan Bernoulli 2. Pipa Fenturi Pipa venturi adalah alat yang digunakan untuk mengukur laju aliran zat cair dalam pipa. Untuk mengukur laju air pipa venturi di pasang atau di sambung pada pipa di aliri air, dan di letakan mendatar. Fluida Ideal Persamaan Kontinuitas Contoh gambar h = (h1 - h2) h1 h2 A1 v1 Memasukan air A2 v2 Persamaan Persamaan Kontinuitas Bernoulli Penerapan Bernoulli Fluida Ideal Persamaan Kontinuitas Persamaan Persamaan Kontinuitas Bernoulli Penerapan Bernoulli Dengan menggunakan persamaan Bernoulli : P2 – P1 = ½ ρ (v2² - v1²) Menentukan kecepatan pada luas penampang besar dan luas penampang kecil. Dengan mensubtitusikan persamaan kontinuitas A1 . v1 = A2 . v2 kedalam persamaan bernoulli di dapat: P2 – P1 = ½ ρ ((A1 /A2 )² . v1² - v1²) = ½ ρ v1² ((A1 /A2 )² - 1) Fluida Ideal Persamaan Kontinuitas Persamaan Persamaan Kontinuitas Bernoulli Penerapan Bernoulli Karena P2 – P1 merupakan perbedaan tekanan hidrostatis Δp = ρgh maka persamaanya mejadi ρgh = ½ ρ ((A1 /A2 )² . v1² - v1²) ρgh = ½ ρ v1² ((A1 /A2 )² - 1) Keterangan: A1 = luas penampang pipa besar(m²) v1² = 2 gh / (A1 /A2 )² - 1 A2 = luas penampang pipa kecil (m2) v1 = kecepatan zat cair yang di ukur (m/s) v1 = 2 gh g = percepatan gravitasi (m/s²) (A1 /A2 )² - 1 h = perbedaan ketinggian pada pipa kapiler(m) Fluida Ideal Persamaan Kontinuitas Persamaan Persamaan Kontinuitas Bernoulli Penerapan Bernoulli 3. Tabung Pitot Tabung pitot di gunakan untuk mengukur kelajuan gas dalam sebuah pipa. Tabung pitot di lengkapi dengan pipa venturi berisikan raksa. Persamaan Kontinuitas Fluida Ideal Contoh gambar Laju gas 3. Tabung Pitot v Persamaan Persamaan Kontinuitas Bernoulli Penerapan Bernoulli Tabung Pitot B 2 A 1 PA < PB Perbedaan tinggi raksa dalam pipa Di sebabkan karena perbedaan tekanan di A dan di B h D C Raksa vB = 0 Aliran udara masuk ke tabung dan di teruskan Ke pipa melalui B, dengan kecepatan berkurang hingga mencapai 0. pada keadaan ini tekanan di B Sama dengan tekanan di titik D. Fluida Ideal Persamaan Kontinuitas Persamaan Persamaan Kontinuitas Bernoulli Penerapan Bernoulli Dengan menggunakan persamaan Bernoulli pada ketinggian tabung yang sama maka: P2 – P1 = ½ ρ (v2² - v1²) Karena v2 = 0 , maka persamaan menjadi: P2 – P1 = ½ ρ (0 - v1²) P1 + ½ ρ . v1² = P2 ½ ρ . v1² = P2 - P1 Karena P2 - P1 merupakan perbedaan tekanan hidrostatis dalam manometer(ρ’gh ) Fluida Ideal Persamaan Kontinuitas maka: ½ ρ . v1² = P2 - P1 ½ ρ . v1² = ρ’gh v1² = 2 ρ’gh : ρ Persamaan Persamaan Kontinuitas Bernoulli Penerapan Bernoulli Keterangan: ρ' = masa jenis air raksa(kg/m³) ρ = masa jenis gas/udara (kg/m³) v1 = kecepatan aliran gas /udara (m/s) g = percepatan gravitasi (m/s²) h = perbedaan ketinggian pada pipa kapiler(m) Fluida Ideal Persamaan Kontinuitas Persamaan Persamaan Kontinuitas Bernoulli Penerapan Bernoulli 4. Teori Torricolli Persamaan Bernoulli dapat digunakan untuk menentukan kecepatan zat cair yang keluar dari lubang pada dinding tabung. Dengan menganggap diameter tabung lebih besar dibandingkan diameter lubang, maka permukaan zat cair pada tabung turun perlahan-lahan, sehingga kecepatan v1 dapat dianggap nol. Fluida Ideal Contoh gambar Terjadi kebocoran Pu Persamaan Persamaan Kontinuitas Bernoulli Penerapan Bernoulli Perumusanya Berdasarkan persamaan Bernoulli, berlaku: v2 = 2 g (h1 - h2) P1 + 1 ⁄2 ρ . v1² + ρ. g.h1 = P2 + 1 ⁄2 ρ . v2² + ρ. g.h2 h = (h1 - h2 ) h1 h2 Persamaan Kontinuitas Pu Karena tekanan pada (permukaan) dan tekanan pada v = kecepatan aliran air (m/s) (lubang) sama maka P1 = P2 , dan v1 = 0 , maka: g = percepatan grafitasi (m/s²) 0+ ρ. g.h1 = 1 ⁄2 ρ . v2² + ρ. g.h2 (h1 - h2) = selisih ketinggian / tingginya ρ. g.h1 - ρ. g.h2 = 1 ⁄2 ρ . v2² kebocoran (m) ρ . g (h1 - h2) = 1 ⁄2 ρ . v2² v2² = 2 g (h1 - h2) v2 = 2 g (h1 - h2) Keterangan Fluida Ideal Persamaan Kontinuitas Persamaan Persamaan Kontinuitas Bernoulli Penerapan Bernoulli 5. Gaya Angkat Pesawat Pesawat terbang dapat terangkat ke udara karena kelajuan udara yang melalui sayap pesawat. Penampang sayap pesawat terbang mempunyai bagian belakang yang lebih tajam dan sisi bagian atas yang lebih melengkung daripada sisi bagian bawahnya. Bentuk ini membuat kecepatan aliran udara melalui sisi bagian atas pesawat v1 lebih besar daripada kecepatan aliran udara di bagian bawah sayap v2. Fluida Ideal Contoh gambar P1 Aliran udara v1 v2 P2 Persamaan Kontinuitas Persamaan Persamaan Kontinuitas Bernoulli Penerapan Bernoulli Sesuai dengan asas Bernoulli, tekanan pada sisi bagian atas P2 lebih kecil daripada sisi bagian bawah P1 karena kelajuan udara v1 lebih besar Berdasarkan hukum bernoulli, h1=h2, karena sayap pesawat pada ketinggian yang sama. Maka: P1 + 1 ⁄2 ρ . v1² + ρ. g.h1 = P2 + 1 ⁄2 ρ . v2² + ρ. g.h2 P1 + 1 ⁄2 ρ . v1² = P2 + 1 ⁄2 ρ . v2² P1- P2 = 1 ⁄2 ρ (v2²- v1²) Contoh Soal 1 Contoh Soal 2 Contoh Soal 3 Contoh Soal 4 Contoh Soal 5 Contoh soal 1 1. Air mengalir melalui pipa mendatar dengan diameter pada masing-masing ujungnya 6 cm dan 2 cm. Jika pada penampang besar, kecepatan air 2 m/s, berapakah kecepatan aliran air pada penampang kecil? Penyelesaian: Diketahui : d1 = 6 m d2 = 2 m v1 = 2 m/s Ditanyakan : v2 = ...? Jawab : v1 . d1² = v2 . d2² v2 =( d1² /d2² ) . V1 = (6² / 2²) . 2 = 9.2 v2 = 18 m/s Contoh Soal 1 Contoh Soal 2 Contoh Soal 3 Contoh Soal 4 Contoh Soal 5 Contoh soal 2 2. Melalui pipa venturi seperti gambar di samping, mengalir air sehingga selisih tinggi permukaan air pada kedua pembuluh sempit yang dipasang pada pipa venturi adalah 5 cm. Jika luas penampang besar dan kecil pada pipa venturi masing-masing 100 cm² dan 10 cm² dan g = 10 m/s² serta massa jenis air 1000 kg/m³, hitunglah: a) perbedaan tekanan di titik pada penampang besar dan kecil b) kecepatan air yang masuk ke pipa venturi Penyelesaian : Diketahui: h = 5 cm g = 10 m/s² A1 = 100 cm² ρ = 1 gr/m³ A2 = 10 cm² Ditanya: a) P1 – P2 ……? b) v1 ………? Jawab: a). P1 – P2 = ρ . g . h P1 – P2 = 1000 kg/m³. 10 m/s² . 0,05 m = 500 Pa b). v = 2 gh = 2 . 10 . 0,05 = 0,010101 (A1 /A2 )² - 1 ( 100 : 10)² - 1 v = 0,10 m/s Contoh Soal 1 Contoh Soal 2 Contoh Soal 3 Contoh Soal 4 Contoh Soal 5 Contoh soal 3 3. Untuk mengukur laju aliran gas digunakan pipa pitot. Jika massa jenis gas yang akan diukur kelajuannya 2 kg/m³ dan ketinggian raksa pada kedua kaki manometer 4 cm, maka berapakah laju aliran gas tersebut? (masa jenis raksa = 13600 kg/m³ Penyelesaian: Diketahui: ρ = 2 kg/m³ ρ’= 13600 kg/m³ g = 10 m/s² h = 4 cm = 0,04 m Ditanya : v ……? Jawab: Contoh Soal 1 Contoh Soal 2 Contoh Soal 3 Contoh Soal 4 Contoh Soal 5 Contoh soal 4 4. Suatu bejana berisi air seperti tampak pada gambar. Tinggi permukaan zat cair 145 cm dan lubang kecil pada bejana 20 cm dari dasar bejana. Jika g = 10 m/s², tentukan: Penyelesaian: Diketahui: h1 = 145 cm = 1,45 m g = 10 m/s² h2 = 20 cm = 0,2 m Ditanya: a. v = ... ? b. x = ... ? Jawab: a). v = √ 2 g (h1 - h2) = √ 2 . 10 . (1,45 – 0,2) = √25 = 5 m/s h = h1 - h2 = 1,25 m b). Jarak pancaran air h = ½ gt² t = √2h /g = √2 . 1,25 /10 = 0,5 s x=v.T = 5 m/s . 0,5 s = 2,5 m Contoh Soal 1 Contoh Soal 2 Contoh Soal 3 Contoh Soal 4 Contoh Soal 5 Contoh soal 5 5. Sebuah pesawat terbang dengan lus penampang sayap 40 m². bergerak sehingga menghasilkan perbedaan kecepatan aliran udara pada bagian atas sayap pesawat dan bagian bawahnya, yang masing-masing besarnya 240 m/s dan 200 m/s. berapa besarkah gaya angkat pada sayap, jika masa jenis udara = 1,3 kg/m³..? Penyelesaian: Diketahui: Ditanya A= 40 m² v1 = 200 m/s v2 = 240 m/s ρu = 1,3 kg/m³ : F…..? Jawab: F = P . A = 1 ⁄2 ρ (v2²- v1²) . A = 1 ⁄2 . 1,3 kg/m³ (240²- 200²) . 40 m² = 457.600 N Latihan Soal 1 latihan Soal 2 Latihan Soal 3 Latihan Soal 1 1. Pada sebuah sungai bawah tanah air mengalir dari hulu ke hilir. Kita anggap sungai berbentuk lingkaran dengan diameter bagian hulu sebesar 6 m dan bagian hilir 10 m. jika kelajuan air pada sungai bagian hulu sebesar 10 m/s, maka hitunglah kelajuan air pada sungai bagian hilir! Latihan Soal 1 latihan Soal 2 Latihan Soal 3 Latihan Soal 2 2. Sebuah pipa silindris dengan diameter berbeda masing-masing 8 cm dan 4 cm diletakkan pada bidang mendatar. Jika kecepatan aliran air pada diameter besar 2 m/s dan tekanan 105 Pa. berapakah kecepatan dan tekanan pada diameter kecil? Latihan Soal 1 latihan Soal 2 Latihan Soal 3 Latihan Soal 3 1. Diketahui air mengalir melalui sebuah pipa. Diameter pipa bagian kiri A1 = 10 cm dan bagian kanan A2 = 6 cm, serta kelajuan aliran air pada pipa bagian kiri v1 = 5 m/s. hitunglah kelajuan aliran air yang melalui A2! Oops .... the answer wrong Try again ....!! Penutup "Akar pendidikan itu rasanya pahit; tapi buahnya manis." (-Aristoteles-)