Kumpulan Soal Fluida Statis Kelas 11 Beserta Pembahasan
Pada materi Fisika kelas 11, dipelajari sifat fluida statis atau dluida yang tidak mengalir atau dalam kondisi diam. Terdapat beberapa besaran yang dialami oleh fluida statis seperti tekanan hidrostatis, gaya Archimedes, hukum Pascal dan lainnya. Berikut contoh soal fluida statis kelas 11 beserta pembahasan
1. Pada suatu bejana yang berisi air dengan massa jenis ρ = 1000 kg/m³. Air di dalam bejana memiliki ketinggian 120 cm. Apabila g = 10 m/s² serta tekanan udara sebesar 1 atm. Tentukan:
a. tekanan hidrostatis pada dasar bejana air
b. tekanan mutlak pada dasar bejana air
Pembahasan:
Diketahui:
h = 120 cm = 0,12 m
ρ = 1000 kg/m³
Pu = 1 atm = 10⁵ Pa
g = 10 m/s²
Jawab:
a. tekanan hidrostatis pada dasar bejana air
Ph = ρ x g x h
Ph = 1000 kg/m³ x 10 m/s² x 0,12 m
Ph = 1200 Pa
Ph = 1,2 x 10³ Pa
b. tekanan mutlak pada dasar bejana air
Tekanan mutlak di dasar bejana air adalah penjumlahan dari tekanan hidrostatis di dasar bejana air ditambah dengan tekanan udara yang dialami oleh bagian permukaan air.
Pa = Pu + Ph
Pa = 10⁵ Pa + 1200 Pa
Pa = 100.000 Pa + 1200 Pa
Pa = 101.200 Pa
2. Suatu bejana berhubungan dipakai untuk mengangkat beban berupa kendaraan roda empat. Beban seberat 1500 kg diletakkan di atas penampang seluas 3000 cm². Hitunglah berapakah gaya yang harus diberikan pada bagian bejana kecil berukuran 20 cm² supaya beban bisa terangkat?
Pembahasan:
Diketahui:
ma = 1500 kg
Aa = 3000 cm²
Ab = 20 cm²
g = 10 m/s²
Jawab:
Untuk menghitung berapa gaya yang harus diberikan pada bejana berukuran lebih kecil, maka digunakan hukum Pascal pada bejana berhubungan.
Fa/Aa = Fb/Ab
(ma x g)/Aa = Fb/Ab
(1500 kg x 10 m/s² )/(3000 cm² ) = Fb/(20 cm²)
Fb = (20 cm^2 x 1500 kg x 10 m/s² )/(3000 cm² )
Fb = 100 N
Sehingga gaya yang harus diberikan pada bejana dengan penampang berukuran kecil adalah sebesar 100 N.
3. Suatu balok kayu dengan massa sebesar 35 kg mempunyai volume 5 x 10ˉ² m³. Apabila balok kayu tersebut kemudian dimasukkan ke dalam air dengan massa jenis (ρ = 1000 kg/m³) diberi beban, hitunglah massa beban maksimum yang bisa ditapung di atas balok tersebut agar balok masih dapat terapung?
Pembahasan:
Diketahui:
mb = 35 kg
Vb = 5 x 10ˉ² m³
ρ = 1000 kg/m³
Jawab:
Balok kayu yang diberi beban masih akan dapat terapung di air jika massa beban maksimum memenuhi persamaan keadaan keseimbangan di bawah ini:
w + wb = Fa
m x g + mb x g = ρ x g x Vb (g dapat dicoret di sisi kanan dan sisi kiri)
m + mb = ρ x Vb
m + 35 kg = 1000 kg/m³ x 5 x 10ˉ² m³
m + 35 kg = 50 kg
m = 50 kg – 35 kg
m = 15 kg
4. Benda yang memiliki massa 5 kg mempunyai volume 2,5 x 10ˉ³ m³. Apabila benda tersebut ditimbang di dalam air dengan massa jenis ρ = 1 g/cm³ dengan g = 10 m/s², tentukan besaran nilai di bawah ini:
a. Gaya Archimedes yang bekerja di benda tersebut
b. Berat benda di dalam air
Pembahasan:
Diketahui:
mb = 5 kg
Vb = 2,5 x 10ˉ³ m³
ρ = 1 g/cm³ = 1000 kg/m³
g = 10 m/s²
Jawab:
Gaya yang bekerja pada benda yang dicelupkan ke dalam air berbeda dengan gaya yang berada di udara terbuka. Di dalam air, terdapat beberapa gaya yang bekerja yaitu gaya angkat atau gaya Archimedes, gaya berat benda karena gravitasi.
a. Gaya Archimedes (gaya ke atas) yang bekerja di benda tersebut dihitung dengan rumus berikut:
Fa = ρ x g x V
Fa = 1000 kg/m³ x 10 m/s² x 2,5 x 10ˉ³ m³
Fa = 25 N
b. Berat benda di dalam air (w’) adalah berat benda yang ditimbang di udara terbuka dikurangi oleh gaya angkat benda di dalam air atau gaya Archimedes.
Fa = w – w’
w’ = w - Fa
w’ = m x g – Fa
w’ = 5 kg x 10 m/s² – 25 N
w’ = 50 N – 25 N
w’ = 25 N
5. Jika diketahui tekanan di permukaan zat fluida sebesar 101 kPa. Tentukan berapakah tekanan yang dirasakan oleh sebuah kapal yang terletak di kedalaman 150 m di bawah permukaan air laut apabila diketahui besar massa jenis air laut adalah ρ = 1000 kg/m³
Pembahasan:
Diketahui:
P0 = 101 x 10³ Pa
h = 150 m
g = 10 m/s²
Jawab:
Untuk menghitung tekanan yang dialami kapal tersebut dengan menjumlahkan tekanan udara di permukaan dengan tekanan hidrostatis.
P = P0 + (ρ . g . h)
P = 101 x 10³ Pa + (1000 kg/m³ x 10 m/s² x 150 m)
P = 101 x 10³ Pa + 1500 x 10³ Pa
P = 1601 kPa
6. Suatu pipa berbentuk huruf U diisi dua jenis cairan yang memiliki kerapatan berbeda dan dalam kondisi setimbang. Pada pipa sebelah kiri diisi fluida A yang besar kerapatannya tidak diketahui. Sementara di sisi kanan berisi air yang memiliki kerapatan sebesar ρ = 1000 kg/m³.
Apabila selisih ketinggian pada permukaan air sebesar 15 mm serta selisih ketinggian antara air dan fluida A adalah 20 mm. Tentukan besar kerapatan fluida A tersebut?
Pembahasan:
Diketahui:
ρair = 1000 kg/m³
hair = 15 mm
hA = 20 mm
g = 10 m/s²
Jawab:
Ilustrasi dari pipa U pada soal di atas ditunjukkan pada gambar di bawah ini:
Tekanan pada sebelah kiri pipa U disebabkan oleh tekanan atmosfer serta berat fluida A. Tekanan pada sebelah kanan pipa disebabkan oleh tekanan atmosfer serta berat air. Maka untuk menghitung kerapatan fluida A adalah dengan menghitung tekanan pada titik yang segaris.
Tekanan pada titik yang segaris di sisi kanan dan sisi kiri adalah sama.
ρair x g x hair = ρA x g x hA (Nilai g pada sisi kanan dan sisi kiri bisa dicoret)
1000 kg/m³ x 15 mm = ρA x 20 mm
ρA = (1000 kg/m³ x 15 mm )/(20 mm)
ρA = 750 kg/m³
7. Sebuah benda berbentuk balok mengapung di atas air dengan massa jenis benda sebesar 950 kg/m³ serta massa jenis air adalah 1000 kg/m³. Tentukan ada berapa bagian balok yang terletak di atas permukaan air?
Pembahasan
Diketahui:
ρair = 1000 kg/m³
ρbalok = 950 kg/m³
Jawab:
Untuk menjawab persoalan ini, maka digunakan rumus benda mengapung di dalam cairan, yakni besar gaya ke atas sama dengan gaya ke bawah atau gaya berat benda.
Fapung = Fberat
ρair x V x g = ρbalok x V’ x g
V/V’ = (950 kg/m³ )/(1000 kg/m³)
V/V’ = 0,95
Bagian yang tenggelam yaitu 0,95 bagian sehingga bagian balok yang terapung ada 0,05 bagian atau sebesar 5%.
8. Suatu truk pengangkat barang ingin diangkat memakai dongkrak hidrolik. Jika diketahui pipa besar mempunyai ukuran jari-jari sebesar 40 cm serta pipa kecil mempunyai jari-jari sebesar 5 cm. Tentukan berapakah besar gaya yang harus diberikan ke pipa kecil jika berat truk sebesar 30.000 N?
Pembahasan:
Diketahui:
r1 = 5 cm
r2 = 40 cm
F2 = 30.000 N
Jawab:
Untuk menghitung gaya pada salah satu pipa dongkrak hidrolik, maka digunakan rumus Hukum Pascal. Tekanan pada pipa besar dan pipa kecil memiliki besar yang sama. Jika salah satu permukaan lebih luas, maka gaya dorong pada pipa yang besar tersebut akan lebih besar dibandingkan gaya pada pipa kecil.
P1 = P2
(F1 )/A1 = (F2 )/A2
F1 = F2 x (A1 )/A2
F1 = 30.000 N x (π x r1²)/(π x r2²)
F1 = 30.000 N x ( 5²)/40²
F1 = 4,7 x 10ˉ¹ N
9. Ketinggian kolom barometer air raksa dengan suhu -10 ⁰C di suatu ruangan adalah sebesar 780 cm. Sementara kerapatan air raksa pada saat itu sebesar 1,36 x 10⁴ kg/m³. Tentukan tekanan udara di ruangan tersebut?
Pembahasan:
Diketahui:
ρraksa = 1,36 x 10⁴ kg/m³
h = 780 cm
Jawab:
P = ρraksa x g x h
P = 1,36 x 10⁴ kg/m³ x 10 m/s² x 7,8 m
P = 106,08 x 10⁴ Pa
Untuk mengubah satuan Pa ke satuan atm maka dikalikan dengan 101,325 kPa/atm
P = 1060,8 kPa : 101,325 kPa/atm
P = 10,47 atm
10. Sebuah danau mempunyai kedalaman mencapai 30 m. Jika diketahui percepatan gravitasi g = 10 m/s² dan massa jenis air danau adalah 1 g/cm³, serta tekanan yang ada di atas permukaan air danau sebesar 1 atm. Tentukan tekanan hidrostatika serta tekanan total di danau tersebut?
Pembahasan:
Diketahui:
h = 30 m
ρ = 1 g/cm³ = 1000 kg/m³
g = 10 m/s²
Po = 1 atm = 1,013 x 10⁵ Pa
Jawab:
Untuk menghitung tekanan hidrostatik pada dasar danau tersebut digunakan rumus di bawah ini:
Ph = ρ x g x h
Ph = 1000 kg/m³ x 10 m/s² x 30 m
Ph = 300.000 Pa
Ph = 3 x 10⁵ Pa
Untuk menghitung tekanan total maka tekanan hidrostatik dijumlahkan dengan tekanan udara.
Pt = Ph + Po
Pt = 3 x 10⁵ Pa + 1,013 x 10⁵ Pa
Pt = 4,013 x 10⁵ Pa
Materi fisika yang termasuk di dalam kumpulan soal fluida statis kelas 11 beserta pembahasan adalah materi gaya Archimedes, tekanan hidrostatis, hukum Pascal, materi benda melayang, mengapung dan sebagainya. Dengan banyak berlatih mengerjakan soal, akan meningkatkan pemahaman fluida statis.
Referensi:
Widodo, Tri. 2009. Fisika untuk SMA/MA Kelas XI. Jakarta: Pusat Perbukuan, Departemen Pendidikan Nasional
Nurachmandani, Setya. 2009. Fisika untuk SMA/MA Kelas XI. Jakarta: Pusat Perbukuan, Departemen Pendidikan Nasional