soal fisika fluida dinamis

By Posted on

soal fisika fluida dinamis

Pengantar Fluida Dinamis

Fluida dinamis adalah cabang fisika yang mempelajari fluida (zat cair dan gas) dalam keadaan bergerak. Konsep ini sangat penting dalam berbagai aplikasi teknologi dan fenomena alam, mulai dari aliran air di pipa, gaya angkat pada sayap pesawat, hingga sirkulasi darah dalam tubuh. Untuk membantu Anda memahami dan menguasai materi ini, kami telah menyusun serangkaian soal fisika fluida dinamis yang komprehensif. Soal-soal ini mencakup berbagai tingkat kesulitan dan jenis, mulai dari pilihan ganda, isian singkat, uraian, hingga menjodohkan, lengkap dengan kunci jawaban dan pembahasan.

I. Soal Pilihan Ganda

  1. Prinsip dasar yang menyatakan bahwa jumlah debit fluida yang masuk ke dalam suatu pipa harus sama dengan jumlah debit fluida yang keluar dari pipa tersebut, asalkan tidak ada kebocoran, dikenal sebagai…
    1. Hukum Newton
    2. Hukum Pascal
    3. Persamaan Kontinuitas
    4. Hukum Archimedes
    5. Hukum Bernoulli
  2. Sebuah pipa memiliki diameter 20 cm pada ujung A dan 10 cm pada ujung B. Jika kecepatan aliran air pada ujung A adalah 4 m/s, berapa kecepatan aliran air pada ujung B?
    1. 8 m/s
    2. 16 m/s
    3. 32 m/s
    4. 40 m/s
    5. 64 m/s
  3. Menurut Hukum Bernoulli, pada fluida ideal yang mengalir dalam pipa mendatar, jika kecepatan aliran fluida meningkat, maka…
    1. Tekanan fluida akan meningkat
    2. Tekanan fluida akan menurun
    3. Tekanan fluida tetap
    4. Ketinggian fluida akan meningkat
    5. Massa jenis fluida akan berubah
  4. Venturimeter adalah alat yang digunakan untuk mengukur…
    1. Massa jenis fluida
    2. Tekanan fluida
    3. Debit fluida
    4. Viskositas fluida
    5. Kecepatan aliran fluida
  5. Gaya angkat pada sayap pesawat terbang dapat dijelaskan menggunakan prinsip…
    1. Hukum Archimedes
    2. Hukum Pascal
    3. Hukum Newton
    4. Persamaan Kontinuitas
    5. Hukum Bernoulli
  6. Karakteristik fluida ideal antara lain adalah…
    1. Kompresibel dan memiliki viskositas
    2. Inkompresibel dan memiliki viskositas
    3. Kompresibel dan tidak memiliki viskositas
    4. Inkompresibel dan tidak memiliki viskositas
    5. Memiliki tegangan permukaan
  7. Air mengalir melalui pipa horizontal dengan kecepatan 2 m/s pada bagian yang berdiameter 4 cm. Jika pipa menyempit menjadi diameter 2 cm, berapa kecepatan air di bagian yang sempit?
    1. 2 m/s
    2. 4 m/s
    3. 6 m/s
    4. 8 m/s
    5. 16 m/s
  8. Sebuah tangki air memiliki lubang kecil pada ketinggian 0.8 m dari dasar tangki. Jika permukaan air berada 1.8 m di atas dasar tangki, berapa kecepatan air yang keluar dari lubang tersebut? (g = 10 m/s²)
    1. √2 m/s
    2. √10 m/s
    3. √20 m/s
    4. √36 m/s
    5. √40 m/s
  9. Manometer U-tube yang dihubungkan ke Venturimeter digunakan untuk mengukur…
    1. Perbedaan tinggi permukaan
    2. Perbedaan tekanan
    3. Kecepatan rata-rata
    4. Massa jenis fluida
    5. Debit total
  10. Debit aliran fluida didefinisikan sebagai…
    1. Massa fluida per satuan waktu
    2. Volume fluida per satuan waktu
    3. Gaya per satuan luas
    4. Energi per satuan volume
    5. Kecepatan fluida per satuan luas
  11. Tekanan statis pada fluida yang bergerak adalah tekanan yang disebabkan oleh…
    1. Gerakan fluida
    2. Ketinggian fluida
    3. Massa jenis fluida
    4. Kecepatan fluida
    5. Gaya gravitasi
  12. Persamaan kontinuitas dapat dituliskan sebagai A₁v₁ = A₂v₂. Apa yang dilambangkan oleh ‘A’?
    1. Massa jenis fluida
    2. Volume fluida
    3. Luas penampang pipa
    4. Kecepatan fluida
    5. Tekanan fluida
  13. Aliran fluida dikatakan laminar jika…
    1. Alirannya tidak teratur dan membentuk pusaran
    2. Partikel fluida bergerak acak
    3. Partikel fluida bergerak mengikuti garis lurus dan sejajar
    4. Kecepatan fluida sangat tinggi
    5. Terjadi pencampuran yang signifikan antar lapisan fluida
  14. Sebuah pipa dengan luas penampang 5 cm² mengalirkan air dengan kecepatan 10 m/s. Debit air yang mengalir adalah…
    1. 0.005 m³/s
    2. 0.05 m³/s
    3. 0.5 m³/s
    4. 5 m³/s
    5. 50 m³/s
  15. Pernyataan yang benar tentang fluida ideal adalah…
    1. Memiliki viskositas dan kompresibel
    2. Tidak memiliki viskositas dan inkompresibel
    3. Memiliki viskositas dan inkompresibel
    4. Tidak memiliki viskositas dan kompresibel
    5. Alirannya selalu turbulen
  16. Sebuah tandon air berlubang kecil di bagian samping pada kedalaman 45 cm dari permukaan air. Kecepatan semburan air dari lubang tersebut adalah… (g = 10 m/s²)
    1. 1 m/s
    2. 2 m/s
    3. 3 m/s
    4. 4 m/s
    5. 5 m/s
  17. Prinsip Bernoulli menyatakan bahwa jumlah dari tekanan, energi kinetik per satuan volume, dan energi potensial per satuan volume adalah konstan. Ini dapat dinyatakan sebagai…
    1. P + ρgh + 1/2 ρv² = konstan
    2. P + ρgh = konstan
    3. 1/2 ρv² + ρgh = konstan
    4. P + 1/2 ρv² = konstan
    5. P + ρv² = konstan
  18. Dalam kasus gaya angkat pesawat, perbedaan tekanan di atas dan di bawah sayap pesawat disebabkan oleh…
    1. Perbedaan massa jenis udara
    2. Perbedaan viskositas udara
    3. Perbedaan kecepatan aliran udara
    4. Perbedaan ketinggian sayap
    5. Perbedaan temperatur udara
  19. Sebuah pipa horizontal memiliki dua bagian dengan luas penampang berbeda. Bagian pertama memiliki luas 10 cm² dan bagian kedua 5 cm². Jika tekanan pada bagian pertama 120 kPa dan kecepatan 2 m/s, berapa tekanan pada bagian kedua? (Massa jenis air = 1000 kg/m³)
    1. 110 kPa
    2. 114 kPa
    3. 116 kPa
    4. 118 kPa
    5. 120 kPa
  20. Gaya Stokes berkaitan dengan…
    1. Gaya angkat fluida
    2. Gaya hambat pada benda yang bergerak dalam fluida kental
    3. Gaya dorong fluida
    4. Gaya apung fluida
    5. Gaya yang disebabkan oleh tegangan permukaan

II. Soal Isian Singkat

  1. Menurut persamaan kontinuitas, jika luas penampang pipa mengecil, maka kecepatan aliran fluida akan…
  2. Alat yang digunakan untuk mengukur kecepatan aliran fluida di sungai atau saluran terbuka adalah…
  3. Semakin tinggi viskositas suatu fluida, maka semakin besar pula… terhadap aliran.
  4. Sebuah pipa berdiameter 6 cm mengalirkan air dengan debit 1.8π x 10⁻³ m³/s. Kecepatan aliran air dalam pipa adalah… m/s.
  5. Sebuah gaya angkat sebesar 1000 N dihasilkan pada sayap pesawat dengan luas 2 m². Perbedaan tekanan antara permukaan atas dan bawah sayap adalah… Pa.

III. Soal Uraian

  1. Jelaskan prinsip kerja tabung Venturi tanpa manometer dan bagaimana prinsip Bernoulli diterapkan di dalamnya untuk mengukur kecepatan aliran fluida!
  2. Sebuah pipa horizontal memiliki diameter 10 cm pada satu ujung dan 5 cm pada ujung lainnya. Air mengalir dari ujung yang lebih besar ke ujung yang lebih kecil. Jika kecepatan air pada ujung yang lebih besar adalah 2 m/s dan tekanannya 150 kPa, hitunglah kecepatan air dan tekanan pada ujung yang lebih kecil! (Massa jenis air = 1000 kg/m³)
  3. Apa saja karakteristik utama dari fluida ideal? Mengapa dalam praktiknya, fluida ideal hanyalah sebuah model teoretis?
  4. Jelaskan bagaimana hukum Torricelli merupakan kasus khusus dari prinsip Bernoulli. Sertakan penurunan rumus kecepatan semburan air dari lubang tangki!
  5. Sebuah pesawat memiliki total luas sayap 50 m². Jika kecepatan udara di atas sayap 200 m/s dan di bawah sayap 180 m/s, hitunglah gaya angkat yang dihasilkan pesawat tersebut! (Massa jenis udara = 1.2 kg/m³)

IV. Soal Menjodohkan

Jodohkan pernyataan di kolom kiri dengan konsep yang tepat di kolom kanan!

Soal 1

  1. Pernyataan: Aliran fluida yang tidak teratur dan membentuk pusaran.
  2. Pernyataan: Fluida yang tidak dapat dimampatkan.
  3. Pernyataan: Perbandingan gaya geser terhadap gradien kecepatan.
  4. Pernyataan: Jumlah debit fluida yang masuk sama dengan yang keluar.
  1. Inkompresibel
  2. Persamaan Kontinuitas
  3. Viskositas
  4. Aliran Turbulen

Soal 2

  1. Pernyataan: Mengukur kecepatan aliran fluida dalam pipa.
  2. Pernyataan: Menjelaskan hubungan antara tekanan, kecepatan, dan ketinggian fluida.
  3. Pernyataan: Menghitung kecepatan air yang keluar dari lubang tangki.
  4. Pernyataan: Gaya hambat pada benda yang bergerak dalam fluida kental.
  1. Hukum Torricelli
  2. Hukum Bernoulli
  3. Tabung Venturi
  4. Gaya Stokes

Kunci Jawaban dan Pembahasan

I. Soal Pilihan Ganda

  1. C. Persamaan Kontinuitas
    Pembahasan: Persamaan kontinuitas menyatakan bahwa debit fluida (volume per waktu) adalah konstan di setiap titik dalam aliran fluida yang tak termampatkan.
  2. B. 16 m/s
    Pembahasan: Gunakan Persamaan Kontinuitas A₁v₁ = A₂v₂. Karena A = πr², maka (πr₁²)v₁ = (πr₂²)v₂. (10²) × 4 = (5²) × v₂. 100 × 4 = 25 × v₂. 400 = 25v₂. v₂ = 16 m/s.
  3. B. Tekanan fluida akan menurun
    Pembahasan: Ini adalah salah satu konsekuensi dari Hukum Bernoulli. Ketika kecepatan fluida meningkat, energi kinetik fluida meningkat, sehingga tekanan statisnya harus menurun agar total energi tetap konstan.
  4. E. Kecepatan aliran fluida
    Pembahasan: Venturimeter bekerja berdasarkan prinsip Bernoulli untuk mengukur perbedaan tekanan yang kemudian digunakan untuk menghitung kecepatan aliran fluida.
  5. E. Hukum Bernoulli
    Pembahasan: Perbedaan tekanan di atas dan di bawah sayap pesawat, yang menghasilkan gaya angkat, dijelaskan oleh perbedaan kecepatan aliran udara di kedua permukaan sayap sesuai dengan Hukum Bernoulli.
  6. D. Inkompresibel dan tidak memiliki viskositas
    Pembahasan: Fluida ideal adalah model teoritis yang diasumsikan tidak dapat dimampatkan (inkompresibel) dan tidak memiliki gesekan internal (viskositas nol).
  7. D. 8 m/s
    Pembahasan: Menggunakan Persamaan Kontinuitas A₁v₁ = A₂v₂. (π(2 cm)²) × 2 m/s = (π(1 cm)²) × v₂. 4 × 2 = 1 × v₂. v₂ = 8 m/s.
  8. C. √20 m/s
    Pembahasan: Gunakan Hukum Torricelli, v = √(2gh). h adalah perbedaan ketinggian permukaan air dan lubang = 1.8 m – 0.8 m = 1 m. v = √(2 × 10 × 1) = √20 m/s.
  9. B. Perbedaan tekanan
    Pembahasan: Manometer U-tube dalam Venturimeter berfungsi untuk mengukur perbedaan tekanan antara bagian pipa yang lebar dan yang sempit.
  10. B. Volume fluida per satuan waktu
    Pembahasan: Debit (Q) adalah laju aliran volume, yaitu volume fluida yang melewati suatu penampang per satuan waktu (Q = V/t = Av).
  11. B. Ketinggian fluida
    Pembahasan: Tekanan statis (ρgh) dalam persamaan Bernoulli berkaitan dengan energi potensial fluida karena ketinggiannya. Tekanan yang disebabkan gerakan adalah tekanan dinamis (1/2 ρv²).
  12. C. Luas penampang pipa
    Pembahasan: Dalam A₁v₁ = A₂v₂, A melambangkan luas penampang pipa (cross-sectional area).
  13. C. Partikel fluida bergerak mengikuti garis lurus dan sejajar
    Pembahasan: Aliran laminar adalah aliran fluida yang halus dan teratur, di mana partikel-partikel fluida bergerak dalam lapisan-lapisan paralel tanpa pencampuran yang signifikan.
  14. A. 0.005 m³/s
    Pembahasan: Debit Q = Av. A = 5 cm² = 5 × 10⁻⁴ m². v = 10 m/s. Q = (5 × 10⁻⁴ m²) × 10 m/s = 5 × 10⁻³ m³/s = 0.005 m³/s.
  15. B. Tidak memiliki viskositas dan inkompresibel
    Pembahasan: Ini adalah dua karakteristik utama dari fluida ideal.
  16. C. 3 m/s
    Pembahasan: Menggunakan Hukum Torricelli, v = √(2gh). h = 45 cm = 0.45 m. v = √(2 × 10 × 0.45) = √(9) = 3 m/s.
  17. A. P + ρgh + 1/2 ρv² = konstan
    Pembahasan: Ini adalah bentuk umum dari persamaan Bernoulli, yang menyatakan konservasi energi pada fluida ideal yang mengalir.
  18. C. Perbedaan kecepatan aliran udara
    Pembahasan: Menurut Hukum Bernoulli, kecepatan udara yang lebih tinggi di atas sayap menyebabkan tekanan yang lebih rendah, dan kecepatan yang lebih rendah di bawah sayap menyebabkan tekanan yang lebih tinggi, menciptakan gaya angkat.
  19. B. 114 kPa
    Pembahasan: Pertama, cari v₂ menggunakan A₁v₁ = A₂v₂. (10 cm²) × 2 m/s = (5 cm²) × v₂. v₂ = 4 m/s. Kemudian gunakan Hukum Bernoulli P₁ + 1/2 ρv₁² = P₂ + 1/2 ρv₂². 120000 + 1/2(1000)(2²) = P₂ + 1/2(1000)(4²). 120000 + 2000 = P₂ + 8000. 122000 = P₂ + 8000. P₂ = 114000 Pa = 114 kPa.
  20. B. Gaya hambat pada benda yang bergerak dalam fluida kental
    Pembahasan: Gaya Stokes adalah gaya hambat yang dialami oleh benda berbentuk bola yang bergerak dalam fluida kental dengan kecepatan rendah.

II. Soal Isian Singkat

  1. Meningkat
  2. Current meter (atau flow meter)
  3. Hambatan
  4. 2 m/s
    Pembahasan: Q = Av. A = πr² = π(0.03 m)² = 0.0009π m². v = Q/A = (1.8π x 10⁻³ m³/s) / (0.0009π m²) = 2 m/s.
  5. 500 Pa
    Pembahasan: Gaya angkat = ΔP × A. ΔP = Gaya angkat / A = 1000 N / 2 m² = 500 N/m² = 500 Pa.

III. Soal Uraian

  1. Pembahasan: Tabung Venturi tanpa manometer mengukur kecepatan aliran dengan membandingkan luas penampang yang berbeda. Ketika fluida mengalir dari bagian yang lebih lebar ke bagian yang lebih sempit, sesuai Persamaan Kontinuitas, kecepatannya akan meningkat. Menurut Hukum Bernoulli, peningkatan kecepatan ini menyebabkan penurunan tekanan. Dengan mengukur perbedaan tekanan ini (biasanya melalui perbedaan ketinggian fluida di pipa vertikal kecil yang terhubung ke Venturi), kecepatan aliran dapat dihitung.
  2. Pembahasan:
    • Mencari Kecepatan air pada ujung yang lebih kecil (v₂)
      A₁v₁ = A₂v₂
      π(r₁)²v₁ = π(r₂)²v₂
      (0.05 m)² × 2 m/s = (0.025 m)² × v₂
      0.0025 × 2 = 0.000625 × v₂
      0.005 = 0.000625 v₂
      v₂ = 8 m/s
    • Mencari Tekanan pada ujung yang lebih kecil (P₂)
      Gunakan Hukum Bernoulli: P₁ + 1/2 ρv₁² + ρgh₁ = P₂ + 1/2 ρv₂² + ρgh₂.
      Karena pipa horizontal, h₁ = h₂, sehingga ρgh₁ dan ρgh₂ saling menghilangkan.
      P₁ + 1/2 ρv₁² = P₂ + 1/2 ρv₂²
      150000 Pa + 1/2 (1000 kg/m³)(2 m/s)² = P₂ + 1/2 (1000 kg/m³)(8 m/s)²
      150000 + 1/2 (1000)(4) = P₂ + 1/2 (1000)(64)
      150000 + 2000 = P₂ + 32000
      152000 = P₂ + 32000
      P₂ = 120000 Pa = 120 kPa
  3. Pembahasan: Karakteristik utama fluida ideal adalah:
    • Inkompresibel: Massa jenisnya tidak berubah meskipun ada perubahan tekanan.
    • Tidak memiliki viskositas (non-viscous): Tidak ada gesekan internal antar lapisan fluida atau antara fluida dengan dinding pipa.
    • Aliran stasioner/tunak (steady flow): Kecepatan partikel fluida di setiap titik adalah konstan seiring waktu.
    • Aliran tak berolak (irrotational flow): Fluida tidak berputar atau membentuk pusaran.

    Dalam praktiknya, fluida ideal hanyalah sebuah model teoretis karena semua fluida di dunia nyata memiliki viskositas (meskipun kecil), dan sebagian besar dapat dimampatkan sampai batas tertentu (terutama gas). Model ini digunakan untuk menyederhanakan analisis dan memberikan perkiraan yang baik dalam banyak kasus, tetapi tidak sepenuhnya merepresentasikan realitas.

  4. Pembahasan: Hukum Torricelli menyatakan bahwa kecepatan semburan fluida dari sebuah lubang pada tangki yang terbuka ke atmosfer adalah v = √(2gh), di mana h adalah kedalaman lubang dari permukaan fluida. Ini adalah kasus khusus dari prinsip Bernoulli.
    Penurunan:Ambil dua titik: Titik 1 di permukaan fluida dalam tangki, dan Titik 2 di lubang tempat fluida keluar.
    • Di Titik 1 (permukaan): P₁ = P_atm (tekanan atmosfer), v₁ ≈ 0 (kecepatan permukaan turun sangat lambat jika lubang kecil), h₁ = h (ketinggian permukaan dari titik referensi).
    • Di Titik 2 (lubang): P₂ = P_atm (terbuka ke atmosfer), v₂ = v (kecepatan yang dicari), h₂ = 0 (ambil lubang sebagai titik referensi).

    Persamaan Bernoulli: P₁ + 1/2 ρv₁² + ρgh₁ = P₂ + 1/2 ρv₂² + ρgh₂
    P_atm + 1/2 ρ(0)² + ρgh = P_atm + 1/2 ρv² + ρg(0)
    P_atm + ρgh = P_atm + 1/2 ρv²
    ρgh = 1/2 ρv²
    gh = 1/2 v²
    v² = 2gh
    v = √(2gh)

  5. Pembahasan:Gaya angkat (F_L) = ΔP × A
    Perbedaan tekanan (ΔP) = 1/2 ρ(v_atas² – v_bawah²)
    ΔP = 1/2 (1.2 kg/m³)((200 m/s)² – (180 m/s)²)ΔP = 1/2 (1.2)(40000 – 32400)ΔP = 0.6 × 7600ΔP = 4560 Pa
    F_L = 4560 Pa × 50 m²F_L = 228000 N
    Jadi, gaya angkat yang dihasilkan pesawat adalah 228000 N.

IV. Soal Menjodohkan

Soal 1

  1. Pernyataan: Aliran fluida yang tidak teratur dan membentuk pusaran. -> D. Aliran Turbulen
  2. Pernyataan: Fluida yang tidak dapat dimampatkan. -> A. Inkompresibel
  3. Pernyataan: Perbandingan gaya geser terhadap gradien kecepatan. -> C. Viskositas
  4. Pernyataan: Jumlah debit fluida yang masuk sama dengan yang keluar. -> B. Persamaan Kontinuitas

Soal 2

  1. Pernyataan: Mengukur kecepatan aliran fluida dalam pipa. -> C. Tabung Venturi
  2. Pernyataan: Menjelaskan hubungan antara tekanan, kecepatan, dan ketinggian fluida. -> B. Hukum Bernoulli
  3. Pernyataan: Menghitung kecepatan air yang keluar dari lubang tangki. -> A. Hukum Torricelli
  4. Pernyataan: Gaya hambat pada benda yang bergerak dalam fluida kental. -> D. Gaya Stokes

Related posts:

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *