## PEMBELAJARAN TEKANAN HIDROSTATIK, KAPILARITAS, DAN DEBIT ZAT CAIR MELALUI POWER POINT , VIDEO, DAN MODUL EKSPERIMEN

## ISLAMIANI SAFITRI
Program Studi Pendidikan Matematika, STKIP Labuhan Batu, Jl. SM. Raja No 126 A, Aek Tapa, Rantauprapat Email: islamiani.safitri@gmail.com
Diterima April 2015 dan Disetujui Juni 2015

## ABSTRAK
Masalah  yang  sering  dihadapi  di  beberapa  sekolah  adalah  kesulitan  guru  dalam  mentransfer bahan ajar fisika kepada siswanya. Untuk mengatasi masalah tersebut, dapat dilakukan desain perangkat  pembelajaran  fluida  statik  dan  dinamik  berupa  power  point,  video,  dan  modul eksperimen.  Penentuan  tinggi  permukaan  dua  jenis  cairan  dalam  pipa  U  ditentukan  dengan prinsip  tekanan  hidrostatika,  sedangkan  penentuan  sudut  kontak  dan  kenaikan  kapilaritas dilakukan  dengan  memvariasikan  diameter  pipa  kapiler.  Penentuan  laju  dan  debit  aliran  pada fluida  dinamik  dilakukan  dengan  menggunakan  beaker  yang  berlubang  di  bagian  samping. Percobaan  menghasilkan  persen  beda  tinggi  permuakaan  cairan  adalah  5,3%  -  14,4%,  serta kenaikan kapilaritas sebesar 0,00425 m untuk pipa berdiameter 0,0025 m dan 0.00555 m untuk pipa berdiameter 0,002 m. Besar sudut kontak air yang didapatkan adalah 68,9 0 -69,9 0 . Dengan menghitung  debit  dari  grafik  volume  sebagai  fungsi  waktu,  didapatkan  laju  aliran  yang  keluar lubang beaker mengecil terhadap waktu. Hasil percobaan yang diperoleh dibandingkan dengan hitungan fluks volume serta hukum Torricelli. Jarak terjauh jatuhnya air di lantai juga ditentukan.

## Kata kunci: Kapilaritas, Sudut Kontak, Debit, dan Laju Aliran

## PENDAHULUAN
Guru  fisika  yang  profesional  harus memiliki beberapa kompetensi dalam perencanaan  dan  pelaksanaan  proses pembelajaran untuk mencapai tujuan pendidikan nasional. Untuk itu guru dituntut mampu menyampaikan bahan ajar dengan sebaik  mungkin,  yaitu  wajib  menguasai konsep  dan  prinsip  dasar  fisika,  terampil dan  mampu  mengembangkan  diri,  kreatif dalam  mengajar,  serta  dapat  membawa siswanya  untuk  menyenangi  pelajaran fisika.
Namun  persiapan  itu  saja  tidaklah cukup  dalam  mengajarkan  fisika.  Kasus yang  sering  dihadapi  di  berbagai  instansi pendidikan  adalah  kesulitan  guru  fisika dalam  mentransfer  bahan  ajar  kepada siswanya.  Fasilitas  laboratorium  yang kurang  lengkap  dan  rendahnya  kreativitas mengajar  menjadikan  guru  tidak  produktif dalam  mengembangkan  pedagogik  siswa di  bidang  fisika.  Akibatnya,  siswa  merasa bosan  dan  tidak  tertarik  untuk  belajar sehingga berimbas pada kurangnya pemahaman konsep fisika.
Untuk membantu mengatasi kasus tersebut, dibutuhkan
perangkat pembelajaran  untuk  mempermudah  guru fisika  dalam  mentransfer  bahan  ajarnya sehingga  siswa  memiliki  pemahaman konsep  dasar  fisika  yang  baik.  Lebih  dari itu,  guru  juga  dengan  mudah  dapat menggali kreativitas siswa sehingga muncul  inovasi  baru  dan  bermanfaat. Perangkat  pembelajaran  yang  dimaksud meliputi  pembuatan  ringkasan  materi  ajar dalam power point yang dilengkapi dengan video  dan  modul  eksperimennya.  Pada penelitian  ini,  topik  fisika  yang  menjadi bahasan  adalah “Fluida  Statik  dan  Fluida Dinamik.”

## Teori Fluida Statik
Fluida  adalah  suatu  zat  yang  dapat mengalir  karena  tidak  dapat  menahan tegangan  geser.  Dalam  alirannya,  fluida dapat  menyesuaikan  diri  dengan  bentuk sembarang wadah yang ditempatinya. [1]
Setiap fluida memiliki densitas yang berbeda- beda. Densitas atau massa jenis
( ρ )  merupakan  ukuran  konsentrasi  zat yang dinyatakan dalam massa per satuan volume.  Sifat  ini  ditentukan  dengan  cara menghitung  perbandingan  massa  zat yang  terkandung  dalam  suatu  bagian
tertentu terhadap volume bagian tersebut.
Tabel 1. Densitas dari berbagai cairan[2] Nama Zat Suhu (±0,5 0 C) Densitas (±0,0025 g/cm 3 ) Oli SAE 40 25 0,88 Minyak Kelapa 25 0,91 Air 25 1,00 Gliserin 25 1,26 Tekanan  zat  cair  dalam  keadaan statik dan hanya disebabkan oleh beratnya sendiri disebut tekanan hidrostatika.  Adapun  persamaan  tekanan hidrostatika adalah sebagai berikut.

## SUDUT KONTAK DAN KAPILARITAS
Pertemuan gas-cairan umumnya membentuk  lengkungan  ke  atas  atau  ke
bawah di  dekat  permukaan  padat.  Sudut θ yang  dibentuk  oleh  lengkungan  tersebut adalah  sudut  kontak  ( contact  angel )  dan kurva permukaan cairan disebut meniscus . Ketika gaya kohesi antar partikel lebih kecil daripada  gaya  adhesinya,  maka  cairan akan  membasahi  atau  melekat  pada permukaan padat. Bidang batas cairan-gas tersebut  akan  membentuk  kurva  yang melengkung  ke  bawah  (cekung)  dan memiliki sudut kurang dari 90 o .
Gambar 1. Sudut kontak air dan raksa [3]
Tegangan permukaan menyebabkan terbentuknya  bagian  yang  tinggi  dan rendah  pada  cairan  dalam  tabung  yang sempit.  Efek  inilah  yang  disebut  dengan kapilaritas ,  yaitu  peristiwa  naik  atau turunnya  permukaan  zat  cair  pada  pipa kapiler.

## Fluida Dinamik Hukum Torricelli
Jika  air  di  dalam  wadah  mengalami kebocoran,  kelajuan  air  yang  memancar keluar  dari  lubang  tersebut  dapat  dihitung. Berdasarkan  Hukum  Toricelli,  jika  diameter lubang  kebocoran  pada  dinding  wadah sangat  kecil  dibandingkan  diameter  wadah, kelajuan  air  yang  keluar  dari  lubang  sama dengan  kelajuan  yang  diperoleh  jika  air tersebut jatuh bebas dari ketinggian h.
Gambar 2. Aliran fluida pada gelas beaker berlubang
Gambar  2.  menunjukkan  sebuah wadah berisi air dengan ketinggian tertentu dalam  keadaan  awal  statis.  Pada  bagian dinding  bawah  diberi  lubang  dengan  luas penampang A 2 , berbeda  dengan  luas penampang  wadah A 1 .  Ketinggian  antara permukaan air dengan pusat lubang adalah h . Ketika penutup lubang dibuka, ketinggian air berkurang dengan laju aliran v 2 . Untuk  menentukan v 2 pada  lubang, dapat diterapkan persamaan Bernoulli. Titik 1  terletak  pada  permukaan beaker dan  titik 2 pada permukaan lubang. Karena diameter  lubang  jauh  lebih  kecil  dari diameter beaker ,  maka  kecepatan  air dipermukaan  gelas  dianggap  0  ( v 1 =  0). Permukaan  gelas beaker dan  permukaan lubang  dalam  kondisi  terbuka  sehingga tekanan  keduanya  sama  dengan  tekanan atmosfir, P 1 = P 2 = P u .  dengan  demikian persamaan Bernoulli untuk kasus ini adalah sebagai berikut.
...........................(4)

## Fluks Volume
Laju  aliran  pada  lubang  juga  dapat dicari  dengan  pemdekatan  analitik  fluks volume.  Jika  volume  awal  air  dalam  gelas beaker adalah A 1 h 1 dan  volume  air  per satuan  waktu  yang  mengalir  pada  lubang adalah A 2 v 2 ,  maka  volume  yang  tersisa  di dalam  gelas beaker  A 1 h .  Sehingga  dapat diturunkan sebagai berikut.
Jika t =  0,  maka  volume  awal  sama dengan volume tersisa. Namun, jika t = t , maka penurunannya adalah:
Persamaan 5 merupakan laju aliran air  pada  lubang  dengan  menggunakan pendekatan analisa fluks volume.

## Eksperimen Tekanan Hidrostatik
Dua  jenis  cairan  dengan  densitas yang  berbeda  dimasukkan  ke  dalam  pipa U,  kemudian  diamati  tinggi  permukaan cairan  pada  tabung  kiri  (air  dan  minyak) dan kanan (air dan gliserin).
h 1
Gambar 3 . Tinggi permukaan dua jenis cairan pada Pipa U

## Kapilaritas
Pipa  kapiler  dengan  diameter  yang berbeda- beda (0,2 cm, 0,25 cm, dan 0,45  cm)  dicelupkan  satu  per  satu  ke dalam beaker berisi  air,  kemudian diamati kenaikan kapilaritasnya.
Gambar 4. Kenaikan kapilaritas pada air

## Debit Zat Cair
Dua beaker berdiameter 8,5 cm dan 11,5  cm  yang  memiliki  lubang  masing- masing  3  mm  dan  1  mm. Beaker diisi  air ketika  lubang  dalam  keadaan  tertutup. Kemudian  penutup  di  buka  (lihat  Gambar 2) dan diamati jarak maksimum ( x ) air
pertama  kali  jatuh  dan  perubahan  tinggi h sebagai fungsi waktu.

## Hasil dan Diskusi Fluida Dinamik
Berdasarkan eksperimen fluida statik untuk  pengamatan  tinggi  permukaan  dua jenis  cairan  pada  pipa  U  yang  dilakukan, diperoleh data sebagai berikut.

## Tabel 2. Data pengukuran dua jenis cairan pada Pipa U
Jenis Fluida h A (cm) h B hit. (cm) h B eks (cm) % Beda Air Minyak kelapa 6,6 7,2 8,3 14,4 Air Oli 7,0 7,9 8,4 5,6 Gliserin Oli 7,4 10,6 11,0 3,8 Gliserin Air 9,2 11,6 12,9 11,2 Gliserin Minyak kelapa 9,6 13,3 14,0 5,3
h A h B
Data  tabel  2  menyatakan  bahwa tinggi  awal  permukaan  cairan  (air  atau gliserin)  yang  belum  dicampur  dengan cairan  lain  adalah  sama,  artinya h A sama dengan h B .  Namun,  ketika  cairan  tersebut dicampur  dengan  cairan  lain,  permukaan h A lebih rendah dari permukaan h B . Pada tabung sebelah kanan, baik air maupun  gliserin  akan  selalu  berada  di posisi  paling  bawah  jika  dicampur  dengan oli  atau  minyak  kelapa.  Hal  ini  terjadi
karena  air  dan  gliserin  memiliki  densitas lebih  besar  dibandingkan  dengan  densitas minyak  kelapa  dan  oli.  Namun,  jika  gliserin dicampur  dengan  air,  maka  gliserin  terlihat berada di posisi paling bawah, hal ini terjadi karena densitas gliserin lebih besar dibandingkan  dengan  densitas  air.  Cairan dengan  densitas  yang  lebih  besar  akan selalu berada di posisi paling bawah.
Di  bawah  ini  adalah  data  hasil pengamatan  kenaikan  kapilaritas  pada  air.

## Tabel 3. Hasil pengamatan kapilaritas
Diameter Pipa kapiler (m) h air (m) θ air ( o ) 0,0045 0 - 0,0025 0,00425 68,9 0,0020 0,00555 69,9
Data  table  3  menyatakan  bahwa  jika pipa  kapiler  dicelupkan  ke  dalam  air, terjadi  kenaikan  kapilaritas.  Dimana semakin  kecil  diameter  pipa,  maka semakin tinggi pula kenaikan kapilaritasnya. Namun, pada pipa kapiler berdiameter  0,0045  m  tidak  teramati adanya  kenaikan  kapilaritas.  Hal  ini terjadi  karena  rentang  untuk  diameter pipa kapiler yang mungkin masih teramati  kenaikan  kapilaritasnya  adalah 0,0005 m - 0,003 m.
Jika γ air, percepatan gravitasi g , dan ρ air  masing-masing  adalah  0,0756  m [4],  9,8  m/s 2 ,  dan  1000  kg/m 3 ,  maka sudut  kontak  air  untuk  pipa  kapiler berdiameter  0,002  m  dan  0,0025  m adalah  68,9 0 dan  69,9 0 ,  artinya  gaya kohesi air lebih kecil dari gaya adhesinya sehingga air membasahi dinding.

## Fluida Dinamik
Berikut  ini  grafik  hasil  eksperimen fluida dinamik.
Gambar 5. Grafik laju v air pada lubang berdiameter 3 mm sebagai fungsi waktu
Gambar 6. Grafik laju v air pada lubang berdiameter 1 mm sebagai fungsi waktu
Titik dimana t = 0 merupakan kondisi awal  ketika  penutup  lubang  tepat  akan dibuka,  yaitu  tepat  air  akan  mengalir. Berdasarkan h ( t )  dan  volume  tertampung yang diperoleh dari hasil eksperimen, dapat dihitung debit aliran air dan laju aliran v 2 ( t ) praktek.  Debit  aliran Q diperoleh  dari perubahan  volume  sebagai  fungsi  waktu yaitu , sedangkan v 2 ( t )  praktek  diperoleh  dari  perbandingan Q terhadap A 2 ,    maka
.  Dengan menggunakan h ( t )  yang  diperoleh  dari eksperimen,  dapat  dihitung v 2 ( t )  Toricelli dan v 2 ( t ) fluks volume sebagai pembanding.
Grafik  pada  Gambar  5  dan  6 menunjukkan  sebuah  laju  aliran  air  yang kontinu terhadap satu satuan waktu. Dalam penghitungan v 2 ( t ) Torricelli dan v 2 ( t ) fluks volume, h ( t )  yang  digunakan  adalah h ( t ) yang  diperoleh  dari  eksperimen  sebagai pembanding untuk v 2 ( t ) praktek. Dari grafik
terlihat  bahwa v 2 ( t )  Torricelli  selalu  lebih besar dari v 2 ( t ) praktek, hal ini dikarenakan ada  perbedaan  kondisi  antara  eksperimen dengan Torricelli. Hukum Toricelli digunakan  jika  perbandingan  luas  wadah dengan  lubang  adalah  sangat  besar sehingga v 1 =  0,  namun  pada  eksperimen masih teramati  tinggi air pada  wadah yang terus  berkurang  sehingga v 1 tidak  dapat dianggap nol.
Untuk v 2 ( t ) fluks volume juga terlihat lebih  besar  dari v 2 ( t )  praktek  dengan persen beda 13,8% - 56,4% untuk diameter lubang 3 mm dan
0,1%  -  21,5%  untuk  diameter  lubang
1  mm.  Hal  ini  terjadi  karena  fluks  volume digunakan  pada  aliran  yang  benar-benar stabil,  artinya  tepat    pada  saat air  mengalir dengan  mulus.  Sedangkan  pada v 2 ( t ) praktek,  perhitungan  laju  aliran  dilakukan pada  kondisi  awal  hingga  akhir  aliran  air sehingga  laju  aliran  tidak  stabil  di  kondisi tertentu.

## Tabel 3. Data pengukuran jarak maksimum aliran air yang jatuh
Diameter lubang (x 10 -3 m) X maks eksp. (x 10 -2 m) X maks hit. (x 10 -2 m) % Beda 1 3,8 4,3 11,6 3 6,5 5,1 27,0
Data  tabel  3  menyatakan  bahwa jarak  maksimum  air  jatuh  pada  diameter lubang  yang  lebih  besar  akan  lebih  jauh, namun persen bedanya semakin besar. Hal ini terjadi karena laju air pada saat pertama kali  mengalir  sangat  cepat  sehingga  cukup sulit  untuk  mengamati  jarak  maksimum  air ketika jatuh.

## KESIMPULAN
Dua  jenis  cairan  dalam  pipa  U  baik berdiameter  sama  maupun  berbeda, cairan  yang  densitasnya  lebih  besar akan  selalu  berada  di  posisi    paling bawah.        Densitas
> > > .
Terjadi  kenaikan  kapilaritas  air  pada pipa berdiameter 0,002 m dan 0,0025 m, dimana  kenaikan  kapilaritas  pada  pipa yang  berdiameter  lebih  kecil  akan  lebih tinggi.  Besar  sudut  kontak θ air  adalah 68,9 0 dan 69,9 0 . Laju  aliran v 2 ( t )  torricelli  selalu  lebih besar  dari v 2 ( t )  eksperimen.  Persen beda  antara v 2 ( t )  praktek  dengan v 2 ( t ) fluks volume adalah  13,8%
- 56,4% untuk diameter lubang 3 mm dan 0,1% - 21,5% untuk diameter lubang 1 mm.
Persen beda antara x maks praktek dan x maks hitung adalah 11,6% untuk diameter  lubang  1  mm  dan  27%  untuk diameter lubang 3 mm.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]  Hallyday  dan  Resnick.  2010.  Dasar- dasar  Fisika  Jilid  1  Versi  Diperluas . Tangerang: Binarupa Aksara Publisher.
Hal: 568 [2] Safitri, Islamiani, “Perangkat Pembelajaran Fluida Statik dan Dinamik  Berupa  Power  point,  Video, dan  Modul Eksperimen”,  Proyek  akhir Magister, ITB, 2013, hal.22
[3]  http://nsaadah75.wordpress.com/2011/ 02/2  8/kapilaritas/  accesed  14  Juny 2013, 01:11 am
[4]  Young  dan  Freedman.  2002.  Fisika Universitas,  Edisi  Kesepuluh  Jilid  1. Jakarta: Erlangga. Hal. 436