6 Contoh Soal Tegangan Permukaan dan Pembahasannya dengan Rumus Kelas 11 SMA
Pernahkah kamu melihat tetesan air yang mengumpul rapi di atas permukaan daun? Nah, fenomena sederhana seperti itu adalah contoh dari tegangan permukaan yang akan kamu temui dalam materi Fisika kelas 11 SMA.
Secara sederhana, tegangan permukaan mempelajari tentang bagaimana permukaan zat cair bisa menegang layaknya selaput elastis dan menghasilkan berbagai fenomena unik di sekitar kita. 🍀💧
Supaya kamu lebih mudah memahami, artikel Mamikos kali ini ini juga sudah dilengkapi dengan contoh soal tegangan permukaan dan pembahasannya yang bisa kamu jadikan latihan.
Daftar Isi
Daftar Isi
Pengertian Tegangan Permukaan
Tegangan permukaan merupakan sifat alami yang dimiliki setiap zat cair, di mana bagian permukaannya berperilaku seperti sebuah selaput elastis yang tegang. Fenomena tersebut terjadi karena molekul-molekul di permukaan cairan mengalami gaya tarik menarik yang tidak seimbang.
Molekul yang berada di bagian dalam saling menarik secara merata, tetapi molekul di permukaan hanya tertarik ke arah samping dan ke bawah. Akibatnya, permukaan cairan cenderung mengecil dan mempertahankan bentuk sekecil mungkin.
Besarnya tegangan permukaan biasanya dinyatakan sebagai gaya per satuan panjang dengan satuan Newton per meter (N/m). Nilai ini menunjukkan seberapa kuat permukaan cairan menahan gaya dari luar.
Oh, ya, fenomena tegangan permukaan dapat kita jumpai dalam kehidupan sehari-hari, lho. Misalnya, tetesan air yang tampak membulat karena permukaan air berusaha mengecil, atau kemampuan serangga kecil untuk berjalan di atas air tanpa tenggelam.
Selain itu, tegangan permukaan juga menjadi dasar dari beberapa peristiwa penting dalam fisika dan kimia, seperti naiknya cairan di dalam pipa kapiler serta pembentukan lapisan tipis cairan pada permukaan benda.
Rumus Tegangan Permukaan
Nah, sebelum lanjut ke pembahasan contoh soal tegangan permukaan dan pembahasannya, kita pelajari terlebih dahulu rumusnya, yuk.
Untuk menghitung besar tegangan permukaan suatu cairan, digunakan konsep dasar bahwa permukaan cairan mampu memberikan gaya sepanjang batas tertentu, dengan rumus:
[γ=FL]
Keterangan:
- γ adalah tegangan permukaan (N/m),
- F adalah gaya yang bekerja pada permukaan cairan (N),
- L adalah panjang garis permukaan yang mengalami gaya (m).
Rumus di atas menunjukkan bahwa semakin besar gaya yang mampu ditahan oleh suatu permukaan cairan untuk setiap satuan panjang, semakin besar pula nilai tegangan permukaannya.
Kasus Dua Permukaan (Lapisan Sabun)
Pada beberapa kondisi, seperti lapisan sabun atau film cair tipis, gaya bekerja pada dua sisi permukaan sekaligus. Karena itu, gaya total yang muncul menjadi dua kali lipat:
[F=2γL]
Rumus ini sering dipakai pada soal-soal kawat U dan bingkai sabun, di mana lapisan cairan memiliki permukaan depan dan belakang.
Tegangan Permukaan sebagai Energi
Tegangan permukaan juga dapat dilihat sebagai energi yang dibutuhkan untuk memperbesar luas permukaan cairan. Dalam pendekatan energi, persamaannya adalah:
[γ=WA]
Dengan:
- W = usaha untuk membentuk permukaan baru (Joule),
- A = pertambahan luas permukaan (m²).
Semakin besar energi yang diperlukan untuk menambah luas permukaan, semakin tinggi nilai tegangan permukaan cairan tersebut.
Contoh Soal Tegangan Permukaan dan Pembahasannya Lengkap
Agar penerapan rumus yang sudah kita pelajari sebelumnya semakin mudah untuk kamu pahami, berikut tersedia beberapa contoh soal tegangan permukaan dan pembahasannya lengkap.
1. Pada sebuah percobaan tentang tegangan permukaan, tercatat bahwa gaya yang bekerja pada permukaan cairan sebesar 4 N. Bila panjang permukaan tempat gaya tersebut bekerja adalah 20 cm, berapakah nilai tegangan permukaannya?
Pembahasan:
Diketahui:
- Gaya permukaan, (F=4,N)
- Panjang permukaan, (L=20,cm=0,2,m)
Rumus tegangan permukaan: [γ=FL]
Substitusi nilai yang diketahui: [γ=40,2]
Hitung: [γ=20,N/m]
Jadi, besar tegangan permukaan cairan tersebut adalah (20,N/m).
2. Sebuah kawat dibentuk menyerupai huruf U, lalu dipasangi kawat kecil bermassa 0,2 gram pada bagian atasnya. Saat rangkaian ini dicelupkan ke dalam larutan sabun, terbentuk lapisan sabun yang menarik kawat kecil tersebut ke atas.
Untuk menjaga agar kawat tetap dalam keadaan setimbang, digantungkan beban bermassa 0,1 gram pada kawat kecil itu. Jika panjang kawat kecil adalah 10 cm, tentukan besar tegangan permukaan lapisan sabun tersebut.
Pembahasan:
1. Mengubah massa menjadi berat (g = 10 m/s²)
Massa kawat kecil = 0,2 gram = (0,2×10-3)kg
(Wk=0,2×10-3×10=2×10-3)N
Massa beban = 0,1 gram = (0,1×10-3)kg
(Wb=0,1×10-3×10=1×10-3)N
2. Panjang kawat kecil
(l = 10) cm = (10-1)m
3. Kondisi setimbang
Gaya dari tegangan permukaan harus menahan berat kawat dan beban.
[F=Wk+Wb]
[F=2×10-3+1×10-3=3×10-3,N]
4. Menghitung tegangan permukaan
Lapisan sabun memiliki dua sisi, sehingga gaya bekerja pada panjang 2l.
[γ=F2l]
[γ=3×10-32×10-1]
[γ=1,5×10-2,N/m]
Jadi tentukan besar tegangan permukaan lapisan sabun tersebut adalah 1,5×10-2,N/m.
3. Sebuah tabung kapiler dengan diameter 0,4 cm dicelupkan secara vertikal ke dalam air. Sudut kontak antara air dan dinding tabung adalah 60°. Jika air naik setinggi 2,5 cm di dalam tabung tersebut, berapakah nilai tegangan permukaan air?
Pembahasan:
Soal ini berkaitan dengan gejala kapilaritas, sehingga digunakan persamaan:
[h=2γcosθρgr]
1. Menentukan nilai-nilai yang diketahui
2. Substitusi ke rumus kapilaritas
[2,5×10-2=2γcos60°(103)(10)(2×10-3)]
Hitung bagian penyebut:
[103×10×2×10-3=20]
Lalu:
[2,5×10-2=2γ×1220]
Sederhanakan:
[2,5×10-2=γ20]
3. Hitung tegangan permukaan
[γ=20×2,5×10-2]
[γ=50×10-2]
[γ=0,5,N/m]
Nilai tegangan permukaan air adalah 0,5,N/m.
4. Sebuah pipa kapiler dicelupkan ke dalam wadah berisi minyak tanah. Diketahui tegangan permukaan minyak tanah adalah(10-4,N/m). Jari-jari pipa kapiler 1 mm, massa jenis minyak tanah 0,8 g/cm³, percepatan gravitasi 10 m/s², dan sudut kontak antara minyak tanah dan pipa adalah 20°. Tentukan berapa besar kenaikan permukaan minyak tanah di dalam pipa kapiler tersebut.
Pembahasan:
Rumus kenaikan kapilaritas: [h=2γcosθρgr]
1. Mengubah data ke satuan SI
2. Substitusi ke dalam rumus kapilaritas
[h=2(10-4)cos20°(800)(10)(1×10-3)]
Hitung penyebut:
[800×10×10-3=8]
Maka:
[h=2×10-4×0,948]
Hitung pembilang:
[2×10-4×0,94=1,88×10-4]
Lalu:
[h=1,88×10-48]
[h=2,35×10-5,m]
3. Selanjutnya ubah ke cm agar lebih mudah dibaca
[h=2,35×10-5,m=2,35×10-3,cm]
5. Sebuah pipa kapiler memiliki jari-jari 0,15 mm dan digunakan untuk mengamati naiknya air di dalam pipa tersebut. Diketahui bahwa sudut kontak air dengan dinding pipa adalah 0°, dan tegangan permukaan air bernilai 0,073 N/m. Tentukan ketinggian air yang naik di dalam pipa kapiler tersebut.
Pembahasan:
Untuk menentukan ketinggian naiknya air, digunakan persamaan kapilaritas:
[h=2γcosθρgr]
1. Mengonversi data ke satuan SI
2. Substitusi ke rumus kapilaritas
[h=2×0,073×11000×10×1,5×10-4]
Hitung penyebut:
[1000×10×1,5×10-4=1,5×10-1=0,15]
Maka:
[h=0,1460,15]
[h=0,993×10-1,m]
[h=9,93×10-2,m]
3. Ubah ke dalam satuan cm
[9,93×10-2,m=9,93,cm]
Jadi, ketinggian air yang naik dalam pipa kapiler adalah 9,93 cm.
6. Sebuah kawat dengan massa 1,08 gram dan panjang 40 cm akan diletakkan pada permukaan tiga jenis cairan, yaitu air, alkohol, dan larutan sabun. Pertanyaannya: apakah kawat tersebut akan tenggelam ketika berada di atas permukaan alkohol dan air sabun?
Pembahasan:
Untuk mengetahui apakah kawat tenggelam atau tidak, kita bandingkan berat kawat dengan gaya yang dihasilkan oleh tegangan permukaan masing-masing cairan.
Jika gaya tegangan permukaan lebih kecil dari berat kawat → kawat akan tenggelam.
Jika gaya tegangan permukaan lebih besar dari berat kawat → kawat tetap mengapung.
1. Menghitung berat kawat
Massa kawat: [m=1,08,gram=1,08×10-3,kg]
Berat kawat:
[Wkawat=mg]
[Wkawat=1,08×10-3×10]
[Wkawat=0,0108,N]
2. Menghitung gaya tegangan permukaan tiap cairan
Rumus gaya tegangan permukaan:
[F=2γl]
dengan (l=40,cm=0,4,m).
a. Larutan sabun
[Fsabun=2×0,025×0,4]
[Fsabun=0,02,N]
b. Air
[Fair=2×0,072×0,4]
[Fair=0,0576,N]
c. Alkohol
[Falkohol=2×0,023×0,4]
[Falkohol=0,0184,N]
3. Membandingkan dengan berat kawat
Berat kawat = 0,0108 N
Jadi kawat tidak akan tenggelam pada ketiga jenis cairan, termasuk alkohol dan air sabun, karena gaya tegangan permukaan masing-masing cairan masih lebih besar dibandingkan berat kawatnya.
Penutup
Itulah tadi penjelasan lengkap mulai dari pengertian, rumus, hingga contoh soal tegangan permukaan dan pembahasannya lengkap.
Bagi kamu kelas 11 SMA yang ingin lanjut belajar dengan materi lainnya, jangan lupa mampir ke blog Mamikos, ya. Tersedia berbagai penjelasan, contoh soal, hingga soal ujian secara gratis, lho. 🌸
Referensi:
Modul Pembelajaran SMA Fisika Kelas XI [Daring]. Tautan: https://repositori.kemendikdasmen.go.id/22209/1/XI_Fisika_KD-3.3-_Final.pdf
Rumus Tegangan Permukaan dan Viskositas – Materi Fisika Kelas 11 [Daring]. Tautan: https://www.zenius.net/blog/rumus-tegangan-permukaan-dan-viskositas/
Soal Essai Tegangan Permukaan [Daring]. Tautan: https://id.scribd.com/doc/307011275/Soal-Essai-tegangan-permukaan
Klik dan dapatkan info kost di dekat kampus idamanmu: